CN108487936B - 一种叶顶开设高低棱柱凹腔的动叶片的涡轮 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种叶顶开设高低棱柱凹腔的动叶片的涡轮，包括机匣和轮毂，所述的轮毂的圆周方向均匀设有多个涡轮动叶片，所述的轮毂和涡轮动叶片均安装在机匣里，在所述的涡轮动叶片的叶顶从涡轮动叶片的前缘到尾缘设置若干排高低分布的棱柱型凹腔，至少有两排低的棱柱型凹腔相邻设置，所述的棱柱型凹腔的最大高度与叶片高度的比值为0.5％‑4％。本发明基于叶顶棱柱凹腔布局，结合叶顶肋条控制泄漏流动的效果，设计一种高低棱柱凹腔的布局，通过高低分布的棱柱凹腔，改变间隙流场结构，增大间隙泄漏流体在径向方向的变化，进而促进棱柱凹腔旋涡的发展，加强对间隙流体从压力向吸力面泄漏的流动阻力，达到更好的控制叶尖泄漏流动的效果。

Description

一种叶顶开设高低棱柱凹腔的动叶片的涡轮
技术领域
本发明创造属于涡轮技术领域，尤其是涉及一种叶顶开设高低棱柱凹腔的动叶片的涡轮。
背景技术
涡轮作为发动机的三大核心部件之一，涡轮性能的提高对于提高整个发动机性能有重要的作用。涡轮作为旋转动力部件，叶尖的间隙泄漏损失是不可避免的。研究表明，涡轮叶尖泄漏相关损失在总损失中的比重可以达到三分之一，主要体现在间隙内由于剪切运动带来的损失和泄漏流体流出间隙后形成的泄漏涡与叶栅通道内的主流流动的掺混损失。研究泄漏流动的控制技术对于降低涡轮损失，对提高涡轮乃至整个发动机的性能有着重要的意义。
基于涡轮叶顶结构改变的泄漏流动被动控制技术一直是研究的重点内容，其关键的技术是对叶顶结构的有效设计。肋条/凹槽结构是被广泛研究和具有实际应用的泄漏流动控制技术之一。近年来，关于该结构的改进研究和组合研究也相应出现，其中基于迷宫密封特性启发的凹槽内布置肋条结构设计被证实在泄漏流动控制方面有优于常规凹槽结构的效果。基于被动控制技术的特性，提出相应的改进设计及优化组合设计对于进一步提高其在泄漏流动控制方面的效果具有重要的研究价值。
发明内容
有鉴于此，本发明创造旨在提出一种叶顶开设高低棱柱凹腔的动叶片的涡轮，基于叶顶棱柱凹腔布局，结合叶顶肋条控制泄漏流动的效果，设计一种高低棱柱凹腔的布局，通过高低分布的棱柱凹腔，改变间隙流场结构，增大间隙泄漏流体在径向方向的变化，进而促进棱柱凹腔旋涡的发展，加强对间隙流体从压力向吸力面泄漏的流动阻力，达到更好的控制叶尖泄漏流动的效果。
为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
一种叶顶开设高低棱柱凹腔的动叶片的涡轮，包括机匣和轮毂，所述的轮毂的圆周方向均匀设有多个涡轮动叶片，所述的轮毂和涡轮动叶片均安装在机匣里，在所述的涡轮动叶片的叶顶从涡轮动叶片的前缘到尾缘设置若干排高低分布的棱柱型凹腔，至少有两排低的棱柱型凹腔相邻设置，所述的棱柱型凹腔的最大高度h与涡轮动叶片高度H的比值为0.5％-4％。
进一步的，所述棱柱型凹腔的布置方向为棱柱边或角正对叶栅几何进气角方向、叶栅压力面型线方向或叶栅吸力面型线方向。
进一步的，高的所述棱柱型凹腔和低的所述棱柱型凹腔按照正弦曲面、余弦曲面或D样条曲面布局。
进一步的，所述棱柱型凹腔为正棱柱型凹腔或斜棱柱型凹腔。
进一步的，所述斜棱柱型凹腔的倾斜方向为正对/背向来流方向、正对/背对周向方向、或正对/背对叶片压力面/吸力面法向方向。
进一步的，高的所述棱柱型凹腔和低的所述棱柱型凹腔之间的高度差为0.1-1倍的棱柱型凹腔的高度。
相对于现有技术，本发明创造所述的一种叶顶开设高低棱柱凹腔的动叶片的涡轮具有以下优势：
本发明所述的一种叶顶开设高低棱柱凹腔的动叶片的涡轮，通过在叶顶布局高低分布的棱柱凹腔，改变间隙流场结构，增大间隙泄漏流体在径向方向的变化，进而促进棱柱凹腔旋涡的发展，加强对间隙流体从压力向吸力面泄漏的流动阻力。通过对泄漏流动的控制，有效降低叶栅总损失，提高涡轮效率；将叶顶棱柱凹腔的上表面通过数学建模建立三维曲面模型，通过优化设计手段得到最优的叶顶棱柱凹腔高低布局方式，达到更多的泄漏流动控制效果；高低棱柱凹腔分布的另一个优势是高棱柱在间隙内有类似于密封凸齿、肋条的作用。在两排高棱柱凹腔之间形成小空间，流体跨过高棱柱凹腔进入对小空间，一方面增加低棱柱凹腔上方流体的径向速度分量，促进低棱柱凹腔内旋涡形成和发展；另一方面通过高棱柱凹腔的节流作用和低棱柱凹腔上方形成的小空间内的湍流流动，增强了对间隙流体的耗散，进而达到进一步控制泄漏流动的作用。
本发明为一种叶顶开设高低棱柱凹腔的动叶片的涡轮，将叶顶实心叶片变为带有若干凹腔的叶片，可以增强叶顶的可磨耗性，实现更小的间隙允许值。
附图说明
构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：
图1为本发明涡轮叶栅子午示意图；
图2为一种正对进气角方向布局的叶顶高低棱柱凹腔叶顶截面示意图；
图3为单个棱柱凹腔横截面图；
图4为单个棱柱型凹腔的正视图；
图5为叶顶A-A截面的表面流线图。
附图标记说明：
1-机匣，2-轮毂，3-涡轮动叶片，4-棱柱型凹腔，5-前缘线，6-尾缘线。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。
结合图1和图4，本发明应用在涡轮叶栅中，本发明所述的一种叶顶开设高低棱柱凹腔的动叶片的涡轮，包括机匣1和轮毂2，所述的轮毂2的圆周方向均匀设有多个涡轮动叶片3，所述的轮毂2和涡轮动叶片3均安装在机匣1里，在所述的涡轮动叶片3的叶顶从涡轮动叶片3的前缘到尾缘设置若干排高低分布的棱柱型凹腔4，至少有两排低的棱柱型凹腔4相邻设置，所述的棱柱型凹腔4的最大高度h与涡轮动叶片3高度H的比值为0.5％-4％，机匣1与轮毂2之间形成叶栅流道，5、6分别表示涡轮动叶片3的前缘线和尾缘线。
棱柱型凹腔4为正棱柱型凹腔或斜棱柱型凹腔。
斜棱柱型凹腔的倾斜方向为正对/背向来流方向、正对/背对周向方向、或正对/背对叶片压力面/吸力面法向方向。
结合图1和图2，棱柱型凹腔为正六棱柱凹腔，采用正对进气角方向的高低棱柱凹腔布局，每两排高棱柱凹腔之间间隔两排低棱柱凹腔排布。高低棱柱凹腔之间的高度差为0.5倍的棱柱型凹腔4高度h。
高低分布的棱柱型凹腔，可以采用基于数学描述的曲面造型布局，即在棱柱凹腔顶部平面建立控制点，通过控制点建立该自由平面的数学描述(如简单正弦曲面、简单余弦曲面、Bezier曲面、B样条曲面、双峰高斯曲面等)，进而形成叶顶棱柱凹腔的高低排布三维造型。
结合图2、图3和图4，棱柱型凹腔4在叶顶的具体排布形式设计本发明涡轮动叶片。设计或选用常规平顶涡轮动叶片，根据涡轮动叶片叶顶叶型及涡轮进气方向设计棱柱型凹腔的几何尺寸(正六边形边长b、凹腔壁厚d)及在叶顶的阵列方式采用边或角正对叶片进气角方向。棱柱型凹腔的最大深度h与叶片高度H的比值在0.5％-4％范围内。(本叶栅优化参数为：凹腔边长b为3.2mm(2％相对叶高)，凹腔深度h为1.6mm(1％相对叶高)，凹腔壁厚为1mm。采用棱柱边正对叶栅几何进气角方向布置，高低棱柱凹腔的径向位置差为0.8mm(0.5％相对叶高))。
棱柱型凹腔4的布置方向也可以为棱柱边或角正对叶栅压力面型线方向或叶栅吸力面型线方向。
如图5所示，为叶顶A-A截面的表面流线图，通过在叶顶布局高低分布的棱柱凹腔，改变间隙流场结构，增大间隙泄漏流体在径向方向的变化，进而促进棱柱凹腔旋涡的发展，加强对间隙流体从压力向吸力面泄漏的流动阻力。通过对泄漏流动的控制，有效降低叶栅总损失，提高涡轮效率。另外，高低棱柱凹腔的另一个明显优势是可以充分发挥其可磨耗性能，由于高的棱柱凹腔数目少，允许其与上机匣剐碰，使得涡轮叶尖具有更小的叶尖间隙允许值，进一步有效地减小叶尖泄漏量及其相关损失。
表1泄漏量和出口损失对比
表1是平顶、正棱柱凹腔叶顶、高低棱柱凹腔叶顶结构叶顶泄漏相对泄漏量和叶栅损失的对比表，从表中数据可以得到，相对于常规平顶叶栅(1％相对叶高间隙)，正棱柱型凹腔(1％相对叶高间隙)和高低棱柱型凹腔叶顶结构(低棱柱区间隙值为1％相对叶高，高棱柱区间隙值为0.5％相对叶高)的叶顶相对泄漏量分别降低了约11.18％和67.11％，叶栅出口损失分别减小了8.17％和21.77％，表明棱柱型凹腔叶顶结构可以有效地控制叶尖泄漏流动，且高、低棱柱凹腔叶顶结构可以达到更好的控制效果。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种叶顶开设高低棱柱凹腔的动叶片的涡轮，其特征在于：包括机匣(1)和轮毂(2)，所述的轮毂(2)的圆周方向均匀设有多个涡轮动叶片(3)，所述的轮毂(2)和涡轮动叶片(3)均安装在机匣(1)里，在所述的涡轮动叶片(3)的叶顶从涡轮动叶片(3)的前缘到尾缘设置若干排高低分布的棱柱型凹腔(4)，至少有两排低的棱柱型凹腔(4)相邻设置，所述的棱柱型凹腔(4)的最大高度h与涡轮动叶片(3)的高度H的比值为0.5％-4％；高的棱柱凹腔数目少，允许其与上机匣剐碰；所述棱柱型凹腔(4)的布置方向为棱柱边或角正对叶栅几何进气角方向、叶栅压力面型线方向或叶栅吸力面型线方向；高的所述棱柱型凹腔(4)和低的所述棱柱型凹腔(4)按照正弦曲面、余弦曲面或D样条曲面布局。
2.根据权利要求1所述的一种叶顶开设高低棱柱凹腔的动叶片的涡轮，其特征在于：所述棱柱型凹腔(4)为正棱柱型凹腔或斜棱柱型凹腔。
3.根据权利要求2所述的一种叶顶开设高低棱柱凹腔的动叶片的涡轮，其特征在于：所述斜棱柱型凹腔的倾斜方向为正对/背向来流方向、正对/背对周向方向、或正对/背对叶片压力面/吸力面法向方向。
4.根据权利要求3所述的一种叶顶开设高低棱柱凹腔的动叶片的涡轮，其特征在于：高的所述棱柱型凹腔(4)和低的所述棱柱型凹腔(4)之间的高度差为0.1-1倍的棱柱型凹腔(4)的高度。
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