CN103470312B - 一种具有网格内部结构的燃气涡轮发动机叶片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有网格内部结构的燃气涡轮发动机叶片。所述叶片由SLM或EBM增材制造技术成型，叶片内部具有网格结构。所述的网格结构由三维周期性排列的亚结构组成，联通的网格结构内部形成贯通的通道，呈多孔道结构；所述的网格结构全部或者部分填充于叶片内隔板间隙。本发明设置在叶片内部的网格结构可强化冷却气流的换热效果。本发明中所述冷却叶片的叶身、榫头、内部流道和网格结构均由增材制造技术成型，加工工艺简单，克服了传统铸造加工成品率低、无法制造复杂内部结构的缺点，可大大降低设计加工成本。

Description

一种具有网格内部结构的燃气涡轮发动机叶片

技术领域

本发明涉及燃气涡轮发动机高温结构部件的冷却技术，更具体的说，是涉及提高航空发动机中高压涡轮叶片及导向器叶片冷却效率的技术。

背景技术

现代燃气涡轮发动机为了获得更高的热效率，涡轮进口温度不断提高，已经远远超过高温合金叶片材料的熔点温度。如用于高低压涡轮叶片的第二代单晶高温合金的工作温度为1070℃-1100℃，而现役先进航空发动机的涡轮前温度已达到1300℃-1400℃。在如此高温的工作环境下，要保证叶片长期稳定工作，就必须对涡轮叶片进行有效的强制冷却，同时尽可能的降低冷却气体使用量以避免过多的功率损失。因此，高效冷却叶片的设计已经成为航空发动机研制的重要内容。

现代涡轮叶片的常用的冷却方式有气膜冷却、冲击冷却、强化换热冷却等。通常将冷却叶片设计为直流型隔板结构，即过隔板将通道分割成多个冷却腔，冷气从叶片根部流入，通过带肋壁强化换热的冷却通道对叶片表面进行冷却之后，一部分冷气通过冲击孔，以冲击冷却的方式对叶片前缘进行冷却后流出，一部分通过气膜孔流出从而在叶片表面形成气膜冷却保护，最后冷却气体经尾缘扰流柱强化换热后从排气缝流出。

由于铸造工艺的限制，叶片内部无法铸造成型复杂结构，因此叶片冷却效率的提高主要通过改进叶片内部流道数量和形式、肋壁肋片尺寸及排布以及强化换热冲击孔的角度等方式实现。总体来说，仍局限于提高气膜冷却、冲击冷却和强化换热冷却的效率上。例如：

在公开号为US7753650B1的专利中，提出了一种冷却气流通道为正弦曲线结构的转子叶片。在该发明中，每条正弦曲线冷却通道均连通叶片的进气边和排气边。这种结构提高了气流扰动，增大了冷却气体在叶片内部的换热面积，在相同冷却效果条件下降低了所需冷却气体的流量。

在公开号为US5370499和US5690472的专利中，提出了具有网格复式冷却孔结构的叶片设计思想。在该结构中，涡轮叶片的壁面冷却孔加工为网格复式结构，第一级与第二级的冷却孔相互交叉，形成了复式冷却节点。冷却气流在复式冷却孔中流动时由于压力降产生扰流，从而提高了壁面与冷却气流的换热效率。

在公开号为CN101126325A的专利中，公开了一种适用于航空发动机涡轮叶片的多孔冲击加气膜冷却组合冷却效果，可达到0.7冷效。

在公开号为US8070441B1的专利中，通过改变叶片排气边附近内壁扰流片的形状及位置，从而增强冲击冷却的效果。

在公开号为CN1786426A的专利中，叶片内部冷却通道被设计为曲形隔板和直流隔板分割形成具有特定尺寸周期性的冷却腔，提高了脉动冲击冷却效果。

在公开号为US6139269专利中，将叶片设计为包含2个不同的冷却气体作用通道，从而达到降低冷却气体流量的效果。

在公开号为US7182576B2的专利中，将叶片壁面设计为至少2层，且层间由支点连接。这种结构形成了网格冷却通道，增强了冲击冷却的效果。

增材制造技术的出现颠覆了传统的加工理念：该技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件，是基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动直接制造零件的科学技术体系。目前，增材制造技术中的选择性激光熔化（SLM）以及电子束熔化（EBM）技术使得制备具有复杂结构的高性能金属零部件成为可能。

发明内容

本发明提出了一种适用于燃气涡轮发动机的具有网格内部结构的冷却叶片，该冷却叶片可由SLM或EBM增材制造技术快速成型，叶片内部的网格结构可强化冷却气流的换热效果。

本发明中所述冷却叶片的叶身、榫头、内部流道和网格结构均由增材制造技术成型，加工工艺简单，克服了传统铸造加工成品率低、无法制造复杂内部结构的缺点，可大大降低设计加工成本。

本发明中所述的冷却叶片以传统空心结构叶片为基础，内部具有网格结构特征。所述的网格结构为三维周期性排列的亚结构组成，联通的网格内部形成贯通的通道，呈多孔道结构；所述网格结构的亚结构周期尺寸为0.8～5mm，与空心叶片壁厚处于同一数量级；所述的网格结构在叶片内所占空间比例、位置可根据叶片工作条件进行设计；所述的网格结构可不改变传统叶片的直流隔板冷却结构，仅填充于隔板间隙；或者根据需要取消部分或全部直流隔板，在叶片内部特定位置进行网格结构填充；所述网格结构与冷却叶片为同一整体，由增材制造技术逐层成型；所述网格结构尺寸应不小于亚结构尺寸。

本发明中具有网格内部结构的燃气涡轮发动机叶片的优点在于：

（1）叶片内部的网格结构增大了冷却气流与叶片内部的接触面积，提高了叶片的冷却效果；

（2）网格结构的应用可不改变原有叶片的冷却流道设计；

（3）合理的网格尺寸设计可增加冷却气的扰流，破坏附面层影响，从而进一步强化换热；

（4）可通过调整网格尺寸及数量来调整涡轮叶片温度场的分布，提高整体应力均匀性。

附图说明

图1a～图1d是4种网格结构（不仅限于此）亚结构示意图；

图2是十字交叉亚结构三维排列成网格结构的示意图；

图3a和图3b分别是在无导流隔板空心叶身内部填充网格结构的示意图和剖视图；

图4a和图4b分别是传统直流隔板冷却叶片纵剖面和横剖面示意图；

图5a和图5b分别是传统直流隔板冷却叶片内部全部填充网格结构纵剖面和横剖面示意图；

图6a和图6b分别是传统直流隔板冷却叶片内部部分填充网格结构纵剖面和横剖面示意图；

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

本发明提供一种具有网格内部结构的燃气涡轮发动机叶片，所述的网格内部结构为设置在叶片内部的三维周期性排列的亚结构。图1所示分别为十字交叉、X型强化交叉、菱形十二面体以及截角八面体结构（不仅限于此）4种简单亚结构的示意图，亚结构尺寸可根据冷效计算或实际测试结果进行设计。以图1(a)中的十字交叉结构为例（后文中的具体实施案例均已此为例），图2为十字交叉结构经三维排列形成的网格结构（由Materialise Magics V17.02生成），具有多孔道结构。

实施例1：

图3是在无导流隔板空心叶身内部进行十字交叉网格填充的示意图，包含叶身1（图3(a)）与网格结构2（图3(b)）。叶身1厚度与网格的亚结构周期尺寸均为2mm。填充网格结构后，叶片内部换热面积增大了～130%。简化模拟计算结果表明，在相同进口冷却气体条件下，该结构换热能力可增加45%。

实施例2：

图4a和图4b是传统直流隔板冷却叶片结构图。隔板3将通道分割成多个冷却腔4，冷气从叶根5端流入，然后沿冷却腔4向叶尖6流动，一部分从叶尖6流出，一部分通过隔板3与叶尖6处的孔向尾缘排气缝7流动，并从排气缝7流出。

图5a和图5b是在传统直流隔板冷却叶片内填充网格结构的示意图。网格结构8的填充并未改变冷却叶片流道设计，仅填充在隔板3形成的冷却腔4内，冷气流动方向不改变，将仍按照图4中所标示的箭头方向流动。叶身壁厚为1mm，叶身内部空间尺寸为3～8mm，所填充网格结构8的亚结构周期尺寸为1.5mm，换热面积增大了～90%。冷气流经网格结构时，与网格结构8的支架发生热交换，强化了换热。

实施例3：

图6是传统直流隔板冷却叶片内部部分填充网格结构示意图。叶身壁厚为1mm，叶身内部空间尺寸为3～8mm，网格结构9填充于叶身内壁及导流隔板侧壁。所填充网格结构的厚度为1mm，亚结构的周期尺寸为1mm。网格结构9的填充并未改变冷却叶片流道设计，冷气的流动方向不改变，将仍按照图4中所标示的箭头方向流动。冷气流经流道时，由于网格结构仅部分填充，对冷气流速的压降影响较小；同时，网格结构的填充高度与叶片原设计的扰流肋片高度相当，可破坏气流附面层，提高换热效果；其次，网格结构增大了壁面换热面积，强化了换热。简化模拟计算该结构叶片的换热及流阻，结果表明，在相同进口冷却气体及气膜冷却条件下，该叶片冷却效果可达到0.7以上，压降损失与普通内冷叶片相当。

Claims (1)

1.一种具有网格内部结构的燃气涡轮发动机叶片，其特征在于：所述叶片由SLM或EBM增材制造技术成型，叶片内部具有网格结构；所述的网格结构为三维周期性排列的亚结构组成，联通的网格结构内部形成贯通的通道，呈多孔道结构；所述亚结构周期尺寸与空心叶片壁厚处于同一数量级；所述的网格结构全部填充于叶片内隔板间隙或者网格结构部分填充于叶片内壁及导流隔板侧壁；所述的亚结构周期尺寸为0.8～5mm；所述的亚结构为十字交叉、X型强化交叉、菱形十二面体或者截角八面体结构；所述网格结构与叶片为同一整体，由增材制造技术逐层成型。