CN116624231A - 一种涡轮叶片及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种涡轮叶片及其设计方法，涉及发动机技术领域。包括伸根；开设于伸根第一侧面的至少一个第一凹槽，所述第一侧面为该伸根与相邻伸根第二侧面的相对面；第一凹槽的延伸方向与伸根的旋转轴心线不垂直；第一凹槽由内而外的开口逐渐增大；与第一凹槽一一对应的活动柱，活动柱用于放置于对应的第一凹槽内；所述伸根绕旋转轴心线转动时，所述活动柱的外侧面能够与第一凹槽的侧壁面以及相邻伸根的第二侧面相抵触。本申请利用涡轮在转动时能够对其本体上的各个零件产生离心力，在相邻两个伸根之间设置活动柱，该活动柱在特定条件的第一凹槽的约束下，能够将自身的离心力转化为对相邻两个伸根的压力，从而实现密封功能。

Description

一种涡轮叶片及其设计方法

技术领域

本申请涉及发动机技术领域，具体为一种涡轮叶片及其设计方法。

背景技术

燃气轮机或航空发动机的涡轮叶片沿周向布置在涡轮盘上。考虑到冷态的装配性和热态的膨胀和离心作用，相邻涡轮叶片的伸根之间需预留一定的间隙。需要清楚的是，燃气轮机或航空发动机是通过高温燃气驱动涡轮叶片进行转动而做功。若伸根存在间隙，则高温燃气会从间隙溢出，进而降低燃气轮机或者航空发动机的工作效率。为了避免高温燃气由该间隙泄漏，通常采用封严插片或者端面挡板对间隙进行密封。现有技术中，封严插片具有结构复杂，装配难度较大，易磨损等缺点，而端面挡板增加了涡轮的重量，涡轮重量增加，其工作效率降低，并且需设计紧固结构以固定端面挡板，结构也较为复杂。

发明内容

本申请的目的在于提供一种涡轮叶片及其设计方法，以解决现有技术中涡轮叶片伸根的密封结构较为复杂的技术问题。

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

第一方面，本申请提出一种涡轮叶片，该涡轮叶片包括：伸根；开设于伸根第一侧面的至少一个第一凹槽，所述第一侧面为该伸根与相邻伸根第二侧面的相对面；第一凹槽的延伸方向与伸根的旋转轴心线不垂直；第一凹槽由内而外的开口逐渐增大；与第一凹槽一一对应的活动柱，活动柱用于放置于对应的第一凹槽内；所述伸根绕旋转轴心线转动时，所述活动柱的外侧面能够与第一凹槽的侧壁面以及相邻伸根的第二侧面相抵触。

作为本申请实施例的一种实施方式，所述第一凹槽的高度大于等于0.9倍的伸根高度，小于等于1.0倍的伸根高度，所述高度的方向平行于涡轮的径向。

作为本申请实施例的一种实施方式，所述第一凹槽的延伸方向与伸根的旋转轴心线的夹角大于等于84°，小于等于88°。

作为本申请实施例的一种实施方式，所述第一凹槽的延伸方向与伸根的旋转轴心线的夹角为86°。

作为本申请实施例的一种实施方式，所述第一凹槽的侧壁面与相邻伸根的第二侧面的夹角大于等于60°，小于等于80°。

作为本申请实施例的一种实施方式，所述第一凹槽的侧壁面与相邻伸根的第二侧面的夹角为70°。

作为本申请实施例的一种实施方式，所述活动柱的横截面为圆形或者梯形。

作为本申请实施例的一种实施方式，第一凹槽的数量为两个，两个第一凹槽分别设置于所述第一侧面的两侧。

作为本申请实施例的一种实施方式，所述第一凹槽的侧壁面为平滑壁。

第二方面，本申请提出一种涡轮叶片的设计方法，所述方法包括：

获取高温燃气的压强和涡轮转速；

基于高温燃气的压强和涡轮转速，获取活动柱的质量、第一凹槽的延伸方向与伸根的旋转轴心线的夹角和第一凹槽的侧壁面与相邻伸根的第二侧面的夹角。

与现有技术相比，本申请的有益效果是：

利用涡轮在转动时能够对其本体上的各个零件产生离心力，在相邻两个伸根之间设置活动柱，该活动柱在特定条件的第一凹槽的约束下，能够将自身的离心力转化为对相邻两个伸根的压力，从而实现密封功能。相对于现有技术的密封结构，该密封结构简单，易于制造和装配，在保证密封效果的同时，也能够提高叶片伸根处的寿命和可靠性。

附图说明

图1为本申请实施例所提出的涡轮叶片的主视图；

图2为本申请实施例所提出的伸根间隙形成的示意图；

图3为本申请实施例所提出的涡轮叶片的立体图；

图4为图3的侧视图；

图5为图4中A部分的放大图；

图6为本申请实施例所提出的活动柱的受力分析图；

图7为图2的主视图；

图8为图7中D部分的放大图；

图9为图7按照E-E线的剖视图；

图10为图9中N部分的放大图；

图11为本申请实施例所提出的一种活动柱密封时的受力分析图（图中视角平行于活动柱的轴向）；

图12为本申请实施例所提出的又一种活动柱。

图中：1、第一涡轮叶片；11、叶片本体；12、伸根；13、榫头；14、第一凹槽；15、活动柱；16、第一侧面；2、第二涡轮叶片；21、第二侧面；3、伸根间隙；4、旋转轴心线；5、延伸方向；6、侧壁面。

具体实施方式

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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，在本申请的描述中，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，并不是指示或暗示所指的装置或元件所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。

此外，应当理解，为了便于描述，附图中所示出的各个部件的尺寸并不按照实际的比例关系绘制，例如某些层的厚度或宽度可以相对于其他层有所夸大。

应注意的是，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义或说明，则在随后的附图的说明中将不需要再对其进行进一步的具体讨论和描述。

在理解本申请之前，需要清楚的是，涡轮是一种用在航空发动机或燃气轮机中的必要部件。航空发动机或燃气轮机，通过利用高温燃气带动涡轮进行转动做功，以驱动压气机和对外输出功率。涡轮是成熟的现有技术，因此，不做过多赘述。

具体的，现有技术中的涡轮叶片如图1所示，包括依次连接的叶片本体11、伸根12和榫头13。其中，叶片本体11在涡轮工作中起到了转换能量的重要作用。当高温高压的气流经过叶片本体11时，叶片本体11将气流的能量转化为机械能，驱动涡轮旋转，从而将气流的能量转化为动力。榫头13主要是用于与涡轮盘进行连接。伸根12主要是为了降低叶片本体11振动、降低对叶片本体11的传热以及引导冷却空气，从而优化涡轮的工作效率。

具体的，现有技术中，涡轮是由多个涡轮叶片和一个涡轮盘组成的。如图2所示（图中未示出涡轮盘，以及只示出两个涡轮叶片），在涡轮盘上相邻的两个涡轮叶片分别为第一涡轮叶片1和第二涡轮叶片2，第一涡轮叶片1和第二涡轮叶片2的伸根之间形成有伸根间隙3。

为了密封上述的伸根间隙3，如图3至图12所示，本申请提供一种技术方案，该技术方案包括一种涡轮叶片和一种涡轮叶片的设计方法。

具体的，如图2所示，第一涡轮叶片1和第二涡轮叶片2的伸根之间形成有伸根间隙3。容易理解的是，伸根间隙3是由第一涡轮叶片1和第二涡轮叶片2的伸根之间相对的侧面所构成的。容易联想到的是，每个涡轮叶片的伸根与其相邻两侧涡轮叶片的伸根均能够形成伸根间隙3，也就是说每个涡轮叶片伸根均具有两个用于形成伸根间隙3的侧面。在本申请中将这两个侧面分别命名为第一侧面16和第二侧面21，例如：第一涡轮叶片1的伸根具有一个第一侧面16和一个第二侧面21，第二涡轮叶片2也具有一个第一侧面16和一个第二侧面21。需要清楚的是，第一涡轮叶片1上伸根的第一侧面16和第二涡轮叶片2上伸根的第二侧面21之间形成伸根间隙3，第一涡轮叶片1上伸根的第二侧面21与另一涡轮叶片（图中未示出）伸根的第一侧面16形成另一伸根间隙3。

本申请的一种涡轮叶片的实施例如下：

如图2至图4所示，该密封结构包括：开设于伸根12第一侧面16的至少一个第一凹槽14、与第一凹槽14一一对应的活动柱15。第一侧面16为该伸根12（例如：第一涡轮叶片1上的伸根）与相邻伸根（例如：第二涡轮叶片2上的伸根）第二侧面21的相对面。其中，活动柱15用于放置于对应的第一凹槽14内；伸根12绕旋转轴心线4转动时，活动柱15的外侧面能够与第一凹槽14的侧壁面6以及相邻伸根的第二侧面21相抵触。

需要清楚的是，如图11所示，活动柱15的外侧面能够与第一凹槽14的侧壁面6以及相邻伸根的第二侧面21相抵触的意思是指，活动柱15的外侧面能够与第一凹槽14的侧壁面6产生一个Fn的抵触力，活动柱15的外侧面也能够与相邻伸根的第二侧面21产生一个Fm的抵触力。通过活动柱15与两个伸根12都形成抵触，从而实现密封。

需要清楚的是，涡轮在转动时能够对其本体上的各个零件产生离心力。如图6所示，若涡轮绕旋转轴心线4进行中心旋转，则能够对活动柱15产生一个离心力F，该离心力F的方向垂直于旋转轴心线4。

需要注意的是，在本申请的实施例中，主要借助离心力F产生力Fm和力Fn。而力Fm和力Fn都是垂直于活动柱15轴心线方向上的力。也就是说需要借助离心力F产生垂直于活动柱15轴心线方向上的力。如图6所示，F为活动柱15的离心力，对离心力F进行分解，可以得到一个平行于活动柱15轴心线方向的力F1和垂直于活动柱15轴心线方向的力F2。容易理解的是，在本申请的实施例，力Fm和力Fn可以基于力F2获得。

如图6所示，假设活动柱15的轴心线垂直于旋转轴心线4，也就是说，离心力F的方向平行于活动柱15的轴心线，此时离心力F等于力F1，而F2等于0。换句话说，若F2等于0，则力Fm和力Fn肯定也等于0；若力Fm和力Fn等于0，则肯定无法实现密封效果。因此，在本申请的实施例中，涡轮转动时，活动柱15的轴心线不能垂直于旋转轴心线4。需要清楚的是，在本申请的实施例中，活动柱15是活动的，并且活动柱15是放置于第一凹槽14当中的，若涡轮转动，则活动柱15肯定贴着第一凹槽14的侧壁与第一凹槽14同步转动。也就是说，第一凹槽14的延伸形态决定了在涡轮转动时的活动柱15的形态。例如：若第一凹槽14的延伸方向垂直于旋转轴心线4，则涡轮转动时的活动柱15的轴心线肯定也垂直于旋转轴心线4。因此，在本申请的实施例中第一凹槽14的延伸方向5与伸根12的旋转轴心线4不垂直。

如图11所示，力Fm和力Fn是由力F2分解得到的，其中，力Fn垂直于第一凹槽14的侧壁面6，力Fm垂直于相邻伸根的第二侧面21。假设第一凹槽14由内而外的开口是一致的，如图11所示，在本申请实施例中第一凹槽14由内而外的方向是指由第一涡轮叶片1指向第二涡轮叶片2的方向。此时，第一凹槽14的侧壁面6与相邻伸根的第二侧面21的夹角G为90°。也就是说，力F2和力Fn方向是一致的，力F2等于力Fn，力Fm等于0，也无法实现密封效果。同理，若第一凹槽14由内而外的开口是逐渐减小的，则活动柱15只能对第一凹槽14的侧壁面6和底壁面产生压力，而无法对相邻伸根的第二侧面21产生压力。因此，在本申请的实施例中，如图9至图11所示，第一凹槽14由内而外的开口逐渐增大。

需要清楚的是，在上述实施例中，利用涡轮在转动时能够对其本体上的各个零件产生离心力，在相邻两个伸根之间设置活动柱，该活动柱在特定条件的第一凹槽的约束下，能够将自身的离心力转化为对相邻两个伸根的压力，从而实现密封功能。相对于现有技术的密封结构，该密封结构简单，易于制造和装配，在保证密封效果的同时，也能够提高叶片伸根处的寿命和可靠性。

如图5和图6所示，若力F2过小，则很可能无法实现密封功能，若F2过大，则在长期使用过程中，活动柱15容易压裂伸根12。力F2的大小与活动柱15倾斜角度密切相关，也即与图5或者图6中第一凹槽14的延伸方向5和伸根12的旋转轴心线4的夹角密切相关。经过申请人多次实验验证，在本申请一个具体的实施例中，第一凹槽14的延伸方向5与伸根12的旋转轴心线4的夹角大于等于84°，小于等于88°。具体的，其可以是84°、85°、86°、87°和88°中的任意一个度数，也可以是上述相邻两个度数之间的任意度数。

为了使得活动柱15对侧壁面6和第二侧面21施加的压强大致相同，则需要使得力Fm和力Fn大致相同。由图11可知，力Fm和力Fn的大小与侧壁面6和第二侧面21之间所形成的夹角G密切相关，在本申请的一个实施例中，第一凹槽14的侧壁面6与相邻伸根的第二侧面21的夹角大于等于60°，小于等于80°，具体的，其可以为60°、62°、64°、66°、68°、70°、72°、74°、76°、78°和80°中任意一个度数，也可以是上述相邻两个度数之间的任意度数。

需要清楚的是，在涡轮的使用过程中，涡轮两侧的气体压力是不同的，因此，为了使得涡轮具有较好的密封效果，如图3和图4所示，第一凹槽14的数量为两个，两个第一凹槽14分别设置于第一侧面16的两侧。

需要清楚的是，本申请实施例的密封原理是，活动柱15向侧壁面6和第二侧面21施加的压强大于高温燃气的压强，从而高温燃气无法顶开活动柱15而从伸根间隙3溢出。因此，在本申请的实施例中，活动柱15可以为任意形状构造的，例如：其可以为如图11所示的圆柱状，也可以如图12所示的梯形棱柱状，也就是说活动柱15的横截面为圆形或者梯形。

需要清楚的是，圆柱状的活动柱15与侧壁面6和第二侧面21所形成的接触近似为线接触，也即接触面相对较窄的面接触，而梯形棱柱状的活动柱15与侧壁面6和第二侧面21所形成的接触为面接触。相对于线接触来说，面接触密封效果更加稳定，同时，可以通过对梯形棱柱的侧面大小进行设计，以使活动柱15对侧壁面6和第二侧面21施加的压强一致。当然，在本申请的实施例中，不仅限于上述两种构造的活动柱15，也可以采用密封原理与本申请一致的其他构造的活动柱15，例如：三棱柱。

由前文可知，本申请的实施例是借助活动柱15的离心力实现密封的，也就是说活动柱15在第一凹槽14中可以看成是滑动的，因此，第一凹槽14的侧壁面6（也即第一凹槽14中需要密封的斜面或者曲面）需要设计为平滑壁。平滑壁是指在第一凹槽14需密封的一侧设置斜面或曲面与第一凹槽14的底壁平滑相接，在离心作用下，活动柱15沿侧壁面6滚动或者滑动，直至与相邻伸根上的第二侧面21贴合并保持一定的压力，从而实现密封。从以上原理可知，为避免涡轮工作时相邻伸根由热膨胀和离心作用所引起的碰磨，伸根间隙3可适当增大，密封效果不会因此减弱。

需要清楚的是，如图4所示，伸根间隙3的高度约等于伸根12的高度。为了取得较好的密封效果，在本申请一个具体的实施例中第一凹槽14的高度大于等于0.9倍的伸根12高度，小于等于1.0倍的伸根12高度，高度的方向平行于涡轮的径向。若第一凹槽14的高度等于0.9倍的伸根12高度，也就是说第一凹槽14中的活动柱15能够密封住90%左右的伸根间隙3，以此类推。如图4所示，伸根12的高度为H，第一凹槽14的高度等于h，h略小于H，则利于使用者将活动柱15封存于第一凹槽14内。

本申请实施例中的密封结构，利用涡轮在转动时能够对其本体上的各个零件产生离心力，在相邻两个伸根之间设置活动柱，该活动柱在特定条件的第一凹槽的约束下，能够将自身的离心力转化为对相邻两个伸根的压力，从而实现密封功能。相对于现有技术的密封结构，该密封结构简单，易于制造和装配，在保证密封效果的同时，也能够提高叶片伸根处的寿命和可靠性。

在介绍完本申请的一种涡轮叶片的实施例之后，下面介绍本申请所提出的一种涡轮叶片的设计方法的实施例，具体的，该方法包括：

步骤1：获取高温燃气的压强和涡轮转速。

需要清楚的是，由前文可知，活动柱15向第一凹槽14的侧壁面6和相邻伸根的第二侧面21所施加的压强大于高温燃气的压强即可实现密封功能。

步骤2：基于高温燃气的压强和涡轮转速，获取活动柱15的质量、第一凹槽14的延伸方向5与伸根12的旋转轴心线4的夹角和第一凹槽14的侧壁面6与相邻伸根的第二侧面21的夹角。

需要清楚的是，如图6和图11所示，其中，第一凹槽14的延伸方向5与伸根12的旋转轴心线4的夹角为图6中的角C；第一凹槽14的侧壁面6与相邻伸根的第二侧面21的夹角为图11中的角G。圆周运动的物体的离心力公式是：F=mω^2r，其中，F是离心力，m是物体质量，ω是物体圆周运动的角速度，r是物体圆周运动的半径。也就是说，在物体圆周运动的角速度（也即涡轮转速）一定的情况下，物体质量越大，离心力F也就越大。

由图6可知，在本申请的实施例中F2=F*cos（C），其中F为离心力，C为角C的角度；由图11可知，在本申请的实施例中Fn=F2/sin（G），Fm=F2/tan（G），其中G为角G的角度。通过活动柱15分别与侧壁面6和第二侧面21接触面积即可计算出对应压强。

作为本申请的一个实施例中，可以将活动柱15对侧壁面6和第二侧面21所施加的压强大小设计为相等。

本申请实施例中的设计方法，通过高温燃气的压强和涡轮转速，确定出密封结构各个结构的角度参数和活动柱的质量参数，从而使得密封结构在发挥作用时，活动柱能够与相关的伸根表面产生符合要求的抵触力，实现高效密封。通过本设计方法得到的密封结构利用涡轮在转动时能够对其本体上的各个零件产生离心力，在相邻两个伸根之间设置活动柱，该活动柱在特定条件的第一凹槽的约束下，能够将自身的离心力转化为对相邻两个伸根的压力，从而实现密封功能。相对于现有技术的密封结构，该密封结构简单，易于制造和装配，在保证密封效果的同时，也能够提高叶片伸根处的寿命和可靠性。

尽管已经示出和描述了本申请的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本申请的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种涡轮叶片，其特征在于，包括：

伸根（12）；

开设于伸根（12）第一侧面（16）的至少一个第一凹槽（14），所述第一侧面（16）为该伸根（12）与相邻伸根第二侧面（21）的相对面；第一凹槽（14）的延伸方向（5）与伸根（12）的旋转轴心线（4）不垂直；第一凹槽（14）由内而外的开口逐渐增大；

与第一凹槽（14）一一对应的活动柱（15），活动柱（15）用于放置于对应的第一凹槽（14）内；所述伸根（12）绕旋转轴心线（4）转动时，所述活动柱（15）的外侧面能够与第一凹槽（14）的侧壁面（6）以及相邻伸根的第二侧面（21）相抵触。

2.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述第一凹槽（14）的高度大于等于0.9倍的伸根（12）高度，小于等于1.0倍的伸根（12）高度，所述高度的方向平行于涡轮的径向。

3.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述第一凹槽（14）的延伸方向（5）与伸根（12）的旋转轴心线（4）的夹角大于等于84°，小于等于88°。

4.根据权利要求3所述的涡轮叶片，其特征在于，所述第一凹槽（14）的延伸方向（5）与伸根（12）的旋转轴心线（4）的夹角为86°。

5.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述第一凹槽（14）的侧壁面（6）与相邻伸根的第二侧面（21）的夹角大于等于60°，小于等于80°。

6.根据权利要求5所述的涡轮叶片，其特征在于，所述第一凹槽（14）的侧壁面（6）与相邻伸根的第二侧面（21）的夹角为70°。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的涡轮叶片，其特征在于，所述活动柱（15）的横截面为圆形或者梯形。

8.根据权利要求1至6中任意一项所述的涡轮叶片，其特征在于，第一凹槽（14）的数量为两个，两个第一凹槽（14）分别设置于所述第一侧面（16）的两侧。

9.根据权利要求1至6中任意一项所述的涡轮叶片，其特征在于，所述第一凹槽（14）的侧壁面（6）为平滑壁。

10.一种涡轮叶片的设计方法，其特征在于，所述方法包括：

获取高温燃气的压强和涡轮转速；

基于高温燃气的压强和涡轮转速，获取活动柱（15）的质量、第一凹槽（14）的延伸方向（5）与伸根（12）的旋转轴心线（4）的夹角和第一凹槽（14）的侧壁面（6）与相邻伸根的第二侧面（21）的夹角。