一种双层壁涡轮叶片的制造方法技术

本发明专利技术涉及航空设计及制造领域，公开了一种双层壁涡轮叶片的制造方法，根据双层壁涡轮叶片设计尺寸和冷却设计要求，在给定设计边界条件下，根据双层壁带冲击扰流结构的流量系数、换热系数计算经验关联式，计算获得满足叶片冷却设计要求的冷却结构尺寸；根据满足关联式的冲击孔、扰流柱以及冷却通道尺寸制备可浇铸成带扰流柱和内壁冷却通道结构的叶片型芯，然后采用失蜡法进行双层壁涡轮叶片铸造成型。本发明专利技术根据流量系数、换热系数计算经验关联式，在给定的设计边界条件下，获得满足叶片冷却设计要求的冷却结构尺寸，优化获得双层壁涡轮叶片型芯的微尺度结构，通过失蜡法浇铸获得双层壁涡轮叶片，可以获得更高效的冷却效果的双层壁涡轮叶片结构。双层壁涡轮叶片结构。双层壁涡轮叶片结构。

【技术实现步骤摘要】
一种双层壁涡轮叶片的制造方法


[0001]本专利技术涉及航空发动机
，具体涉及一种双层壁涡轮叶片的制造方法。

技术介绍

[0002]高性能航空发动机中，由于涡轮进口燃气温度远超涡轮叶片材料的承受极限，所以必须采用有效的冷却措施，来保证涡轮叶片在高温高压高转速环境下的可靠工作。目前，航空发动机涡轮叶片普遍采用超高温耐热合金、单晶金相组织以及复合气膜冷却式空心结构等工艺以满足其在高温高压下的性能要求。这种材料与机构的复杂性导致了目前空心涡轮叶片精铸毛坯合格率较低，仅有10%。高效气冷叶片的制造，关键技术在于陶瓷型芯的制造，陶瓷型芯必须有很好的耐火度、室温强度、高温强度、高温热稳定性、空隙率及脱芯性能。
[0003]目前高性能涡轮叶片实际的壁更薄，而且采用双层壁结构，与传统空心叶片相比，陶瓷型芯结构更复杂，壁厚更薄，差异更大，需要采用更先进更复杂的微通道冷却设计，更高的浇铸压力来满足更高效的冷却需求。同时，这使得铸造叶片的型芯在制造过程中，变形大，难以控制，且定位易造成型芯的变形，小尺寸的扰流柱等微通道冷却结构在制造工序中易发生裂纹、变形甚至折断等缺陷，严重影响涡轮叶片的质量及合格率。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提供一种双层壁涡轮叶片的制造方法，通过引入流量系数、换热系数计算经验关联式确定适用于双层壁涡轮叶片的型芯尺寸，在满足强度要求的同时，冷却效果更好。
[0005]一种双层壁涡轮叶片的制造方法，包括如下步骤：步骤1、根据双层壁涡轮叶片设计尺寸和冷却设计要求，确定双层壁涡轮叶片型芯基体材料和尺寸以及叶片的冷却设计参数，所述冷却设计参数包括叶片冷却通道进口的冷气温度、压力，以及冷却气流量、叶片表面气膜孔出口压力；步骤2、根据叶片的壁厚设计确定或选取双层壁冲击腔高度H，以及初始的冲击扰流冷却结构，冲击扰流冷却结构包括冲击孔孔径D、孔间距P、扰流柱及冷却通道尺寸；步骤3、在给定的设计边界条件下，开展叶片内流及温度场计算，并根据流量系数、换热系数计算经验关联式，计算获得满足叶片冷却设计要求的双层壁冲击扰流冷却结构；其中，扰流柱顺排布局时采用以下计算公式验证：C
d
=0.218582Re
0.129919
Kn
0.042870
（H/D）
0.384319
Nu=0.020332Re
0.879857
（H/D）
‑
0.192851
扰流柱叉排布局时采用以下计算公式验证：C
d
=0.205671Re
0.134878
Kn
0.042011
（H/D）
0.398420
Nu=0.019616Re
0.879260
（H/D）
‑
0.168356
C
d
为流量系数，Nu为努赛尔数，Re为雷诺数，Kn为克努森数，H/D为冲击距离与孔径
比；步骤4、根据步骤3中满足关联式的型芯尺寸以及扰流柱、冷却通道尺寸制备可浇铸成带扰流柱和内壁冷却通道结构的叶片型芯，然后采用失蜡法进行双层壁涡轮叶片铸造成型。
[0006]进一步地，步骤3中对满足关联式要求的型芯尺寸以及扰流柱、冷却通道尺寸对应的双层壁涡轮叶片进行仿真获得叶片的温度场，判断叶片温度、应力是否在材料耐温、强度范围内；若不在则调整几何参数值，直至双层壁组合冷却结构满足要求。
[0007]进一步地，步骤4进行失蜡法浇铸前，对放入浇铸模具中的型芯进行加固预处理，具体包括如下步骤：A、预先选取型芯前、后缘以及型芯曲面平坦的部分，施加型芯定位工装；B、在型芯强度薄弱处进行前置挂蜡，型芯强度薄弱处通过ANSYS软件计算确定；C、对前置挂蜡处理后的型芯进行蜡模压制成型，并在蜡模的上下缘板处设置蜡模支撑件。
[0008]进一步地，步骤B中通过在ANSYS软件输入设计温度、振动、空气流量以及冷效系数参数，采用带中节点广义平面应变单元plane183进行强度计算，确定等效应力在420MPa以上或机械应力在160MPa以上的区域为双层壁涡轮叶片的薄弱处，并在薄弱对应位置处采用前置挂蜡的方法进行加强。
[0009]进一步地，挂蜡填充厚度控制在0.3mm
‑
1.0mm范围，冷却时间不小于8h。
[0010]进一步地，支撑件形状为方形、圆形或异形，横截面面积范围在2.25mm2‑
6mm2。
[0011]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：1、本专利技术通过引入流量系数、换热系数计算经验关联式确定适用于双层壁涡轮叶片的型芯尺寸，在满足强度要求的同时，冷却效果更好；2、通过型芯压制蜡模前的前置挂蜡填充方法，在保证高效冷却的同时避免了微尺度结构在浇铸过程中的变形或断裂等缺陷；通过设置蜡模支撑件结构，减小了浇铸过程中的壁厚均匀性与变形；通过在型芯前后缘及曲面平坦处等设置型芯定位工装的方式，使蜡模与型芯的定位可靠，变形小。
附图说明
[0012]为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0013]图1为实施例1或2中双层壁涡轮叶片微尺度通道冷却形式示意图；图2为实施例1或2中型芯定位工装示意图；图3为实施例1或2中蜡模支撑件结构示意图；其中，1、型芯；2、冲击孔；3、扰流柱；4、定位工装；5、支撑件；6、蜡模；7、气膜孔。
具体实施方式
[0014]下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
[0015]以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书
所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0016]实施例1参见图1
‑
图3，一种双层壁涡轮叶片的制造方法，包括如下步骤：步骤1、根据双层壁涡轮叶片设计尺寸和冷却设计要求，确定双层壁涡轮叶片型芯1基体材料和尺寸以及叶片的冷却设计参数，所述冷却设计参数包括叶片内部冷却通道进口的冷气温度Tc、压力Pc，以及冷却气流量Mc、叶片表面气膜孔7出口压力Pg；步骤2、根据叶片的壁厚设计确定或选取双层壁冲击腔高度H，以及初始的冲击扰流冷却结构，冲击扰流冷却结构包括冲击孔2孔径D、孔间距P、扰流柱3及冷却通道尺寸；步骤3、在给定的设计边界条件（叶片冷却通道进口的冷气温度Tc、压力本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双层壁涡轮叶片的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、根据双层壁涡轮叶片设计尺寸和冷却设计要求，确定双层壁涡轮叶片型芯基体材料和尺寸以及叶片的冷却设计参数，所述冷却设计参数包括叶片冷却通道进口的冷气温度、压力，以及冷却气流量、叶片表面气膜孔出口压力；步骤2、根据叶片的壁厚设计确定或选取双层壁冲击腔高度H，以及初始的冲击扰流冷却结构，冲击扰流冷却结构包括冲击孔孔径D、孔间距P、扰流柱及冷却通道尺寸；步骤3、在给定的设计边界条件下，开展叶片内流及温度场计算，并根据流量系数、换热系数计算经验关联式，计算获得满足叶片冷却设计要求的双层壁冲击扰流冷却结构；其中，扰流柱顺排布局时采用以下计算公式验证：C
d
=0.218582Re
0.129919
Kn
0.042870
（H/D）
0.384319
Nu=0.020332Re
0.879857
（H/D）
‑
0.192851
扰流柱叉排布局时采用以下计算公式验证：C
d
=0.205671Re
0.134878
Kn
0.042011
（H/D）
0.398420
Nu=0.019616Re
0.879260
（H/D）
‑
0.168356
C
d
为流量系数，Nu为努赛尔数，Re为雷诺数，Kn为克努森数，H/D为冲击距离与孔径...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄维娜，陈易诚，娄德仓，刘韬，唐勇，赵浩川，王标，
申请(专利权)人：中国航发四川燃气涡轮研究院，
类型：发明
国别省市：