[发明专利]一种陶瓷基复合材料涡轮转子叶片叶身

说明书

本发明属于航空发动机或地面以及船用燃气轮机技术领域，具体涉及一种陶瓷基复合材料涡轮转子叶片叶身，包括叶身，叶身包括叶尖表面、叶根表面、叶盆表面、叶背表面、叶片前缘和叶片尾缘，叶盆表面和叶背表面通过叶尖表面、叶根表面、叶片前缘和叶片尾缘围成整个叶身；叶身的叶型轮廓设计横截面共7个，包括截面Ⅰ、截面Ⅱ，截面Ⅲ，截面Ⅳ，截面Ⅴ，截面Ⅵ，截面Ⅶ，每个截面的叶型具有平面弯曲的气体动力学轮廓。本发明提供的叶片叶身结构实心无冷却，设计工况下的气动性能、强度和振动特性仿真结果符合功能需求，适用于陶瓷基复合材料制造工艺。

技术领域

本发明属于航空发动机或地面以及船用燃气轮机技术领域，具体涉及一种陶瓷基复合材料涡轮转子叶片叶身。

背景技术

燃气涡轮发动机性能日益提升使热端部件如燃烧室、涡轮等面对越来越高的温度和气动载荷问题。在高负荷的服役环境中，先进航空发动机热端部件对材料工艺和结构设计的要求越来越严苛。目前先进军用燃气涡轮发动机的涡轮前温度达到了1870K～2010K，而高压涡轮叶片的主要用材镍基高温合金最佳工作温度最高只有1350K～1370K，涡轮叶片需要复杂的冷却结构，复杂的结构设计存在应力集中、研发、生产和维护成本高等问题，成为限制先进军用燃气涡轮发动机性能提升的重要因素。

连续纤维增韧陶瓷基复合材料是20世纪70年代逐步发展起来的一种高温热结构材料，以低密度、高比强度、高比模量、抗腐蚀、耐磨损和热稳定性好著称，在先进军用燃气涡轮发动机设计目标下，陶瓷基复合材料势必成为其关键热结构用材。

与目前的主要用材镍基高温合金相比，陶瓷基复合材料具有两大优势：材料密度仅是镍基高温合金的1/4～1/3，相同转速条件下陶瓷基复合材料涡轮叶片的离心拉伸应力更小，为燃气涡轮发动机提高设计转速提供了可能；在不使用空气冷却和环境涂层的情况下，工作温度可达1470K以上，潜在使用温度可达1870K，且在持续的高温环境中强度性能稳定，比镍基高温合金最佳工作温度可以高出580K，因此在某些涡轮级，如高压涡轮的后几级、低压涡轮等，叶片可以不采用冷却结构，简化了结构设计，避免了应力集中、研发、生产和维护成本高等问题，也减少了引导冷却气的附加结构，提高了发动机整体的结构效率。此外，节省的冷却气可以继续参与燃烧室的热力过程，提高了实际循环的增压比，进而提高了循环热效率，同时更多高温的工质参与做功，循环有效功增大，推力增大，具有提高燃气涡轮发动机总体性能的潜能。

限制陶瓷基复合材料涡轮叶片技术发展主要有两大因素：虽然陶瓷基复合材料整体表现出韧性，但每个组分在发生损伤时仍展现出明显的陶瓷材料脆性，会迅速丧失承载能力。此外，目前陶瓷基复合材料工艺水平对于加工复杂结构存在较大难度。加工陶瓷基复合材料涡轮叶片时，需取消叶身弯掠、降低叶片稠度等，大大增加了结构设计难度。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种陶瓷基复合材料涡轮转子叶片叶身，是一种在军用燃气涡轮发动机低压涡轮服役环境中适用于编织复合材料工艺的陶瓷基复合材料涡轮叶片叶身结构，该结构能提供涡轮叶片所需要的气动、静强度和振动特性等功能要求。

本发明是这样实现的，提供一种陶瓷基复合材料涡轮转子叶片叶身，包括叶身，叶身包括叶尖表面、叶根表面、叶盆表面、叶背表面、叶片前缘和叶片尾缘，叶盆表面和叶背表面通过叶尖表面、叶根表面、叶片前缘和叶片尾缘围成整个叶身；

叶身的叶型轮廓设计横截面共7个，包括出口叶尖位置的截面Ⅰ、工艺叶尖位置的截面Ⅱ，3/4叶高位置的截面Ⅲ，1/2叶高位置的截面Ⅳ，1/4叶高位置的截面Ⅴ，进口叶根位置的截面Ⅵ，出口叶根位置的截面Ⅶ，每个截面的叶型具有平面弯曲的气体动力学轮廓。

优选的，所述叶身内部不设冷却气流道，即叶身为实心结构。

进一步优选，所述截面Ⅰ位于叶高119.8mm处，所述截面Ⅱ位于叶高115.8mm处，所述截面Ⅲ位于叶高93.5mm处，所述截面Ⅳ位于叶高69.3mm处，所述截面Ⅴ位于叶高45mm处，所述截面Ⅵ位于叶高20.8mm处，所述截面Ⅶ位于叶高0mm处。