CN103883361B - 涡轮叶片 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种涡轮叶片，所述涡轮叶片具有在叶片前缘和叶片尾缘之间延伸的相对的压力面和吸力面，以及在叶片尖端连接所述压力面和所述吸力面的叶顶表面，其中，所述涡轮叶片还具有至少一个从叶片尖端延伸出的翼肋，所述翼肋包括至少一个从所述叶顶表面径向向外延伸的径向翼肋，和/或至少一个从所述压力面和/或所述吸力面周向延伸出的周向翼肋。根据本发明的带有叶尖翼肋的涡轮叶片能够有利地结合径向翼肋和周向翼肋各自的优点，用以实现不同程度减小泄露损失的效果。

Description

涡轮叶片

技术领域

本发明总的涉及燃气涡轮发动机，更具体地，涉及其中的涡轮叶片。

背景技术

燃气涡轮发动机是将燃料的化学能转变为轴功或飞机推进功的热力机械。通常，空气从进气道进入发动机，经过风扇和低压压气机被压缩，空气的总温、总压升高；再经过高压压气机被进一步压缩，空气的总温、总压进一步升高；高压空气进入燃烧室，与燃料混合，而后燃烧，变成高温、高压的燃气；高温、高压的燃气膨胀推动高压涡轮和低压涡轮，其中，高压涡轮通过高压轴为上游高压压气机提供动力，低压涡轮通过低压轴为上游的风扇和低压压气机提供动力；最后，高温、高压的燃气在尾喷管中膨胀并高速排入大气。一直以来，航空燃气涡轮发动机始终朝着高推重比、低耗油率、长寿命和高可靠性的方向发展，因而效率和耗油率是航空燃气涡轮发动机气动性能的重要设计指标，其中，涡轮叶片由于其特定的空气动力学表面对涡轮效率起到举足轻重的作用。

通常，涡轮叶片的叶型包含中凹压力面和中凸吸力面，压力面又称为叶盆、吸力面又称为叶背。叶片的不同径向截面具有不同扭向规律的叶型，设计截面的叶型具有气动效率高、能量损失小的载荷分布类型。一般情况下，叶型轮廓与海豚、新月等相似，其厚度从前缘逐渐增大至最大厚度，而后逐渐减小至尾缘。不同设计截面的叶型按照一定的规律进行积叠即可形成叶片，叶片表面是具有三维特性的空间曲面。

在实际操作中，叶轮机械内部的真实流动非常复杂，在空间上表现为流动的三维型，在时间上表现为流动的非定常性。加上流体粘性和可压缩性的影响，叶片机械内部存在诸如马蹄涡、通道涡、角涡和间隙涡等复杂涡系，以及激波和附面层相互干扰，动、静叶片相互干涉等各种复杂流动现象。

此外，涡轮叶片工作在高温环境中，且温度的变化范围大，拉伸应力大，致使叶片的热膨胀伸长量也大，涡轮动叶叶尖与机匣之间存在较大的叶顶间隙，由于叶尖表面的压差，引起压力面的高压燃气通过叶顶间隙流向吸力面，形成叶尖间隙泄露流，泄露流与叶栅通道主流作用形成泄露涡。其中，泄露流减小了叶片的载荷，泄漏的燃气基本不做有用功，泄露涡产生耗散并改变叶栅出气角度，同时，泄露流和泄露涡阻塞主流通道，这些方面都增大了涡轮的气动损失。另外，泄露流和泄露涡还增大了涡轮叶尖附近传热冷却的难度，并较大程度地影响着下游流场的非定常性。

发明内容

本发明的目的在于对现有技术中的涡轮叶片加以改进，提出一种燃气涡轮发动机的涡轮叶片，其具有从叶片尖端延伸出的组合式翼肋，充分利用了各翼肋的优点来实现不同程度减小泄露损失的效果。

具体地，根据本发明的涡轮叶片具有在叶片前缘和叶片尾缘之间延伸的相对的压力面和吸力面，以及在叶片尖端连接所述压力面和所述吸力面的叶顶表面，其中，所述涡轮叶片还具有至少一个从叶片尖端延伸出的翼肋，所述翼肋包括至少一个从所述叶顶表面径向向外延伸的径向翼肋，和/或至少一个从所述压力面和/或所述吸力面周向延伸出的周向翼肋。

本领域技术人员应当理解的是，上述径向翼肋和周向翼肋可以有多种组合形式。举例来说，可以包括一个或多个径向翼肋、一个或多个周向翼肋、一个径向翼肋和一个或多个周向翼肋、一个或多个径向翼肋和一个周向翼肋、多个径向翼肋和多个周向翼肋等等。例如，所述翼肋包括从所述叶顶表面径向向外延伸的一个径向翼肋，以及从所述压力面和所述吸力面周向延伸出的周向翼肋，或者，所述翼肋包括从所述叶顶表面径向向外延伸的两个径向翼肋，以及从所述压力面或所述吸力面周向延伸出的周向翼肋。再比如，所述翼肋包括从所述叶顶表面径向向外延伸的两个径向翼肋，以及从所述压力面和所述吸力面周向延伸出的周向翼肋。应注意的是这些组合方式仅为示例而不用于限制本发明。

根据一种实施方式，所述径向翼肋包括沿所述压力面和/或所述吸力面径向向外延伸的第一翼肋和/或第二翼肋。当同时具有第一翼肋和第二翼肋时，第一翼肋和第二翼肋能够与叶顶表面形成燃气回流腔。

根据一种实施方式，所述周向翼肋的顶表面与所述叶顶表面间隔开。

根据一种实施方式，所述周向翼肋的顶表面与所述第一翼肋和/或第二翼肋的顶表面间隔开。

由此，在周向翼肋能够有效地增强对叶尖泄露流的阻挡和削减的同时，还能够与所述压力面和/或所述吸力面形成拐角。优选地，所述拐角处可有利地布置有至少一个叶尖射流孔。叶尖射流可对泄露流进行主动射流控制，进一步减小泄露损失，同时对叶尖也有一定的冷却作用。

有利地，所述径向翼肋和/或所述周向翼肋的顶表面上可形成有辅助阻挡面。所述辅助阻挡面能够根据需要被成形为弧形、三角形、凹槽或滚花。

有利地，所述叶顶表面上还可设有冷却孔或除尘孔。

有利地，所述周向翼肋和/或所述径向翼肋的压力面侧肋面具有内凹型面，吸力面侧肋面具有外凸型面。

可以理解的是，对于根据本发明的叶尖带周向和/或径向翼肋的结构而言，技术人员能够根据实际需要来有利地结合径向翼肋和周向翼肋各自的优点，这些优点包括但不限于：压力面周向翼肋能够改变燃气进入叶尖间隙的进气条件，从而减小泄露流的泄漏量和动量；吸力面周向翼肋能够增大泄露涡和吸力面之间的距离，从而避免泄露涡和角涡、泄露涡和吸力面边界层的碰撞，以减小气动损失；压力面和吸力面在径向延伸出的两个翼肋与叶顶表面形成的燃气回流腔可阻碍燃气的泄露。

附图说明

本发明的更多特征及优点将通过下面结合附图对具体实施方式的进一步详细说明来更好地理解，其中相同的附图标记标识相同或类似的部件。附图中：

图1是根据本发明第一种实施方式的涡轮叶片的示意性立体图；

图2是根据本发明第二种实施方式的涡轮叶片的示意性立体图；

图3是根据本发明第三种实施方式的涡轮叶片的示意性立体图；

图4a-4g以横截面示例性示出了可形成于叶尖的一个翼肋形式；

图5a-5f以横截面示例性示出了可形成于叶尖的两个翼肋形式；

图6a-6d以横截面示例性示出了可形成于叶尖的三个翼肋形式；

图7a-7f以横截面示例性示出了可形成于叶尖的四个翼肋形式，其中，图7e-7f还分别示出了形成于径向翼肋和周向翼肋的顶表面上的辅助阻挡面。

附图标记说明

10榫头20缘板

30涡轮叶片31压力面

32吸力面35叶片前缘

36叶片尾缘40叶顶表面

401第一翼肋401a第一翼肋压力面侧肋面

402第二翼肋402b第二翼肋吸力面侧肋面

403第三翼肋403a第三翼肋压力面侧肋面

404第四翼肋404b第四翼肋吸力面侧肋面

405冷却孔或除尘孔406，406′叶尖射流孔

407，407′弧形阻挡面408，408′凹槽阻挡面

409叶顶径向翼肋409a叶顶径向翼肋压力面侧肋面

50叶尖护罩409b叶顶径向翼肋吸力面侧肋面

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合具体实施例作进一步详细说明，但其并不限制本发明。

首先参见图1，示出了用于燃气涡轮发动机内的示例性的涡轮叶片30。该叶片通过叶根处的缘板20和支撑榫头10安装在支撑转子盘(未示出)内。支撑转子盘支撑一系列叶片并将叶片沿周向彼此间隔开以在其间形成叶片中间的流通道。在涡轮发动机的运行过程中，高温燃气沿图1中箭头方向所示流向叶片30的叶片前缘35，并分流流向压力面31和吸力面32。由于高温燃气在压力面31上的相对压力高于沿吸力面32的压力，因而叶顶表面40存在由压力面31流向吸力面32的泄露流。为了阻挡或削减泄露流，本发明在涡轮叶片30的叶尖上设有翼肋。

根据本发明的翼肋可以具有多种形式，图4a-7f示例性示出了其中几种形式。

具体地，图4a-4g示出了可形成于叶尖的一个翼肋形式，该一个翼肋可以是从叶顶表面40径向向外延伸的径向翼肋，例如图4a示出的沿压力面31朝向叶尖护罩50径向向外延伸的第一翼肋401，图4b示出的沿吸力面32径向向外延伸的第二翼肋402，或者是图4c中直接从叶顶表面40径向向外延伸的叶顶径向翼肋409。该一个翼肋也可以是从压力面31或吸力面32周向延伸出的周向翼肋，例如图4d示出的第三翼肋403，图4f示出的第四翼肋404。虽然图4d或图4f中示出的第三翼肋403或第四翼肋404是直接沿叶顶表面40周向延伸出，即第三或第四翼肋的顶表面与叶顶表面齐平，但是在可替换的实施方式中，第三翼肋403或第四翼肋404的顶表面可以与叶顶表面40间隔开，如图4e或4g所示的，这样能够使周向翼肋与压力面31或吸力面32形成拐角，从而在拐角处可布置有至少一个叶尖射流孔，这将在下文中更详细地描述。

图5a-5f示例性示出了可形成于叶尖的两个翼肋形式。例如图5a示出的第一翼肋401和第四翼肋404，图5b示出的第二翼肋402和第三翼肋403，图5c示出的第一翼肋401和第三翼肋403，图5d示出的第二翼肋402和第四翼肋404，图5e示出的第三翼肋403和第四翼肋404，以及图5f示出的第一翼肋401和第二翼肋402。

类似地，图6a-6d示例性示出了可形成于叶尖的三个翼肋形式。例如图6a示出的第一翼肋401、第三翼肋403和第四翼肋404，图6b示出的第一翼肋401、第二翼肋402和第三翼肋403，图6c示出的第一翼肋401、第二翼肋402和第四翼肋404，以及图6d示出的第一翼肋401、第三翼肋403和第四翼肋404。

此外，图7a-7f还示出了可形成于叶尖的四个翼肋形式，结合图1-3能够更清楚直观地看出这些翼肋的结构和位置。然而可以理解的是，在实际应用过程中，本领域技术人员能够根据本发明公开的翼肋形式作出各种变化和改进，并且附图中所示出的各种形式仅是示例而非限定本发明。

下面根据图1并结合图7a所示的实施方式来具体描述，沿压力面31和吸力面32在径向上分别向外延伸有第一翼肋401和第二翼肋402，并且在周向上分别从压力面31和吸力面32延伸有第三翼肋403和第四翼肋404，其中第一翼肋401和第二翼肋402与叶顶表面40形成燃气回流腔。通过如此设置，第一翼肋401可以阻挡从压力面31进入泄露区的泄露流动，降低泄露涡强度，从而减小泄露损失；燃气回流腔可阻碍从压力面31进入泄露区的燃气泄露，从而减小了吸力面32上泄露流的泄漏量；周向延伸出的第三翼肋403可改变叶顶间隙的燃气进气条件，对叶顶压力面31附近的二次流起到很大的阻挡作用；第四翼肋404则能够迁移泄露涡，增大泄露涡和吸力面32之间的距离，能避免泄露涡和角涡、泄露涡和吸力面边界层的碰撞，从而减小泄露损失。

在图7a-7c的实施方式中，第三翼肋403和第四翼肋404的顶表面与第一翼肋401和第二翼肋402的顶表面间隔开，由此在第一翼肋401和第三翼肋403之间，以及在第二翼肋402和第四翼肋404之间形成拐角。通过这样设置，第三翼肋403对叶顶压力面31附近的二次流有相对较好的阻挡作用，并且，可以实现在上述拐角处形成至少一个叶尖射流孔。例如，如图2和图7b所示的，第一翼肋401和第三翼肋403所形成的压力面平台为叶尖射流孔406的布置提供了空间，同样，第二翼肋402和第四翼肋404所形成的吸力面平台上亦可形成有叶尖射流孔406′，由此，第一翼肋401先对泄露流产生阻挡作用，叶尖射流可对此泄露流进行主动射流控制，起到进一步阻挡泄露流的作用，同时还可对叶尖有辅助冷却作用。

当然，在图3结合图7d所示的实施方式中，第三翼肋403和第四翼肋404的顶表面可以与第一翼肋401和第二翼肋402的顶表面齐平。此外，也可考虑在各个翼肋的顶表面上形成辅助阻挡面，用以进一步辅助阻挡泄露流。例如图7e所示的实施方式中可形成有从第三翼肋403和第四翼肋404的顶表面延伸至第一翼肋401和第二翼肋402的顶表面的弧形阻挡面407，407′，或者如图7f所示的实施方式中可形成有凹槽阻挡面408，408′。所述辅助阻挡面407，407′，408，408′还可以被成形为三角形或滚花。应意识到的是，上述辅助阻挡面可以仅形成在一个翼肋的顶表面上。

作为一种可选实施方式，在叶顶表面40上还可设有冷却孔或除尘孔405，如图1-3所示，用以将用过的冷却空气从叶片内部排出，从而进一步起到对叶尖冷却的作用，在一定程度上提高了涡轮冷却效率。

进一步地，从各个图中还可以看出，周向翼肋和/或径向翼肋的压力面侧肋面可具有内凹型面，吸力面侧肋面可具有外凸型面。具体为，压力面31上的第一翼肋401和第三翼肋403具有内凹型面401a，403a，而吸力面32上的第二翼肋402和第四翼肋404具有外凸型面402b，404b。因此，根据本发明的周向翼肋和/或径向翼肋具有空气动力学特性，并且尺寸和形状既能达到减小叶顶泄露流的作用，又不会由于翼肋本身的存在而降低涡轮效率。对于采用叶顶径向翼肋409的情况，同样也可以使其压力面侧肋面409a具有内凹型面，吸力面侧肋面409b具有外凸型面。此外，通过对上述各优选实施方式的描述可以得知，上述四个翼肋能够各自组合，从而可以达到不同程度减小泄露损失的效果。

本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而可以理解，在本发明的创作思想下，本领域的技术人员可以对上述公开的结构作各种变化和改进，但都属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种涡轮叶片(30)，所述涡轮叶片(30)具有在叶片前缘(35)和叶片尾缘(36)之间延伸的相对的压力面(31)和吸力面(32)，以及在叶片尖端连接所述压力面(31)和所述吸力面(32)的叶顶表面(40)，其特征在于，所述涡轮叶片(30)还具有至少一个从叶片尖端延伸出的翼肋，所述翼肋包括至少一个从所述叶顶表面(40)径向向外延伸的径向翼肋(401，402，409)，和至少一个从所述压力面(31)或所述吸力面(32)周向延伸出的周向翼肋(403，404)，所述周向翼肋(403，404)的顶表面与所述径向翼肋(401，402)的顶表面间隔开，所述径向翼肋(401，402，409)与所述周向翼肋(403，404)之间形成拐角。

2.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述径向翼肋包括从所述叶顶表面(40)径向向外延伸的两个径向翼肋(401，402，409)。

3.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述径向翼肋包括沿所述压力面(31)径向向外延伸的第一翼肋和/或沿所述吸力面(32)径向向外延伸的第二翼肋。

4.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述周向翼肋(403，404)的顶表面与所述叶顶表面(40)间隔开。

5.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述拐角处布置有至少一个叶尖射流孔(406，406′)。

6.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述径向翼肋(401，402，409)和/或所述周向翼肋(403，404)的顶表面上形成有辅助阻挡面(407，407′，408，408′)。

7.根据权利要求6所述的涡轮叶片，其特征在于，所述辅助阻挡面(407，407′，408，408′)被成形为弧形、三角形、凹槽或滚花。

8.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述叶顶表面(40)上设有冷却孔(405)。

9.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述周向翼肋(403，404)和/或所述径向翼肋(401，402，409)的压力面侧肋面(401a，403a，409a)具有内凹型面，吸力面侧肋面(402b，404b，409b)具有外凸型面。

10.一种涡轮叶片(30)，所述涡轮叶片(30)具有在叶片前缘(35)和叶片尾缘(36)之间延伸的相对的压力面(31)和吸力面(32)，以及在叶片尖端连接所述压力面(31)和所述吸力面(32)的叶顶表面(40)，其特征在于，所述涡轮叶片(30)还具有至少一个从叶片尖端延伸出的翼肋，所述翼肋包括至少一个从所述叶顶表面(40)径向向外延伸的径向翼肋(401，402，409)，和从所述压力面(31)周向延伸出的周向翼肋(403)和从所述吸力面(32)周向延伸出的周向翼肋(404)，所述周向翼肋(403，404)的顶表面与所述径向翼肋(401，402)的顶表面间隔开，所述径向翼肋(401，402，409)与一个周向翼肋(403，404)之间形成拐角。

11.根据权利要求10所述的涡轮叶片，其特征在于，所述径向翼肋包括从所述叶顶表面(40)径向向外延伸的两个径向翼肋(401，402，409)。