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CN110863862A - 叶尖结构和涡轮 - Google Patents

叶尖结构和涡轮 Download PDF

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CN110863862A CN201911234798.5A CN201911234798A CN110863862A CN 110863862 A CN110863862 A CN 110863862A CN 201911234798 A CN201911234798 A CN 201911234798A CN 110863862 A CN110863862 A CN 110863862A
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薛伟鹏
窝丁日海
朱高平
赵云
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AECC Sichuan Gas Turbine Research Institute
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/147—Construction, i.e. structural features, e.g. of weight-saving hollow blades

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  • Architecture (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

本发明提供一种叶尖结构和涡轮，属于发动机技术领域。其中叶尖结构包括：旋转叶片，所述旋转叶片的顶部开设有凹腔，所述凹腔的两侧分别为凹腔吸力面侧肋板和凹腔压力面侧肋板；所述凹腔吸力面侧肋板上开设有引导孔。机匣位于所述叶尖结构的旋转叶片的顶部，所述机匣与所述旋转叶片的顶部支架存在叶尖间隙。本发明实施例提供的叶尖结构，通过在叶尖结构中的旋转叶片顶部的凹腔吸力面侧肋板打孔，对流过叶尖的流体进行引导控制，改变叶尖射流与主流速度和角度的差异，从而减小叶尖泄漏涡强度，减少损失，提升涡轮效率。

Description

叶尖结构和涡轮
技术领域
本发明属于发动机技术领域，尤其涉及一种叶尖结构和涡轮。
背景技术
现代的涡轮动叶，其叶盆面和叶背面之间的压差很大，这一压差驱使气流通过叶尖间隙，从叶盆面向叶背面泄漏。由于间隙小，压差大，这个射流往往能够达到超音速。当这股超音速射流通过叶尖间隙泄漏，进入叶背侧后，该射流与通道中的主流流动存在很大的速度剪切，因此在动叶叶尖叶背侧会形成很强的泄漏涡。此外，一部分泄漏流体在主流压力梯度的作用下，会向叶片表面折转，并汇入上端壁通道涡中，使得上端壁通道涡得到加强。这两个涡系的产生和加强，导致涡轮性能出现大幅的恶化。涡轮中1/3以上的损失由叶尖间隙泄漏流引起，而降低损失、提高效率一直是涡轮部件必须解决的重要问题，因此研究采用相应控制措施去减小间隙泄漏流动损失近年来是涡轮叶尖间隙研究的主要课题。
可见，现有的叶尖结构存在无法有效降低涡轮叶尖泄露损失的技术问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种叶尖结构和涡轮，至少解决上述部分技术问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种叶尖结构，包括：
旋转叶片，所述旋转叶片的顶部开设有凹腔，所述凹腔的两侧分别为凹腔吸力面侧肋板和凹腔压力面侧肋板；
所述凹腔吸力面侧肋板上开设有引导孔。
可选的，所述凹腔吸力面侧肋板上存在最大厚度点；
所述引导孔开设于所述所述凹腔吸力面侧肋板上所述最大厚度点和所述旋转叶片尾缘之间的区域。
可选的，所述凹腔吸力面侧肋板上的最大厚度点为所述凹腔吸力面侧肋板与所述凹腔压力面侧肋板之间的内切圆与所述凹腔吸力面侧肋板之间的切点。
可选的，所述引导孔的孔径为所述旋转叶片与顶部机匣之间的叶尖间隙的0.5倍-1倍。
可选的，所述凹腔吸力面侧肋板上横向开设有的所述引导孔的数量范围为3个至6个。
可选的，相邻所述引导孔之间的孔间距为所述引导孔孔径的3倍-5倍。
可选的，所述引导孔在所述凹腔吸力面侧肋板上的开孔角度为30°至50°。
第二方面，本发明实施例提供了一种涡轮，包括机匣以及如第一方面中任一项所述的叶尖结构，所述机匣位于所述叶尖结构的旋转叶片的顶部，所述机匣与所述旋转叶片的顶部支架存在叶尖间隙。
上述本发明实施例提供的叶尖结构和涡轮，其中叶尖结构包括：旋转叶片，所述旋转叶片的顶部开设有凹腔，所述凹腔的两侧分别为凹腔吸力面侧肋板和凹腔压力面侧肋板；所述凹腔吸力面侧肋板上开设有引导孔。本发明实施例提供的叶尖结构，通过在叶尖结构中的旋转叶片顶部的凹腔吸力面侧肋板打孔，对流过叶尖的流体进行引导控制，改变叶尖射流与主流速度和角度的差异，从而减小叶尖泄漏涡强度，减少损失，提升涡轮效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种叶尖结构的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的叶尖结构的另一种结构示意图；
图3为本发明实施例提供的叶尖结构的的工作过程示意图；
图4为本发明实施例提供的叶尖结构的工作过程示意图；
图5为本发明实施例提供的叶尖结构的最大厚度点示意图。
附图标记汇总：
旋转叶片-1，机匣-2，叶片凹腔吸力面侧肋板-3，引导孔-4，叶片顶部的凹腔-5，凹腔压力面-6，凹腔的吸力面-7，旋转叶片1与机匣2之间的间隙-8。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
参见图1，为本发明实施例提供的一种叶尖结构的结构示意图。如图1所示，所述叶尖结构主要包括：
旋转叶片1，所述旋转叶片1的顶部开设有凹腔5，所述凹腔5的两侧分别为凹腔5吸力面侧肋板3和凹腔5压力面侧肋板6；
所述凹腔5吸力面侧肋板3上开设有引导孔4。
本实施例提供的叶尖结构，所述叶尖结构通常应用在涡轮，如图1和图2所示，叶尖结构的顶部设置有机匣2，叶尖结构与机匣2之间存在叶尖间隙8。如图1所示，在旋转叶片1顶部的凹腔5吸力面侧肋板3上开设引导孔4。如图3所示，13为凹腔5压力面侧肋板66一侧的气流通过叶尖间隙88泄漏到凹腔5吸力面侧肋板37一侧的气流形成泄漏涡，14为通过引导孔4的气流。如图4所示，15为绕凹腔5吸力面侧肋板37流动的气流。
如图3和图4所示，通过引导孔4的气流，对泄漏涡形成吹洗，从而减小泄漏涡的尺寸，降低损失。
通过引导孔44的气流14，其流动角度与绕吸力面7流动的气流15的差异减小，从而减小了气流14与气流15之间的掺混，降低损失。
叶尖泄漏涡的强度大小与叶尖损失大小直接相关，而叶尖射流是产生叶尖泄漏涡的直接原因，而涡轮动叶由于叶尖两侧压差的存在，必然存在叶尖射流，因此对叶尖射流进行引导控制，能有效的减小叶尖损失，提升涡轮效率。在叶尖吸力面侧打孔则能完成这一目的。一方面对引导孔4内喷射出的气流进行控制，减小射流与主流的方向和角度的差异，有效减小泄漏涡强度，另一方面叶尖凹腔5内部分气流从孔内流出，从叶尖肋板上方喷射的气流减少，流速也降低，也减小了叶尖泄漏涡强度。通过调整孔的位置、数目、直径和角度能有效的对流过孔的射流进行控制，进而对从叶尖肋板上方喷射出的气流流量和速度也产生影响，达到对叶尖流动的有效控制，减小叶尖泄漏涡强度，减少叶尖泄漏损失，提升涡轮效率。
可选的，所述凹腔5吸力面侧肋板3上存在最大厚度点；
所述引导孔4开设于所述所述凹腔5吸力面侧肋板3上所述最大厚度点和所述旋转叶片1尾缘之间的区域。
可选的，所述凹腔5吸力面侧肋板3上的最大厚度点为所述凹腔5吸力面侧肋板3与所述凹腔5压力面侧肋板6之间的内切圆与所述凹腔5吸力面侧肋板3之间的切点。
如图5所示，9为压力面6在俯视方向上的轮廓线，10为吸力面7在俯视方向上的轮廓线，11为同时与压力面轮廓线与吸力面轮廓线相切的圆中直径最大的圆，12为引导孔4中心线与当地吸力面轮廓线的夹角。保证侧肋板的强度不会受引导孔4的影响，且保证了引导孔4位于较佳的气流引导区域。
可选的，所述引导孔4的孔径为所述旋转叶片1与顶部机匣2之间的叶尖间隙8的0.5倍-1倍。
可选的，所述凹腔5吸力面侧肋板3上横向开设有的所述引导孔4的数量范围为3个至6个。
可选的，相邻所述引导孔4之间的孔间距为所述引导孔4孔径的3倍-5倍。
可选的，所述引导孔4在所述凹腔5吸力面侧肋板3上的开孔角度为30°至50°。
通过对引导孔4相关参数的限制，综合优化叶尖结构的气流引导效果。引导孔4的数目、位置、孔径和角度等参数可随叶尖流场不同发生变化，可根据流场和需要改变这些参数，对叶尖射流进行引导和控制。
在一种具体示例中，设置叶尖结构的凹腔5吸力面侧肋板3上引导孔4的孔数为5，孔直径0.8mm，5个孔中心线与X轴夹角β均为35°。本发明则进一步削弱了叶尖泄漏涡强度，且不对上端壁通道涡(7)产生影响。实例中本发明叶尖泄漏涡强度较以往方案明显降低，涡轮效率提升0.33％。
综上所述，本发明实施例提供的叶尖结构方案，通过开设引导孔对进入凹腔内的气流进行引导，使凹腔内气流部分从凹腔吸力面侧肋板上的引导孔中流出，部分从凹腔尾缘开口流出，剩余部分才从凹腔吸力面侧肋板上方喷射出。通过调整引导孔的位置、方向和孔径等参数，可以根据叶型和工况对凹腔内气流进行引导，调整从孔喷射出的气流的流量和与主流的速度差异和角度差异，减小气流与主流的剪切效果，可以有效降低叶尖泄漏涡强度，此外还减小了从叶尖吸力面侧肋板上方喷射出的气流流量，也有降低叶尖泄漏涡强度的作用。所提供的涡轮动叶叶尖结构，可以减小叶尖泄漏涡强度，减少叶尖泄漏损失，提升涡轮效率0.3％以上。此外，仅在叶尖凹腔吸力面侧肋板打孔，加工实现方便。
此外，本发明实施例还提供了一种涡轮，包括机匣2以及叶尖结构。其中，所述机匣2位于所述叶尖结构的旋转叶片1的顶部，所述机匣2与所述旋转叶片1的顶部支架存在叶尖间隙8。所述叶尖结构可以为上述图1至图5中任一项所述的叶尖结构。
上述本发明实施例提供的涡轮，通过在叶尖结构中的旋转叶片顶部的凹腔吸力面侧肋板打孔，对流过叶尖的流体进行引导控制，改变叶尖射流与主流速度和角度的差异，从而减小叶尖泄漏涡强度，减少损失，提升涡轮效率。本实施例提供的涡轮的具体实施过程可以参见上述图1至图5所示的螺纹连接结构的具体实施过程，在此不再一一赘述。
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的而技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应当以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种叶尖结构，其特征在于，包括：
旋转叶片，所述旋转叶片的顶部开设有凹腔，所述凹腔的两侧分别为凹腔吸力面侧肋板和凹腔压力面侧肋板；
所述凹腔吸力面侧肋板上开设有引导孔。
2.根据权利要求1所述的叶尖结构，其特征在于，所述凹腔吸力面侧肋板上存在最大厚度点；
所述引导孔开设于所述所述凹腔吸力面侧肋板上所述最大厚度点和所述旋转叶片尾缘之间的区域。
3.根据权利要求2所述的叶尖结构，其特征在于，所述凹腔吸力面侧肋板上的最大厚度点为所述凹腔吸力面侧肋板与所述凹腔压力面侧肋板之间的内切圆与所述凹腔吸力面侧肋板之间的切点。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的叶尖结构，其特征在于，所述引导孔的孔径为所述旋转叶片与顶部机匣之间的叶尖间隙的0.5倍-1倍。
5.根据权利要求4所述的叶尖结构，其特征在于，所述凹腔吸力面侧肋板上横向开设的所述引导孔的数量范围为3个至6个。
6.根据权利要求5所述的叶尖结构，其特征在于，相邻所述引导孔之间的孔间距为所述引导孔孔径的3倍-5倍。
7.根据权利要求6所述的叶尖结构，其特征在于，所述引导孔在所述凹腔吸力面侧肋板上的开孔角度为30°至50°。
8.一种涡轮，其特征在于，包括机匣以及权利要求1至7中任一项所述的叶尖结构，所述机匣位于所述叶尖结构的旋转叶片的顶部，所述机匣与所述旋转叶片的顶部支架存在叶尖间隙。
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