CN109630207B - 一种带叶冠加强筋的空心涡轮转子叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带叶冠加强筋的空心涡轮转子叶片，叶冠2位于叶身1的顶端，叶冠2设有出气孔7，篦齿3位于叶冠的进气边和排气边，叶冠内侧底部设置加强筋4，加强筋连接叶盆内腔表面8、叶背内腔表面9以及叶冠底面6，叶冠远离叶身的部位形成悬臂10，叶冠2上还设置有用于减振的阻尼块5，加强筋与阻尼块5工作面夹角为‑10°至10°，加强筋顶部和根部圆弧转接。本发明可以降低叶冠中部隔条处的应力集中；对叶身强度影响小；对叶冠顶面气体封严流动无影响；增强叶冠底部对流换热。

Description

一种带叶冠加强筋的空心涡轮转子叶片
技术领域：
本发明属于航空涡轮转子叶片技术领域,特别是涉及一种带叶冠加强筋的空心涡轮转子叶片。
背景技术
涡轮转子叶片是航空发动机、燃气轮机中重要部件之一，它将高温高压燃气的能量转化为动能或机械能，从而带动压气机、风扇、螺旋桨、直升机旋翼及附件等进行工作。涡轮转子叶片所处的环境极其恶劣，其经常出现抗振刚度、结构强度以及振动等问题。据不完全统计，在发动机故障60％以上是因为振动产生的，而发动机振动故障中70％以上出现在叶片故障上。为解决叶片振动问题，一种有效的方法是增加阻尼结构，在叶尖设计带冠结构来增加其抗振阻力。
通常应用的叶冠形式有平行四边形和锯齿形两种，其中叶冠采用平行四边形结构的主要优点是：结构形式简单，装配、分解较为方便，但在实际运用中，叶冠的制造精度误差对其影响较大，同时叶片、轮盘变形存在不协调等，综合因素将导致相邻叶片叶冠周向间隙的控制难度大；而对于锯齿形叶冠的结构形式，设计时通常通过预扭设计，使叶片的在工作面存在紧度，保证叶冠的工作面在发动机各种工况下均有一定的紧度接触，从而提高叶片整环刚度，同时通过工作面摩擦提升减振效果。
涡轮叶片采用带叶冠设计的主要好处有两点：一是对涡轮性能有改善作用，有效减小了气流沿叶尖从叶盆向叶背的泄漏。二是涡轮叶片叶尖带冠可改善涡轮叶片的振动特性。
带冠涡轮转子叶片除受到气动负荷、离心力、热应力以外，还受到相邻叶冠的约束，叶冠相互配合状态以及叶冠结构形式的差别会影响其应力分布。叶冠的周向位移由转子径向膨胀与离心力导致变形引起，这一位移与同一时刻的叶冠周向膨胀量相互并不匹配。叶冠热膨胀量一般情况下是比叶冠周向位移要大，所以叶冠的工作面的压应力将增大。同时叶冠将会绕自身积叠轴扭转以使其周向位移的不匹配量得到补偿，从而使叶片变形的协调得到保持。由于叶冠结构不同使协调变形情况不同，导致叶冠应力分布存在很大差别。如图1所示，叶冠C-C及B-B截面以外为悬臂结构，叶片型腔中间有隔条隔开，形成两个椭圆形除尘孔。在离心力的作用下，叶冠C-C及B-B悬臂部分的离心力将对叶冠处产生离心弯矩作用，最终作用在内型腔的隔条上，相当于叶身中间形成了一个扁担，叶冠C-C及B-B悬臂部分的离心力所产生的弯矩需通过内型腔隔条内侧的拉应力和外侧的压应力来平衡。如果隔条的截面积及刚度不足时，就会超出材料的许用应力载荷，最终会导致该处出现裂纹而失效，就如扁担负荷重被掰断失效一样。为降低叶冠局部应力水平，需增加叶片叶冠内型腔隔条处的抗弯刚度。传统的增加刚性的方式为在叶冠外侧设计加强筋，图2为两种双篦齿带外侧加强筋锯齿形叶冠示意图。传统的增加外侧加强筋的方式，使得叶片质量增加较多，加强筋旋转半径大，对叶身的离心负荷增加的多，反而增加对隔条处的弯矩，对大展弦比、高转速叶片来说，此方案并不适用。
同时叶冠双篦齿间增加一个“山顶”，对叶冠的封严流动会产生影响，存在不确定因素。在叶片带篦齿的叶冠结构的研究中，叶片叶冠的主要封严结构由叶片对应涡轮外环结构和叶片的叶冠结构共同组成，前篦齿与外环相应形成封严前腔，两个篦齿和外环密封面形成密封容腔，后篦齿与外环相应形成封严后腔。相关研究指出，与叶冠泄漏流损失主要分为四个部分，包括：因气流从叶冠顶部处的泄漏，该部分气流无法做功的损失也称旁路损失；气流流经叶冠处进、出口的空腔产生的损失；在篦齿间与外环形成容腔中气流的流动对涡轮转子的旋转产生阻力及流动阻力造成的鼓风损失；主流与叶尖泄漏流的掺混，以及泄漏气体流入下游的静子叶片时产生不理想进气角而造成的鼓风损失。在涡轮级效率损失中，大约1.7％是由旁路损失产生，0.45％是由进、出口的空腔流损失，0.4％为掺混损失，0.5％为鼓风损失，总和为2.6％。如图3，在双篦齿带外侧加强筋锯齿形叶冠中，由于加强筋的存在，气流在篦齿间与外环形成的容腔中流动时，加强筋对气流产生扰动，对涡轮转子的旋转产生阻力及流动阻力造成鼓风损失。
发明内容
发明目的：增大叶冠抗弯刚度，减小叶冠中部应力集中，消除传统加强筋对叶冠气体封严流动的影响。
技术方案：
一种带叶冠加强筋的空心涡轮转子叶片，其特征在于，叶冠2位于叶身1的顶端，叶冠2设有出气孔7，篦齿3位于叶冠的进气边和排气边，叶冠内侧底部设置加强筋4，加强筋连接叶盆内腔表面8、叶背内腔表面9以及叶冠底面6，叶冠远离叶身的部位形成悬臂10，
所述叶冠2上还设置有用于减振的阻尼块5。
所述加强筋4厚度为1～2毫米，径向高度为3～5毫米。
所述加强筋与阻尼块5工作面夹角为-10°至10°，加强筋顶部和根部圆弧转接。
有益效果
降低叶冠中部隔条处的应力集中；对叶身强度影响小；对叶冠顶面气体封严流动无影响；增强叶冠底部对流换热。
附图说明
图1为现有技术
图2位现有技术两种双篦齿带外侧加强筋锯齿形叶冠示意图。
图3为现有技术叶尖流动示意图。
图4是本发明的双篦齿、锯齿形叶冠带内侧加强筋结构示意图，
其中，1叶身；2叶冠；3篦齿；4加强筋；5阻尼块；6叶冠底面；7出气孔；8叶盆内腔表面；9叶背内腔表面；10悬臂。
具体实施方式：
如图4所示，本发明一种带叶冠加强筋的空心涡轮转子叶片，叶冠2位于叶身1的顶端，叶冠2设有出气孔7，篦齿3位于叶冠的进气边和排气边，叶冠内侧底部设置加强筋4，加强筋连接叶盆内腔表面8、叶背内腔表面9以及叶冠底面6，叶冠远离叶身的部位形成悬臂10，叶冠2上还设置有用于减振的阻尼块5。加强筋4厚度为1～2毫米，径向高度为3～5毫米。加强筋与阻尼块5工作面夹角为-10°至10°，加强筋顶部和根部圆弧转接。本发明的工作原理为：
发动机高速旋转时，悬臂10在离心力的作用下会产生外翻变形，对叶冠中心产生离心弯矩作用，使叶冠顶部中心产生压应力而底部产生拉应力。
叶冠内侧的加强筋4能够增大抗弯刚度，平衡所受的拉应力和压应力，减小叶冠应力集中。
同时，叶冠内侧加强筋对叶冠顶部的气体封严流动无影响，减小了气体流动损失。
此外，加强筋增加了内腔的换热面积，使内腔冷气带走的热量增加，减小了叶冠中部的温度，提高了叶冠的持久储备。

Claims (2)

1.一种带叶冠加强筋的空心涡轮转子叶片，其特征在于，叶冠(2)位于叶身(1)的顶端，叶冠(2)设有出气孔(7)，篦齿(3)位于叶冠的进气边和排气边，叶冠内侧底部设置加强筋(4)，加强筋连接叶盆内腔表面(8)、叶背内腔表面(9)以及叶冠底面(6)，叶冠远离叶身的部位形成悬臂(10)；
所述叶冠(2)上还设置有用于减振的阻尼块(5)，所述加强筋与阻尼块(5)工作面夹角为-10°至10°，所述加强筋(4)径向高度为3～5毫米。
2.根据权利要求1的所述带叶冠加强筋的空心涡轮转子叶片，其特征在于，所述加强筋(4)厚度为1～2毫米。
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