涡轮叶片的制作方法

1.本发明涉及涡轮叶片领域，具体涉及一种涡轮叶片。


背景技术：

2.随着燃气涡轮机的推重比和效率的不断提高，涡轮进口的燃气温度也不断提高，由此，导致涡轮入口处的燃气温度远高于涡轮叶片所用材料的耐温极限，必须使用有效的冷却措施对涡轮叶片进行保护，避免涡轮叶片受到高温腐蚀和损伤。
3.相关技术中，传统的涡轮叶片内部冷却主要采用带扰流柱的冷却通道的冷却结构，具体方式为在传统叶片的冷却空腔内，添加支撑肋片形成蛇形冷却通道，在通道内添加一定数量的扰流柱，增强换热效果。从压气机引入的冷气进入涡轮叶片内部的冷却空腔中，在冷却通道内流动对高温叶片进行冷却，从叶顶流出与主流汇合流入下一级叶片中。
4.然而，随着航空发动机的推重比越来越高，涡轮进口温度已经达到2000k以上，传统的涡轮内部冷却结构已经不能满足叶片冷却的要求。层板冷却叶片技术集冲击冷却、扰流柱对流冷却、气膜冷却等冷却方式于一体，被认为是解决第五代航空发动机涡轮叶片冷却问题的有效技术手段之一。层板冷却采用冷气从内壁面进入到狭小的内部冷却通道带走部分热量的换热方式，传统的层板冷却结构叶片在层板叶片空腔内仅仅添加一定数量的扰流柱，换热面积较小，湍流度不高，对流换热效果不足，对流换热系数还有提升的空间。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种涡轮叶片。
6.根据本发明实施例的涡轮叶片，包括：
7.叶片主体，所述叶片主体包括内层叶片和外层叶片，所述外层叶片套设在所述内层叶片上，所述内层叶片的内壁面限定出第一冷却腔，所述外层叶片的内壁面与所述内层叶片的外壁面限定出第二冷却腔；
8.交错肋片，所述交错肋片设在所述第二冷却腔内，所述交错肋片包括在内外方向上相对的内层肋片和外层肋片，所述内层肋片包括多个内层肋条，多个所述内层肋条间隔开地设在所述内层叶片的外壁面上，相邻两个所述内层肋条和所述内层叶片限定出内层冷却通道，所述外层肋片包括多个外层肋条，多个所述外层肋条间隔开地设在所述外层叶片的内壁面上，相邻两个所述外层肋条和所述外层叶片限定出外层冷却通道，其中每个所述内层肋条的延伸方向和每个所述外层肋条的延伸方向相交以便相连通的所述内层冷却通道和所述外层冷却通道的延伸方向相交，所述内层冷却通道的至少一端通向所述第二冷却腔外侧，所述外层冷却通道的至少一端通向所述第二冷却腔外侧。
9.因此，根据本发明实施例的涡轮叶片具有换热效果好、使用寿命长的优点。
10.在一些实施例中，所述内层叶片包括内层压力侧壁和内层吸力侧壁，所述外层叶片包括外层压力侧壁和外层吸力侧壁，所述交错肋片为两个，一个所述交错肋片的所述内
层肋片设在所述内层压力侧壁的外侧壁面上且所述外层肋片设在所述外层压力侧壁的内侧壁面上，另一个所述交错肋片的所述内层肋片设在所述内层吸力侧壁的外侧壁面上且所述外层肋片设在所述外层吸力侧壁的内侧壁面上。
11.根据本发明实施例的涡轮叶片还包括支撑肋片，所述支撑肋片设在所述第二冷却腔体内，所述支撑肋片位于所述叶片主体的前缘，两个所述交错肋片位于所述叶片主体的中部和尾缘，所述支撑肋片包括多个沿所述第二冷却腔的延伸方向延伸的支撑肋条，多个所述支撑肋条沿所述第二冷却腔的周向间隔地设置，每个所述支撑肋条的内端与所述内层叶片的外壁面连接，每个所述支撑肋条的外端与所述外层叶片的内壁面连接。
12.在一些实施例中，所述外层叶片上设有多个气模孔，每个所述气模孔沿内外方向贯通所述外层叶片，所述气模孔与所述第二冷却腔连通。
13.在一些实施例中，所述内层叶片上设有多个冲击孔，每个所述冲击孔沿内外方向贯通所述内层叶片，所述第一冷却腔通过所述冲击孔与所述第二冷却腔连通。
14.在一些实施例中，所述冲击孔和所述气模孔位于所述叶片主体的前缘和中部。
15.在一些实施例中，所述内层肋片与所述外层肋片沿所述叶片主体内外方向上的厚度相等。
16.在一些实施例中，所述内层肋条的延伸方向与和其连接的所述外层肋条的延伸方向垂直。
17.在一些实施例中，相邻两个所述内层肋条之间的距离范围为4.0mm
‑
4.1mm，相邻两个所述外层肋条之间的距离范围为4.0mm
‑
4.1mm。
18.在一些实施例中，所述支撑肋片与两个所述交错肋片间隔的设置。
附图说明
19.图1是根据本发明实施例的涡轮叶片立体图的示意图。
20.图2是根据本发明实施例的涡轮叶片的示意图。
21.图3是根据本发明实施例的涡轮叶片俯视图的示意图。
22.图4是根据本发明实施例的涡轮叶片立体图的示意图。
23.图5是根据本发明实施例的涡轮叶片的示意图。
24.图6是根据本发明实施例的涡轮叶片俯视图的示意图。
具体实施方式
25.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
26.下面参考附图描述根据本发明实施例的涡轮叶片1000。如图1至图6所示，根据本发明实施例的涡轮叶片1000包括叶片主体100和交错肋片200。
27.叶片主体100包括内层叶片110和外层叶片120。外层叶片120套设在内层叶片110上，内层叶片110的内壁面101限定出第一冷却腔130，外层叶片120的内壁面103与内层叶片110的外壁面102限定出第二冷却腔140。第一冷却腔130与第二冷却腔140内可通入冷却气体以便对内层叶片110和外层叶片120进行冷却。
28.交错肋片200设在第二冷却腔140内，交错肋片200包括在内外方向上相对的内层
肋片210和外层肋片220。内层肋片210包括多个内层肋条211，多个内层肋条211间隔开地设在内层叶片110的外壁面102上，相邻两个内层肋条211和内层叶片110限定出内层冷却通道230。因此，多个内层肋条211和内层叶片110的外壁面102限定出多条内层冷却通道230，即内层肋片210和内层叶片110限定出多条内层冷却通道230。
29.外层肋片220包括多个外层肋条221，多个外层肋条221间隔开地设在外层叶片120的内壁面103上，相邻两个外层肋条221和外层叶片120限定出外层冷却通道240。因此，多个外层肋条221和外层叶片120的内壁面103限定出多条内层冷却通道230，即外层肋片220和外层叶片120限定出多条外层冷却通道240。由于内层肋片210和外层肋片220在内外方向上相对，因此多条内层冷却通道230和多条外层冷却通道240也在内外方向上相对。
30.其中，每个内层肋条211的延伸方向和每个外层肋条221的延伸方向相交以便相连通的内层冷却通道230和外层冷却通道240的延伸方向相交。内层冷却通道230的至少一端通向第二冷却腔140外侧，外层冷却通道240的至少一端通向第二冷却腔140外侧。
31.根据本发明实施例的涡轮叶片1000通过在第二冷却腔140内设置在内外方向上相对且交错的多条内层冷却通道230和多条外层冷却通道240。从而可以使内层冷却通道230的冷却气体在沿着内层冷却通道230的一端流向另一端时，内层冷却通道230的冷却气体每经过一个内层冷却通道230与外层冷却通道240的连通处，内层冷却通道230的冷却气体便会与其相连通的外层冷却通道240内的冷却气体发生掺混、汇流和分流的情况。从而使得内层冷却通道230与外层冷却通道240的连通处的湍流度增强，即增加冷却气体在第二冷却腔140内的换热效果，避免涡轮叶片1000受到高温腐蚀和损伤，从而延长使用寿命。而且，内层肋片210包括多个内层肋条211，外层肋片220包括多个外层肋条221。多个内层肋条211和多个外层肋条221可与冷却气体接触，使得叶片主体100的换热面积增加，进一步增强换热。
32.因此，根据本发明实施例的涡轮叶片1000具有换热效果好、使用寿命长的优点。
33.如图1至图6所示，根据本发明实施例的涡轮叶片1000包括叶片主体100、交错肋片200和支撑肋片300。
34.叶片主体100包括内层叶片110和外层叶片120。内层叶片110包括内层压力侧壁111和内层吸力侧壁112，内层压力侧壁111和内层吸力侧壁112均为弧形。外层叶片120包括外层压力侧壁121和外层吸力侧壁122，外层压力侧壁121和外层吸力侧壁122均为弧形。在工作状况下，叶片主体100承受相对较高的流体压力的一侧壁面称为压力侧壁，承受相对较低的流体压力的一侧壁面称为吸力侧壁。具体地，内层压力侧壁111为向邻近内层吸力侧壁112的方向内凹的弧形，内层吸力侧壁112为向远离内层压力侧壁111的方向外凸的弧形。外层压力侧壁121为向邻近外层吸力侧壁122的方向内凹的弧形，外层吸力侧壁122为向远离外层压力侧壁121的方向外凸的弧形。
35.下面以内层压力侧壁111和内层吸力侧壁112大体沿左右方向延伸来具体说明。如图1所示，内层压力侧壁111的左端部和内层吸力侧壁112的左端部相连，内层压力侧壁111的右端部和内层吸力侧壁112的右端部相连。外层压力侧壁121和外层吸力侧壁122可大体沿左右方向延伸。外层压力侧壁121的左端部和外层吸力侧壁122的左端部相连，外层压力侧壁121的右端部和外层吸力侧壁122的右端部相连。左右方向如图1中的箭头a所示。
36.外层叶片120套设在内层叶片110上，内层叶片110的内壁面101限定出第一冷却腔130，外层叶片120的内壁面103与内层叶片110的外壁面102限定出第二冷却腔140。第一冷
却腔130与第二冷却腔140内可通入冷却气体以便对内层叶片110和外层叶片120进行冷却。例如，第一冷却腔130与第二冷却腔140沿上下方向延伸。冷却气体可从第一冷却腔130的下开口和第二冷却腔140的下开口进入叶片主体100内并对叶片主体100进行冷却。上下方向如图1中的箭头b所示。
37.第二冷却腔140包括由内层压力侧壁111与外层压力侧壁121构成的压力侧冷却腔141和内层吸力侧壁112与外层吸力侧壁122构成的吸力侧冷却腔142。
38.如图3和图6所示，在一些实施例中，交错肋片200为两个。
39.一个交错肋片200的内层肋片210设在内层压力侧壁111的外侧壁面上且外层肋片220设在外层压力侧壁121的内侧壁面上。即一个交错肋片200设在压力侧冷却腔141内。另一个交错肋片200的内层肋片210设在内层吸力侧壁112的外侧壁面上且外层肋片220设在外层吸力侧壁122的内侧壁面上。即另一个交错肋片200设在吸力侧冷却腔142内。
40.例如，两个交错肋片200包括压力侧交错肋片201和吸力侧交错肋片202，压力侧交错肋片201设在压力侧冷却腔141内，吸力侧交错肋片202设在吸力侧冷却腔142内。
41.压力侧交错肋片201的内层冷却通道230沿第一预设方向延伸，压力侧交错肋片201的外层冷却通道240沿第二预设方向延伸。第一预设方向与第二预设方向相交，压力侧交错肋片201的内层冷却通道230与压力侧交错肋片201的外层冷却通道240在内外方向上相对且交错设置。
42.因此，在冷却气体进入压力侧冷却腔141内的压力侧交错肋片201的内层冷却通道230时和外层冷却通道240后，内层冷却通道230内冷却气体沿第一预设方向流动，外层冷却通道240内的冷却气体沿第二预设方向流动。在流动过程中，沿第一预设方向流动的冷却气体在压力侧交错肋片201的内层冷却通道230时和外层冷却通道240的连通处会和沿第二预设方向流动的冷却气体发生掺混、汇流和分流的情况，从而使得压力侧交错肋片201的内层冷却通道230和其外层冷却通道240的连通处的湍流度增强，即增加冷却气体在压力侧冷却腔141内的换热效果。
43.吸力侧交错肋片202的内层冷却通道230沿第三预设方向延伸，吸力侧交错肋片202的外层冷却通道240沿第四预设方向延伸。第三预设方向与第四预设方向相交，吸力侧交错肋片202的内层冷却通道230与吸力侧交错肋片202的外层冷却通道240在内外方向上相对且交错设置。
44.因此，在冷却气体进入吸力侧冷却腔142内的吸力侧交错肋片202的内层冷却通道230时和外层冷却通道240后，内层冷却通道230内冷却气体沿第三预设方向流动，外层冷却通道240内的冷却气体沿第四预设方向流动。在流动过程中，沿第三预设方向流动的冷却气体在吸力侧交错肋片202的内层冷却通道230时和外层冷却通道240的连通处会和沿第四预设方向流动的冷却气体发生掺混、汇流和分流的情况，从而使得吸力侧交错肋片202的内层冷却通道230和其外层冷却通道240的连通处的湍流度增强，即增加冷却气体在吸力侧冷却腔142内的换热效果。
45.如图2和图3所示，交错肋片200设在第二冷却腔140内，交错肋片200包括在内外方向上相对的内层肋片210和外层肋片220。内层肋片210和外层肋片220在内外方向上相对包括：a.内层肋片210和外层肋片220在内外方向上相对且内层肋片210抵靠在外层肋片220上；b.内层肋片210和外层肋片220在内外方向相对且内层肋片210和外层肋片220相连；c.
内层肋片210和外层肋片220在内外方向相对且内层肋片210邻近外层肋片220。内外方向如图3中的箭头所示。
46.内层肋片210包括多个内层肋条211，多个内层肋条211间隔开地设在内层叶片110的外壁面102上。多个内层肋条211可与第二冷却腔140内的冷却气体接触，使得叶片主体100的换热面积增加，增强换热效果。相邻两个内层肋条211之间的距离范围为4.0mm
‑
4.1mm。例如，内层冷却通道230在第一预设方向的宽度为4.0mm
‑
4.1mm。相邻两个内层肋条211之间的距离范围为4.05mm，内层冷却通道230在第一预设方向的宽度为4.05mm。
47.相邻两个内层肋条211和内层叶片110限定出内层冷却通道230，即内层肋片210和内层叶片110限定出多条内层冷却通道230，内层冷却通道230的至少一端通向第二冷却腔140外侧。内层冷却通道230的至少一端通向第二冷却腔140外侧包括：a.内层冷却通道230的第一端和外界连通；b.内层冷却通道230的第二端和外界连通；c.内层冷却通道230的第一端和第二端都和外界连通。
48.外层肋片220包括多个外层肋条221，多个外层肋条221间隔开地设在外层叶片120的内壁面103上。多个外层肋条221可与第二冷却腔140内的冷却气体接触，使得叶片主体100的换热面积增加，增强换热效果。相邻两个外层肋条221之间的距离范围为4.0mm
‑
4.1mm。例如，外层冷却通道240在第二预设方向的宽度为4.0mm
‑
4.1mm。相邻两个外层肋条221之间的距离范围为4.05mm，外层冷却通道240在第二预设方向的宽度为4.05mm。
49.相邻两个外层肋条221和外层叶片120限定出外层冷却通道240。即外层肋片220和外层叶片120限定出多条外层冷却通道240。外层冷却通道240的至少一端通向第二冷却腔140外侧。外层冷却通道240的至少一端通向第二冷却腔140外侧包括：a.外层冷却通道240的第一端和外界连通；b.外层冷却通道240的第二端和外界连通；c.外层冷却通道240的第一端和第二端都和外界连通。
50.其中，每个内层肋条211的延伸方向和每个外层肋条221的延伸方向相交以便相连通的内层冷却通道230和外层冷却通道240的延伸方向相交。从而使得相连通的内层冷却通道230和外层冷却通道240内的冷却气体可发生掺混、汇流和分流的情况，从而使得内层冷却通道230与外层冷却通道240的连通处的湍流度增强，即使得冷却气体在第二冷却腔140内的换热效果更强。
51.在一些实施例中，内层肋片210与外层肋片220沿叶片主体100内外方向上的厚度相等。使得进入内层冷却通道230与外层冷却通道240内冷却气体的流量大体相等，从而使得内层冷却通道230与外层冷却通道240的连通处的气体的湍流度较强。
52.支撑肋片300设在第二冷却腔140的前缘内。支撑肋片300包括多个沿第二冷却腔140的延伸方向延伸的支撑肋条310。多个支撑肋条310沿第二冷却腔140的周向间隔地设置。例如，支撑肋条310沿上下方向延伸。每个支撑肋条310的内端与内层叶片110的外壁面102连接，每个支撑肋条310的外端与外层叶片120的内壁面103连接。从而可加强叶片主体100的结构强度。多个支撑肋条310间隔的设置，以便相邻两个支撑肋条310与内层叶片110和外层叶片120限定出多个支撑通道，以便冷却气体可通过支撑通道并对叶片主体100进行冷却。
53.支撑肋片300位于叶片主体100的前缘，该两个交错肋片200位于叶片主体100的中部和尾缘。例如，支撑肋片300大体位于叶片主体100的左端，该两个交错肋片200大体位于
叶片主体100的中部和右端。叶片主体100的前缘和尾缘根据外界高温流体的流动方向来判断。外界高温流体从叶片主体100的前缘流入两个叶片之间的通道，从尾缘流出。因此，支撑肋片300位于叶片主体100的前缘可加强叶片主体100的前缘并抵挡外界高温流体的冲击。
54.支撑肋片300与该两个交错肋片200间隔的设置。从而使得支撑肋片300与该两个交错肋片200之间具有可使得冷却气体通过的通道。该通道与第二冷却腔140的外界、内层冷却通道230和外层冷却通道240连通。
55.在一些实施例中，内层肋条211的延伸方向与和其连接的外层肋条221的延伸方向垂直。从而使得内层冷却通道230和外层冷却通道240内冷却气体汇流难度高(沿同一方向流动的难度高)，从而进一步增强气流的湍流度。
56.如图5所示，在一个具体的实施例中，在压力侧交错肋片201中，第二冷却腔140沿上下方向延伸，交错肋片200与其左侧的支撑肋片300间隔地设置。内层肋条211的延伸方向与水平面的夹角为45
°
，外层肋条221的延伸方向与水平面的夹角为135
°
，即内层肋条211的延伸方向和外层肋条221的延伸方向垂直。冷却气体从第二冷却腔140的下方进入第二冷却腔140内并分流成多股气流。
57.具体地，冷却气体41从下方进入支撑肋片300与交错肋片200之间的通道，一部分冷却气体41向上流出第二冷却腔140，一部分冷却气体41流入内层冷却通道230后流出第二冷却腔140。并在上述过程中与交错肋片200内的气流发生掺混、汇流和分流的情况。
58.冷却气体42从下方进入外层冷却通道240，冷却气体42从该条外层冷却通道240的入口到出口的过程中，冷却气体42和与该条外层冷却通道240连通的内层冷却通道230内的冷却气体发生掺混、汇流和分流的情况。从该条外层冷却通道240出口出来的冷却气体42进入到支撑肋片300与交错肋片200之间的通道并与支撑肋片300与交错肋片200之间的通道内的冷却气体发生掺混、汇流和分流的情况。之后，一部分冷却气体42向上流出第二冷却腔140。一部分冷却气体42中进入到内层冷却通道230后流出第二冷却腔140。
59.冷却气体43从下方进入内层冷却通道230，冷却气体43从该条内层冷却通道230的入口到出口的过程中，冷却气体43和与该条内层冷却通道230连通的外层冷却通道240内的冷却气体发生掺混、汇流和分流的情况。从该条内层冷却通道230出来的冷却气体43进入到尾缘处的第二冷却腔140并与尾缘处的第二冷却腔140内的冷却气体发生掺混、汇流和分流的情况。之后，一部分冷却气体43中的一部分向上流出第二冷却腔140，一部分冷却气体43进入外层冷却通道240后流出第二冷却腔140。
60.冷却气体44从下方进入尾缘处的第二冷却腔140，一部分冷却气体44向上流出第二冷却腔140，一部分冷却气体41流入外层冷却通道240后流出第二冷却腔140。并在上述过程中与交错肋片200内的气流发生掺混、汇流和分流的情况，增加冷却气流的冷却效果。
61.在一些实施例中，外层叶片120上设有多个气模孔400，每个气模孔400沿内外方向(外层叶片120的厚度方向)贯通外层叶片120，气模孔400与第二冷却腔140连通。第二冷却腔140内冷却气流可从气模孔400流出并在外层叶片120的外表面形成一层冷却保护气流，从而降低叶片主体100的温度。
62.在一些实施例中，内层叶片110上设有多个冲击孔500，每个冲击孔500沿内外方向(内层叶片110的厚度方向)贯通内层叶片110，第一冷却腔130通过冲击孔500与第二冷却腔140连通。从而使得第一冷却腔130内的冷却气流可进入第二冷却腔140内并与第二冷却腔
140内的冷却气流发生掺混、汇流和分流的情况，增加冷却气流的冷却效果。
63.在一些实施例中，冲击孔500和气模孔400位于叶片主体100的前缘和中部。具体地，位于叶片主体100中部的冲击孔500与内层冷却通道230连通，位于叶片主体100中部的气模孔400与外层冷却通道240。
64.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。
65.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。
66.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，也可以是电连接或彼此可通讯；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。
67.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。
68.在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
69.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。