一种涡轮转子叶片与涡轮外环的配合结构及涡轮的制作方法

1.本发明属于发动机涡轮领域，尤其涉及一种涡轮转子叶片与涡轮外环的配合结构及涡轮。


背景技术：

2.在航空发动机和燃气轮机等燃气涡轮发动机结构中，涡轮系统的作用是将高温燃气中的部分热能和势能转换成机械功，驱动压气机和附件工作。涡轮是燃气涡轮发动机中热负荷和动力负荷最大的系统，其特点是输出功率大、使用温度高、重量要求轻、结构尺寸小。涡轮系统中的主要热端构件包括涡轮盘、转子叶片、涡轮外环、导向叶片等，其中涡轮盘和转子叶片又称涡轮转子，是涡轮发动机内将燃料内能转化为动能核心部件，其与涡轮外环构成的燃气流道直接面对燃气冲击、高温氧化等恶劣环境。随着航空发动机和燃气轮机等燃气涡轮发动机的发展，其服役环境和使用需求就变得愈加苛刻。
3.发动机涡轮转子和涡轮外环常用的高温合金材料存在耐温性不高于1100℃、重量大等问题。陶瓷基复合材料密度仅为高温合金的1/3～1/4、耐热温度比高温合金高150～350℃、耐酸碱腐蚀、强韧性高；同时，陶瓷基复合材料在高温燃气环境中反应所生成的氧化物保护膜能够封堵材料表面的裂纹和孔隙，阻止外界氧向材料内部扩散，从而保证构件的高温稳定性和长时使用寿命。因此，陶瓷基复合材料已被国内外公认为是新一代航空发动机热防护构件的首选材料之一。
4.发动机涡轮叶尖漏气损失约占航空发动机整机损失的10～40％，典型发动机的高压涡轮叶尖间隙每减小0.13～0.25mm，油耗可减少0.5～1％，发动机的效率可提高2％左右。涡轮部位的径向间隙每增加254μm，单位油耗将增加约0.1％，出口温度将降低1℃。因此，控制界面间隙是提高发动机机械性能最经济有效的方法，并有助于整个系统的动力稳定性。为了进一步提升陶瓷基复合材料涡轮转子的热功转换效率就必须对转子叶尖、涡轮外环间的径向配合间隙进行设计。目前陶瓷基复合材料在涡轮系统的应用过程中往往采用对涡轮外环进行刚度削弱，即在涡轮外环内表面制备磨耗层。通过转子叶尖在工作过程中对涡轮外环的磨耗层进行磨削的方式减小转、静子间的配合间隙。但是在转子叶尖对涡轮外环磨耗层进行磨削的过程中容易对转子叶片造成损伤，从而影响整个发动机的气动性能和结构完整性。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于解决传统陶瓷基复合材料涡轮转子和涡轮外环配合间隙导致影响发动机的气动性能和结构完整性的问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种涡轮转子叶片与涡轮外环的配合结构，包括：涡轮转子以及涡轮外环，所述涡轮转子包括叶片，所述叶片和所述涡轮外环中的一个设有磨耗层另一个设有耐磨层，所述磨耗层的硬度小于所述耐磨层。
7.进一步地，所述耐磨层的材料类型为comocrsi、al2o3-sio2和tin中的一个或多个的组合。
8.进一步地，所述磨耗层的材料类型为氧化钇部分稳定氧化锆、层状钙钛矿陶瓷粉末、nicraly和陶瓷涂层中的一个或多个的组合。
9.进一步地，所述耐磨层的表面洛氏硬度为65～90，所述磨耗层的表面洛氏硬度为55～75。
10.进一步地，所述磨耗层上设有封严结构。
11.进一步地，所述磨耗层位于所述涡轮外环上时，所述封严结构为与转子叶片具有相同曲线特征的齿结构；所述磨耗层位于所述叶片上时，所述封严结构为凹槽结构。
12.进一步地，所述齿结构的齿距为齿宽的1～1.5倍，所述齿结构的齿高为齿宽的1～1.25倍。
13.进一步地，耐磨层的气孔率小于7％，磨耗层的气孔率为5～18％。
14.进一步地，耐磨层的厚度为0.2～0.8mm，磨耗层的厚度为0.3～1.5mm。
15.进一步地，所述叶片与所述涡轮叶环的配合间隙为-0.1～1.0mm。
16.进一步地，用于制备所述磨耗层的粉末颗粒平均直径小于35微米。
17.本发明还提供一种涡轮，包括：如权利要求1-11任一项所述的一种涡轮转子叶片与涡轮外环的配合结构。
18.本发明的技术效果和优点：
19.本发明中，涡轮外环和涡轮叶片上设置有耐磨层以及磨耗层，可减小涡轮叶片与涡轮外环之间的配合量，从而实现径向间隙的动态封严，解决了传统复合材料涡轮外环可磨耗封严涂层封严效果不佳、在碰磨过程中容易对发动机整体结构造成损伤的问题。
20.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
21.图1为本发明一种涡轮转子叶片与涡轮外环的配合结构中封严齿的结构示意图；
22.图2为本发明一种涡轮转子叶片与涡轮外环的配合结构中方形封严齿的结构示意图；
23.图3为本发明一种涡轮转子叶片与涡轮外环的配合结构中三角形封严齿的结构示意图；
24.图4为本发明一种涡轮转子叶片与涡轮外环的配合结构中圆形封严齿的结构示意图；
25.图5为本发明一种涡轮转子叶片与涡轮外环的配合结构中方形封严槽的结构示意图；
26.图6为本发明一种涡轮转子叶片与涡轮外环的配合结构中圆形封严槽的结构示意图。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。
28.另外，在发明中，术语“第一”、“第二”和其它类似词语并不意在暗示任何顺序、数量和重要性，而是仅仅用于对不同的元件进行区分，术语“上”、“下”、“左”、“右”和其它类似词语仅仅是附图中的位置关系。
29.传统陶瓷基复合材料涡轮转子和涡轮外环配合间隙容易对转子叶片造成损伤，从而影响发动机的气动性能和结构完整性。
30.本发明中，在涡轮转子叶片和涡轮外环中的一个上设磨耗层，另一个上设置耐磨层，通过合理的耐磨以及磨耗材料的配比，可在减小转子叶尖和涡轮外环配合间隙的同时，避免在碰磨过程中对转子叶片和涡轮外环造成损伤。以下通过具体实施例来加以说明。
31.本发明实施例提供一种涡轮转子叶片与涡轮外环的配合结构，包括：涡轮转子以及涡轮外环，所述涡轮转子包括叶片，所述叶片和所述涡轮外环中的一个设有磨耗层另一个设有耐磨层，所述磨耗层的硬度小于所述耐磨层。
32.按照叶片与涡轮外环的位置关系，叶片位于涡轮外环的内侧，因此本实施例中的方案可总结为“外软内硬”或“外硬内软”。其中，“外软内硬”即是耐磨层设置在叶片上，磨耗层设置在涡轮外环上；“外硬内软”则是耐磨层设置在涡轮外环上，磨耗层设置在叶片上。
33.在本发明的一个实施例中，所述耐磨层的表面洛氏硬度为65～90，所述磨耗层的表面洛氏硬度为55～75(均按照《gb/t 230.1金属材料洛氏硬度试验第1部分：试验方法》，并采用hr45y压头测试)。根据耐磨层的表面洛氏硬度，其材料可以是comocrsi、al2o3-sio2、tin等。根据磨耗层的表面洛氏硬度，其材料可以是氧化钇部分稳定氧化锆、层状钙钛矿陶瓷粉末、nicraly、陶瓷涂层等。
34.在本发明的一个实施例中，所述磨耗层上设有封严结构。并且根据磨耗层所在的位置不同，封严结构的具体结构也有所不同。
35.如图1-4所示，当所述磨耗层位于所述涡轮外环上时，所述封严结构为与转子叶片具有相同曲线特征的齿结构，以下称封严齿。如图1所示，封严齿的延伸方向与转子叶片的移动方向相同。封严齿结构特征可以是矩形、三角形以及圆弧形等。
36.如图5和图6所示，当所述磨耗层位于所述叶片上时，所述封严结构为凹槽结构，以下称封严槽。封严槽可以是方形槽孔、圆形槽孔等。
37.在本发明的一个实施例中，所述封严齿的齿距为齿宽的1～1.5倍，所述封严齿的齿高为齿宽的1～1.25倍，在此配比下，封严齿的封严效果最佳。
38.在本发明的一个实施例中，耐磨层的气孔率小于7％，磨耗层的气孔率为5～18％(均按照《gb/t 25995精细陶瓷密度和显气孔率试验方法》测试)，可获得耐磨层和磨耗层的摩擦和消耗量的合理匹配；。
39.在本发明的一个实施例中，耐磨层的厚度应为0.2～0.8mm，磨耗层的厚度应为0.3～1.5mm，可以有助于耐磨层和磨耗层消耗量的匹配，并有助于粉状磨耗残渣的形成。
40.在本发明的一个实施例中，所述制备可磨耗涂层的粉末颗粒平均直径小于35微
米，可以使得磨耗残渣呈现粉状，从而避免出现磨耗层发生大面积、块状脱落。
41.上述实施例中的一种涡轮转子叶片与涡轮外环的配合结构，可以降低涡轮叶片与涡轮叶环之间的摩擦损耗，也正因如此，可以减小涡轮叶片与涡轮叶环的配合间隙。具体的：
42.在本发明的一个实施例中，所述叶片与所述涡轮叶环的配合间隙为-0.1～1.0mm，在此配合间隙范围内，叶片与涡轮外环之间的封严效果好，同时也可避免叶片和外环之间摩擦时的异常损耗。
43.根据上述的一种涡轮转子叶片与涡轮外环的配合结构，本发明还提供一种涡轮，上述涡轮采用上述涡轮转子叶片与涡轮外环的配合结构。由于本发明提供的一种涡轮的技术方案与本发明提供的一种涡轮转子叶片与涡轮外环的配合结构的技术方案基本相同，在此不再对涡轮的技术方案进行重复说明。
44.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：
1.一种涡轮转子叶片与涡轮外环的配合结构，其特征在于，包括：涡轮转子以及涡轮外环，所述涡轮转子包括叶片，所述叶片和所述涡轮外环中的一个设有磨耗层另一个设有耐磨层，所述磨耗层的硬度小于所述耐磨层。2.根据权利要求1所述的一种涡轮转子叶片与涡轮外环的配合结构，其特征在于，所述耐磨层的材料类型为comocrsi、al2o3-sio2和tin中的一个或多个的组合。3.根据权利要求1所述的一种涡轮转子叶片与涡轮外环的配合结构，其特征在于，所述磨耗层的材料类型为氧化钇部分稳定氧化锆、层状钙钛矿陶瓷粉末、nicraly和陶瓷涂层中的一个或多个的组合。4.根据权利要求1所述的一种涡轮转子叶片与涡轮外环的配合结构，其特征在于，所述耐磨层的表面洛氏硬度为65～90，所述磨耗层的表面洛氏硬度为55～75。5.根据权利要求1所述的一种涡轮转子叶片与涡轮外环的配合结构，其特征在于，所述磨耗层上设有封严结构。6.根据权利要求5所述的一种涡轮转子叶片与涡轮外环的配合结构，其特征在于，所述磨耗层位于所述涡轮外环上时，所述封严结构为与转子叶片具有相同曲线特征的齿结构；所述磨耗层位于所述叶片上时，所述封严结构为凹槽结构。7.根据权利要求6所述的一种涡轮转子叶片与涡轮外环的配合结构，其特征在于，所述齿结构的齿距为齿宽的1～1.5倍，所述齿结构的齿高为齿宽的1～1.25倍。8.根据权利要求1-7任一项所述的一种涡轮转子叶片与涡轮外环的配合结构，其特征在于，耐磨层的气孔率小于7％，磨耗层的气孔率为5～18％。9.根据权利要求1-7任一项所述的一种涡轮转子叶片与涡轮外环的配合结构，其特征在于，耐磨层的厚度为0.2～0.8mm，磨耗层的厚度为0.3～1.5mm。10.根据权利要求1-7任一项所述的一种涡轮转子叶片与涡轮外环的配合结构，其特征在于，所述叶片与所述涡轮叶环的配合间隙为-0.1～1.0mm。11.根据权利要求1-7任一项所述的一种涡轮转子叶片与涡轮外环的配合结构，其特征在于，用于制成所述磨耗层的粉末颗粒的平均直径小于35微米。12.一种涡轮，其特征在于，包括：如权利要求1-11任一项所述的一种涡轮转子叶片与涡轮外环的配合结构。

技术总结
本发明公开了一种涡轮转子叶片与涡轮外环的配合结构，包括：涡轮转子以及涡轮外环，所述涡轮转子包括叶片，所述叶片和所述涡轮外环中的一个设有磨耗层另一个设有耐磨层，所述磨耗层的硬度小于所述耐磨层。本发明中，涡轮外环和涡轮叶片上设置有耐磨层以及磨耗层，可减小涡轮叶片与涡轮外环之间的配合量，从而实现径向间隙的动态封严，解决了传统复合材料涡轮外环可磨耗封严涂层封严效果不佳、在碰磨过程中容易对发动机整体结构造成损伤的问题。中容易对发动机整体结构造成损伤的问题。中容易对发动机整体结构造成损伤的问题。


技术研发人员：罗潇 赵伟 黄兴 李洋 柳山林 张鑫 曹俊
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：2023.03.06
技术公布日：2023/7/6