一种气冷涡轮转子叶片的制作方法

本申请属于燃气涡轮发动机领域，特别涉及一种气冷涡轮冷却叶片。

背景技术：

燃气涡轮发动机通常由压气机、燃烧室和涡轮三大部件组成，涡轮部件将高温燃气的内能转化为机械能。燃气涡轮发动机的涡轮叶片需要在高温的燃气情况下工作中，承受远超过基体材料熔点的温度，第一级涡轮转子叶片的承温能力决定了燃气涡轮发动机的涡轮前温度。为提高涡轮叶片的使用问题，通常情况下需要从压气机引出温度较低的高压空气进入叶片的空腔，高压空气作为冷却气对涡轮叶片进行冷却。

现有技术中，如图1所示，涡轮转子叶片包含榫头1、缘板2、叶身3和叶尖4，在榫头1底部有1个以上的径向通道5，冷气由径向通道5进入叶身3内进行冷却。如图2所示，涡轮转子叶片的叶身3是空腔结构，叶身3按区域可分为前缘8、排气边9、叶盆6和叶背7。根据涡轮转子叶片壁面不同区域的热负荷的差异，叶身3的空腔内一般会设计出多个回转的冷却通道10，冷气由径向通道5通入叶片叶身3内腔进行冷却。为了获得更好的冷却效果，通常使用复合冷却方式对涡轮转子叶片进行有效冷却，其包括在前缘8设置多排沿叶身径向高度分布的气膜孔12和排气边9设置的劈缝1，冷却通道10内设置扰流肋或扰流柱等，以此保持叶片壁面温度在使用范围内并尽量均匀。但是由于回转通道10的存在，为满足各通道的冷却流通面积的需求，叶身3及叶尖4不可避免地增大了截面厚度，影响了涡轮转子叶片的气动造型，并且使得涡轮转子叶片重量增大，带来较高的榫头和轮盘负荷，引出涡轮转子叶片的叶根处强度的问题。

技术实现要素：

本申请的目的是提供了一种气冷涡轮转子叶片，以解决上述任一问题。

本申请的技术方案是：一种气冷涡轮转子叶片，所述气冷涡轮转子叶片包括叶身，所述叶身为空腔结构，其内设有空间网格体，叶身表面沿转子叶片径向方向分布设有劈缝和多个气膜孔，叶身的叶根处设有连通所述空腔结构的径向通道，冷却气流自径向通道流入、自劈缝和气膜孔流出以降低所述气冷涡轮转子叶片的温度。

在本申请中，所述叶身与径向的截面表面包括前缘、叶盆、叶背和排气边，所述劈缝设置在排气边，所述气膜孔分布在前缘、叶盆和叶背7至少一处上。

在本申请中，所述空间网格体由杆体和节点构成，所述杆体连接于所述节点构成空间网格体。

在本申请中，所述空间网格体包括四面网格体、正方形网格体和六棱柱形网格体中的一种。

在本申请中，所述空间网格体与所述叶身一体化成型。

在本申请中，所述一体化成型包括3D打印和铸造。

本申请的气冷涡轮转子叶片由于空间网格体的存在，显著增加了涡轮转子叶片内部换热的面积，增强了涡轮转子叶片的冷却效果，可以有效降低叶片的壁面温度；此外，还降低了涡轮转子叶片内的冷却结构对气动造型的约束，有利于实现涡轮的高效率。本申请中的空间网格体一方面具有很好的强度和刚性，可以对叶身的前缘、叶盆、叶背和排气边形成有效的支撑，还可以避免选用较厚的叶型，且简化了叶身内腔的冷却结构，避免使用复杂的回转通道，可以显著降低叶片的整体重量，从而降低叶片榫头和轮盘的离心负荷，提高叶片的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。

图1为涡轮转子叶片结构简图；

图2为现有冷却结构的涡轮转子叶片截面简图；

图3为本申请的涡轮转子叶片截面简图；

图4(a)为本申请中正四面体空间网格体的基本单元；

图4(b)为本申请中正方体空间网格体的基本单元；

图4(c)为本申请中六棱柱空间网格体的基本单元。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

本申请的目的在于提供一种气冷涡轮转子叶片，在叶身内腔设置空间网格体13，实现高效冷却的同时，降低叶片的重量，从而降低叶片榫头和涡轮盘的负荷。

本申请的气冷涡轮转子叶片具有与现有技术中的涡轮转子叶片相同或相似的结构，本申请的气冷涡轮转子叶片包含榫头1、缘板2、叶身3和叶尖4，在榫头1的底部有1个以上的径向通道5，叶身3为空腔结构，叶身3按区域可分为前缘8、排气边9、叶盆6和叶背7，冷却空气由榫头1底部的径向通道5通入涡轮转子叶片的叶身3内腔，在内腔3中布置密集均布的空间网格体13，替代了现有技术中普遍采用的回转通道10，空间网格体13与叶身3内壁面连接。在涡轮转子叶片的前缘8、叶盆6、叶背7区域，可以根据叶片外换热负荷情况，布置一排或多排气膜孔12，在排气边9布置一排径向分布的劈缝11。冷却空气可以自径向通道5流入，自气膜孔12和劈缝11流出。

在本申请以实施方式中，空间网格体13的基本单元可以是正四面体、正方体、六棱柱或其他空间构型。在基本单元上，空间网格体13由杆体14和节点15构成，杆体14在节点15的连接处为球形，两个节点15间以杆体14连接。

在本申请以实施方式中，空间网格体13和叶身3一体化成型，成型技术可以采用例如3D打印或铸造等。

工作状态下，由主流道高温燃气传入叶片外壁面的热量传导至空间网格体13，与冷却空气发生热交换，热量被冷却空气带走，并且由气膜孔12或劈缝11排出涡轮转子叶片，并且，冷却空气排出涡轮转子叶片后，还会在涡轮转子叶片表面形成覆盖，进一步将高温燃气和涡轮转子叶片的外壁面隔开，降低高温燃气向叶身3的热传导，从而有效对涡轮转子叶片进行冷却。

本申请的气冷涡轮转子叶片由于空间网格体13的存在，显著增加了涡轮转子叶片内部换热的面积，增强了涡轮转子叶片的冷却效果，可以有效降低涡轮转子叶片的壁面温度，此外还降低了涡轮转子叶片的冷却结构对气动造型的约束，有利于实现涡轮的高效率。本申请中的空间网格体13一方面具有很好的强度和刚性，可以对叶身3的前缘8、叶盆6、叶背7和排气边9形成有效的支撑，另外还可以避免选用较厚的叶型，简化了涡轮转子叶片内腔的冷却结构，避免使用复杂的回转通道，显著降低了涡轮转子叶片的整体重量，从而降低叶片榫头和轮盘的离心负荷，提高叶片的可靠性。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。