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CN119801652A - 一种基于金属骨架的陶瓷基复合材料高导叶片冷却结构 - Google Patents

一种基于金属骨架的陶瓷基复合材料高导叶片冷却结构 Download PDF

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CN119801652A
CN119801652A CN202510004499.1A CN202510004499A CN119801652A CN 119801652 A CN119801652 A CN 119801652A CN 202510004499 A CN202510004499 A CN 202510004499A CN 119801652 A CN119801652 A CN 119801652A
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CN
China
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matrix composite
ceramic matrix
vane
framework
composite high
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202510004499.1A
Other languages
English (en)
Inventor
曲卫卫
吴伟龙
宋伟
贺佳慧
陈云
韦文涛
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
AECC Shenyang Engine Research Institute
Original Assignee
AECC Shenyang Engine Research Institute
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Publication date
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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Abstract

本申请提供了一种基于金属骨架的陶瓷基复合材料高导叶片冷却结构，属于航空发动机技术领域，该陶瓷基复合材料高导叶片冷却结构包括：陶瓷基复合材料高导叶片，所述陶瓷基复合材料高导叶片包括内部具有空腔的叶身，所述叶身上设有表面气膜孔和尾缘劈缝；金属骨架，所述金属骨架设置在所述陶瓷基复合材料叶片的叶身空腔内部且与所述叶身空腔随形，其中，所述金属骨架内部具有隔肋，所述隔肋将所述金属骨架内部分隔成前腔和后腔，所述前腔和后腔上设有冲击孔，通过所述冲击孔对陶瓷基复合材料高导叶片的叶身进行冲击冷却，所述金属骨架外侧设有扰流肋。

Description

一种基于金属骨架的陶瓷基复合材料高导叶片冷却结构
技术领域
本申请属于航空发动机或燃气轮机领域，特别涉及一种基于金属骨架的陶瓷基复合材料高导叶片冷却结构。
背景技术
航空发动机作为飞机的“心脏”，其服役性能直接决定了飞机的飞行性能，是衡量国防实力和高端制造能力的重要标志。近年来，随着航空工业的发展，航空发动机涡轮前温度不断提高，以实现高效率、高推力和低排放的目标。为了达到更高的涡轮前温度，需要系统地提高冷却结构、材料和涂层技术。
目前，高推比航空发动机，涡轮前温度已经达到2200K，已达到镍基高温合金的承温能力极限，难以再获得提高。SiC陶瓷基复合材料(简称CMC)凭借轻质、高强和耐高温的优异特性，完美契合下一代航空发动机的需求。但是现阶段CMC材料的承温极限在1600K左右，与高温燃气(即涡轮前温度)的600K温差需采用相应的冷却方案进行控制。受限于CMC材料的本征特性，其在加工制造方面还存在很多限制，无法像传统的金属材料一样进行双层壁等复杂冷却，其叶身表面的气膜孔数量也不宜过多，导致其气冷效果大打折扣。现有的CMC高压涡轮导向叶片(简称高导叶片)冷却主要是通过叶身密集气膜孔实现，较小的孔间距会导致CMC材料的力学性能下降，而仅采用气膜孔进行冷却，其冷却效果较差。
发明内容
本申请的目的是提供了一种基于金属骨架的陶瓷基复合材料高导叶片冷却结构，以解决或减轻背景技术中的至少一个问题。
本申请的技术方案是：一种基于金属骨架的陶瓷基复合材料高导叶片冷却结构，包括：
陶瓷基复合材料高导叶片，所述陶瓷基复合材料高导叶片包括内部具有空腔的叶身，所述叶身上设有表面气膜孔和尾缘劈缝；和
金属骨架，所述金属骨架设置在所述陶瓷基复合材料叶片的叶身空腔内部且与所述叶身空腔随形，其中，所述金属骨架内部具有隔肋，所述隔肋将所述金属骨架内部分隔成前腔和后腔，所述前腔和后腔上设有冲击孔，通过所述冲击孔对陶瓷基复合材料高导叶片的叶身进行冲击冷却，所述金属骨架外侧设有扰流肋。
在本申请可选实施方式中，所述金属骨架外侧沿着叶高方向设有骨架径向肋。
在本申请可选实施方式中，所述骨架径向肋与隔肋共线设置。
在本申请可选实施方式中，所述陶瓷基复合材料高导叶片的叶身内设有沿着叶高方向延伸的叶身径向肋。
在本申请可选实施方式中，所述叶身上设计有扰流肋。
在本申请可选实施方式中，所述扰流肋横向延伸且收敛设置。
在本申请可选实施方式中，所述陶瓷基复合材料高导叶片包括叶片上缘板和叶片下缘板，所述金属骨架包括骨架上缘板和骨架下缘板，所述骨架上缘板和骨架下缘板贴合在叶片上缘板和叶片下缘板上，所述骨架上缘板和骨架下缘板与金属骨架焊接固定。
本申请提供的CMC高导叶片冷却结构在金属承力构型陶瓷基复材导向叶片的基础上，通过使金属骨架表面冲击、扰流结构匹配CMC叶身的气膜冷却的结构形式，有效提升冷效，节约冷气量，通过采用分腔的金属骨架，使金属骨架与CMC叶身空腔间的径向肋向结合，实现冷气的合理分配。
附图说明
为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。
图1为本申请的基于金属骨架的陶瓷基复合材料高导叶片冷却结构示意图。
图2为本申请的陶瓷基复合材料高导叶片冷却结构截面图。
图3为本申请中的金属骨架示意图。
图4为本申请中的陶瓷基复合材料高导叶片示意图。
图5为本申请中的金属骨架完整示意图。
附图标记：
10-陶瓷基复合材料叶片
11-叶身
12-叶片上缘板
13-叶片下缘板
14-表面气膜孔
15-尾缘劈缝
16-叶身径向肋
20-金属骨架
21-骨架上缘板
22-骨架下缘板
23-隔肋
24-冲击孔
25-扰流肋
26-骨架径向肋
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
本申请在陶瓷基复合材料导向叶片构型的基础上，针对高导叶片面临的高温服役条件，对现有的冷却方案进行改进，克服现有的陶瓷基复合材料高导叶片的承温能力远低于高压涡轮燃气进口温度而无法满足使用需求的问题。
如图1和图2所示，本申请提供的基于金属骨架的陶瓷基复合材料高导叶片冷却结构包括：陶瓷基复合材料高导叶片10和金属骨架20。
陶瓷基复合材料高导叶片10包括叶身11和位于叶身11两端的叶片上缘板12和叶片下缘板13。同传统的金属材料高导叶片相同，本申请的陶瓷基复合材料高导叶片10设有表面气膜孔14和尾缘劈缝15等气冷结构，这些气冷结构依旧是降低陶瓷基复合材料高导叶片表面温度的有效手段。结合CMC高承温特点，其冷气量需求要小于金属叶片，为提高冷却效率，本申请中对陶瓷基复合材料高导叶片的不同区域实现“点对点”的定向冷却，根据陶瓷基复合材料高导叶片表面温度场分布，采取分腔的形式对冷却气体的分配实现优化。
为此，本申请中在陶瓷基复合材料叶片10的叶身11内部设置随形的金属骨架20，即金属骨架20与叶身内部空腔形状相同但尺寸小于内腔尺寸。利用叶身11内部的金属骨架20高可设计性，对陶瓷基复合材料叶片进行有效冷却，以提高陶瓷基复合材料叶片盆侧或背侧的强度和冷却效果。
如图3至图4所示，本申请的金属骨架20内部具有隔肋23，隔肋23将金属骨架20的内腔分隔成前后两个腔——即前腔和后腔。考虑到金属骨架20与叶身11之间的相互贯通不利于冷气分配，本申请中在金属骨架20外侧上沿着叶高方向设置骨架径向肋26或者叶身11内腔沿着叶高方向设置叶身径向肋16，其与金属骨架20内腔的隔肋23相互配合，以提高结构强度及冷却效果。
在本申请优选实施例中，当金属骨架20上设置骨架径向肋26时，骨架径向肋26与隔肋23共线设置。在叶身11内腔沿着叶高方向设置的叶身径向肋16，可在叶身11内腔的盆侧和背侧均设置。
在本申请中，金属骨架20上可设计有扰流肋25和冲击孔24等结构，与陶瓷基复合材料高导叶片10上的气膜孔协同形成复合冷却，以降低叶身表面的温度，提高其使用寿命。
如图5所示，金属骨架20的前腔和后腔上均设有冲击孔24，冲击孔24分布在金属骨架20的前后缘及盆背侧，金属骨架20的前后缘上的冲击孔24用于给CMC叶身前后缘的高温区进行供气，盆背侧的冲击孔可根据叶身温度场分布进行排布。
进一步地，本申请中在金属骨架20和/或叶身11上设计有横向收敛的扰流肋25，扰流肋25可根据分腔形式进行调整，提高结构强度及冷却效果。
此外，本申请中的金属骨架20还包括骨架上缘板21和骨架下缘板22，骨架上缘板21和骨架下缘板22与金属金属20可通过焊接的方式形成一个整体，骨架上缘板21和骨架下缘板22分别贴合在叶片上缘板12和叶片下缘板13上，从而实现金属骨架20的固定。
本申请提供的CMC高导叶片冷却结构在金属承力构型陶瓷基复材导向叶片的基础上，通过使金属骨架表面冲击、扰流结构匹配CMC叶身的气膜冷却的结构形式，有效提升冷效，节约冷气量，通过采用分腔的金属骨架，使金属骨架与CMC叶身空腔间的径向肋向结合，实现冷气的合理分配。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于金属骨架的陶瓷基复合材料高导叶片冷却结构，其特征在于，包括：
陶瓷基复合材料高导叶片，所述陶瓷基复合材料高导叶片包括内部具有空腔的叶身，所述叶身上设有表面气膜孔和尾缘劈缝；和
金属骨架，所述金属骨架设置在所述陶瓷基复合材料叶片的叶身空腔内部且与所述叶身空腔随形，其中，所述金属骨架内部具有隔肋，所述隔肋将所述金属骨架内部分隔成前腔和后腔，所述前腔和后腔上设有冲击孔，通过所述冲击孔对陶瓷基复合材料高导叶片的叶身进行冲击冷却，所述金属骨架外侧设有扰流肋。
2.如权利要求1所述的基于金属骨架的陶瓷基复合材料高导叶片冷却结构，其特征在于，所述金属骨架外侧沿着叶高方向设有骨架径向肋。
3.如权利要求2所述的基于金属骨架的陶瓷基复合材料高导叶片冷却结构，其特征在于，所述骨架径向肋与隔肋共线设置。
4.如权利要求1所述的基于金属骨架的陶瓷基复合材料高导叶片冷却结构，其特征在于，所述陶瓷基复合材料高导叶片的叶身内设有沿着叶高方向延伸的叶身径向肋。
5.如权利要求1所述的基于金属骨架的陶瓷基复合材料高导叶片冷却结构，其特征在于，所述叶身上设计有扰流肋。
6.如权利要求1或5所述的基于金属骨架的陶瓷基复合材料高导叶片冷却结构，其特征在于，所述扰流肋横向延伸且收敛设置。
7.如权利要求1所述的基于金属骨架的陶瓷基复合材料高导叶片冷却结构，其特征在于，所述陶瓷基复合材料高导叶片包括叶片上缘板和叶片下缘板，所述金属骨架包括骨架上缘板和骨架下缘板，所述骨架上缘板和骨架下缘板贴合在叶片上缘板和叶片下缘板上，所述骨架上缘板和骨架下缘板与金属骨架焊接固定。
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Citations (6)

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