权利要求
1.一种新型陶瓷基
复合材料与金属材料的组合可调涡轮叶片，其特征在于，包括：
金属上缘板(1)和金属下缘板(5);
陶瓷基复合材料前缘组件(3)，固定的安装在金属上缘板(1)和金属下缘板(5)之间，所述陶瓷基复合材料前缘组件(3)作为叶片的前缘区域;
可调金属叶身(4)，转动的安装在金属上缘板(1)和金属下缘板(5)之间，所述可调金属叶身(4)转动的转轴(41)垂直于涡轮的轴向方向;
所述陶瓷基复合材料前缘组件(3)的叶身部分后端和所述可调金属叶身(4)的前端对接，形成完整的涡轮叶身结构，所述陶瓷基复合材料前缘组件(3)的叶身部分后端设有圆弧形凹槽，所述可调金属叶身(4)的前端设有和圆弧形凹槽匹配的圆弧形凸起，所述圆弧形凸起部分位于所述圆弧形凹槽，且所述圆弧形凸起相对所述圆弧形凹槽转动。
2.根据权利要求1所述的新型陶瓷基复合材料与金属材料的组合可调涡轮叶片，其特征在于，所述陶瓷基复合材料前缘组件(3)包括前缘区域叶身(31)、上缘安装板(32)和下缘安装板(33)，所述上缘安装板(32)固定安装在金属上缘板(1)的内壁，所述下缘安装板(33)固定安装在金属下缘板(5)的内侧，所述前缘区域叶身(31)的两端固定连接所述上缘安装板(32)和下缘安装板(33);
其中，所述前缘区域叶身(31)、上缘安装板(32)和下缘安装板(33)均为陶瓷基复合材料。
3.根据权利要求2所述的新型陶瓷基复合材料与金属材料的组合可调涡轮叶片，其特征在于，所述陶瓷基复合材料前缘组件(3)上设有贯穿前缘区域叶身(31)、上缘安装板(32)和下缘安装板(33)的通孔(36);
组合可调涡轮叶片还包括穿设在通孔(36)中的金属承力导管(2)，所述金属承力导管(2)的一端和所述金属上缘板(1)固定连接，所述金属承力导管(2)的另一端和所述金属下缘板(5)固定连接，所述金属上缘板(1)和金属下缘板(5)夹紧所述陶瓷基复合材料前缘组件(3)的上缘安装板(32)和下缘安装板(33)。
4.根据权利要求3所述的新型陶瓷基复合材料与金属材料的组合可调涡轮叶片，其特征在于，所述金属上缘板(1)的外侧设有上安装凸台(11)，所述金属下缘板(5)的外侧设有下安装凸台(52)，所述上安装凸台(11)和下安装凸台(52)上均设有和通孔(36)对应的穿孔(51)，所述金属承力导管(2)的第一端设有安装缘板(21)，所述金属承力导管(2)穿过所述上安装凸台(11)，且所安装缘板(21)通过螺栓固定在上安装凸台(11)上，所述金属承力导管(2)的第二端位于下安装凸台(52)的穿孔(51)中，所述金属承力导管(2)的第二端的侧壁通过螺栓和下安装凸台(52)连接。
5.根据权利要求3所述的新型陶瓷基复合材料与金属材料的组合可调涡轮叶片，其特征在于，所述金属承力导管(2)、前缘区域叶身(31)以及通道在垂直于叶高方向的截面外轮廓匹配。
6.根据权利要求3所述的新型陶瓷基复合材料与金属材料的组合可调涡轮叶片，其特征在于，所述金属承力导管(2)为空心结构，所述金属承力导管(2)的内部空间用于连通冷却叶片前缘区域的冷气。
7.根据权利要求2所述的新型陶瓷基复合材料与金属材料的组合可调涡轮叶片，其特征在于，所述金属上缘板(1)的内侧壁设有容纳上缘安装板(32)的第一凹槽(14)，所述金属下缘板(5)的内侧壁上设有容纳所述下缘安装板(33)的第二凹槽(53)，所述上缘安装板(32)的内侧和金属上缘板(1)的内侧面上第一凹槽(14)范围外的区域共同组成涡轮叶片上缘板的内侧型面，所述下缘安装板(33)的内侧和金属下缘板(5)的内侧面上第二凹槽(53)范围外的区域共同组成涡轮叶片下缘板的内侧型面。
8.根据权利要求7所述的新型陶瓷基复合材料与金属材料的组合可调涡轮叶片，其特征在于，所述上缘安装板(32)和下缘安装板(33)相背的侧面上均设有凸出安装边(35)，所述第一凹槽(14)和第二凹槽(53)的底壁上设有用于镶嵌凸出安装边(35)的嵌槽(13)。
9.根据权利要求2所述的新型陶瓷基复合材料与金属材料的组合可调涡轮叶片，其特征在于，可调金属叶身(4)的叶根端和叶尖端均固定有转轴(41)，所述金属上缘板(1)和金属下缘板(5)上设有均设有供转轴(41)穿过的转孔(12)，所述转轴(41)和转孔(12)转动配合，所述可调金属叶身(4)中空设置，且所述可调金属叶身(4)的尾缘设有和可调金属叶身(4)内部空间连通的尾缘劈缝(42)，所述转轴(41)上设有沿转轴(41)轴向方向的通道，所述通道和所述可调金属叶身(4)的内部空间连通。
10.根据权利要求9所述的新型陶瓷基复合材料与金属材料的组合可调涡轮叶片，其特征在于，所述上缘安装板(32)和下缘安装板(33)延伸至转轴(41)的轴线位置，且所述上缘安装板(32)和下缘安装板(33)朝向转轴(41)的一侧设有容纳转轴(41)一侧的半圆形槽(34)。
说明书
技术领域
[0001]本申请涉及航空航天的领域，尤其是涉及一种新型陶瓷基复合材料与金属材料的组合可调涡轮叶片。
背景技术
[0002]变几何涡轮是未来先进变循环发动机的重要核心部件之一，其通过调节自身的流通能力可以改变涡轮部件输出功的大小，并通过与其他可调部件的配合，可以使得在任意给定的飞行剖面上各状态点的性能都达到最佳。
[0003]现有可调涡轮叶片，通常为全金属的变几何叶片方案，随着发动机性能提升，涡轮叶片的工作温度也越来越高，在变几何涡轮叶片前缘部位和转轴部位需要消耗大量冷气来冷却叶片，以防止叶片被高温燃气烧坏，给变几何涡轮叶片工程应用以及长期服役带来挑战。
发明内容
[0004]有鉴于此，本申请提供一种新型陶瓷基复合材料与金属材料的组合可调涡轮叶片，解决了现有技术中金属叶片前缘冷却消耗大量冷气的问题，提高可调涡轮叶片的服役期限。
[0005]本申请提供的一种新型陶瓷基复合材料与金属材料的组合可调涡轮叶片采用如下的技术方案：
一种新型陶瓷基复合材料与金属材料的组合可调涡轮叶片，包括：
金属上缘板和金属下缘板;
陶瓷基复合材料前缘组件，固定的安装在金属上缘板和金属下缘板之间，所述陶瓷基复合材料前缘组件作为叶片的前缘区域;
可调金属叶身，转动的安装在金属上缘板和金属下缘板之间，所述可调金属叶身转动的转轴垂直于涡轮的轴向方向;
所述陶瓷基复合材料前缘组件的叶身部分后端和所述可调金属叶身的前端对接，形成完整的涡轮叶身结构，所述陶瓷基复合材料前缘组件的叶身部分后端设有圆弧形凹槽，所述可调金属叶身的前端设有和圆弧形凹槽匹配的圆弧形凸起，所述圆弧形凸起部分位于所述圆弧形凹槽，且所述圆弧形凸起相对所述圆弧形凹槽转动。
[0006]可选的，所述陶瓷基复合材料前缘组件包括前缘区域叶身、上缘安装板和下缘安装板，所述上缘安装板固定安装在金属上缘板的内壁，所述下缘安装板固定安装在金属下缘板的内侧，所述前缘区域叶身的两端固定连接所述上缘安装板和下缘安装板;
其中，所述前缘区域叶身、上缘安装板和下缘安装板均为陶瓷基复合材料。
[0007]可选的，所述陶瓷基复合材料前缘组件上设有贯穿前缘区域叶身、上缘安装板和下缘安装板的通孔;
组合可调涡轮叶片还包括穿设在通孔中的金属承力导管，所述金属承力导管的一端和所述金属上缘板固定连接，所述金属承力导管的另一端和所述金属下缘板固定连接，所述金属上缘板和金属下缘板夹紧所述陶瓷基复合材料前缘组件的上缘安装板和下缘安装板。
[0008]可选的，所述金属上缘板的外侧设有上安装凸台，所述金属下缘板的外侧设有下安装凸台，所述上安装凸台和下安装凸台上均设有和通孔对应的穿孔，所述金属承力导管的第一端设有安装缘板，所述金属承力导管穿过所述上安装凸台，且所安装缘板通过螺栓固定在上安装凸台上，所述金属承力导管的第二端位于下安装凸台的穿孔中，所述金属承力导管的第二端的侧壁通过螺栓和下安装凸台连接。
[0009]可选的，所述金属承力导管、前缘区域叶身以及通道在垂直于叶高方向的截面外轮廓匹配。
[0010]可选的，所述金属承力导管为空心结构，所述金属承力导管的内部空间用于连通冷却叶片前缘区域的冷气。
[0011]可选的，所述金属上缘板的内侧壁设有容纳上缘安装板的第一凹槽，所述金属下缘板的内侧壁上设有容纳所述下缘安装板的第二凹槽，所述上缘安装板的内侧和金属上缘板的内侧面上第一凹槽范围外的区域共同组成涡轮叶片上缘板的内侧型面，所述下缘安装板的内侧和金属下缘板的内侧面上第二凹槽范围外的区域共同组成涡轮叶片下缘板的内侧型面。
[0012]可选的，所述上缘安装板和下缘安装板相背的侧面上均设有凸出安装边，所述第一凹槽和第二凹槽的底壁上设有用于镶嵌凸出安装边的嵌槽。
[0013]可选的，可调金属叶身的叶根端和叶尖端均固定有转轴，所述金属上缘板和金属下缘板上设有均设有供转轴穿过的转孔，所述转轴和转孔转动配合，所述可调金属叶身中空设置，且所述可调金属叶身的尾缘设有和可调金属叶身内部空间连通的尾缘劈缝，所述转轴上设有沿转轴轴向方向的通道，所述通道和所述可调金属叶身的内部空间连通。
[0014]可选的，所述上缘安装板和下缘安装板延伸至转轴的轴线位置，且所述上缘安装板和下缘安装板朝向转轴的一侧设有容纳转轴一侧的半圆形槽。
[0015]综上所述，本申请包括以下有益技术效果：
本申请中采用陶瓷基复合材料作为涡轮叶片的前缘组件，陶瓷基复合材料具有优于金属材料的耐温性能，可以承受更高的工作温度，相比金属材料的前缘组件本申请陶瓷基复合材料的前缘组件需要冷气量减少，可以将更多的冷气供给至可调金属叶身，使尾缘区域有更多的冷气，加强可调金属叶身中尾缘区域的冷却，从而提高可调涡轮叶片的服役期限。本申请通过陶瓷基复合材料前缘组件加可调金属叶身的组合克服全金属叶片的超温问题以及纯陶瓷基叶片较脆无法转动的难题。
[0016]本申请通过金属承力导管提高陶瓷基复合材料前缘组件的承载能力。
附图说明
[0017]为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，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申请的一些实施例，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。
[0018]图1为本申请组合可调涡轮叶片的整体结构示意图;
图2为本申请组合可调结构的拆分结构示意图;
图3为本申请组合可调结构的拆分结构另一视角的示意图
图4为本申请可调金属叶片转动至不同角度的结构示意图。
[0019]附图标记说明：1、金属上缘板;11、上安装凸台;12、转孔;13、嵌槽;14、第一凹槽;15、螺栓孔;2、金属承力导管;21、安装缘板;3、陶瓷基复合材料前缘组件;31、前缘区域叶身;32、上缘安装板;33、下缘安装板;34、半圆形槽;35、凸出安装边;36、通孔;4、可调金属叶身;41、转轴;42、尾缘劈缝;5、金属下缘板;51、穿孔;52、下安装凸台;53、第二凹槽。
具体实施方式
[0020]下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
[0021]以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，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申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请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，在没有背离本申请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。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
[0022]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。基于本申请，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。
[0023]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申请的基本构想，图示中仅显示与本申请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。
[0024]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。
[0025]本申请实施例提供一种新型陶瓷基复合材料与金属材料的组合可调涡轮叶片。
[0026]如图1、图2和图3所示，一种新型陶瓷基复合材料与金属材料的组合可调涡轮叶片，包括：
金属上缘板1和金属下缘板5,用于将可调叶片安装在涡轮轮盘和涡轮机匣上。
[0027]陶瓷基复合材料前缘组件3，固定的安装在金属上缘板1和金属下缘板5之间，所述陶瓷基复合材料前缘组件3作为叶片的前缘区域;陶瓷基复合材料英文全称为CeramicMatrix Composites，简称为CMC。
[0028]可调金属叶身4，转动的安装在金属上缘板1和金属下缘板5之间，所述可调金属叶身4转动的转轴垂直于涡轮的轴向方向。
[0029]所述陶瓷基复合材料前缘组件3的叶身部分后端和所述可调金属叶身4的前端对接，形成完整的涡轮叶身结构，所述陶瓷基复合材料前缘组件3的叶身部分后端设有圆弧形凹槽，所述可调金属叶身4的前端设有和圆弧形凹槽匹配的圆弧形凸起，所述圆弧形凸起部分位于所述圆弧形凹槽，且所述圆弧形凸起相对所述圆弧形凹槽转动，以使可调金属叶身4相对陶瓷基复合材料前缘组件3进行转动，从而改变涡轮叶片整体叶身的弯折角度，从而改变通过涡轮叶片的燃气流量。
[0030]本申请实施例可调金属叶身4的初始状态如图4中b所示，工作中需要调小通过叶片的燃气流量，可以逆时针旋转可调金属叶身4，如图4中c所示，若需要调大通过叶片的燃气流量，可以顺时针旋转可调金属叶身4，如图4中a所示。
[0031]涡轮叶片在工作时，高温燃气会直接冲刷涡轮前缘，而发动机中高温燃气的温度远高于目前高温合金的耐受温度，因此对于金属可调涡轮叶片而言，需要在涡轮前缘消耗大量冷气以冷却该部位，以保证其安全工作;然而对于可调叶片而言，其在转动时转轴41承担较大的力和转动力矩，因为该部位同样需要大量冷气以保证该部位金属的性能。对于涡轮叶片而言，消耗大量冷却气则会大大降低航空发动机的整体效率，因此金属可调涡轮叶片的实际工程应用一直进展缓慢。而本申请中采用陶瓷基复合材料作为涡轮叶片的前缘组件，陶瓷基复合材料具有优于金属材料的耐温性能，可以承受更高的工作温度，相比金属材料的前缘组件本申请陶瓷基复合材料的前缘组件需要冷气量减少，可以将更多的冷气供给至可调金属叶身4，使尾缘区域有更多的冷气，加强可调金属叶身4中尾缘区域的冷却，从而提高可调涡轮叶片的服役期限。本申请通过陶瓷基复合材料前缘组件3加可调金属叶身4的组合克服全金属叶片的超温问题以及纯陶瓷基叶片较脆无法转动的难题。
[0032]如图2和图3所示，所述陶瓷基复合材料前缘组件3包括前缘区域叶身31、上缘安装板32和下缘安装板33，所述上缘安装板32固定安装在金属上缘板1的内壁，所述下缘安装板33固定安装在金属下缘板5的内侧，所述前缘区域叶身31的两端固定连接所述上缘安装板32和下缘安装板33;其中，所述前缘区域叶身31、上缘安装板32和下缘安装板33均为陶瓷基复合材料且一体设置。本申请实施例中前缘区域叶身31、上缘安装板32和下缘安装板33呈一字型结构。
[0033]如图2和图3所示，所述陶瓷基复合材料前缘组件3上设有贯穿前缘区域叶身31、上缘安装板32和下缘安装板33的通孔36，所述金属上缘板1和金属下缘板5上设有和所述通孔36对应的开孔;可调涡轮叶片还包括穿设在通孔36中的金属承力导管2，所述金属承力导管2穿过所述金属上缘板1和金属下缘板5上的开孔，所述金属承力导管2的一端和所述金属上缘板1固定连接，所述金属承力导管2的另一端和所述金属下缘板5固定连接，所述金属上缘板1和金属下缘板5夹紧所述陶瓷基复合材料前缘组件3的上缘安装板32和下缘安装板33。本申请通过金属承力导管2提高陶瓷基复合材料前缘组件3的承载能力。
[0034]如图2和图3所示，所述金属上缘板1的外侧设有上安装凸台11，所述金属下缘板5的外侧设有下安装凸台52，所述上安装凸台11和下安装凸台52上均设有和通孔36对应的穿孔51，所述金属承力导管2的第一端设有安装缘板21，所述金属承力导管2穿过所述上安装凸台11，且所安装缘板21通过螺栓固定在上安装凸台11上，所述金属承力导管2的第二端位于下安装凸台52的穿孔51中，所述金属承力导管2的第二端的侧壁通过螺栓和下安装凸台52连接。上安装凸台11、安装缘板21以及金属承力导管2的第二端侧壁上均设有螺栓孔15。安装时，将一体设置陶瓷基复合材料前缘组件3放置于金属上缘板1设金属下缘板5之间，并将通孔36对齐，然后将金属承力导管2依次穿过上安装凸台11、金属上缘板1、上缘安装板32、下缘安装板33、金属下缘板5下安装凸台52，直至安装缘板21抵接上安装凸台11，然后将安装缘板21和上安装凸台11通过螺栓固定，在将螺栓从下安装凸台52的周向侧壁传入金属承力导管2第二端侧壁上的螺栓孔15，将金属承力导管2的第二端和下安装凸台52固定;从而金属上缘板1和金属下缘板5将陶瓷基复合材料前缘组件3夹紧固定。本申请实施例中，金属承力导管2和安装缘板21一体设置。
[0035]对于金属缘板和陶瓷基复合材料前缘组件3的对接配合，具体为：所述金属上缘板1的内侧壁设有容纳上缘安装板32的第一凹槽14，所述金属下缘板5的内侧壁上设有容纳所述下缘安装板33的第二凹槽53，所述上缘安装板32的内侧和金属上缘板1的内侧面上第一凹槽14范围外的区域共同组成涡轮叶片上缘板的内侧型面，所述下缘安装板33的内侧和金属下缘板5的内侧面上第二凹槽53范围外的区域共同组成涡轮叶片下缘板的内侧型面。
[0036]所述上缘安装板32和下缘安装板33相背的侧面上均设有凸出安装边35，所述第一凹槽14和第二凹槽53的底壁上设有用于镶嵌凸出安装边35的嵌槽13，上缘安装板32和下缘安装板33上的凸出安装边35和金属缘板上的嵌槽13起到定位以及限位配合的作用。本申请实施例中凸出安装边35为楔形棱柱结构。
[0037]所述金属承力导管2、前缘区域叶身31以及通道垂直于叶高方向的截面外轮廓匹配，且均呈鱼鳍形。本申请实施例中，金属承力导管2的外周型面和通孔36的内壁型面保持一致，保证了金属承力导管2对前缘区域叶身31的承载作用，前缘区域叶身31和通道在垂直于叶高方向的截面外轮廓匹配，前缘区域叶身31内外壁型面的一致，保证陶瓷基复合材料的前缘区域叶身31的结构强度。本申请实施例中，安装缘板21和上安装凸台11成扇形，且中心设置对应通孔36的鱼鳍形孔，下安装凸台52上设有对应通孔36的鱼鳍形孔，下安装凸台52的外周截面也呈鱼鳍形。
[0038]本申请实施例中，所述金属承力导管2为空心结构，所述金属承力导管2的内部空间用于连通冷却叶片前缘区域的冷气。金属承力导管2的内壁截面和金属承力导管2外壁截面形状匹配，均呈鱼鳍形。
[0039]如图1、图2和图3所示，可调金属叶身4的叶根端和叶尖端均固定有转轴41，所述金属上缘板1和金属下缘板5上设有均设有供转轴41穿过的转孔12，所述转轴41和转孔12转动配合，所述可调金属叶身4中空设置，且所述可调金属叶身4的尾缘设有和可调金属叶身4内部空间连通的尾缘劈缝42，所述转轴41上设有沿转轴41轴向方向的通道，所述通道和所述可调金属叶身4的内部空间连通，转轴41的通道以及可调金属叶身4内部空间为冷却可调金属叶身4的冷气提供冷却流道。冷气通过和金属上缘板1配合的转轴41进入流入可调金属叶身4内部，通过尾缘劈缝42和对应金属下缘板5的转轴41流出。
[0040]本申请实施例中，所述上缘安装板32和下缘安装板33延伸至转轴41的轴线位置，且所述上缘安装板32和下缘安装板33朝向转轴41的一侧设有容纳转轴41一侧的半圆形槽34。
[0041]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权利要求的保护范围为准。
说明书附图(4)
声明：
“新型陶瓷基复合材料与金属材料的组合可调涡轮叶片” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：太行国家实验室
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