CN111886087A

CN111886087A - 包括通过增材制造生产的内部冷却壁的涡轮定子叶片

Info

Publication number: CN111886087A
Application number: CN201980019318.5A
Authority: CN
Inventors: 巴普蒂斯特·哈路英; 简-路克·布雷宁; 达米恩·拉伯尼
Original assignee: Safran Helicopter Engines SAS
Current assignee: Safran Helicopter Engines SAS
Priority date: 2018-03-29
Filing date: 2019-03-26
Publication date: 2020-11-03
Also published as: EP3746235A1; FR3079551A1; FR3079551B1; PL3746235T3; EP3746235B1; WO2019186046A1; US11492911B2; US20210003015A1

Abstract

本发明主要涉及一种燃气涡轮发动机的涡轮的定子叶片(1)，该定子叶片包括外部平台(5)和内部平台，形成外部表皮的外壁(7)在外部平台与内部平台之间延伸，其特征在于，该定子叶片包括内壁(8)，该内壁形成面向外壁(7)的内部表皮，以便在外壁(7)与内壁(8)之间限定表皮间空腔(10)，内壁(8)包括对外壁(7)进行冲击冷却的多个冷却孔(3)，外壁(7)和内壁(8)通过增材制造进行生产。

Description

包括通过增材制造生产的内部冷却壁的涡轮定子叶片

技术领域

本发明涉及涡轮机的一般领域，更具体地涉及燃气涡轮发动机的涡轮、特别是高压涡轮的分配器叶片的领域。

本发明适用于所有类型的陆地和航空涡轮机，特别是适用于诸如涡轮喷气发动机和涡轮螺旋桨发动机的飞行器涡轮机。

因此，本发明涉及一种燃气涡轮发动机的涡轮分配器叶片，该涡轮分配器叶片包括通过增材制造生产的内部冷却壁，涉及一种包括多个这种叶片的涡轮、一种包括这种涡轮的涡轮机以及一种用于制造这种分配器叶片的方法。

背景技术

燃气涡轮发动机的高压涡轮通常包括围绕涡轮的转子周向地间隔开的一排或多排涡轮叶片。该高压涡轮还包括分配器组件，该分配器组件允许以适当的角度和速度将来自燃烧室的气流引导到涡轮叶片，以便使涡轮叶片和转子旋转。

分配器组件通常包括多个导向叶片，该多个导向叶片在下部环形平台与上部环形平台之间径向地延伸并且彼此周向地间隔开。这些分配器叶片与来自燃烧室的热气体直接接触。这些分配器叶片经受非常高的温度，因此需要进行冷却。

为了能够有效地冷却分配器叶片，期望的是具有一种热有效的冷却设备，以允许通过使用适度的空气流率来消散高的热功率。

另外，期望的是具有这种密封的冷却设备。密封性能够确保流动的空气仅专用于对叶片进行冷却：设备的密封性越高，其整体效率就越高，该整体效率是设备的密封性和热效率的递增函数。

此外，期望的是具有一种紧凑的冷却设备。实际上，冷却设备的集成必须使其对发动机的空间需求的影响最小化。

还期望的是具有一种经济上有利的冷却设备。生产该冷却设备的成本必须尽可能地低。

现有技术已经教导了用于对涡轮分配器叶片进行冷却的解决方案，现有技术诸如，例如法国专利申请FR 2 893 080 A1和FR 3 039 199 A1。

因此，现今使用最广泛的解决方案之一是使用多钻孔板插入件以通过冷却空气冲击来对叶片进行冷却。

图1以截面非常示意性地示出了通过插入件2对分配器叶片1’进行冷却的示例，该插入件是具有冲击冷却孔3的多钻孔插入件。

在该图1中，箭头AF表示冷却空气流的流动，该冷却空气流供应插入件2，然后通过钻孔3以通过对叶片1’的壁进行冲击来进行冷却。箭头PF表示剩余的冷却流的排除。

因此，插入件2构成供应有冷却空气的空腔。于是，在压力梯度的作用下，该空气通过孔3被输送到插入件2的外部，从而形成喷射到叶片1’的壁上的一组射流。

这种类型的空气冲击冷却特别有效。然而，使用形成附加部件的插入件具有多个缺点。

首先，插入件与分配器边缘之间的连接不一定是紧密的。因此，图2示出了由于附加插入件2的存在而产生的泄漏现象(由箭头FU示出)。

插入件2通常被焊接到分配器边缘4。焊接可以是连续焊接或点焊。在后一种情况下，插入件2与分配器之间的连接是可渗透的，于是在该界面处引起泄漏，这降低了冷却的效率。

此外，安装插入件可能需要繁琐的结构。

此外，插入件解决方案是昂贵的。插入件与分配器边缘之间的连接通常通过焊接或调整接触的形状来进行。焊接是昂贵的操作，尤其是如果焊接是连续的并且取决于基材，则可能包括微裂纹。调整接触的形状也是昂贵的。另外，插入件必须被穿孔，这使得这些插入件的实施复杂化。

另外，不一定对插入件与分配器叶片之间的距离进行高度控制。图3示出了分配器叶片1’与插入件2之间的冲击距离d。该距离d通常为约1mm，并且影响冷却效率。对该距离d的控制可能由于由焊接所引起的变形或一些几何偏差(诸如过高的插入件周长)而降低。

发明内容

因此，本发明的目的在于至少部分地解决上述需求以及与现有技术的实施例有关的缺点。

因此，根据本发明的一方面，本发明的目的在于一种燃气涡轮发动机的涡轮、特别是高压涡轮的分配器叶片，该分配器叶片包括外部平台和内部平台，外壁在外部平台与内部平台之间延伸，该外壁形成外部表皮，其特征在于，该分配器叶片包括内壁，该内壁形成面向外壁的内部表皮，以便在外壁与内壁之间限定表皮间空腔，内壁包括用于通过冲击对外壁进行冷却的多个冷却孔，外壁和内壁通过增材制造进行生产。

根据本发明的分配器叶片可以进一步包括一个或多个下述特征，所述特征独立地采用或者以任何可行的技术组合来采用。

分配器叶片可以包括钩，特别是在外部平台处包括钩，从而允许将叶片连接到涡轮环，并且内壁可以径向地叠置在钩上，特别是径向地叠置在钩的前端部上。有利地，因此可以减少叶片的轴向空间需求。

优选地，根据本发明的分配器叶片可以通过增材制造制成一体件。

可以通过增材制造来生产用于对内壁进行冷却的孔。

外壁和内壁可以优选地由相同的材料制成，并且在外壁与内壁之间可以存在材料的连续性。

外壁与内壁之间的接合部可以在外部平台处径向地形成。

此外，根据本发明的另一方面，本发明的另一目的在于一种用于燃气涡轮发动机的涡轮、特别是高压涡轮，其特征在于，该涡轮包括多个如上文所限定的分配器叶片。

另外，根据本发明的另一方面，本发明的目的还在于一种涡轮机，其特征在于，该涡轮机包括如上文所限定的涡轮。

另外，根据本发明的另一方面，本发明的目的在于一种用于制造如上文所限定的分配器叶片的方法，其特征在于，叶片的外壁和内壁通过增材制造方法进行生产，特别是通过在金属粉末床上进行激光熔融而进行生产。

根据本发明的分配器叶片、涡轮、涡轮机以及制造方法可以包括本说明书中所描述的任何特征，这些特征独立地采用或者与其他特征以任何技术上可行的组合来采用。

附图说明

通过阅读下面的本发明的非限制性实施例的示例的详细描述以及通过检查附图的示意图和局部图，将更好地理解本发明，在附图中：

-图1以截面非常示意性地示出了通过具有冲击冷却孔的多钻孔插入件对分配器叶片进行冷却的示例，

-图2示出了由于在图1的叶片上添加的插入件的存在而引起的泄漏现象，

-图3示出了分配器叶片与图1的叶片上的插入件之间的冲击距离，

-图4以透视截面图部分地示出了根据本发明的分配器叶片的示例，

-图5以截面非常示意性地示出了图4的叶片的运作，以及

-图6A至图6C以局部截面示意性地示出了根据现有技术的分配器叶片(图6A)、根据本发明的分配器叶片(图6B)的情况，以及这两种分配器叶片在空间需求方面的比较(图6C)。

在所有这些附图中，相同的附图标记可表示相同或相似的元件。

另外，附图中示出的不同部分不一定按相同比例绘制，以便使附图更加易读。

具体实施方式

上文已经在与现有技术和本发明的技术背景有关的部分中描述了图1至图3。

图4以透视图和截面部分地示出了根据本发明的分配器叶片1的示例，并且图5以截面非常示意性地示出了图4的叶片的运作。

为了能够克服上述现有技术的解决方案的缺点，基本上基于使用插入件，本发明有利地使用增材制造方法，例如在金属粉末床上进行激光熔融，以便将冷却表皮与叶片1集成在一起。因此，分配器叶片1成为集成的双表皮叶片，从而确保通过空气射流冲击进行冷却。

因此，参照图4，分配器叶片1包括在图6B中可见的外部平台5和内部平台6，形成外部表皮的外壁7在外部平台与内部平台之间延伸。

有利地，叶片1设置有内壁8，该内壁形成通过增材制造集成的内部冷却表皮。按照这种方式，在内部表皮与分配器边缘之间存在材料的连续性，而不必借助于焊接。

该内部表皮8允许对与空气动力学流动路径的热气体接触的外部表皮7进行冷却。为此，内部表皮8包括冷却孔3，该冷却孔通过使冷却空气冲击在外部表皮7上而喷射冷却空气。

这些冷却孔3直接通过增材制造来获得。这些冷却孔允许空气射流朝向待冷却的区域定向。

外部表皮7和内部表皮8在其之间限定表皮间空腔10，其中，来自冷却孔3的冷却空气在通过冲击对外部表皮7进行冷却之前进行循环。

有利地，整个叶片通过增材制造来获得。外部表皮7与内部表皮8之间的接合部J径向地定位在外部平台5附近。

还应当注意，在图4中，附图标记9表示分配器的前部钩，该前部钩允许将部件连接到涡轮环。

所提出的解决方案的优点主要来自通过增材制造将冷却表皮与叶片集成在一起。因此，内部表皮与分配器的边缘之间的连接是不可渗透的，这使得所提出的冷却设备是密封的。

另外，没有必要提供能够或有助于安装内部冷却表皮的结构。因此，能够设计非常紧凑的分配器。举例来说，图6A至图6C以局部截面示意性地示出了根据现有技术的分配器叶片(图6A)、根据本发明的分配器叶片(图6B)的情况，以及这两种分配器叶片在空间需求方面的比较(图6C)。

图6A示出了具有插入件2的叶片1’的常规实施例。在图6B中，叶片1包括根据本发明的双表皮7、8。在将根据现有技术的叶片1’与根据本发明的叶片1进行比较的图6C中，可以看到，内部表皮8被集成在分配器的前部钩9的下方。特别地，内部表皮8径向地叠置在前部钩9的端部上。这允许通过尺寸G的增益来减少轴向空间需求，因此减少发动机的质量，从而增加该发动机的效率。

另外，本发明所提出的解决方案是经济的，因为省去了对插入件进行焊接和钻孔的昂贵操作。

此外，能够对叶片1的内部冷却表皮8与外部表皮7之间的距离进行高度控制，换句话说，能够对表皮间空腔10的轴向尺寸进行高度控制。因此，冷却效率是最佳的。

当然，本发明不限于刚刚描述的示例性实施例。本领域技术人员可以对本发明的进行各种修改。

Claims

1.一种燃气涡轮发动机的涡轮分配器叶片(1)，所述涡轮分配器叶片包括外部平台(5)和内部平台(6)，外壁(7)在所述外部平台与所述内部平台之间延伸，所述外壁形成外部表皮，其特征在于，所述涡轮分配器叶片包括内壁(8)，所述内壁形成面向所述外壁(7)的内部表皮，以便在所述外壁(7)与所述内壁(8)之间限定表皮间空腔(10)，所述内壁(8)包括用于通过冲击对所述外壁(7)进行冷却的多个冷却孔(3)，所述外壁(7)和所述内壁(8)通过增材制造进行生产。

2.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述叶片包括钩(9)，特别是在所述外部平台(5)处包括所述钩，从而允许将所述叶片(1)连接到涡轮环，并且，所述内壁(8)径向地叠置在所述钩(9)上，特别是径向地叠置在所述钩(9)的前端部上。

3.根据权利要求1或2所述的叶片，其特征在于，所述叶片通过增材制造制成一体件。

4.根据前述权利要求中的一项所述的叶片，其特征在于，通过增材制造生产用于对所述内壁(8)进行冷却的所述孔(3)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的叶片，其特征在于，所述外壁(7)和所述内壁(8)由相同的材料制成，并且，在所述外壁与所述内壁之间存在材料的连续性。

6.根据前述权利要求中任一项所述的叶片，其特征在于，所述外壁(7)与所述内壁(8)之间的接合部(J)径向地形成在所述外部平台(5)处。

7.一种燃气涡轮发动机的涡轮，其特征在于，所述涡轮包括多个根据前述权利要求中任一项所述的分配器叶片(1)。

8.一种涡轮机，其特征在于，所述涡轮机包括根据权利要求7所述的涡轮。

9.一种用于制造根据权利要求1至6中任一项所述的分配器叶片(1)的方法，其特征在于，所述叶片(1)的外壁(7)和内壁(8)通过增材制造方法进行生产，特别是通过在金属粉末床上进行激光熔融而进行生产。