CN108252747A - 基于样条曲线设计的涡轮叶片缘板 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于样条曲线设计的涡轮叶片缘板，包括缘板本体，所述缘板本体具有上端面和下端面，所述上端面与所述涡轮叶片连接，所述下端面与一榫齿连接，所述缘板本体整体呈曲线形结构，所述缘板本体具有第一端和与所述第一端相反的第二端，所述缘板本体在靠近所述第一端的位置向上拱起以形成一凸起部，所述凸起部具有一圆形顶尖，所述缘板本体在靠近所述第二端的位置向下凹陷以形成一下凹部，所述下凹部具有一尾流曲面。
Description
技术领域
本发明涉及一种涡轮叶片缘板，特别涉及一种基于样条曲线设计的涡轮叶片缘板。
背景技术
在燃气轮机系统中，从燃烧室出来的高温、高速、高压的流体工质在流动过程中不断膨胀，在经过涡轮叶片部位的流道时，流体流动十分复杂，其中伴随着流道涡、二次流等能量损失现象。而传统的涡轮叶片缘板大多是平直的规则长方体，这样的涡轮叶片缘板会不可避免地阻碍流体工质的自由膨胀，造成能量损失加剧，前一级涡轮与后一级涡轮气流流通过渡不流畅等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种基于样条曲线设计的涡轮叶片缘板，以有效解决上述提出的至少一种问题。
本发明提供一种基于样条曲线设计的涡轮叶片缘板，包括缘板本体，所述缘板本体具有上端面和下端面，所述上端面与所述涡轮叶片连接，所述下端面与一榫齿连接，所述缘板本体整体呈曲线形结构，所述缘板本体具有第一端和与所述第一端相反的第二端，所述缘板本体在靠近所述第一端的位置向上拱起以形成一凸起部，所述凸起部具有一圆形顶尖，所述缘板本体在靠近所述第二端的位置向下凹陷以形成一下凹部，所述下凹部具有一尾流曲面。
在一实施例中，所述涡轮叶片包括叶片表面和叶片根部，所述缘板本体的上端面自所述凸起部至所述下凹部之间的部位与所述叶片根部圆滑过渡连接，所述缘板本体的下端面自所述凸起部的位置向下延伸出一第一连接部，所述缘板本体的下端面自所述下凹部的位置向下延伸出一第二连接部，所述第一连接部和第二连接部用于与所述榫齿连接。
在一实施例中，所述凸起部与所述第一端之间形成前伸部，所述前伸部与所述第一连接部之间以圆弧过渡连接，所述下凹部与所述第二端之间形成后延部，所述后延部与所述第二连接部之间以圆弧过渡连接，所述凸起部与所述下凹部之间形成缘板过渡部。
在一实施例中，所述前伸部的上端面为弧形面。
在一实施例中，所述前伸部在朝向所述第一端的下缘设计为圆弧面，所述后延部在朝向所述第二端的下缘设计为圆弧面。
在一实施例中，所述第一连接部与所述缘板过渡部之间以圆弧过渡连接，所述第二连接部与所述缘板过渡部之间以圆弧过渡连接。
在一实施例中，所述前伸部的厚度大于所述缘板过渡部的厚度，所述后延部的厚度大于所述缘板过渡部的厚度。
在一实施例中，所述缘板过渡部与所述缘板的轴向方向呈17度。
在一实施例中，所述前伸部的下缘圆弧面的圆弧曲线为11度，所述后延部的下缘圆弧面的圆弧曲线为11度。
综上所述，本发明提出一种基于样条曲线的涡轮叶片缘板，解决传统的涡轮叶片缘板平直规则的平面体，因阻碍流体工质的自由膨胀而导致能量损失加剧的问题。所述涡轮叶片缘板符合流体气动性能，能提高涡轮效率、延缓材料疲劳失效。缘板与叶片根部样条曲线平滑过渡，避免流道涡、二次流的出现和扩张，进而提高效率。缘板本体的前伸部和后延部采用封严结构设计，避免流体工质从径向间隙中泄漏，使流体工质尽可能用于做功和避免高温流体工质泄漏，造成整个转子温度场的不均衡影响材料性能。同时缘板前伸和后延的曲面体可以解决前一级涡轮与后一级涡轮气流流通过渡不流畅、叶根漏气等问题。
附图说明
图1为本发明涡轮叶片、缘板和榫齿的组合结构示意图。
图2为本发明涡轮叶片的叶根与缘板本体圆角过渡的结构示意图。
图3为本发明缘板本体的结构示意图。
图4为本发明缘板本体的部分尺寸示意图。
具体实施方式
在详细描述实施例之前，应该理解的是，本发明不限于本申请中下文或附图中所描述的详细结构或元件排布。本发明可为其它方式实现的实施例。而且，应当理解，本文所使用的措辞及术语仅仅用作描述用途，不应作限定性解释。本文所使用的“包括”、“包含”、“具有”等类似措辞意为包含其后所列出之事项、其等同物及其它附加事项。特别是，当描述“一个某元件”时，本发明并不限定该元件的数量为一个，也可以包括多个。
如图1和图2所示，本发明提出一种基于样条曲线设计的涡轮叶片缘板，该涡轮叶片缘板在整体上呈曲线形结构。所述涡轮叶片缘板包括缘板本体10，位于缘板本体10相对两侧的涡轮叶片16和榫齿18。缘板本体10具有上端面12和下端面14，其中上端面12与涡轮叶片16圆滑连接，且下端面14与榫齿18连接。
缘板本体10具有第一端20和与第一端20相反的第二端22。缘板本体10在靠近第一端20的位置向上拱起以形成一凸起部24，在本实施方式中，凸起部24的两侧边为圆滑的曲线边。凸起部24具有一圆形顶尖26。圆形顶尖26的主要作用是引导气流在涡轮叶片16上做功。缘板本体10在靠近第二端22的位置向下凹陷以形成一下凹部28，在本实施方式中，下凹部28的两侧边为圆滑的曲线边。下凹部28具有一尾流曲面30，且尾流曲面30主要起整流的作用。
涡轮叶片16包括叶片表面32和叶片根部34，叶片根部34与缘板本体10的上端面12自凸起部24至下凹部28之间的部位圆滑过渡连接，这样设计的作用是让气流顺滑流经叶片根部34，减少二次流、涡旋的产生。缘板本体10的下端面14自凸起部24的位置向下延伸出一第一连接部36，缘板本体10的下端面14自下凹部28的位置向下延伸出一第二连接部38，第一连接部36和第二连接部38分别与榫齿18连接，例如一体成型。
如图3和图4所示，凸起部24与缘板本体第一端20之间形成缘板本体10的前伸部40，前伸部40的上端面42为弧形面，其主要作用是起封严和整流，使气流在叶片根部34能够符合流体顺流通过。前伸部40与第一连接部36之间以圆弧过渡连接。下凹部28与缘板本体第二端22之间形成缘板本体10的后延部44，后延部44与第二连接部38之间以圆弧过渡连接。
凸起部24与下凹部28之间形成缘板过渡部46，缘板过渡部46与缘板的轴向方向呈17度。通过模拟验证，将缘板过渡部46设计为与缘板的轴向方向呈17度使得缘板在处理气流顺畅问题上是最优的，气流掠过缘板表面和叶片表面32时会迅速膨胀，斜度面的存在切合了气流膨胀特性。
在所示的实施例中，前伸部40的厚度大于缘板过渡部46的厚度，后延部44的厚度大于缘板过渡部46的厚度。这样设计主要是考虑离心应力和气流力的影响，需要增加厚度抵消应力集中点。缘板过渡部46设计的较薄，主要考虑到在满足结构强度的基础上尽量减轻重量的需求。而且缘板的厚度依照涡轮叶片16受气体力大小可以适当调整。
第一连接部36与缘板过渡部46之间以圆弧过渡连接，第二连接部38与缘板过渡部46之间以圆弧过渡连接。这样设计的主要目的是通过圆滑过渡减少应力集中。
前伸部40在朝向缘板本体第一端20的下缘设计为圆弧面，后延部44在朝向缘板本体第二端22的下缘设计为圆弧面。其中，前伸部40的下缘圆弧面的圆弧曲线设计为11度，后延部44的下缘圆弧面的圆弧曲线设计为11度，这样的角度设计使得在与之相配合的涡轮盘能紧密贴合，此外，还能达到均匀应力的目的。
在投入使用时，第一端20作为缘板本体10的前端，可配合涡轮叶片16实际受力情况而做出调整；第一连接部36的下表面的长度可以配合涡轮叶片16的频率的变化而调节；前伸部40下表面的长短可配合前伸部40曲面的整流和封严作用而调整。
综上所述，本发明提出一种基于样条曲线的涡轮叶片缘板，解决传统的涡轮叶片缘板平直规则的平面体，因阻碍流体工质的自由膨胀而导致能量损失加剧的问题。所述涡轮叶片缘板符合流体气动性能，能提高涡轮效率、延缓材料疲劳失效。缘板与叶片根部样条曲线平滑过渡，避免流道涡、二次流的出现和扩张，进而提高效率。缘板本体的前伸部和后延部采用封严结构设计，避免流体工质从径向间隙中泄漏，使流体工质尽可能用于做功和避免高温流体工质泄漏，造成整个转子温度场的不均衡影响材料性能。同时缘板前伸和后延的曲面体可以解决前一级涡轮与后一级涡轮气流流通过渡不流畅、叶根漏气等问题。
本文所描述的概念在不偏离其精神和特性的情况下可以实施成其它形式。所公开的具体实施例应被视为例示性而不是限制性的。因此，本发明的范围是由所附的权利要求，而不是根据之前的这些描述进行确定。在权利要求的字面意义及等同范围内的任何改变都应属于这些权利要求的范围。
Claims (9)
1.一种基于样条曲线设计的涡轮叶片缘板，包括缘板本体，所述缘板本体具有上端面和下端面，所述上端面与所述涡轮叶片连接，所述下端面与一榫齿连接，所述缘板本体整体呈曲线形结构，其特征在于，所述缘板本体具有第一端和与所述第一端相反的第二端，所述缘板本体在靠近所述第一端的位置向上拱起以形成一凸起部，所述凸起部具有一圆形顶尖，所述缘板本体在靠近所述第二端的位置向下凹陷以形成一下凹部，所述下凹部具有一尾流曲面。
2.如权利要求1所述的基于样条曲线设计的涡轮叶片缘板，其特征在于，所述涡轮叶片包括叶片表面和叶片根部，所述缘板本体的上端面自所述凸起部至所述下凹部之间的部位与所述叶片根部圆滑过渡连接，所述缘板本体的下端面自所述凸起部的位置向下延伸出一第一连接部，所述缘板本体的下端面自所述下凹部的位置向下延伸出一第二连接部，所述第一连接部和第二连接部用于与所述榫齿连接。
3.如权利要求2所述的基于样条曲线设计的涡轮叶片缘板，其特征在于，所述凸起部与所述第一端之间形成前伸部，所述前伸部与所述第一连接部之间以圆弧过渡连接，所述下凹部与所述第二端之间形成后延部，所述后延部与所述第二连接部之间以圆弧过渡连接，所述凸起部与所述下凹部之间形成缘板过渡部。
4.如权利要求3所述的基于样条曲线设计的涡轮叶片缘板，其特征在于，所述前伸部的上端面为弧形面。
5.如权利要求3所述的基于样条曲线设计的涡轮叶片缘板，其特征在于，所述前伸部在朝向所述第一端的下缘设计为圆弧面，所述后延部在朝向所述第二端的下缘设计为圆弧面。
6.如权利要求3所述的基于样条曲线设计的涡轮叶片缘板，其特征在于，所述第一连接部与所述缘板过渡部之间以圆弧过渡连接，所述第二连接部与所述缘板过渡部之间以圆弧过渡连接。
7.如权利要求3所述的基于样条曲线设计的涡轮叶片缘板，其特征在于，所述前伸部的厚度大于所述缘板过渡部的厚度，所述后延部的厚度大于所述缘板过渡部的厚度。
8.如权利要求3所述的基于样条曲线设计的涡轮叶片缘板，其特征在于，所述缘板过渡部与所述缘板的轴向方向呈17度。
9.如权利要求5所述的基于样条曲线设计的涡轮叶片缘板，其特征在于，所述前伸部的下缘圆弧面的圆弧曲线为11度，所述后延部的下缘圆弧面的圆弧曲线为11度。
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