CN111677557B - 涡轮导向叶片及具有其的涡轮机械 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种涡轮导向叶片及具有其的涡轮机械。该涡轮导向叶片包括下缘板以及与所述下缘板连接的叶身，所述叶身包括：内壁，呈封闭状设置；外壁，套设于所述内壁，并与所述内壁围设成容纳腔；以及具有气流通道的网格结构，以层状填充设置于所述容纳腔中，连接并支撑所述内壁与所述外壁。网状结构替换了目前叶身内壁的实体材料结构，有效的降低涡轮导向叶片的零件质量，易于使涡轮机械实现较高的推重比。并且，网状结构具有气流通道，冷却气流进入叶身后可以在网状结构的气流通道中流动，以降低叶身的内壁与外壁的温度，提高冷却效率，且无需专门设置冷却通道，简化涡轮导向叶片的结构，降低复杂程度。

Description

涡轮导向叶片及具有其的涡轮机械

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，特别是涉及一种涡轮导向叶片及具有其的涡轮机械。

背景技术

目前的燃气涡轮航空发动机为了获得更高的推重比，不断强调在保持热端部件承载能力的同时降低质量，需要对每个零件的质量控制非常严格。对航空发动机涡轮导向叶片而言，由于其长期承受较高的温度，因而需要使用能够耐受较高温度的镍基合金作为制备材料。受到传统的铸造和机械加工方式的限制，涡轮导向叶片内部留有对零件结构强度没有显著增益的多余材料无法去除，同时考虑到镍基合金具有较高的密度，这部分材料的存在显著增加了涡轮导向叶片零件总质量。

而且，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，涡轮进口导向叶片作为直接承受火焰烧蚀与高温冲击的结构，在如此恶劣的工作环境下，要保证叶片长期稳定工作，就必须对涡轮导向叶片进行有效的强制冷却，同时尽可能的降低冷却气流使用量以避免过多的功率损失。目前的制造技术是在涡轮导向叶片内部设计复杂的冷却流道，并在叶片表面开有供冷却气流流出的气膜孔。这种设计在进一步提升了导向叶片制造难度的同时，也为叶片内部的减重设计设置了诸多障碍。

因此，目前的涡轮发动机导向叶片存在冗余质量较多、内部气体冷却结构复杂的问题，影响涡轮发动机的使用性能。

发明内容

基于此，有必要针对目前涡轮导向叶片存在冗余质量较多、内部气体冷却结构复杂的问题，提供一种涡轮导向叶片及具有其的涡轮机械。

上述目的通过下述技术方案实现：

一种涡轮导向叶片，包括下缘板以及与所述下缘板连接的叶身，所述叶身包括：

内壁，呈封闭状设置；

外壁，套设于所述内壁，并与所述内壁围设成容纳腔；以及

具有气流通道的网格结构，以层状填充设置于所述容纳腔中，连接并支撑所述内壁与所述外壁。

在其中一个实施例中，所述网格结构包括多个网格单元，多个所述网格单元拼接连接设置于所述容纳腔。

在其中一个实施例中，所述网格单元包括多个连接柱，多个所述连接柱拼接形成六面体结构，相邻所述连接柱之间存在间距，形成所述气流通道；

所述六面体结构包括正六面体、梯形六面体或平行六面体中的一种或多种。

在其中一个实施例中，各所述连接柱的直径尺寸相同和/或相异；

所述网格单元的外廓尺寸、所述连接柱的尺寸根据所述涡轮导向叶片的形状及载荷变化。

在其中一个实施例中，所述叶身还包括多个分区隔板，各所述分区隔板将所述容纳腔分隔为多个独立的气流区，相邻所述气流区中所述网格单元的形状相同或相异。

在其中一个实施例中，所述下缘板具有多个气体分流道，多个所述气体分流道分别与多个所述气流区连通，用于分配进入各所述气流区的气流量。

在其中一个实施例中，所述叶身包括三个所述分区隔板，并将所述容纳腔分隔为相互独立且顺次设置的第一气流区、第二气流区、第三气流区以及第四气流区。

在其中一个实施例中，所述第一气流区中的所述网格单元呈正六面体设置；

垂直于所述内壁的所述连接柱的直径尺寸范围为所述叶身最大厚度的 1％～10％，平行于所述内壁的所述连接柱的直径尺寸范围为所述叶身最大厚度的 1％～10％。

在其中一个实施例中，所述第二气流区中的所述网格单元呈平行六面体和梯形六面体混合排列设置；

垂直于所述内壁的所述连接柱的直径尺寸范围为所述叶身最大厚度的 1％～10％，平行于所述内壁的所述连接柱的直径尺寸范围为所述叶身最大厚度的 1％～10％。

在其中一个实施例中，所述第三气流区中的所述网格单元呈平行六面体和梯形六面体混合排列设置；

垂直于所述内壁的所述连接柱的直径尺寸范围为所述叶身最大厚度的 1％～10％，平行于所述内壁的所述连接柱的直径尺寸范围为所述叶身最大厚度的 1％～10％。

在其中一个实施例中，所述第四气流区中的所述网格单元呈正六面体设置；

垂直于所述内壁的所述连接柱的直径尺寸范围为所述叶身最大厚度的 1％～10％，平行于所述内壁的所述连接柱的直径尺寸范围为所述叶身最大厚度的 1％～10％。

在其中一个实施例中，所述外壁具有与所述容纳腔连通的气膜孔，所述气膜孔还连通所述气流通道。

在其中一个实施例中，所述网格结构、所述内壁及所述外壁采用金属增材制造技术一体成型。

一种涡轮机械，包括叶片座以及多个如上述技术特征所述的涡轮导向叶片，多个所述涡轮导向叶片沿所述叶片座的周向均匀排布。

采用上述技术方案后，本发明至少具有如下技术效果：

本发明的涡轮导向叶片及具有其的涡轮机械，网格结构以层状设置于叶身的外壁与内壁之间，连接并支撑内壁与外壁，网状结构替换了目前叶身内壁的实体材料结构，有效的解决目前涡轮导向叶片存在冗余质量较多、内部气体冷却结构复杂的问题，有效的降低涡轮导向叶片的零件质量，易于使涡轮机械实现较高的推重比。并且，网状结构具有气流通道，冷却气流进入叶身后可以在网状结构的气流通道中流动，以降低叶身的内壁与外壁的温度，提高冷却效率，且无需专门设置冷却通道，简化涡轮导向叶片的结构，降低复杂程度。

附图说明

图1为本发明一实施例的涡轮导向叶片的立体图；

图2为图1所示的涡轮导向叶片的叶身在C-C处的截面图，且网格结构未示出；

图3为图2所示的叶身在D处的局部放大图；

图4为图3所示的网格结构中网格单元的示意图；

图5为图2所示的叶身中设置分区隔板的示意图；

图6为图5所示的叶身在E处的局部放大图；

图7为图5所示的叶身在F处的局部放大图。

其中：10、涡轮导向叶片；100、下缘板；200、叶身；210、内壁；220、外壁；221、气膜孔；230、网格结构；231、网格单元；2311、连接柱；232、第一气流区；233、第二气流区；234、第三气流区；235、第四气流区；240、叶芯；250、支撑柱；260、分区隔板；300、上缘板。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

参见图1、图2和图6，本发明提供一种涡轮导向叶片10。该涡轮导向叶片 10应用于涡轮机械中，进一步地，该涡轮导向叶片10应用于燃气涡轮机械中。可以理解的，这里的涡轮导向叶片10可以为高压涡轮导叶，也可以为低压涡轮导叶。本发明的涡轮导向叶片10取消了原有内部填充的实体材料，有效的降低涡轮导向叶片10的零件质量，易于使涡轮机械实现较高的推重比。同时还能有效的实现涡轮导向叶片10的冷却，提高冷却效率，且无需专门设置冷却通道，简化涡轮导向叶片10的结构，降低复杂程度。

参见图1至图3，在一实施例中，涡轮导向叶片10包括下缘板100以及与下缘板100连接的叶身200。而且，涡轮导向叶片10还包括上缘板300。上缘板300与下缘板100连接叶身200的两端，并且，下缘板100与上缘板300分别连接至涡轮机械的叶片座，实现涡轮机械的可靠连接。如图1所示，叶身200 的底部为下缘板100，叶身200的顶部为上缘板300。

进一步的，参见图1，叶身200包括内壁210、外壁220以及网格结构230。内壁210呈封闭状设置。外壁220套设于内壁210，并与内壁210围设成容纳腔。网格结构230具有气流通道。网格结构230以层状填充设置于容纳腔中，连接并支撑内壁210与外壁220。如图2所示，该图为叶身200的截面图，内壁210 封闭之后围设成的空腔为叶芯240，叶芯240在实际工作中不与外界的冷却气流接触，降低了冷却气流的使用量。当然，在本发明的其他实施方式中，叶身200 也可不具有内壁210，即外壁220的截面为封闭结构，网格结构230弯曲填充于外壁220中。

叶身200的形状与目前的叶片形状相一致，内壁210呈封闭装结构，其为叶身200的叶芯240。涡轮导向叶片10实际工作时，并无气体进入叶芯240中。外壁220套设于内壁210的外侧。外壁220套设于内壁210的外侧，且外壁220 与内壁210之间存在一定的间距，以使外壁220与内壁210围设成中空的容纳腔。可选地，芯部中设置有杆状的支撑柱250，用于保证所示部位的结构刚度。

参见图1、图2和图3，可以理解的，对于目前的涡轮导向叶片而言，受限于铸造以及机械加工方式，涡轮导向叶片的内壁与外壁之间填充的是实体材料。但是，该实体材料的质量较大，会增加涡轮导向叶片的整体质量，进而增加整个涡轮机械的重量，影响涡轮机械的使用性能。因此，本发明的涡轮导向叶片 10为了减轻其质量，将内壁210与外壁220之间的实体材料替换为网格结构230。

具体的，网格结构230设置于内壁210与外壁220之间的容纳腔中，并且，网格结构230分别与外壁220及内壁210连接，以可靠支撑内壁210与外壁220，提高叶身200的抗冲击能力，进而保证涡轮导向叶片10工作的可靠性。并且，网格结构230呈网状设置，网格结构230为中空的结构，其大大减少了内壁210 与外壁220之间实体材料的用量，进而减轻叶身200的质量。

将外壁220与内壁210填充实体材料相比较，本发明的叶身200填充网格结构230后，可以实现降低重量达到70％以上，大大减轻了叶身200的重量，使得涡轮导向叶片10在满足承载能力的同时，大大减轻涡轮导向叶片10的重量，保证涡轮导向叶片10的使用性能。在一实施例中，网格结构230以层状一层一层的设置。

网格结构230具有供冷却气流流通的气流通道。可以理解的，下缘板100 具有气流入口，该气流入口与容纳腔连通，用于向容纳腔中输送冷却气流。外界的冷却气流经过下缘板100的气流入口进入容纳腔中，并在网格结构230的气流通道中流动。冷却气流流动过程中会与内壁210及外壁220接触，以冷却内壁210与外壁220的温度，达到降低叶身200温度的目的，提高涡轮导向叶片10的冷却效率。并且，由于内壁210与外壁220之间填充了网格结构230，叶身200无需在容纳腔中设置冷却流道，降低叶身200结构的复杂程度。

上述实施例的涡轮导向叶片10，采用网格结构230以层状填充于叶身200 的内壁210与外壁220之间，连接并支撑内壁210与外壁220，网状结构替换了目前叶身200内壁210的实体材料结构，有效的解决目前涡轮导向叶片存在冗余质量较多、内部气体冷却结构复杂的问题，有效的降低涡轮导向叶片10的零件质量，易于使涡轮机械实现较高的推重比。并且，网状结构具有气流通道，气流进入叶身200后可以在网状结构的气流通道中流动，以降低叶身200的内壁210与外壁220的温度，提高冷却效率，且无需专门设置冷却通道，简化涡轮导向叶片10的结构，降低复杂程度。

在一实施例中，网格结构230、内壁210及外壁220采用金属增材制造技术一体成型。通过金属增材制造技术打印成型的方式易于实现在内壁210与外壁 220之间形成网格结构230，并保证网格结构230可靠连接内壁210与外壁220。在一实施例中，下缘板100、叶身200以及上缘板300也采用金属增材制造技术一体成型。

参见图2、图5和图6，在一实施例中，外壁220具有与容纳腔连通的气膜孔221，气膜孔221还连通气流通道。外界的冷却气流流经过下缘板100的气流入口进入容纳腔中，并在网格结构230的气流通道中流动，与叶身200的外壁 220进行热交换，降低叶身200的温度。部分冷却气流经外壁220的气膜孔221 流出叶身200，并在叶身200表面形成气膜。在一实施例中，气膜孔221与叶身200也采用金属增材制造技术一体成型。这样可以降低涡轮导向叶片10的加工制造难度。图6中示意了分布在外壁220上的气膜孔221的特征，气膜孔221 贯穿外壁220，与中间层网格结构230形成的气流通道相连。冷却气流在网格结构230中流通过程中通过气膜孔221向外喷出冷却气流，形成气膜冷却。

参见图1至图4，在一实施例中，网格结构230包括多个网格单元231，多个网格单元231拼接连接设置于容纳腔。网格结构230包括多个结构相同和/或结构相异的网格单元231，各网格单元231拼接连接设置于容纳腔中。网格结构 230通过上述特定的网格单元231排列形成，网格单元231呈多孔结构。多个网格单元231拼接连接时，各网格单元231的多孔结构连通，形成供冷却气流流动的气流通道。

在一实施例中，网格结构230填充于容纳腔中的密度根据内壁210与外壁 220的形状设置。也就是说，网格结构230在叶身200的容纳腔中所占比例、位置可以根据叶身200的工作条件进行设计。可以理解的，叶身200不同位置处所承受的气流冲击力不同。叶身200气流冲击力较大的位置处，网格结构230 的填充密度密度大，这样，网格结构230可以提供较大的支撑力，以保证该处叶身200的可靠性。叶身200气流冲击力较小的位置处，网格结构230设置的密度较小，这样可以增加气流通道的体积，在保证冷却效率的同时，降低叶身200的重量。

如图2所示，该图为涡轮导向叶片10的截面图。图2中叶身200在A处受到的气流冲击力较大，在B处受到的气流冲击力较小，因此，网格结构230在 A处的密度大，在B处的密度小。可选地，叶身200还包括支撑梁，支撑梁设置于容纳腔中，并位于气流冲击较大的位置。

在一实施例中，网格单元231包括多个连接柱2311，多个连接柱2311拼接形成六面体结构，相邻连接柱2311之间存在间距，形成气流通道。相对的两个连接柱2311之间存在孔洞，各个相对的连接柱2311之间的孔洞连通。并且，多个网格单元231的孔洞连通形成网格结构230的气流通道。

而且，冷却气流在网格结构230中流动时，冷却气流会与连接柱2311接触，连接柱2311可以起到扰流作用，破坏附面层影响，从而进一步强化换热，使得叶身200内部的网格结构230可部分或全部代替原有涡轮导向叶片中冷却流道和扰流柱的作用，增大冷却气流与叶身200外壁220的接触面积，提高涡轮导向叶片10的冷却效果。参见图3和图4，在一实施例中，六面体结构包括正六面体、梯形六面体或平行六面体中的一种或多种。网格单元231的示意图如图4 所示，其中，图4(a)为正六面体，图4(b)为梯形六面体，图4(c)为平行六面体。

在一实施例中，网格单元231的外轮廓的棱边尺寸为叶身最大厚度的 10％～20％。需要说明的是，外轮廓的棱边尺寸是指六面体结构的棱长。在一实施例中，各连接柱2311的直径尺寸相同和/或相异。这样可以保证叶身200在不同位置处的刚度特性。也就是说，同一网格单元231中，各连接柱2311的直径尺寸可以相同，可以不同，也可以部分相同，部分相异。而且，在同一网格结构230中，各网格单元231的各连接柱2311的直径尺寸可以相同，可以不同，也可以部分相同，部分相异。可以理解的，叶身200的最大厚度如图2所示的虚线处，叶身200的最大厚度指虚线处叶身200的相对外壁220之间的距离。

在一实施例中，连接柱2311的截面形状可以为圆形、多边形、椭圆形或直曲拼接的形状等等。原则上，连接柱2311只要能够可靠支撑内壁210与外壁220，保证内壁210与外壁220的刚度即可。当连接柱2311的截面形状为非圆形时，连接柱2311的直径则是指连接柱2311的外接圆直径。

示例性地，网格结构230由多个呈六面体的网格单元231排列而成，并呈现多孔道特征，夹在叶身200的外壁220与内壁210之间呈现层状。而且，网格单元231中，连接柱2311的截面形状为圆形。叶身200从外至内分别为：外壁220的实体材料层、网格结构230、内壁210的实体材料层以及叶芯240的中空层。叶身200的外壁220的实体材料层的厚度为叶身最大厚度的1％～30％，内壁210的实体材料层的厚度为叶身最大厚度的1％～30％。

在一实施例中，网格单元231的外廓尺寸、连接柱2311的尺寸根据涡轮导向叶片10的形状及载荷变化。也就是说，网格单元231以各向异性填充于容纳腔中。即基于六面体结构单元，针对涡轮导向叶片10不同部分的形状尺寸、承受载荷类型的不同以及变截面直径设计，采用不同网格单元231的轮廓的棱边尺寸、连接柱2311直径，从而优化网格结构230的刚度，进而提高叶身200 的刚度，保证叶身200工作的可靠性。

在一实施例中，在低载荷部位/方向，减小连接柱2311直径，增加网格单元 231的轮廓的棱边的尺寸，从而减轻网格结构230的重量。在高载荷部位/方向增加连接柱2311直径，减少网格单元231轮廓的棱边的尺寸，从而提升网格结构230的刚度，增强承载性能。示例性地，如图2所示，叶身200在A处的气流冲击力大，连接柱2311的直径以及网格单元231的轮廓的棱边的尺寸适当增加，以提高网格结构230的刚度，保证抗冲击能力。叶身200在B处的气流冲击力小，连接柱2311的直径适当减小，网格单元231的轮廓的棱边的尺寸适当增加，以减轻网格结构230的重量。

通过对网格结构230在尺寸与结构设计上进行拓扑优化，从而在实现减重的同时，优化叶身200的质量与刚度分布特性，进而减小涡轮导向叶片10在高温时产生的热应力与热变形，提高整体应力均匀性，改善涡轮导向叶片10与外机匣的热匹配特性。

参见图1和图5，在一实施例中，叶身200还包括多个分区隔板260，各分区隔板260将容纳腔分隔为多个独立的气流区，相邻气流区中网格单元231的形状相同或相异。分区隔板260将容纳腔分隔为独立的气流区后，各气流区中的冷却气流在对应的气流区中流动，不会发生混流。通过在网格结构230中增加分区隔板260的形式，对网格结构230所形成的层状空间进行分区，实现不同部位冷却气流流量的分区控制。

也就是说，叶身200不同位置处的冷却气流的流量不同，叶身200不同位置处所具有的温度通入相应的气流量，降低冷却气流的使用量，提高冷却气流利用率。这样，冷却气流只对对应区域中的外壁220进行冷却，可以根据对应气流区处的温度通入与之相适配的冷却气流，在保证冷却效果的同时，减少冷却气流的使用量。

在一实施例中，分区隔板260与网格结构230通过金属增材制造技术成型方式加工，易于成型，降低结构制作复杂程度。在一实施例中，在叶身200高温的一侧增加冷却气流的流量通入，在低温的一侧减少冷却气流的流量通入，对实现叶身200不同区域的冷却气流的流量和冷却效果的控制。

在一实施例中，下缘板100具有多个气体分流道，多个气体分流道分别与多个气流区连通，用于分配进入各气流区的气流量。气流入口与多个气体分流道连通，将外界的冷却分别输入至各气体分流道中，进而输送至对应的气流区中。可选地，各气体分流道的孔径相异，以实现对不同气流区冷却气流流量的控制。通过上述设计方式可以使得涡轮导向叶片10中冷却气流的使用量降低 50％以上。

可选地，分区隔板260的数量可以为一个、两个、三个甚至更多。示例性地，叶身200包括三个分区隔板260，并将容纳腔分隔为相互独立且顺次设置的第一气流区232、第二气流区233、第三气流区234以及第四气流区235。四个分区隔板260将整个叶身200的容纳腔之间的网格结构230分为四个相互独立的气流区。从下缘板100通入的冷却气流在气体分流道的引导下分别进入上述四个分区，通过设置不同大小的气体分流道尺寸来控制进入上述区域的气体流量大小。

参见图5和图6，在一实施例中，第一气流区232中的网格单元231呈正六面体设置。垂直于内壁210的连接柱2311的直径尺寸范围为叶身最大厚度的 1％～10％，平行于内壁210的连接柱2311的直径尺寸范围为叶身最大厚度的 1％～10％。第一气流区232的外壁220的表面处于叶盆位置，直接面临气流冲击，在热载荷的基础上需要承受额外的气动载荷。因而，此处的网格结构230采用正六面体的网格单元231填充。

在一具体实施例中，垂直于内壁210与外壁220的连接柱2311的直径设置尺寸范围为1mm～2mm，用于增加结构刚度，网格单元231的轮廓的棱边尺寸为 2mm～4mm；平行于内壁210与外壁220的连接柱2311由于不直接承受载荷，直径设置尺寸范围为0.1mm～0.9mm，以保证基本支撑即可。示例性地，垂直于内壁210的连接柱2311的直径设置为1.5mm，网格单元231的轮廓的棱边尺寸 3mm；平行于内壁210的连接柱2311的直径尺寸设置为0.5mm。

参见图5和图7，在一实施例中，第二气流区233中的网格单元231呈平行六面体和梯形六面体混合排列设置。垂直于内壁210的连接柱2311的直径尺寸范围为叶身最大厚度的1％～10％，平行于内壁210的连接柱2311的直径尺寸范围为叶身最大厚度的1％～10％。第二气流区233的叶身200的内壁210与外壁 220呈弧形，由于该位置仍直接承受气流冲击，载荷水平较高，因而此处的网格结构230采用平行六面体网格单元231与梯形六面体网格单元231混合排列的填充方式。

在一具体实施例中，连接内壁210与外壁220的连接柱2311的直径设置尺寸范围为1mm～2mm，网格单元231的轮廓的棱边尺寸为2mm～4mm，平行于内壁210与外壁220的连接柱2311的直径设置尺寸范围为0.1mm～0.9mm。示例性地，垂直于内壁210的连接柱2311的直径尺寸设置为1.5mm，网格单元231的轮廓的棱边尺寸为3mm，平行于内壁210的连接柱2311的直径尺寸设置为 0.5mm。

在一实施例中，第三气流区234中的网格单元231呈平行六面体和梯形六面体混合排列设置。垂直于内壁210的连接柱2311的直径尺寸范围为叶身最大厚度的1％～10％，平行于内壁210的连接柱2311的直径尺寸范围为叶身最大厚度的1％～10％。可以理解的，该区域中网格单元231的示意图与图7所示的叶身200在F处的局部放大图相一致，在此不重复增加示意图。第三气流区234 的叶身200的内壁210与外壁220的外形呈圆弧形，因而也采用平行六面体网格单元231与梯形六面体网格单元231混合排列的填充方式。由于第三气流区234处于叶背部位，不直接承受气流冲击，承受载荷较小，因而可以选取较小的连接柱2311直径以减轻零件质量。

在一具体实施例中，连接内壁210与外壁220的连接柱2311直径以及平行内壁210的连接柱2311直径设置尺寸范围为0.1mm～0.9mm。示例性地，连接内壁210与外壁220的连接柱2311直径以及平行内壁210的连接柱2311直径均设置为0.5mm。

参见图3和6所示，在一实施例中，第四气流区235中的网格单元231呈正六面体设置。垂直于内壁210的连接柱2311的直径尺寸范围为叶身最大厚度的1％～10％，平行于内壁210的连接柱2311的直径尺寸范围为叶身最大厚度的 1％～10％。可以理解的，该区域中网格单元231的示意图与图3所示的叶身200 在D处的局部放大图相一致，在此不重复增加示意图。第四气流区235处于叶背部位，不直接承受热流冲击，载荷水平较低，而且，叶身200的内壁210与外壁220弧度低，选取正六面体网格单元231填充该区域。由于该处承受载荷较小，因而可以选取较小的连接柱2311直径以减轻零件质量。

在一具体实施例中，连接内壁210与外壁220的连接柱2311直径以及平行内壁210的连接柱2311直径设置尺寸范围为0.1mm～0.9mm。示例性地，连接内壁210与外壁220的连接柱2311直径以及平行内壁210的连接柱2311直径均设置为0.5mm。

本发明的涡轮导向叶片10的冷却过程为：冷却气流从下缘板100处通入，仅在叶身200的外壁220与内壁210之间的网格结构230中进行流通，叶身200 的芯部形成密闭空间并将不再有冷却气流通入，使得冷却气流的流通区域减少，降低了冷却气流的使用量。依据冷却气流在不同位置的流量合理地设置网格结构230单元的外轮廓尺寸与连接柱2311直径，可增加对冷却气流的扰流，破坏附面层影响，从而进一步强化换热，使得叶身200内部的网格结构230可部分或全部代替原有涡轮导向叶片10中冷却流道和扰流柱的作用，增大冷却气流与叶身200片内部的接触面积，提高了涡轮导向叶片10的冷却效果。

值得说明的是，本发明的涡轮导向叶片10采用目前涡轮导向叶片的叶型基础上，取消其内壁原有的实体材料以及复杂的冷却气流腔室，替换为上述的网格结构230。通过调整叶身200的质量分布，改变涡轮导向叶片10的静力学(如热应力分布、热变形等)和动力学特性(如振形、自振频率等)，优化涡轮导向叶片10设计，并借助金属增材制造技术，降低叶片结构复杂度的同时减轻部件质量，还可以通过设计优化涡轮导向叶片10的质量与刚度分布，提高冷却效率，实现涡轮导向叶片10(结构)减重增效的目的。

本发明还提供一种涡轮机械，包括叶片座以及多个上述实施例中的涡轮导向叶片10，多个涡轮导向叶片10沿叶片座的周向均匀排布。可以理解的，涡轮机械包括但不限于燃气轮机、航空发动机，还可为其他需要使用涡轮导向叶片 10的结构。值得说明的是，本发明中的涡轮机械除涡轮导向叶片10外均为现有技术，在此不一一赘述。本发明的涡轮机械采用上述的涡轮导向叶片10后，可以降低涡轮机械的重量，提高涡轮机械的推重比，同时，优化内部结构，易于实现涡轮导向叶片10的冷却，提高冷却效率，降低结构的复杂程度，易于成型制造。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书的记载范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种涡轮导向叶片，其特征在于，包括下缘板以及与所述下缘板连接的叶身，所述叶身包括：

内壁，呈封闭状设置；

外壁，套设于所述内壁，并与所述内壁围设成容纳腔；

具有气流通道的网格结构，以层状填充设置于所述容纳腔中，连接并支撑所述内壁与所述外壁；所述网格结构包括多个网格单元，多个所述网格单元拼接连接设置于所述容纳腔，所述网格结构填充于所述容纳腔的密度根据所述内壁与所述外壁的形状设置；以及

多个分区隔板，各所述分区隔板将所述容纳腔分隔为多个独立的气流区，用于对所述网格结构所形成的层状空间进行分区，控制不同部位冷却气流流量，而且，所述下缘板具有多个气体分流道，多个所述气体分流道分别与多个所述气流区连通，用于分别进入各所述气流区的气流量；

所述叶身包括三个所述分区隔板，并将所述容纳腔分隔为相互独立且顺次设置的第一气流区、第二气流区、第三气流区以及第四气流区，所述第一气流区中的所述网格单元呈正六面体设置；所述第二气流区中的所述网格单元呈平行六面体和梯形六面体混合排列设置；所述第三气流区中的所述网格单元呈平行六面体和梯形六面体混合排列设置；所述第四气流区中的所述网格单元呈正六面体设置。

2.根据权利要求1所述的涡轮导向叶片，其特征在于，所述网格单元包括多个连接柱，多个所述连接柱拼接形成六面体结构，相邻所述连接柱之间存在间距，形成所述气流通道；

所述六面体结构包括正六面体、梯形六面体或平行六面体中的一种或多种。

3.根据权利要求2所述的涡轮导向叶片，其特征在于，各所述连接柱的直径尺寸相同和/或相异；

所述网格单元的外廓尺寸、所述连接柱的尺寸根据所述涡轮导向叶片的形状及载荷变化。

4.根据权利要求3所述的涡轮导向叶片，其特征在于，相邻所述气流区中所述网格单元的形状相同或相异。

5.根据权利要求2所述的涡轮导向叶片，其特征在于，垂直于所述内壁的所述连接柱的直径尺寸范围为所述叶身最大厚度的1％～10％，平行于所述内壁的所述连接柱的直径尺寸范围为所述叶身最大厚度的1％～10％。

6.根据权利要求1至5任一项所述的涡轮导向叶片，其特征在于，所述外壁具有与所述容纳腔连通的气膜孔，所述气膜孔还连通所述气流通道。

7.根据权利要求1至5任一项所述的涡轮导向叶片，其特征在于，所述网格结构、所述内壁及所述外壁采用金属增材制造技术一体成型。

8.一种涡轮机械，其特征在于，包括叶片座以及多个如权利要求1至7任一项所述的涡轮导向叶片，多个所述涡轮导向叶片沿所述叶片座的周向均匀排布。

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