CN112523812A - 一种有支撑结构的涡轮导向器叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种有支撑结构的涡轮导向器叶片，包括内含空腔的外层与内层构成的叶身，所述内层与所述外层之间的空腔内设有多个支撑肋，在叶片前缘处设有支撑板，所述内层沿纵向设有多个冷气冲击孔，所述冷气冲击孔分别与所述支撑板设有的扩道相对应，所述扩道与所述冷气冲击孔、叶片尾缘劈缝相连通，使得冷却气流由叶片顶部进气口流入后分别经所述冷气冲击孔及叶片下端的冷气出口流出，不仅增大换热面积，加速冷却气流的速度，增强了气流扰动，大大加强了换热作用，而且，支撑板使叶片强度大大增强，满足涡轮叶片所起的支撑作用，符合涡轮发动机不断更新发展的需要。

Description

一种有支撑结构的涡轮导向器叶片

技术领域

本发明涉及航空发动机技术领域，特别涉及一种有支撑结构的涡轮导向器叶片。

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，对于起支撑作用的导向器叶片，叶片结构通常有两层：内衬和外部叶形叶片；内衬前缘开有冲击孔，气流经过前缘开孔冲击冷却外层叶片，外层叶片前缘内侧设有突出的肋，但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需要十几道工序，制作流程繁琐复杂，内衬和外侧叶形通常分别铸造，再用焊接方式固定，无法保证内衬和外侧叶形两侧间距一致，且肋片、冲击孔扰流柱的结构简单，如图11、图12，不能满足大推力、高效率的涡轮发动机的冷却需求及起支撑作用的高强度需求，即不能满足日益发展的大推力、高效率的涡轮发动机的发展需要。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种有支撑结构的涡轮导向器叶片，通过增材制造技术，从叶片最前端开始按设定角度打印支撑肋，在叶片前缘处的外层与内层空腔中纵向设有支撑板，在支撑板上相对纵向设有的多个冷气冲击孔对应设有纵截面呈喇叭状的扩道，扩道与叶片尾缘劈缝相连通，使冷却气流从冷气冲击孔进入扩道后迅速膨胀、扩散，流入到外层与内层空腔中，冲击叶片的外层、支撑肋及整个通道到叶片尾缘劈缝流出，不仅增大换热面积，加速冷却气流的速度，增强了气流扰动，大大加强了换热作用，而且，支撑板使叶片强度大大增强，满足涡轮叶片所起的支撑作用，符合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：

一种有支撑结构的涡轮导向器叶片，包括内含空腔的外层与内层构成的叶身，所述内层与所述外层之间的空腔内设有多个支撑肋，所述支撑肋与3D打印方向呈锐角；在叶片前缘处的外层与内层间设有支撑板，与所述支撑板对应的叶片前缘的所述内层沿纵向设有多个冷气冲击孔，所述冷气冲击孔分别与所述支撑板设有的扩道相对应，所述扩道与所述冷气冲击孔、叶片尾缘劈缝相连通，使得冷却气流由叶片顶部进气口流入后分别经所述冷气冲击孔及叶片下端的冷气出口流出。

优选地，在叶片前缘的纵向截面内，所述扩道呈喇叭状，所述冷气冲击孔与所述扩道的中心线相重合。

优选地，所述外层的厚度X、所述扩道长度L及所述冷气冲击孔的长度H应满足：

Xmin≤L≤Xmax,且H≤L≤2H。

优选地，所述外层厚度X应满足制造极限和机械极限：1.25mm≤X min≤1.5mm,2mm≤Xmax≤8mm。

优选地，所述冷气冲击孔的内径φ≥0.5mm。

优选地，所述扩道的喇叭形夹角a应满足：0＜a≤45°。

进一步地，所述夹角a为：15°＜a≤45°。

优选地，所述支撑肋与3D打印方向的锐角β应满足：0°＜β≤45°。

进一步地，所述锐角β为：30°≤β≤45°。

优选地，所述叶片通过3D打印来实现，使得所述外层、所述内层、所述支撑板、所述支撑肋、所述冷气冲击孔、所述扩道及所述叶片尾缘劈缝冷气出口一体成形。

需要说明的是，本发明3D打印从叶片最前端开始按设定角度打印，支撑肋和3D打印Z轴方向即竖直方向的夹角为0°＜β≤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，同时，增加叶片的强度,当30°≤β≤45°时，效果最佳。

需要说明的是，本发明在叶片前缘处的外层与内层空腔中纵向设有支撑板，在支撑板上相对纵向设有的多个冷气冲击孔对应设有纵截面呈喇叭状的扩道，扩道与叶片尾缘劈缝相连通，冷气冲击孔贯通叶片的内层，扩道贯通支撑板，冷却气流在冷气冲击孔中加速，经加速的冷气进入扩道，流线沿扩道几何结构流入到外层与内层空腔中，冲击叶片的外层、支撑肋及整个通道到叶片尾缘劈缝流出，不仅增大换热面积，加速冷却气流的速度，增强了气流扰动，大大加强了换热作用，而且，支撑板使叶片强度大大增强，满足支撑的作用。支撑板及其内部扩道结构起到结构支撑、打印制造支撑和增强换热效果的作用；通常叶片前缘受热最多、运行中最严苛的部位，此种支撑板结构可最大化冷却叶片前缘、加强前缘的强度。

需要说明的是，扩道的喇叭形夹角在0＜a≤15°时，此时冲击孔流动分离最少，能保持冷却气体的流线型，冷却气流的损失最小；当15°＜a≤45°范围内时，气流会有些微分离，能在一定程度上增强扰动，增强换热；当a＞45°时，气流分离更剧烈，甚至会产生涡旋的积聚和热点，会对叶片产生不利的影响，因此，夹角应满足0＜a≤45°。

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，内冷通道支撑肋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，支撑肋结构可根据冷却需要设置相同或不同的复杂多边形结构形状，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：

本发明有支撑结构的涡轮导向器叶片，通过增材制造技术，从叶片最前端开始按设定角度打印支撑肋，在叶片前缘处的外层与内层空腔中纵向设有支撑板，在支撑板上相对纵向设有的多个冷气冲击孔对应设有纵截面呈喇叭状的扩道，扩道与叶片尾缘劈缝相连通；

冷却气流从叶片顶部进气口进入大空腔中，一部分从冷气冲击孔进入扩道后，流线沿扩道几何结构流入到外层与内层空腔中，冲击叶片的外层、支撑肋及整个通道到叶片尾缘劈缝冷气出口流出；另一部分经叶片下端的轴承座支撑冷气出口流出，不仅增大换热面积，加速冷却气流的速度，增强了气流扰动，大大加强了换热作用，而且，支撑板使叶片强度大大增强，满足涡轮叶片所起的支撑作用，符合涡轮发动机不断更新发展的需要。

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主视图；

图2是图1的A向视图；

图3是图1的E向视图；

图4是图2的Y-Y剖视图；

图5是图2的U-U剖视图；

图6是图2的W-W剖视图；

图7是图3的S-S剖视图；

图8是图7的B-B剖视图；

图9是I的放大图；

图10是图9的T-T剖视图；

图11是现有技术的叶片示意图；

图12是现有技术的叶片剖视图。

其中：1-叶身；2-叶片顶部进气口；3-轴承座支撑冷气出口；4-叶片前缘；5-叶片尾缘；6-尾缘批缝冷气出口；7-小空腔；8-外层；9-内层；10-支撑肋；11-冷气冲击孔；12-扩道；13-支撑板；14-大空腔。

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”。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10：

一种有支撑结构的涡轮导向器叶片，叶片包括外层8、内层9及之间的小空腔7、内层9内的大空腔14构成的叶身1，叶身1下端固定连接轴承座支撑。

在叶片前缘的小空腔7中设有与外层8、内层9均贴合固联的支撑板13，在叶片前缘的内层9上纵向设有多个冷气冲击孔11，所述冷气冲击孔11贯穿所述内层9，在支撑板13上相对纵向设有的多个冷气冲击孔11对应设有纵截面呈喇叭状的扩道12，所述扩道12贯穿所述支撑板13，扩道12开口朝向外层8，所述冷气冲击孔11与所述扩道12的中心线相重合，所述扩道12与尾缘批缝冷气出口6相连通。

见图9：优选地，所述外层8的厚度X、所述扩道12长度L及所述冷气冲击孔11的长度H应满足：

Xmin≤L≤Xmax,且H≤L≤2H。

优选地，所述外层8厚度X应满足制造极限和机械极限：1.25mm≤Xmin≤1.5mm,2mm≤Xmax≤8mm。

优选地，所述冷气冲击孔11的内径φ≥0.5mm。

优选地，所述扩道12的喇叭形夹角a应满足：0＜a≤45°。

进一步地，所述夹角a最佳值为：15°＜a≤45°。

所述冷气冲击孔11及对应的所述扩道12的数量及大小需根据叶片的实际冷却需要设置。

优选地，支撑肋10设置在叶片外层8与内层9的小空腔7内，如图8所示，支撑肋10设置多个，其数量及大小需根据叶片的实际冷却需要设置；所述支撑肋10与3D打印方向的锐角β应满足：0＜β≤45°。

进一步地，所述锐角β最佳值为：30°≤β≤45°时。

优选地，所述叶片通过3D打印来实现，使得所述外层8、所述内层9、所述支撑板13、所述支撑肋10、所述冷气冲击孔11、所述扩道12及所述叶片尾缘劈缝冷气出口6一体成形。

冷却气流由叶片顶部进气口2流入大空腔14后，一部分经所述冷气冲击孔11、扩道12后迅速膨胀、扩散，流入到外层8与内层9的小空腔7中，冲击叶片的外层8、支撑肋10及整个通道到叶片尾缘劈缝冷气出口6流出；另一部分经叶片下端的轴承座支撑冷气出口3流出。

需要说明的是，本发明3D打印从叶片最前端开始按设定角度β打印，支撑肋10和3D打印Z轴方向即竖直方向的夹角为0°＜β≤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，同时，增加叶片的强度，当30°≤β≤45°时，效果最佳。

需要说明的是，本发明在叶片前缘处的外层8与内层9空腔中纵向设有支撑板13，在支撑板13上相对纵向设有的多个冷气冲击孔11对应设有纵截面呈喇叭状的扩道12，扩道12与叶片尾缘劈缝冷气出口6相连通，冷气冲击孔11贯通叶片的内层9，扩道12贯通支撑板13。

冷却气流在冷气冲击孔11中加速，经加速的冷气进入扩道12，流线沿扩道12几何结构流入到外层8与内层9小空腔7中，冲击叶片的外层8、支撑肋10及整个通道到叶片尾缘劈缝冷气出口6流出；不仅增大换热面积，加速冷却气流的速度，增强了气流扰动，大大加强了换热作用，而且，支撑板13使叶片强度大大增强，满足支撑的作用。支撑板13及其内部扩道12结构起到结构支撑、打印制造支撑和增强换热效果的作用；通常叶片前缘受热最多、运行中最严苛的部位，此种支撑板13结构可最大化冷却叶片前缘、加强前缘的强度。

冷却气流从叶片顶部进气口2进入大空腔14中，冷却气流一部分从冷气冲击孔11进入扩道12后迅速膨胀、扩散，流入到外层8与内层9的小空腔7中，冲击叶片的外层8、支撑肋10及整个通道到叶片尾缘劈缝冷气出口6流出，另一部分经叶片下端的轴承座支撑冷气出口3流出，不仅增大换热面积，加速冷却气流的速度，增强了气流扰动，大大加强了换热作用，而且，支撑板13使叶片强度大大增强，满足支撑的作用。

需要说明的是，扩道12的喇叭形夹角在0＜a≤15°时，此时冷气冲击孔流动分离最少，能保持冷却气体的流线型，冷却气流的损失最小；当15°＜a≤45°范围内时，气流会有些微分离，能在一定程度上增强扰动，增强换热；当a＞45°时，气流分离更剧烈，甚至会产生涡旋的积聚和热点，会对叶片产生不利的影响，因此，夹角应满足0＜a≤45°。

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，内冷通道支撑肋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，支撑肋结构可根据冷却需要设置相同或不同的复杂多边形结构形状(图中没有示出)，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：

本发明有支撑结构的涡轮导向器叶片，通过增材制造技术，从叶片最前端开始按设定角度打印支撑肋，在叶片前缘处的外层与内层空腔中纵向设有支撑板，在支撑板上相对纵向设有的多个冷气冲击孔对应设有纵截面呈喇叭状的扩道，扩道与叶片尾缘劈缝相连通，使冷却气流从冷气冲击孔进入扩道后迅速膨胀、扩散，流入到外层与内层空腔中，冲击叶片的外层、支撑肋及整个通道到叶片尾缘劈缝流出，不仅增大换热面积，加速冷却气流的速度，增强了气流扰动，大大加强了换热作用，而且，支撑板使叶片强度大大增强，满足涡轮叶片所起的支撑作用，符合涡轮发动机不断更新发展的需要。

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)

1.一种有支撑结构的涡轮导向器叶片，包括内含空腔的外层与内层构成的叶身，其特征在于，所述内层与所述外层之间的空腔内设有多个支撑肋，所述支撑肋与3D打印方向呈锐角；在叶片前缘处的外层与内层间设有支撑板，与所述支撑板对应的叶片前缘的所述内层沿纵向设有多个冷气冲击孔，所述冷气冲击孔分别与所述支撑板设有的扩道相对应，所述扩道与所述冷气冲击孔、叶片尾缘劈缝相连通，使得冷却气流由叶片顶部进气口流入后分别经所述冷气冲击孔及叶片下端的冷气出口流出。

2.根据权利要求1所述的有支撑结构的涡轮导向器叶片，其特征在于，在叶片前缘的纵向截面内，所述扩道呈喇叭状，所述冷气冲击孔与所述扩道的中心线相重合。

3.根据权利要求2所述的有支撑结构的涡轮导向器叶片，其特征在于，所述外层的厚度X、所述扩道长度L及所述冷气冲击孔的长度H应满足：

X min≤L≤Xmax,且H≤L≤2H。

4.根据权利要求3所述的有支撑结构的涡轮导向器叶片，其特征在于，所述外层厚度X应满足制造极限和机械极限：1.25mm≤X min≤1.5mm,2mm≤Xmax≤8mm。

5.根据权利要求4所述的有支撑结构的涡轮导向器叶片，其特征在于，所述冷气冲击孔的内径φ≥0.5mm。

6.根据权利要求5所述的有支撑结构的涡轮导向器叶片，其特征在于，所述扩道的喇叭形夹角a应满足：0＜a≤45°。

7.根据权利要求6所述的有支撑结构的涡轮导向器叶片，其特征在于，所述夹角a为：15°＜a≤45°。

8.根据权利要求6所述的有支撑结构的涡轮导向器叶片，其特征在于，所述支撑肋与3D打印方向的锐角β应满足：0°＜β≤45°。

9.根据权利要求8所述的有支撑结构的涡轮导向器叶片，其特征在于，所述锐角β为：30°≤β≤45°。

10.根据权利要求1至9任一项所述有支撑结构的涡轮导向器叶片，其特征在于，所述叶片通过3D打印来实现，使得所述外层、所述内层、所述支撑板、所述支撑肋、所述冷气冲击孔、所述扩道及所述叶片尾缘劈缝冷气出口一体成形。

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