CN117662263A - 一种高通流宽工况涡轮排气段 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种高通流宽工况涡轮排气段，涡轮排气段的排气支板包括大小叶片或串列叶片两种气动布局；涡轮排气段的轮毂型线为S型曲线；涡轮排气段的机匣型线为凸包形状，凸包最高点的轴向位置与大小叶片布局中大叶片或串列叶片布局中前排叶片的最大厚度的轴向位置相同。本发明通过归纳总结不同气动布局设计方案的攻角特性、负荷特性、损失特性和气流角特性，提炼关键设计参数对气动布局作用效果的影响规律。本发明适用于具有来流马赫数高、攻角变化范围宽、子午流道扩张显著等特征的工况，既能够满足涡轮排气段在结构方面承担的整流、承力、传力、引气等功能，还能够在气动方面实现低损失和整流需求。
Description
技术领域
本发明属于涡轮发动机技术领域，具体涉及一种高通流宽工况涡轮排气段。
背景技术
新型涡轮发动机为降低重量和成本，要求涡轮负荷更高，同时采用较少的级数，由此导致涡轮排气段整流支板进口预旋较高，气动设计难度增加。由于涡轮部件的宽工作范围，导致涡轮出口马赫数变化范围达到0.4～0.7，气流角变化范围达到±15°，从根到尖还存在较大的径向变化，且出口支板需承担整流、承力、传力、引气等功能，导致支板的最大厚度及叶型面积受到限制，往往造成排气段通道扩张明显。在高紧凑结构要求下，通道扩张程度加剧。在上述来流条件和结构限制下，排气支板极易发生流动分离，从而对下游加力燃烧室的稳定工作带来很大困难。同时，由于新型涡轮发动机中加力燃烧室工作时间长、对整机推力影响大，在设计中必须严格控制支板出口的流场品质。因此，设计高轴向马赫数、大攻角和小轴向尺寸下的涡轮排气段，是一项亟待解决的问题。
图1为典型工况下涡轮排气段进口气流角的径向分布。涡轮排气段既要在气动上满足以尽可能小的总压损失将低压涡轮出口气流转为轴向，且在宽广工况范围内保持最小流动损失，同时也要在结构上满足其内部需要通过管路的要求，最大厚度受到限制，这种气动整流和结构承力的双重需求，造成涡轮排气段设计自由度低。为减小设计难度，增加设计空间，同时进一步降低结构重量与流动损失，需要开展排气支板叶片气动布局研究。
作为低压涡轮的下游部件，涡轮排气段的进口气动边界条件和几何尺寸基本确定；作为加力燃烧室的上游部件，尤其是在新型涡轮发动机中，加力燃烧室工作时间长，对整机推力影响大，在设计中必须严格控制排气段的出口流场品质，其出口几何尺寸通常也限定在一个范围内。此外，在高紧凑结构约束下，涡轮排气段轴向尺寸较小且基本确定。综上，涡轮排气段在气动和结构上受到多重约束，设计自由自由度非常有限，具有较大的设计难度。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提出一种高通流宽工况涡轮排气段，针对具有来流马赫数高、攻角变化范围宽以及子午通道扩张大、轴向尺寸紧凑等特点，以解决如何实现支板兼具支撑、提供管路/冷气通路以及低损失和整流的技术问题。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提出一种高通流宽工况涡轮排气段，该涡轮排气段的排气支板包括大小叶片或串列叶片两种气动布局；涡轮排气段的轮毂型线为S型曲线；涡轮排气段的机匣型线为凸包形状，凸包最高点的轴向位置与大小叶片布局中大叶片或串列叶片布局中前排叶片的最大厚度的轴向位置相同；对于大小叶片气动布局，大叶片数量为7，在大叶片槽道中间均匀布置4个小叶片，大叶片轴向长度为130mm，小叶片轴向长度为70mm，大小叶片尾缘的轴向位置相同；对于串列叶片气动布局，前排叶片数量为9，后排叶片数量为27，后排三个叶片相对前排叶片的中心角度分别为3.33°、16.67°、30°，前排叶片轴向长度为115mm，后排叶片轴向长度为50mm，前后排叶片轴向间距为0mm。
进一步地，轮毂型线和机匣型线均利用Line-Bezier-Line曲线形式设计。
进一步地，机匣型线的凸包高度为8.1mm。
进一步地，对于大小叶片气动布局，凸包最高点的轴向位置距离大叶片前缘为62.4mm；对于串列叶片气动布局，凸包最高点的轴向位置距离前排叶片前缘为50.0mm。
进一步地，串列叶片布局中的后排叶片设计为直叶片，根、中、尖截面叶型一致。
(三)有益效果
本发明提出一种高通流宽工况涡轮排气段，涡轮排气段的排气支板包括大小叶片或串列叶片两种气动布局；涡轮排气段的轮毂型线为S型曲线；涡轮排气段的机匣型线为凸包形状，凸包最高点的轴向位置与大小叶片布局中大叶片或串列叶片布局中前排叶片的最大厚度的轴向位置相同。本发明通过归纳总结不同气动布局设计方案的攻角特性、负荷特性、损失特性和气流角特性，提炼关键设计参数对气动布局作用效果的影响规律。本发明适用于具有来流马赫数高、攻角变化范围宽、子午流道扩张显著等特征的工况，既能够满足涡轮排气段在结构方面承担的整流、承力、传力、引气等功能，还能够在气动方面实现低损失和整流需求。
附图说明
图1为典型工况高通流宽工况涡轮排气段进口气流角径向分布；
图2a为采用大小叶片气动布局排气支板的高通流宽工况涡轮排气支板主视图，图2b为立体图；
图3a为采用串列叶片气动布局排气支板的高通流宽工况涡轮排气支板主视图，图3b为立体图；
图4a为大小叶片气动布局排气支板子午流道示意图；图4b为串列叶片气动布局排气支板子午流道示意图；
图5为采用大小叶片气动布局排气支板的高通流宽工况涡轮排气段出口气流角分布；
图6为采用串列叶片气动布局排气支板的高通流宽工况涡轮排气段出口气流角分布。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
排气支板包括大小叶片和串列叶片两种气动布局，采用大小叶片气动布局排气支板的涡轮排气段如图2a和2b所示，采用串列叶片气动布局排气支板的涡轮排气段如图3a和3b所示。
针对高通流宽工况涡轮排气支板整流设计与结构功能要求之间的技术矛盾，需要开展大小叶片气动布局和串列叶片气动布局研究，重点研究大小叶片数目比、大小叶片之间的栅距、小叶片在大叶片流道中的相对周向位置等关键设计参数对均匀大小叶片气动布局的影响，同时深入研究上下游叶片排轴向长度、轴向间距、相对周向位置等设计参数对串列叶片气动布局的影响。
在系统分析不同气动布局设计方案支板流场结构演化与损失分布规律的基础上，归纳总结不同气动布局设计方案的攻角特性、负荷特性、损失特性和气流角特性，提炼关键设计参数对气动布局作用效果的影响规律，建立适用于高通流宽工况涡轮排气段的排气支板气动布局设计方法。
本发明提出一种高通流宽工况涡轮排气段，由于涡轮排气段进/出口内径尺寸已基本确定，而子午流道的主要扩张区域位于轮毂位置，因此轮毂型线的设计对于排气段非常重要。如图4a和4b所示，本发明利用Line-Bezier-Line曲线形式将排气段的轮毂型线设计为S型曲线，其起点和终点处平缓，中间陡峭，第一个拐点靠近大支板叶片(指大小叶片布局中的大叶片或串列叶片布局中的前排叶片)前缘，第二个拐点位于大支板叶片最大厚度位置附近，使得子午流道绝大部分的扩张在第二个拐点前实现。这种曲线变化形式充分考虑大支板叶片厚度变化对流道面积的影响，在叶片最大厚度位置上游，叶片厚度逐渐增加，虽然子午流道急剧扩张，但S1流面(绕发动机轴线旋转得到的回转面)通流面积的减小可以起到一定面积补偿作用，削弱其带来的不利影响；在叶片最大厚度位置下游，叶片厚度迅速减小，使得S1流面通流面积迅速扩张，而子午流道基本不再扩张，从而可以削弱叶片厚度减小带来的不利影响。此外，第一个拐点位置的曲率半径相对较小，使得子午流道在叶片最大厚度位置上游迅速扩张，而第二个拐点位置的曲率半径较大，使得子午流道在叶片最大厚度位置附近及其下游缓慢变化，避免型线急剧变化而引起的流动恶化。
由于涡轮排气段进/出口的外径尺寸已基本确定，机匣型线的设计对于排气段上半叶高区域的流动特性也具有重要影响。本发明利用Line-Bezier-Line曲线将机匣型线设计为凸包形状，在该区域建立先扩张后收缩的通道形式，使得机匣型线在大支板叶片最大厚度之后适度下压，期望利用子午流道收缩带来的局部加速减轻流道后部扩张段由于逆压梯度引起的分离。凸包高度和凸包最高点轴向位置是机匣型线的两个关键控制参数。结合当地流动特性进行凸包高度设计，一方面要避免由于凸包高度过大而引起局部流动分离，同时也要避免由于凸起高度过小而无法改善上半叶高流动特性，本发明中凸包高度为L1＝8.1mm。为充分发挥机匣曲线收缩对子午流道面积的补偿效应，结合大支板叶片厚度变化规律进行凸包最高点轴向位置设计，对于大小叶片气动布局，凸包最高点的轴向位置与大支板叶片最大厚度的轴向位置基本一致，凸包最高点的轴向位置距离大叶片前缘L2＝62.4mm；对于串列叶片气动布局，本发明中凸包最高点的轴向位置与前排叶片最大厚度的轴向位置基本一致，即凸包最高点的轴向位置距离前排叶片前缘L2＝50.0mm。
对于大小叶片气动布局，出于结构强度和减重的要求，大叶片的数量或其范围在气动设计前通常由发动机总体给定。由于排气支板在结构方面还需要满足承力、通过冷气/供油管路等需求，其最大厚度和积叠方式也基本确定。因此，大叶片的设计空间也非常有限，主要是叶型参数。考虑到大叶片距上游转子的轴向间距较小，为避免增强对上游转子的势干扰，前缘半径不宜过大，同时较大的尾缘厚度有利于改善流道后半部的压强梯度。为降低叶片摩擦损失，在满足结构方面需求的前提下，大叶片数量应当尽量减少，本发明中大叶片数量N1＝7。同时，在结构方面允许的前提下，根据来流攻角和整流需求，对大叶片的进/出口几何构造角、安装角等叶型参数进行设计，使得大叶片也能够在一定程度上起到整流作用。
小叶片在大叶片槽道中间均匀布置，大小叶片气动布局主要设计参数包括小叶片叶型参数、大小叶片的数目比和小叶片在大叶片流道中的轴向位置。其一是确定小叶片的进/出口几何构造角、安装角等叶型参数。虽然前缘半径较大能够适应大攻角来流条件，但是较大的前缘半径更容易引起摩擦损失增加，为降低小叶片摩擦损失和尾缘损失，在满足强度要求的条件下，前/尾缘半径及最大厚度选取较小值。其二是确定大小叶片的数目比。如果大叶片数量相对较少，则小叶片数量应选取较多，反之则选取较少，其选取的基本原则是在满足整流的前提下尽量选取较少的小叶片数量，以降低摩擦和尾迹等损失。在确定大小叶片数目比以后，相邻小叶片以及大小叶片之间的周向位置(或栅距)即确定。其三是确定小叶片在大叶片流道中的轴向位置。由于小叶片位于大叶片槽道内部，大叶片对来流的整流作用使得小叶片的实际攻角减小，为充分利用该效应，小叶片在大叶片流道中的轴向位置应当后移，使得小叶片尾缘轴向位置与大叶片尾缘轴向位置齐。这种布置形式也能够有效降低大叶片后段负荷，减轻大叶片整体逆压梯度，从而削弱流动分离风险。
对于串列叶片气动布局，出于结构强度和减重的要求，前排叶片的数量或其范围在气动设计前通常由发动机总体给定。由于排气支板在结构方面还需要满足承力、通过冷气/供油管路等需求，其最大厚度和积叠方式也基本确定。因此，前排叶片的设计空间也非常有限，主要是叶型参数。考虑到前排叶片距上游转子的轴向间距较小，为避免增强对上游转子的势干扰，前缘半径不宜过大，同时较大的尾缘厚度有利于改善流道后半部的压强梯度。为降低叶片摩擦损失，在满足结构方面需求的前提下，前排叶片数量应当尽量减少，本发明中前排叶片数量N1＝9。同时，在结构方面允许的前提下，根据来流攻角和整流需求，对前排叶片的进/出口几何构造角、安装角等叶型参数进行设计，使得前排叶片也能够在一定程度上起到整流作用。
为利用后排叶片实现良好的整流效果，后排叶片数量应尽量增加，本发明中后排叶片数量N2＝27；为尽量降低叶片摩擦损失，后排叶片应尽量较薄。同时，为降低制造加工难度，将后排叶片设计为直叶片，根、中、尖截面叶型一致。
串列叶片气动布局的主要设计参数包括前后排叶片周向位置、轴向长度和轴向间距，在前后排叶片设计参数不变的前提下，改变前后排叶片的周向位置、轴向长度和轴向间距，对排气支板的气动性能、整流效果以及流动特性均会产生影响，且其影响效果与具体的工况密切相关。其一是确定前后排叶片的周向位置。在前后排叶片设计参数不变的前提下，改变前后排叶片周向位置，对排气支板的气动性能和出口气流角均产生影响，但其影响效果与具体工况有关。综合考虑排气支板的气动性能、整流效果以及流动特性，本发明中后排三个叶片相对前排叶片的中心角度分别为3.33°、16.67°、30°。其二是确定前后排叶片的轴向长度。在排气支板轴向总长度不变的前提下，增加前排叶片轴向长度、减小后排叶片轴向长度有利于提升排气支板气动性能，但对整流控制效果的改变与具体工况有关。综合考虑排气支板的气动性能、整流效果以及流动特性，本发明中前排叶片轴向长度为115mm，后排叶片轴向长度为50mm。其三是确定前后排叶片的轴向间距。对于串列叶片气动布局，在排气支板轴向总长度固定的前提下，前后排叶片的轴向间距也是关键设计参数之一。在前后排叶片轴向长度和叶型设计参数不变的前提下，减小前后排叶片轴向间距有利于提升排气支板的整流效果，但对排气支板气动性能的影响与具体工况有关。综合考虑排气支板的气动性能、整流效果以及流动特性，本发明中前后排叶片轴向间距为0mm。
图5和图6分别给出采用大小叶片和串列叶片气动布局排气支板的涡轮排气段出口气流角径向分布，两个典型工况下出口气流角与轴向夹角均不超过±5°。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种高通流宽工况涡轮排气段，其特征在于，所述涡轮排气段的排气支板包括大小叶片或串列叶片两种气动布局；所述涡轮排气段的轮毂型线为S型曲线；所述涡轮排气段的机匣型线为凸包形状，凸包最高点的轴向位置与大小叶片布局中大叶片或串列叶片布局中前排叶片的最大厚度的轴向位置相同；对于大小叶片气动布局，大叶片数量为7，在大叶片槽道中间均匀布置4个小叶片，大叶片轴向长度为130mm，小叶片轴向长度为70mm，大小叶片尾缘的轴向位置相同；对于串列叶片气动布局，前排叶片数量为9，后排叶片数量为27，后排三个叶片相对前排叶片的中心角度分别为3.33°、16.67°、30°，前排叶片轴向长度为115mm，后排叶片轴向长度为50mm，前后排叶片轴向间距为0mm。
2.如权利要求1所述的高通流宽工况涡轮排气段，其特征在于，所述轮毂型线和机匣型线均利用Line-Bezier-Line曲线形式设计。
3.如权利要求1所述的高通流宽工况涡轮排气段，其特征在于，所述机匣型线的凸包高度为8.1mm。
4.如权利要求1所述的高通流宽工况涡轮排气段，其特征在于，对于大小叶片气动布局，凸包最高点的轴向位置距离大叶片前缘为62.4mm；对于串列叶片气动布局，凸包最高点的轴向位置距离前排叶片前缘为50.0mm。
5.如权利要求1所述的高通流宽工况涡轮排气段，其特征在于，所述串列叶片布局中的后排叶片设计为直叶片，根、中、尖截面叶型一致。
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Cited By (2)
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| CN117874929B (zh) * | 2024-03-12 | 2024-06-04 | 中国航发四川燃气涡轮研究院 | 一种具有流动稳定性的涡流器叶片型面设计方法 |
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