CN112682109A - 一种涡轮转子叶顶泄漏流协同抑制结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮转子叶顶泄漏流协同抑制结构，包括涡轮机匣以及与涡轮机匣间隙配合的叶片，叶片的两侧分别形成吸力面和压力面，叶片正对涡轮机匣的叶顶平面上设有叶顶凹槽，叶片顶部外侧设有外伸的叶顶小翼，叶顶小翼的上表面与叶顶平面重合，叶顶小翼的侧面与叶片侧面形成夹角；位于压力面一侧的叶顶小翼上设有若干用于逆向射流的自发射流孔，自发射流孔连接叶顶小翼的侧面和上表面。本发明将叶顶凹槽，小翼，自发射流孔三者有机结合，大幅提高了对泄漏流的抑制作用；不需要外接气源，属于被动控制方法，既省去了复杂管路连接，减轻发动机重量，又省去了外接气源带来的发动机效率损失；整体结构简单，加工和工程应用比较方便。

Description

一种涡轮转子叶顶泄漏流协同抑制结构

技术领域

本发明涉及叶轮机结构，具体为一种涡轮转子叶顶泄漏流的协同抑制结构。

背景技术

轴流涡轮是能源转化，推进领域经常采用的机械部件。高压涡轮转子是整个涡轮中最为关键的部件。为防止叶尖与机匣的碰磨，在涡轮转子叶片叶尖与涡轮机匣之间需预留一定的间隙，一般的叶尖间隙高度约占叶栅通道的1％，而且其高度在涡轮不同的运行状态下也会发生变化。叶尖间隙处于整个涡轮流场中，它的两侧分别联通了叶片吸力面和压力面，且由于叶片相对厚度较小，使得压力侧的流体会在间隙两侧巨大压差的作用下，经过间隙进入吸力侧，形成叶顶间隙泄漏流。泄漏流进入吸力面一侧后，会在与主流掺混过程中，向叶片中部旋转形成泄漏涡。由于间隙泄漏流在间隙内由压力面流向吸力面，不经历在涡轮转子主流场中的膨胀，推动涡轮叶片做功的过程，因而其存在必然使得单级涡轮做功能力下降。同时，间隙泄漏流本身的流动分离和与主流的流动掺混不可避免的给涡轮带来更多的二次流损失，导致涡轮效率降低。而且，涡轮叶片工作在热环境最为苛刻的燃烧室出口，间隙泄漏流的存在，涡轮转子叶尖受到与高温主流的接触面积变大，进一步加剧了涡轮叶片的热负荷，因此需要采用必要的泄漏流控制手段以降低叶尖间隙泄漏流带来的影响。然而，目前常规的被动控制方法，如叶顶凹槽等，对泄漏流的抑制效果仍然有很大的改进空间，针对不同叶顶结构，一些控制方法甚至会出现反效果。封严篦齿等带冠叶顶结构尽管对泄漏流有较好的抑制效果，但由于自身结构复杂，存在加工难度大，机械强度低等问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种应用固体叶片修型结合流体自发控制的涡轮转子叶顶泄漏流抑制结构。

技术方案：本发明的一种涡轮转子叶顶泄漏流协同抑制结构，包括涡轮机匣以及与涡轮机匣间隙配合的叶片，所述叶片的两侧分别形成吸力面和压力面，所述叶片正对涡轮机匣的叶顶平面上设有叶顶凹槽，所述叶片顶部外侧设有外伸的叶顶小翼，所述叶顶小翼的上表面与叶顶平面重合，叶顶小翼的侧面与叶片侧面形成夹角；位于压力面一侧的叶顶小翼上设有若干用于逆向射流的自发射流孔，所述自发射流孔连接叶顶小翼的侧面和上表面。

进一步地，利用自发射流孔将压力侧高压流体引入间隙内形成射流，射流在间隙内部形成逆流，并进入泄漏流中心主流区，逆流结构对主流流动形成显著的阻碍作用。压力面一侧的叶顶小翼上的自发射流孔的结构因素包括自发射流孔孔型和等效直径d，自发射流孔的进口与叶顶小翼的侧面夹角β，自发射流孔的出口与叶顶小翼的上表面的夹角α，自发射流孔的出口与叶顶小翼边缘距离w₃以及射流孔间距l。在同一平面射流孔控制效果随孔间距l减小而增大，所述的自发射流孔为等间隔布置，自发射流孔间距l与自发射流孔等效直径d的比值为4～16。合理的自发射流孔的等效直径d取值与间隙h大小成正相关，自发射流孔的等效直径d为涡轮机匣与叶片间形成的间隙高度h的0.5～5倍，可以通过调整出口孔型改善控制效果。自发射流孔的进口与叶顶小翼的侧面夹角β须保证在满足射流量的前提下，流动阻力尽可能小，优选的范围是45～135°；自发射流孔的出口与叶顶小翼的上表面的夹角α须保证射流出流方向与泄漏流当地流动方向在同一平面，优选的，自发射流孔为圆弧型，自发射流孔的出口方向与泄漏流的运动方向相反，α的取值范围是30～75°；自发射流孔的出口与叶顶小翼边缘距离w₃与间隙高度h有关，优选为涡轮机匣与叶片间形成的间隙高度h的2～10倍。

进一步地，叶顶凹槽结构主要的结构参数为凹槽深度d₁以及凸肩的宽度w₁。凹槽的控制效果随凹槽深度增加而增大，但凹槽深度达到一定程度后，控制效果随深度不在明显改变；凸肩的宽度w₁的与叶形和间隙大小有关，还需满足强度条件。优选的，叶顶凹槽的深度d₁为叶片高度的2.5％～10％；凹槽两侧为凸肩结构，凸肩的宽度w₁为涡轮机匣与叶片间形成的间隙h的1～4倍。

进一步地，为了进一步提高抑制性能，叶顶凹槽的底部为平凹槽结构或阶梯型凹槽结构，其中，阶梯型凹槽采用直角阶梯，直角阶梯的阶梯面正对压力面或吸力面，阶梯形凹槽的深度可以调整，但须保证阶梯部位对凹槽内回旋涡产生作用，阶梯型凹槽采用直角阶梯，直角阶梯的阶梯面正对压力面或吸力面，直角阶梯的阶梯高度d₂为为叶顶凹槽的深度d₁的25％～75％，但应根据实际叶形结构选取。

进一步地，叶顶小翼的结构因素主要包括叶顶小翼外伸的距离w₂和叶顶平面与叶顶小翼的侧面和上表面的夹角γ。外伸距离w₂越大，小翼对泄漏流的控制效果越好，但过大会对叶形强度不利；叶顶小翼的侧面和上表面的夹角γ决定了小翼的几何构型，γ角越小，小翼控制效果越好，但过小的γ角对小翼强度不利。同时还需考虑小翼与自发射流孔的相对位置关系。优选的，叶顶小翼外伸的距离w₂为涡轮机匣与叶片间形成的间隙h的3～15倍，叶顶小翼的侧面和上表面的夹角γ为25～75°。

工作原理：本发明利用一方面通过调整泄漏流流动边界度泄漏流进行抑制的叶顶修型结构，包括叶顶凹槽和叶顶小翼，另一方面引导自发控制射流生成的叶顶结构，具体结构为压力面一侧的叶顶小翼上设置自发射流孔。其协同抑制的特征是凹槽-小翼结构改变泄漏流流动边界，增加泄漏流沿程的流动距离，减小间隙通流面积；将自发射流孔设置在压力侧小翼上，增加射流孔不是空间，引导叶片压力面的高压流体喷射进入间隙泄漏流中心主流区，对泄漏流主流流动形成显著阻隔。

有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：本发明将叶顶凹槽，小翼，自发射流孔三者有机结合，大幅提高了对泄漏流的抑制作用；固体叶片修型和流体自发控制均不需要外接气源，属于被动控制方法，既省去了复杂管路连接，减轻发动机重量，又省去了外接气源带来的发动机效率损失；整体结构相对简单，加工和工程应用比较方便；应用范围较广，由于其采用协同控制方案，应对不同尺寸的叶顶间隙均有显著的控制效果。

附图说明

图1为本发明叶片结构构型俯视图；

图2为本发明叶片结构的正视图；

图3为图2中A-A方向的协同控制叶顶结构示意图；

图4为本发明的叶顶凹槽结构示意图；

图5为图4中对应的凹槽结构的间隙泄漏流量示意图；

图6为叶顶凹槽-叶顶小翼组合的叶顶泄漏流流量对比图；

图7为叶顶凹槽-叶顶小翼-自发射流孔组合的叶顶叶顶泄漏流流量对比图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

参见图1-3所示的具有应用固体叶片修型和流体自发控制协同控制原理设计的涡轮转子叶顶泄漏流协同抑制结构，包括涡轮机匣7和叶片1，叶片1的整体高度s为122mm，涡轮机匣7和叶片1存在间隙h，间隙h的高度为一固定值，具体为1％叶片高度，间隙处于整个涡轮流场中，叶片1的两侧在涡轮流场中形成压力面2和吸力面3，压力面2一侧的流体会在间隙两侧巨大压差的作用下，经过间隙进入吸力面3一侧，形成叶顶间隙泄漏流。在叶片1正对涡轮机匣7的叶顶平面上设有叶顶凹槽4，其中，叶顶凹槽4的深度d₁为叶片1高度的5％，具体为6.1mm，叶顶凹槽4两侧为凸肩结构，凸肩的宽度w₁等于间隙高度h，具体为1.22mm；在叶片1顶部外侧设有外伸的叶顶小翼5，叶顶小翼5的上表面与叶顶平面重合，叶顶小翼5的侧面与叶片1侧面形成夹角，叶顶小翼1的侧面和上表面的夹角γ为65°；在位于压力面2一侧的叶顶小翼5上设有若干等间隔布置的自发射流孔6，自发射流孔6连接叶顶小翼5的侧面和上表面，自发射流孔6为圆弧型，自发射流孔6的进口与叶顶小翼5的侧面夹角β为90°，自发射流孔6的出口与叶顶小翼5的上表面的夹角α为60°，自发射流孔6的出口与叶顶小翼5边缘距离w₃为间隙高度h的1.3倍，具体为1.596mm。

为研究凹槽-小翼-自发射流叶顶结构对叶顶泄漏流的效果，选用一种平面叶栅作为基础叶形，采用数值计算方法，在典型发动机涡轮转子工况下，模拟了凹槽-小翼-自发射流叶顶结构对叶尖泄漏流的影响。设置如下：通过RANS方法，在典型高温高压工况下，对带有利用协同抑制方法构建的叶顶的叶栅流场进行数值模拟。几何结构设置包括以下模型，其中，模型Base1表示涡轮机匣和叶片没有间隙，模型Base2表示叶片采用平顶叶片，模型Base3采用带有凹槽的平顶叶片；模型A0、A1、A2、A3、B0、B1、B2、B3均采用的是凹槽-小翼-自发射流结构，模型A0、A1、A2、A3的叶顶小翼宽度w₂为间隙高度h的1.85倍，具体为2.257mm，模型B0、B1、B2、B3的叶顶小翼宽度w₂为间隙高度h的3.7倍，具体为4.514mm，各模型中自发射流孔的等效直径d为定值，具体为1.22mm，自发射流孔之间的间距l与等效直径d的比值详见下表1。

表1模型几何结构设置

需要说明的是，上述各个模型中的其他参数如叶顶凹槽深度d₁，凸肩的宽度w₁，自发射流孔6的出口与叶顶小翼5边缘距离w₃，叶顶小翼1的侧面和上表面的夹角γ，自发射流孔6的进口与叶顶小翼5的侧面夹角β，自发射流孔6的出口与叶顶小翼5的上表面的夹角α等的值是固定的，并不作为横向对比时变化的参数。

图6表示凹槽-小翼组合叶顶泄漏流流量，其中可以看出，随着叶顶小翼的宽度w₂增加，叶顶泄漏流流量逐渐降低，说明宽度的增加对泄漏流的控制效果增加，而模型Base3的泄漏流流量低于模型Base2的，说明凹槽对结构对泄漏流的控制效果增加。图7表示凹槽-小翼-自发射流组合叶顶泄漏流流量，其中可以看出采用不含自发射流孔的模型A0和B0，其叶顶泄漏流流量高于其他含有自发射流孔的模型，说明自发射流孔的设置可以进一步增加对泄漏流主流流动的阻隔效果，其次，随着孔间距l与等效直径d的比值减小，泄漏流流量降低，孔间距l与等效直径d的比值减小说明了在结构上相邻孔之间的距离减小，此时整体结构上自发射流孔密度是不断增大的，因此泄漏流流量随自发射流孔密度增加而降低。

为了研究阶梯形凹槽对间隙流动的控制作用，明确叶顶凹槽控制间隙流动的机理，并分析台阶型凹槽对间隙泄漏流动的影响，采用了5种类型的叶顶结构，如图4所示，分别为类型(a)：平顶(Type-A)；类型(b)：凹槽深度为2.5％叶高(Type-B)；类型(c)：凹槽深度为5％叶高(Type-C)；类型(d)：采用直角阶梯，直角阶梯的阶梯面正对压力面(Type-D)和类型(e)：采用直角阶梯，直角阶梯的阶梯面正对吸力面(Type-E)。参见图5表示五种凹槽结构的叶尖间隙泄漏流流量，随着凹槽深度的增加，隙泄漏流流量逐渐减小，说明了凹槽深度d₁的增加对泄漏流的控制效果增加，其次当凹槽中采用阶梯结构后可以看出，阶梯结构可以保持一定的控制泄漏流的效果，但是类型(d)的泄漏流流量值高于类型(b)的泄漏流流量，但类型(e)的泄漏流流量值低于类型(c)的泄漏流流量，由分析结果可知，由于凹槽底部台阶结构的存在，使得凹槽内的流动结构复杂程度增加。与常规凹槽相比，台阶型的凹槽内的主涡由一个改为两个，两个漩涡的旋向相同，对类型(d)的阶流而言，其后部的涡结构较小，强度也较小，对泄漏流控制效果较差；而类型(e)台阶结构靠近吸力面的凹槽深度较大，其形成的涡与类型(c)的大深度的凹槽相近，可以起到比较好的控制效果。

Claims (8)

1.一种涡轮转子叶顶泄漏流协同抑制结构，包括涡轮机匣(7)以及与涡轮机匣(7)间隙配合的叶片(1)，所述叶片(1)的两侧分别形成吸力面(3)和压力面(2)，其特征在于：所述叶片(1)正对涡轮机匣(7)的叶顶平面上设有叶顶凹槽(4)，所述叶片(1)顶部外侧设有外伸的叶顶小翼(5)，所述叶顶小翼(5)的上表面与叶顶平面重合，叶顶小翼(5)的侧面与叶片(1)侧面形成夹角；位于压力面(2)一侧的叶顶小翼(5)上设有若干用于逆向射流的自发射流孔(6)，所述自发射流孔(6)连接叶顶小翼(5)的侧面和上表面。

2.根据权利要求1所述的涡轮转子叶顶泄漏流协同抑制结构，其特征在于：所述的自发射流孔(6)为等间隔布置，自发射流孔(6)的等效直径d为涡轮机匣(7)与叶片(1)间形成的间隙高度h的0.5～5倍，自发射流孔(6)间距l与自发射流孔(6)等效直径d的比值为4～16。

3.根据权利要求2所述的涡轮转子叶顶泄漏流协同抑制结构，其特征在于：所述自发射流孔(6)的进口与叶顶小翼(5)的侧面夹角β为45～135°，所述自发射流孔(6)的出口与叶顶小翼(5)的上表面的夹角α为30～75°，所述自发射流孔(6)为圆弧型，自发射流孔(6)的出口方向与泄漏流的运动方向相反。

4.根据权利要求2所述的涡轮转子叶顶泄漏流协同抑制结构，其特征在于：所述自发射流孔(6)的出口与叶顶小翼(5)边缘距离w₃为涡轮机匣(7)与叶片(1)间形成的间隙高度h的2～10倍。

5.根据权利要求1所述的涡轮转子叶顶泄漏流协同抑制结构，其特征在于：所述叶顶凹槽(4)的深度d₁为叶片(1)高度的2.5％～10％，叶顶凹槽(4)两侧为凸肩结构，凸肩的宽度w₁为涡轮机匣(7)与叶片(1)间形成的间隙高度h的1～4倍。

6.根据权利要求1或5所述的涡轮转子叶顶泄漏流协同抑制结构，其特征在于：所述叶顶凹槽(4)的底部为平凹槽结构或阶梯型凹槽结构。

7.根据权利要求6所述的涡轮转子叶顶泄漏流协同抑制结构，其特征在于：所述阶梯型凹槽采用直角阶梯，直角阶梯的阶梯面正对压力面(2)或吸力面(3)，直角阶梯的阶梯高度d₂为叶顶凹槽(4)的深度d₁的25％～75％。

8.根据权利要求1所述的涡轮转子叶顶泄漏流协同抑制结构，其特征在于：所述叶顶小翼(5)外伸的距离w₂为涡轮机匣(7)与叶片(1)间形成的间隙高度h的3～15倍，所述叶顶小翼(1)的侧面和上表面的夹角γ为25～75°。

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