CN108412556A - 一种用于控制涡轮动叶叶尖泄漏流动的棱柱型凹腔叶顶 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于控制涡轮动叶叶尖泄漏流动的棱柱型凹腔叶顶，在涡轮动叶片的叶顶从涡轮动叶片的前缘至尾缘设置若干个棱柱型凹腔，所述的棱柱型凹腔的最大深度h与涡轮动叶片高度H的比值为0.5％‑4％。本发明所述的一种用于控制涡轮动叶叶尖泄漏流动的棱柱型凹腔叶顶，使得进入间隙的泄漏流体一部分进入棱柱型凹腔卷起形成旋涡，一方面耗散间隙流体的动能，另一方面对凹腔上方间隙流体形成射流阻碍效应，进而达到控制涡轮的叶尖泄漏流动的目的，减少了涡轮叶尖泄漏量，削弱了叶顶泄漏涡的尺寸和强度，减小了涡轮泄漏相关损失，提高了涡轮效率，另外，棱柱型凹腔结构本身可以降低涡轮叶片的重量。

Description

一种用于控制涡轮动叶叶尖泄漏流动的棱柱型凹腔叶顶

技术领域

本发明创造属于涡轮领域，尤其是涉及一种用于控制涡轮动叶叶尖泄漏流动的棱柱型凹腔叶顶。

背景技术

涡轮作为发动机的动力关键部件之一，是发动机设计中的重点内容。提高涡轮性能主要研究内容在于控制涡轮内部流动，达到降低涡轮损失、提高涡轮功率的目的。涡轮叶尖间隙泄漏流动是涡轮内部典型的流动之一，不仅造成叶尖载荷降低，同时产生复杂涡系使得端区流动更加复杂，研究表明涡轮叶栅端区由间隙泄漏流动造成的损失高达端区总损失的87％。特别是近年来高负荷、大折转角的高性能涡轮被广泛研究和应用，由此带来的叶尖泄漏流动愈加明显。因此，深入开展对涡轮泄漏流动机理及其抑制方案策略的研究对涡轮整体性能的提高具有重要的意义。

降低涡轮叶尖泄漏流量、减小叶栅泄漏损失、控制叶顶热负荷是涡轮叶尖泄漏流动控制的多重目标。对间隙流动控制最直接有效的方式就是减小间隙值，但为避免动叶叶片与机匣之间发生碰撞、接触甚至造成部件的损坏，在涡轮设计中必须考虑合理的间隙值。现在广泛研究的间隙流动被动控制技术主要包括叶顶/机匣修型、叶顶围带、翼梢小翼、叶顶肋条/凹槽、现代密封结构等，研究重点大多基于在保证一定间隙值下采用有效措施来控制泄漏流动，并且各种间隙流动控制技术的控制效果会因特定对象而异，也存在相应的不足，现在实际应用的技术还有限。希望提出更多综合考虑控制泄漏流动多重目标的技术，进一步降低涡轮损失对间隙值的敏感性。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种用于控制涡轮动叶叶尖泄漏流动的棱柱型凹腔叶顶，它可以有效降低泄漏量，间隙叶栅损失，同时使得叶顶具有可磨耗性，可以进一步减小叶顶间隙值，达到更好的控制叶尖泄漏流动的效果。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种用于控制涡轮动叶叶尖泄漏流动的棱柱型凹腔叶顶，在涡轮动叶片的叶顶从涡轮动叶片的前缘至尾缘设置若干个棱柱型凹腔，所述的棱柱型凹腔的最大深度h与涡轮动叶片高度H的比值为0.5％-4％。

进一步的，所述棱柱型凹腔为正棱柱型凹腔或斜棱柱型凹腔。

进一步的，所述棱柱型凹腔的布置方向为棱柱边或角正对涡轮动叶片几何进气方向。

进一步的，所述斜棱柱型凹腔的倾斜方向为正对/背向来流方向、正对/背对周向方向、或正对/背对叶片压力面/吸力面法向方向。

进一步的，所述斜棱柱型凹腔的倾斜角度受叶顶叶片限制，所述倾斜角α在15°-90°范围内。

进一步的，所述棱柱型凹腔的棱柱边长要保证叶顶至少能布置一个有效凹腔。

相对于现有技术，本发明所述的一种用于控制涡轮动叶叶尖泄漏流动的棱柱型凹腔叶顶具有以下优势：

本发明所述的一种用于控制涡轮动叶叶尖泄漏流动的棱柱型凹腔叶顶，在单个棱柱凹腔内形成旋涡结构，一方面，耗散间隙流体动能，降低间隙流体的速度，另一方面小尺寸旋涡结构发展延伸到上方间隙内形成气动屏障，改变间隙内流动结构，增加间隙泄漏流体的流动阻力，进而降低泄漏流量。由于泄漏流量的减少和流出间隙的泄漏流体速度的降低，使得泄漏涡被削弱，减少了叶栅内的掺混损失，进而有效降低叶栅总损失，提高涡轮效率。

棱柱型凹腔包括正棱柱型凹腔和斜棱柱型凹腔，在正棱柱控制效果的基础上，由于棱柱凹腔倾斜，使得凹腔内形成的旋涡方向随之变化，进入/流出凹腔的气流方向发生改变，对间隙内泄漏流体的阻碍作用进一步增强。

本发明将叶顶实心叶片变为带有若干凹腔的叶片，可以增强叶顶的可磨耗性，实现更小的间隙允许值。另外，凹腔叶顶还可以减小涡轮动叶片叶顶的重量。

附图说明

构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：

图1为本发明的涡轮叶栅子午视图；

图2为本发明实施例所述的一种用于控制涡轮动叶叶尖泄漏流动的棱柱型凹腔叶顶的俯视图；

图3a为正、斜棱柱横截面图；

图3b为单个正棱柱型凹腔的正视图；

图3c为单个斜棱柱型凹腔的正视图；

图4为图2中叶栅A-A截面的间隙及凹腔内流动示意图；

图5为叶栅通道内四个垂直流面分布示意图；

图6为叶栅通道内叶尖间隙区域四个垂直流面的二次流流线分布图。

附图标记说明：

1-机匣，2-轮毂，3-涡轮动叶片，4-棱柱型凹腔，5-前缘线，6-尾缘线。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。

如图1所示，本发明应用在涡轮动叶中，涡轮动叶片3安装在轮毂2上，机匣1与轮毂2之间形成叶栅流道，5、6分别表示动叶片的前缘线和尾缘线，在涡轮动叶片3的叶顶位置从前缘到尾缘位置排布若干个棱柱型凹腔4，涡轮动叶片3与机匣1之间的距离为间隙高度。

结合图2和图3a、图3b，正棱柱型凹腔在叶顶的具体排布形式设计本发明涡轮动叶片。设计或选用常规平顶涡轮动叶片，根据涡轮动叶片叶顶叶型及涡轮动叶片几何进气方向设计棱柱型凹腔的几何尺寸(正六边形边长b、凹腔壁厚d)及在叶顶的阵列方式(棱柱型凹腔的边或角正对叶片几何进气方向)。棱柱型凹腔的最大深度h与叶片高度H的比值在0.5％-4％范围内。可以通过CFD数值仿真和优化设计得到最优的棱柱型凹腔几何参数(本叶栅优化参数为：凹腔边长b为3.2mm(2％相对叶高)，凹腔深度h为1.6mm(1％相对叶高)，凹腔壁厚d为1mm，采用棱柱边正对叶栅几何进气角方向布置。

结合图2和图3a、图3c，斜棱柱型凹腔在叶顶的具体排布形式设计本发明涡轮动叶片。设计或选用常规平顶涡轮动叶片，根据涡轮动叶片叶顶叶型及涡轮进气方向设计棱柱型凹腔的几何尺寸(正六边形边长b、凹腔壁厚d)及在叶顶的阵列方式(棱柱型凹腔的边或角正对叶片几何进气方向)。斜棱柱凹腔的倾斜方向为正对/背向来流方向、正对/背对周向方向、或正对/背对叶片压力面/吸力面法向方向，倾斜角度受叶顶叶片限制。倾斜角α一般与水平面的夹角在15°-90°范围内，受叶片限制。可以通过CFD数值仿真和优化设计得到最优的棱柱型凹腔几何参数。

棱柱型凹腔4的布置方向也可以为棱柱边或角正对叶栅压力面或吸力面型线，这样就会在涡轮动叶片3上尽可能多的布置棱柱型凹腔，更有利于抑制涡轮动叶叶尖泄漏流动。

棱柱型凹腔4的棱柱边长要保证叶顶至少能布置一个有效凹腔。

如图4所示，为叶栅A-A截面的间隙及凹腔内流动示意图，本发明使得进入间隙的泄漏流体一部分进入棱柱型凹腔卷起形成旋涡，一方面耗散间隙流体的动能，另一方面对凹腔上方间隙流体形成射流阻碍效应，进而达到控制涡轮的叶尖泄漏流动的目的。

如图5所示，为叶栅通道内四个垂直流面分布示意图，8为叶片压力面(PS)，9为叶片吸力面(SS)，a、b、c、d四个截面分别为叶栅通道内叶片前缘到尾缘范围内35％、65％、80％和99％轴向弦长位置的垂直流向截面。

如图6所示，图a、图b、图c和图d分别为叶栅通道内如图5所示的a、b、c、d四个垂直流向截面上叶顶附近的二次流线分布，其中四个图中的上图均为平顶叶栅结果，下图均为棱柱型凹腔叶顶叶栅结果。

通过图6可以得出：在间隙内，部分间隙流体流入棱柱凹腔内形成小旋涡流动，耗散间隙流体动能并对上方间隙流动产生流动阻碍，削弱流出叶顶间隙的泄漏流体与叶栅通道内主流的掺混作用。与平顶叶栅相比，带棱柱型凹腔叶顶的叶栅的叶尖泄漏涡的涡核更靠近叶片吸力面(SS)，且泄漏涡尺寸在周向和展向都更小。表明，棱柱型凹腔叶顶可以削弱泄漏涡，减小叶栅损失。

表1是三种叶顶结构叶顶泄漏相对泄漏量和叶栅损失的对比表，从表1中数据可以看出，相对于常规平顶叶栅，正棱柱型凹腔叶顶结构和斜棱柱型凹腔叶顶结构的相对泄漏量分别降低了约11.18％和12.17％，叶栅出口损失分别减小了8.17％和8.86％，表明棱柱型凹腔叶顶结构可以有效地控制叶尖泄漏流动，且斜棱柱型凹腔叶顶结构具有更好的控制效果。

表1泄漏量和出口损失对比

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于控制涡轮动叶叶尖泄漏流动的棱柱型凹腔叶顶，其特征在于：在涡轮动叶片(3)的叶顶从涡轮动叶片(3)的前缘至尾缘设置若干个棱柱型凹腔(4)，所述的棱柱型凹腔(4)的最大深度h与涡轮动叶片(3)的高度H的比值为0.5％-4％。

2.根据权利要求1所述的一种用于控制涡轮动叶叶尖泄漏流动的棱柱型凹腔叶顶，其特征在于：所述棱柱型凹腔(4)为正棱柱型凹腔或斜棱柱型凹腔。

3.根据权利要求2所述的一种用于控制涡轮动叶叶尖泄漏流动的棱柱型凹腔叶顶，其特征在于：所述棱柱型凹腔(4)的布置方向为棱柱边或角正对涡轮动叶片(3)几何进气方向。

4.根据权利要求2所述的一种用于控制涡轮动叶叶尖泄漏流动的棱柱型凹腔叶顶，其特征在于：所述斜棱柱型凹腔的倾斜方向为正对/背向来流方向、正对/背对周向方向、或正对/背对叶片压力面/吸力面法向方向。

5.根据权利要求4所述的一种用于控制涡轮动叶叶尖泄漏流动的棱柱型凹腔叶顶，其特征在于：所述斜棱柱型凹腔的倾斜角度受叶顶叶片限制，所述倾斜角α在15°-90°范围内。

6.根据权利要求5所述的一种用于控制涡轮动叶叶尖泄漏流动的棱柱型凹腔叶顶，其特征在于：所述棱柱型凹腔(4)的棱柱边长要保证叶顶至少能布置一个有效凹腔。