涡轮叶片的制作方法

1.本公开涉及涡轮叶片的技术领域，尤其涉及涡轮叶片。


背景技术：

2.随着科技的发展，涡轮叶片进气温度不断提高，进气温度已远超叶片材料的熔点，为了保证涡轮安全可靠运行，需要对涡轮叶片进行冷却，以便涡轮叶片的温度和应力分布保持合理。
3.对于静叶端壁通常采用的冷却方式有：冲击冷却和气膜冷却，冷气从冲击板的冷气孔流入后，冲击端壁，流入端壁气膜孔或叶身，在端壁表面形成气膜覆盖或冷却叶身，但端壁下游冲击冷气受上游冷气冲击的影响，使得端壁下游冲击冷却的效果大大减弱，故有待改进。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，本公开提供了涡轮叶片，以改善涡轮叶片端壁冲击冷却效果差的问题。
5.本公开提供了一种涡轮叶片，包括：叶身，叶身内部中空，叶身后缘开设多个间隔布设的第一气膜孔；端壁，设于叶身的端部，端壁上开设有与叶身内部连通的冷气腔，冷气腔远离叶身的一侧呈开口状，端壁上开设有与外界连通的第二气膜孔；冲击板，设于冷气腔的开口处，冲击板上开设有多个第一冲击孔，多个第一冲击孔间隔布设且均与冷气腔相连通；柱肋，设有多个，多个柱肋间隔设置于冷气腔内，柱肋沿叶身的径向布设，柱肋靠近叶身的一端与冷气腔的内底壁固定连接。
6.可选地，柱肋远离叶身的一端与冲击板靠近叶身的一侧相贴合，或柱肋的高度不大于冷气腔内底壁与冲击板靠近叶身一侧之间距离的一半。
7.可选地，多个第一冲击孔纵横排布，多个柱肋纵横排布，多列第一冲击孔与多列柱肋均沿叶身的前缘向后缘间隔设置，且一列柱肋位于相邻两列第一冲击孔之间。
8.可选地，每列柱肋的数量不少于每列第一冲击孔数量的一半，和/或柱肋与第一冲击孔的直径比为(2-2.5)∶1。
9.可选地，端壁的前部、中部和后部均设有加密区，加密区内第一冲击孔的布设密度大于非加密区第一冲击孔的布设密度。
10.可选地，加密区内柱肋的布设密度大于非加密区柱肋的布设密度。
11.可选地，加密区内柱肋的直径与非加密区内柱肋的直径比为1∶2～2∶3。
12.可选地，第二气膜孔由叶身前缘向后缘倾斜向下布设。
13.可选地，端壁的尾部设有尾部冷却组件，尾部冷却组件用于对端壁的尾部进行进一步的冷却。
14.可选地，尾部冷却组件包括：挡板，设于冷气腔的后缘，挡板将冷气腔分为前部冷却区域和尾部冷却区域，第一冲击孔、柱肋和第二气膜孔均位于前部冷却区域，挡板上开设
有多个间隔布设的第二冲击孔，端壁的尾部开设有多个第三气膜孔；扰流块，设于端壁尾部，扰流块设有多个，多个扰流块位于尾部冷却区域，多个扰流块与多个第三气膜孔交错设置。
15.本公开实施例采用的上述至少一个技术方案至少包括以下有益效果：
16.设置柱肋，一方面，对冷气腔内冷气的横向流动进行干涉，扰动冷气自由流，增加端壁换热面积，延长冷气在冷气腔内的停留时间，提高冷气的强化换热效果，有效降低了端壁的温度；另一方面，将横向流转化成旋转涡系，使上游的冷气在冲击端壁后绕开下游的冲击孔的位置，下游的冷气冲击端壁时能够免受上游形成的横向流的影响，减少下游冷气冲击受上游横向流的直接冲击，提高下游冷气冲击的冷却效果；
17.通过设置加密区，增强叶身前缘、后缘及相邻两个叶身间喉道区域对流和冲击换热强度，针对性的降低端壁高热负荷区的温度，提高涡轮叶片运行的稳定性；
18.通过控制柱肋与冲击孔的相对布设方式，不仅易于该产品的加工，同时也有利于使冷气冷却效果最大化；
19.在端壁的尾部区域设置尾部冷却组件，并扰动尾部冲击气流，增强尾部区域的换热强度，能够进一步对端壁进行冷却。
附图说明
20.为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
21.图1示意性示出了本公开实施例提供的涡轮叶片一个视角的剖视结构示意图；
22.图2示意性示出了本公开实施例提供的涡轮叶片另一个视角的剖视结构示意图；
23.图3示意性示出了本公开实施例提供的涡轮叶片端壁一个视角的剖视结构示意图；
24.图4示意性示出了本公开实施例提供的涡轮叶片冲击板的俯视图；
25.图5示意性示出了本公开实施例提供的涡轮叶片端壁另一视角的剖视结构示意图；
26.图6示意性示出了图1中冷气由端壁前缘向后缘流动的示意图；
27.图7示意性示出了冷气在冷气腔中流动的示意图；
28.图8示意性示出了缺少柱肋和尾部冷却组件时冷气腔中冷气流动的示意图。
29.【附图标记说明】
30.1-叶身；11-第一气膜孔；2-端壁；21-冷气腔；211-前部冷却区域；212-尾部冷却区域；22-第二通气孔；23-第二气膜孔；24-第三气膜孔；3-冲击板；31-第一冲击孔；32-第一通气孔；4-柱肋；5-尾部冷却组件；51-挡板；511-第二冲击孔；52-扰流块；6-加强柱；
31.101-正向横向流；102-逆向横向流；103-尾部横向流；104-上游横向流；105-下游冲击流；106-对涡；
32.f1-叶身径向。
具体实施方式
33.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全
部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
35.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，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，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。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。
36.目前，静叶端壁通常采用的冷却方式有：冲击冷却和气膜冷却，冷气从冲击板的冷气孔流入后，冲击端壁，流入端壁气膜孔或叶身，在端壁表面形成气膜覆盖或冷却叶身，通常冲击板与端壁组成冷气腔，冷气从端壁上游冲击板上的冲击孔冲击端壁后，在冷气腔内流动形成横向流(由叶身的前缘向后缘流动)，横向流与端壁下游冲击的冷气流汇合从端壁上流出或流入叶身，而端壁下游冲击冷气受上游冷气冲击横向流的影响，使得端壁下游冲击冷却的效果大大减弱。
37.本公开的目的在于提供一种涡轮叶片，改善涡轮叶片端壁冲击冷却效果差的问题。
38.下面结合具体实施例并参照附图对本发明进一步详细说明。
39.图1示意性示出了本公开实施例提供的涡轮叶片一个视角的剖视结构示意图；图2示意性示出了本公开实施例提供的涡轮叶片另一个视角的剖视结构示意图；图3示意性示出了本公开实施例提供的涡轮叶片端壁一个视角的剖视结构示意图。
40.参照图1、图2和图3，该涡轮叶片例如可以包括：叶身1、端壁2、冲击板3和柱肋4。
41.叶身1内部中空，叶身1后缘开设多个间隔布设的第一气膜孔11；端壁2设于叶身1的端部，端壁2上开设有与叶身1内部连通的冷气腔21，冷气腔21远离叶身1的一侧呈开口状，端壁2上开设有与外界连通的第二气膜孔23；冲击板3设于冷气腔21的开口处，冲击板3上开设有多个第一冲击孔31，多个第一冲击孔31间隔布设且均与冷气腔21相连通；柱肋4设有多个，多个柱肋4间隔设置于冷气腔21内，柱肋4沿叶身1的径向布设，柱肋4靠近叶身1的一端与冷气腔21的内底壁固定连接。
42.具体地，叶身1内部中空，多个第一气膜孔11沿叶身径向f1的方向均匀间隔布设，叶身1设有两个，两个叶身1平行间隔布设；端壁2设有两个，两个端壁2对称设置于叶身1的相对两端，两个叶身1的端部均与端壁2一体成型，两个端壁2上均开设有冷气腔21，两个端壁2相互远离的一侧均呈开口状，冷气腔21的内底壁开设有第二通气孔22，冷气腔21与叶身1通过第二通气孔22相连通，端壁2上开设有与外界连通的第二气膜孔23，第二气膜孔23设置有三组，每组具有两个，三组第二气膜孔23与两个叶身1交错间隔布设，且第二气膜孔23靠近叶身1后缘的位置设置，每组中的两个第二气膜孔23沿与两个叶身1之间燃气流动方向相垂直的方向间隔设置；冲击板3固定安装于冷气腔21的开口处，冲击板3上开设有多组第一冲击孔31，每组第一冲击孔31具有多个，每组第一冲击孔31由叶身1前缘到后缘均匀间隔布设，每组中的多个第一冲击孔31沿与两个叶身1之间燃气流动方向相垂直的方向均匀间
隔布设，冲击板3上开设有两个第一通气孔32，两个第一通气孔32靠近叶身1前缘的位置设置，且两个第一通气孔32分别位于两个第二通气孔22的正上方；多个柱肋4分为多组，每组具有多个，多组柱肋4沿叶身1的前缘向后缘间隔设置，每组中的多个柱肋4沿与两个叶身1之间燃气流动方向相垂直的方向均匀间隔布设。
43.需要说明的是，本公开实施例对叶身1的数量不做具体的限定，可以根据实际需要调整叶身1的数量，多个叶身1平行间隔布设且与端壁2一体成型设置。两个端壁2中一个端壁2上开设第二通气孔22，另一个不开设第二通气孔22，且冲击板3上的第一通气孔32也是只与第二通气孔22对应开设。同时，本公开实施例对第二气膜孔23的数量也不做具体的限定，可以根据实际需要对第二气膜孔23的数量进行调整。
44.根据本公开的实施例，继续参照图1和图3，为了便于加工，柱肋4远离叶身1的一端与冲击板3靠近叶身1的一侧相贴合，需要注意的是，在其他实施例中，可以对柱肋4的高度进行调整，但柱肋4的高度不大于冷气腔21内底壁与冲击板3靠近叶身1一侧之间距离的一半。
45.例如，柱肋4的形状可以为圆柱体、菱柱体或半球形中的任意一种。
46.根据本公开的实施例，继续参照图1和图3，多个第一冲击孔31纵横排布，多个柱肋4纵横排布，多列第一冲击孔31与多列柱肋4均沿叶身1的前缘向后缘间隔设置，且一列柱肋4位于相邻两列第一冲击孔31之间。多列第一冲击孔31即上述提到的多组第一冲击孔31，多列柱肋4即上述提到的多组柱肋4。需要说明的是，设置柱肋4和第一冲击孔31的位置时，先设置第一冲击孔31再设置柱肋4，确保每组第一冲击孔31冲入的冷气在向下游流动时都能被与每组第一冲击孔31对应的每组柱肋4进行扰流。
47.根据本公开的实施例，继续参照图1和图3，为了便于涡轮叶片的加工及使端壁2的冷却效果最大化。每列柱肋4的数量不少于每列第一冲击孔31数量的一半，柱肋4与第一冲击孔31的直径比为(2-2.5)∶1。
48.具体地，相邻两组第一冲击孔31之间的距离与第一冲击孔31的直径比为8∶1，每组中相邻两个第一冲击孔31之间的距离与第一冲击孔31的直径比为3.3∶1，柱肋4的直径与第一冲击孔31直径的比值为2.5∶1，相邻两组第一冲击孔31之间的距离与相邻两组柱肋4之间的距离相等，每组中相邻两个柱肋4之间的距离与每组中相邻两个第一冲击孔31之间的距离的比值为2∶1，需要说明的是，也可以对柱肋4和第一冲击孔31的直径不做限定。
49.图4示意性示出了本公开实施例提供的涡轮叶片冲击板的俯视图；图5示意性示出了本公开实施例提供的涡轮叶片端壁另一视角的剖视结构示意图。
50.根据本公开的实施例，参照图3、图4和图5，端壁2的前部、中部和后部均设有加密区，加密区内第一冲击孔31的布设密度大于非加密区第一冲击孔31的布设密度。
51.根据本公开的实施例，加密区内柱肋4的布设密度大于非加密区柱肋4的布设密度。
52.根据本公开的实施例，加密区内柱肋4的直径与非加密区内柱肋4的直径比为1∶2～2∶3。
53.具体地，根据涡轮叶片热负荷分布特点：两个叶身1前缘(区域1a和区域2a)、后缘(区域3a和区域4a)和两叶片间喉道位置(区域5a)热负荷较大。区域1a、区域2a、区域3a、区域4a和区域5a均为本公开实施例中的加密区，加密区内第一冲击孔31的密度为非加密区的
2倍，同时，加密区对应的柱肋4的密度为非加密区对应的柱肋4的密度的2倍，需要说明的是，由于两叶片间喉道位置(区域5b)有周向泄漏冷却，所以区域5b中第一冲击孔31的密度与非加密区的密度一致，区域5b中柱肋4的密度与非加密区柱肋4密度的一致。
54.根据本公开的实施例，参照图1和图5，为了使冷气腔21中的冷气能够更好的从第二气膜孔23中流出，使气膜更好的贴合端壁2的外周侧，隔离燃气，第二气膜孔23由叶身1前缘向后缘倾斜向下布设。
55.根据本公开的实施例，参照图1、图3和图5，为了提高端壁2尾部的冷却效果，端壁2的尾部设有尾部冷却组件5，尾部冷却组件5用于对端壁2的尾部进行进一步的冷却。
56.根据本公开的实施例，参照图1、图3和图5，尾部冷却组件5包括：挡板51和扰流块52。
57.挡板51设于冷气腔21的后缘，挡板51将冷气腔21分为前部冷却区域211和尾部冷却区域212，第一冲击孔31、柱肋4和第二气膜孔23均位于前部冷却区域211，挡板51上开设有多个间隔布设的第二冲击孔511，端壁2的尾部开设有多个第三气膜孔24；扰流块52设于端壁2尾部，扰流块52设有多个，多个扰流块52位于尾部冷却区域212，多个扰流块52与多个第三气膜孔24交错设置。
58.具体地，挡板51的周侧与冷气腔21的内侧壁固定连接，挡板51远离叶身1的一侧与冲击板3固定连接；扰流块52的形状为半球形，且扰流块52与第一冲击孔31的直径比为1.5∶1，需要说明的是，本公开实施例对扰流块52的形状不做具体的限定，扰流的形状也可设置为圆柱体。
59.图6示意性示出了图1中冷气由端壁前缘向后缘流动的示意图；图7示意性示出了冷气在冷气腔中流动的示意图；图8示意性示出了缺少柱肋和尾部冷却组件时冷气腔中冷气流动的示意图。
60.根据本公开的实施例，参照图6、图7和图8，在没有设置柱肋4的条件下，冷气腔21中的冷气流动如图8所示，冷气从冲击板3上游流入，上游的冷气冲击端壁2后形成上游横向流104，干扰下游冷气冲击形成的下游冲击流105，使下游冲击流105冷气冲击的强度减弱。在设置柱肋4的条件下，冷气腔21中的冷气流动如图7所示，冷气从第一冲击孔31入为源，从端壁2第二气膜孔23出为汇，源为上游，汇为下游。汇位于端壁2横向中间位置，冷气从横向的左、右端分别流入，形成正向横向流101和逆向横向流102。不同方向的冷气流干扰较小。对于每条流向的流动，上游冷气在冲击端壁2后，正向横向流101遇柱肋4流动发生偏转(如图7所示)，在柱肋4后形成对涡106，削弱正向横向流101对下游冲击冷气的冲击冷却效果；沿着流向，每列柱肋4均产生漩涡，形成涡系，在不增加冷气量的前提下，提高了冷气与端壁2的换热效果；对于柱肋4加密区，流动涡系更复杂，进一步提高局部换热效果。对于端壁2尾部区域，进行第二次冲击气膜冷却，冷气腔21内的冷气部分进入第二冲击孔511，冲击端壁2尾部的内侧壁及底壁，冲击后的尾部横向流103流过扰流块52后形成涡系，与端壁2尾部充分换热后流出第三气膜孔24，扰流块52扰动尾部区域的冲击气流，对整个端壁2尾部区域进行了强化换热。
61.现结合该涡轮叶片的实施原理对本公开实施例进行进一步的说明：一部分冷气从叶身1一端冲击板3上的第一通气孔32进入冷气腔21，再经过第二通气孔22进入叶身1内部，对叶身1进行冷却，最后从第一气膜孔11排出，对于叶身1另一端，冷气从叶身1另一端冲击
板3上第一冲击孔31进入另一端的冷气腔21，只对叶身1另一端进行冲击和气膜冷却，冷气不再进入叶身1。同时，一部分冷气从冲击板3上游的第一冲击孔31流入前部冷却区域211，冲击气流加速并碰撞到端壁2上，对端壁2进行冲击冷却，冲击后的冷气绕过柱肋4，流入第二气膜孔23，端壁2燃气外侧表面形成气膜，对端壁2进行气膜冷却；对于尾部区域，冷气腔21中的冷气通过第二冲击孔511进入尾部冷却区域212，冲击端壁2尾部，对端壁2的尾部进行冷却，最后由第三气膜孔24流出。
62.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”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子系统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。
63.贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
64.类似地，为了精简本发明并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本发明示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述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。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指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何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。
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。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。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.以上所述的具体实施例，对本发明的技术方案进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种涡轮叶片，其特征在于，包括：叶身(1)，所述叶身(1)内部中空，所述叶身(1)后缘开设多个间隔布设的第一气膜孔(11)；端壁(2)，设于所述叶身(1)的端部，所述端壁(2)上开设有与所述叶身(1)内部连通的冷气腔(21)，所述冷气腔(21)远离所述叶身(1)的一侧呈开口状，所述端壁(2)上开设有与外界连通的第二气膜孔(23)；冲击板(3)，设于所述冷气腔(21)的开口处，所述冲击板(3)上开设有多个第一冲击孔(31)，所述多个第一冲击孔(31)间隔布设且均与所述冷气腔(21)相连通；柱肋(4)，设有多个，多个所述柱肋(4)间隔设置于所述冷气腔(21)内，所述柱肋(4)沿所述叶身(1)的径向布设，所述柱肋(4)靠近所述叶身(1)的一端与所述冷气腔(21)的内底壁固定连接。2.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述柱肋(4)远离所述叶身(1)的一端与所述冲击板(3)靠近所述叶身(1)的一侧相贴合，或所述柱肋(4)的高度不大于所述冷气腔(21)内底壁与所述冲击板(3)靠近所述叶身(1)一侧之间距离的一半。3.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，多个所述第一冲击孔(31)纵横排布，多个所述柱肋(4)纵横排布，多列所述第一冲击孔(31)与多列所述柱肋(4)均沿所述叶身(1)的前缘向后缘间隔设置，且一列所述柱肋(4)位于相邻两列所述第一冲击孔(31)之间。4.根据权利要求3所述的涡轮叶片，其特征在于，每列所述柱肋(4)的数量不少于每列所述第一冲击孔(31)数量的一半，和/或所述柱肋(4)与所述第一冲击孔(31)的直径比为(2-2.5)∶1。5.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述端壁(2)的前部、中部和后部均设有加密区，所述加密区内第一冲击孔(31)的布设密度大于非加密区第一冲击孔(31)的布设密度。6.根据权利要求5所述的涡轮叶片，其特征在于，所述加密区内柱肋(4)的布设密度大于非加密区柱肋(4)的布设密度。7.根据权利要求6所述的涡轮叶片，其特征在于，所述加密区内柱肋(4)的直径与非加密区内柱肋(4)的直径比为1：2～2：3。8.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述第二气膜孔(23)由所述叶身(1)前缘向后缘倾斜向下布设。9.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述端壁(2)的尾部设有尾部冷却组件(5)，所述尾部冷却组件(5)用于对所述端壁(2)的尾部进行进一步的冷却。10.根据权利要求9所述的涡轮叶片，其特征在于，所述尾部冷却组件(5)包括：挡板(51)，设于所述冷气腔(21)的后缘，所述挡板(51)将所述冷气腔(21)分为前部冷却区域(211)和尾部冷却区域(212)，所述第一冲击孔(31)、所述柱肋(4)和所述第二气膜孔(23)均位于所述前部冷却区域(211)，所述挡板(51)上开设有多个间隔布设的第二冲击孔(511)，所述端壁(2)的尾部开设有多个第三气膜孔(24)；扰流块(52)，设于所述端壁(2)尾部，所述扰流块(52)设有多个，多个所述扰流块(52)位于所述尾部冷却区域(212)，多个所述扰流块(52)与多个所述第三气膜孔(24)交错设置。

技术总结
本公开提供一种涡轮叶片，涉及涡轮叶片领域，其包括叶身，所述叶身内部中空，所述叶身后缘开设多个间隔布设的第一气膜孔；端壁，设于所述叶身的端部，所述端壁上开设有与所述叶身内部连通的冷气腔，所述冷气腔远离所述叶身的一侧呈开口状，所述端壁上开设有与外界连通的第二气膜孔；冲击板，设于所述冷气腔的开口处，所述冲击板上开设有多个第一冲击孔，所述多个第一冲击孔间隔布设且均与所述冷气腔相连通；柱肋，设有多个，多个所述柱肋间隔设置于所述冷气腔内，所述柱肋沿所述叶身的径向布设，所述柱肋靠近所述叶身的一端与所述冷气腔的内底壁固定连接。本公开具有提高涡轮叶片端壁冲击冷却能力的效果。击冷却能力的效果。击冷却能力的效果。


技术研发人员：蒋旭旭 徐克鹏 陈春峰 张正秋 王文三
受保护的技术使用者：北京全四维动力科技有限公司
技术研发日：2023.03.08
技术公布日：2023/7/6