CN111271133A - 一种有复杂肋片结构内冷通道的涡轮导向器叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种有复杂肋片结构内冷通道的涡轮导向器叶片，包括内含空腔的叶身，所述空腔内沿冷却气流流向设置将腔室分割为多个相连通冷却气流通道的隔离柱，所述冷却气流通道内沿垂直于气流流向设置有若干肋片，所述肋片的横截面为扰动冷却气流的多边形，使得换热效率提高以降低叶片表面温度。本发明通过采用增材制造技术形成含不规则多边形或复杂的规则多边形肋片结构内冷通道的叶片，使得扰动冷却气流的效果大大增强，换热效率提高，有效降低了叶片的表面温度，提高了叶片乃至整个发动机的使用寿命，同时，大大减低了制造和使用成本。

Description

一种有复杂肋片结构内冷通道的涡轮导向器叶片
技术领域
本发明涉及航空发动机技术领域，特别涉及一种有复杂肋片结构内冷通道的涡轮导向器叶片。
背景技术
现有的航空发动机涡轮导向器叶片在高温高压的条件下工作，流经该叶片的燃气温度超过其材料的可承受能力，为使其能满足工作要求，需对该叶片进行冷却，即需要在叶片内部冷却通道内增加肋片和扰流柱，现有的涡轮叶片最佳制造手段为无余量熔模精密铸造，其工艺流程主要包括型芯模具的设计与制造十几道工序，流程繁琐复杂，时间和劳动力成本均很高，且由于工艺水平的限制，肋片通常采用半圆形、三角形等简单规则结构，且局限于个别方位，扰动冷却气流的效果差。随着大推力、高效率的涡轮发动机的发展，需要不断提高涡轮的进口温度，内部冷却通道结构越来越复杂，简单规则的肋片结构已不能满足需要，而复杂形状的肋片结构使用熔模铸造成本高且难以满足其精度要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种有复杂肋片结构内冷通道的涡轮导向器叶片，通过增材制造技术，从叶片最前端开始按设定角度打印，不仅能够实现打印支柱数量最少，而且打印出的叶片空腔内沿冷却气流流向设置将腔室分割为多个相连通冷却气流通道的隔离柱，所述冷却气流通道内沿垂直于气流流向设置有若干肋片，所述肋片为扰动冷却气流的多边形，使得换热效率大大提高，有效降低了叶片表面的温度，满足了涡轮发动机不断更新发展的需要。
本发明提供的具体技术方案如下：
一种有复杂肋片结构内冷通道的涡轮导向器叶片，包括内含空腔的叶身，所述空腔内沿冷却气流流向设置将腔室分割为多个相连通冷却气流通道的隔离柱，所述冷却气流通道内沿垂直于气流流向设置有若干肋片，所述肋片的横截面包括扰动冷却气流的多边形，使得换热效率提高以降低叶片表面温度。
优选地，所述叶片的顶部设有冷却气流进气口，所述叶片尾缘压力面开有间隙，使得所述冷却气流从所述进气口流入，经所述冷却气流通道后从所述间隙流出。
优选地，所述进气口设有位于所述叶片前缘的第一进气口和位于所述叶片中部的第二进气口。
优选地，相邻所述隔离柱的相对两端分别与所述叶片的内顶部、内底部相连接，另两端分别与所述内底部、所述内顶部设置间距，形成蛇形迂回的冷却气流通道，使得冷却气流从所述叶片顶部进气口流入，经迂回冷却气流通道后从所述叶片尾缘的所述间隙流出。
优选地，所述间隙设有多个，均布设置在所述冷却气流通道的一侧。
优选地，所述肋片由所述叶片内壁凸起形成，所述肋片横截面为多边形。
优选地，根据所述叶片的冷却需要，所述多边形包括单个不规则多边形，或由不规则多边形组合形成的组合形式的不规则多边形；所述肋片均由相同的不规则多边形组成，或由不相同的不规则多边形组成。
优选地，根据所述叶片的冷却需要，所述多边形包括复杂的规则多边形，所述复杂的规则多边形包括由简单规则多边形组合形成的多边形；所述肋片均由相同复杂的规则多边形组成，或由不相同的复杂的规则多边形组成。
需要说明的是，本发明复杂的规则多边形包括通过无余量熔模精密铸造方法不能实现的单个规则多边形。
优选地，所述叶片通过3D打印来实现，使得所述叶片及内部的所述肋片、所述隔离柱及所述叶片尾缘的所述间隙一体成形。
需要说明的是，肋片9打印从叶片3最前端开始，从而不需要添加额外支柱即可完成一体成形。
优选地，3D打印内部冷却气流通道内的肋片从叶片最前端开始，打印时所述隔离柱与3D打印Z轴的夹角为0°～45°。
需要说明的是，本发明叶片隔离柱和3D打印Z轴方向即竖直方向的夹角为0°～45°时，都能实现在不影响内部换热通道的同时减少3D打印支柱数量，达到支柱数量最少。
需要说明的是，本发明叶片的空腔内用以形成冷却气流通道的隔离柱的数量、冷却气流通道的大小、肋片的数量、肋片横截面不规则多边形及其组合、复杂的规则多边形及其组合的具体形状、种类及组合均根据叶片整体或局部温度的冷却要求确定的。
需要说明的是，由于叶片中部有蛇形迂回的冷却气流通道，使得冷却气流从所述叶片顶部进气口流入，经迂回冷却气流通道后从所述叶片尾缘的所述间隙流出，由于肋片的多边形的存在，增加了叶片内表面边界对冷却气体的扰动，引起了肋后湍流边界层再附着过程，边界层再附着后重新开始发展，在再附着点边界层达到最薄，从而增大冷却气体换热效果，实现涡轮导向叶片的有效冷却。
需要说明的是，所述进气口设置在导向器叶片顶部位于所述叶片前缘和位于所述叶片中部，冷气由压气机引入，从两个不同位置的进气口进入冷却气流通道，可加大冷气的注入量，增强对叶片整体的有效冷却。
需要说明的是，所述间隙为所述叶片尾缘压力面开有的劈缝，冷却气流经所述冷却气流通道后由所述叶片尾缘的所述间隙流出。
需要说明的是，由于传统熔模铸造有制造蜡模、脱模等工艺限制，内冷通道肋片通常采用简单规则结构，比如：半圆形、三角形等，且设置方位受到限制，而增材制造没有脱模这一工艺限制，肋片结构可采用多种形状，可根据冷却需要，所述肋片可设置相同或不同的结构形状，相对于简单规则的多边形，不规则多边形、复杂的规则多边形更能增强扰动，破坏叶片内表面壁面边界层，从而提高换热效率，降低叶片表面温度，或者保持相同叶片表面温度情况下，降低所需用冷气量。
有益效果：
本发明复杂肋片结构内冷通道的涡轮导向器叶片，通过采用增材制造技术，在含空腔的叶身内沿冷却气流流向设置将腔室分割为多个相连通冷却气流通道的隔离柱，所述冷却气流通道内沿垂直于气流流向设置有若干肋片，所述肋片的横截面为不规则多边形或复杂的规则多边形，使得扰动冷却气流的效果大大增强，换热效率提高，有效降低了叶片的表面温度，提高了叶片乃至整个发动机的使用寿命，同时，大大减低了制造和使用成本。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是本发明涡轮导向器流道主视图；
图2是本发明涡轮导向器流道后视图；
图3是图1的D-D剖视图；
图4是图1的F-F剖视图；
图5是图4的E-E剖视图；
图6是图3的B-B剖视图；
图7是本发明隔离柱与3D打印Z轴的夹角为40°时的打印示意图；
图8是图7的A放大图；
图9-图11是图6的C放大图的不同类型。
其中：1—主流道燃气进气口；2—导向器燃气流道；3—叶片；4—主流道燃气出气口；5—第一进气口；6—第二进气口；7—间隙；8—隔离柱；9—肋片；10—冷却气流通道。
具体实施方式
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“多个”指等于或多于两个；另外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
本发明的实施例，如图1-图11，一种有复杂肋片结构内冷通道的涡轮导向器叶片，包括内含空腔的叶身，所述空腔内沿冷却气流流向设置将腔室分割为多个相连通冷却气流通道10的隔离柱8，所述冷却气流通道10内沿垂直于气流流向设置有若干肋片9，所述肋片9的横截面为扰动冷却气流的不规则多边形或复杂的规则多边形，使得换热效率提高以降低叶片3的表面温度。
导向器燃气流道2位于所述叶片的侧部，高温燃气从主流道燃气进气口1进入，流经所述叶片3的表面，从主流道燃气出气口4流出。
本发明复杂肋片结构内冷通道的涡轮导向器叶片，通过采用增材制造技术，在含空腔的叶身内沿冷却气流流向设置将腔室分割为多个相连通冷却气流通道10的隔离柱8，所述冷却气流通道10内沿垂直于气流流向设置有若干肋片9，所述肋片9的横截面为不规则多边形或复杂的规则多边形，使得扰动冷却气流的效果大大增强，换热效率提高，有效降低了叶片3的表面温度，提高了叶片3乃至整个发动机的使用寿命，同时，大大减低了制造和使用成本。
优选地，所述叶片3的顶部设有冷却气流进气口，所述进气口设有位于所述叶片前缘的第一进气口5和位于所述叶片中部的第二进气口6。所述叶片尾缘压力面开有间隙7，使得所述冷却气流从所述第一进气口5、所述第二进气口6流入，经所述冷却气流通道10及所述肋片9后从所述间隙7流出。
优选地，相邻所述隔离柱8的相对两端分别与所述叶片3的内顶部、内底部相连接，另两端分别与所述内底部、所述内顶部设置间距，形成蛇形迂回的冷却气流通道10，使得冷却气流从所述叶片3顶部所述第一进气口5及所述第二进气口6流入，经迂回冷却气流通道10后从所述叶片3尾缘的所述间隙7流出。
需要说明的是，所述进气口设置在导向器叶片3顶部位于所述叶片前缘和位于所述叶片中部，冷气由压气机引入，从两个不同位置的进气口进入冷却气流通道10，可加大冷气的注入量，增强对叶片3整体的有效冷却。
优选地，所述间隙7设有多个，均布设置在所述冷却气流通道10的一侧。
需要说明的是，所述间隙7为所述叶片尾缘压力面开有的劈缝，冷却气流经所述冷却气流通道10后由所述叶片尾缘的所述间隙7流出。
优选地，所述肋片9由所述叶片3内壁凸起形成，所述肋片9横截面为不规则多边形或复杂的规则多边形。
优选地，根据所述叶片3的冷却需要，所述多边形包括单个不规则多边形，或由不规则多边形组合形成的组合形式的不规则多边形；所述肋片9均由相同的不规则多边形组成，或由不相同的不规则多边形组成。
优选地，根据所述叶片3的冷却需要，所述多边形包括复杂的规则多边形，所述复杂的规则多边形包括由规则多边形组合形成的多边形；所述肋片9均由相同复杂的规则多边形组成，或由不相同的复杂的规则多边形组成。
需要说明的是，本发明复杂的规则多边形包括通过无余量熔模精密铸造方法不能实现的单个规则多边形。
优选地，所述叶片3通过3D打印来实现，使得所述叶片3及内部的所述肋片9、所述隔离柱8及所述叶片尾缘的所述间隙7一体成形。
肋片9打印从叶片3最前端开始，从而不需要添加额外支柱即可完成一体成形。
优选地，3D打印内部冷却气流通道10内的肋片9从叶片3最前端开始，打印时所述隔离柱8与3D打印Z轴即竖直方向的夹角为0°～45°。
需要说明的是，本发明叶片3隔离柱8和3D打印Z轴方向即竖直方向的夹角为0°～45°时，都能实现在不影响内部换热通道的同时减少3D打印支柱数量，达到支柱数量最少。
需要说明的是，本发明叶片3的空腔内用以形成冷却气流通道10的隔离柱8的数量、冷却气流通道10的大小、肋片9的数量、肋片9截面不规则多边形、复杂的规则多边形的具体形状、种类及其组合均根据叶片3整体或局部温度的冷却要求确定的。
需要说明的是，由于叶片3中部有蛇形迂回的冷却气流通道10，使得冷却气流从所述叶片3顶部所述第一进气口5和所述第二进气口6流入，经迂回冷却气流通道10后从所述叶片尾缘的所述间隙7流出，由于肋片9的多边形的存在，增加了叶片3内表面边界对冷却气体的扰动，引起了肋后湍流边界层再附着过程，边界层再附着后重新开始发展，在再附着点边界层达到最薄，从而增大冷却气体换热效果，实现涡轮导向叶片3的有效冷却。
需要说明的是，由于传统熔模铸造有制造蜡模、脱模等工艺限制，冷却气流通道10的肋片9通常采用简单规则结构，比如：半圆形、三角形等，且设置方位受到限制，而增材制造没有脱模这一工艺限制，肋片9结构可采用多种形状，可根据冷却需要，所述肋片9横截面可设置相同或不同的多边形，相对于简单规则的多边形，不规则多边形、复杂的规则多边形更能增强扰动，破坏叶片3内表面壁面边界层，从而提高换热效率，降低叶片3表面温度，或者保持相同叶片3表面温度情况下，降低所需用冷气量。
有益效果：
本发明复杂肋片结构内冷通道的涡轮导向器叶片，通过采用增材制造技术，在含空腔的叶身内沿冷却气流流向设置将腔室分割为多个相连通冷却气流通道的隔离柱，所述冷却气流通道内沿垂直于气流流向设置有若干肋片，所述肋片的横截面为不规则多边形或复杂的规则多边形，使得扰动冷却气流的效果大大增强，换热效率提高，有效降低了叶片的表面温度，提高了叶片乃至整个发动机的使用寿命，同时，大大减低了制造和使用成本。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种有复杂肋片结构内冷通道的涡轮导向器叶片，包括内含空腔的叶身，其特征在于，所述空腔内沿冷却气流流向设置将腔室分割为多个相连通冷却气流通道的隔离柱，所述冷却气流通道内沿垂直于气流流向设置有若干肋片，所述肋片的横截面为扰动冷却气流的多边形，使得换热效率提高以降低叶片表面温度。
2.根据权利要求1所述有复杂肋片结构内冷通道的涡轮导向器叶片，其特征在于，所述叶片的顶部设有冷却气流进气口，所述叶片尾缘压力面开有间隙，使得所述冷却气流从所述进气口流入，经所述冷却气流通道后从所述间隙流出。
3.根据权利要求2所述有复杂肋片结构内冷通道的涡轮导向器叶片，其特征在于，所述进气口设有位于所述叶片前缘的第一进气口和位于所述叶片中部的第二进气口。
4.根据权利要求3所述有复杂肋片结构内冷通道的涡轮导向器叶片，其特征在于，相邻所述隔离柱的相对两端分别与所述叶片的内顶部、内底部相连接，另两端分别与所述内底部、所述内顶部设置间距，形成蛇形迂回的冷却气流通道，使得冷却气流从所述叶片顶部进气口流入，经迂回冷却气流通道后从所述叶片尾缘的所述间隙流出。
5.根据权利要求4所述有复杂肋片结构内冷通道的涡轮导向器叶片，其特征在于，所述间隙设有多个，均布设置在所述冷却气流通道的一侧。
6.根据权利要求5所述有复杂肋片结构内冷通道的涡轮导向器叶片，其特征在于，所述肋片由所述叶片内壁凸起形成，所述肋片横截面为多边形。
7.根据权利要求6所述有复杂肋片结构内冷通道的涡轮导向器叶片，其特征在于，根据所述叶片的冷却需要，所述多边形包括单个不规则多边形，或由不规则多边形组合形成的组合形式的不规则多边形；所述肋片均由相同的不规则多边形组成，或由不相同的不规则多边形组成。
8.根据权利要求6所述有复杂肋片结构内冷通道的涡轮导向器叶片，根据所述叶片的冷却需要，所述多边形包括复杂的规则多边形，所述复杂的规则多边形包括由简单规则多边形组合形成的组合形式的复杂的规则多边形；所述肋片均由相同的复杂规则多边形组成，或由不相同的复杂的规则多边形组成。
9.根据权利要求7或8任一种所述有复杂肋片结构内冷通道的涡轮导向器叶片，其特征在于，所述叶片通过3D打印来实现，使得所述叶片和内部的所述肋片、所述隔离柱及所述叶片尾缘的所述间隙一体成形。
10.根据权利要求9所述有复杂肋片结构内冷通道的涡轮导向器叶片，其特征在于，3D打印内冷通道内的肋片从叶片最前端开始，打印时所述隔离柱与3D打印Z轴的夹角为0°～45°。
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