CN114991876B - 一种部分冠涡轮叶冠周向造型设计方法 - Google Patents

一种部分冠涡轮叶冠周向造型设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种部分冠涡轮叶冠周向造型设计方法，部分冠结构在B2B截面上的造型包括三类曲线：圆弧、直线以及叶顶叶型曲线的等距曲线，进口腔处，进口腔等距曲线、进口腔压力侧圆弧、进口腔直线、进口腔吸力侧圆弧依次连接；出口腔处，出口腔圆弧、出口腔直线、出口腔等距曲线依次连接。本发明的这种造型方法在保障气动性能的同时尽可能减小叶冠结构重量。

Description

一种部分冠涡轮叶冠周向造型设计方法
技术领域
本发明提供一种部分冠涡轮叶冠周向造型设计方法，属于涡轮技术领域。
背景技术
低压涡轮转子叶片展弦比长，在受到气动力的作用下，叶片通常会产生较大的弯曲和扭转变形，并伴随着较强的振动。为了提高叶片的刚性，提高转子的振动频率，现代燃气涡轮一般将转子叶片设计成顶部带冠的结构。与此同时，在叶冠上添加篦齿封严结构还可以抑制泄漏流动，减小泄漏损失。这些良好的气动和结构特性使得展弦比比较大的先进涡轮叶片多采用叶片顶端带冠的形式。
然而，采用叶冠结构使得转子叶片端部质量大大提高，这会增大叶片离心应力，不仅会对叶片的气动力学响应、蠕变性能和寿命产生影响，还会限制涡轮级的转速，从而影响叶片的做功能力。为了尽可能降低叶冠结构对转子叶片造成的负面影响，对于转速比较高的军机低压涡轮，实际应用中广泛采取部分冠的结构形式，即通过对全环叶冠在不同周向位置上进行不同程度的削减来减轻叶冠结构的重量。部分冠结构虽然减小了叶冠质量，但却加剧了叶冠容腔内部泄漏流与主流之间的相互作用，使得部分冠涡轮的流动结构更为复杂，带来了很大的端区损失，极大地影响了涡轮级的气动性能。此外目前部分冠结构缺乏设计准则，部分冠结构设计过程中往往追求减轻结构重量，而忽视气动性能，带冠涡轮转子的级效率甚至会远低于同样间隙下无冠涡轮转子的级效率。
发明内容
本发明的发明目的提出一种参数化的部分冠涡轮叶冠周向造型设计方法。这种造型方法在保障气动性能的同时尽可能减小叶冠结构重量。
一种部分冠涡轮叶冠周向造型设计方法，部分冠结构在B2B截面上的造型包括三类曲线：圆弧、直线以及叶顶叶型曲线的等距曲线。圆弧包括进口腔压力侧圆弧、进口腔吸力侧圆弧、出口腔圆弧，其中进口腔压力侧圆弧与进口腔吸力侧圆弧统称为进口腔圆弧；直线包括进口腔直线、出口腔直线；叶顶叶型曲线的等距曲线包括进口腔等距曲线以及出口腔等距曲线；
进口腔处，进口腔等距曲线、进口腔压力侧圆弧、进口腔直线、进口腔吸力侧圆弧依次连接；
出口腔处，出口腔圆弧、出口腔直线、出口腔等距曲线依次连接。
出口腔直线与进口腔直线平行。
对于篦齿根部带有台阶的叶冠结构，本发明描述的部分冠结构周向造型可以通过以下几何参数描述：进口腔等距曲线与叶顶叶型曲线之间的距离记为d1；进口腔压力侧圆弧的半径记为R1；进口腔吸力侧圆弧与篦齿台阶边界线的最小距离记为din；进口腔直线与与篦齿台阶边界线之间的夹角记为α；出口腔圆弧的半径记为R2；出口腔圆弧与篦齿台阶边界线的最小距离记为dout；出口腔等距曲线与叶顶叶型曲线的距离记为d2。
采用叶顶截面叶片最大厚度cmax对叶冠结构长度的几何参数进行无量纲化；
对于进口腔叶冠缘板造型，
Figure BDA0003748333280000021
大于等于0.1；/>
Figure BDA0003748333280000022
大于等于0.1；
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的大小介于0.1到0.2之间，α的取值介于0到15°之间；
出口腔缘板造型，
Figure BDA0003748333280000024
大于等于0.15；/>
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大于等于0.1；
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不小于0.5；
Figure BDA0003748333280000027
不超过0.3。
表1叶冠周向造型无量纲几何参数的推荐取值范围
Figure BDA0003748333280000028
附图说明
图1是本发明的部分冠结构示意图；
图2是本发明的几何参数标记示意图；
图3是实施例低压涡轮叶冠结构的周向造型原型；
图4是实施例原型部分冠涡轮的泄漏流动与损失分布图；
图5是实施例采用本发明的方法改进后的泄漏流动与损失分布图。
具体实施方式
结合附图说明本发明的具体技术方案。
如图1所示，一种部分冠涡轮叶冠周向造型设计方法，部分冠结构在B2B截面上的造型包括三类曲线：圆弧、直线以及叶顶叶型曲线6的等距曲线。圆弧包括进口腔压力侧圆弧2、进口腔吸力侧圆弧5、出口腔圆弧7，其中进口腔压力侧圆弧2与进口腔吸力侧圆弧5统称为进口腔圆弧；直线包括进口腔直线3、出口腔直线8；叶顶叶型曲线6的等距曲线包括进口腔等距曲线1以及出口腔等距曲线9；
进口腔处，进口腔等距曲线1、进口腔压力侧圆弧2、进口腔直线3、进口腔吸力侧圆弧5依次连接；
出口腔处，出口腔圆弧7、出口腔直线8、出口腔等距曲线9依次连接；
对于篦齿根部带有台阶的叶冠结构，如图2所示，本发明描述的部分冠结构周向造型可以通过以下几几何参数描述：进口腔等距曲线1与叶顶叶型曲线6之间的距离记为d1；进口腔压力侧圆弧2的半径记为R1；进口腔吸力侧圆弧5与篦齿台阶边界线4的最小距离记为din；进口腔直线3与与篦齿台阶边界线4之间的夹角记为α；出口腔圆弧7的半径记为R2；出口腔圆弧7与篦齿台阶边界线4的最小距离记为dout；出口腔等距曲线9与叶顶叶型曲线6的距离记为d2。出口腔直线8与进口腔直线3平行。
本实施例中，某型低压涡轮(记为原型)叶冠结构的周向造型如图3所示，图中两条水平横线为篦齿齿根台阶的边界线。该涡轮转子叶片顶部设置的是单齿部分冠，如图4，数值模拟计算得到的涡轮级效率为89.81％，相比相同间隙下无冠转子的涡轮级效率90.36％低了0.55％。
通过采用本发明所提到的部分冠周向造型方法，对部分冠结构进行优化设计得到改型，如图5，数值模拟计算得到的涡轮级效率提升至90.35％，相比于优化前的效率提升0.54％。
通过对比原型和改型出口腔内的流动与损失分布可以发现，原型出口腔内主流入侵现象尤为明显，入侵的主流部分从转子叶片压力面绕过尾缘处的叶顶形成周向泄漏流动，而另一部分形成回流并沿着周向发展，形成了较大的流动损失。而改型后叶冠结构对端区流动的控制效果增强，出口腔内的主流入侵现象得到抑制，对应的损失减小，从而效率大大提高。

Claims (1)

1.一种部分冠涡轮叶冠周向造型设计方法，其特征在于，部分冠结构在截面上的造型包括三类曲线：圆弧、直线以及叶顶叶型曲线(6)的等距曲线；圆弧包括进口腔压力侧圆弧(2)、进口腔吸力侧圆弧(5)、出口腔圆弧(7)，其中进口腔压力侧圆弧(2)与进口腔吸力侧圆弧(5)统称为进口腔圆弧；直线包括进口腔直线(3)、出口腔直线(8)；叶顶叶型曲线(6)的等距曲线包括进口腔等距曲线(1)以及出口腔等距曲线(9)；
进口腔处，进口腔等距曲线(1)、进口腔压力侧圆弧(2)、进口腔直线(3)、进口腔吸力侧圆弧(5)依次连接；
出口腔处，出口腔圆弧(7)、出口腔直线(8)、出口腔等距曲线(9)依次连接；
所述的出口腔直线(8)与进口腔直线(3)平行；
对于篦齿根部带有台阶的叶冠结构，部分冠结构周向造型通过以下几何参数描述：进口腔等距曲线(1)与叶顶叶型曲线(6)之间的距离记为d1；进口腔压力侧圆弧(2)的半径记为R1；进口腔吸力侧圆弧(5)与篦齿台阶边界线(4)的最小距离记为din；进口腔直线(3)与篦齿台阶边界线(4)之间的夹角记为α；出口腔圆弧(7)的半径记为R2；出口腔圆弧(7)与篦齿台阶边界线(4)的最小距离记为dout；出口腔等距曲线(9)与叶顶叶型曲线(6)的距离记为d2；
采用叶顶截面叶片最大厚度cmax对叶冠结构长度的几何参数进行无量纲化；
对于进口腔叶冠缘板造型，
Figure FDA0004088360380000011
大于等于0.1；/>
Figure FDA0004088360380000012
大于等于0.1；
Figure FDA0004088360380000013
的大小介于0.1到0.2之间，α的取值介于0到15°之间；
出口腔缘板造型，
Figure FDA0004088360380000014
大于等于0.15；/>
Figure FDA0004088360380000015
大于等于0.1；/>
Figure FDA0004088360380000016
不小于0.5；
Figure FDA0004088360380000017
不超过0.3。
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