CN103422906A - 一种具有s形叶冠动叶片的涡轮 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种具有S形叶冠动叶片的涡轮，包括机匣、轮毂，轮毂上沿圆周均匀安装有动叶片，轮毂和动叶片均安装在机匣里，各个动叶片的端部所组成的圆周上安装叶冠，每两个动叶片之间的叶冠部分组成一个叶冠单元，每个叶冠单元的前缘边和尾缘边均为向内凹陷的非轴对称S形轮廓，所述的S形轮廓的前缘相对于完全叶冠的削减量为5%～15%。本发明是叶片中间部分的完全叶冠结构和叶片前缘、尾缘部分的不带冠叶顶采用“小翼”结构的结合，既可以在减少叶冠质量并保持带冠叶片良好振动特性的前提下，降低制造成本，提高转子的完全可靠性，又可以有效地组织和控制叶冠端区流场，达到甚至超过完全叶冠结构的端区性能，从而提高燃气涡轮效率。

Description

一种具有S形叶冠动叶片的涡轮
技术领域
本发明涉及的是一种涡轮，具体地说是一种安装有叶冠的动叶片的涡轮。
背景技术
涡轮叶顶间隙泄漏流动对涡轮的气动性能、传热、振动和噪声等有着十分重要的影响，涡轮中大约三分之一的损失与叶顶泄漏流动有关，因此，采用相关控制措施去尽量减小涡轮叶顶泄漏流动带来的负面影响是近年来涡轮叶顶间隙领域研究的热点和难点问题之一。
为了减少叶顶间隙损失并减轻叶片振动，在条件许可的情况下，现代燃气涡轮一般将转子叶片设计成顶部带冠结构，并在叶冠上添加篦齿以减少间隙泄漏流，进而减少间隙泄漏损失。带冠叶片以其良好的气动和振动特性在叶轮机械领域得到了广泛应用，然而，叶冠结构的引入形成了叶冠容腔内及进出口特有的复杂泄漏流动现象，而且叶冠容腔结构和泄漏流仍然对涡轮气动损失有很大影响。此外，转子叶片端部质量的提高增大了叶片应力，这直接对叶片的蠕变性能、气动力学响应以及寿命产生影响。尤其在带冠气冷涡轮中，热燃气导致了叶冠端部翘曲变形以及叶冠间匹配问题，并且也很难对叶冠前后伸出段进行冷却。在长期运行过程中，涡轮叶冠前后伸出段经常出现过应力风险导致伸出段局部掉块等现象时有发生，直接威胁燃气涡轮发动机的安全运行。
为了减小叶冠结构对转子叶片造成的负面影响，最直接的做法就是叶冠减重，这促使设计人员在设计叶冠结构时直接对叶冠前后伸出段进行削减。这种经过削减的部分叶冠结构虽然减少了叶冠质量，但是却加剧了叶冠容腔泄漏流和通道主流之间的相互作用和掺混，进一步恶化了端区流场，带来了很大的端区损失。
发明内容
本发明的目的在于提供提高燃气涡轮工作的可靠性，又能够有效组织和控制端区流场，提高燃气涡轮效率的一种具有S形叶冠动叶片的涡轮。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种具有S形叶冠动叶片的涡轮，包括机匣、轮毂，轮毂上沿圆周均匀安装有动叶片，轮毂和动叶片均安装在机匣里，其特征是：各个动叶片的端部所组成的圆周上安装叶冠，每两个动叶片之间的叶冠部分组成一个叶冠单元，每个叶冠单元的前缘边和尾缘边均为向内凹陷的非轴对称S形轮廓，所述的S形轮廓的前缘相对于完全叶冠的削减量为5%～15%。
本发明还可以包括：
1、所述的S形轮廓的后缘相对于完全叶冠的削减量为5%～15%。
2、叶冠沿轮毂圆周方向的剖面为凹凸的波浪形状，每个叶冠单元的剖面形成一个凹凸单元，凹凸单元的高度为动叶片高度的2%～12%。
3、叶冠与动叶片的连接方式采用圆角过渡或采用自由曲面光滑过渡。
4、叶冠的外壁上安装有篦齿结构。
本发明的优势在于：本发明从结构上可以看作是叶片中间部分的完全叶冠结构和叶片前缘、尾缘部分的不带冠叶顶采用“小翼”结构的结合，既可以在减少叶冠质量并保持带冠叶片良好振动特性的前提下，降低制造成本，提高转子的完全可靠性，又可以有效地组织和控制叶冠端区流场，达到甚至超过完全叶冠结构的端区性能，从而提高燃气涡轮效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2a为图1的A向视图，图2b为传统叶冠的结构示意图；
图3为图2a的B-B剖面图；
图4为本发明动叶片顶部叶型负荷分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1～4，本发明包括机匣、轮毂，轮毂上沿圆周均匀安装有动叶片，轮毂和动叶片均安装在机匣里，各个动叶片的端部所组成的圆周上安装叶冠，该叶冠结构的前缘边4和尾缘边5具有非轴对称S形轮廓，其内外壁面6和7为非轴对称凸凹结合式三维结构，并且与所述叶冠相连接叶型的负荷分布为均匀加载或略微前部加载。叶冠2外壁安装篦齿结构3，叶冠及篦齿结构与其顶部的机匣壁面10之间形成间隙。
图中：h为叶高，cz为叶片轴向弦长，cl为前缘削减深度，ct为尾缘削减深度，Ap,l为叶片前缘不带冠部分压力侧覆盖面积，As,l为叶片前缘不带冠部分吸力侧覆盖面积，Ap,t为叶片尾缘不带冠部分压力侧覆盖面积，As,t为叶片尾缘不带冠部分吸力侧覆盖面积，Aps-l为S形叶冠相对于完全叶冠的前缘覆盖面积减少量，Aps-t为S形叶冠相对于完全叶冠的尾缘覆盖面积减少量，1/2hs为叶冠凹下/凸起高度，φ为无量纲静压，叶型负荷分布即为叶型压力侧8、吸力侧9无量纲静压沿轴向分布。
S形轮廓由如下方式确定：首先根据S形叶冠的结构特点，定义削减量、削减深度和削减不均匀度三个影响叶冠端区干涉流动的关键几何参数：削减量为S形叶冠相对于完全叶冠的前/尾缘覆盖面积（Aps-,l,Aps-,t）相对减少量；削减深度为叶冠前/尾缘型线的最大/最小轴向坐标值与叶片前/尾缘轴向坐标值之差（cl,ct），其可以控制涡轮叶顶带冠部分与不带冠部分所占份额；削减不均匀度为叶片前/尾缘不带冠部分压力侧、吸力侧覆盖面积之差（Ap,l-As,l,Ap,t-As,t）与压力侧、吸力侧总覆盖面积（Ap,l+As,l,Ap,t+As,t）的比值，其可以控制不带冠涡轮叶顶压力侧、吸力侧“小翼”宽度的相对大小，在此基础上，借助三维建模软件UG对S形叶冠结构进行参数化建模，其中，叶冠前缘、尾缘型线采用样条曲线进行拟合。然后，借助于现有的计算流体动力学软件，在给定S形叶冠削减量的前提下，以S形叶冠削减深度和削减不均匀度为优化变量，获得最优的S形叶冠结构。值得注意的是，S形叶冠削减量并不是越大越有利，过大的削减量易导致较大的通道主流进入叶冠容腔内，会产生更大的气动损失，过小的削减量显然不能满足强度要求，因此，削减量的选取需要综合考虑气动及强度的影响，而本发明的S形叶冠前缘、尾缘削减量可在5%～15%范围内选取。
结合图3，所述叶冠内外壁面6和7为非轴对称凸凹结合式三维结构（其在叶片压力侧8凹下，在吸力侧9凸起），该三维壁面结构可有效减少动叶通道内端区横向压力梯度，进而减小端区横向二次流动，从而减小端区二次流损失。最佳凹下/凸起高度（1/2h）值的确定可在2%～12%叶高范围内借助于现有的计算流体动力学软件模拟或试验获得；此外，如图4所示，为了进一步减少间隙泄漏量，控制叶片端区损失，叶型面末端叶型的负荷分布应为均匀加载（即叶型压力侧、吸力侧静压差沿轴向比较均匀）或略微前部加载（即在叶型前部压力侧、吸力侧静压差比后部略大）。
本发明的S形叶冠主要用于涡轮动叶顶端，连接方式可以采用和动叶一体加工生产，也可以单独加工S形叶冠，然后通过焊接等方式与动叶连接，S形叶冠与动叶之间连接过渡，可以采用圆角过渡或采用自由曲面光滑过渡等。
在本发明的S形叶冠与外部机匣之间也可以采用间隙控制措施以进一步控制间隙泄漏，根据间隙设计需要可采用主动间隙控制或被动间隙控制。

Claims (9)

1.一种具有S形叶冠动叶片的涡轮，包括机匣、轮毂，轮毂上沿圆周均匀安装有动叶片，轮毂和动叶片均安装在机匣里，其特征是：各个动叶片的端部所组成的圆周上安装叶冠，每两个动叶片之间的叶冠部分组成一个叶冠单元，每个叶冠单元的前缘边和尾缘边均为向内凹陷的非轴对称S形轮廓，所述的S形轮廓的前缘相对于完全叶冠的削减量为5%～15%。
2.根据权利要求1所述的一种具有S形叶冠动叶片的涡轮，其特征是：所述的S形轮廓的后缘相对于完全叶冠的削减量为5%～15%。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有S形叶冠动叶片的涡轮，其特征是：叶冠沿轮毂圆周方向的剖面为凹凸的波浪形状，每个叶冠单元的剖面形成一个凹凸单元，凹凸单元的高度为动叶片高度的2%～12%。
4.根据权利要求1或2所述的一种具有S形叶冠动叶片的涡轮，其特征是：叶冠与动叶片的连接方式采用圆角过渡或采用自由曲面光滑过渡。
5.根据权利要求3所述的一种具有S形叶冠动叶片的涡轮，其特征是：叶冠与动叶片的连接方式采用圆角过渡或采用自由曲面光滑过渡。
6.根据权利要求1或2所述的一种具有S形叶冠动叶片的涡轮，其特征是：叶冠的外壁上安装有篦齿结构。
7.根据权利要求3所述的一种具有S形叶冠动叶片的涡轮，其特征是：叶冠的外壁上安装有篦齿结构。
8.根据权利要求4所述的一种具有S形叶冠动叶片的涡轮，其特征是：叶冠的外壁上安装有篦齿结构。
9.根据权利要求5所述的一种具有S形叶冠动叶片的涡轮，其特征是：叶冠的外壁上安装有篦齿结构。
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