CN113898415B - 用于提高低压涡轮叶片气动效率的结构及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于提高低压涡轮叶片气动效率的结构，包括：吸力面、压力面、凹陷和叶片本体，吸力面为叶片本体的外凸面，压力面为叶片本体的内凹面；凹陷成对地设置在吸力面上，凹陷与气流之间具有倾角β；当气流流过叶片本体的表面时，凹陷的一端吸附低能流体，并使低能流体在凹陷内沿倾斜方向螺旋流动形成螺旋涡流，并从凹陷的另一端排出；其中，气流包括低能流体和高能流体。本发明通过涡轮叶片表面上的倾斜凹陷内部产生螺旋形移动的涡流，在凹陷的下游段上产生了高强度和大范围流动附着，延迟了叶片本体后部壁面上的流动分离，使其获得更好的涡轮叶片减阻效果。

Description

用于提高低压涡轮叶片气动效率的结构及其工作方法

技术领域

本发明涉及航空发动机动力叶片技术领域，具体地，涉及一种用于提高低压涡轮叶片气动效率的结构及其工作方法。

背景技术

燃气涡轮是航空发动机中的重要部件。航空发动机运行时，燃气涡轮以高温高压燃气为工质、利用工质的膨胀产生机械功的旋转式动力机械，其作用是将燃气的热能转化为机械功。

高温高压的燃气流过涡轮叶片之间的通道后气流温度和压力都降低，实现燃气的内能到动能再到机械能的转换；燃气流动过程与涡轮叶片产生力的相互作用，涡轮对外做出机械功。在涡扇航空发动机中，低压涡轮输出功用来驱动涡扇发动机的风扇，风扇驱动大流量空气流过发动机并产生主要的发动机推力。因此，低压涡轮的工作效率和气动性能对发动机性能有着重要的影响。

涡轮叶栅是指涡轮中静叶片或动叶片成组后形成的叶片组件，相邻静叶片或者动叶片的内弧与背弧型面以及上下端壁组成了燃气的通流路径，即通流部分。燃气流过静叶栅通道时，其热能转化为动能，而燃气流过动叶栅通道时，部分热能转化为动能，同时燃气动能转化为机械功。在燃气涡轮工作时，高温高压燃气通过燃气涡轮通流部分的静叶片通道膨胀加速并按照一定的方向流出，然后在动叶片通道中继续膨胀并将气体动能转换为机械功。

经过检索，专利文献CN104314618A公开了一种低压涡轮叶片结构及降低叶片损失的方法，包括叶片前缘、叶片吸力侧、叶片压力侧和叶片尾缘，其特征在于，在所述叶片吸力侧的表面上设置粗糙带，根据叶高中部的二维叶型来确定所述粗糙带的起始、终止位置。通过在叶片吸力面分离点上游增加叶片表面的粗糙度，该粗糙度随流向逐渐变化，在加速叶片表面低能流体转捩，从而提高低压涡轮工作效率，扩大低压涡轮工作裕度。但是利用上述这种方法在高雷诺数下会在叶片吸力面带来额外的流动损失，无法提高低压涡轮气动效率。

专利文献CN112177680A公开了一种带有减阻凹坑阵列的高压涡轮叶片结构，通过将减阻凹陷布置在高压涡轮叶片吸力面的中弦位置，和尾缘表面用于叶片吸力面流动分离控制，以减少流动损失。但是该现有技术的不足之处在于对于布置有该凹陷的涡轮叶片，只能适用于主流流动分离发生在凹陷位置的工况；而对于实际发动机变工况运行下叶片表面流动分离位置发生明显变化(提前，或延后)，这种扩张形凹陷的流动控制减阻效果将受到限制，甚至在高雷诺数主流条件下起到相反的增阻作用。主要是因为这种涡轮叶片壁面上扩张形凹陷的内部会产生强烈的回流涡，扩张形凹陷又增加了回流涡的面积，该回流涡冲刷扩张形凹陷的前缘并向上方翻卷，与主流发生较大范围的掺混，这会显著增加主流的气动损失，并且凹陷内的回流涡消耗了额外的流动能量，限制了叶片气动减阻的效果。在高雷诺数工况下，叶片表面上布置凹陷的位置并不发生大面积流动分离，但在凹陷内部产生流动分离和回流涡，该凹陷将产生额外明显的流动损失，并且工作适用雷诺数范围较窄。

现代航空发动机发展的一个趋势是，涡轮叶片的发展朝着高负荷方向发展，因此叶片弯曲度越来越大。这使得涡轮叶片的背面-吸力面容易发生流动分离，特别是在低雷诺数流动条件下，雷诺数5000-50000范围内，边界层内流体的动能低，弯曲的高负荷涡轮叶片壁面更易引起流动分离，带来较大的涡轮气动损失，降低了涡轮的通流能力，降低了涡轮能量转换效率，增加了发动机油耗。低压涡轮低雷诺数工作状况可发生在小型涡扇航空发动机中，以及涡扇航空发动机在高空运行时。

因此，亟需研发设计一种涡轮叶片结构，使得高负荷低压涡轮叶片的吸力面在低雷诺数下工作时消除或减少流动分离，提高高负荷低压涡轮气动效率，并且高雷诺数下也不会增加气动损失。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于提高低压涡轮叶片气动效率的结构及其工作方法，能够克服涡轮叶片吸力面后部逆压梯度，抑制流动分离，或延迟涡轮叶片吸力面的流动分离，提高低雷诺数条件下涡轮叶片气动效率，扩大了涡轮稳定工作范围。

根据本发明提供的一种用于提高低压涡轮叶片气动效率的结构，包括：吸力面、压力面、凹陷和叶片本体，吸力面为叶片本体的外凸面，压力面为叶片本体的内凹面；凹陷成对地设置在吸力面上，凹陷与气流之间具有倾角β；当气流流过叶片本体的表面时，凹陷的一端吸附低能流体，并使低能流体在凹陷内沿倾斜方向螺旋流动形成螺旋涡流，并从凹陷的另一端排出；其中，气流包括低能流体和高能流体。

优选地，凹陷设置在设定的吸力面流动分离位置，流动分离位置指弯曲的叶片本体壁面上弦长50％-90％的位置附近。

优选地，凹陷设置在叶片本体弦长50％后部。

优选地，凹陷包括上游段和下游段，上游段为二分之一的球面，直径为D2；下游段为二分之一的球面，直径为D1；其中，直径D1大于或等于D2。

优选地，凹陷还包括中段，中段为平滑过渡的圆柱面或者圆锥面，中段从上游段连接到下游段的直径逐渐增大。

优选地，凹陷与气流之间的倾角β为0-90度。

优选地，凹陷的狭窄度L/D1为1-10之间，其中L指代上游段和下游段的圆心之间的距离，D1指代下游段的直径。

优选地，凹陷的深度比h1/D1、h2/D2均在0-0.2之间，其中，h2为上游段的深度，h1为下游段的深度。

优选地，上游段的边缘倒圆，下游段的边缘倒圆。

根据本发明提供的一种涡轮叶片的工作方法，利用上述的涡轮叶片结构产生螺旋涡流，气流在凹陷的下游段产生流动附着，延迟吸力面上的流动分离，减小阻力。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过涡轮叶片表面上的倾斜凹陷内部产生螺旋形移动的涡流，在凹陷的下游叶片壁面上产生了高强度和大范围流动附着，延迟了叶片本体后部壁面上的流动分离，使其获得更好的涡轮叶片减阻效果。

2、本发明通过涡轮叶片表面上的倾斜凹陷的设计，使覆盖的叶片弦长更长，在高雷诺数条件下，使得叶片表面的流动分离位置延后，具有更好的流动控制与减阻效果。

3、本发明解决了低雷诺数条件下涡轮叶片气动效率低的问题，在高雷诺数条件下不增加涡轮叶片流动阻力，扩大了涡轮高效率稳定工作范围。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的剖面图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1和图2所示，本发明提供了一种涡轮叶片结构，包括：吸力面10、压力面11、凹陷20和叶片本体，吸力面10为叶片本体的外凸面，压力面11为叶片本体的内凹面；凹陷20成对地设置在吸力面10上，凹陷20与气流之间具有倾角β；当气流流过叶片本体的表面时，凹陷20的一端吸附低能流体，并使低能流体在凹陷2内沿倾斜方向螺旋流动形成螺旋涡流，并从凹陷20的另一端排出；其中，气流包括低能流体和高能流体。并且，气流掠过吸力面10的凹陷20时，由于吸力面10上的的剪应力降低，吸力面10上方流体获得加速，并附着在凹陷20的下游吸力面上，增加了下游边界层流动的能量；此外，凹陷20内部涡流螺旋方向与吸力面上方的高速主流方向一致，并且该螺旋涡流会将上方主流带到吸力面附近，从而提高了该区域的近吸力面流动动能，促进近吸力面流动转捩。

其中，凹陷20设置在设定的吸力面流动分离位置，流动分离位置指弯曲的叶片本体壁面上的位置附近。凹陷20包括上游段21、下游段23和中段25，上游段21为二分之一的球面，直径为D2；下游段23为二分之一的球面，直径为D1；其中，直径D1大于或等于D2。中段25为平滑过渡的圆柱面或者圆锥面，中段25从上游段21连接到下游段23的直径逐渐增大。凹陷20与气流之间的倾角β为0-90度。

凹陷20的狭窄度L/D1为1-10之间，其中L指代上游段21和下游段23的圆心之间的距离，D1指代下游段的直径。

凹陷20的深度比h1/D1、h2/D2均在0-0.2之间，其中，h2为上游段21的深度，h1为下游段23的深度。

本发明中的优选例，作进一步说明。

基于上述实施例，本发明中的凹陷20设置在叶片本体弦长50％后部。

基于上述实施例，本发明中的凹陷20与气流之间的倾角β为30-60度。

基于上述实施例，本发明中的凹陷20的狭窄度L/D1大于3的凹陷效果更佳。

基于上述实施例，本发明中的凹陷20的深度比为0.05-0.2效果更佳，凹陷深度比变化，凹陷深度由下游向上游变浅。下游凹陷部分较大较深，凹陷深度h1与直径D1比＝0-0.2，而上游凹陷部分较浅，凹陷深度h2与直径D2比＝0-0.2。

本发明使得高负荷低压涡轮叶片的吸力面在低雷诺数下工作时消除或减少流动分离，提高高负荷低压涡轮气动效率；并且这种低压涡轮叶片在高雷诺数下也不会增加气动损失，从而拓展涡轮发动机的工作范围。叶片表面上的流动与倾斜凹陷壁面相互作用，从而使近吸力面处的低能流体在凹陷20的下游段23内部开始以螺旋形运动，并从凹陷的另一端21排出；由于本发明的倾斜凹陷内产生的螺旋涡流能够不断排出，并牵引壁面上方高能流体附着在后部吸力面上，这比起其他类型凹陷内部的涡流驻留在其中，具有显著的流动控制优越性。

基于上述实施例，下游段23的直径D1为上游段21的直径D2的2倍。

基于上述实施例，上游段21的边缘倒圆，下游段23的边缘倒圆，有利于减少上游流体附着到凹陷后缘的流动损失，同时有利于凹陷内部的螺旋涡流排出。

基于上述实施例，凹陷20呈V形成对布置，顶点指向上游来流或者下游。

本发明还提供了一种涡轮叶片的工作方法，利用上述的涡轮叶片结构产生螺旋涡流，气流在凹陷20的下游段23产生流动附着，延迟吸力面10上的流动分离，减小阻力。

由于实际涡轮工作中流动雷诺数及来流气流参数变化，涡轮叶片吸力面流动分离位置实际上是变化的。通常当来流雷诺数较低时，叶片吸力面流动分离位置更靠近叶片上游壁面；当来流雷诺数较高时，流动分离更靠近叶片下游壁面。利用本发明提出的倾斜凹陷，能够适应更大范围的叶片表面流动分离位置变化，具有更宽的抑制流动分离的有效工作范围。

涡轮叶片吸力面上的倾斜的凹陷，阻隔了叶片下游流动分离或逆压梯度对上游流动的影响，因此凹陷上游的叶片表面流动较少发生流动分离，有利于减阻。

倾斜的凹陷20，能够在凹陷内部产生螺旋形运动的涡流，该涡流减少了外部主流的剪切力，并将外部高能流体牵引至叶片壁面上，提高了近壁面流体的动能。涡流的旋转方向与外部主流速度方向一致，剪应力降低，因此起到了近壁面外部流动加速作用。

倾斜的凹陷20的下游段23较大和较深，有利于导入更多的下游近吸力面低能流体进入凹陷20，有利于吸力面上方高速主流与凹陷壁面产生更强的相互作用，从而在凹陷20内部产生更强的螺旋形涡流。

倾斜的凹陷20的上游段21较窄较浅，有利于减少凹陷20内部的流动分离，有利于凹陷20内部的涡流从上游流出，并被上游高能流体携带走。并且，在高雷诺数工况条件下，凹陷20的上游段21不发生流动分离时，凹陷20的上游段21也不会带来额外的流动损失，因此增大了本发明实现涡轮气动减阻的适应范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“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的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (2)

1.一种用于提高低压涡轮叶片气动效率的结构，其特征在于，包括：吸力面(10)、压力面(11)、凹陷(20)和叶片本体，所述吸力面(10)为叶片本体的外凸面，所述压力面(11)为叶片本体的内凹面；

所述凹陷(20)呈V形成对地设置在所述吸力面(10)上，所述凹陷(20)与气流之间具有倾角β；

当气流流过叶片本体的表面时，所述凹陷(20)的一端吸附低能流体，并使低能流体在所述凹陷(2)内沿倾斜方向螺旋流动形成螺旋涡流，并从所述凹陷(20)的另一端排出；其中，气流包括低能流体和高能流体；

所述螺旋涡流的螺旋方向与吸力面上方的高速主流方向一致；

所述凹陷(20)设置在设定的吸力面流动分离位置，所述流动分离位置指弯曲的叶片本体壁面上弦长50％-90％的位置；

所述凹陷(20)设置在叶片本体弦长50％后部；

所述凹陷(20)包括上游段(21)和下游段(23)，所述上游段(21)为二分之一的球面，直径为D2；所述下游段(23)为二分之一的球面，直径为D1；其中，直径D1大于或等于D2；

所述凹陷(20)还包括中段(25)，所述中段(25)为平滑过渡的圆柱面或者圆锥面，所述中段(25)从上游段(21)连接到下游段(23)的直径相等或逐渐增大；

所述凹陷(20)与气流之间的倾角β为0-90度；

所述凹陷(20)的狭窄度L/D1为1-10之间，其中L指代上游段(21)和下游段(23)的圆心之间的距离，D1指代下游段的直径；

所述凹陷(20)的深度比h1/D1、h2/D2均在0-0.2之间，其中，h2为上游段(21)的深度，h1为下游段(23)的深度；

包括所述上游段(21)的边缘倒圆，所述下游段(23)的边缘倒圆。

2.一种涡轮叶片的工作方法，其特征在于，利用权利要求1所述的用于提高低压涡轮叶片气动效率的结构产生螺旋涡流，气流在所述凹陷(20)的下游段(23)产生流动附着，延迟吸力面(10)上的流动分离，减小阻力。

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