[发明专利]一种陶瓷基复合材料涡轮转子叶片

说明书

本发明一种用于燃气涡轮发动机中的涡轮叶片，其结构适用于使用陶瓷基复合材料进行制造。整体叶片完全由陶瓷基复合材料构成，包括叶身、封严缘板、伸根和榫头等部分。叶身、伸根和榫头部分厚度变化程度低于一般金属叶片，由碳化硅纤维编织而成的核心预制体经过固化和成型工艺得到。封严缘板结构厚度较薄，由纤维布层叠而成，并在伸根处转折至伸根或相邻不同方向的缘板。伸根部位上宽下窄呈倒燕尾结构，防止安装叶片时向下掉落，避免因此造成的涡轮盘盘缘损伤封严缘板，叶片关键边缘均进行圆角处理，防止尖角处磕碰损伤导致局部纤维出现损伤。该叶片结构能提供涡轮叶片所需要的气动、封严、装配等功能要求，适用于陶瓷基复合材料制造工艺。

技术领域

本发明涉及一种燃气涡轮发动机叶片，所述涡轮叶片由复合材料尤其是陶瓷基复合材料制成，通过燕尾型榫头安装在转子轮盘上。属于航空发动机或地面以及船用燃气轮机。

背景技术

对于航空发动机中的涡轮转子叶片，目前主要使用的材料为高温合金。高温合金较高的密度，使叶片质量偏大，叶片承受的离心力巨大，对涡轮盘以及相关连接、支撑结构的承载能力都提出了很高的要求，致使航空发动机涡轮组件部分占据了发动机整机重量很大比例。

得益于高性能陶瓷纤维制备技术的发展，采用连续纤维曾韧技术的陶瓷基复合材料韧性大大提高，有类似金属材料的力学性能表现，同时具备更高的耐温能力，良好的强度、抗氧化、抗蠕变性能，已经在一些航空发动机静子件中得到了应用。

将陶瓷基复合材料应用于航空发动机转子部件，对整机性能提升和重量控制更有效果。但目前适用于金属材料的涡轮叶片结构，比如常见的封严篦齿，多齿型榫头，并不适合编织复合材料的预制体制备与固化成型。与此同时，这些金属叶片的典型结构需要将相应部位机械加工成最终形状，由此会导致，切削破坏了编织复合材料内部纤维连续性，结构局部机械响度显著退化。

发明内容

因此，本发明主要目的是提出了一种适用于编织复合材料工艺的陶瓷基复合材料涡轮转子叶片结构，该结构能提供涡轮叶片所需要的气动、封严、装配等功能要求。

在该叶片结构中通过使用一种改进的叶身-伸根-榫头一体化结构，以及利用封严缘板代替篦齿等传统封严结构来实现这个目的。

为了实现上述目的，本发明所述一种陶瓷基复合材料涡轮转子叶片，包括叶身(1)、封严缘板、伸根(7)和榫头(9)；

所述叶身(1)由叶尖(12)、叶根(13)、叶盆表面(1b)、叶背表面(1a)和叶片前缘(1c)构成；叶身(1)的横截面翼型拥有弯曲的空气动力学轮廓；所述空气动力学轮廓从叶根(13)沿叶片纵向延伸至叶尖(12)；所述空气动力学轮廓具有可变的叶片厚度，根据编织工艺特点，叶片厚度推荐在2-5mm；所述空气动力学轮廓由叶盆表面(1b)和叶背表面(1a)构成；所述叶盆表面(1b)和叶背表面(1a)通过叶片前缘(1c)和叶片尾缘(1d)围成整个叶身。

所述封严缘板包括转子级内封严缘板(2)、转静子级间封严缘板(5)、阶梯过渡封严缘板(4)和端面封严缘板(6)；根据封严要求选取并配合使用上述四类封严缘板形式；所述转子级内封严缘板(2)、转静子级间封严缘板(5)、阶梯过渡封严缘板(4)和端面封严缘板(6)均呈薄片状布置在叶根处，分别设计在级内叶根处，级间，级内与级间交界处和榫头端面。所述封严缘板由二维编织纤维布层叠而成，通过控制编织层数控制缘板厚度。

级内封严缘板(2)用于封阻流道内燃气避免直接冲入涡轮盘；级间封严缘板(5)用于封阻涡轮静子与转子间的燃气；阶梯过渡封严缘板(4)配合涡轮静子相应位置的阶梯结构(未示出)用于提高级间封严效果；端面封严缘板(6)用于再次阻挡级间燃气通过相邻叶片伸根之间空隙进入涡轮盘。