CN114687806A - 叶轮机械叶片及其造型方法、叶轮机械 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种叶轮机械叶片及其造型方法、叶轮机械，其中叶轮机械叶片包括叶身，所述叶身包括第一叶身部(1)和第二叶身部(2)，所述第一叶身部(1)的叶型截面的安装角相对于所述第二叶身部(2)的叶型截面的安装角突增。本发明实施例中第一叶身部的安装角突增，可以使第一叶身部形成相对于第二叶身部明显突出的部分，该突出部分有利于抑制来流边界层的发展，进而控制马蹄涡的强度。

Description

叶轮机械叶片及其造型方法、叶轮机械

技术领域

本发明涉及叶轮机械技术领域，尤其涉及一种叶轮机械叶片及其造型方法、叶轮机械。

背景技术

在目前大涵道比航空发动机的发展趋势中，低压涡轮的性能是至关重要的一部分，对整机的性能和效率的提高有非常重要的意义。近年来，为了减轻低压涡轮的重量，常采用高升力叶型以减少叶片个数，但叶片气动负荷增大会导致端区二次流增强，从而增大了端区损失。

端区二次流是涡轮气动损失的重要来源，所谓端区二次流，是端区边界层内的低能流体，在叶片通道中压力侧与吸力侧的横向压力梯度作用下，由压力侧流向吸力侧所形成的。在低压涡轮高升力叶型中，气动负荷较大，安装角一般较小，端区来流边界层分离，在前缘附近卷起形成较强的马蹄涡，马蹄涡在通道中横向压力梯度作用下，向吸力侧移动，与通道中横向二次流共同卷起形成通道涡。通道涡的形成来源于两方面：一是来流边界层分离引起的马蹄涡压力侧分支，二是通道内端区横向流动对吸力侧角区低能流体进一步补充。

通道涡是端区损失的重要来源，端区损失限制了高升力叶型负荷的进一步提高。因此，解决高升力叶型中较强的端区损失非常重要。

需要说明的是，公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明实施例提供一种叶轮机械叶片及其造型方法、叶轮机械，可以有效控制马蹄涡的强度。

根据本发明的一个方面，提供一种叶轮机械叶片，包括叶身，叶身包括第一叶身部和第二叶身部，第一叶身部的叶型截面的安装角相对于第二叶身部的叶型截面的安装角突增。

在一些实施例中，第一叶身部位于第二叶身部的靠近叶身的根部的一侧。

在一些实施例中，第一叶身部自叶身的根部向靠近叶身的顶部的方向延伸。

在一些实施例中，在从叶身的根部到叶身的顶部的方向上，第一叶身部的叶型截面的安装角逐渐减小。

在一些实施例中，在从叶身的根部到叶身的顶部的方向上，第二叶身部的叶型截面的安装角基本不变或者逐渐减小。

在一些实施例中，第一叶身部位于第二叶身部的靠近叶身的顶部的一侧。

在一些实施例中，第一叶身部自叶身的顶部向靠近叶身的根部的方向延伸。

在一些实施例中，在从叶身的顶部到叶身的根部的方向上，第一叶身部的叶型截面的安装角逐渐减小。

在一些实施例中，在从叶身的顶部到叶身的根部的方向上，第二叶身部的叶型截面的安装角基本不变或者逐渐减小。

在一些实施例中，第一叶身部的叶型截面的最大安装角比第二叶身部的叶型截面的最大安装角大4°～12°。

在一些实施例中，第一叶身部的高度占叶片的总高度的1％～10％或者10％～30％。

根据本发明的另一个方面，提供一种叶轮机械，包括轮盘和多个上述的叶轮机械叶片，多个叶轮机械叶片沿周向安装在轮盘的端壁上。

在一些实施例中，叶轮机械叶片包括压力面和吸力面，端壁包括凹部和凸部，凹部设置在端壁的靠近吸力面的位置，凸部设置在端壁的靠近压力面的位置。

在一些实施例中，凹部设置在端壁的靠近叶轮机械叶片的前缘的位置。

根据本发明的又一个方面，提供一种叶轮机械叶片造型方法，包括：

提供基础叶片，基础叶片包括叶身，叶身包括第一叶身部和第二叶身部；

保持第二叶身部的叶型截面不变；

对第一叶身部的叶型截面进行处理，处理操作包括：第一叶身部的叶型截面包括前缘点、尾缘点、压力侧型线和吸力侧型线，保持吸力侧型线的形状以及尾缘点的位置不变，使前缘点向增大第一叶身部的叶型截面的安装角的方向移动，并使得第一叶身部的叶型截面的安装角相对于第二叶身部的叶型截面的安装角突增。

在一些实施例中，处理操作还包括：向远离吸力侧型线的方向拉动压力侧型线，以增大第一叶身部的叶型截面的最大厚度。

基于上述技术方案，本发明实施例中第一叶身部的叶型截面的安装角相对于第二叶身部的叶型截面的安装角突增，安装角突增可以使第一叶身部形成相对于第二叶身部明显突出的部分，该突出部分有利于抑制来流边界层的发展，进而控制马蹄涡的强度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明叶轮机械叶片一个实施例的部分结构示意图。

图2为本发明叶轮机械叶片一个实施例在某一叶高处的叶型截面示意图。

图3为本发明叶轮机械叶片一个实施例的俯视图。

图4为本发明叶轮机械叶片一个实施例的叶型截面的安装角沿叶高方向的分布图。

图5为本发明叶轮机械叶片一个实施例中端壁的结构示意图。

图6a和图6b分别为相关技术中的叶片和本发明叶轮机械叶片一个实施例的端壁极限流线示意图。

图7a和图7b分别为相关技术中的叶片和本发明叶轮机械叶片一个实施例的马蹄涡的形成示意图。

图8a和图8b分别为相关技术中的叶片和本发明叶轮机械叶片一个实施例的马蹄涡的三维流线示意图。

图9为相关技术中的叶片和本发明叶轮机械叶片一个实施例的出口能量损失系数沿叶高方向的分布对比图。

图中：

1、第一叶身部；2、第二叶身部；3、压力面；4、吸力面；5、第一叶型截面；6、第二叶型截面；7、端壁；8、压力侧型线；9、吸力侧型线；10、凹部；11、凸部；12、12′、鞍点；13、13′、横向流线；14、14′、马蹄涡；15、15′、压力侧分支；16、16′、吸力侧分支；A、前缘点；B、尾缘点；L、额线；γ、安装角。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“纵向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“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发明和简化描述，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发明保护范围的限制。

如图1所示，在本发明提供的叶轮机械叶片的一些实施例中，该叶片包括叶身，叶身包括第一叶身部1和第二叶身部2，第一叶身部1的叶型截面的安装角相对于第二叶身部2的叶型截面的安装角突增，即第一叶身部1的叶型截面的安装角相对于第二叶身部2的叶型截面的安装角突然明显地增大，第一叶身部1的叶型截面的安装角明显大于第二叶身部2的叶型截面的安装角。

如图2所示，在叶片的某一叶高处叶型截面上，安装角γ为叶片的弦线与额线之间的夹角，弦线为叶片的前缘点A与尾缘点B之间的连线，额线为安装在轮盘上的多个叶片的前缘点A的连线。

在上述实施例中，第一叶身部1的叶型截面的安装角相对于第二叶身部2的叶型截面的安装角突增，安装角突增可以使第一叶身部1形成相对于第二叶身部2明显突出的部分，该突出部分有利于抑制来流边界层的发展，进而控制马蹄涡的强度。

在一些实施例中，第一叶身部1位于第二叶身部2的靠近叶身的根部的一侧。

在叶高方向上，第一叶身部1位于第二叶身部2的下方。叶高方向为从叶身的根部到叶身的顶部的方向。叶高方向也称为叶片的展向。

在一些实施例中，第一叶身部1自叶身的根部向靠近叶身的顶部的方向延伸。

第一叶身部1从叶身的根部开始向叶身的顶部延伸，这样可以从根部开始对来流边界层的发展进行干预，对与叶片的根部连接的端壁流动进行有效控制，而且控制效果较好。

第一叶身部1沿叶高方向各叶型截面的安装角均明显大于第二叶身部2沿叶高方向各叶型截面的安装角。

进一步地，第一叶身部1的叶型截面的安装角沿叶高方向逐渐减小。第二叶身部2的叶型截面的安装角沿叶高方向基本不变或者逐渐减小。即，第一叶身部1沿叶高方向各叶型截面的安装角和第二叶身部2沿叶高方向各叶型截面的安装角各自也都有逐渐减小的趋势。

除了将安装角突增的部分设置于叶身的根部之外，在其他实施例中，也可以将安装角突增的部分设置于叶身的顶部。

具体来说，在一些实施例中，第一叶身部1位于第二叶身部2的靠近叶身的顶部的一侧。

在叶高方向上，第一叶身部1位于第二叶身部2的上方。

在一些实施例中，第一叶身部1自叶身的顶部向靠近叶身的根部的方向延伸。

第一叶身部1从叶身的顶部开始向叶身的根部延伸，这样可以从顶部开始对来流边界层的发展进行干预，对与叶片的顶部连接的端壁流动进行有效控制，而且控制效果较好。

在一些实施例中，在从叶身的顶部到叶身的根部的方向上，第一叶身部1的叶型截面的安装角逐渐减小。

在一些实施例中，在从叶身的顶部到叶身的根部的方向上，第二叶身部2的叶型截面的安装角基本不变或者逐渐减小。

在上述各个实施例中，第一叶身部1的叶型截面的最大安装角比第二叶身部2的叶型截面的最大安装角大4°～12°，比如，4°、5°、6°、7°、8°、9°、10°、11°和12°。

如图3所示，在一些实施例中，第一叶身部1的远离第二叶身部2的端面上的叶型截面为第一叶型截面5，第二叶身部2的与第一叶身部1接触的端面上的叶型截面为第二叶型截面6，第一叶型截面5的安装角比第二叶型截面6的安装角大4°～12°。

在一些实施例中，第一叶身部1的高度占叶片的总高度的1％～10％或者10％～30％，比如1％、5％、8％、10％、15％、20％和30％。

如图4所示，第一叶身部1的高度占叶片的总高度的10％，第一叶型截面5的安装角为73°，第二叶型截面6的安装角为67.5°，第一叶型截面5的安装角比第二叶型截面6的安装角大5.5°。第一叶身部1的叶型截面的安装角沿叶高方向逐渐减小。第二叶身部2的叶型截面的安装角沿叶高方向基本不变。

基于上述的叶轮机械叶片，本发明还提出一种叶轮机械，该叶轮机械包括上述的叶轮机械叶片。

叶轮机械包括轮盘和多个上述的叶轮机械叶片，多个叶轮机械叶片沿周向安装在轮盘的端壁7上。

如图5所示，在一些实施例中，叶轮机械叶片包括压力面3和吸力面4，端壁7包括凹部10和凸部11，凹部10设置在端壁7的靠近吸力面4的位置，凸部11设置在端壁7的靠近压力面3的位置。

通过在端壁7上设置凹部10和凸部11，使端壁7形成非轴对称结构，可以削弱通道内的横向流动。但是，非轴对称的端壁7虽然能够有效的削弱通道涡的强度，但无法控制前缘附近马蹄涡的强度。在安装角突增的基础上，结合端壁7的非轴对称结构，可以从两方面共同抑制通道涡的强度，达到同时抑制马蹄涡的强度和端区横向流动的效果，有效削弱通道涡的尺寸和强度。

在一些实施例中，凹部10设置在端壁7的靠近叶轮机械叶片的前缘的位置。该设置可以更加直接和有效地控制前缘的横向流动。

本发明还提供一种叶轮机械叶片造型方法，包括：

提供基础叶片，基础叶片包括叶身，叶身包括第一叶身部1和第二叶身部2；

保持第二叶身部2的叶型截面不变；

对第一叶身部1的叶型截面进行处理，处理操作包括：第一叶身部1的叶型截面包括前缘点A、尾缘点B、压力侧型线8和吸力侧型线9，保持吸力侧型线9的形状以及尾缘点B的位置不变，使前缘点A向增大第一叶身部1的叶型截面的安装角的方向移动，并使得第一叶身部1的叶型截面的安装角相对于第二叶身部2的叶型截面的安装角突增。

在上述实施例中，在增大安装角时，吸力侧型线9的形状保持不变，尾缘点B的位置也保持不变，这样可以避免吸力面的受力和气流流动发生变化，有利于保持叶片整体的流动情况，减小气流损失。

在一些实施例中，处理操作还包括：向远离吸力侧型线9的方向拉动压力侧型线8，以增大第一叶身部1的叶型截面的最大厚度。

下面结合附图1～9对相关技术中的叶片和本发明叶轮机械叶片一个实施例的性能进行对比和说明：

如图1所示，叶片包括叶身，叶身包括第一叶身部1和第二叶身部2，叶片包括压力面3和吸力面4，叶片安装在轮盘的端壁7上。第一叶身部1的与端壁7交叉的截面为第一叶型截面5，第二叶身部2的与第一叶身部1接触的截面为第二叶型截面6。

如图2所示，在某一叶高处，叶型截面包括压力侧型线8和吸力侧型线9。安装角γ为叶片的弦线AB与额线L之间的夹角。

在构造叶片型线时，保持吸力侧型线9基本不变，向远离吸力侧型线9的方向拉动压力侧型线8，以加厚叶片厚度。构造完成后所获得的叶片的厚度比基础叶片的厚度大1.3-2.2倍。

如图3所示，第一叶身部1的叶型截面的安装角相对于第二叶身部2的叶型截面的安装角突增。第一叶型截面5的安装角显著大于第二叶型截面6的安装角。

如图4所示，安装角在10％-100％叶高范围内基本呈线性分布，在0％～10％叶高范围显著增大4～12°。

如图5所示，端壁7采用非轴对称造型设计，包括凹部10和凸部11，凹部10靠近叶片的吸力面，凸部11靠近叶片的压力面。

如图6a所示，在相关设计中，鞍点12′的形成远离叶型的前缘点a，马蹄涡压力侧分支、卷吸更多的来流边界层，通过横向流线13′的弯折可以看出横向流动强度较大；如图6b所示，本发明实施例中的叶片同时采用安装角突增和端壁非轴对称设计，鞍点12的形成更靠近叶型的前缘点A，通过横向流线13的流动趋势可以看出横向流动的强度显著减小。

如图7a所示，马蹄涡14′的强度较大；如图7b所示，采用本发明实施例中的叶片，显著削弱了马蹄涡14的强度。图7a和图7b中云图显示为熵产率，从熵产率云图可以看出，马蹄涡强度显著减小。

图8a和8b所示，为马蹄涡的压力侧分支与吸力侧分支的三维流线，在相关技术中，马蹄涡14′的压力侧分支15′的横向流动趋势更强，且形成位置位于通道中部，更多的边界层来流及吸力侧分支16′卷入马蹄涡的压力侧分支15′，增大通道涡的强度；而采用本发明实施例中的叶片，安装角突增形成的端弯结构从源头上削弱了马蹄涡14的强度，非轴对称端壁设计减弱了通道内边界层横向流动的趋势，压力侧分支15和吸力侧分支16的横向流动趋势更弱，两者融合设计显著抑制了通道涡的发展，提升涡轮气动性能。

如图9所示，实线为采用本发明实施例叶片的能量损失系数沿展向分布图，虚线为采用相关技术中叶片的能量损失系数沿展向分布图。与相关技术中的叶片相比，本发明实施例中叶片采用安装角突增的端弯设计和端壁非轴对称设计相融合，使由二次流引起的高损失区径向范围显著减小，压力面端弯设计增强了端区叶型的攻角适应性，在非设计工况下，安装角突增的端弯和端壁非轴对称融合设计在1.2相对折合转速以及0.8相对折合转速下仍带来较大效率收益。

本发明实施例中的叶片在保证叶型原有的气动性能下，在叶片端区较小的径向范围内，增大安装角4°～12°，实现压力侧端区局部反弯设计，前缘附近压力侧静压减小，改变马蹄涡压力侧分支运动方向，使其到达相邻叶栅吸力侧位置延后，并能有效的抑制马蹄涡的强度和尺寸；结合非轴对称端壁设计，来抑制通道中由横向压差引起的二次流，抑制新生边界层的发展。本发明不仅削弱了通道中的横向流动，而且在源头上控制了马蹄涡压力侧分支的强度和尺寸，从根源上削弱通道涡。

本发明实施例中的叶片，在保持叶型具有高气动负荷的同时，通过同时削弱马蹄涡的尺寸和强度以及减弱端区横向流动，显著减小了端区损失，提高低压涡轮效率；而且，具有更好的攻角适应性，在宽广的非设计工况范围内，均能显著减小端区损失。

在上述各个实施例中，叶轮机械可以为涡轮等。叶轮机械可以用于航空发动机、燃气轮机等。

上述各个实施例中叶轮机械叶片所具有的积极技术效果同样适用于叶轮机械叶片造型方法和叶轮机械，这里不再赘述。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：在不脱离本发明原理的前提下，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换，这些修改和等同替换均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (16)

1.一种叶轮机械叶片，其特征在于，包括叶身，所述叶身包括第一叶身部(1)和第二叶身部(2)，所述第一叶身部(1)的叶型截面的安装角相对于所述第二叶身部(2)的叶型截面的安装角突增。

2.根据权利要求1所述的叶轮机械叶片，其特征在于，所述第一叶身部(1)位于所述第二叶身部(2)的靠近所述叶身的根部的一侧。

3.根据权利要求2所述的叶轮机械叶片，其特征在于，所述第一叶身部(1)自所述叶身的根部向靠近所述叶身的顶部的方向延伸。

4.根据权利要求2所述的叶轮机械叶片，其特征在于，在从所述叶身的根部到所述叶身的顶部的方向上，所述第一叶身部(1)的叶型截面的安装角逐渐减小。

5.根据权利要求2所述的叶轮机械叶片，其特征在于，在从所述叶身的根部到所述叶身的顶部的方向上，所述第二叶身部(2)的叶型截面的安装角基本不变或者逐渐减小。

6.根据权利要求1所述的叶轮机械叶片，其特征在于，所述第一叶身部(1)位于所述第二叶身部(2)的靠近所述叶身的顶部的一侧。

7.根据权利要求6所述的叶轮机械叶片，其特征在于，所述第一叶身部(1)自所述叶身的顶部向靠近所述叶身的根部的方向延伸。

8.根据权利要求6所述的叶轮机械叶片，其特征在于，在从所述叶身的顶部到所述叶身的根部的方向上，所述第一叶身部(1)的叶型截面的安装角逐渐减小。

9.根据权利要求6所述的叶轮机械叶片，其特征在于，在从所述叶身的顶部到所述叶身的根部的方向上，所述第二叶身部(2)的叶型截面的安装角基本不变或者逐渐减小。

10.根据权利要求1～9任一项所述的叶轮机械叶片，其特征在于，所述第一叶身部(1)的叶型截面的最大安装角比所述第二叶身部(2)的叶型截面的最大安装角大4°～12°。

11.根据权利要求1～9任一项所述的叶轮机械叶片，其特征在于，所述第一叶身部(1)的高度占所述叶片的总高度的1％～10％或者10％～30％。

12.一种叶轮机械，其特征在于，包括轮盘和多个如权利要求1～11任一项所述的叶轮机械叶片，多个所述叶轮机械叶片沿周向安装在所述轮盘的端壁(7)上。

13.根据权利要求12所述的叶轮机械，其特征在于，所述叶轮机械叶片包括压力面(3)和吸力面(4)，所述端壁(7)包括凹部(10)和凸部(11)，所述凹部(10)设置在所述端壁(7)的靠近所述吸力面(4)的位置，所述凸部(11)设置在所述端壁(7)的靠近所述压力面(3)的位置。

14.根据权利要求13所述的叶轮机械，其特征在于，所述凹部(10)设置在所述端壁(7)的靠近所述叶轮机械叶片的前缘的位置。

15.一种叶轮机械叶片造型方法，其特征在于，包括：

提供基础叶片，所述基础叶片包括叶身，所述叶身包括第一叶身部(1)和第二叶身部(2)；

保持所述第二叶身部(2)的叶型截面不变；

对所述第一叶身部(1)的叶型截面进行处理，处理操作包括：所述第一叶身部(1)的叶型截面包括前缘点(A)、尾缘点(B)、压力侧型线(8)和吸力侧型线(9)，保持所述吸力侧型线(9)的形状以及所述尾缘点(B)的位置不变，使所述前缘点(A)向增大所述第一叶身部(1)的叶型截面的安装角的方向移动，并使得所述第一叶身部(1)的叶型截面的安装角相对于所述第二叶身部(2)的叶型截面的安装角突增。

16.根据权利要求15所述的叶轮机械叶片造型方法，其特征在于，所述处理操作还包括：向远离所述吸力侧型线(9)的方向拉动所述压力侧型线(8)，以增大所述第一叶身部(1)的叶型截面的最大厚度。

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