一种组合式异种材料涡轮静子叶片组件的制作方法

1.本发明属于航空发动机技术领域，具体涉及一种组合式异种材料涡轮静子叶片组件。


背景技术：

2.涡轮导向叶片将流通过去的高温燃气部分热能转换为动能，并使气流方向改变从而满足工作叶片进口要求，是决定涡轮效率的关键构件，是航空发动机涡轮部件的重要零件。随着航空发动机的发展，发动机推重比指标和涡轮进口温度不断提高。更加严酷的高温和发动机高推重比要求带来了涡轮部件寿命下降、发动机超重等问题，高压涡轮导向叶片前缘直接受到高温燃气冲刷，叶片前缘位置超温问题严重。陶瓷基复合材料具有密度低、耐温性能突出等特点，将其作为涡轮导向叶片的材料，能够较好解决发动机涡轮导叶前缘超温、重量过大等问题。但是受限于陶瓷基复合材料的成型和制备工艺能力，难以实现带上下缘板大折转以及复杂内腔等结构的陶瓷基高压涡轮导向叶片的制造；同时叶片中后部为高流速区域，叶型表面质量对气动效率影响很大，且叶身尾缘厚度越大，叶片的尾迹损失也越大，对涡轮效率具有决定性的影响，通常叶身尾缘最大厚度要求≯1.2mm，而陶瓷基复合材料受材料特点及工艺水平所限，难以满足叶片中后部型面质量和尾缘厚度要求。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提出一种组合式异种材料涡轮静子叶片组件，采用陶瓷基叶片承受高温燃气冲刷的一端，而结构复杂且加工难度大的耐高流速导流区域采用金属叶片。本发明兼具陶瓷基复合材料叶片优越的耐温性能和高温合金叶片可靠的力学性能和优良的气动性能，提高了高压涡轮导向叶片前缘承温能力，解决了新一代先进发动机涡轮导叶前缘超温的问题，实现了涡轮叶片轻量化，延长了叶片工作寿命，总体上上提升了航空发动机的整机性能。
4.为了实现上述技术目的，本发明所采用的具体技术方案为：
5.一种组合式异种材料涡轮静子叶片组件,包括：
6.陶瓷基叶片，包括陶瓷基叶身；所述陶瓷基叶身为陶瓷基的空心气冷结构，设置在所述涡轮静子叶片承受高温燃气冲刷的一端，迎风面朝向所述高温燃气的来气方向；
7.金属叶片，包括金属基的金属叶身；所述金属叶身为空心的双层壁气冷结构，两层叶身壁组成中空且厚度渐变的叶身结构；所述金属叶身的大厚度前端与所述陶瓷基叶身的背风面拼接设置，所述金属叶身的小厚度收敛尾端为所述涡轮静子叶片的耐高流速导流区域；
8.金属上缘板；多个所述金属上缘板依次拼接后组成一外环结构；
9.金属下缘板；多个所述金属下缘板依次拼接后组成一内环结构；
10.其中：所述陶瓷基叶片与所述金属叶片组合为一个所述涡轮静子叶片；所述外环结构与所述内环结构同轴设置；所述外环结构与内环结构之间的空腔形成导流腔的一部
分；多个所述涡轮静子叶片以所述导流腔的中轴中心对称且均匀排布在所述导流腔中。
11.进一步的，所述组合式异种材料涡轮静子叶片组件还包括上缘板以及上挂钉；所述上缘板拼接在所述金属上缘板上所述高温燃气的来气方向的一端；多个所述上缘板依次拼接后组成一前端环；所述前端环与所述导流腔同轴设置；所述前端环的内环面与所述金属下缘板之间形成所述导流腔的另一部分；
12.所述陶瓷基叶片在不与所述高温燃气以及所述金属叶身接触的顶面上设置有与所述陶瓷基叶身相互固定的上安装边；所述陶瓷基叶片基于所述上安装边拼接在相邻的两个所述上缘板之间；
13.所述上挂顶用于在所述前端环的外环面处固定相邻的两个所述上缘板。
14.进一步的，所述陶瓷基叶片在不与所述高温燃气以及所述金属叶身接触的底面上设置有与所述陶瓷基叶身相互固定下端定位凸台；
15.所述金属下缘板在所述高温燃气的来气方向的一端设置有凹槽
16.所述陶瓷基叶片基于所述定位凸台拼接在所述凹槽中。
17.进一步的，所述陶瓷基叶身内设置有冷气腔；所述陶瓷基叶身的陶瓷基壳体的壁厚均匀，由陶瓷基复合材料编织成型，主体上设置有气导通所述冷气腔气导通与所述导流腔的多个陶瓷基叶身气膜孔，在所述上安装边处设置有进气通道。
18.进一步的，所述陶瓷基壳体的壁厚为2～3mm；所述陶瓷基叶身气膜孔的孔径小于0.6mm。
19.进一步的，所述金属叶片由高温单晶合金整铸成型；所述金属叶身内设置有集气腔，双层壁之间的夹层处设置有多个冲击腔；
20.所述冲击腔基于叶身冲击孔与所述集气腔实现气导通；
21.所述金属叶身与所述高温燃气接触的叶盆及叶背处设置多个金属叶身气膜孔；所述金属叶身气膜孔气导通所述冲击腔与所述导流腔；
22.所述金属叶身的收敛尾端处设置有尾劈缝；所述尾劈缝气导通所述冲击腔与所述导流腔。
23.进一步的，所述叶身冲击孔的孔径为1～1.5mm；所述金属叶身气膜孔的孔径小于0.5mm。
24.进一步的，所述金属叶身与所述陶瓷基叶片的拼接处设置有多个前端冲击孔；所述前端气膜孔与所述集气腔气导通设置。
25.进一步的，所述金属叶身与所述陶瓷基叶片的拼接处设置有多个前端气膜孔；所述前端气膜孔一端气导通所述金属叶身与所述陶瓷基叶片之间的拼接处，另一端导通所述导流腔。
26.进一步的，所述金属叶片基于不与所述高温燃气以及所述金属叶身接触的顶面及底面拼接在所述金属上缘板与所述金属下缘板之间。
27.采用上述技术方案，本发明能够带来以下有益效果：
28.a)相较于单一高温合金材料叶片，本发明能够有效提高耐温水平200℃以上；
29.b)相比单晶高温合金整铸叶片，本发明可减重20％以上；
30.c)与金属叶片相比，本发明能够减少涡轮导向叶片冷气用量，提高发动机效率；
31.d)本发明的陶瓷基复合材料零件结构简单，制造工艺性好。
32.e)本发明的组装方式叶片结构可靠，装配性好，能有效解决陶瓷基与金属件之间的热匹配问题。
附图说明
33.为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
34.图1为本发明具体实施方式中一种组合式异种材料涡轮静子叶片组件的爆炸视图；
35.图2为本发明具体实施方式中一种组合式异种材料涡轮静子叶片组件的组装视图；
36.图3为本发明具体实施方式中一种组合式异种材料涡轮静子叶片组件的轴向剖视图；
37.图4为本发明具体实施方式中一种组合式异种材料涡轮静子叶片组件的径向剖视图；
38.其中：1、陶瓷基叶片；101、陶瓷基叶身；102、定位凸台；103、上安装边；104、安装孔；105、陶瓷基叶身气膜孔；106、进气通道；107、冷气腔；108、陶瓷基纤维；2、金属叶片；201、金属叶身；202、金属上缘板；203、金属下缘板；204、凹槽；205、前端冲击孔；205a、叶身冲击孔；206、金属叶身气膜孔；206a、前端气膜孔；207、尾劈缝；208、集气腔；209、冲击腔；3、上缘板；301、安装凸台；302、安装边；303、上缘板螺栓孔；304、内环面；4、上挂环；401、上挂环螺栓孔；5、螺钉。
具体实施方式
39.下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
40.以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
41.要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
42.还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构
想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
43.另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
44.在本发明的一个实施例中，提出一种组合式异种材料涡轮静子叶片组件,如图1-4所示，包括：
45.陶瓷基叶片1，包括陶瓷基叶身101；陶瓷基叶身101为陶瓷基的空心气冷结构，设置在涡轮静子叶片承受高温燃气冲刷的一端，迎风面朝向高温燃气的来气方向；
46.金属叶片2，包括金属基的金属叶身201；金属叶身201为空心的双层壁气冷结构，两层叶身壁组成中空且厚度渐变的叶身结构；金属叶身201的大厚度前端与陶瓷基叶身101的背风面拼接设置，金属叶身201的小厚度收敛尾端为涡轮静子叶片的耐高流速导流区域；
47.金属上缘板202；多个金属上缘板202依次拼接后组成一外环结构；
48.金属下缘板203；多个金属下缘板203依次拼接后组成一内环结构；
49.其中：陶瓷基叶片1与金属叶片2组合为一个涡轮静子叶片；外环结构与内环结构同轴设置；外环结构与内环结构之间的空腔形成导流腔的一部分；多个涡轮静子叶片以导流腔的中轴中心对称且均匀排布在导流腔中。
50.在本实施例中，如图1、2所示，组合式异种材料涡轮静子叶片组件还包括上缘板3以及上挂钉；上缘板3拼接在金属上缘板202上高温燃气的来气方向的一端；多个上缘板3依次拼接后组成一前端环；前端环与导流腔同轴设置；前端环的内环面304与金属下缘板203之间形成导流腔的另一部分；
51.陶瓷基叶片1在不与高温燃气以及金属叶身201接触的顶面上设置有与陶瓷基叶身101相互固定的上安装边103；陶瓷基叶片1基于上安装边103拼接在相邻的两个上缘板3之间；
52.上挂顶用于在前端环的外环面处固定相邻的两个上缘板3。
53.在本实施例中，如图1所示，陶瓷基叶片1在不与高温燃气以及金属叶身201接触的底面上设置有与陶瓷基叶身101相互固定下端定位凸台102；
54.金属下缘板203在高温燃气的来气方向的一端设置有凹槽204
55.陶瓷基叶片1基于定位凸台102拼接在凹槽204中。
56.在本实施例中，如图3所示，陶瓷基叶身101内设置有冷气腔107；陶瓷基叶身101的陶瓷基壳体的壁厚均匀，由陶瓷基复合材料编织成型，主体上设置有与冷气腔107气导通的多个陶瓷基叶身气膜孔105，在上安装边103处设置有进气通道106。
57.在本实施例中，陶瓷基壳体的壁厚为2～3mm；陶瓷基叶身气膜孔105的孔径小于0.6mm。
58.在本实施例中，金属叶片2由高温单晶合金整铸成型；如图3所示，金属叶身201内设置有集气腔208，双层壁之间的夹层处设置有多个冲击腔209；
59.冲击腔209基于叶身冲击孔205a与集气腔208实现气导通；
60.金属叶身201与高温燃气接触的叶盆及叶背处设置多个金属叶身气膜孔206；金属叶身气膜孔206与冲击腔209气导通设置；
61.金属叶身201的收敛尾端处设置有尾劈缝207；尾劈缝207与冲击腔209气导通设置。
62.在本实施例中，叶身冲击孔205a的孔径为1～1.5mm；金属叶身气膜孔206的孔径小于0.5mm。
63.在本实施例中，金属叶身201与陶瓷基叶片1的拼接处设置有多个前端冲击孔205；前端气膜孔206a与集气腔208气导通设置。
64.在本实施例中，金属叶身201与陶瓷基叶片1的拼接处设置有多个前端气膜孔206a；前端气膜孔206a一端气导通金属叶身201与陶瓷基叶片1之间的拼接处，另一端导通导流腔。
65.在本实施例中，金属叶片2基于不与高温燃气以及金属叶身201接触的顶面及底面拼接在金属上缘板202与金属下缘板203之间。
66.本实施例的组合式异种材料涡轮静子叶片组件前半部分为空心气冷陶瓷基叶片1，由陶瓷基纤维108整体编织加陶瓷基体成型，主要用来承受前缘高温燃气冲刷；如图2、4所示，陶瓷基叶片2与上缘板3相匹配，形成上流道面的前端部分，并与上挂环4通过螺栓连接使陶瓷基叶片2组合成环；
67.组合式异种材料涡轮静子叶片组件的后半部分为带上、下缘板的双层壁高效冷却结构气冷的金属叶片2，由单晶高温合金整铸成型，主要用于高温燃气主流气体的引流，保证叶片优良的气动效率，并保证叶片轴向力向内外机匣的可靠传递；陶瓷基叶身101和金属叶身201组合形成完整的涡轮导向叶片气动外型型面；并由上缘板3的内环面304、金属上缘板202以及金属下缘板203组合成环后形成完整导流腔流道。
68.陶瓷基叶片1主要由陶瓷基叶身101、下端定位凸台102、上安装边103组成。陶瓷基叶身101内设简单的冷气腔107，截面按需设置均匀壁厚，壁厚一般为2～3mm；陶瓷基叶身101顶端设置进气通道106，主体上设置致密的陶瓷基叶身气膜孔105，陶瓷基叶身气膜孔105的直径一般不大于0.6mm；冷气通过进气通道106进入冷气腔107并通过陶瓷基叶身气膜孔105排出，实现对陶瓷基叶身101的对流和气膜冷却。
69.金属叶片2主要由金属叶身201、金属上缘板202、金属下缘板203组成。其中金属叶身叶身201内部为双层壁高效冷却结构，中间为一个大的集气腔208，内外壁之间夹层设置有若干个冲击腔209，集气腔208与冲击腔209之间由若干个叶身冲击孔205a连通，叶身冲击孔直径一般为1～1.5mm；金属叶身201的叶盆、叶背两侧设置有若干排致密的金属叶身气膜孔206，金属叶身气膜孔206的直径一般不大于0.5mm，金属叶身201前端设置有若干前端冲击孔205，尾缘设置有尾劈缝207。大部分冷气由中间集气腔208通过内层壁上的叶身冲击孔205a进入冲击腔209，对金属叶身201外层壁面进行冲击冷却的同时，通过对应位置的致密的金属叶身气膜孔206和尾劈缝207排出，通过冷气冲击和气膜覆盖实现金属叶身201的盆、背侧和尾缘的充分冷却；集气腔208另有一股冷气通过前端冲击孔205排出，对陶瓷基叶身101和金属叶身201形成的夹腔进行冷却和封严，并通过两侧的前端气膜孔206a排出。
70.陶瓷基叶片1下端设置有定位凸台102，定位凸台可以按需设置为键槽、凸齿、球头等形式，金属下缘板203上设置有与定位凸台102相适配的凹槽204，陶瓷基叶片1下端嵌套安装在凹槽204内，配合处留有0.1～0.3mm间隙，以保证陶瓷基叶片1下端具有一定的活动空间，以解决陶瓷基叶片1与金属件之间的热匹配问题。
71.陶瓷基叶片1的上端沿轴向方向设置有安装边103，安装边上103开有安装通孔104，安装孔可以按需设置为圆形、跑道形、燕尾形等结构形式；上缘板3一侧面上设置有相适配的安装凸台301，通过安装结构将陶瓷基叶片1与上缘板3连接固定；上缘板3四个角上分别设置有4个安装边302，安装边上分别设置有上缘板螺栓孔303，上挂环4上相应设置有4个上挂环螺栓孔401，相邻上缘板3之间的安装边302两两配对，通过螺钉5将上挂环4与一组上缘板3安装连接；依次装配后使得叶片组合成环，形成完整的涡轮导向器。
72.以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开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公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种组合式异种材料涡轮静子叶片组件,其特征在于，包括：陶瓷基叶片，包括陶瓷基叶身；所述陶瓷基叶身为陶瓷基的空心气冷结构，设置在所述涡轮静子叶片承受高温燃气冲刷的一端，迎风面朝向所述高温燃气的来气方向；金属叶片，包括金属基的金属叶身；所述金属叶身为空心的双层壁气冷结构，两层叶身壁组成中空且厚度渐变的叶身结构；所述金属叶身的大厚度前端与所述陶瓷基叶身的背风面拼接设置，所述金属叶身的小厚度收敛尾端为所述涡轮静子叶片的耐高流速导流区域；金属上缘板；多个所述金属上缘板依次拼接后组成一外环结构；金属下缘板；多个所述金属下缘板依次拼接后组成一内环结构；其中：所述陶瓷基叶片与所述金属叶片组合为一个所述涡轮静子叶片；所述外环结构与所述内环结构同轴设置；所述外环结构与内环结构之间的空腔形成导流腔的一部分；多个所述涡轮静子叶片以所述导流腔的中轴中心对称且均匀排布在所述导流腔中。2.根据权利要求1所述的组合式异种材料涡轮静子叶片组件,其特征在于，所述组合式异种材料涡轮静子叶片组件还包括上缘板以及上挂钉；所述上缘板拼接在所述金属上缘板上所述高温燃气的来气方向的一端；多个所述上缘板依次拼接后组成一前端环；所述前端环与所述导流腔同轴设置；所述前端环的内环面与所述金属下缘板之间形成所述导流腔的另一部分；所述陶瓷基叶片在不与所述高温燃气以及所述金属叶身接触的顶面上设置有与所述陶瓷基叶身相互固定的上安装边；所述陶瓷基叶片基于所述上安装边拼接在相邻的两个所述上缘板之间；所述上挂顶用于在所述前端环的外环面处固定相邻的两个所述上缘板。3.根据权利要求2所述的组合式异种材料涡轮静子叶片组件,其特征在于，所述陶瓷基叶片在不与所述高温燃气以及所述金属叶身接触的底面上设置有与所述陶瓷基叶身相互固定下端定位凸台；所述金属下缘板在所述高温燃气的来气方向的一端设置有凹槽所述陶瓷基叶片基于所述定位凸台拼接在所述凹槽中。4.根据权利要求3所述的组合式异种材料涡轮静子叶片组件,其特征在于，所述陶瓷基叶身内设置有冷气腔；所述陶瓷基叶身的陶瓷基壳体的壁厚均匀，由陶瓷基复合材料编织成型，主体上设置有气导通所述冷气腔气导通与所述导流腔的多个陶瓷基叶身气膜孔，在所述上安装边处设置有进气通道。5.根据权利要求4所述的组合式异种材料涡轮静子叶片组件,其特征在于，所述陶瓷基壳体的壁厚为2～3mm；所述陶瓷基叶身气膜孔的孔径小于0.6mm。6.根据权利要求5所述的组合式异种材料涡轮静子叶片组件,其特征在于，所述金属叶片由高温单晶合金整铸成型；所述金属叶身内设置有集气腔，双层壁之间的夹层处设置有多个冲击腔；所述冲击腔基于叶身冲击孔与所述集气腔实现气导通；所述金属叶身与所述高温燃气接触的叶盆及叶背处设置多个金属叶身气膜孔；所述金属叶身气膜孔气导通所述冲击腔与所述导流腔；所述金属叶身的收敛尾端处设置有尾劈缝；所述尾劈缝气导通所述冲击腔与所述导流腔。
7.根据权利要求6所述的组合式异种材料涡轮静子叶片组件,其特征在于，所述叶身冲击孔的孔径为1～1.5mm；所述金属叶身气膜孔的孔径小于0.5mm。8.根据权利要求7所述的组合式异种材料涡轮静子叶片组件,其特征在于，所述金属叶身与所述陶瓷基叶片的拼接处设置有多个前端冲击孔；所述前端气膜孔与所述集气腔气导通设置。9.根据权利要求8所述的组合式异种材料涡轮静子叶片组件,其特征在于，所述金属叶身与所述陶瓷基叶片的拼接处设置有多个前端气膜孔；所述前端气膜孔一端气导通所述金属叶身与所述陶瓷基叶片之间的拼接处，另一端导通所述导流腔。10.根据权利要求9所述的组合式异种材料涡轮静子叶片组件,其特征在于，所述金属叶片基于不与所述高温燃气以及所述金属叶身接触的顶面及底面拼接在所述金属上缘板与所述金属下缘板之间。

技术总结
本发明属于航空发动机技术领域，具体涉及一种组合式异种材料涡轮静子叶片组件，本发明采用陶瓷基叶片承受高温燃气冲刷的一端，而结构复杂且加工难度大的耐高流速导流区域采用金属叶片。本发明兼具陶瓷基复合材料叶片优越的耐温性能和高温合金叶片可靠的力学性能和优良的气动性能，提高了高压涡轮导向叶片前缘承温能力，解决了新一代先进发动机涡轮导叶前缘超温的问题，实现了涡轮叶片轻量化，延长了叶片工作寿命，总体上上提升了航空发动机的整机性能。机性能。机性能。


技术研发人员：谢利强 杜鹏 陈阿龙 赵云 窝丁日海
受保护的技术使用者：中国航发四川燃气涡轮研究院
技术研发日：2023.02.27
技术公布日：2023/6/28