涡轮叶片的制作方法

1.本发明涉及涡轮叶片层板冷却的技术领域，具体地，涉及一种涡轮叶片。


背景技术：

2.航空发动机热端部件的冷却技术是制约我国航空发动机事业发展的重要瓶颈技术之一，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，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，扰流柱的冷却通道的冷却结构换热面积较小，湍流度不高，对流换热系数小。


技术实现要素：

4.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。
5.为此，本发明的实施例提出一种结构简单、换热面积大、湍流度高的涡轮叶片。
6.根据本发明实施例的涡轮叶片，其特征在于包括：壳体，所述壳体包括外层叶片和内层叶片，所述外层叶片环绕在所述内层叶片的外周侧，且所述外层叶片和所述内层叶片之间形成安装腔，所述安装腔包括第一腔、第二腔、第三腔和第四腔，所述壳体具有第一端和第二端，所述第一腔设在所述壳体的第一端，所述第四腔设在所述壳体的第二端，所述第三腔和所述第四腔相对布置，且所述第二腔设在所述第一腔和所述第四腔之间、所述第三腔设在所述第一腔和所述第四腔之间；第一肋条组件和第二肋条组件，所述第一肋条组和所述第二肋条组均包括多层肋条层，所述肋条层包括并行间隔排布的多个肋条，相邻两个所述肋条层的肋条的延伸方向呈夹角，所述第一肋条组件设在所述第二腔和所述第四腔内，所述第二肋条组件设在所述第三腔和所述第四腔内；多个肋片，多个所述肋片设在所述第一腔内，且多个所述肋片沿着所述第一腔的延伸方向并行间隔布置。
7.本发明实施例的涡轮叶片，通过第一肋条组件、第二肋条组件和多个肋片的设置，增加换热面积，增强气流的湍流程度，明显增强叶片内部换热效果，从而提高了涡轮叶片的散热效率，延长了涡轮叶片的使用寿命。
8.在一些实施例中，所述第一肋条组件的各肋条层和所述第二肋条组件的各肋条层在所述第四腔内叠压排布。
9.在一些实施例中，，多层肋条层包括：第一肋条层，所述第一肋条层包括多个第一肋条，多个所述第一肋条设在所述内层叶片的内周侧，且多个所述第一肋条沿所述内层叶片的周向间隔设置，第二肋条层，所述第二肋条层包括多个第二肋条，多个所述第二肋条设在所述外层叶片的内周侧，且多个所述第二肋条沿所述外层叶片的周向间隔设置。
10.在一些实施例中，所述第一肋条的延伸方向和所述第二肋条的延伸方向的夹角为90
°
。
11.在一些实施例中，所述第一肋条的延伸方向与所述内层叶片的一端交于点a，所述第一肋条的延伸方向与所述内层叶片点a的切线之间的夹角为45
°
。
12.在一些实施例中，每层所述肋条层的肋条截面形状为矩形。
13.在一些实施例中，相邻两个所述肋条层的肋条的厚度相等。
14.在一些实施例中，所述肋条层中的相邻两个所述肋条之间的间距为4mm
‑
4.1mm。
15.在一些实施例中，所述肋片的截面形状为矩形，且所述肋片沿所述壳体的高度方向延伸。
16.在一些实施例中，所述涡轮叶片还包括凹陷涡发生器和绕流柱，所述凹陷涡发生器和绕流柱设在所述第一腔内。
附图说明
17.图1是本发明实施例的涡轮叶片的结构示意图。
18.图2是本发明实施例的涡轮叶片的俯视图。
19.图3是本发明实施例的去除外层叶片后第一肋条组件与内层叶片的结构示意图。
20.图4是本发明实施例的去除外层叶片后第二肋条组件与内层叶片的结构示意图。
21.图5是本发明实施例的去除外层叶片后第二肋条组件与内层叶片的正视图。
22.附图标记：
23.涡轮叶片100；
24.壳体1；外层叶片11；内层叶片12；冷却腔121；叶片前缘13；第一腔131；压力侧壁14；第二腔141；吸力侧壁15；第三腔151；叶片尾缘16；第四腔161；第一肋条组件2；第二肋条组件3；肋片4；肋条层5；第一肋条层51；第一肋条511；第二肋条层52；第二肋条521。
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1
‑
4描述根据本发明实施例的涡轮叶片。
27.如图1
‑
图4所示，根据本发明实施例的涡轮叶片包括壳体1、第一肋条组件2、第二肋条组件3和多个肋片4。
28.壳体1包括外层叶片11和内层叶片12，外层叶片11环绕在内层叶片12的外周侧，且外层叶片11和内层叶片12之间形成安装腔，安装腔包括第一腔131、第二腔141、第三腔151和第四腔161，壳体1具有第一端和第二端，第一腔131设在壳体1的第一端(如图1所示的左端)，第四腔161设在壳体1的第二端(如图1所示的右端)，第三腔151和第四腔161相对布置，且第二腔141设在第一腔131和第四腔161之间、第三腔151设在第一腔131和第四腔161之间。
29.具体地，如图1所示，外层叶片11和内层叶片12均包括依次相连的压力侧壁14、叶片前缘13、吸力侧壁15和叶片尾缘16。在工作状况下，壳体1承受相对较高的流体压力的称为压力侧壁14，承受相对较低的流体压力的称为吸力侧壁15，压力侧壁14为朝向吸力侧壁15凹入的弧形，吸力侧壁15为朝向远离压力侧壁14凸出的弧形，且第一腔131位于叶片前缘13内，第二腔141位于压力侧壁14内，第三腔151位于吸力侧壁15内，第四腔161位于叶片尾缘16内。
30.第一肋条组件2和第二肋条组件3均包括多层肋条层5，肋条层5包括并行间隔排布
的多个肋条，相邻两个肋条层5的肋条的延伸方向呈夹角，第一肋条组件2设在第二腔141和第四腔161内，第二肋条组件3设在第三腔151和第四腔161内。
31.具体地，多个肋条间隔并行设置形成第一冷却通道，相邻两个肋条层5之间的第一冷却通道形成交错冷却通道，且相邻两个肋条层5的肋条紧密相接、互不干涉，肋条层5的肋条大小和数量根据涡轮叶片100大小灵活变化。
32.多个肋片4设在第一腔131内，且多个肋片4沿着第一腔131的延伸方向并行间隔布置。具体地，多个肋片4设在第一腔131内，且多个肋片4沿第一腔131的内周面间隔设置，相邻的两个肋片4形成第二冷却通道，可使得冷却气流通过第二冷却通道，对叶片前缘13进行冷却降温。
33.根据本发明实施例的涡轮叶片100，通过第一肋条组件2和第二肋条521的设置，通过多层肋条层5代替传统扰流柱，且在压力侧壁14、吸力侧壁15和叶片尾缘16的腔体内形成交错冷却通道，由此，当冷却气流流入交错冷却通道时，相邻两个肋条层5之间的冷却气流会有一定的掺混、汇流、分流的情况，使得换热面积大大增加、同时流动通道面积更小、通道内流速加快、湍流度增加，从而使叶片压力侧壁14、吸力侧壁15内表面的对流换热得到明显的加强。
34.根据本发明实施例的涡轮叶片100，通过多个肋片4沿着第一腔131的延伸方向并行间隔布置，第一肋条组件2和第二肋条组件3流出的冷却气流将会冲击到叶片前缘13和叶片尾缘16的位置上，冷却气流与多个肋片4内的气流混合，增强流动湍流度，从而增强对叶片前缘13的冷却效果，另外，第一肋条组件2和第二肋条组件3流出的冷却气流冲击到多个肋片4中最外侧的两个肋片4上时，将使得冷却气流折返，返回第一肋条组件2或第二肋条组件3内，进一步提高了第一肋条组件2和第二肋条组件3流动湍流度，提高了压力侧壁14、吸力侧壁15冷却效率。
35.可以理解的是，在涡轮叶片100的叶片前缘13内的第一腔131内中的肋片4也可换成第一肋条组件2或第二肋条组件3，且内层叶片12的外周面限定出冷却腔121，由此，冷却腔121不仅方便冷却气流通过，从而提高了涡轮叶片100的冷却效率，也可节省涡轮叶片100的材料。
36.在一些实施例中，第一肋条组件2的各肋条层5和第二肋条组件3的各肋条层5在第四腔161内叠压排布。具体地，如图1
‑
4所示，位于第四腔161内的第一肋片4组件的肋条的横截面和第二肋条组件3的肋条的横截面从左到右逐渐减小，使得第一肋条组件2和第二肋条组件3适应叶片尾缘16形状，使在尾缘位置第一肋条组件2和第二肋条组件3可以交汇。由此，使得叶片尾缘16位置的流动湍流度更强，增强叶片尾缘16高温区域换热，并且叶片尾缘16结构更加稳固。
37.在一些实施例中，多层肋条层5包括第一肋条层51和第二肋条层52。
38.第一肋条层51包括多个第一肋条511，多个第一肋条511设在内层叶片12的内周侧，且多个第一肋条511沿内层叶片12的周向间隔设置，第二肋条层52包括多个第二肋条521，多个第二肋条521设在外层叶片11的内周侧，且多个第二肋条521沿外层叶片11的周向间隔设置。
39.具体地，如图3
‑
4所示，在内层叶片12的内周面上设有第一肋条层51，第一肋条层51包括多个第一肋条511，多个第一肋条511沿内层叶片12的周向间隔设置，在外层叶片11
的内周面上设有第二肋条层52，第二肋条层52包括多个第二肋条521，多个第二肋条521沿外层叶片11的周向间隔设置，通过第一肋条层51和第二肋条层52将外层叶片11和内层叶片12连接起来，第一肋条层51和第二肋条层52既起到支撑作用，而且也形成了交错第一冷却通道，增强换热，冷却气流在交错通道内流动时，第一肋条层51和第二肋条层52间的冷却气流会有一定的掺混、汇流、分流的情况，由此提高涡轮叶片100的散热能力。
40.在一些实施例中，第一肋条511的延伸方向和第二肋条521的延伸方向的夹角为90
°
。具体地，如图3
‑
4所示，第一肋条层51的肋条和第二肋条层52的肋条交错设置，且第一肋条层51的肋条和第二肋条层52的肋条相互垂直设置。由此，使得第一肋条层51和第二肋条层52具有交错且垂直的第一冷却通道，使得冷却气在第一冷却通道内交错且快速流动，提高了冷却效率。
41.在一些实施例中，第一肋条511的延伸方向与内层叶片12的一端交于点a，第一肋条511的延伸方向与内层叶片12点a的切线之间的夹角为45
°
。具体地，如图5所示，第一肋条511的上端与内层叶片12在内层叶片12上端面的交于一点a,过点a的切线与第一肋条511之间的夹角为45
°
。也就是说，在内层叶片12的投影面内，第一肋条511与上下方向之间的夹角大体为45
°
，第二肋条521与上下方向之间的夹角大体为反45
°
，根据本发明人通过反复实验得出，第一肋条511和第二肋条521的布置相对于其他的设置方式，提高了冷却气流的换热效率，提高了冷却气流的换热效果。
42.在一些实施例中，每层肋条层5的肋条截面形状为矩形。具体地，肋条截面形状为长方形，由此，方便多层肋条层5固定在内层叶片12和外层叶片11之间，也提高了多层肋条层5的稳定性，从而提高了涡轮叶片100的使用寿命。
43.在一些实施例中，肋条截面的宽度为1mm，且肋条在内层叶片12上根据叶片的形状和肋条布置方式设置肋条的长度，其中，最短肋条长度控制在为10.0
‑
10.1mm，最长肋条长度由叶片整体尺寸控制，由此，使得肋条设置的更加合理。
44.在一些实施例中，相邻两个肋条层5的肋条的厚度相等。具体地，第一肋条511和第二肋条521的厚度相等，且第一肋条511和第二肋条521的厚度均为安装腔厚度的二分之一。由此，使得第一肋条511和第二肋条521布置在外层叶片11和内层叶片12之间。
45.在一些实施例中，肋条层5中的相邻两个肋条之间的间距为4mm
‑
4.1mm。从而使得肋条层5中相邻的两个肋条组成的气流通道为4mm
‑
4.1mm，气流通道过大，将无法保证冷却气流的流通速度，气流通道的过小将导致安装制造麻烦。
46.在一些实施例中，肋片4的截面形状为矩形，且肋片4沿壳体1的高度方向(如图1所示，上下方向)延伸。具体地，肋片4为直板且肋片4的截面形状为矩形，由此不仅方便肋片4安装固定在外层叶片11和内层叶片12，且肋片4也为外层叶片11和内层叶片12提供支撑中作用，使得涡轮叶片100的连接更稳定，而且肋片4沿壳体1的高度方向延伸，即肋片4不会干扰冷却气的流向，保证了叶片前缘13的换热效果。
47.可以理解的是：肋片4的数量可由根据涡轮叶片100大小及工作环境匹配设计。
48.在一些实施例中，涡轮叶片100还包括凹陷涡发生器(图中未示意出)和绕流柱(图中未示意出)，凹陷涡发生器和绕流柱设在第一腔131内。具体地，凹陷涡发生器和绕流柱设在相邻的两个肋片4之间，由此，提高了叶片前缘13的散热能力，提高了叶片前缘13的散热效果。
49.根据本发明实施例的涡轮叶片100在使用时，涡轮叶片100的具体冷却过程如下：
50.在涡轮叶片100使用过程中，涡轮叶片100被外界热热气流包裹，压气机为涡轮叶片100供应冷却气流，冷却气流从安装腔的下方入口进入安装腔内，冷却气流在安装腔内从上到下流动，以冷却气流在肋片4和第一肋条组件2的流动为例，冷却气流分成三部分流出安装腔。
51.第一部分冷却气流从肋片4形成的第二冷却通道直接由下到上直接流出涡轮叶片100的第一腔131。
52.第二部分冷却气体从第一肋条组件2间的第一冷却通道进入第二腔141，第二部分冷却气体其中一部分汇入叶片前缘13内的第一部分冷却气流后直接流出叶片，第二部分冷却气体另一部分流向第一肋条组件2的相邻的的第一冷却通道内然后流出第二腔141。
53.第三部分冷却气体从第二肋条组件3间的通道进入第三腔151，第三部分冷却气体其中一部分汇入叶片前缘13内的第一部分冷却气流后直接流出叶片，第三部分冷却气体另一部分流向第二肋条组件3的相邻的的第一冷却通道内然后流出第二腔141，然后流出第三腔151。
54.在第二腔141和第三腔151内的第二部分冷却气流和第三部分冷却气流的流动较为复杂，各部分冷却气流间都有掺混、汇流或分流的情况，相邻两层肋条层5间的气流也会在肋条间进行掺混，具体流动与冷却气流流速等因素有关。这些掺混，汇流，分流的情况都会加强冷却气流的湍流度，相邻两层肋条层5的狭小通道也会提高冷却气流的流速。
55.综上所述，本发明的实施例的涡轮叶片100相较于传统的仅适用扰流柱增强换热的层板冷却结构的涡轮叶片100有更高的对流换热系数，有更好的涡轮叶片100冷却效果。
56.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。
57.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。
58.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。
59.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。
60.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。
61.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。