CN117189267A - 叶尖间隙结构及压气机 - Google Patents

Abstract

提供一种叶尖间隙结构，包括转子叶片和机匣，转子叶片包括叶尖；机匣包括位于转子叶片的轴向两侧的第一凸起、第二凸起和连接第一凸起和第二凸起的连接部，连接部与叶尖限定出叶尖间隙，第一凸起和第二凸起的径向高度大于叶尖间隙径向高度，以实现对叶尖间隙进出口的相对遮挡，并与转子叶片的轴向侧面限定出径向通道，径向通道与叶尖间隙连通并共同形成气流流动通道。上述叶尖间隙结构能够控制叶尖区域气流泄露和回流，降低气动损失，提高性能。还提供一种压气机。

Description

叶尖间隙结构及压气机

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，具体涉及叶尖间隙领域。

背景技术

典型的民用涡扇航空发动机通常为双涵道构型，空气从飞机进气道流入发动机以后，首先经过风扇进入发动机本体，紧接着流过分流环分成两部分，一部分经过外涵排出发动机，一部分通过支板过渡段通道流入高压压气机被压缩升压。

发动机的转子组件为旋转部件，为避免叶片和机匣之间发生碰磨，引入叶尖间隙的概念。叶尖间隙的大小约为1％叶片高度，在叶尖间隙两侧的压差作用下，部分流体穿过叶尖间隙形成泄露流动。通常以叶尖泄露涡的形式存在于压气机叶尖区域。叶尖泄露涡会导致压气机产生泄露损失和堵塞，进而降低压气机效率和稳定工作范围。

对于典型的民用涡扇发动机而言，增压比越来越高，级数越来越多，叶片高度越来越短，导致后面几级叶片高度仅有10～20mm，因此叶尖区域的损失占比更加显著。有试验结果表明，高压压气机后面几级叶尖间隙相对值增加1％，压气机效率降低约1％，发动机耗油率增加2％。

因此，需要提出一种叶尖间隙结构，以控制叶尖区域气流泄露和回流，解决上述问题。

发明内容

本发明的一个目的是提供叶尖间隙结构，能够控制叶尖区域气流泄露和回流，降低气动损失，提高性能。

为实现上述目的的叶尖间隙结构包括转子叶片和机匣。转子叶片包括叶尖；机匣包括位于所述转子叶片的轴向两侧的第一凸起、第二凸起和连接所述第一凸起和所述第二凸起的连接部，所述连接部与所述叶尖限定出叶尖间隙，所述第一凸起和所述第二凸起的径向高度大于所述叶尖间隙径向高度，以实现对所述叶尖间隙进出口的相对遮挡，并与所述转子叶片的轴向侧面限定出径向通道，所述径向通道与所述叶尖间隙连通并共同形成气流流动通道。

在一个或多个实施例中，所述连接部、所述第一凸起与所述第二凸起的朝向所述转子叶片一侧的表面均包括涂层。

在一个或多个实施例中，所述第一凸起位于气流入口侧，与所述转子叶片的第一轴向侧面限定出第一径向通道，所述第二凸起位于气流出口侧，与所述转子叶片的第二轴向侧面限定出第二径向通道，所述第一径向通道的轴向宽度范围为所述叶尖间隙径向高度的1倍至2倍，所述第二径向通道的轴向宽度范围为所述叶尖间隙径向高度的0.5倍至1倍。

在一个或多个实施例中，所述叶尖间隙的径向高度为所述转子叶片径向高度的1％。

在一个或多个实施例中，所述叶尖和所述连接部同时设置成相对于轴向方向倾斜，并使得所述叶尖间隙靠近气流入口侧高于靠近气流出口侧，进而使所述叶尖间隙内的气流倾斜流动。

在一个或多个实施例中，所述叶尖和所述连接部与轴向方向的夹角范围为7°～15°。

在一个或多个实施例中，所述叶尖和所述连接部同时设置成波浪型，以使所述叶尖间隙内的气流呈波浪型流动。

在一个或多个实施例中，所述波浪型叶尖间隙内包括3个波峰和4个波谷。

在一个或多个实施例中，所述波浪型叶尖间隙内波峰和波谷的轴向间距近似等于所述叶尖间隙的径向高度。

本发明的另一个目的在于提供一种压气机，包括机匣和转子叶片，并采用上述叶尖间隙结构。

上述叶尖间隙结构通过设置位于转子叶片轴向两侧的第一凸起和第二凸起，有效遮挡住了叶尖间隙前后端的低压区和高压区，特别是第二凸起有效遮挡了位于气流出口前方的高压区，从而有效减少了高压区对叶尖间隙内气流流动的影响，有效控制了叶尖间隙内气流的泄露或回流，此外还通过形成位于叶尖间隙进出口方向上的径向通道，限定出气流的流动路径，使气流难以倒流，避免回流，降低了气动损失。

附图说明

本发明的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得更加明显，其中：

图1是典型涡扇发动机整机的结构图。

图2是常规高压压气机转子叶尖结构示意图。

图3是叶尖间隙结构的一个实施例的示意图。

图4是叶尖间隙结构的另一个实施例的示意图。

图5是图4中叶尖间隙结构的放大图。

图6是叶尖间隙结构的再一个实施例的示意图。

符号标记说明

1 风扇

2 支板过渡段通道

3 转子组件

4 静子组件

5 燃烧室

6 高压涡轮

7 机匣

31 转子叶片

32 叶尖

33 叶尖间隙

71 第一凸起

72 第二凸起

73 连接部

75 涂层

311 第一轴向侧面

312 第二轴向侧面

331 第一径向通道

332 第二径向通道

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。

图1示出了典型航空发动机结构。空气从飞机进气道流入发动机以后，首先经过风扇1进入发动机本体，紧接着流过分流环分成两部分，一部分经过外涵排出发动机，一部分通过支板过渡段通道2流入高压压气机。在高压压气机本体内部经过转子组件3、静子组件4压缩后形成高温高压气体，进入燃烧室5，充分燃烧之后经过高压涡轮6排出发动机。

转子组件3为旋转部件，通常为避免转子组件3的叶片和机匣之间发生碰磨，引入叶尖间隙33，如图2所示。转子组件3的叶片4与金属机匣之间存在叶尖间隙33，叶尖间隙33的径向高度为b，也即叶尖间隙沿图2中的Y轴方向的长度为b，叶片径向高度为h，也即叶片沿图2中的Y轴方向的长度为h。

叶尖间隙的轴向两侧具有差压，也即图2中沿X轴方向存在压差，其中气流由-X向X方向流动，叶片右侧，也即叶片尾缘处的区域气压大于叶片左侧，也即叶片前缘的压力。因此在转子叶片31两侧分别形成低压区L和高压区H。在图2所示的传统结构中，受到正压差的影响，部分气流穿过叶尖间隙15时将受到高压区H的阻碍，发生泄露流动，产生回流现象，并以泄露涡16的形式存在于压气机叶尖区域。泄露涡16会导致叶片产生泄露损失和堵塞，进而降低压气机效率和稳定工作范围。

本公开的叶尖间隙结构即用于解决上述问题。

参照图3理解，该叶尖间隙结构，包括转子叶片31和机匣7。转子叶片31，包括叶尖32；机匣7包括位于转子叶片的轴向两侧的第一凸起71、第二凸起72和连接第一凸起71和第二凸起72的连接部73。

连接部73与叶尖32限定出叶尖间隙33，第一凸起71和第二凸起72的径向高度大于叶尖间隙33径向高度，以实现对叶尖间隙33进出口的相对遮挡，并与转子叶片31的轴向侧面限定出径向通道，径向通道与叶尖间隙33连通并共同形成气流流动通道。

具体的，如图3所示，叶尖间隙33的径向高度为c，此处径向高度指的是沿径向方向上、也即图3中Y轴方上的高度。第一凸起71和第二凸起72的径向高度大于叶尖间隙33径向高度c，从而限定出径向通道。如图5所示，第一凸起71位于气流入口侧，也即叶片前缘处，与转子叶片31的第一轴向侧面311限定出第一径向通道331，第一轴向侧面311指转子叶片31靠近来流方向的一侧。第二凸起72位于气流出口侧，也即叶片尾缘处，与转子叶片31的第二轴向侧面312限定出第二径向通道332，第二轴向侧面312指转子叶片靠近气流出口的一侧。第一径向通道331作为来流入口，与叶尖间隙33连通。气流在叶尖间隙33内流动后，经第二径向通道332流出。

通过设置第一凸起71和第二凸起72，使得转子叶片31内嵌于第一凸起71、第二凸起72和连接部73所形成的相对较为封闭的凹型空间内。第一凸起71和第二凸起72有效遮挡住了叶尖间隙33前后端的低压区L和高压区H，特别是第二凸起72有效遮挡了位于气流出口前方的高压区H，从而有效减少了高压区H对叶尖间隙33内气流流动的影响，有效控制了叶尖间隙33内气流的泄露或回流；此外还通过形成位于叶尖间隙进出口方向上的第一径向通道331和第二径向通道332，限定出气流的流动路径，使气流难以倒流，有效控制了气流泄露和回流问题，降低了气动损失。

考虑到转子叶片31与机匣7间易发生摩擦，在一个实施例中，连接部73、第一凸起71与第二凸起72的朝向转子叶片31一侧的表面均包括涂层75，使得转子叶片31内嵌于第一凸起71、第二凸起72和连接部73的涂层75中。如转子叶片31发生轴向窜动时，与第一凸起71和第二凸起72易发生碰磨，因此涂层75能够有效保护部件安全。如图3所示，涂层75的厚度为a。在一个实施例中，厚度a为1～2mm左右，能够降低转子叶尖在径向和轴向方向上金属被刮磨的风险。在图3所示的实施例中，连接部73、第一凸起71与第二凸起72的涂层厚度a保持一致，如取1～2mm。本领域技术人员可以理解的是，涂层厚度根据具体安全要求进行设置。

此外，转子叶片31与机匣7之间的间隙尺寸，如叶尖间隙33、第一径向通道331和第二径向通道332的尺寸也决定了碰摩概率。转子叶片31的径向高度为h，叶尖间隙33的径向高度为b。第一径向通道331与转子叶片31的轴向宽度为f，第二径向通道332与转子叶片31的轴向宽度为g，此处轴向宽度指沿X轴方上的宽度。在一个实施例中，第一径向通道331的轴向宽度f范围为叶尖间隙33径向高度b的1倍至2倍，第二径向通道332的轴向宽度g范围为叶尖间隙33径向高度b的0.5倍至1倍。在一个或多个实施例中，叶尖间隙的径向高度b约为1％叶片径向高度h，也即b＝1％h。

如果转子叶片31发生轴向窜动，则需要预留一定的距离避免与涂层75发生碰磨。由于叶尖间隙出口处的回流情况更为严重，因此位于出口的第二径向通道332的轴向宽度g的距离取值较小，以降低泄露，而位于进口的第一径向通道331的轴向宽度f取值可以相对于g稍微偏大，以有效降低碰摩风险。

图4和图5示出了叶尖间隙结构的另一个实施例的示意图，叶尖32和连接部73同时设置成相对于轴向方向倾斜，并使得叶尖间隙33靠近气流入口侧高于靠近气流出口侧，进而使叶尖间隙33内的气流倾斜流动。

具体的，叶尖32和连接部73同时设置成相对于轴向方向倾斜，也即与X轴形成一夹角θ，在一个实施例中，夹角θ的取值范围为7°～15°。如果大于15°，则扩张角较大，容易造成较大的气流损失；如果小于7°，叶尖间隙33的坡度太平，将大幅减弱对出口气流向前倒流的阻挡效果。

气流从第一径向通道331流入叶尖间隙33后，由于叶尖间隙33呈倾斜状，因此气流将发生相对倾斜向下地流动，直至从第二径向通道332流出。此时位于进口侧的转子叶片31的第一径向高度h1大于位于出口侧的转子叶片31的第二径向高度h2。叶尖间隙33具有沿Y轴方向上的径向高度c，还具有垂直于流道截面实际流动高度d，可以理解的是，d＝c·cos(θ)，此时流道实际流动高度d是径向高度c的投影。

此时叶尖间隙c可取值为第一径向高度h1和第二径向高度h2和的0.5％，即c＝1％·(h1+h2)/2，第一径向通道331的轴向宽度f和第二径向通道332的轴向宽度g范围可参照图3所示的实施例进行取值。此外，在图4所示的实施例中，涂层75在第一凸起71处的厚度a小于在第二凸起72处的厚度，如第一凸起71处的厚度为1mm，在第二凸起72处的厚度为2mm。连接部73内的涂层75厚度呈线性过渡，以减少碰摩。此外，由于靠近叶片尾缘的温度，变形不协调比较严重，因此较容易刮磨涂层，因此靠近右侧的涂层75设置的相对较厚。

通过设计倾斜的叶尖间隙33，使得气流在受限的倾斜流路内难以倒流，进而降低损失，提升性能。

在上述实施例的基础之上，图6示出了叶尖间隙结构的再一个实施例的示意图。叶尖32和连接部73同时设置成波浪型，以使叶尖间隙33内的气流呈波浪型流动。通过设置波浪型流动，进一步降低气流发生倒流的可能性，提高气流流动的有序性，降低气动损失。

在一个实施例中，所述波浪型叶尖间隙内包括3个波峰和4个波谷，以避免气流在流动过程中出现能量的过度耗散。波峰和波谷的沿X轴方向上的轴向间距近似等于叶尖间隙33的径向高度c。此外，在图6所示的实施例中，涂层75在第一凸起71处的厚度a小于在第二凸起72处的厚度，如第一凸起71处的厚度为1mm，在第二凸起72处的厚度为2mm。连接部73内的涂层75厚度呈曲线过渡，以与波浪型的叶尖配合，减小刮磨的风险。。

上述叶尖间隙结构能够有效解决现有叶尖结构中存在的泄露问题，避免回流和泄露涡现象的发生，降低气动损失，提高压气机性能。

结合对上述叶尖间隙结构的介绍，还可以理解到一种采用该结构的压气机，该压气机能够具有较佳的性能。

需要说明的是，上述介绍中使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，不代表主次，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (10)

1.叶尖间隙结构，其特征在于，包括：

转子叶片(31)，包括叶尖(32)；

机匣(7)，包括位于所述转子叶片的轴向两侧的第一凸起(71)、第二凸起(72)和连接所述第一凸起(71)和所述第二凸起(72)的连接部(73)，所述连接部(73)与所述叶尖(32)限定出叶尖间隙(33)，所述第一凸起(71)和所述第二凸起(72)的径向高度大于所述叶尖间隙(33)径向高度，以实现对所述叶尖间隙(33)进出口的相对遮挡，并与所述转子叶片(31)的轴向侧面限定出径向通道，所述径向通道与所述叶尖间隙(33)连通并共同形成气流流动通道。

2.如权利要求1所述的叶尖间隙结构，其特征在于，所述连接部(73)、所述第一凸起(71)与所述第二凸起(72)的朝向所述转子叶片(31)一侧的表面均包括涂层(75)。

3.如权利要求1所述的叶尖间隙结构，其特征在于，所述第一凸起位于气流入口侧，与所述转子叶片的第一轴向侧面(311)限定出第一径向通道(331)，所述第二凸起(72)位于气流出口侧，与所述转子叶片(31)的第二轴向侧面(312)限定出第二径向通道(332)，所述第一径向通道(331)的轴向宽度范围为所述叶尖间隙(33)径向高度的1倍至2倍，所述第二径向通道(332)的轴向宽度范围为所述叶尖间隙(33)径向高度的0.5倍至1倍。

4.如权利要求1所述的叶尖间隙结构，其特征在于，所述叶尖间隙(33)的径向高度为所述转子叶片(31)径向高度的1％。

5.如权利要求1所述的叶尖间隙结构，其特征在于，所述叶尖(32)和所述连接部(73)同时设置成相对于轴向方向倾斜，并使得所述叶尖间隙(33)靠近气流入口侧高于靠近气流出口侧，进而使所述叶尖间隙(33)内的气流倾斜流动。

6.如权利要求5所述的叶尖间隙结构，其特征在于，所述叶尖(32)和所述连接部(73)与轴向方向的夹角范围为7°～15°。

7.如权利要求5所述的叶尖间隙结构，其特征在于，所述叶尖(32)和所述连接部(73)同时设置成波浪型，以使所述叶尖间隙(33)内的气流呈波浪型流动。

8.如权利要求7所述的叶尖间隙结构，其特征在于，所述波浪型叶尖间隙内包括3个波峰和4个波谷。

9.如权利要求8所述的叶尖间隙结构，其特征在于，所述波浪型叶尖间隙内波峰和波谷的轴向间距近似等于所述叶尖间隙(33)的径向高度。

10.压气机，包括机匣和转子叶片，其特征在于，采用如权利要求1-9任一项所述的叶尖间隙结构。