CN104005796B - 新型涡轮叶栅端壁的沟槽减损结构和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型涡轮叶栅端壁的沟槽减损结构，该结构设置在涡轮叶栅端壁上，用以减少二次流损失。其中，涡轮叶栅端壁，位于以环状排列的多个涡轮叶片的轮毂侧。本发明还提供相应的方法。所述新型涡轮叶栅端壁的沟槽减损结构，设置在涡轮叶栅端壁上，通过激光加工方法与涡轮叶栅端壁连接。本发明能够阻碍端部流体的横向运动，减小横向压力梯度，从而减小马蹄涡压力侧分支及通道涡的强度，达到减少二次流损失的目的。

Description

新型涡轮叶栅端壁的沟槽减损结构和方法

技术领域

本发明涉及燃气涡轮发动机，具体地，涉及新型涡轮叶栅端壁的沟槽减损结构和方法。

背景技术

燃气涡轮发动机主要由进气道、压气机、燃烧室、涡轮、喷管等部分构成。空气由进气道进入燃气轮机后，首先由压气机加压成高压气体，接着由喷油嘴喷出燃油与空气混合后在燃烧室燃烧成为高温高压燃气，然后进入涡轮段推动涡轮，将燃气动能转换成机械能输出。

其中涡轮是一种将流动工质的运动能量转换为机械功的旋转式动力机械，它是燃气涡轮发动机的主要部件之一。当气体流经涡轮叶栅通道时，沿着通道的横向存在压力梯度。对于端部附面层外的主流，此压力梯度与主流在弯曲通道中产生的离心力平衡，不会引起主流的横向运动；对于端壁附面层内的流体，由于动能较小不能平衡横向压差，从而产生区别于主流的横向流动，通常称这种端部的横向流动为二次流。通过多年研究，多种对二次流实际结构进行完整描述的旋涡模型被提出，其中包括马蹄涡、通道涡等主要的涡结构。马蹄涡是由进口附面层在叶片前缘滞止点分离形成的，马蹄涡压力侧分支与相邻叶片马蹄涡吸力侧分支一起进入流道，在横向压力梯度的作用下压力侧分支与端壁附面层形成通道涡，吸力侧分支则形成与通道涡转向相反的反向涡。由二次流引起的多种漩涡结构造成的能量损失称为二次流损失。

随着现代涡轮向着高负荷方向发展，叶栅内二次流的效应也随之加增，其引起的二次流损失在总损失中所占比重达到了30％-50％，因此研究新的减小二次流损失的措施、提出有效地降低二次流损失的方案在工程实践中具有重要意义。

目前，控制和减小二次流损失的方法有端壁成型、前缘修型、端壁翼刀等。

端壁成型的主要思想为通过改变端壁曲率以减小吸力面与压力面之问的横向压力梯度。图1所示的端壁在叶片前缘附近压力侧是凸起的，吸力侧是凹下的。该非对称端壁减小了端壁表面的横向压力梯度，从而减小了二次流损失。

涡轮叶栅端部区域的流动性能极大地影响着叶轮机械的性能，为改善这部分区域的流动特性，发展出了修形技术，即在原叶型的基础上修改叶片端部区域内的几何形状。图2所示的叶片前缘泡加强了马蹄涡吸力面分支，该涡的反向旋转使得通道涡变形并远离吸力面，达到减小二次流损失的目的。

端壁翼刀是指在端壁上安装隔片来抑制二次流发展的技术。图3所示的端壁翼刀安装在两叶片之间，抑制了马蹄涡压力面分支和通道涡的合并，减小了二次流损失。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种新型减少二次流损失的结构，以解决现有应用中由于叶栅通道中的横向压力梯度而引起的二次流及二次流损失的技术问题，从而达到涡轮整体性能提高的目的。

根据本发明提供的一种新型涡轮叶栅端壁的沟槽减损结构，包括叶栅端壁，其中，沿流线方向在叶栅端壁的表面上依次设置有多个沟槽结构，用以减少二次流损失，其中，沟槽结构的参数如下：

沟槽结构横截面三角形底边长度为W，横截面三角形高度为H，横截面三角形顶角角度为α，两沟槽间距为d；其中，如图6所示，两沟槽间距即为相邻沟槽之间相邻的槽口边沿之间的间距。

沟槽结构横截面三角形底边长度W为1.5％叶片间距；

沟槽结构横截面三角形高度H为1.2％叶片高度；

沟槽结构横截面三角形顶角角度α为53°；

所述多个沟槽结构沿流线方向设置，起点位于距前缘点38％Cx处，终止点位于距尾缘点25％Cx处，其中，Cx表示叶片轴向弦长；

两沟槽间距d长度为3.2％叶片间距；

沟槽结构距压力面距离为22.4％叶片间距。

优选地，所述沟槽结构通过激光加工方法与涡轮叶栅端壁连接。

根据本发明提供的一种新型涡轮叶栅端壁的沟槽减损方法，其沿流线方向在叶栅端壁的表面上依次设置多个沟槽结构，用以减少二次流损失，其中，沟槽结构的参数如下：

沟槽结构横截面三角形底边长度为W，横截面三角形高度为H，横截面三角形顶角角度为α，两沟槽间距为d；

沟槽结构横截面三角形底边长度W为1.5％叶片间距；

沟槽结构横截面三角形高度H为1.2％叶片高度；

沟槽结构横截面三角形顶角角度α为53°；

所述多个沟槽结构沿流线方向设置，起点位于距前缘点38％Cx处，终止点位于距尾缘点25％Cx处，其中，Cx表示叶片轴向弦长；

两沟槽间距d长度为3.2％叶片间距；

沟槽结构距压力面距离为22.4％叶片间距。

优选地，所述沟槽结构通过激光加工方法与涡轮叶栅端壁连接。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明沟槽减损结构位于涡轮叶栅端壁，当气体流经涡轮叶栅时，可以阻碍端部流体的横向运动，减小横向压力梯度，从而减小马蹄涡压力侧分支及通道涡的强度，达到减少二次流损失的目的。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为端壁成型结构示意图。

图2为前缘修型结构示意图。

图3为端壁翼刀结构示意图。

图4为燃气涡轮发动机的结构简图。

图5为单级冷却高压涡轮的等轴视图。

图6为本发明提供的减损结构设置于端壁表面的侧视应用示意图。

图7为本发明提供的减损结构设置于端壁表面的俯视应用及流线对比示意图，其中，图(a)对应无沟槽结构，图(b)对应有沟槽结构。

图8为尾缘下游截面压力损失系数分布图，其中，图(a)对应无沟槽结构，图(b)对应有沟槽结构。

图中：

1为燃气涡轮发动机、2为进气口、3为推进风扇、4为中压压缩机、5为高压压缩机、6为燃烧室、7为高压涡轮、8为中压涡轮、9为低压涡轮、10为尾喷管、11为机匣；

100为涡轮叶片、200为叶片吸力面、300为叶片压力面、400为叶片前缘、500为叶片尾缘、600为叶栅端壁、700为流线、800为沟槽结构；

901为端壁压力侧、902为端壁吸力侧、903为进口边界层、904为端壁翼刀、905为端壁。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明涉及一种新型涡轮叶栅端壁的沟槽减损结构，该结构设置在涡轮叶栅端壁上，用以减少二次流损失。其中，涡轮叶栅端壁，位于以环状排列的多个涡轮叶片的轮毂侧；

所述新型涡轮叶栅端壁的沟槽减损结构，设置在涡轮叶栅端壁上，通过激光加工方法与涡轮叶栅端壁连接。本发明能够阻碍端部流体的横向运动，减小横向压力梯度，从而减小马蹄涡压力侧分支及通道涡的强度，达到减少二次流损失的目的。

图4所示为一个燃气涡轮发动机1的结构简图。中心旋转轴线为X-X，A为流向外涵道气流，B为流向内涵道气流。该发动机组成包括进气口2、推进风扇3、中压压缩机4、高压压缩机5、燃烧室6、高压涡轮7、中压涡轮8、低压涡轮9、尾喷管10和机匣11。流过推进风扇叶片的空气分成两股，一股气流流向外涵道，产生直接推力；另一股气流流向内涵道，通过中压压缩机及高压压缩机的压缩后进入燃烧室，接着由喷油嘴喷出燃油与空气混合后在燃烧室进行燃烧成为高温高压燃气，然后进入涡轮段推动涡轮，将燃气的动能转换成机械能输出产生间接推力，最后的废气由尾喷管排出。

燃气涡轮发动机自产生以来，发动机的整体性能有了很大提高，近年来提高涡轮进口温度成为改善燃气涡轮发动机热力循环性能、提高发动机推重比的有效措施。涡轮入口温度的升高，也使得涡轮叶栅的二次流效应增强，因此需要更好地研究减少二次流损失的方法。

图5为一个典型的单级冷却高压涡轮的等轴视图。本发明结构也可以应用到其它涡轮(如燃气或蒸汽涡轮)的压缩机级，无论对于航空、工业或是船用发动机均可适用。图5中100为涡轮叶片，它由叶片压力面300和叶片吸力面200构成。压力面与吸力面交接处为叶片前缘400和叶片尾缘500，叶片根部与转子盘片啮合。叶片，转子盘片和涡轮机壳共同构成了一个动叶级。本发明提供的沟槽减损结构位于叶栅端壁600上。

请参阅图6至图7，该新型沟槽减损结构，沿流线方向设置在叶栅端壁，用以减少二次流损失。具体的，沟槽结构通过激光加工方法生成并与叶栅端壁连接。图6为本发明新型减损结构设置于叶栅端壁表面的侧视图，示出了叶片压力面300、叶栅端壁600、沟槽结构700、叶片吸力面400。

图7为本发明新型减损结构设置于端壁表面的俯视应用及流线示意图，示出了涡轮叶片100、沟槽减损结构800，黑色线条为流线700，所有流线由进口边界层内部发散。无沟槽减损结构示意图表明，当气体流经叶栅通道时，进口附面层在叶片前缘滞止点分离形成马蹄涡，在横向压力梯度的作用下，马蹄涡压力侧分支产生由压力面向吸力面的横向运动，压力侧分支与端壁附面层形成通道涡。通过有无沟槽减损结构的对比可以明显发现沟槽结构对近壁面流体具有阻碍作用。由图中流线可以得出沟槽结构可以阻碍马蹄涡压力侧分支及通道涡的横向流动，使流体在沟槽间沿流线方向流动。对二次流的阻碍作用使二次流的强度减少，进而可以减小二次流损失。

图8表示实验测得的根据本发明的有沟槽减损结构和无沟槽减损结构时尾缘下游截面压力损失系数分布图。测试截面距离尾缘20％轴向弦长，数据由校准后的四孔探针测得。考虑到四通探针在靠近壁面时的相互作用，垂直距离端壁3mm内无数据采集。图中黑色圆圈标注处为通道涡总压损失核心区，通过有无沟槽结构的对比可以得出沟槽结构可以使通道涡高度有效降低。因此，具备上述实施方式的涡轮叶栅端壁的新型沟槽减损结构可以使叶栅流道内马蹄涡压力侧分支及通道涡的强度减小，伴随该涡流的二次流损失降低，涡轮整体性能提高。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种新型涡轮叶栅端壁的沟槽减损结构，包括叶栅端壁，其特征在于，沿流线方向在叶栅端壁的表面上依次设置有多个沟槽结构，用以减少二次流损失，其中，沟槽结构的参数如下：

沟槽结构横截面三角形底边长度为W，横截面三角形高度为H，横截面三角形顶角角度为α，两沟槽间距为d；

沟槽结构横截面三角形底边长度W为1.5％叶片间距；

沟槽结构横截面三角形高度H为1.2％叶片高度；

沟槽结构横截面三角形顶角角度α为53°；

多个所述沟槽结构沿流线方向设置，起点位于距叶片前缘点38％Cx处，终止点位于距叶片尾缘点25％Cx处，其中，Cx表示叶片轴向弦长；

两沟槽间距d长度为3.2％叶片间距；

沟槽结构距压力面距离为22.4％叶片间距。

2.根据权利要求1所述的新型涡轮叶栅端壁的沟槽减损结构，其特征在于，所述沟槽结构通过激光加工方法与涡轮叶栅端壁连接。

3.一种新型涡轮叶栅端壁的沟槽减损方法，其特征在于，沿流线方向在叶栅端壁的表面上依次设置多个沟槽结构，用以减少二次流损失，其中，沟槽结构的参数如下：

沟槽结构横截面三角形底边长度为W，横截面三角形高度为H，横截面三角形顶角角度为α，两沟槽间距为d；

沟槽结构横截面三角形底边长度W为1.5％叶片间距；

沟槽结构横截面三角形高度H为1.2％叶片高度；

沟槽结构横截面三角形顶角角度α为53°；

多个所述沟槽结构沿流线方向设置，起点位于距叶片前缘点38％Cx处，终止点位于距叶片尾缘点25％Cx处，其中，Cx表示叶片轴向弦长；

两沟槽间距d长度为3.2％叶片间距；

沟槽结构距压力面距离为22.4％叶片间距。

4.根据权利要求3所述的新型涡轮叶栅端壁的沟槽减损方法，其特征在于，所述沟槽结构通过激光加工方法与涡轮叶栅端壁连接。