CN111379594B - 一种涡轮转子叶片凹槽形叶顶结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于航空发动机叶片领域，特别涉及一种涡轮转子叶片凹槽形叶顶结构及其设计方法。包括：顶盖(2)以及叶顶围墙(1)，所述顶盖(2)设置在所述涡轮转子叶片的顶部，所述叶顶围墙(1)设置在所述顶盖(2)的四周，所述叶顶围墙(1)包括压力面叶顶围墙以及吸力面叶顶围墙，所述压力面叶顶围墙的壁厚L1大于所述吸力面叶顶围墙的壁厚L2；所述顶盖(2)以及所述叶顶围墙(1)形成叶顶凹槽；所述叶顶围墙(1)与所述顶盖(2)之间设置有变半径倒圆。本申请强化了叶顶围墙自身的强度，避免了过大的叶尖围墙悬臂尺寸，从而提升对应位置的强度裕度，缓解了应力集中效应，从而提高叶片使用寿命，降低换件带来的成本，提高设计可靠性。

Description

一种涡轮转子叶片凹槽形叶顶结构及其设计方法

技术领域

本申请属于航空发动机叶片领域，特别涉及一种涡轮转子叶片凹槽形叶顶结构及其设计方法。

背景技术

为减小燃气轮机涡轮转子叶片顶部间隙带来的气动性能损失，需要对泄漏燃气的流动进行控制。

涡轮转子叶片的凹槽形叶顶为悬臂结构，现有叶片的叶顶主要基于性能要求开展设计，在强度可靠性方面考虑很少，目前对叶顶各结构参数尚无具体的控制原则，导致往往叶顶凹槽深度偏大、叶顶围墙壁厚偏薄、叶顶围墙与顶盖之间的倒圆半径偏小。现有技术中的叶顶虽然能够保证叶片的短期工作性能，但由于叶顶围墙的强度裕度不足、叶顶围墙与顶盖连接处的应力过于集中，无法应对正常工作环境下叶顶位置的温度和应力，导致了叶顶围墙掉块等损伤；同时由于叶顶压力面比吸力面所受载荷更大，相等的叶顶围墙壁厚也导致了叶顶压力面侧更严重的损伤。降低了叶片使用可靠性，同时带来叶片做功能力下降、换件率高的问题，提高了发动机的成本。

因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。

发明内容

本申请的目的是提供了一种涡轮转子叶片凹槽形叶顶结构及其设计方法，以解决现有技术存在的至少一个问题。

本申请的技术方案是：

本申请的第一个方面提供了一种涡轮转子叶片凹槽形叶顶结构，包括：顶盖以及叶顶围墙，所述顶盖设置在所述涡轮转子叶片的顶部，所述叶顶围墙设置在所述顶盖的四周，其中，

所述叶顶围墙包括压力面叶顶围墙以及吸力面叶顶围墙，所述压力面叶顶围墙的壁厚L1大于所述吸力面叶顶围墙的壁厚L2；

所述顶盖以及所述叶顶围墙形成叶顶凹槽；

所述叶顶围墙与所述顶盖之间设置有变半径倒圆。

可选地，所述吸力面叶顶围墙的壁厚L2≥0.6mm。

可选地，所述压力面叶顶围墙的壁厚L1为所述吸力面叶顶围墙的壁厚L2的1.2倍，即L1＝1.2×L2。

可选地，所述压力面叶顶围墙与所述吸力面叶顶围墙之间设置有壁厚过渡区域。

可选地，所述叶顶凹槽深度H的范围为L1≤H≤2mm。

可选地，所述叶顶围墙与所述顶盖之间设置的变半径倒圆包括：

将前缘驻点o作为叶顶吸力面与压力面的分界点，吸力面按其叶顶弧长百分比5％、10％、70％、80％分别设置标记点a1、b1、b2、c1，压力面按其叶顶弧长百分比5％、10％、80％、90％分别设置标记点a2、d2、d1、c2；

设置标记点a1至标记点a2区域的倒圆半径R-a＝0.3×H，标记点b1至标记点b2区域的倒圆半径R-b＝0.8×H，标记点c1至标记点c2区域的倒圆半径R-c＝0.3×H，标记点d1至标记点d2区域的倒圆半径R-d＝0.8×H。

可选地，设置标记点a1至标记点b1、标记点b2至标记点c1、标记点c2至标记点d1、标记点d2至标记点a2四段区域为倒圆半径的过渡区域。

本申请的第二个方面提供了一种涡轮转子叶片凹槽形叶顶结构设计方法，基于如上所述的涡轮转子叶片凹槽形叶顶结构，包括：

对涡轮转子叶片的叶顶围墙进行变壁厚设计，设置所述叶顶围墙的压力面叶顶围墙壁厚L1大于吸力面叶顶围墙壁厚L2；

通过性能计算得出涡轮转子叶片的叶顶凹槽深度H的选取范围后，进一步选取所述叶顶凹槽深度H的取值区间；

将涡轮转子叶片的叶顶围墙与顶盖之间进行变半径倒圆设计。

发明至少存在以下有益技术效果：

本申请的涡轮转子叶片凹槽形叶顶结构，对叶顶围墙壁厚的设计强化了叶顶围墙自身的强度，对凹槽深度的设计，避免了过大的叶尖围墙悬臂尺寸，从而提升对应位置的强度裕度，通过叶顶围墙与顶盖之间倒圆的设计，缓解了应力集中效应，从而提高叶片使用寿命，降低换件带来的成本，提高可靠性。

附图说明

图1是本申请一个实施方式的涡轮转子叶片凹槽形叶顶结构整体示意图；

图2是本申请一个实施方式的涡轮转子叶片凹槽形叶顶结构倒角设计示意图；

图3是图2的N-N视图。

其中：

1-叶顶围墙；2-顶盖。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

下面结合附图1至图3对本申请做进一步详细说明。

本申请的第一个方面提供了一种涡轮转子叶片凹槽形叶顶结构，包括：顶盖2以及叶顶围墙1。

具体的，顶盖2设置在涡轮转子叶片的顶部，叶顶围墙1设置在顶盖2的四周，其中，叶顶围墙1包括压力面叶顶围墙以及吸力面叶顶围墙，压力面叶顶围墙的壁厚L1大于吸力面叶顶围墙的壁厚L2；顶盖2以及叶顶围墙1形成叶顶凹槽；叶顶围墙1与顶盖2之间设置有变半径倒圆。

本申请的涡轮转子叶片凹槽形叶顶结构，将吸力面叶顶围墙的壁厚设置为：L2≥0.6mm。优选地，将压力面叶顶围墙的壁厚L1设置为吸力面叶顶围墙的壁厚L2的1.2倍，即L1＝1.2×L2。可以理解的是，本实施例中，压力面叶顶围墙与吸力面叶顶围墙之间设置有壁厚过渡区域。

本申请的涡轮转子叶片凹槽形叶顶结构，叶顶凹槽深度H的范围设置为L1≤H≤2mm。

在本申请的一个实施方式中，将压力面叶顶围墙的壁厚L1设置为0.96mm，吸力面叶顶围墙的壁厚L2设置为0.8mm，叶顶凹槽深度H设置为1.5mm。

本申请的涡轮转子叶片凹槽形叶顶结构，如图2所示，叶顶围墙1与顶盖2之间的变半径倒圆可以通过如下方式进行设置：

首先，将前缘驻点o作为叶顶吸力面与压力面的分界点，吸力面按其叶顶弧长百分比5％、10％、70％、80％分别设置标记点a1、b1、b2、c1，压力面按其叶顶弧长百分比5％、10％、80％、90％分别设置标记点a2、d2、d1、c2；

然后，将标记点a1至标记点a2区域的倒圆半径设置为R-a＝0.3×H，将标记点b1至标记点b2区域的倒圆半径设置为R-b＝0.8×H，将标记点c1至标记点c2区域的倒圆半径设置为R-c＝0.3×H，将标记点d1至标记点d2区域的倒圆半径设置为R-d＝0.8×H。本实施例中，标记点a1至标记点a2区域的倒圆半径设置为R-a＝0.45mm，将标记点b1至标记点b2区域的倒圆半径设置为R-b＝1.2mm，将标记点c1至标记点c2区域的倒圆半径设置为R-c＝0.45mm，将标记点d1至标记点d2区域的倒圆半径设置为R-d＝1.2mm。

有利的是，本实施例中，设置标记点a1至标记点b1、标记点b2至标记点c1、标记点c2至标记点d1、标记点d2至标记点a2四段区域为倒圆半径的过渡区域。

本申请的第二个方面提供了一种涡轮转子叶片凹槽形叶顶结构设计方法，基于上述的涡轮转子叶片凹槽形叶顶结构，包括以下步骤：

对涡轮转子叶片的叶顶围墙1进行变壁厚设计，设置叶顶围墙1的压力面叶顶围墙壁厚L1大于吸力面叶顶围墙壁厚L2；

通过性能计算得出涡轮转子叶片的叶顶凹槽深度H的选取范围后，进一步选取叶顶凹槽深度H的取值区间；

将涡轮转子叶片的叶顶围墙1与顶盖2之间进行变半径倒圆设计。

本申请的涡轮转子叶片凹槽形叶顶结构设计方法，将前缘驻点o作为叶顶吸力面与压力面的分界，吸力面按其叶顶弧长百分比5％、10％、70％、80％设置点a1、点b1、点b2、点c1，压力面按其叶顶弧长百分比5％、10％、80％、90％设置点a2、点d2、点d1、点c2。

在本申请的一个实施方式中，叶顶具体结构参数的设计过程如下：

确定叶顶围墙1的壁厚参数：采用变壁厚设计办法，控制吸力面叶顶围墙壁厚L2≥0.6mm，压力面叶顶围墙壁厚L1＝1.2×L2，将标记点a1至标记点a2之间区域设置为壁厚过渡区域；

确定叶顶凹槽深度参数：通过性能计算得出凹槽深度H数值的选取范围后，进一步控制凹槽深度数值的设计区间：L1≤H≤2mm；

确定叶顶围墙1与顶盖2之间倒圆参数：采用变半径倒圆设计办法，将标记点a1至标记点a2区域的倒圆半径设置为R-a＝0.3×H，将标记点b1至标记点b2区域的倒圆半径设置为R-b＝0.8×H，将标记点c1至标记点c2区域的倒圆半径设置为R-c＝0.3×H，将标记点d1至标记点d2区域的倒圆半径设置为R-d＝0.8×H。有利是的，本实施例中，标记点a1至标记点b1、标记点b2至标记点c1、标记点c2至标记点d1、标记点d2至标记点a2四段区域为倒圆半径的过渡区域。

本申请的种涡轮转子叶片凹槽形叶顶结构及其设计方法，叶顶围墙变壁厚设计，强化了叶顶围墙自身的强度；在保证涡轮效率保持在较高水平的前提下，对凹槽深度的设计避免了过大的叶尖围墙悬臂尺寸，从而提升对应位置的强度裕度；变半径倒圆的设计，与现有的自然倒圆角技术相比，在保证了叶顶前、后缘位置工作性能的前提下，通过叶顶吸力面与压力面围墙与顶盖之间倒圆半径的局部增加，大幅缓解了应力集中效应，从而提高叶片使用寿命，降低换件带来的成本，提高设计可靠性。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种涡轮转子叶片凹槽形叶顶结构，其特征在于，包括：顶盖(2)以及叶顶围墙(1)，所述顶盖(2)设置在所述涡轮转子叶片的顶部，所述叶顶围墙(1)设置在所述顶盖(2)的四周，其中，

所述叶顶围墙(1)包括压力面叶顶围墙以及吸力面叶顶围墙，所述压力面叶顶围墙的壁厚L1大于所述吸力面叶顶围墙的壁厚L2；

所述顶盖(2)以及所述叶顶围墙(1)形成叶顶凹槽；

所述叶顶围墙(1)与所述顶盖(2)之间设置有变半径倒圆；

所述叶顶围墙(1)与所述顶盖(2)之间设置的变半径倒圆包括：

将前缘驻点o作为叶顶吸力面与压力面的分界点，吸力面按其叶顶弧长百分比5％、10％、70％、80％分别设置标记点a1、b1、b2、c1，压力面按其叶顶弧长百分比5％、10％、80％、90％分别设置标记点a2、d2、d1、c2；

设置标记点a1至标记点a2区域的倒圆半径R-a＝0.3×H，标记点b1至标记点b2区域的倒圆半径R-b＝0.8×H，标记点c1至标记点c2区域的倒圆半径R-c＝0.3×H，标记点d1至标记点d2区域的倒圆半径R-d＝0.8×H；

H为所述叶顶凹槽深度；

设置标记点a1至标记点b1、标记点b2至标记点c1、标记点c2至标记点d1、标记点d2至标记点a2四段区域为倒圆半径的过渡区域。

2.根据权利要求1所述的涡轮转子叶片凹槽形叶顶结构，其特征在于，所述吸力面叶顶围墙的壁厚L2≥0.6mm。

3.根据权利要求2所述的涡轮转子叶片凹槽形叶顶结构，其特征在于，所述压力面叶顶围墙的壁厚L1为所述吸力面叶顶围墙的壁厚L2的1.2倍，即L1＝1.2×L2。

4.根据权利要求3所述的涡轮转子叶片凹槽形叶顶结构，其特征在于，所述压力面叶顶围墙与所述吸力面叶顶围墙之间设置有壁厚过渡区域。

5.根据权利要求1所述的涡轮转子叶片凹槽形叶顶结构，其特征在于，所述叶顶凹槽深度H的范围为L1≤H≤2mm。

6.一种涡轮转子叶片凹槽形叶顶结构设计方法，基于权利要求1至权利要求5任意一项所述的涡轮转子叶片凹槽形叶顶结构，其特征在于，包括：

对涡轮转子叶片的叶顶围墙(1)进行变壁厚设计，设置所述叶顶围墙(1)的压力面叶顶围墙壁厚L1大于吸力面叶顶围墙壁厚L2；

通过性能计算得出涡轮转子叶片的叶顶凹槽深度H的选取范围后，进一步选取所述叶顶凹槽深度H的取值区间；

将涡轮转子叶片的叶顶围墙(1)与顶盖(2)之间进行变半径倒圆设计。

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