[发明专利]一种混合型陶瓷基复合材料涡轮导向器叶片

说明书

技术领域

本发明涉及一种混合型陶瓷基复合材料涡轮导向器叶片，尤其涉及内部冷却的混合CMC（纤维增强陶瓷基复合材料）叶片，属于航空燃气涡轮发动机和地面重型燃气轮机技术领域。

背景技术

燃气涡轮发动机的核心机由压气机、燃烧室以及涡轮组成。很多燃烧室和涡轮部件是直接暴露在高温燃气中的，例如燃烧室、燃烧室与涡轮间的气流通道、涡轮静子叶片、涡轮转子叶片和包容它们的环形机匣段。

我们知道随着燃气温度的升高，发动机的推力和效率会得到提高。现代高效率燃气涡轮发动机的燃气温度超过1600°C，这已经超过了与之接触结构材料的安全工作温度。因此，出现了不少方法用以保证这些部件的正常工作，包括气膜冷却、内部冷却和热障涂层TBC等。

气膜冷却涉及压气机中冷空气的提取、冷空气在结构部件中的传送和与高温燃气流动的混合。冷却气膜是由冷空气从被冷却部件上气孔渗出所形成的。气膜冷却系统对于高温部件的冷却是非常有效的，但它会明显降低发动机的效率。冷却气流的压缩需要消耗能量，冷却气流量的增加会引起燃气温度的降低，而且气膜会对涡轮导向器叶片的平滑绕流产生干扰。

内部冷却一般是从发动机压气机提取冷空气或从燃气涡轮发电站的其他有用循环中提取冷却蒸汽。内部冷却不会影响叶型周围的空气或燃气绕流，它不会以冷空气来稀释高温燃气，而且它所要求的冷却空气压力要小于气膜冷却，但是内部冷却会引起厚度方向的温度梯度，而且随着结构壁厚增加、材料热导率降低，内部冷却的效率会大大降低。

如TBC之类的隔热结构得到发展，用以保护高温工作部件。尽管TBC对当代燃气涡轮发动机高温部件的起了有效的保护作用，但随着下一代发动机燃气温度的进一步提高，TBC的保护作用将会变得很有限。

由于CMC的材料固有属性，它能比高温合金承受更高的工作温度，也就是说CMC能减少冷却用的空气流量，从而提高发动机推力和效率，减少发动机的尾气排放量。但是CMC材料的强度一般并不如高温合金高，因此应用在涡轮导向器叶片上就要求更厚的截面形状。由于CMC的低热导率和相关的截面厚度，内部闭路循环冷却一般不适合作为发动机部件的冷却方式。如果在叶型部件的内部冷却中用挡板或其他零件对准冷却气流，那么用来维持冷却气流的压力会超过叶型外部的燃气压力，因此不会发生任何由于高温燃气渗进叶片而引起的失效。为了在特定位置提供精确的冷却空气量，以保持合适的冷却温度、防止过冷却，这样的冷却流道一般要有复杂的几何形状。一般在CMC部件中很难制造出如此复杂的流道。下一代燃气涡轮发动机预想达到更高的工作温度，因此需要进一步发展CMC叶型和相应冷却方式。

发明内容

1．发明目的

本发明的目的是提供一种混合型陶瓷基复合材料涡轮导向器叶片，它包含由CMC（纤维增强陶瓷基复合材料）构成的叶型和金属材料构成的内核。金属内核上含有用于带走CMC叶型上热量的冷却空气流道。冷却流道由金属内核外表面开槽形成，提供对CMC叶型的对流换热冷却和热传导冷却。通过将内核与叶型至少(6)%的内壁粘合，由冷却空气压力所引起的内应力将大大减小。对各部件材料属性的选择将使系统的热应力达到最小。

2．技术方案

见图2-4，本发明为一种混合型陶瓷基复合材料涡轮导向器叶片(1)，它包含叶型部件(2)和内核部件(5)，内核部件(5)安装在叶型部件(2)的内部。

叶型部件(2)由纤维增强陶瓷基复合材料CMC构成，叶型部件外表面(3)的外形呈三次样条曲面，确定了叶片的气动外形，叶型部件内表面(4)的形状也呈三次样条曲面，确定了内部区域。这里的CMC可以是任何已有的或在发展中的纤维增强陶瓷基复合材料。纤维和包围它们的基体可以是氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷或两者的任意组合。近年来发展出了广泛的由相同或不同组分的基体材料和增强相所结合成的CMC。纤维可以是连续纤维或非连续长纤维，基体可以包含晶须、小片状体或颗粒。增强纤维可以在基体层中规则排列，相邻层可以旋转一定角度来获得想要的力学强度。