CN110469368A - 一种涡轮转子叶片 - Google Patents

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李义平
杨升
林亚
靳福来
林垲
梁湘华
张溯
朱培模
石伟
蒋竞升
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    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187—Convection cooling
    • F01D5/188—Convection cooling with an insert in the blade cavity to guide the cooling fluid, e.g. forming a separation wall
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

本发明属于叶轮机械技术领域，具体涉及一种涡轮转子叶片；该叶片由叶身、缘板、榫头一体成形的空心不带冠叶片；所述叶身设计为翼型状空心结构，叶身内腔分布有间隔墙和数个扰流柱。明的涡轮转子叶片的使用寿命至少提高了4倍，满足现有航空燃气涡轮风扇发动机全寿命的使用需求；与此同时，本发明还提出将DD32单晶合金材料应用在叶片上，在大载荷工况下，进一步提升抗变形性能，从而大大提高了叶片的耐高温性及使用寿命。

Description

一种涡轮转子叶片
技术领域
本发明属于叶轮机械技术领域，具体涉及一种涡轮转子叶片；尤其涉及到一种采用国内新研DD32单晶材料的涡轮转子叶片。
背景技术
涡轮作为航空燃气涡轮风扇发动机关键的核心部件之一，其功能是将发动机的热能和动能转换为机械能，涡轮转子叶片是涡轮部件中能量转换的的一种核心零件，其工作环境非常苛刻，长期工作温度为1000℃以上、转速为10000r/min以上，承受着巨大的离心力、热应力和气动弯矩载荷，受到高温燃气的冲刷和腐蚀，还受高低频振动应力的影响，且载荷周期性发生变化，因此，要求涡轮转子叶片耐高温、耐腐蚀、强度高、持久性好。
现代燃气涡轮发动机推力的提高，很大程度上依赖于涡轮前总温的提高，涡轮前总温提高对涡轮特别是涡轮转子叶片提出了更高的要求。目前，在国内、外已知的航空发动机和燃气轮机的应用中，采用耐温能力更强的单晶材料设计涡轮转子叶片是一条经验证有效的发展路径。DD32材料属于国内新研的单晶材料，具有很好的热强性，耐高温，持久蠕变强度好，能长期使用于在1100℃，高于传统的等轴晶、定向晶使用温度。与同类单晶合金相比，DD32合金具有铸造性能优异，热处理工艺性好和抑制再结晶倾向性好，适宜制备具有复杂型腔的涡轮转子叶片。经技术检索，当前国内、外还没有采用DD32单晶材料的涡轮转子叶片。
发明内容
本发明的目的是针对现有航空燃气涡轮风扇发动机的较高的总体技术指标要求，采用DD32单晶材料，发明出一种涡轮转子叶片，以解决现有航空燃气涡轮风扇发动机高压涡轮转子叶片持久寿命短，不能满足发动机使用需求的问题。
本发明的技术解决方案是：一种涡轮转子叶片是由叶身、缘板、榫头一体成形的空心不带冠叶片；所述叶身设计为翼型状空心结构，叶身内腔分布有间隔墙和数个扰流柱。
进一步的，所述叶身、缘板、榫头采用DD32单晶合金整体铸造成形，耐高温性能更为优良。
在榫头内腔设置有加强肋，以加强榫头的连接刚性。
在叶身内腔顶部还设置有肋板，肋板上设有气流通孔；以控制内腔冷却气流的流动。
在叶身内腔前缘设置有肋条，肋条上设有扰流柱，以加强叶身前缘的强度和冷却性能。
其中为了提高叶片的持久寿命，将叶片的材料采用DD32单晶合金设计，利用DD32单晶合金材料的耐高温，持久蠕变强度好的特点，以提高叶片的持久使用寿命。
同时，叶身内腔采用扰流柱+肋条的对流冷却设计对涡轮转子叶片进行冷却，冷却效果达0.3以上，降低并控制叶片的表面温度分布，提高叶片的持久使用寿命。
其中为了满足发动机整机匹配问题，根据DD32单晶合金的物理性能特点和热态流道尺寸一致的原则，对DD32单晶合金材料涡轮转子叶片的冷态尺寸进行设计，维持涡轮部件的性能不变。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
在现有航空燃气涡轮风扇发动机的使用状态不变的情况下，经计算和试验验证，发明的涡轮转子叶片的使用寿命至少提高了4倍，满足现有航空燃气涡轮风扇发动机全寿命的使用需求；同时提高了DD32单晶合金材料研究的成熟度。
附图说明
图1为涡轮转子叶片示意图；
图2为叶身截面图；
图3为内腔剖面图；
编号说明：1-叶身 2-缘板 3-榫头 4-叶盆 5-内腔 6-叶背 7-扰流柱 8-间隔墙9-肋板 10-肋条 11-加强肋。
具体实施方式
下面，结合图1、图2、图3，通过具体实施例对本发明做进一步详述。以下实施只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
由图1可知，本发明的一种采用DD32单晶合金制造的涡轮转子叶片，包括叶身1、缘板2、和榫头3，为空心铸造叶片，叶身部分分为叶盆4、内腔5、叶背6，尾缘部分为开口劈缝形式。本发明采取了以下技术方案：
其中为了提高叶片的持久寿命，将叶片的材料采用DD32单晶合金设计，利用DD32单晶合金材料的耐高温，持久蠕变强度好的特点，在大载荷工况下，抗变形能力强，以提高叶片的持久使用寿命。
同时，利用DD32合金具有铸造性能优异，热处理工艺性好和抑制再结晶倾向性好，适宜制备具有复杂型腔的涡轮转子叶片的特点，对叶片的内腔、壁厚等特征开展详细设计，叶片内腔的结构见图2。利用间隔墙8将叶片内腔分为前、后两个腔室，其中前腔分布排列有3排扰流柱9和3排肋条7、后腔交错排列出5排共43个扰流柱9。冷却气从叶片榫头底部进入，在叶片内腔形成对流冷却后从叶身尾缘劈缝排出，扰流柱9、肋条7的分布控制并降低叶片的表面温度分布，经计算和试验测量，叶片的冷却效果达0.3以上，叶片使用温度降低，提高了叶片的持久使用寿命。在现有航空燃气涡轮风扇发动机的使用状态不变的情况下，经强度寿命计算和试验验证，发明的涡轮转子叶片的使用寿命至少提高了4倍，满足现有航空燃气涡轮风扇发动机全寿命的使用需求。
其中为了满足发动机整机匹配问题，根据DD32单晶合金的物理性能特点和热态流道尺寸一致的原则，对DD32单晶合金材料涡轮转子叶片的冷态尺寸进行设计，主要是叶身型面和缘板的通道表面尺寸进行设计，保证涡轮部件的性能不变。经气动计算和试车验证，装配发明的DD32单晶合金材料的涡轮转子叶片的涡轮性能满足现有航空燃气涡轮风扇发动机的性能需求。

Claims (8)

1.一种涡轮转子叶片，其特征在于，该叶片是由叶身、缘板、榫头一体成形的空心不带冠叶片；所述叶身设计为翼型状空心结构，叶身内腔分布有间隔墙和数个扰流柱。
2.根据权利要求1所述的涡轮转子叶片，其特征在于，所述叶身、缘板、榫头采用DD32单晶合金整体铸造成形。
3.根据权利要求1所述的涡轮转子叶片，其特征在于，在榫头内腔设置有加强肋。
4.根据权利要求1所述的涡轮转子叶片，其特征在于，在叶身内腔顶部设置有肋板。
5.根据权利要求4所述的涡轮转子叶片，其特征在于，所述肋板上设有气流通孔。
6.根据权利要求1所述的涡轮转子叶片，其特征在于，在叶身内腔前缘设置有肋条。
7.根据权利要求6所述的涡轮转子叶片，其特征在于，所述肋条上设有扰流柱。
8.根据权利要求1或7所述的涡轮转子叶片，其特征在于，所述扰流柱纵横交错排列。
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication
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