一种涡轮叶片冷却结构及叶片的制作方法

本发明涉及航空发动机叶片领域，具体涉及涡轮叶片复合冷却结构领域。

背景技术：

1、随着现代航空发动机技术的发展，涡轮进口温度不断升高。目前的航空发动机高压涡轮进口温度已接近2000k左右，未来更为先进的航空发动机涡轮进口温度将达到2100k-2200k水平，这对于高压涡轮的冷却设计提出了极大挑战。

2、现代航空发动机高压涡轮叶片的基本冷却形式包括冲击、扰流、气膜冷却等方式，高压涡轮叶片的内部冷却结构通常采用以上几种方式形成复合冷却结构，而双层壁冷却结构是由涡轮叶片的外层壁和内层壁组合构成、具有冲击孔、气膜孔和扰流结构的复合冷却单元，被认为具有高效的冷却效率，并已应用于pw公司的f135等先进发动机的涡轮导向叶片设计中。

3、在以上诸多基本冷却形式中可以获知，气膜冷却技术是涡轮部件承受高进口温度的关键技术。在目前的设计中，考虑到气膜孔制孔工艺和气膜冷却效果，通常在双层壁叶片单层壁位置应用形状各异的气膜孔设计，叶片能够获得可观的外部气膜冷效，但内部单层壁位置仅依靠冷气对流换热，冷却效果较为有限。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是提供一种涡轮叶片冷却结构，能够有效提升叶片的冷却效果。

2、为实现上述目的的一种叶片冷却结构用于冷却叶片，所述叶片包括叶身和叶腔，所述叶身包括朝向所述叶腔的内壁和朝向叶片外部的外壁。该叶片冷却结构包括多个扰流柱、气膜孔和单层薄壁，多个扰流柱设置成自所述外壁起始并朝向所述叶腔方向延伸；气膜孔贯穿所述扰流柱设置，以使所述扰流柱呈空心结构，所述气膜孔用于提供连通所述叶腔与叶身外部的流通路径；单层薄壁为所述叶身的部分或全部，设置在所述扰流柱附近，所述单层薄壁的厚度小于所述扰流柱的长度，以使所述扰流柱朝向所述叶腔的一端凸出地设置于所述单层薄壁所在区域。

3、在一个或多个实施例中，所述扰流柱的长度与所述气膜孔孔径的比值范围为(1.5～3):1，所述扰流柱的柱径与所述气膜孔的孔径的比值范围为(1.4～2):1。

4、在一个或多个实施例中，所述扰流柱呈阵列状设置，阵列包括叉排结构和/或顺排结构。

5、在一个或多个实施例中，所述气膜孔为异型气膜孔。

6、在一个或多个实施例中，所述气膜孔的孔径范围为0.4mm～0.8mm。

7、在一个或多个实施例中，所述气膜孔的倾角范围为30°～90°，所述扰流柱的倾角与所述气膜孔的倾角范围一致。

8、在一个或多个实施例中，所述单层薄壁的壁厚范围为0.8mm～1.2mm。

9、在一个或多个实施例中，该叶片冷却结构设置在叶片叶背处。

10、本发明的另一个目的是提供一种叶片，该叶片包括上述叶片冷却结构。

11、上述叶片冷却结构通过设置多个扰流柱以及设置在扰流柱内的气膜孔，能够使冷气由气膜孔流出后在叶身的外壁形成冷却气膜保护，并且在单层薄壁处也可以形成强烈的扰流作用，从而有效提升对流换热系数，加强叶腔在单层薄壁处的对流换热效果；此外，单层薄壁能够有效降低热阻，从而还可实现较佳的导热效果，因此，上述叶片冷却结构能够从对流换热和导热两个方面增强对高温叶片的冷却效果。

技术特征：

1.一种叶片冷却结构，用于冷却叶片，所述叶片包括叶身(11)和叶腔(14)，所述叶身(11)包括朝向所述叶腔(14)的内壁(101)和朝向叶片外部的外壁(102)，其特征在于，该叶片冷却结构包括：

2.如权利要求1所述的叶片冷却结构，其特征在于，所述扰流柱(51)的长度与所述气膜孔(52)孔径的比值范围为(1.5～3):1，所述扰流柱(51)的柱径与所述气膜孔(52)的孔径的比值范围为(1.4～2):1。

3.如权利要求1所述的叶片冷却结构，其特征在于，所述扰流柱(51)呈阵列状设置，阵列包括叉排结构和/或顺排结构。

4.如权利要求1所述的叶片冷却结构，其特征在于，所述气膜孔(52)为异型气膜孔。

5.如权利要求1所述的叶片冷却结构，其特征在于，所述气膜孔(52)的孔径范围为0.4mm～0.8mm。

6.如权利要求1所述的叶片冷却结构，其特征在于，所述气膜孔(52)的倾角范围为30°～90°，所述扰流柱(51)的倾角与所述气膜孔(52)的倾角范围一致。

7.如权利要求1所述的叶片冷却结构，其特征在于，所述单层薄壁(53)的壁厚范围为0.8mm～1.2mm。

8.如权利要求1所述的叶片冷却结构，其特征在于，该叶片冷却结构设置在叶片叶背处。

9.一种叶片，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的叶片冷却结构。

技术总结提供一种用于冷却叶片的叶片冷却结构，包括多个扰流柱、气膜孔和单层薄壁，多个扰流柱设置成自外壁起始并朝向叶腔方向延伸；气膜孔贯穿扰流柱设置，以使扰流柱呈空心结构，气膜孔用于提供连通叶腔与叶身外部的流通路径；单层薄壁为叶身的部分或全部，设置在扰流柱附近，单层薄壁的厚度小于扰流柱的长度，以使扰流柱朝向叶腔的一端凸出地设置于单层薄壁所在区域。上述叶片冷却结构能够显著增强薄壁处的对流换热效果，还可以通过薄壁降低热阻，提升导热性能。还提供一种叶片。技术研发人员：丁亮,张婷,尤煜龙受保护的技术使用者：中国航发商用航空发动机有限责任公司技术研发日：技术公布日：2024/6/5