CN102235241A - 入口带大扩张通道的低压涡轮结构 - Google Patents

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郭昊雁
徐凌志
关胜如
宋友辉
林伟
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Abstract

本发明公开了一种入口带大扩张通道的低压涡轮结构，包括：大扩张通道；与所述大扩张通道一端相连的通道转平段；导向器叶片，所述导向器叶片设置在所述大扩张通道之中，且所述导向器叶片采用前掠宽弦叶片，所述前掠宽弦叶片的前掠位置为接近所述大扩张通道内子午分离气泡的位置，且所述导向器叶片的尾缘位于所述通道转平段，其中，所述导向器叶片的栅内流道收敛；和转子叶片，所述转子叶片位于所述通道转平段之内，且所述转子叶片位于所述导向器叶片之后。本发明针对大子午扩张涡轮的子午分离特点，对于涡轮导向器叶片，采用前掠宽弦的方法，运用导向器叶片的栅内流道收敛性，能够有效地控制并消除子午分离。

Description

入口带大扩张通道的低压涡轮结构
技术领域
本发明涉及航空航天机械设计及制造技术领域，特别涉及入口带大扩张通道的低压涡轮结构。
背景技术
在现代高性能航空涡扇中，为了提高其燃油效率，通常采用较大的涵道比，从而导致风扇直径显著地增加，致使高低压转速差距较大，因而对于涡轮部件来说，由高压级向低压级的过渡是通过具有较大扩散度的中间机匣实现的，子午流道外壁扩张角和内壁收敛角均比较大。沿流向过渡段横截面积剧烈增加，使得低压导向器叶栅流道的收敛度不足以弥补子午流道的扩散，导致在气流进入低压导向器叶栅前，上端壁边界层迅速增厚且易分离，甚至在低压导向器叶栅进口附近产生大的回流区和大尺度的分离涡。在实际流动中，不仅在叶栅上游来流是扩压的，叶栅前部流道也是扩压的，导致气流进入低压导向器叶栅前，上端壁边界层迅速增厚并分离，在低压导向器叶栅进口附近产生大的回流区和分离涡。R.J.Howell，O.N.Ramesh，H.P.Hodson在2000年的ASME中的Highlift and Aftloaded profiles for low pressure turbines指出扩张型流动关键在于附面层厚度的控制和分离控制。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别提出解决大扩张通道子午外壁分离的缺陷。
本发明实施例一方面提出了一种入口带大扩张通道的低压涡轮结构，包括：大扩张通道；与所述大扩张通道一端相连的通道转平段；导向器叶片，所述导向器叶片设置在所述大扩张通道之中，且所述导向器叶片采用前掠宽弦叶片，所述前掠宽弦叶片的前掠位置为接近所述大扩张通道内子午分离气泡的位置，且所述导向器叶片的尾缘位于所述通道转平段，其中，所述导向器叶片的栅内流道收敛；和转子叶片，所述转子叶片位于所述通道转平段之内，且所述转子叶片位于所述导向器叶片之后。
在本发明的一个实施例中，所述导向器叶片的叶片前缘连线与通道子午流线的夹角为90°±10°。
在本发明的一个实施例中，所述子午分离气泡通过仿真获得。
在本发明的一个实施例中，所述大扩张通道包括入口通道上端壁和入口通道下端壁，其中，所述入口通道上端壁的扩张角大于25°，所述入口通道下端壁的收敛角大于20°。
在本发明的一个实施例中，所述通道转平段平行于所述低压涡轮的旋转轴。
本发明实施例的入口带大扩张通道的低压涡轮结构具有以下优点：
1、针对大子午扩张涡轮的子午分离特点，对于涡轮导向器叶片，采用前掠宽弦的方法，运用导向器叶片的栅内流道收敛性，能够有效地控制并消除子午分离。
2、低压涡轮导向器叶片采用前掠宽弦方案，将导向器叶片前伸置入过渡通道之中，从而缩短了高、低压涡轮之间的轴向长度，进一步减小了涡轮的重量，便于实现涡轮的小型化。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例的入口带大扩张通道的低压涡轮结构示意图；
图2为本发明实施例的入口扩张通道分离泡位置示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
为了很好地控制大扩张通道子午外壁的分离，本发明提出的低压涡轮导向器采用前掠宽弦叶片的方式，通过将导向器叶片前伸置入通道中，运用导向器叶片的栅内流道收敛性来较好地控制子午流道外壁分离的发生，从而可以明显地降低流道整体损失，提高涡轮效率。
如图1所示，为本发明实施例的入口带大扩张通道的低压涡轮结构示意图。该入口带大扩张通道的低压涡轮结构包括大扩张通道100、与大扩张通道100一端相连的通道转平段200、导向器叶片300和转子叶片400。在本发明的一个实施例中，导向器叶片300的栅内流道收敛。其中，大扩张通道100包括如图所示的入口通道上端壁110和入口通道下端壁120，且入口通道上端壁110的扩张角大于25°，入口通道下端壁120的收敛角大于20°。为了通过导向器叶片300的栅内流道收敛性来较好地控制子午流道外壁的气流分离发生，将导向器叶片300前伸置入大扩张通道100内，即采用前掠宽弦叶片。具体地，导向器叶片300设置在大扩张通道100之中，且导向器叶片300采用前掠宽弦叶片。需要注意的是，虽然前掠宽弦叶片能够有效地减弱上下通道涡的损失，但是也需要对前掠宽弦叶片的前掠位置具有较好的控制，需要对其前掠位置进行控制，才能够获得本发明所提到的效果，即降低流道整体损失，提高涡轮效率。在本发明的一个实施例中，更为具体地，前掠宽弦叶片的前掠位置1000为接近大扩张通道100内子午分离气泡的位置，及前掠宽弦叶片的最佳前掠位置1000大约在子午分离气泡起始点附近。其中，该子午分离气泡可通过仿真获得，通常来讲子午分离气泡发生在大扩张通道100的入口通道上端壁110。如图2所示，为本发明实施例的入口扩张通道分离泡位置示意图。入口扩张通道内通道子午流线700的示意图如图2所示，该通道子午流线700通过仿真获得。导向器叶片300的叶片前缘连线起始于子午分离气泡600，且导向器叶片300的叶片前缘连线800与通道子午流线700的夹角为90°±10°。当然本领域技术人员还可基于本发明的上述思想对本发明上述实施例进行等同的修改或变换，例如微量地增加或减少上述夹角，或者，微量地改变导向器叶片300的叶片前缘连线起始点相对于子午分离气泡600的距离，这些等同的修改或变换均应包含在本发明的保护范围之内。
在本发明的一个实施例中，导向器叶片300的尾缘1100位于通道转平段200，且转子叶片400也位于通道转平段200之内，且转子叶片400位于导向器叶片300之后，如图1所示。其中，低压导向器叶片出口到低压转子叶片出口的内外壁均采用与低压涡轮的旋转轴平行的设计，即通道转平段与低压涡轮的旋转轴平行。
在本发明的一个实施例中，导向器叶片300可采用多种类型的叶片设计，但要保证其的收敛性。对于转子叶片400来说，本发明可采用目前通用的转子叶片类型，或者日后发展改进的任何类型的转子叶片，也可用在本发明之中。
本发明实施例的入口带大扩张通道的低压涡轮结构具有以下优点：
1、针对大子午扩张涡轮的子午分离特点，对于涡轮导向器叶片，采用前掠宽弦的方法，运用导向器叶片的栅内流道收敛性，能够有效地控制并消除子午分离。
2、低压涡轮导向器叶片采用前掠宽弦方案，将导向器叶片前伸置入过渡通道之中，从而缩短了高、低压涡轮之间的轴向长度，进一步减小了涡轮的重量，便于实现涡轮的小型化。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (5)

1.一种入口带大扩张通道的低压涡轮结构，其特征在于，包括：
大扩张通道；
与所述大扩张通道一端相连的通道转平段；
导向器叶片，所述导向器叶片设置在所述大扩张通道之中，且所述导向器叶片采用前掠宽弦叶片，所述前掠宽弦叶片的前掠位置为接近所述大扩张通道内子午分离气泡的位置，且所述导向器叶片的尾缘位于所述通道转平段，其中，所述导向器叶片的栅内流道收敛；和
转子叶片，所述转子叶片位于所述通道转平段之内，且所述转子叶片位于所述导向器叶片之后。
2.如权利要求2所述的入口带大扩张通道的低压涡轮结构，其特征在于，所述导向器叶片的叶片前缘连线与通道子午流线的夹角为90°±10°。
3.如权利要求1所述的入口带大扩张通道的低压涡轮结构，其特征在于，所述子午分离气泡通过仿真获得。
4.如权利要求1所述的入口带大扩张通道的低压涡轮结构，其特征在于，所述大扩张通道包括入口通道上端壁和入口通道下端壁，且所述入口通道上端壁的扩张角大于25°，所述入口通道下端壁的收敛角大于20°。
5.如权利要求1所述的入口带大扩张通道的低压涡轮结构，其特征在于，所述通道转平段平行于所述低压涡轮的旋转轴。
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