涡轮机中空轮叶的制作方法

1.本发明涉及涡轮机中空轮叶，特别是用于高压涡轮的涡轮定子轮叶，这些涡轮机中空轮叶被在这些轮叶的内部空腔中流通的空气流冷却。

背景技术：

2.现有技术尤其包括文献us-a1-2014/0079540。
3.涡轮机的高压涡轮定子在内部环与外部环之间包括一环形排的轮叶，这一环形排的轮叶形成离开燃烧室的空气所通过的管道。这一环形排的轮叶的结构经受非常高的温度。因此，涡轮定子的轮叶通常是中空的，并且这些轮叶的由在燃烧室中加热的管道的空气绕过的壁被在内部空腔内流通的空气流冷却。根据现有技术，插入件被置于空腔中，并且开有孔，以朝向轮叶的叶片的壁分配冷却空气。冷却空气通过插入件的每个孔形成射流，该射流使得能够通过冲击壁的内部面来冷却轮叶的壁。
4.根据这些方法，涡轮定子可以被制造为单块，或者通过对包括一个或多个轮叶的元件进行组装来制造，轮叶通常包括叶片，该叶片具有形成内部环和外部环的部段的平台，该内部环和外部环的部段支撑这些轮叶。通常，这些元件的制造是通过铸造和机加工完成的。特别是由于插入件，这种制造变得复杂且昂贵。
5.增材制造提供了一种令人感兴趣的替代方案来生产涡轮定子的元件。以已知的方式，例如通过对形成零件的材料的粉末的连续层进行激光熔融来完成零件的增材制造。特别地，增材制造使得能够为插入件考虑更适合的形状以更好地分配冷却，甚至优化叶片的形状。
6.然而，增材制造无法生产悬置部分，特别是插入件的情况。为了产生悬置部分，有必要在生产形成保持所述悬置部分的零件部分的层时预期并设置能够保持这些悬置部分的支撑件。然后必须在制造结束时移除这些支撑件。
7.更一般地，对于增材制造，被称为悬置的部分也是零件的相对于制造层的前进方向的下表面，这些下表面与制造层的平面形成小于30
°
的角度。
8.无论是对于插入件还是对于制造具有对其进行支撑的外部环和内部环部段的轮叶，通常发现被称为悬置的部段的两种类型的构造，这需要使用加工过程中的支撑件。这使得涡轮定子的增材制造更加复杂，并且可能使其更不适用。
9.本发明的目的在于提出一种新型的中空轮叶，该中空轮叶可以通过克服加工过程中的支撑件的困难而通过增材制造来制造。
10.本发明的第二个目的在于通过在轮叶的空腔中流通的空气流来优化轮叶的冷却。

技术实现要素：

11.为此，本发明涉及一种涡轮机中空轮叶，所述涡轮机中空轮叶包括至少一个叶片，所述叶片具有侧向壁，所述侧向壁旨在对围绕叶片的管道中的流进行引导，并且所述侧向壁在叶片的第一纵向端部处附接在第一平台上，叶片还包括在侧向壁之间的内部空腔，该
空腔旨在使用于对叶片进行冷却的流体通过，其中，用于使流体进入的入口开口通向所述第一平台，其特征在于，螺旋表面阵列填充空腔的至少一部分并且被布置成引导所述空腔中的冷却流体并且与侧向壁的至少一部分接触。
12.螺旋表面阵列(下面给出了该螺旋表面阵列的简要描述)是将空间分成两个允许流体通过的单独的槽道的表面。因此，可以将该螺旋表面阵列布置成引导在内部流动的流体朝向叶片的侧向壁，从而促进冷却。
13.另外，螺旋表面使与流体接触的接触表面积最大化，同时为流体形成不具有紧密封闭的弯曲部的流动槽道。这对与冷却流体进行热交换的功能具有两个互补的作用。一方面，由导电材料制成的螺旋表面阵列能够通过在与其接触的热的侧向壁上进行传导而容易地将螺旋表面阵列泵送的热量传递到流体。另一方面，槽道的形状引起低的压降，这最大程度地减少了必须用于使冷却流体流通通过交换器的能量。
14.此外，由于其几何特性，螺旋表面相对于通过增材制造的制造约束是自支撑的。如果叶片的壁的一些部段在制造过程中的给定时间处于“悬置”状态，则螺旋表面阵列至少在某些位置与叶片的壁接触的事实也使得能够在增材制造期间支撑这些壁。
15.此外，螺旋表面通过在基本立方体单体单元的三个空间维度中再现而形成。有利地，该立方体基本单体单元可以被定向为基本上平行于纵向方向。
16.有利地，螺旋表面阵列在叶片的整个纵向延伸部分上延伸并且通向在第一平台中实施的开口，以在冷却流体到达叶片时立即引导冷却流体的流动。
17.可替代地，叶片的侧向壁可以在第二纵向端部处附接到第二平台，于是螺旋表面阵列可以在侧向壁之间抵接在第二平台上。
18.这尤其有利于实现在通过增材方法进行制造的阶段期间对叶片的阵列和/或其他元件的支撑。
19.有利地，由于螺旋表面阵列将空间分成两个单独的槽道，冷却流体可以流动通过这两个单独的槽道，因此叶片的侧向壁通过与螺旋表面阵列相交而形成所述槽道的壁的一部分。
20.这促进了流体与叶片的壁之间的热交换。
21.螺旋表面阵列可以在整个空腔上具有均匀的结构，但是也可以想到阵列的其他替代设计。
22.例如，由于螺旋表面阵列由基本立方体单体单元形成，因此单体单元的尺寸可以随着在空腔中的位置而变化，例如从空腔的中心朝向侧向壁减小。
23.此外，螺旋表面的壁厚可以是可变的，例如从空腔的中心朝向侧向壁减小。
24.这些变型将取决于本领域技术人员的选择，例如为了更好地引导冷却流体朝向叶片的壁的最热区域和/或为了提高在运作期间轮叶中的阵列的机械强度。
25.螺旋表面阵列可以占据全部或几乎全部空腔。
26.根据一个实施例，轮叶包括在空腔中的插入件，并且螺旋表面阵列占据位于插入件与叶片的侧向壁之间的空间。
27.在该实施例中，插入件的尺寸可以被设置成与螺旋表面阵列配合，以更好地将冷却流体朝向叶片的壁进行分配。此外，螺旋的存在充当在增材制造过程期间处于悬置位置的插入件的支撑件。
28.特别是出于所述阵列的机械强度的原因，轮叶可以包括与螺旋表面阵列接触的附件，诸如桥接件、钉、翅片、孔。
29.有利地，这种轮叶由通过增材制造获得的单个部件形成。
30.本发明还涉及一种涡轮机的带叶片定子，特别是高压涡轮的涡轮定子，所述带叶片定子包括如前所述的轮叶。
31.本发明还涉及一种涡轮机，所述涡轮机包括上述的带叶片定子或轮叶。
附图说明
32.通过以下详细描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，为了理解以下详细描述，参考了附图，在附图中：
33.[图1]图1是根据与根据现有技术的涡轮定子的部段的对称轴线垂直的平面的横截面的示意图，其中不存在插入件；
[0034]
[图2]图2是与图1的示意图对应的根据现有技术的涡轮定子的部段的示意图，其沿轴向方向以透明方式示出了插入件；
[0035]
[图3]图3是根据本发明的中空轮叶的示意性透视图，以透明方式示出了布置在轮叶内部的螺旋(gyroid)表面；
[0036]
[图4-5]图4和图5示出了从螺旋的基本立方体单体单元的两个不同角度观察的视图；
[0037]
[图6]图6示意性地示出了根据本发明的轮叶的变型的横截面；以及
[0038]
[图7]图7示意性地示出了根据本发明的叶片的另一变型，根据横向平面进行切割，不存在将被布置在其中的螺旋表面。
具体实施方式
[0039]
图1和图2示出了传统制造的涡轮定子的角度部段。轮叶包括由块制成的中空叶片1，该中空叶片具有界定管道的外部环2和内部环3。在与外部环2的连接处，轮叶的叶片的壁延伸到通气道4中，该通气道形成用于内部冷却空气流的通道。该空气流通过后缘处的通风口5排出。遵循叶片1的壁的内部形状的插入件6引导通过通气道4到达的空气并将空气通过孔7朝向壁分配以确保冷却。在此，叶片1的形状相当简单。此外，可以看到结构(螺柱8、桥接件9或条带10)的组件，这些结构被布置在壁的内部以定位和保持插入件6。
[0040]
图3示出了根据本发明的中空涡轮定子轮叶11，该轮叶通过增材制造获得，具有外部平台12和内部平台13，叶片14的壁15连接到该外部平台和内部平台。根据涡轮定子的制造方法，轮叶11可以包括一个叶片14，该轮叶的平台12和13用于组装在涡轮定子上，或者该轮叶包括由这些平台12和13连接的一个或多个叶片14，这些平台形成外部环元件和内部环元件的部段。
[0041]
在此，叶片14的纵向方向基本上对应于相对于涡轮定子的对称轴线z的径向方向x。叶片14的弦遵循位于由轴向方向z和切向方向y在叶片处限定的平面中的横向方向。
[0042]
在此，叶片14的壁15形成内部空腔，该内部空腔通向外部平台并且沿着叶片14的整个纵向范围在平台12与平台13之间延伸。根据横截面平面的叶片14的轮廓具有弯曲的形状。此外，叶片14沿着径向方向x具有弧形的形状。针对涡轮定子的空气动力学性能，并且为
了提高了该涡轮定子所属的高压(hp)涡轮的效率，对这种形状进行了优化。
[0043]
叶片14的横截面轮廓的形状使得空腔在前缘16附近变宽，在后缘17附近变窄。螺旋表面18在平台12与平台13之间沿着叶片14的整个径向范围填充内部空腔。
[0044]
螺旋是没有自相交的极小曲面，通过在三维上周期性地再现被包括在立方体中的基本单体单元来构造，如图4和图5中所示。螺旋是施瓦兹(schwarz)p和d表面的关联族中唯一非平凡(non-trivial)的集成部分，其关联角约为38.01
°
。可以在1974年5月由科学家艾伦
·
肖恩(alan schoen)撰写的文献nasa tn d-5541中到对螺旋和施瓦兹p和d表面的严谨描述。使用由以下简短等式给出的三角近似法以高精度绘制出图4和图5中表示螺旋的表面：
[0045]
[公式1]
[0046]
sin x cos y+sin y cos z+sin z cos x＝0
[0047]
螺旋将空间分成两个相对通道的迷宫。槽道在两个方向上行进穿过螺旋迷宫，当通道在立方体的一个面上横穿时，通道相对于给定槽道以70.5度的角度出现。如可以在图3和图6中更容易地看出，沿着与基本单体单元的侧面平行的切割平面的槽道的孔口非常接近于圆形形状。
[0048]
螺旋的壁的倾斜度在与基本单体单元的立方体的壁的相交处保持总体上大于30
°
的角度，该倾斜度使得能够通过从与基本单体单元的立方体的面平行的平面开始逐层进行增材制造。
[0049]
在图3的示例中，通过以均匀的方式在叶片14的整个空腔中再现具有相同尺寸的基本单体单元来构造螺旋表面18。螺旋表面18与内部平台13的表面接触，该内部平台的表面在其与叶片14的壁15的相交处封闭空腔，并且该螺旋表面延伸到空腔的位于外部平台12中的开口19，用于供应冷却空气。
[0050]
在侧向上，螺旋表面18从前缘16到后缘17附近的区域接触叶片14的壁15的内表面。实际上，螺旋表面18跟随叶片14的弦终止于叶片14的轮廓变得非常薄的点处。在径向方向x上，这确定了后缘17附近的线20。
[0051]
在该区域中，基本上横向地定向的翅片21将螺旋表面18连接到叶片14的壁15。
[0052]
在图3的示例中，螺旋表面18的尺寸被设置成执行多个功能。
[0053]
首先，螺旋表面通过在制造连续层期间对轮叶11进行自支撑而确保了通过增材方法制造轮叶的可制造性。首先，如前所述，由于其几何特性，螺旋表面18本身可以进行增材制造。因此，该结构可以被制造在轮叶11内，而不需要在轮叶完成时难以去除的专用制造支撑件。另外，如果轮叶被赋予稍微复杂的形状，或者如果轮叶11包括分布在环元件上的多个叶片14，则壁15的一些部分可以具有处于悬置位置的内表面，该内表面相对于连续制造层的平面具有过大的倾斜度。于是，螺旋表面18形成用于轮叶的叶片的这种壁部段的支撑件。
[0054]
其次，螺旋表面18形成引导冷却流体通过空腔的热交换器。参照图3，冷却流体通过在外部平台12中实施的开口19进入空腔，并且通过后缘17处的通风口(未示出)逸出。如简要描述的，螺旋表面18将空腔的空间分成两个不同的槽道。这些槽道中的每一个槽道在外部平台12中的开口19处具有入口。因此，冷却空气流被分成两部分，并且通过该入口进入每个槽道中。然后，该冷却空气流沿着叶片14的整个纵向延伸部分遵循每个槽道中的复杂路径。如可以在图3中看出，通过与螺旋表面18相交，叶片14的壁15本身形成所述槽道的壁
的一部分。由于螺旋表面18终止于与后缘17相距一距离处，因此两个槽道在后缘17处均具有出口。冷却空气通过该出口排出并且被引导朝向后缘17的通风口。
[0055]
从热交换性能的角度来看，螺旋表面18具有引导空气流朝向叶片14的壁15的内表面的第一效果。空气流在壁15的旁边通过对流而对壁进行冷却。其次，螺旋表面18使与冷却空气流进行交换的交换表面积最大化。优选地，螺旋表面18由与叶片14的壁15的材料类似的导热金属材料制成。因此，与壁15接触的螺旋表面18本身形成散热器，该散热器泵送来自壁15的热量，以将该热量排出到冷却空气流中。
[0056]
根据另一种观点，螺旋表面影响冷却空气流的压降方面的性能。为了使压降最小化，本领域技术人员可以利用在基本单体单元的尺寸与螺旋表面18的壁厚之间的比率。
[0057]
此外，螺旋表面18的设计必须考虑其在运作期间在轮叶11中的机械强度。为此，本领域技术人员还将调整基本单体单元的尺寸与螺旋表面18的壁厚之间的比率。本领域技术人员还将在与壁15的相交处限定连接圆角，并且针对机械强度设计加工形状，以确保在轮叶11内安装螺旋表面18的耐久性。图3所示的翅片21是这些结构的一部分。
[0058]
为了优化上述性能或约束，可以考虑实施例的变型。
[0059]
参照图6，单体单元的尺寸可以沿着空腔中的空间的不同方向扩展。在这种情况下，在图6中，螺旋表面18’的单体单元的尺寸在空腔的中心处较大，并且随着接近叶片14的壁15而减小。单体单元的尺寸可以由陀螺表面18’在横截面平面形成的近圆形开口的尺寸来判断。特别地，这种构造使得能够为两个槽道中的每一个槽道限定具有大直径的中心通道，冷却空气流可以通过该中心通道在径向方向x上容易地横穿叶片，然后在叶片的整个纵向延伸部分上通过小的单体单元朝向壁15扩散。这使得能够更好地控制冷却空气沿着叶片14的纵向延伸部分的分配，以对暴露于管道中的最热空气的区域进行冷却。
[0060]
在图6中，螺旋表面的壁厚也以从中心朝向壁减小的方式变化。在此，在由虚线环指示的区域22中，围绕大开口的厚度最大。考虑了大的单体单元的机械强度，以及壁15附近的热交换的优化，以调整螺旋表面的厚度。
[0061]
参照图7，插入件23被插入到壁15之间的空腔中。在这种情况下，图中未示出的螺旋表面填充了壁15的内表面与插入件23的外表面之间限定的空间。有利地，插入件23是中空的并且通向外部平台12。然后，该插入件装配有开口(未示出)，这些开口沿着该插入件在空腔中的纵向延伸部分穿过该插入件的壁。这些开口通向螺旋表面的槽道。然后，将插入件23的尺寸设置成在叶片14的纵向延伸部分上分配空气流，该空气流供应螺旋的槽道。于是，插入件23的功能与在先前变型中具有较大尺寸的单体单元非常相似。还应注意，螺旋表面的存在实现了复杂的插入件23形状的设计，而不会对通过增材方法的可制造性产生不利影响，因为该螺旋表面将确保对插入件23的支撑。
[0062]
所示的示例是非限制性的。本发明涵盖了将螺旋表面的单体单元尺寸和壁厚以及任何相关插入件的形状或功能的变化进行结合的其他变型。

技术特征：

1.一种涡轮机中空轮叶(11)，所述涡轮机中空轮叶包括至少一个叶片(14)，所述叶片具有侧向壁(15)，所述侧向壁旨在对围绕所述叶片的管道中的流进行引导，并且所述侧向壁在所述叶片(14)的第一纵向端部处附接在第一平台(12)上，所述叶片(14)还包括在所述侧向壁(15)之间的内部空腔，该空腔旨在使用于对所述叶片进行冷却的流体通过，其中，用于使流体进入的开口(19)通向所述第一平台(12)，其特征在于，螺旋表面阵列(18)填充所述空腔的至少一部分并且被布置成引导所述空腔中的冷却流体并且与所述侧向壁(15)的至少一部分接触。2.根据权利要求1所述的轮叶(11)，其特征在于，所述螺旋表面阵列(18)在所述叶片(14)的整个纵向延伸部分上延伸并且通向在所述第一平台(12)中实施的所述开口(19)，以在冷却流体到达所述叶片(14)时立即引导冷却流体的流动。3.根据权利要求1或2所述的轮叶(11)，其特征在于，所述叶片(14)的侧向壁(15)在第二纵向端部处附接到第二平台(13)，并且其中，所述螺旋表面阵列(18)在所述侧向壁(15)之间抵接在所述第二平台(13)上。4.根据权利要求1至3中任一项所述的轮叶(11)，其特征在于，所述螺旋表面阵列(18)将空间分成两个单独的槽道，冷却流体能够流动通过这两个单独的槽道，所述叶片(14)的侧向壁(15)通过与所述螺旋表面阵列(18)相交而形成所述槽道的壁的一部分。5.根据权利要求1至4中任一项所述的轮叶(11)，其特征在于，所述螺旋表面阵列(18)由基本立方体单体单元形成，单体单元的尺寸随着在所述空腔中的位置而变化，例如从所述空腔的中心朝向所述侧向壁(15)减小。6.根据权利要求1至5中任一项所述的轮叶(11)，其特征在于，螺旋表面(18)的壁厚能够变化，例如从所述空腔的中心朝向所述侧向壁(15)减小。7.根据权利要求1至6中任一项所述的轮叶(11)，其特征在于，所述轮叶包括在所述空腔中的插入件(23)，并且所述螺旋表面阵列(18)占据位于所述插入件(23)与所述叶片(14)的侧向壁(15)之间的空间。8.根据权利要求1至3以及权利要求6中任一项所述的轮叶(11)，其特征在于，所述轮叶由通过增材制造获得的单个部件形成。9.根据权利要求1至8中任一项所述的轮叶(11)，其特征在于，所述轮叶(11)包括与所述螺旋表面阵列(18)接触的附件，诸如桥接件、钉、翅片、孔。10.根据权利要求1至9中任一项所述的轮叶(11)，其特征在于，所述轮叶(11)由通过增材制造获得的单个部件形成。11.一种涡轮机的带叶片定子，特别是高压涡轮定子，所述带叶片定子包括根据权利要求1至10中任一项所述的轮叶(11)。12.一种涡轮机，所述涡轮机包括根据权利要求1至10中任一项所述的轮叶(11)或者包括根据权利要求11所述的带叶片定子。

技术总结

涡轮机中空轮叶(11)包括至少一个具有侧向壁(15)的叶片(14)，侧向壁旨在对围绕叶片的流动路径中的流进行引导，并且侧向壁在叶片(14)的第一纵向端部处固定到第一平台(12)，叶片(14)还包括在侧向壁(15)之间的内部空腔，该空腔旨在使叶片冷却流体通过，其中，流体入口开口(19)通向所述第一平台(12)，其特征在于，螺旋表面网络(18)填充空腔的至少一部分，被布置在空腔中以引导冷却流体，并且与侧向壁(15)的至少一部分接触。的至少一部分接触。的至少一部分接触。