CN102099546B - 具有涡流发生器的涡轮机的叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮机的叶片结构、优选是低压涡轮机的叶栅，在其吸入侧的轮廓表面(3)上在最大速度上游设置涡流发生器(4)。该涡流发生器通过至少一个实现振荡的表面波构成，表面波的波尾以波谷和/或波峰的形式在叶片高度方向上分布。

Description

具有涡流发生器的涡轮机的叶片

技术领域

本发明涉及一种叶片结构，其具有至少局部的表面特性形式的涡流发生器或者旋流发生器。

背景技术

这种叶片结构例如在飞机驱动装置的低压涡轮机的转子和叶栅（工作叶片和/或导向叶片）中使用。

通过涡流发生器（也称紊流器）影响流体、特别是靠近表面的边界层的流体是至少一个在研究层面广泛研究的课题。原则上边界层由流动的粒子的壁摩擦产生并且与被绕流的轮廓壁有一定间隔地在轮廓与理想的、不受壁摩擦不利影响的流体之间形成流体技术上的桥接。在此边界层的厚度取决于雷诺数。随着流体沿着轮廓壁的路径长度的增加边界层的厚度连续地增加。最后流体粒子开始放弃层状流动特性（层流边界层）并且执行强烈程度或大或小的横向运动（紊流边界层）。在此从层流边界层到紊流边界层的过渡部（也称为转捩区域）取决于一系列影响参数，特别是被绕流轮廓壁的表面粗糙度、压力梯度、外流体的速度以及压力扰动而且取决于局部雷诺数。

在沿着外流体速度曲线相似时紊流的边界层比层流边界层产生更大的摩擦阻力，但是却具有更小的分离倾向。摩擦阻力和由于分离而改变的围绕轮廓的压力分布引起轮廓损失（Profilverlust）。当粒子在靠近轮廓壁的流动轨迹上在边界层中由于太低的流动能量不再可以继续减速时，则基本上产生边界层尤其在轮廓表面或吸入侧上的这种分离。接着，它们横向偏移并且形成所谓的分离气泡，如其在图1中示意示出的那样。随着雷诺数下降分离沿其长度越来越多，直到它到达在轮廓后棱边下游的区域，由此不再能够实现通过轮廓所要求的转向。没有流体粒子在侧面中心在靠近轮廓壁的分离部的下游相应地重新到达轮廓表面——流体不再可能跟随轮廓并且可以说断裂。

现在为了通过控制分离气泡的大小对流体沿着轮廓的断裂特性和轮廓损失施加正面的影响，在现有技术中采用设置固定的紊流器的不同的解决方案，紊流器的任务均在于，使层流的边界层再逆流地在轮廓上转捩成紊流的边界层。在附图2中示出两个这种紊流器的示例。因此存在可能性，紊流器通过在轮廓表面上锐棱的凸起或者通过被绕流的壁中的锐棱的凹槽（缩进）产生。

但是在涡轮机、尤其是低压涡轮机的导向叶片和转子叶片中，这样构成的锐棱紊流器就下述方面已经被证实是有缺陷的，即，其只在较大的飞行高度、例如飞机的巡航高度上，以那里低的流体雷诺数和高的叶片负荷、以有利的方式通过使流体及时变成紊流而减小分离气泡并由此改善轮廓损失和效率，但是在靠近底部损失却增加了。此外在锐棱的涡轮机中加工、覆层和使用时间是特别苛刻的。因此目前没有公知紊流器在驱动机构中的实际应用。

在这个方面作为与本发明有关的重要现有技术发明人自身列举EP132638B1。由这个文献已知涡轮机的轴向通流的叶栅，其叶片轮廓这样构成，即，流体沿着吸入侧的轮廓表面的绝大部分一直加速到通道窄面区域中的最大速度，并且在该区域的下游向轮廓后棱边一直减速。每个叶片设有扰动棱边，其在速度最大值的下游在叶片吸入侧上设置在减速流体的区域中并且基本在整个叶片高度上（叶片根到叶片尖的长度）延伸。

为了减小尤其在高的雷诺数时上述的锐棱紊流器对主流体的上述负面效果（摩擦损失增加），EP132638B1特别规定，使扰动棱边在向着轮廓表面的切向平面中形成锯齿形轮廓。由此减小必需的棱边高度，以便尤其在较高的雷诺数时减小摩擦损失。但这种正面的效果也没能解决难以加工和使用时间较低的问题。

发明内容

鉴于现有技术，本发明的目的是，实现一个具有此类涡流发生器（紊流器）的涡轮机的叶片，它可以简单制造并且实现更长的使用时间。

这个目的通过具有以下特征的涡轮机的叶片得以实现，所述叶片具有偏转流体的、包含压力侧和吸入侧的轮廓，所述叶片的吸入侧的轮廓表面具有至少一个包括一部分轮廓表面的、几何的表面特性，其中，所述至少一个表面特性以至少一个表面波的形式实施，所述表面波局部地以下述方式与所述轮廓叠加，即所述表面波的波峰在所述轮廓上形成凸起，所述表面波的波谷在所述轮廓中形成凹陷，并且其中所述表面波在其上游端部和其下游端部无转折点且无阶跃地过渡到所述轮廓，并且所述波峰和所述波谷在叶片高度方向上以与流体的子午线投影成45°至135°的角度在叶片轮廓边界层以外延伸，波长λ与吸入侧的弧长S_ges的比例为0.05至0.25，并且波幅a与吸入侧的弧长S_ges的比例为0.0002至0.0040。

因此本发明由涡轮机的叶片结构、优选由低压涡轮机的叶栅系统组成，在其吸入侧轮廓表面上在最大速度下游、必要时也在最大速度区域中开始优选以局部几何表面特性的形式设置涡流发生器。该涡流发生器还优选通过至少一个实现振荡的表面波构成，其波尾以波谷和波峰形式大约在叶片高度方向上分布。

具体地说，为了实现及时地改变流体（边界层）为紊流，放弃叶片吸入侧上的锐棱结构和改型。取而代之，在吸入侧表面上设置或构成一个或多个无棱边的波。由此实现的优点是，与已知的现有技术相比改善叶片的可加工性、可覆层性和延长叶片的使用时间。波形涡流发生器对靠近表面的区域中的流体特性的作用与已知的锐棱紊流器类似。但是在高雷诺数时尤其在靠近底部处，能够注意到更低的由摩擦引起的效率损失。此外能够实现声学上的驱动机构噪音减小1-2dB，即压力波幅减小10-20%。

按照本发明的紊流器的主要优点是，在紊流设备叶片的加工过程中的可直接加工性。在铸造的燃气涡轮机叶片中这种表面特性/结构可以没有显著增加费用地直接集成到铸型里面。但是也能够事后加入按照本发明的波结构。这不仅涉及新加工而且涉及维修情况。此外也能够实现改进。为了事后加入波结构可以使用成形的以及切削加工方法，如挤压、磨削和/或铣削，但是也使用电化学的去除。

与现有技术相比，例如按照其中描述了具有粗糙度增加的带的EP1081332A1或US6,416,289，按照本发明的光滑波形状具有更多优点。

因为按照现有技术的粗糙度带涉及具有无规则的、增加的粗糙度的区域，该区域在标准的加工工艺中（例如在铸造的燃气涡轮机叶片中）不存在，这种粗糙度必需事后设置。而与此相对光滑的波紊流器（概念“光滑”指的是表面品质，它对应于涡轮机叶片的其余区域）可以直接在标准的加工工艺中加入。对于波紊流器无需附加的与其余叶片区域相比的粗糙度增加。

按照本发明的波紊流器的工作原理原则上也是不同地局部增加的粗糙度。如果在增加粗糙度时至少尖端从恒定的剪应力梯度的靠近壁的层突出，则在边界层中产生在剪应力最大的区域中的扰动（横向涡流和纵向涡流），其直接导致具有提前转变（即比没有粗糙度更提前地逆流）的三维的流动结构。与此相反，按照本发明的波紊流器激发边界层流体的不稳定性，波紊流器在波长的凹陷部分中导致“Grtler”纵向涡流，其不会与附加的涡流混合。由此也使波波紊流器的不利影响在较高雷诺数时（它们例如对于发动机在靠近底部出现）低于传统结构形式的形成涡流的紊流器。

此外已经证实，在优选长波的实施例中实现有目的地激发边界层不稳定。为此调整波长与吸入侧的比例λ/S_ges＝0.05至0.25。为此调整波幅与吸入侧长度的比例a/S_ges＝0.0002至0.0040。正弦形波的数量优选在1至4之间并且在±0.25s/S_ges范围内围绕在叶片吸入侧上的窄段的位置。但是在上述范围内的最佳值在此取决于流体情况如雷诺数、马赫数、负荷等。表述“S_ges”在这里意味着吸入侧的弧长，从轴向最前面的前棱边点一直测量到最后面的后棱边点。

此外优选能够在短波的实施例中同样可以通过具有适度激发率的频率有目的地激发不稳定性。为此调整波长与吸入侧的比例λ/S_ges＝0.005至0.05。于是正弦形波的数量优选在2至15之间。其余的调整对应于前面的描述。

此外有利的是，在具有可能高的级负荷（偏转>100°）和高的叶片负荷（高升力，不确定值>1.0）的涡轮机叶片（Ma_Austritt=0.65，Re_Austritt=200000）上设有3个正弦形波，波长为：λ/S_ges＝0.08，且具有恒定的波幅a/S_ges＝0.001，其最后的波长在层分离的位置终止。在此波长在跨度延伸的20%-80%上延伸。

对此可以选择的是，对应于短波长的实施例的波长也可以为λ/S_ges＝0.03，其中，涡轮机叶片的Re_Austritt＝400000。

最后在具有在吸入侧上的层流/紊流的分离气泡的压缩机叶片情况下（Ma_Eintritt＝0.5且Re_Eintritt0300000），使所述叶片构成有三个正弦形波，所述波的波长为：λ/x_ges＝0.05且具有相同的波幅a/x_ges＝0.0002，其中其最后的波长在层流分离的位置终止。表述“x_ges”在这里意味着在中心截面中的轴向叶栅宽度。波长同样在跨度延伸的20%-80%上延伸。

附图说明

下面借助于优选的实施例参阅附图详细解释本发明。附图中：

图1示出按照现有技术的没有涡流发生器的叶栅的相邻叶片副；

图2示出按照现有技术的锐棱紊流器的两个示例；

图3以横截面图示出按照本发明的优选实施例的叶栅的两个相邻叶片；

图4以子午线视图（Meridianansicht）示出叶栅的叶片，以及

图5示出短的和长的表面波。

具体实施方式

在图3中示出涡轮机的两个相邻叶片1、2，在其吸入侧的轮廓表面3上在最大速度的下游设置涡流发生器4。该涡流发生器4在优选的实施例中通过多个无棱边的表面波构成，其波尾（Wellenrüken）5以波谷和波峰的形状主要地在叶片高度方向h上分布，如其也在图4中所示出的那样。所述波4还沿着叶片吸入侧3这样设置，使流体在这个波4上交替地升起和下降，即：波4主要在流体方向上分布（见图4）并且在叶片高度方向h上至少在按照图4的关于叶片高度的20%至80%之间的核心流体区域内延伸。

如同由图3还看到的那样，波4具有正弦形状，其最大波幅在流动方向上是恒定的。但是也能够使最大波幅和/或波长在叶片高度方向和在宽度方向上是变化的，优选沿着吸入侧伴随波长的增加和波幅的增加而变化。代替正弦波也可以规定非对称的波形状。在此波4在确定的区域设置在吸入侧3上。这个区域大致位于两个相邻叶片1，2的通道窄位6上，即：在流体已经被加速到最大速度然后进入到减速的那个区域中。在此波尾5（波峰/波谷）在叶片高度方向h上均匀地分布并且可以在整个叶片高度h上延伸或者只在部分高度上延伸，在所述部分高度的范围中没有次级涡流结构，如同图4中所示的那样。在此所述波尾可以在叶片高度方向h上具有向着次级区域弯曲的分布。

沿着叶片的轴向长度（叶片宽度方向），所述波4覆盖叶片吸入侧3的局部区域，典型的是下述区域，在所述区域中边界层直到分离气泡的分离位置能够通过按照本发明的波形构造形式的紊流器而被扰动，从而引起及时的层流-紊流转捩。这个区域根据叶片轮廓设计位于轴向叶片宽度的40%至90%。

在波4的尺寸、即：其最大波幅和频率方面已经证实，波幅最大不能超过波长的25%、有利地约5%，用于避免边界层的局部分离。在此波幅和波长能够通过边界层的不稳定性观察的分析来优化。波形状的涡流发生器不仅可以用于定子叶片，而且可以用于转子叶片，尤其用于低压涡轮机的转子叶片。

为此，图5示出——与波幅a相关——比例关系a/λ约8%的较短波以及比例关系a/λ约5%的较长波。

按照本发明的紊流器由此实现，通过使轮廓表面本身沿着其叶片吸入侧3部分地改型成波形状，例如通过在加工叶片时有目的地浇铸或者通过在浇铸叶片后切削再加工（例如ECM、PECM、磨削、铣削等），其中波形状的主要特点是形成不锐利的边缘。

Claims (8)

1.涡轮机的叶片，所述叶片具有偏转流体的、包含压力侧和吸入侧的轮廓，所述叶片的吸入侧的轮廓表面(3)具有至少一个包括一部分轮廓表面(3)的、几何的表面特性，其中，所述至少一个表面特性以至少一个表面波的形式实施，所述表面波局部地以下述方式与所述轮廓叠加，即所述表面波的波峰在所述轮廓上形成凸起，所述表面波的波谷在所述轮廓中形成凹陷，并且其中所述表面波在其上游端部和其下游端部无转折点且无阶跃地过渡到所述轮廓，并且所述波峰和所述波谷在叶片高度方向(h)上以与流体的子午线投影成45°至135°的角度在叶片轮廓边界层以外延伸，其特征在于，波长λ与吸入侧的弧长S_ges的比例为0.05至0.25，并且波幅a与吸入侧的弧长S_ges的比例为0.0002至0.0040。

2.如权利要求1所述的叶片，其特征在于，设有多个这种类型的表面波(4)，其中在流动方向上看波谷与波峰或波峰与波谷交替地相互跟随。

3.如权利要求1或2所述的叶片，其特征在于，所述至少一个表面波(4)具有正弦形状，或者非对称地构成。

4.如权利要求1或2所述的叶片，其特征在于，所述至少一个表面波(4)至少在所述叶片的核心流体区域在叶片高度(h)的20％-80％之间延伸，其中所述至少一个表面波(4)遵循直线或曲线，其具有恒定的或变化的波幅和/或波长。

5.如权利要求1或2所述的叶片，其特征在于，所述至少一个表面波(4)相对于相邻的叶片设置在通道窄面的区域中。

6.如权利要求2所述的叶片，其特征在于，所述表面波(4)在吸入侧表面(3)上设置在轴向叶片宽度的40％-90％的范围内。

7.如权利要求1或2所述的叶片，其特征在于，所述至少一个表面波(4)的最大波幅为波长的5％至25％。

8.如权利要求1或2所述的叶片，其特征在于，在多个表面波(4)的情况下，所述表面波的波幅是变化的。