一种陶瓷基复合材料整体叶盘及改进方法与流程

1.本发明涉及整体叶盘技术领域，尤其涉及一种陶瓷基复合材料整体叶盘及改进方法。


背景技术：

2.整体叶盘是为了满足高性能航空发动机而设计的新型结构件，其将发动机转子叶片和轮盘形成一体，省去了传统连接中的榫头、榫槽及锁紧装置等，减少结构重量及零件数量，避免榫头气流损失，提高气动效率，使发动机结构大为简化。
3.现有的陶瓷基复合材料整体涡轮叶盘结构研究制备经验较少，主要是通过陶瓷基复合材料正交平纹编织工艺制备，且轮心及叶根部位为机匣加工获得，所以，容易发生局部位置强度不足的问题且加工难度大。由于陶瓷基复合材料硬度加大，在加工盘体结构及叶型过程中对加工刀具的磨损较大，无法保证叶型等复杂型面的加工精度，陶瓷基复合材料耗损较大。同时，正交各向异性纤维预制体制备过程中，没有考虑整体叶盘的结构与受力特点，在加工复杂型面的同时也会造成局部纤维的破坏，而纤维是陶瓷基复合材料主要的承载组分，因此最终得到的整体叶盘在轮心、叶根等关键部位没有足够的连续承载纤维，没有发挥陶瓷基复合材料的性能优势，限制了整体叶盘的强度。
4.同时，针对陶瓷基复合材料整体叶盘与金属轴传力传扭问题，原有金属轮盘与金属轴的传力传扭方案包括过盈配合、花键等结构，但是，如果沿用金属轮盘方案中的花键结构，加工难度较大且对轮盘的尺寸有限制要求；如果沿用金属轮盘方案中的过盈配合方案，金属轴在高温环境下变形大于陶瓷基复合材料轮盘，会挤压盘心造成轮盘提前破坏。因此，在陶瓷基复合材料整体叶盘与金属轴的连接方案上无法沿用金属盘轴常用的配合方式。
5.因此，改进陶瓷基复合材料整体叶盘成为当前亟需解决的问题。


技术实现要素：

6.本发明目的在于提供一种陶瓷基复合材料整体叶盘及改进方法，已解决上述技术问题。
7.为实现上述目的，本发明提供一种陶瓷基复合材料整体叶盘的改进方法，包括：
8.根据叶片分布密度和叶片的叶型截面形状，制备纤维预制体；
9.根据所述纤维预制体，获得第一整体叶盘；
10.在所述第一整体叶盘中的轮盘表面上设置爪型凸台，获得目标整体叶盘；
11.其中，所述整体叶盘包括轮盘、n个叶片和爪型凸台，且所述轮盘和所述爪型凸台均由陶瓷基复合材料制备。
12.可选的，根据叶片分布密度和叶片的叶型截面形状，制备纤维预制体，包括：
13.根据所述叶片分布密度，获得多个叶片极性局部增强编织布；
14.根据所述多个叶片极性局部增强编织布和所述叶型截面形状，制备纤维预制体。
15.可选的，获得每个叶片极性局部增强编织布，包括：
16.在轮盘所在的水平面建立极坐标系；
17.在轮盘径向方向设置径向纤维束；
18.通过在轮盘圆周方向设置周向纤维束后，获得每个叶片极性局部增强编织布。
19.可选的，在轮盘径向方向设置径向纤维束，包括：
20.在轮盘径向方向均匀固定n个第一纤维束；
21.在任意两个第一纤维束之间均匀设置多个第二纤维束。
22.可选的，通过在轮盘圆周方向设置周向纤维束后，获得每个叶片极性局部增强编织布，包括：
23.利用周向纤维束沿轮盘圆周方向穿插径向纤维，直至周向纤维编织尺寸达到轮盘外径为止，获得每个叶片极性局部增强编织布。
24.可选的，所述第一纤维束和所述第二纤维束中的增强纤维单丝含量比值为2：1。
25.可选的，根据所述多个叶片极性局部增强编织布和所述叶型截面形状，制备纤维预制体，包括：
26.确定多个叶片极性局部增强编织布的数量；
27.根据所述数量和所述叶型截面形状，确定每个叶片极性局部增强编织布周向偏转角度；
28.根据所述周向偏转角度对每个叶片极性局部增强编织布进行铺排，并将所有叶片极性局部增强编织布进行缝合，获得纤维预制体。
29.可选的，所述爪形凸台包括：由多个弧形凸台段构成的扇形过渡段和环形凸台段；
30.其中，所述弧形凸台段沿轮盘周向均匀分布，且所述弧形凸台段的宽度随轮盘半径的增加而增加；所述环形凸台段和所述轮盘同轴心。
31.可选的，所述目标整体叶盘还包括：根据所述爪型凸台制备的圆形金属夹片，其中，所述圆形金属夹片内嵌所述爪型凸台。
32.本发明还提供一种整体叶盘，包括：所述整体叶盘包括轮盘、n个叶片和爪型凸台，且所述轮盘和所述爪型凸台均由陶瓷基复合材料制备；其中，在所述轮盘表面上设置爪型凸台。
33.本发明的技术效果和优点：
34.本发明提供一种陶瓷基复合材料整体叶盘的改进方法，包括：根据叶片分布密度和叶片的叶型截面形状，制备纤维预制体；根据所述纤维预制体，获得第一整体叶盘；在所述第一整体叶盘中的轮盘表面上设置爪型凸台，获得目标整体叶盘；其中，所述整体叶盘包括轮盘、n个叶片和爪型凸台，且所述轮盘和所述爪型凸台均由陶瓷基复合材料制备。
35.根据本发明中纤维预制体获得的陶瓷基复合材料整体叶盘，可大幅提高整体叶盘在轮心、叶根部位的承载能力，同时降低加工的难度与周期。同时，由于在轮盘表面上设置爪型凸台，有效避免了轴变形后挤压破坏轮盘，实现了整体叶盘与轴之间的有效传力传扭。
36.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
37.图1为陶瓷基复合材料整体叶盘的改进方法流程图；
38.图2为考虑叶片均布的极性编织纤维布图；
39.图3为轮盘所需叶片增强极性编织布数量图；
40.图4为叶型截面形状在轴向的分布图；
41.图5为考虑叶片角度的纤维编织布铺层图；
42.图6为爪型凸台结构图；
43.图7为在轮盘表面的爪型凸台结构图；
44.图8为圆形金属夹片图。
具体实施方式
45.下面将结合本发明提供的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，而且，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
46.需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
47.为解决现有技术的不足，本发明提供一种陶瓷基复合材料整体叶盘的改进方法，包括：根据叶片分布密度和叶片的叶型截面形状，制备纤维预制体；根据所述纤维预制体，获得第一整体叶盘；在所述第一整体叶盘中的轮盘表面上设置爪型凸台，获得目标整体叶盘；其中，所述整体叶盘包括轮盘、n个叶片和爪型凸台，且所述轮盘和所述爪型凸台均由陶瓷基复合材料制备。
48.根据本发明中纤维预制体获得的陶瓷基复合材料整体叶盘，可大幅提高整体叶盘在轮心、叶根部位的承载能力，同时降低加工的难度与周期。同时，由于在轮盘表面上设置爪型凸台，有效避免了轴变形后挤压破坏轮盘，实现了整体叶盘与轴之间的有效传力传扭。
49.为了更好地理解本方案，以下结合图1对陶瓷基复合材料整体叶盘的改进方法进行详细介绍。改进主要包括两部分：纤维预制体以及轮盘传力传扭。
50.步骤一、根据叶片分布密度和叶片的叶型截面形状，制备纤维预制体。
51.具体包括：1、考虑叶片均布的极性局部增强编织纤维布编织方案。
52.由于整体叶盘结构为圆盘形结构，同时盘体与叶片为一体结构，所以，选择极坐标系作为纤维预制体参考坐标系，其中，纤维束编织方向为圆盘径向及圆盘周向两个方向。
53.确定整体叶盘的内径r与外径r尺寸以及叶片数量(n个)。
54.为同时满足轮心部位以及轮盘与叶片连接部位的纤维连续性，首先在轮盘径向方向沿圆周均匀固定n组叶片纤维束1，并在叶片纤维束之间均布m组纤维束2。其中，叶片纤维
束1中增强纤维单丝含量与纤维束2中增强纤维单丝含量比值为2:1。
55.径向纤维束固定后，取周向纤维束3沿轮盘圆周方向穿插径向纤维编织，直到周向纤维编织尺寸达到轮盘外径后停止，得到叶片极性局部增强编织布，如图2所示。
56.2、考虑叶片角度的纤维编织布铺层方案
57.整体叶盘在沿轴向方向具有一定厚度，因此需要将上述步骤获得的叶片极性局部增强编织布在厚度方向引入轴向纤维束进行缝合。同时，考虑到叶片前后缘具有一定的倾角，所以，需要先确定轮盘所需叶片极性局部增强编织布的数量l层，如图3所示；然后，根据叶型截面形状，确定每一层叶片极性局部增强编织布的周向偏转角度θ。偏转角度θ的确定依据为：保证叶片极性局部增强编织布中增强的叶片径向纤维，在厚度方向的偏角与叶片角度一致，如图4所示；最后，参考偏转角度对叶片极性局部增强编织布进行铺排后，对所有叶片极性局部增强编织布进行缝合，得到纤维预制体(即，整体纤维预制体)，如图5所示。
58.步骤二、根据所述纤维预制体，获得第一整体叶盘。
59.步骤三、在所述第一整体叶盘中的轮盘表面上设置爪型凸台，获得目标整体叶盘。
60.爪型凸台结构主要包含：扇形过渡段1及环形凸台段2两个部分，如图6所示。其中，扇形过渡段包含12个弧形凸台段，弧形凸台段沿周向均匀分布，弧形凸台段的宽度随着轮盘半径增加而变大。环形凸台段位于轮盘靠近轮心处，与12个弧形凸台段连接形成一个完整的爪型凸台结构。
61.在轮盘表面上增加爪型凸台结构，能够将金属轴与陶瓷基复合材料轮盘变形差异进行有效转移。爪型凸台结构在陶瓷基复合材料轮盘表面，如图7所示。其中，爪型凸台内径r1等于整体叶盘的内径r。凸台与轮盘同为陶瓷基复合材料。
62.同时，根据爪型凸台结构制备圆形金属夹片，如图8所示，圆形金属夹片内嵌爪型凸台结构，其中，金属夹片内嵌凸台内径r2小于整体叶盘的内径r。圆形金属夹片与金属轴之间采用过盈配合，与陶瓷基复合材料轮盘通过爪型凸台配合进行传力传扭，其材料变形差异通过爪型凸台中的扇形过渡段的曲面进行协调。由于陶瓷基复合材料硬度较大，去材料难度系数较大，圆形金属夹还可作为轮盘动平衡调节的去材料部件。
63.本发明解决了陶瓷基复合材料整体叶盘结构在叶片与轮盘连接部位纤维连续完整性以及纤维体积分数的问题，确保应力较高的危险区域有足够的承载能力，同时针对陶瓷基复合材料整体叶盘与金属轴传力传扭问题，确保高温环境下整体叶盘与金属轴不会由于变形差异较大导致陶瓷基复合材料轮盘提前破坏，并为陶瓷基复合材料轮盘结构的动平衡调节方式提供了可调结构。
64.本发明还提供一种整体叶盘，包括：所述整体叶盘包括轮盘、n个叶片和爪型凸台，且所述轮盘和所述爪型凸台均由陶瓷基复合材料制备；其中，在所述轮盘表面上设置爪型凸台。
65.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种陶瓷基复合材料整体叶盘的改进方法，其特征在于，包括：根据叶片分布密度和叶片的叶型截面形状，制备纤维预制体；根据所述纤维预制体，获得第一整体叶盘；在所述第一整体叶盘中的轮盘表面上设置爪型凸台，获得目标整体叶盘；其中，所述整体叶盘包括轮盘、n个叶片和爪型凸台，且所述轮盘和所述爪型凸台均由陶瓷基复合材料制备。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据叶片分布密度和叶片的叶型截面形状，制备纤维预制体，包括：根据所述叶片分布密度，获得多个叶片极性局部增强编织布；根据所述多个叶片极性局部增强编织布和所述叶型截面形状，制备纤维预制体。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，获得每个叶片极性局部增强编织布，包括：在轮盘所在的水平面建立极坐标系；在轮盘径向方向设置径向纤维束；通过在轮盘圆周方向设置周向纤维束后，获得每个叶片极性局部增强编织布。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在轮盘径向方向设置径向纤维束，包括：在轮盘径向方向均匀固定n个第一纤维束；在任意两个第一纤维束之间均匀设置多个第二纤维束。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过在轮盘圆周方向设置周向纤维束后，获得每个叶片极性局部增强编织布，包括：利用周向纤维束沿轮盘圆周方向穿插径向纤维，直至周向纤维编织尺寸达到轮盘外径为止，获得每个叶片极性局部增强编织布。6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一纤维束和所述第二纤维束中的增强纤维单丝含量比值为2：1。7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述多个叶片极性局部增强编织布和所述叶型截面形状，制备纤维预制体，包括：确定多个叶片极性局部增强编织布的数量；根据所述数量和所述叶型截面形状，确定每个叶片极性局部增强编织布周向偏转角度；根据所述周向偏转角度对每个叶片极性局部增强编织布进行铺排，并将所有叶片极性局部增强编织布进行缝合，获得纤维预制体。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述爪形凸台包括：由多个弧形凸台段构成的扇形过渡段和环形凸台段；其中，所述弧形凸台段沿轮盘周向均匀分布，且所述弧形凸台段的宽度随轮盘半径的增加而增加；所述环形凸台段和所述轮盘同轴心。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述目标整体叶盘还包括：根据所述爪型凸台制备的圆形金属夹片，其中，所述圆形金属夹片内嵌所述爪型凸台。10.根据权利要求1-9任一方法制备的整体叶盘，其特征在于，包括：所述整体叶盘包括轮盘、n个叶片和爪型凸台，且所述轮盘和所述爪型凸台均由陶瓷基复合材料制备；其中，在所述轮盘表面上设置爪型凸台。

技术总结
本发明提供一种陶瓷基复合材料整体叶盘的改进方法，包括：根据叶片分布密度和叶片的叶型截面形状，制备纤维预制体；根据所述纤维预制体，获得第一整体叶盘；在所述第一整体叶盘中的轮盘表面上设置爪型凸台，获得目标整体叶盘；其中，所述整体叶盘包括轮盘、N个叶片和爪型凸台，且所述轮盘和所述爪型凸台均由陶瓷基复合材料制备。根据本发明中纤维预制体获得的陶瓷基复合材料整体叶盘，可大幅提高整体叶盘在轮心、叶根部位的承载能力，同时降低加工的难度与周期。同时，由于在轮盘表面上设置爪型凸台，有效避免了轴变形后挤压破坏轮盘，实现了整体叶盘与轴之间的有效传力传扭。现了整体叶盘与轴之间的有效传力传扭。现了整体叶盘与轴之间的有效传力传扭。


技术研发人员：曾雨琪 罗潇 李坚 汪文君 李敏 郭小军 徐友良
受保护的技术使用者：中国航发湖南动力机械研究所
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/10/11