[实用新型]适应一体化打印成型的涡轮叶片冷却结构及发动机

说明书

一种适应一体化打印成型的涡轮叶片冷却结构及发动机，适应一体化打印成型的涡轮叶片冷却结构包括涡轮叶片的前缘、尾缘、压力面和吸力面；沿前缘到尾缘方向依次顺序定义第一冷却区、第二冷却区和第三冷却区：第一冷却区，包括：气膜孔，设置于第一冷却区的前缘上；闭合的冲击冷却板，设置于第一冷却区内部，且冲击冷却板上设置冲击冷却孔；第二冷却区，包括：两套倾斜矩阵肋和矩阵肋支撑板；第三冷却区，包括：劈缝槽。本实用新型采用三个冷却区结合的冷却结构，在提高了冷却效果的同时，满足了一体化打印成型的要求。

技术领域

本实用新型涉及涡轮叶片结构设计与制备领域，尤其涉及一种适应一体化打印成型的涡轮叶片冷却结构及发动机。

背景技术

伴随涡轮进口温度的提高，现代燃气轮机效率与功率提高。涡轮动叶与静叶暴露在高温环境中，这个温度超过了金属化合物的熔点。因此需要内部冷却结构。对涡轮叶片冷却结构而言，重要的是使用合适的边界条件，进行合理的机械设计，避免出现过大的温度梯度。因为过大的温度梯度会导致热应力增大从而降低部件寿命。

内部冷却与外部冷却是涡轮叶片两种重要的冷却方法。冷气从压气机引出，其引出流量的大小通过以下方式影响涡轮：1、如果涡轮过多的使用冷气流量，导致燃烧室头部空气量减少，在相同功率下燃烧室氮氧化物污染升高。2、如果涡轮过多的使用冷气流量，导致涡轮叶片尾缘加厚，产生大的尾迹区，降低了气动效率。3、冷却气流量不足以对涡轮冷却，将导致部件寿命降低。

因此，设计合适的涡轮冷却结构，使得冷却气流量在恰当的范围内，有利于整个燃机设计，需要经历“设计-计算-试验-设计-…”的闭环流程。试验与试制作为研发流程的最后一环，其最终体现在能实现涡轮叶片的批量制造，需要研发团队与加工团队进行配合。

燃机一导的一般设计方案：

通常，叶片沿着高度方向依次分为叶根、叶中、叶顶三段。冷气由叶根处进入冷却通路，叶中是冷却气热交换的主要地方，叶顶处设计时要注意是否进入冷却气与气动效率。

涡轮冷却叶片沿叶片弦长方向通常进行分区，其中短叶片多分为两个区，长叶片分为三个区(I、II、III区，如图1所示)。根据各区在加工制造中可能出现的坏点或在运行中出现的问题，评估其对整个叶片寿命带来的影响，从而确定三个区不同的加工精度要求。

各个设计公司根据涡轮的设计要求(燃烧室出口燃气速度，燃气压力，主流燃气湍流度，冷气流量范围，冷气温度，冷气压力等)根据手头积攒的经验公式对冷却结构进行设计，对各冷却单元的具体尺寸进行微调，完成概念设计。对初步设计方案进行CFD(计算流体动力学)迭代后进行换热试验等设计实验，形成初步详细设计，通过叶栅试验等确定外形，采用示温漆(thermal paint)等进行冷却试验确定冷却效果，通过热冲击(thermal shock)等试验确定系统的抗热震性能(thermal shock resistance)并判断损坏点原因等。这一系列的设计迭代与试验需要快速的对涡轮叶片进行造型与加工，设计周期大约一年。如果使用传统铸造至少又需要一年时间，并且产品昂贵。试验后的叶片如再经过修改设计，就又需要一轮周期。选用先进的3d打印作为加工方式，可以对设计问题迅速反馈修改，成型周期较短，同时，打印试造的第一件价格较铸造便宜。因此选用打印做涡轮叶片设计能够满足缩短周期时间，降低成本的需求。

3d打印采用是一层层堆叠方式成型，对孔、曲面等复杂结构，尤其能够体现其加工优势，然而传统涡轮设计尤其是内部冷却结构不是针对3d 打印而设计的，无法发挥该加工方式的优势。如打印结构悬空角度超过材料允许值，将引起成型件表面粗糙度升高，或在打印过程中出现坍塌导致打印失败。另一方面，如果过分追求对复杂结构打印，而不从涡轮叶片冷却设计要求出发，设计出实用，高效的产品，也无疑是本末倒置。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供一种适应一体化打印成型的涡轮叶片冷却结构及发动机，以期至少部分的解决上述提及的技术问题中的至少之一。