一种陶瓷基复合材料双T形涡轮转子叶片结构

摘要

本发明公开了一种陶瓷基复合材料（CMCs）双T形涡轮转子叶片结构，CMCs双T形涡轮转子叶片分成叶身‑缘板结构和缘板‑榫头结构，此两种结构都为形式类似的T形结构，能够采用相类似的编织工艺与形式，编织难度低，分体编织能降低制备的成本，有效控制风险。叶身‑缘板结构中的叶身与上缘板连接处设置为环状小半径圆弧曲面，缘板‑榫头结构中的榫头与下缘板连接处设置为环状小半径圆弧曲面，都有效减少应力集中。这种构型能够将叶片这种对CMCs编织较为困难的复杂结构简化为相对简单的T形结构，所形成的上下两部分T形结构有利于CMCs的一体化编织。

说明书

技术领域

本发明涉及航空发动机密封的领域，具体涉及陶瓷基复合材料涡轮转子叶片结构。

背景技术

陶瓷基复合材料（CMCs）是在航空发动机领域极具应用前景的材料，在高温下具有极高的比强度、比刚度，并且轻质、耐腐蚀，能适应航空发动机涡轮中极端的工作环境。CMCs材料目前已经逐步应用在尾喷管调节片、燃烧室火焰筒中，对CMCs涡轮导向叶片的研究也在稳步推进。

然而，目前对于CMCs涡轮转子叶片的研究还未取得突破性的进展，其中一部分原因在于：在使用CMCs涡轮转子叶片的过程中，CMCs涡轮转子叶片需要受到极高的温度和极复杂的载荷，需要采用适应CMCs编织形式的结构来解决承载问题。而CMCs涡轮转子叶片由于编织工艺，难以编织成传统金属叶片上的各种结构，使这些结构发挥作用，如对于大扭转角度的叶身到榫头的编织过渡困难问题，一些复杂CMCs叶片结构的部件则需要在编织后进行大量机械加工，加工难度极大。

发明专利《TURBINE BLADE ASSEMBLY WITH CERAMIC MATRIX COMPOSITECOMPONENTS》（专利号：US2020072065A1）公开了一种CMCs涡轮转子叶片的结构形式，该叶片由叶身-榫头结构和形成燃气通道的平台结构组成，叶身-榫头结构和平台结构沿发动机周向间隔排布。该叶片所采用的结构形式需要使叶身-榫头结构和平台结构紧密配合，结构复杂，极易产生间隙导致燃气泄漏，增大了装配难度。

发明专利《陶瓷基复合材料T形涡轮转子结构》（申请号：202010548722.6）公开了一种非传统形式的T形涡轮转子结构，该结构采用了分体式涡轮盘，以叶片缘板为承载部位，能有效减轻叶片的重量。然而与此种涡轮叶片配套的涡轮盘轮缘宽度必须大于叶片缘板宽度，才能将缘板包裹在内，导致涡轮盘轮缘宽度过大，工作时会显著增加轮盘离心力，且爪状卡槽结构较为复杂，机械加工量大。

发明内容

为了解决CMCs涡轮转子叶片结构复杂，工艺实施困难的特点，本发明提供了一种双T形涡轮转子叶片结构，该结构上下同为T形结构，能够有利于在保证叶片力学性能的前提下，采用成熟的平纹编织工艺加工出叶片的叶身、缘板、榫头等结构。同时，该叶片的涡轮盘结构简单，在叶身尺寸相近情况下，半径明显小于前述T形涡轮转子叶片所采用的涡轮盘，且轮缘结构简单，能实现叶盘整体减重。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种陶瓷基复合材料双T形涡轮转子叶片结构，由叶身-缘板结构、缘板-榫头结构和叶片缘板组成，叶身-缘板结构为倒T形，T形伸出部分为叶身，横向部分为上缘板，缘板-榫头结构为正T形，T形伸出部分为榫头，横向部分为下缘板，上缘板与下缘板相互缝合构成叶片缘板，榫头在轴向对称处设置有卡槽,卡槽与轮盘上的凸块配合进行周向定位。

进一步地，叶身-缘板结构由叶身主体铺层结构和叶身外包铺层结构组成，叶身主体铺层结构为平纹纤维布沿叶身的径向方向延伸，从叶盆向叶背铺设，将完整的纤维布设置于叶身的几何中面，使纤维布不会因为叶身各截面厚度不同而产生孔洞，叶身外包铺层结构从外部包裹叶身主体铺层结构形成叶身，超过叶身主体铺层结构底部边缘的叶身外包铺层结构翻折编织向两侧延伸形成上缘板，翻折角度近于90度。

进一步地，叶身与上缘板连接处为一环状小半径圆弧曲面，用于减少应力集中。

进一步地，缘板-榫头结构由主体伸根铺层结构和伸根铺层间加补片结构组成，主体伸根铺层结构沿榫头伸出方向铺设伸层纤维布，承受主要的拉伸载荷，两侧外部的纤维布向上延伸并呈现接近于90度的弯折，形成下缘板，主体伸根铺层结构靠近榫头一端，两侧靠外的纤维布分别向外弯曲，离伸根中心越远的纤维布弯曲程度越大，中心纤维布不发生弯曲，在纤维布空隙间插入小块补片，形成榫齿。

进一步地，榫头为带有伸根的燕尾式圆弧形结构，榫头横截面法向与叶身前缘至尾缘连线垂直，榫头与下缘板连接处为一环状小半径圆弧曲面，用于减少应力集中。

进一步地，叶片缘板还包括增强缘板纤维布，上缘板与下缘板对齐铺设，固定后在其上铺设增强缘板纤维布，对上缘板和下缘板进行增强固定。

进一步地，上缘板和下缘板在重合处作层间缝合，所述的增强缘板纤维布与上缘板和下缘板沿半径方向作层间缝合加强固定强度。

进一步地，上缘板、下缘板和增强缘板纤维布的层数根据工艺要求可铺设不同的层数调节厚度。

进一步地，叶身外形曲面为具有专用气动特征的翼形曲线构成的包络面，叶片缘板为旋转中心位于发动机轴线的周向圆弧曲面薄板。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明中，将CMCs涡轮转子叶片分成叶身-缘板结构和缘板-榫头结构，此两种结构都为形式类似的T形结构，能够采用相类似的编织工艺与形式，编织难度低，分体编织能降低制备的成本，有效控制风险。这种构型能够将叶片这种对CMCs编织较为困难的复杂结构简化为相对简单的T形结构，所形成的上下两部分T形结构有利于CMCs的一体化编织。

（2）本发明中，将叶片拆分成上下两部分分体结构进行分别编织，不必考虑叶身到榫头的纤维布编织过渡问题，能够降低将叶片进行整体编织的难度。且在仅考虑单一结构时，更能有针对性的进行编织优化，提升局部性能。

（3）本发明中，叶身与上缘板连接处设置为环状小半径圆弧曲面，榫头与下缘板连接处设置为环状小半径圆弧曲面，都有效减少应力集中。

（4）本发明中，从上缘板和下缘板连接处延伸数层弯曲纤维布，至交接处翻折对齐并进行层间缝合，可形成有效的气流通道，同时，铺设纤维布时考虑到各叶片之间缘板相互碰磨与支持所需的刚度要求与CMCs材料的工艺可行性，可对缘板厚度进行调整，分体操作工艺简单。

附图说明

图1：CMCs双T形涡轮转子叶片结构不同角度的立体示意图；

图2：叶身-缘板结构和缘板-榫头结构示意图；

图3：叶身-缘板结构铺层示意图；

图4(a)和图4(b)：缘板-榫头结构铺层示意图；

图5：增强缘板纤维布铺层示意图；

图6：CMCs双T形涡轮转子叶片编织结构示意图。

其中：叶身-缘板结构-1、缘板-榫头结构-2、叶片缘板-3、增强缘板纤维布-4、卡槽-5、叶身-11、上缘板-12、榫头-21、下缘板-22、补片-23、榫齿-24。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

根据附图所示，CMCs双T形涡轮转子叶片结构由上下两个T形结构组成，倒T形为叶身-缘板结构1，正T形为缘板-榫头结构2，T形结构的径向伸出部分别为叶片的叶身11和榫头21，为了形成有效的气流通道，从叶身下方和榫头上方延伸数层弯曲纤维布分别形成上缘板12和下缘板22，至交接处翻折对齐并进行层间缝合固定。铺设时考虑到叶片之间缘板相互碰磨与支持所需的刚度要求与CMCs材料的工艺可行性，可对厚度进行调整。这种构型能够将叶片这种对CMCs编织较为困难的复杂结构简化为相对简单的T形结构，所形成的上下两部分T形结构有利于CMCs的一体化编织。

叶身-缘板结构1由两类铺层结构组成，即叶身主体铺层结构和叶身外包铺层结构。叶身主体铺层结构设计为：平纹纤维布沿叶高方向延伸，从叶盆向叶背铺设。为了保证各纤维布铺层的完整性，避免纤维布由于叶身各截面厚度不同而产生孔洞，将最完整的纤维布设置于叶身的几何中面。叶身外包铺层结构分为两部分，由外部向内包裹叶身主体铺层，在叶身底部边缘翻折编织形成上缘板结构。

缘板-榫头结构2铺层设计为主体伸根铺层结构和伸根铺层间加补片的形式。主体伸根铺层结构设计为：由缘板处沿径向延伸下来的伸层纤维布作为缘板-榫头部分的伸根铺层主体，承受主要的拉伸载荷。在伸根铺层的最下端靠近榫头21处，部分纤维布分别朝榫齿24方向进行弯曲，且离伸根中心越远的纤维布弯曲程度越大，中心纤维布不发生弯曲。在纤维布空隙间插入小块补片23，形成榫齿24结构。位于榫头21两侧外部纤维布在双T形结构接触处作接近于90度的弯折，与叶身-缘板部分1的叶身外包铺层结构中翻折纤维布进行拼接对齐，做层间缝合，使叶身-缘板结构1和缘板-榫头结构2进行固定连接。在榫头处机械加工轴向对称的卡槽5，与涡轮盘上的凸块配合进行周向定位。

将上缘板12和下缘板22的纤维布进行对齐及层间缝合，在其上再铺设一层增强缘板纤维布4，对上缘板12和下缘板22缝合结构作增强固定连接，形成叶片缘板，在半径方向作层间缝合，加强上下两部分的连接强度。

叶身11的外形曲面为具有专用气动特征的翼形曲线构成的包络面。叶片缘板3为一层厚度为1mm-2mm，旋转中心位于发动机轴线的周向圆弧曲面薄板。叶身11与上缘板12连接处为一环状小半径圆弧曲面，用于减少应力集中。榫头21为带有伸根的燕尾式圆弧结构，中部开周向定位卡槽5，榫头21横截面法向与叶身11前缘至尾缘连线大致垂直。榫头21与下缘板22连接处为一环状小半径圆弧曲面，用于减少应力集中。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。