陶瓷基复合材料涡轮转子叶片盘榫连接结构及涡轮盘的制作方法

本发明涉及航空发动机密封的领域，具体而言，涉及陶瓷基复合材料涡轮转子叶片盘榫连接结构及涡轮盘。

背景技术：

航空发动机，特别是喷气式发动机，作为现代飞机的动力之源，在能量转化的过程中伴随着大量转子叶片做功。叶片在发动机工作的时候承受着气动、热力、机械等极其巨大且复杂的交变载荷，而所有的载荷最终都要通过榫头传递到轮盘上。由于陶瓷基复合材料（cmcs）密度仅为合金重量的三分之一，同时强度高，耐腐蚀，陶瓷基复合材料涡轮叶片的应用能极大地减少涡轮重量。并且，因为叶片数量庞大，其占发动机总重量比例也极为可观，设计针对陶瓷基复合材料叶片的盘榫连结构能能有效减轻发动机重量，提高发动机推重比。

在现代的航空发动机中，用于压气机叶片的盘榫连接结构形式一般是燕尾形或枞树形，而用于涡轮叶片的榫头形式则普遍为枞树形，这是由压气机和涡轮中叶片的所处环境和使用特点决定的：涡轮叶片所受温度较高，载荷较大，故而采用榫齿更多的枞树形榫头以改善其力学性能。也有一些发动机采用了叶片与轮盘一体制造的整体叶盘和整体叶轮结构，这些设计省去了连接结构，有效减去了轮盘和叶片的整体重量，但是也正由于是整体制造，叶片损坏后无法单独更换，使得维修的成本高昂。

查找现已公开的报道，有一种中国发明专利：一种枞树型盘榫连接结构及具有其的航空发动机（申请公布号：cn110454235a），该专利设计了一种枞树形盘榫连接结构，其特点为具有至少两组带花槽的榫头和轮缘凸块，能够消除局部应力过高带来的安全隐患，同时通过合理优化榫齿刚度提升了盘榫工作面配合可靠性，相对传统盘榫连接结构实现了减重约1％～3％。这种形式的盘榫连接结构仅适用于合金部件，虽然能减少部分重量，但受限于合金重量与枞树形榫头的传统形式，减重并不明显，且需要使用轴向固定装置，增加了结构复杂度。

已公开的中国发明专利：一种陶瓷基涡轮转子叶片预制体的设计方法（申请公布号：cn108897931a），该专利提出了一种陶瓷基涡轮转子叶片预制体的设计方法，该方法在叶身底部通过插入补片的方式形成叶片榫头。这种榫头外形与传统燕尾式榫头类似，是结构形式较为成熟的一种榫头，但是“插片法”导致其工艺较为复杂，每一层补片的大小和位置需要精确确定，同时该形式的榫头对叶片增重较大，不能满足连接结构减重的要求。

目前，针对陶瓷基复合材料涡轮转子叶片的盘榫连接结构较少，同时由于这种材料的工艺性和可设计性，有必要结合其特点提出适合发挥其性能的盘榫连接结构。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是针对背景技术提出的问题，提供陶瓷基复合材料涡轮转子叶片盘榫连接结构及涡轮盘，解决目前涡轮转子叶片的连接结构重量较大，形式较为复杂的问题。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

陶瓷基复合材料涡轮转子叶片盘榫连接结构，其中：包括陶瓷基复合材料涡轮转子叶片和涡轮盘，陶瓷基复合材料涡轮转子叶片的根部设置轴向卡式榫头，轴向卡式榫头一端设有沿叶片气流方向伸出的榫齿，另一端设有用于与陶瓷基复合材料涡轮转子叶片主体部分光滑过渡的圆弧体，涡轮盘上设置有沿轮盘周向分布的榫槽，榫槽由与轴向卡式榫头外形相似的弧线向涡轮盘盘心延伸切割而成，轴向卡式榫头能置入榫槽中，榫槽侧壁与榫齿抵触使轴向卡式榫头无法从榫槽内退出，榫槽槽底与轴向卡式榫头端部之间具有供轴向卡式榫头受热自由膨胀的间隙。

为优化上述结构形式，采取的具体措施还包括：

上述的涡轮盘由对称的第一涡轮盘分体和第二涡轮盘分体构成，第一涡轮盘分体和第二涡轮盘分体的外周缘各设置有对称的半榫槽，轴向卡式榫头先放入其中一个半榫槽中，第一涡轮盘分体和第二涡轮盘分体对接固定，两个半榫槽能组合为一个榫槽，从而将轴向卡式榫头线位于榫槽中。

上述的第一涡轮盘分体和第二涡轮盘分体均分别由盘缘、幅板和轮毂组成，轮毂位于相应涡轮盘分体中心，用于与涡轮轴连接，幅板为涡轮盘分体主体部分，盘缘设于幅板外缘，半榫槽等间距布设于盘缘上。

上述的幅板靠轮毂处有数个用以固定第一涡轮盘分体和第二涡轮盘分体的螺栓孔和螺栓。

上述的轴向卡式榫头由榫头经纱和榫头纬纱编织而成，陶瓷基复合材料涡轮转子叶片由叶片经纱和叶片纬纱编织而成，轴向卡式榫头和陶瓷基复合材料涡轮转子叶片共享部分经纱，即部分榫头经纱同时作为叶片经纱。

上述的轴向卡式榫头的榫齿超出陶瓷基复合材料涡轮转子叶片叶身轮廓线在叶高方向的投影，其超出部分小于叶身几何中线长度的三分之一，圆弧体向外凸，将轴向卡式榫头与陶瓷基复合材料涡轮转子叶片叶身光滑过渡。

上述的轴向卡式榫头的榫齿位于陶瓷基复合材料涡轮转子叶片叶身轮廓线在叶高方向的投影以内，榫齿最小横截面的几何中线长度大于叶片底部叶身几何中线的三分之二，圆弧体向内凹，将轴向卡式榫头与陶瓷基复合材料涡轮转子叶片叶身光滑过渡。

上述的轴向卡式榫头为直榫头，即轴向卡式榫头端部横截面沿一直线扫掠而成，其两个侧表面为平面。

上述的轴向卡式榫头为圆弧榫头，即轴向卡式榫头端部横截面沿一曲线扫掠而成，其两个侧表面为曲面。

本发明具有以下优点：

1、根据陶瓷基复合材料纤维布铺层的特点，叶片榫头处以现有的“插片法”，对叶片底部进行加厚设计榫头在实际实施过程中工艺较为复杂，且其对叶片的增重较大，本发明考虑到陶瓷基复合材料纤维各项异性的特点，在现有周向盘榫连接结构的基础上，创新性地提出了一种轴向盘榫连接结构，该结构能发挥陶瓷基复合材料纬纱的横向剪切性能和纵向拉伸性能，保证榫头的强度。

2、本发明的涡轮盘结构为分体式，该盘榫连结构能有效减轻盘榫连结构的重量，同时能轴向固定叶片，无需另加轴向固定装置。分体式涡轮盘具有重量轻、结构简单、易于制造的特点。

3、本发明的陶瓷基复合材料轴向卡式榫头由经纱和纬纱编织而成，部分经纱或者全部经纱同时作为叶片经纱，榫头与叶片整体性好，同时，本发明可根据榫头的具体载荷环境对经纱和纬纱的铺设密度进行调整，当榫头所受载荷较大时，可适当增大纬纱的铺设密度；当叶身所受拉伸载荷较大时，可适当增大经纱的铺设密度。此种细观可设计性可适应多种载荷环境。

4、由于所应用涡轮的转速、空气流速等特点不同，叶片所受载荷也不同，所述轴向卡式榫头在榫齿形式上有以下两种形式。第一种是轴向卡式榫头的榫齿可以超出叶身轮廓线在叶高方向的投影，其超出部分应小于叶身几何中线长度的三分之一，连接榫齿与叶片主体的圆弧向外凸，将榫头与叶身光滑过渡。在叶片所受载荷较大时，通过增加榫头最小喉部截面的表面积，使整个榫头向外凸，以减小榫头所受应力。第二种是轴向卡式榫头的榫齿可以在叶身轮廓线在叶高方向的投影以内，其最小横截面的几何中线长度应大于叶片底部叶身几何中线的三分之二，连接榫齿与叶片主体的圆弧向内凹，将榫头与叶身光滑过渡。在叶片所受载荷较小时，通过减小榫头最小喉部截面的表面积，使整个榫头向内凹，使榫头在满足强度要求的情况下获得更轻的重量，同时与之配合的轮盘外缘也可相应变薄，减轻轮盘重量。通过设计不同的榫齿形状，使轴向卡式榫头适应不同载荷下的叶片结构，能有效拓宽该轴向卡式盘榫连接结构的适用范围。

5、由于陶瓷基复合材料的工艺限制，叶身与榫头所共用的纤维布不能有太大的弯折，这要求叶身和榫头表面需要光滑过渡。本发明设计了为直榫头和圆弧榫头两种榫头形状，使榫头有效适应各种曲率的叶身，有利于叶身到榫头的光滑过渡，适合陶瓷基复合材料叶片的铺层设计。

6、本发明的榫槽与榫头配合时需留有一定空隙，以允许榫头受热进行自由膨胀，且冷却时叶片无法从轮盘上脱落。由于涡轮叶片所处的高温高转速环境，其在工作时必然会发生热膨胀，该空隙能保证叶片发生膨胀时能自由伸长，不与榫槽发生过度挤压，减少了热应力。

7、本发明的分体式涡轮盘包括两块涡轮盘分体，分体由盘缘、幅板和轮毂组成。盘缘上分布数十个沿轮盘周向分布的上述榫槽，轮毂中心为一个用以与涡轮轴连接的中心孔，幅板靠轮廓处有数个用以固定两块轮盘分体的螺栓孔和螺栓。该轮盘与上述盘榫连接结构配套使用，能在总体上减轻涡轮结构的重量，从而减少发动机整机重量，提高推重比。并且能自行进行轴向固定，省却了传统连接结构中的锁片等固定装置，降低了结构复杂程度，提高了可靠性。

附图说明

图1为陶瓷基复合材料榫头纱线细观受力示意图；

图2为外凸榫齿轴向卡式盘榫连接结构示意图；

图3为内凹榫齿轴向卡式盘榫连接结构示意图；

图4为直榫头轴向卡式盘榫连接结构示意图；

图5为圆弧榫头轴向卡式盘榫连接结构示意图；

图6为分体式轮盘示意图；

图7为轴向卡式盘榫连接结构及其涡轮盘组合示意图。

其中，附图标记为：陶瓷基复合材料涡轮转子叶片1、轴向卡式榫头2、榫头经纱2a、榫头纬纱2b、榫齿21、圆弧体22、涡轮盘3、第一涡轮盘分体3a、第二涡轮盘分体3b、榫槽31、盘缘32、幅板33、轮毂34。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

本实施例的陶瓷基复合材料涡轮转子叶片盘榫连接结构，该结构能发挥陶瓷基复合材料纬纱的横向剪切性能和纵向拉伸性能，保证了榫头的强度，如图1所示。同时由于陶瓷基复合材料密度仅为高温合金三分之一的特点，实现大幅减重。陶瓷基复合材料涡轮转子叶片盘榫连接结构包括陶瓷基复合材料涡轮转子叶片1和涡轮盘4，陶瓷基复合材料涡轮转子叶片1的根部设置轴向卡式榫头2，轴向卡式榫头2一端设有沿叶片气流方向伸出的榫齿21，另一端设有用于与陶瓷基复合材料涡轮转子叶片1主体部分光滑过渡的圆弧体22，涡轮盘4上设置有沿轮盘周向分布的榫槽41，榫槽41由与轴向卡式榫头2外形相似的弧线向涡轮盘4盘心延伸切割而成，轴向卡式榫头2能置入榫槽41中，榫槽41侧壁与榫齿21抵触使轴向卡式榫头2无法从榫槽41内退出，榫槽41槽底与轴向卡式榫头2端部之间具有供轴向卡式榫头2受热自由膨胀的间隙。

如图6和7所示，涡轮盘4由对称的第一涡轮盘分体4a和第二涡轮盘分体4b构成，第一涡轮盘分体4a和第二涡轮盘分体4b的外周缘各设置有对称的半榫槽，轴向卡式榫头2先放入其中一个半榫槽中，第一涡轮盘分体4a和第二涡轮盘分体4b对接固定，两个半榫槽能组合为一个榫槽41，从而将轴向卡式榫头2线位于榫槽41中。第一涡轮盘分体4a和第二涡轮盘分体4b均分别由盘缘42、幅板43和轮毂44组成，轮毂44位于相应涡轮盘分体中心，用于与涡轮轴连接，幅板43为涡轮盘分体主体部分，盘缘42设于幅板43外缘，半榫槽等间距布设于盘缘42上。

实施例中，幅板43靠轮毂44处有数个用以固定第一涡轮盘分体4a和第二涡轮盘分体4b的螺栓孔和螺栓。

如图1所示，轴向卡式榫头2由榫头经纱2a和榫头纬纱2b编织而成，陶瓷基复合材料涡轮转子叶片1由叶片经纱和叶片纬纱编织而成，轴向卡式榫头2和陶瓷基复合材料涡轮转子叶片1共享部分经纱，即部分榫头经纱2a同时作为叶片经纱。

如图2所示，轴向卡式榫头2的榫齿21超出陶瓷基复合材料涡轮转子叶片1叶身轮廓线在叶高方向的投影，其超出部分小于叶身几何中线长度的三分之一，圆弧体22向外凸，将轴向卡式榫头2与陶瓷基复合材料涡轮转子叶片1叶身光滑过渡。

如图3所示，轴向卡式榫头2的榫齿21位于陶瓷基复合材料涡轮转子叶片1叶身轮廓线在叶高方向的投影以内，榫齿21最小横截面的几何中线长度大于叶片底部叶身几何中线的三分之二，圆弧体22向内凹，将轴向卡式榫头2与陶瓷基复合材料涡轮转子叶片1叶身光滑过渡。

图2所示的榫齿21形状，在叶片所受载荷较大时使用，该结构通过增加榫头最小喉部截面的表面积，使整个榫头向外凸，以减小榫头所受应力。图3所示的榫齿21形状，在叶片所受载荷较小时使用，该结构通过减小榫头最小喉部截面的表面积，使整个榫头向内凹，使榫头在满足强度要求的情况下获得更轻的重量，同时与之配合的轮盘外缘也可相应变薄，减轻轮盘重量。通过设计不同的榫齿形状，使轴向卡式榫头适应不同载荷下的叶片结构，能有效拓宽该轴向卡式盘榫连接结构的适用范围。

如图4所示，轴向卡式榫头2为直榫头，即轴向卡式榫头2端部横截面沿一直线扫掠而成，其两个侧表面为平面。该类型榫头适合于叶身曲面弯曲程度不大的叶片。

如图5所示，轴向卡式榫头2为圆弧榫头，即轴向卡式榫头2端部横截面沿一曲线扫掠而成，其两个侧表面为曲面。该类型榫头适合于叶身曲面弯曲程度较大的叶片，能减少叶片铺层设计时纤维布的弯折，有效避免纤维发生断裂，降低材料性能。

采用本发明的陶瓷基复合材料涡轮转子叶片轴向卡式盘榫连接结构，能在总体上为涡轮叶盘结构减重20%。

本发明的陶瓷基复合材料涡轮转子叶片轴向卡式盘榫连接结构，该结构能与材料的工艺性和设计性相适配，可以发挥陶瓷基复合材料纬纱的横向剪切性能和纵向拉伸性能，保证榫头的强度。同时提供了直榫头和圆弧榫头结构两种形式，能适应各种曲率的叶身，有利于叶身到榫头的光滑过渡，适合陶瓷基复合材料叶片的铺层设计。有效减轻了涡轮叶片与轮盘连接结构的重量，从而减少发动机整机重量，提高推重比。同时，该结构能自行进行轴向固定，省却了传统连接结构中的锁片等固定装置，降低了结构复杂程度，提高了可靠性。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。