[發明專利]一種具有網格內部結構的燃氣渦輪發動機葉片

無效

• 申請號: 201310401757.7
• 申請日: 2013-09-06
• 公開（公告）號: CN103470312A
• 公開（公告）日: 2013-12-25
• 發明（設計）人: 彭徽;郭洪波;宮聲凱;徐惠彬
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: F01D5/18
• 分類號: F01D5/18
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 官漢增

技術領域

本發明涉及燃氣渦輪發動機高溫結構部件的冷卻技術，更具體的說，是涉及提高航空發動機中高壓渦輪葉片及導向器葉片冷卻效率的技術。

背景技術

現代燃氣渦輪發動機為了獲得更高的熱效率，渦輪進口溫度不斷提高，已經遠遠超過高溫合金葉片材料的熔點溫度。如用于高低壓渦輪葉片的第二代單晶高溫合金的工作溫度為1070℃-1100℃，而現役先進航空發動機的渦輪前溫度已達到1300℃-1400℃。在如此高溫的工作環境下，要保證葉片長期穩定工作，就必須對渦輪葉片進行有效的強制冷卻，同時盡可能的降低冷卻氣體使用量以避免過多的功率損失。因此，高效冷卻葉片的設計已經成為航空發動機研制的重要內容。

現代渦輪葉片的常用的冷卻方式有氣膜冷卻、沖擊冷卻、強化換熱冷卻等。通常將冷卻葉片設計為直流型隔板結構，即過隔板將通道分割成多個冷卻腔，冷氣從葉片根部流入，通過帶肋壁強化換熱的冷卻通道對葉片表面進行冷卻之后，一部分冷氣通過沖擊孔，以沖擊冷卻的方式對葉片前緣進行冷卻后流出，一部分通過氣膜孔流出從而在葉片表面形成氣膜冷卻保護，最后冷卻氣體經尾緣擾流柱強化換熱后從排氣縫流出。

由于鑄造工藝的限制，葉片內部無法鑄造成型復雜結構，因此葉片冷卻效率的提高主要通過改進葉片內部流道數量和形式、肋壁肋片尺寸及排布以及強化換熱沖擊孔的角度等方式實現。總體來說，仍局限于提高氣膜冷卻、沖擊冷卻和強化換熱冷卻的效率上。例如：

在公開號為US7753650B1的專利中，提出了一種冷卻氣流通道為正弦曲線結構的轉子葉片。在該發明中，每條正弦曲線冷卻通道均連通葉片的進氣邊和排氣邊。這種結構提高了氣流擾動，增大了冷卻氣體在葉片內部的換熱面積，在相同冷卻效果條件下降低了所需冷卻氣體的流量。

在公開號為US5370499和US5690472的專利中，提出了具有網格復式冷卻孔結構的葉片設計思想。在該結構中，渦輪葉片的壁面冷卻孔加工為網格復式結構，第一級與第二級的冷卻孔相互交叉，形成了復式冷卻節點。冷卻氣流在復式冷卻孔中流動時由于壓力降產生擾流，從而提高了壁面與冷卻氣流的換熱效率。

在公開號為CN101126325A的專利中，公開了一種適用于航空發動機渦輪葉片的多孔沖擊加氣膜冷卻組合冷卻效果，可達到0.7冷效。

在公開號為US8070441B1的專利中，通過改變葉片排氣邊附近內壁擾流片的形狀及位置，從而增強沖擊冷卻的效果。

在公開號為CN1786426A的專利中，葉片內部冷卻通道被設計為曲形隔板和直流隔板分割形成具有特定尺寸周期性的冷卻腔，提高了脈動沖擊冷卻效果。

在公開號為US6139269專利中，將葉片設計為包含2個不同的冷卻氣體作用通道，從而達到降低冷卻氣體流量的效果。

在公開號為US7182576B2的專利中，將葉片壁面設計為至少2層，且層間由支點連接。這種結構形成了網格冷卻通道，增強了沖擊冷卻的效果。

增材制造技術的出現顛覆了傳統的加工理念：該技術是采用材料逐漸累加的方法制造實體零件，是基于離散-堆積原理，由零件三維數據驅動直接制造零件的科學技術體系。目前，增材制造技術中的選擇性激光熔化（SLM）以及電子束熔化（EBM）技術使得制備具有復雜結構的高性能金屬零部件成為可能。

發明內容

本發明提出了一種適用于燃氣渦輪發動機的具有網格內部結構的冷卻葉片，該冷卻葉片可由SLM或EBM增材制造技術快速成型，葉片內部的網格結構可強化冷卻氣流的換熱效果。

本發明中所述冷卻葉片的葉身、榫頭、內部流道和網格結構均由增材制造技術成型，加工工藝簡單，克服了傳統鑄造加工成品率低、無法制造復雜內部結構的缺點，可大大降低設計加工成本。

本發明中所述的冷卻葉片以傳統空心結構葉片為基礎，內部具有網格結構特征。所述的網格結構為三維周期性排列的亞結構組成，聯通的網格內部形成貫通的通道，呈多孔道結構；所述網格結構的亞結構周期尺寸為0.8～5mm，與空心葉片壁厚處于同一數量級；所述的網格結構在葉片內所占空間比例、位置可根據葉片工作條件進行設計；所述的網格結構可不改變傳統葉片的直流隔板冷卻結構，僅填充于隔板間隙；或者根據需要取消部分或全部直流隔板，在葉片內部特定位置進行網格結構填充；所述網格結構與冷卻葉片為同一整體，由增材制造技術逐層成型；所述網格結構尺寸應不小于亞結構尺寸。

本發明中具有網格內部結構的燃氣渦輪發動機葉片的優點在于：

（1）葉片內部的網格結構增大了冷卻氣流與葉片內部的接觸面積，提高了葉片的冷卻效果；