CN111140284A - 一种基元级前缘自带五个感压孔的手柄式涡轮叶片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基元级前缘自带五个感压孔的手柄式涡轮叶片，包含压力感受孔、引压通道、手柄、低损弯管、引压管接口；叶片前缘沿叶高方向有多排压力感受孔，每一排包含五个压力感受孔；引压通道分别连接压力感受孔孔口和引压管接口，弯曲处采用低损弯管。本发明能同时测得涡轮转子出口沿叶高方向、多个基元级位置、在来流方向与前缘夹角±120°范围内气流的总压、静压、偏转角和马赫数，适用于测量转子出口二维流场参数沿叶高方向的分布。本发明不仅具有常规涡轮叶片的气动性能和强度，重要的是具有测量流场参数的功能，而且相比于常规压力探针、叶型探针测量技术，本发明无外伸探头，不干扰被测流场，不影响叶片本身气动性能，测量参数精度高。

Description

一种基元级前缘自带五个感压孔的手柄式涡轮叶片

技术领域

本发明属于动力机械领域，涉及涡轮，具体涉及一种基元级前缘自带五个压力感受孔的手柄式涡轮叶片。

背景技术

涡轮静子叶片有多种安装至机匣上的方式，其中一种比较常见的安装方式为手柄固定式。静子叶片叶顶带有手柄凸台和手柄，通过机匣上的卡圈、卡环等结构可以将叶片固定在机匣上。这种安装方式结构简单、拆装方便，便于拆卸、更换单个叶片。

在涡轮中，用一个和涡轮同轴的圆柱面对涡轮的叶片进行剖切，切得涡轮叶片的截面就叫做叶片的基元级。

目前在涡轮叶片气动设计过程中，首先需要确定涡轮进出口的速度三角形。速度三角形主要包括四个参数：轴向速度、预旋、周向速度和扭速。其中，轴向速度是由流过涡轮的流量决定的。周向速度和扭矩是由轮缘功确定的。通过进出口速度三角形的计算可以求得基元级的进气角、出气角，针对不同位置的基元级给定不同的攻角，再结合落后角、叶片前缘角和后缘角，便可以求得对应每个基元级应有的安装角度。再将求得的基元级积叠就可以得到叶片的三维造型。

除气动设计、结构设计之外，还需要对涡轮叶片进行强度设计，以确保叶片有足够的强度。因此叶片的设计过程是需要反复迭代的多参数优化设计。在保证涡轮叶片有足够强度的前提下，设计人员也希望叶片重量尽可能轻，这有利于减轻航空发动机或者燃气轮机的整体重量，提高航空发动机的推重比或者燃气轮机的效率。

涡轮内部流动呈现出复杂的强三维性和非定常性，而且叶片结构、型面复杂，转子和静子间的轴向空间十分狭窄。另外，涡轮内工质为燃烧室排出的高温高压燃气。由于这些问题，常规的测试手段往往受限。

接触式测量手段例如压力探针，包括可以实现多点同时测量的压力探针梳和叶型探针，大多存在前伸的探头。压力探针梳受到其自身尺寸的限制，无法插入小尺寸叶片排之间的狭窄流道内开展级间流场参数测试，即使能够插入，探针探头和支杆会对被测流场造成很大干扰。更重要的一点是，只有在机匣上打孔才能将压力探针或者压力探针梳插入转子和静子之间的流场，而对于涡轮而言，转子静子之间往往具有双层机匣，如图14所示，因此在机匣上打孔加工难度大。打孔也会破坏机匣机构的完整性，并且有漏气的可能，进一步干扰原有的流场结构。

叶型探针可以插入小尺寸叶片排之间的狭窄流道内开展级间流场参数测试，但会对被测流场尤其是叶片近壁面流场产生很大的干扰，破坏流场原有结构，造成较大的测量误差，甚至带来额外的流动损失从而恶化叶片原有的气动负荷和涡轮的做功能力。

其次，测量二维流场参数多采用三孔压力探针，但是现有的、较好三孔压力探针可测量的气流角度范围只有±40°。而涡轮中气流角度变化随涡轮工作状态变化十分剧烈，一些工况下气流角度变化范围可达±60°到±70°，这就导致现有的三孔压力探针无法准确地测量到涡轮内二维流场参数。

热线风速仪也是涡轮内流场常用的测试手段之一，但是热丝易断裂，而且容易受到杂质的污染导致测量结果不准确。

非接触测量手段例如粒子图像测速技术、激光多普勒测速技术虽然不会破坏流场结构，但是，由于叶片复杂型面遮挡激光或者流道狭窄遮挡激光，无法测到叶根区域的流场，另外，激光照射到壁面上，会产生强烈的反光，造成测量误差。粒子跟随性问题也会导致较大的测量误差。粒子图像测速技术、激光多普勒测速技术只能测量速度，不能测量压力，而涡轮性能实验更关心的是压力数据。

现有的涡轮叶片设计没有包含级间气动参数测量设计，造成涡轮小尺寸叶片排之间的狭窄流道内无法开展级间流场参数准确测试。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有的涡轮叶片设计没有包含级间气动参数测量设计，造成涡轮小尺寸叶片排之间的狭窄流道内无法开展级间流场参数准确测量难题，发明一种基元级前缘自带五个感压孔的手柄式涡轮叶片，解决涡轮小尺寸叶片排之间的狭窄流道内无法开展级间流场参数准确测量的技术问题。

本发明的技术解决方案是：

一种基元级前缘自带五个感压孔的手柄式涡轮叶片，其特征在于：叶片具有叶片吸力面(1)，叶片压力面(2)，压力面后压力感受孔(3)，压力面前压力感受孔(4)，前缘点压力感受孔(5)，吸力面前压力感受孔(6)，吸力面后压力感受孔(7)，引压通道(8)，低损弯管(9)，手柄凸台(10)，引压管接口(11)，手柄(12)；所述叶片前缘沿叶高方向有多排压力感受孔，每一排包含5个位于叶片表面的压力感受孔，分别为位于叶片前缘点的前缘点压力感受孔(5)，位于叶片吸力面(1)的吸力面前压力感受孔(6)、吸力面后压力感受孔(7),位于叶片压力面(2)的压力面后压力感受孔(3)、压力面前压力感受孔(4)，五个孔的中心线位于同一叶片基元级上，且压力感受孔的直径均为0.2mm至1mm；其中，前缘点压力感受孔(5)中心线与其所在基元级中弧线在基元级前缘点处的切线重合；压力面后压力感受孔(3)孔口与吸力面后压力感受孔(7)孔口中心线共线，均为基元级中弧线在从基元级前缘点开始0.5％到20％长度点处的法线；压力面前压力感受孔(4)中心线与压力面后压力感受孔(3)和吸力面后压力感受孔(7)中心线成30°到45°夹角，吸力面前压力感受孔(6)中心线与压力面后压力感受孔(3)和吸力面后压力感受孔(7)中心线成30°到45°夹角；引压通道(8)一端连接压力感受孔孔口，另一端与位于手柄(12)中的引压管接口(11)相连；引压通道(8)的直径与压力感受孔一致，为0.2mm至1mm；在压力感受孔中心线所在的基元级上，连接前缘点压力感受孔(5)的引压通道(8)中心线与叶片基元级中弧线重合，其余引压通道(8)中心线皆为连接前缘点压力感受孔(5)的引压通道(8)中心线的等距线，所有引压通道(8)在其所在基元级向叶片后方延伸，并且在从基元级前缘点开始的40％至60％弦长处向手柄(12)方向弯曲，弯曲处采用低损弯管(9)；低损弯管(9)中心线为极坐标曲线ρ²＝a²sin2θ的一部分，其中a的值为引压通道(8)直径的1到4倍，该曲线θ值在0到30°之间的曲线段为低损弯管(9)中心线，其分别与连接的两段引压通道(8)中心线相切；弯曲后的引压通道(8)为直通道；引压管接口(11)与引压通道(8)末端中心线重合，长度为2mm至20mm，直径为0.4mm至2mm；该叶片可以通过手柄凸台以及手柄连接至机匣上；引压管连接至手柄(12)内的引压管接口(11)之后通过机匣上的开孔引出；

一种基元级前缘自带五个感压孔的手柄式涡轮叶片，其特征在于：本发明有多排压力感受孔；最靠近叶根的一排，距离叶根0.2到1mm；最靠近叶顶的一排，距离叶顶0.2到1mm；靠近叶根或靠近叶顶25％叶高范围内，相邻两排压力感受孔之间间距为5％到15％叶高，其余叶高处相邻两排压力感受孔间距为10％到20％叶高。

压力感受孔感受到的压力经过引压通道、引压管传至压力传感器；压力传感器将压力信号转换成电信号输出，通过计算机数据采集及处理系统，可以将压力传感器输出的电信号转换为压力感受孔测得的压力值；本发明的一种基元级前缘自带五个感压孔的手柄式涡轮叶片，可以在校准风洞进行标定，获得各基元级五个感压孔在不同来流马赫数、不同来流偏转角情况下的压力值，结合已知的来流总压、静压，计算出总压系数、静压系数、气流偏转角系数等；本发明的一种基元级前缘自带五个感压孔的手柄式涡轮叶片，在安装到涡轮后，实际工作中可以获得各基元上五个压力感受孔感受的压力，利用其在校准风洞上获得的总压系数、静压系数、气流偏转角系数，可以获得实际来流的总压、静压、马赫数、气流偏转角数据；由于本发明具有多排压力感受孔，可以同时测量沿叶高方向多个叶片基元级位置涡轮进口、转子出口的二维流场参数分布。

本发明的有益效果是：

本发明引压通道之间距离较大且分布合理不会对叶片强度产生不利影响，引压通道采用低损弯管，可以有效减少压力损失以及避免应力集中，并能减轻叶片重量。本发明不仅具有常规叶片的气动性能和强度，更重要的是具有同时测量沿叶高方向多个叶片基元级位置二维流场参数的功能；由于不需要插入压力探针就可以进行二维流场参数的测量，也不需要外伸的探头，因而不会对流场结构产生破坏，不恶化叶片本身的气动性能，不引入额外测量误差；相比于叶型探针而言，无外伸探头意味着本发明重量更轻，有利于减轻涡轮试验件的整体重量；不需要外伸探头带来的另一个好处是，靠近叶根的压力感受孔可以设置得离叶根很近，靠近叶顶的压力感受孔也可以设置得离叶顶很近，提高了叶根和叶顶处的测量分辨率；同时，本发明每个开有压力感受孔的基元级带有五个压力感受孔，因此本发明可以测得来流方向与前缘夹角±120°范围内气流总压、静压、马赫数、气流偏转角等二维流场参数；本发明与现有的叶片相比，充分考虑了叶片气动、结构、强度、重量设计，创造性地提出了压力感受孔的位置、大小、引压通道的设计、布局等，在涡轮叶片设计和气动实验测量方面有着突出特点和实质性进步。

附图说明

图1是本发明一种基元级前缘自带五个压力感受孔的手柄式涡轮叶片的轴测图。

图2是图1的左视图。

图3是图1的主视图。

图4是图1的右视图，并做了局部剖视。

图5是图1的一个基元级。

图6是图1叶中位置的基元级截面。

图7是图1局部立体透视图。

图8是本发明一种基元级前缘自带五个压力感受孔的手柄式涡轮叶片实施例二的轴测图。

图9是图8的左视图。

图10是图8的主视图。

图11是图8的右视图，并做了局部剖视。

图12是图1叶中处的一个基元级截面。

图13是低损弯管中心线定义。

图14是涡轮转子出口处结构示意图。

其中：1-叶片吸力面，2-叶片压力面，3-压力面后压力感受孔，4-压力面前压力感受孔，5-前缘点压力感受孔，6-吸力面前压力感受孔，7-吸力面后压力感受孔，8-引压通道，9-低损弯管，10-手柄凸台，11-引压管接口，12-手柄，13-基元级前缘点，14-基元级中弧线从基元级前缘点开始的5％的长度点，15-基元级中弧线，16-基元级后缘点，17-涡轮转子叶片，18-涡轮转子出口处双层机匣，19-涡轮静子叶片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细阐述。

实施例一

如图1、图2和图3所示，本实施例中介绍一种基元级前缘自带五个感压孔的手柄式涡轮叶片；包含叶片吸力面(1)，叶片压力面(2)，压力面后压力感受孔(3)，压力面前压力感受孔(4)，前缘点压力感受孔(5)，吸力面前压力感受孔(6)，吸力面后压力感受孔(7)，引压通道(8)，低损弯管(9)，手柄凸台(10)，引压管接口(11)，手柄(12)。其中，叶片沿叶高方向分布有五排压力感受孔，每一排包含位于基元级前缘点的前缘点压力感受孔(5)，位于叶片压力面(2)上的压力面后压力感受孔(3)和压力面前压力感受孔(4)，位于叶片吸力面(1)上的吸力面前压力感受孔(6)和吸力面后压力感受孔(7)。每排的压力感受孔中心线在同一基元级上，每个孔的直径为1mm。从叶根方向起第一排压力感受孔排距离叶根为1mm，第二排在25％叶高，第三排在50％叶高，第四排在75％叶高，第五排距离叶顶为1mm；引压通道(8)为叶片内部的通路，其直径与压力感受孔直径相同为1mm；引压通道(8)一端连接压力感受孔孔口，另一端连接手柄(12)内的引压管接口(11)，引压管接口(11)长度为20mm，直径为2mm。

图4表示引压通道(8)在叶片内部的走向以及引压管接口(11)在手柄中的相对位置；引压通道(8)一端连接压力感受孔孔口并向叶片后方延伸，并且在一定弦长位置向手柄(12)方向弯曲，弯曲处为低损弯管(9)；如图13，低损弯管(9)中心线为极坐标曲线ρ²＝a²sin2θ的一部分即图中实线部分，其中a的值为引压通道直径的两倍；取该曲线θ值在0到30°之间的曲线段为低损弯管(9)中心线，其分别与连接的两段引压通道(8)中心线相切。弯曲后的引压通道(8)连接手柄(12)中的引压管接口(11)，引压管接口(11)中心线与引压通道(8)末端中心线重合。

图5为叶片一个基元级的前缘，前缘点压力感受孔(5)孔口中心线与叶片基元级中弧线(15)在前缘点处的切线重合；吸力面后压力感受孔(7)孔口和压力面后压力感受孔(3)孔口共用中心线，该中心线为过基元级中弧线从基元级前缘点开始的5％的长度点(14)的中弧线法线；吸力面前压力感受孔(6)孔口和压力面前压力感受孔(4)孔口中心线均与吸力面后压力感受孔(7)孔口和压力面后压力感受孔(3)孔口中心线成45°夹角。

图6为叶片一个带有压力感受孔的基元级，连接前缘点压力感受孔(5)孔口的引压通道中心线与叶片中弧线重合，向叶片后缘延伸，其余引压通道(8)中心线皆为连接前缘点压力感受孔(5)的引压通道(8)中心线的等距线，并且向叶片后缘延伸；从叶顶至叶根第一排压力感受孔在从基元级前缘点开始40％弦长处向手柄(12)方向弯曲，弯曲处采用低损弯管(9)，弯曲后的引压通道(8)为直管道，并最终和手柄(12)内的引压管接口相连；从叶顶至叶根第二排压力感受孔在从基元级前缘点开始45％弦长处向手柄(12)方向弯曲，弯曲处采用低损弯管，弯曲后的引压通道(8)为直管道，并最终和手柄(12)内的引压管接口(11)相连；从叶顶至叶根第三排压力感受孔在从基元级前缘点开始50％弦长处向手柄(12)方向弯曲，弯曲处采用低损弯管，弯曲后的引压通道(8)为直管道，并最终和手柄(12)内的引压管接口(11)相连；从叶顶至叶根第四排压力感受孔在从基元级前缘点开始55％弦长处向手柄(12)方向弯曲，弯曲处采用低损弯管，弯曲后的引压通道(8)为直管道，并最终和手柄内的引压管接口(11)相连；从叶顶至叶根第五排压力感受孔在从基元级前缘点开始60％弦长处向手柄(12)方向弯曲，弯曲处采用低损弯管，弯曲后的引压通道(8)为直管道，并最终和手柄内的引压管接口(11)相连；本发明可以通过手柄凸台(10)和手柄(12)安装至涡轮机匣；引压管连接至手柄(12)内的引压管接口(11)，并通过机匣上的开孔引出。

实施例二

本实施例中叶片尺寸较小，压力感受孔排数为三排。

如图8、图9和图10所示，本实施例中介绍一种基元级前缘自带五个感压孔的手柄式涡轮叶片；包含叶片吸力面(1)，叶片压力面(2)，压力面后压力感受孔(3)，压力面前压力感受孔(4)，前缘点压力感受孔(5)，吸力面前压力感受孔(6)，吸力面后压力感受孔(7)，引压通道(8)，低损弯管(9)，手柄凸台(10)，引压管接口(11)，手柄(12)。其中，叶片沿叶高方向分布有三排压力感受孔，每一排包含位于基元级前缘点的前缘点压力感受孔(5)，位于叶片压力面(1)上的压力面后压力感受孔(3)和压力面前压力感受孔(4)，位于叶片吸力面(2)上的吸力面前压力感受孔(6)和吸力面后压力感受孔(7)。每排的压力感受孔中心线在同一基元级上，每个孔的直径为0.2mm。从叶根方向起第一排压力感受孔排距离叶根1mm，第二排在50％叶高，第三排距离叶顶1mm；引压通道(8)为叶片内部的通路，其直径与压力感受孔直径相同为0.2mm；引压通道(8)一端连接压力感受孔孔口，另一端连接引压管接口(11)，引压管接口(11)长度为4mm，直径为0.4mm。

图11表示引压通道(8)在叶片内部的走向以及引压管接口(11)在手柄(12)中的相对位置；引压通道(8)一端连接压力感受孔孔口并向叶片后方延伸，并且在一定弦长位置向手柄(12)方向弯曲，弯曲处为低损弯管(9)；如图13，低损弯管(9)中心线为极坐标曲线ρ²＝a²sin2θ的一部分即图中实线部分，其中a的值为引压通道直径的两倍；取该曲线θ值在0到30°之间的曲线段为低损弯管(9)中心线，其分别与连接的两段引压通道(8)中心线相切。弯曲后的引压通道(8)连接手柄(12)中的引压管接口(11)，引压管接口(11)中心线与引压通道(8)末端中心线重合。

图5为叶片一个基元级的前缘，前缘点压力感受孔(5)孔口中心线与叶片基元级中弧线(15)在前缘点处的切线重合；吸力面后压力感受孔(7)孔口和压力面后压力感受孔(3)孔口共用中心线，该中心线为过基元级中弧线从基元级前缘点开始的5％的长度点(14)的中弧线法线；吸力面前压力感受孔(6)孔口和压力面前压力感受孔(4)孔口中心线均与吸力面后压力感受孔(7)孔口和压力面后压力感受孔(3)孔口中心线成45°夹角。

图12为叶片一个带有压力感受孔的基元级，连接前缘点压力感受孔(5)的引压通道(8)中心线与叶片中弧线重合，向叶片后缘延伸，其余引压通道(8)中心线皆为连接前缘点压力感受孔(5)的引压通道(8)中心线的等距线，并且向叶片后缘延伸；从叶顶至叶根第一排压力感受孔在从基元级前缘点开始40％弦长处向手柄(12)方向弯曲，弯曲处采用低损弯管(9)，弯曲后的引压通道(8)为直管道，并最终和手柄(12)内的引压管接口(11)相连；从叶顶至叶根第二排压力感受孔在从基元级前缘点开始50％弦长处向手柄(12)方向弯曲，弯曲处采用低损弯管(9)，弯曲后的引压通道(8)为直管道，并最终和手柄内的引压管接口(11)相连；从叶顶至叶根第三排压力感受孔在从基元级前缘点开始60％弦长处向手柄(12)方向弯曲，弯曲处采用低损弯管(9)，弯曲后的引压通道为直管道，并最终和手柄内的引压管接口相连；本发明可以通过手柄凸台(10)和手柄(12)安装至涡轮机匣；引压管连接至手柄(12)内的引压管接口(11)，并通过机匣上的开孔引出。

Claims (1)

1.一种基元级前缘自带五个感压孔的手柄式涡轮叶片，其特征在于：叶片具有叶片吸力面(1)，叶片压力面(2)，压力面后压力感受孔(3)，压力面前压力感受孔(4)，前缘点压力感受孔(5)，吸力面前压力感受孔(6)，吸力面后压力感受孔(7)，引压通道(8)，低损弯管(9)，手柄凸台(10)，引压管接口(11)，手柄(12)；所述叶片前缘沿叶高方向有多排压力感受孔，每一排包含5个位于叶片表面的压力感受孔，分别为位于叶片前缘点的前缘点压力感受孔(5)，位于叶片吸力面(1)的吸力面前压力感受孔(6)、吸力面后压力感受孔(7),位于叶片压力面(2)的压力面后压力感受孔(3)、压力面前压力感受孔(4)，五个孔的中心线位于同一叶片基元级上，且压力感受孔的直径均为0.2mm至1mm；其中，前缘点压力感受孔(5)中心线与其所在基元级中弧线在基元级前缘点处的切线重合；压力面后压力感受孔(3)孔口与吸力面后压力感受孔(7)孔口中心线共线，均为基元级中弧线在从基元级前缘点开始0.5％到20％长度点处的法线；压力面前压力感受孔(4)中心线与压力面后压力感受孔(3)和吸力面后压力感受孔(7)中心线成30°到45°夹角，吸力面前压力感受孔(6)中心线与压力面后压力感受孔(3)和吸力面后压力感受孔(7)中心线成30°到45°夹角；引压通道(8)一端连接压力感受孔孔口，另一端与位于手柄(12)中的引压管接口(11)相连；引压通道(8)的直径与压力感受孔一致，为0.2mm至1mm；在压力感受孔中心线所在的基元级上，连接前缘点压力感受孔(5)的引压通道(8)中心线与叶片基元级中弧线重合，其余引压通道(8)中心线皆为连接前缘点压力感受孔(5)的引压通道(8)中心线的等距线，所有引压通道(8)在其所在基元级向叶片后方延伸，并且在从基元级前缘点开始的40％至60％弦长处向手柄(12)方向弯曲，弯曲处采用低损弯管(9)；低损弯管(9)中心线为极坐标曲线ρ²＝a²sin2θ的一部分，其中a的值为引压通道(8)直径的1到4倍，该曲线θ值在0到30°之间的曲线段为低损弯管(9)中心线，其分别与连接的两段引压通道(8)中心线相切；弯曲后的引压通道(8)为直通道；引压管接口(11)与引压通道(8)末端中心线重合，长度为2mm至20mm，直径为0.4mm至2mm；该叶片可以通过手柄凸台以及手柄连接至机匣上；引压管连接至手柄(12)内的引压管接口(11)之后通过机匣上的开孔引出；

进一步，本发明有多排压力感受孔；最靠近叶根的一排，距离叶根0.2到1mm；最靠近叶顶的一排，距离叶顶0.2到1mm；靠近叶根或靠近叶顶25％叶高范围内，相邻两排压力感受孔之间间距为5％到15％叶高，其余叶高处相邻两排压力感受孔间距为10％到20％叶高。

本发明经过校准风洞的标定，可以实现对涡轮进口、转子出口多个基元级位置的总压、静压、马赫数、气流偏转角等二维流场参数的同时精确测量，测量的气流偏转角范围可以到达±120°。

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