CN117145584A - 高低压对转涡轮级间过渡段 - Google Patents

高低压对转涡轮级间过渡段 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高低压对转涡轮级间过渡段，其特征在于，所述高低压对转涡轮级间过渡段包括流道内壁面、流道外壁面和多个位于流道中的空心整流叶片，所述空心整流叶片分别相互间隔地设置在所述流道内壁面和所述流道外壁面之间；所述空心整流叶片包括第一造型截面和第二造型截面，所述第一造型截面为叶尖截面，所述第二造型截面为叶根截面，所述第一造型截面和所述第二造型截面分别超出流道面2mm至3mm。本发明采用了轴向非对称的过渡段整流叶片叶型设计，减小了对转涡轮中低压涡轮导向叶片的折转角，流道采用了局部凸凹特征，合理布置了过渡段通流面积。

Description

高低压对转涡轮级间过渡段
技术领域
本发明涉及涡轮级间过渡段设计领域，特别涉及一种高低压对转涡轮级间过渡段。
背景技术
常规航空发动机中，高、低压转子旋转方向相同。目前，国外先进民用及军用航空发动机已广泛采用对转涡轮技术，如GENx，F119-PW-100发动机。对转涡轮中、高、低压转子旋转方向相反，下游转子可以利用上游转子出口预旋，因而可以减小下游导向叶片数及叶片折转角，降低气动损失。同时，航空发动机采用高、低压转子对转技术，有助于抑制陀螺力矩效应，增强飞行器的机动性。
图1为高低压涡轮的结构示意图。如图1所示，高低压涡轮包括依次连接的高压涡轮一级导叶10、高压涡轮一级动叶11、高压涡轮二级导叶12、高压涡轮二级动叶13、过渡段整流叶片14、低压涡轮一级导叶15和低压涡轮一级动叶16。大涵道比民用涡扇发动机高、低压涡轮间一般布置有过渡段/级间机匣，为高压转子后端提供支点承力框架。支点供油、回油及通风管路也需要从过渡段中穿过，所以需要在过渡段中设计中空的整流叶片，为管路提供通路。为降低发动机主流流动损失，整流叶片需要具有良好的气动外形，避免在过渡段中发生流动分离。
图2为常规涡轮叶片的排布示意图。如图2所示，常规高、低压转子同向旋转的过渡段整流叶片一般采用轴对称叶型，出口气流周向偏角接近90度(与发动机中心轴线同向定义为0度)。
图3为对转涡轮叶片的排布示意图。如图3所示，与常规整流叶片设计不同，为避免下游低压涡轮导向叶片折转角过大，对转涡轮过渡段整流叶片出口气流需朝向低压涡轮转子的旋转方向偏离轴向。
过渡段流道设计需结合高、低压涡轮径向高度差，合理布置通流面积，避免流道中流速过高，出现堵塞、超音现象。同时，需采用合理的流道曲率分布，避免局部流速过低，出现流动分离。
有鉴于此，本申请发明人设计了一种高低压对转涡轮级间过渡段，以期克服上述技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中高低压对转涡轮级间过渡段流道设计及整流叶型设计难度高、效果差等缺陷，提供一种高低压对转涡轮级间过渡段。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
一种高低压对转涡轮级间过渡段，其特点在于，所述高低压对转涡轮级间过渡段包括流道内壁面、流道外壁面和多个位于流道中的空心整流叶片，所述空心整流叶片分别相互间隔地设置在所述流道内壁面和所述流道外壁面之间；
所述空心整流叶片包括第一造型截面和第二造型截面，所述第一造型截面为叶尖截面，所述第二造型截面为叶根截面，所述第一造型截面和所述第二造型截面分别超出流道面2mm至3mm。
根据本发明的一个实施例，所述叶尖截面的叶型最大厚度为0.2倍的所述叶尖截面的叶型轴向弦长，所述叶根截面的叶型最大厚度为0.2倍的所述叶根截面的叶型轴向弦长。
根据本发明的一个实施例，所述叶尖截面的叶型最大厚度的轴向位置距离所述叶尖截面的前缘点长度为0.2倍的所述叶尖截面的叶型轴向弦长；
所述叶根截面的叶型最大厚度的轴向位置距离所述叶根截面的前缘点长度为0.2倍的所述叶根截面的叶型轴向弦长。
根据本发明的一个实施例，所述叶尖截面的叶型轴向弦长等于1.08倍的所述叶根截面的叶型轴向弦长。
根据本发明的一个实施例，所述空心整流叶片的叶尖和叶根叶型前缘均为椭圆形圆弧结构，所述椭圆形圆弧结构的长轴与短轴之比为1.5。
根据本发明的一个实施例，所述叶尖截面的叶型前缘构造角度范围为90±5度，所述叶尖截面的叶型前缘构造角度为叶型前缘与轴向的夹角；
所述叶根截面的叶型前缘构造角度范围在10±5度，所述叶根截面的叶型前缘构造角度为叶型前缘与轴向的夹角。
根据本发明的一个实施例，所述叶尖截面的叶型出口有效角度范围为53±0.5度，所述叶型出口有效角度为喉宽与栅距之比的反正弦值；
所述喉宽为相邻两叶片之间的最短距离；所述栅距为特征位置圆周长度除以叶片数，即：叶尖截面栅距＝(2π×叶尖位置叶型出口半径)/叶片数；
叶根截面栅距＝(2π×叶根位置叶型出口半径)/叶片数；
所述叶根截面的叶型出口有效角度范围为49±0.5度，所述叶型出口有效角度为喉宽与栅距之比的反正弦值。
根据本发明的一个实施例，所述空心整流叶片的叶尖和叶根叶型安装角范围为77±1度。
根据本发明的一个实施例，所述高低压对转涡轮级间过渡段的流道内包括上流道凸起和下流道凹陷，所述上流道凸起和所述下流道凹陷为周向完全对称。
根据本发明的一个实施例，所述上流道凸起最高点和所述下流道凹陷最高点的轴向位置距离前缘点0.2倍轴向弦长。
根据本发明的一个实施例，所述高低压对转涡轮级间过渡段满足以下条件：叶栅单通道不同轴向位置流通面积/(进口环面积/叶片
数)＝-0.0973x3-0.1408x2+0.345x+0.8786；
其中，x为(某一轴向位置-叶尖前缘轴向位置)/轴向弦长；
叶栅单通道为两相邻叶片之间的气流通道，进口环面积为过渡段进口的环形面积。
本发明的积极进步效果在于：
本发明高低压对转涡轮级间过渡段采用了轴向非对称的过渡段整流叶片叶型设计，减小了对转涡轮中低压涡轮导向叶片的折转角，流道采用了局部凸凹特征，合理布置了过渡段通流面积。
轴向非对称的过渡段整流叶片叶型设计，过渡段出口气流周向偏角达到75度，减小了对转涡轮中低压涡轮导向叶片的折转角。CFD计算结果显示流道内无明显的流道分离，过渡段总压恢复系数0.9916。
附图说明
本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：
图1为高低压涡轮的结构示意图。
图2为常规涡轮叶片的排布示意图。
图3为对转涡轮叶片的排布示意图。
图4为本发明高低压对转涡轮级间过渡段的结构示意图。
图5a为本发明高低压对转涡轮级间过渡段中整流叶片表面流线的压力面示意图。
图5b为本发明高低压对转涡轮级间过渡段中整流叶片表面流线的吸力面示意图。
图6为本发明高低压对转涡轮级间过渡段中整流叶片叶型的示意图。
图7为本发明高低压对转涡轮级间过渡段中整流叶片前缘形状的示意图。
图8为本发明高低压对转涡轮级间过渡段中过渡段流道的示意图。
图9为本发明高低压对转涡轮级间过渡段中叶栅通流面积控制规律的示意图。
图10为本发明高低压对转涡轮级间过渡段中相邻两叶片的示意图。
具体实施方式
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
现在将详细参考附图描述本发明的实施例。现在将详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。
此外，尽管本发明中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本发明说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。
此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本发明。
图4为本发明高低压对转涡轮级间过渡段的结构示意图。图5a为本发明高低压对转涡轮级间过渡段中整流叶片表面流线的压力面示意图。图5b为本发明高低压对转涡轮级间过渡段中整流叶片表面流线的吸力面示意图。
图6为本发明高低压对转涡轮级间过渡段中整流叶片叶型的示意图。图7为本发明高低压对转涡轮级间过渡段中整流叶片前缘形状的示意图。图8为本发明高低压对转涡轮级间过渡段中过渡段流道的示意图。图9为本发明高低压对转涡轮级间过渡段中叶栅通流面积控制规律的示意图。图10为本发明高低压对转涡轮级间过渡段中相邻两叶片的示意图。
如图4至图10所示，本发明公开了一种高低压对转涡轮级间过渡段，其包括流道内壁面20、流道外壁面30和多个位于流道中的空心整流叶片40，将空心整流叶片40分别相互间隔地设置在流道内壁面20和流道外壁面30之间。空心整流叶片40包括第一造型截面和第二造型截面，所述第一造型截面为叶尖截面41，所述第二造型截面为叶根截面42，所述第一造型截面和所述第二造型截面分别超出流道面2mm至3mm。空心整流叶片40的中空内腔用于通过承力支板及支点润滑所需要的油气管路。
此处，所述第一造型截面和第二造型截面确定了整流叶片叶尖和叶根位置叶型。对转涡轮是指上、下游转子旋向相反的涡轮；过渡段是指高、低压涡轮之间的部分。
优选地，叶尖截面41的叶型最大厚度为0.2倍的叶尖截面41的叶型轴向弦长，叶根截面42的叶型最大厚度为0.2倍的叶根截面42的叶型轴向弦长。这里的轴向是指发动机中心轴线方向。
叶尖截面41的叶型最大厚度的轴向位置距离叶尖截面41的前缘点长度为0.2倍的叶尖截面41的叶型轴向弦长。叶根截面42的叶型最大厚度的轴向位置距离叶根截面42的前缘点长度为0.2倍的叶根截面42的叶型轴向弦长。
进一步地，叶尖截面41的叶型轴向弦长等于1.08倍的叶根截面42的叶型轴向弦长。
更优选地，空心整流叶片40的叶尖和叶根叶型前缘为椭圆形圆弧结构，所述椭圆形圆弧结构的长轴与短轴之比为1.5。
叶尖截面41的叶型前缘构造角度范围优选为90±5度，叶尖截面41的叶型前缘构造角度为叶型前缘与轴向的夹角。叶根截面42的叶型前缘构造角度范围优选在10±5度，叶根截面42的叶型前缘构造角度为叶型前缘与轴向的夹角。
此处，叶型前缘是指叶型进气边连接压力面和吸力面的曲线，一般为圆形或椭圆曲线的一段。此外叶型中弧线是指叶型内切圆圆心的连线。叶型前缘点是指叶型中弧线与前缘的交点称为叶型前缘点。几何构造角是指叶型中弧线在前缘点和尾缘点处的切线与额线的夹角(锐角)，分别称为前缘构造角和尾缘构造角。额线为两相邻叶型前缘点或尾缘点的连线。
另外，叶尖截面41的叶型出口有效角度范围优选为53±0.5度，所述叶型出口有效角度为喉宽与栅距之比的反正弦值。
所述喉宽为相邻两叶片之间的最短距离，例如图10中所示两相邻叶片内切圆直径1。所述栅距为特征位置圆周长度除以叶片数，即：叶尖截面栅距＝(2π×叶尖位置叶型出口半径)/叶片数；
叶根截面栅距＝(2π×叶根位置叶型出口半径)/叶片数。
叶根截面42的叶型出口有效角度范围优选为49±0.5度，所述叶型出口有效角度为喉宽与栅距之比的反正弦值。
此外，空心整流叶片40的叶尖和叶根叶型安装角范围优选为77±1度。叶型安装角是指叶型弦线与额线之间的夹角。
如图8所示，过渡段流道内包括整流叶片前缘43、整流叶片尾缘44以及上流道凸起最高点和下流道凹陷最高点的轴向位置A。所述高低压对转涡轮级间过渡段的流道内包括上流道凸起和下流道凹陷，所述上流道凸起和所述下流道凹陷为周向完全对称。周向是指绕发动机中心轴线方向(垂直于轴线，同时垂直于半径方向)。
所述上流道凸起最高点和所述下流道凹陷最高点的轴向位置A距离前缘点0.2倍轴向弦长。
如图9所示，上流道凸起和下流道凹陷的程度由过渡段流道通流面积分布规律控制。
更优选地，所述高低压对转涡轮级间过渡段满足以下条件：叶栅单通道不同轴向位置流通面积/(进口环面积/叶片数)＝-0.0973x3-0.1408x2+0.345x+0.8786；
其中，x为(某一轴向位置-叶尖前缘轴向位置)/轴向弦长。
叶栅单通道为两相邻叶片之间的气流通道，进口环面积为过渡段进口的环形面积。
根据上述描述，本发明高低压对转涡轮级间过渡段，过渡段出口气流周向偏角达到75度，CFD计算结果显示流道内无明显的流道分离，过渡段总压恢复系数为0.9916。过渡段总压恢复系数是指过渡段出口总压与进口总压之比。
此外，需要说明的是，图5a中所示的压力面是指叶片曲面或叶型曲线内凹的一侧，沿这一表面气流压力较高，又称叶盆。图5b中吸力面是指叶片曲面或叶型曲线外凸的一侧，沿这一表面气流压力较低，又称叶背。
综上所述，本发明高低压对转涡轮级间过渡段采用了轴向非对称的过渡段整流叶片叶型设计，减小了对转涡轮中低压涡轮导向叶片的折转角，流道采用了局部凸凹特征，合理布置了过渡段通流面积。
轴向非对称的过渡段整流叶片叶型设计，过渡段出口气流周向偏角达到75度，减小了对转涡轮中低压涡轮导向叶片的折转角。CFD计算结果显示流道内无明显的流道分离，过渡段总压恢复系数0.9916。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种高低压对转涡轮级间过渡段，其特征在于，所述高低压对转涡轮级间过渡段包括流道内壁面、流道外壁面和多个位于流道中的空心整流叶片，所述空心整流叶片分别相互间隔地设置在所述流道内壁面和所述流道外壁面之间；
所述空心整流叶片包括第一造型截面和第二造型截面，所述第一造型截面为叶尖截面，所述第二造型截面为叶根截面，所述第一造型截面和所述第二造型截面分别超出流道面2mm至3mm。
2.如权利要求1所述的高低压对转涡轮级间过渡段，其特征在于，所述叶尖截面的叶型最大厚度为0.2倍的所述叶尖截面的叶型轴向弦长，所述叶根截面的叶型最大厚度为0.2倍的所述叶根截面的叶型轴向弦长。
3.如权利要求1所述的高低压对转涡轮级间过渡段，其特征在于，所述叶尖截面的叶型最大厚度的轴向位置距离所述叶尖截面的前缘点长度为0.2倍的所述叶尖截面的叶型轴向弦长；
所述叶根截面的叶型最大厚度的轴向位置距离所述叶根截面的前缘点长度为0.2倍的所述叶根截面的叶型轴向弦长。
4.如权利要求1所述的高低压对转涡轮级间过渡段，其特征在于，所述叶尖截面的叶型轴向弦长等于1.08倍的所述叶根截面的叶型轴向弦长。
5.如权利要求1所述的高低压对转涡轮级间过渡段，其特征在于，所述空心整流叶片的叶尖和叶根叶型前缘均为椭圆形圆弧结构，所述椭圆形圆弧结构的长轴与短轴之比为1.5。
6.如权利要求1所述的高低压对转涡轮级间过渡段，其特征在于，所述叶尖截面的叶型前缘构造角度范围为90±5度，所述叶尖截面的叶型前缘构造角度为叶型前缘与轴向的夹角；
所述叶根截面的叶型前缘构造角度范围在10±5度，所述叶根截面的叶型前缘构造角度为叶型前缘与轴向的夹角。
7.如权利要求1所述的高低压对转涡轮级间过渡段，其特征在于，所述叶尖截面的叶型出口有效角度范围为53±0.5度，所述叶型出口有效角度为喉宽与栅距之比的反正弦值；
所述喉宽为相邻两叶片之间的最短距离；所述栅距为特征位置圆周长度除以叶片数，即：叶尖截面栅距＝(2π×叶尖位置叶型出口半径)/叶片数；
叶根截面栅距＝(2π×叶根位置叶型出口半径)/叶片数；
所述叶根截面的叶型出口有效角度范围为49±0.5度，所述叶型出口有效角度为喉宽与栅距之比的反正弦值。
8.如权利要求1所述的高低压对转涡轮级间过渡段，其特征在于，所述空心整流叶片的叶尖和叶根叶型安装角范围为77±1度。
9.如权利要求1所述的高低压对转涡轮级间过渡段，其特征在于，所述高低压对转涡轮级间过渡段的流道内包括上流道凸起和下流道凹陷，所述上流道凸起和所述下流道凹陷为周向完全对称。
10.如权利要求9所述的高低压对转涡轮级间过渡段，其特征在于，所述上流道凸起最高点和所述下流道凹陷最高点的轴向位置距离前缘点0.2倍轴向弦长。
11.如权利要求1所述的高低压对转涡轮级间过渡段，其特征在于，所述高低压对转涡轮级间过渡段满足以下条件：叶栅单通道不同轴向位置流通面积/(进口环面积/叶片数)＝-0.0973x3-0.1408x2+0.345x+0.8786；
其中，x为(某一轴向位置-叶尖前缘轴向位置)/轴向弦长；
叶栅单通道为两相邻叶片之间的气流通道，进口环面积为过渡段进口的环形面积。
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