CN112554960A - 一种涡轮转子叶片叶尖结构及具有其的涡轮转子 - Google Patents

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张涛
韦文涛
丁新星
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Abstract

本申请属于高压涡轮转子叶片领域，特别涉及一种涡轮转子叶片叶尖结构及具有其的涡轮转子。叶尖结构包括：围边、隔墙、第一气膜孔以及第二气膜孔。围边在涡轮转子叶片的叶尖上沿叶型设置一周，形成高度低于所述围边的凹槽，所述围边的顶部涂敷有耐磨涂层；隔墙设置在所述凹槽靠近所述涡轮转子叶片的尾缘的一侧，将所述凹槽分隔为大凹槽以及小凹槽；第一气膜孔设置在所述凹槽中，且靠近所述涡轮转子叶片的叶尖的背侧布置一排；第二气膜孔在所述涡轮转子叶片的叶尖的背侧壁面上布置一排。本申请能够降低叶片气动损失，减少叶尖热负荷，减轻转、静子碰磨时出现的振动，对性能保持起到积极作用，而且对叶尖有很好的保护作用，有利于提升叶片使用寿命。

Description

一种涡轮转子叶片叶尖结构及具有其的涡轮转子
技术领域
本申请属于高压涡轮转子叶片领域，特别涉及一种涡轮转子叶片叶尖结构及具有其的涡轮转子。
背景技术
涡轮转子叶片是发动机的关键部件，叶片叶尖同外环之间间隙的存在不仅导致涡轮气动性能下降，据研究，涡轮叶顶相对间隙增加1％，涡轮级效率损失增加约1％-2％。且高温燃气在动叶与外环间隙的泄漏流动使得叶片叶尖的热负荷显著增加，导致叶片使用寿命大幅下降。为了减少以上损失，叶尖间隙不易过大，但过小的间隙则使得发动机在使用过程中，经常出现由于涡轮叶尖与外环碰磨的情况，不仅会引起发动机振动，还会导致叶尖磨短，影响性能，严重的叶尖还会出现裂纹和掉块现象，因此，如何提升转子叶片叶尖的耐磨性、减少叶片气动性能损失、降低叶尖壁温成为了行业内的难题。
目前涡轮转子叶片叶尖往往采用平顶结构，这种结构不利于控制间隙泄漏流量，高温、高速燃气在压力面和吸力面压力差影响下，流入叶顶间隙，使得气动损失下降，且叶顶承受很高热负荷，易造成叶顶叶尖出现烧蚀及磨损，甚至叶片失效。另外一种广泛采用的方法是在涡轮外环内部处喷涂可磨耗封严涂层，当叶片径向伸长时，叶尖先与封严涂层发生刮磨，减轻了刮磨对叶片造成的损伤。但叶片叶尖处于高温、高速、高压的工作环境，由于随着航空发动机性能的不断提升，涡轮进口燃气温度逐渐升高，传统的金属合金材料由于熔点较低已不能满足工程需要。容易出现涂层掉块现象，而且在高温下涂层变硬，损伤涡轮叶片叶尖，对性能也产生不利影响。
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叶尖结构及具有其的涡轮转子，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叶尖结构，包括：
围边，所述围边在涡轮转子叶片的叶尖上沿叶型设置一周，形成高度低于所述围边的凹槽，所述围边的顶部涂敷有耐磨涂层；
隔墙，所述隔墙设置在所述凹槽靠近所述涡轮转子叶片的尾缘的一侧，将所述凹槽分隔为大凹槽以及小凹槽；
第一气膜孔，所述第一气膜孔设置在所述凹槽中，且靠近所述涡轮转子叶片的叶尖的背侧布置一排；
第二气膜孔，所述第二气膜孔在所述涡轮转子叶片的叶尖的背侧壁面上布置一排。
可选地，所述围边的宽度g为0.4～0.8mm，所述围边相对于凹槽顶部平面的高度h在叶片背侧为2.7～3.5mm，盆侧为2～2.7mm，在前缘、尾缘端部位置光滑过渡。
可选地，所述小凹槽与所述大凹槽的轴向长度比S2/S1为1/5～1/10。
可选地，在所述小凹槽的尾缘盆侧开设有劈缝样缺口。
可选地，所述第一气膜孔以及所述第二气膜孔的孔型为圆孔、方孔、菱形孔、椭圆孔、跑道孔中的一种。
可选地，所述第一气膜孔以及所述第二气膜孔的当量直径为0.3～0.5mm。
可选地，所述耐磨涂层的涂层材料为NiCrAlY磨料颗粒，依次通过预镀、复合电镀以及真空扩散热处理工艺涂镀在所述围边的顶部。
可选地，所述耐磨涂层的涂层厚度在0.2mm～0.35mm。
本申请的第二个方面提供了一种涡轮转子，所述涡轮转子的周向上设置有具有如上所述的涡轮转子叶片叶尖结构的涡轮转子叶片。
可选地，间隔6-12片常规涡轮转子叶片布置一组具有所述涡轮转子叶片叶尖结构的涡轮转子叶片，每组包括2片或4片。
发明至少存在以下有益技术效果：
本申请的涡轮转子叶片叶尖结构，能够降低叶片气动损失，减少叶尖热负荷，减轻转、静子碰磨时出现的振动，对性能保持起到积极作用，而且对叶尖有很好的保护作用，有利于提升叶片使用寿命。
附图说明
图1是本申请一个实施方式的涡轮转子叶片示意图；
图2是本申请一个实施方式的涡轮转子叶片叶尖示意图；
图3是本申请另一个实施方式的涡轮转子叶片叶尖示意图；
图4是本申请一个实施方式的涡轮转子叶片叶尖背侧示意图；
图5是本申请一个实施方式的涡轮转子叶片分布图。
其中：
1-涡轮转子叶片；2-外环；3-耐磨涂层；4-围边；5-大凹槽；6-小凹槽；7-前缘；8-尾缘；9-盆侧；10-背侧；11-第一气膜孔；12-第二气膜孔。
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5对本申请做进一步详细说明。
本申请提供了一种涂敷有耐磨涂层的涡轮转子叶片，包括：围边4、隔墙、第一气膜孔11以及第二气膜孔12。
具体的，如图1至图4所示，围边4在涡轮转子叶片1与外环2相对的叶尖上沿叶型设置一周，形成高度低于围边4的凹槽，围边4的顶部涂敷有耐磨涂层3；隔墙设置在凹槽靠近涡轮转子叶片的尾缘8的一侧，将凹槽分隔为大凹槽5以及小凹槽6；第一气膜孔11设置在凹槽中，且靠近涡轮转子叶片1的叶尖的背侧10布置一排；第二气膜孔12在涡轮转子叶片1的叶尖的背侧壁面上布置一排。
在本申请的一个实施方式中，围边4的宽度g为0.4～0.8mm。本实施例中，围边4相对于凹槽顶部平面的高度h在叶片背侧10为2.7～3.5mm，盆侧9为2～2.7mm，在前缘7、尾缘8端部位置光滑过渡。
在本申请的一个实施方式中，凹槽顶部所在平面法向平行于叶片径向。凹槽由隔墙分隔为大小两个，大凹槽5位于叶片弦向前缘7以及中部区域，小凹槽6位于尾缘8区域。本实施例中，小凹槽6与大凹槽5的轴向长度比S2/S1为1/5～1/10。其中，大凹槽5为封闭式凹槽，小凹槽6可以为封闭式凹槽如图2所示，也可以在小凹槽6的尾缘8盆侧9开设有劈缝样缺口，如图3所示。
在本申请的一个实施方式中，第一气膜孔11以及第二气膜孔12的孔型可以为圆孔、方孔、菱形孔、椭圆孔、跑道孔等各种形状。在本实施例中，第一气膜孔11以及第二气膜孔12的当量直径均设置为0.3～0.5mm。
本申请的的涡轮转子叶片叶尖结构，在围边4的顶部涂敷有耐磨涂层3，其中，耐磨涂层3的涂层材料为NiCrAlY磨料颗粒，依次通过预镀、复合电镀以及真空扩散热处理工艺涂镀在涡轮转子叶片1的叶尖上。在本申请的一个实施方式中，根据磨料颗粒粒径的不同，耐磨涂层3的涂层厚度在0.2～0.35mm范围内均匀可控。采用涡轮转子叶片叶尖耐磨涂层设计，不仅能够减小涡轮转子叶片叶尖的磨损，还能对叶片叶尖起到很好的保护作用。
本申请的第二个方面提供了一种涡轮转子，涡轮转子的周向上设置有具有上述涡轮转子叶片叶尖结构的涡轮转子叶片。
在本申请的一个实施方式中，如图5所示，在涡轮转子的周向上设置有常规涡轮转子叶片以及多个具有涡轮转子叶片叶尖结构的涡轮转子叶片。本实施例中，间隔6-12片常规涡轮转子叶片布置一组具有涡轮转子叶片叶尖结构的涡轮转子叶片，每组可以包括2片或4片具有涡轮转子叶片叶尖结构的涡轮转子叶片两种形式。这样既保证验证效果，又可减少叶尖耐磨涂层叶片的喷涂量，节约经济成本。
本申请的涡轮转子叶片叶尖结构及具有其的涡轮转子，能够降低叶片气动损失，减少叶尖热负荷，减轻转子、静子碰磨时出现的振动，对性能保持起到积极作用，而且对叶尖有很好的保护作用，能够提升叶片使用寿命。
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 (10)

1.一种涡轮转子叶片叶尖结构，其特征在于，包括：
围边(4)，所述围边(4)在涡轮转子叶片(1)的叶尖上沿叶型设置一周，形成高度低于所述围边(4)的凹槽，所述围边(4)的顶部涂敷有耐磨涂层(3)；
隔墙，所述隔墙设置在所述凹槽靠近所述涡轮转子叶片的尾缘(8)的一侧，将所述凹槽分隔为大凹槽(5)以及小凹槽(6)；
第一气膜孔(11)，所述第一气膜孔(11)设置在所述凹槽中，且靠近所述涡轮转子叶片(1)的叶尖的背侧(10)布置一排；
第二气膜孔(12)，所述第二气膜孔(12)在所述涡轮转子叶片(1)的叶尖的背侧壁面上布置一排。
2.根据权利要求1所述的涡轮转子叶片叶尖结构，其特征在于，所述围边(4)的宽度g为0.4～0.8mm，所述围边(4)相对于凹槽顶部平面的高度h在叶片背侧为2.7～3.5mm，盆侧为2～2.7mm，在前缘、尾缘端部位置光滑过渡。
3.根据权利要求1所述的涡轮转子叶片叶尖结构，其特征在于，所述小凹槽(6)与所述大凹槽(5)的轴向长度比S2/S1为1/5～1/10。
4.根据权利要求3所述的涡轮转子叶片叶尖结构，其特征在于，在所述小凹槽(6)的尾缘盆侧开设有劈缝样缺口。
5.根据权利要求1所述的涡轮转子叶片叶尖结构，其特征在于，所述第一气膜孔(11)以及所述第二气膜孔(12)的孔型为圆孔、方孔、菱形孔、椭圆孔、跑道孔中的一种。
6.根据权利要求1所述的涡轮转子叶片叶尖结构，其特征在于，所述第一气膜孔(11)以及所述第二气膜孔(12)的当量直径为0.3～0.5mm。
7.根据权利要求1所述的涡轮转子叶片叶尖结构，其特征在于，所述耐磨涂层(3)的涂层材料为NiCrAlY磨料颗粒，依次通过预镀、复合电镀以及真空扩散热处理工艺涂镀在所述围边(4)的顶部。
8.根据权利要求6所述的涡轮转子叶片叶尖结构，其特征在于，所述耐磨涂层(3)的涂层厚度在0.2mm～0.35mm。
9.一种涡轮转子，其特征在于，所述涡轮转子的周向上设置有具有如权利要求1至8任意一项所述的涡轮转子叶片叶尖结构的涡轮转子叶片。
10.根据权利要求9所述的涡轮转子，其特征在于，间隔6-12片常规涡轮转子叶片布置一组具有所述涡轮转子叶片叶尖结构的涡轮转子叶片，每组包括2片或4片。
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