[發明專利]一種混合型陶瓷基復合材料渦輪導向器葉片

有效

• 申請號: 201310003595.1
• 申請日: 2013-01-06
• 公開（公告）號: CN103061827A
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發明（設計）人: 石多奇;牛宏偉
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: F01D9/02
• 分類號: F01D9/02
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

技術領域

本發明涉及一種混合型陶瓷基復合材料渦輪導向器葉片，尤其涉及內部冷卻的混合CMC（纖維增強陶瓷基復合材料）葉片，屬于航空燃氣渦輪發動機和地面重型燃氣輪機技術領域。

背景技術

燃氣渦輪發動機的核心機由壓氣機、燃燒室以及渦輪組成。很多燃燒室和渦輪部件是直接暴露在高溫燃氣中的，例如燃燒室、燃燒室與渦輪間的氣流通道、渦輪靜子葉片、渦輪轉子葉片和包容它們的環形機匣段。

我們知道隨著燃氣溫度的升高，發動機的推力和效率會得到提高。現代高效率燃氣渦輪發動機的燃氣溫度超過1600°C，這已經超過了與之接觸結構材料的安全工作溫度。因此，出現了不少方法用以保證這些部件的正常工作，包括氣膜冷卻、內部冷卻和熱障涂層TBC等。

氣膜冷卻涉及壓氣機中冷空氣的提取、冷空氣在結構部件中的傳送和與高溫燃氣流動的混合。冷卻氣膜是由冷空氣從被冷卻部件上氣孔滲出所形成的。氣膜冷卻系統對于高溫部件的冷卻是非常有效的，但它會明顯降低發動機的效率。冷卻氣流的壓縮需要消耗能量，冷卻氣流量的增加會引起燃氣溫度的降低，而且氣膜會對渦輪導向器葉片的平滑繞流產生干擾。

內部冷卻一般是從發動機壓氣機提取冷空氣或從燃氣渦輪發電站的其他有用循環中提取冷卻蒸汽。內部冷卻不會影響葉型周圍的空氣或燃氣繞流，它不會以冷空氣來稀釋高溫燃氣，而且它所要求的冷卻空氣壓力要小于氣膜冷卻，但是內部冷卻會引起厚度方向的溫度梯度，而且隨著結構壁厚增加、材料熱導率降低，內部冷卻的效率會大大降低。

如TBC之類的隔熱結構得到發展，用以保護高溫工作部件。盡管TBC對當代燃氣渦輪發動機高溫部件的起了有效的保護作用，但隨著下一代發動機燃氣溫度的進一步提高，TBC的保護作用將會變得很有限。

由于CMC的材料固有屬性，它能比高溫合金承受更高的工作溫度，也就是說CMC能減少冷卻用的空氣流量，從而提高發動機推力和效率，減少發動機的尾氣排放量。但是CMC材料的強度一般并不如高溫合金高，因此應用在渦輪導向器葉片上就要求更厚的截面形狀。由于CMC的低熱導率和相關的截面厚度，內部閉路循環冷卻一般不適合作為發動機部件的冷卻方式。如果在葉型部件的內部冷卻中用擋板或其他零件對準冷卻氣流，那么用來維持冷卻氣流的壓力會超過葉型外部的燃氣壓力，因此不會發生任何由于高溫燃氣滲進葉片而引起的失效。為了在特定位置提供精確的冷卻空氣量，以保持合適的冷卻溫度、防止過冷卻，這樣的冷卻流道一般要有復雜的幾何形狀。一般在CMC部件中很難制造出如此復雜的流道。下一代燃氣渦輪發動機預想達到更高的工作溫度，因此需要進一步發展CMC葉型和相應冷卻方式。

發明內容

1．發明目的

本發明的目的是提供一種混合型陶瓷基復合材料渦輪導向器葉片，它包含由CMC（纖維增強陶瓷基復合材料）構成的葉型和金屬材料構成的內核。金屬內核上含有用于帶走CMC葉型上熱量的冷卻空氣流道。冷卻流道由金屬內核外表面開槽形成，提供對CMC葉型的對流換熱冷卻和熱傳導冷卻。通過將內核與葉型至少(6)%的內壁粘合，由冷卻空氣壓力所引起的內應力將大大減小。對各部件材料屬性的選擇將使系統的熱應力達到最小。

2．技術方案

見圖2-4，本發明為一種混合型陶瓷基復合材料渦輪導向器葉片(1)，它包含葉型部件(2)和內核部件(5)，內核部件(5)安裝在葉型部件(2)的內部。

葉型部件(2)由纖維增強陶瓷基復合材料CMC構成，葉型部件外表面(3)的外形呈三次樣條曲面，確定了葉片的氣動外形，葉型部件內表面(4)的形狀也呈三次樣條曲面，確定了內部區域。這里的CMC可以是任何已有的或在發展中的纖維增強陶瓷基復合材料。纖維和包圍它們的基體可以是氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷或兩者的任意組合。近年來發展出了廣泛的由相同或不同組分的基體材料和增強相所結合成的CMC。纖維可以是連續纖維或非連續長纖維，基體可以包含晶須、小片狀體或顆粒。增強纖維可以在基體層中規則排列，相鄰層可以旋轉一定角度來獲得想要的力學強度。