CN104420888B

CN104420888B - 渐缩流道跨音速涡轮叶片及应用其的涡轮

Info

Publication number: CN104420888B
Application number: CN201310364144.0A
Authority: CN
Inventors: 赵巍; 赵庆军; 赵晓路; 徐建中
Original assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Current assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Priority date: 2013-08-19
Filing date: 2013-08-19
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2033-08-19
Also published as: CN104420888A

Abstract

本发明提供了一种渐缩流道跨音速涡轮叶片及应用其的涡轮。该渐缩流道跨音速涡轮叶片的表面三维型线由N个叶型沿半径方向积叠而成，其中，N≥3；该N个叶型中每个叶型均包括吸力面型线和压力面型线，该N个叶型中至少一个叶型的吸力面型线存在内凹型线。本发明渐缩流道跨音速涡轮叶片使叶片的气动总损失得到降低，有效降低了跨音速涡轮在超音速区的流动损失。

Description

渐缩流道跨音速涡轮叶片及应用其的涡轮

技术领域

本发明涉及空气动力学领域，尤其涉及一种吸力面无遮盖段内凹的渐缩流道跨音速涡轮叶片及应用其的涡轮。

背景技术

高负荷跨音速涡轮相比传统亚音速涡轮能有效提高级载荷，在高推重比航空发动机中得到了广泛应用。现有的高负荷跨音速涡轮(如GE公司的E³涡轮等)主要采用渐缩型流道，气流在喉口达到当地音速后在无遮盖通道中沿略微外凸或者平直的吸力面型线继续加速至超过当地音速。超音速气流在尾缘处产生的内外伸激波、膨胀波及它们各自在吸力面的反射波，与尾缘外伸激波构成了相互之间存在复杂影响关系的波系结构。该波系结构通常伴随着较大的速度梯度和熵增，不仅产生激波损失而且会影响吸力面边界层和尾迹的发展过程，从而改变叶片的气动损失。这些损失均会随着涡轮级载荷和叶片出口马赫数的提高而增大。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种渐缩流道跨音速涡轮叶片及应用其的涡轮，以降低跨音速涡轮在超音速区的流动损失。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种渐缩流道跨音速涡轮叶片。该渐缩流道跨音速涡轮叶片的表面三维型线由N个叶型沿半径方向积叠而成，其中，N≥3；该N个叶型中每个叶型均包括吸力面型线和压力面型线，该N个叶型中至少一个叶型的吸力面型线存在内凹型线。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种涡轮。该涡轮包括：涡轮转子；以及若干个上述的渐缩流道跨音速涡轮叶片，沿周向均匀分布在所述涡轮转子的轮毂面上。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明渐缩流道跨音速涡轮叶片及应用其的涡轮中，由于吸力面型线在其无遮盖段上存在内凹型线，从而使叶片的气动总损失得到降低，出口气流的周向不均匀性得到改善，并且减小了对下游叶片排边界层的非定常影响。

附图说明

图1A和图1B为本发明实施例渐缩流道跨音速涡轮叶片在不同视角下的三维立体图；

图1C为本发明实施例渐缩流道跨音速涡轮叶片的三维叶型积叠图；

图2为本实施例渐缩流道跨音速涡轮叶片与相邻叶片的叶型图；

图3为本发明实施例渐缩流道跨音速涡轮叶片一个叶型的吸力面型线贝塞尔曲线控制点分布图；

图4为本发明实施例涡轮的三维立体图。

【本发明主要元件符号说明】

1-叶型；2-吸力面型线；

3-压力面型线；4-叶型前缘；

5-叶型尾缘；6-叶型通道

7-遮盖段；8-无遮盖段的第一子段；

9-无遮盖段的第二子段；10-无遮盖段的第三子段；

11-无遮盖段；12-重心；

13-积叠线；

A、B、C、D、E-吸力面型线上的点；

F-压力面型线的终点；

L-无遮盖段的轴向长度；

L₂-无遮盖段第二子段的轴向长度；L₃-无遮盖段第三子段的轴向长度；

P₁、P₂、P₃、P₄、P₅、P₆、P₇-贝塞尔曲线控制点。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明提供了一种在吸力面无遮盖段存在内凹型线的渐缩流道跨音速涡轮叶片及应用其的涡轮。该叶片削弱了尾缘内伸激波反射波与尾缘外伸激波之间的强相互作用，减少了因二者叠加而产生的激波损失。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种吸力面无遮盖段内凹的渐缩流道跨音速涡轮叶片。图1A和图1B为本发明实施例渐缩流道跨音速涡轮叶片在不同视角下的立体图。图1C为本发明实施例渐缩流道跨音速涡轮叶片三维叶型积叠图。

请参照图1A、图1B和图1C，本实施例渐缩流道跨音速涡轮叶片的表面三维型线由5个叶型沿半径方向(r方向)积叠而成，每个叶型由吸力面型线2和压力面型线3通过前缘、尾缘的圆弧平滑连接而成，且吸力面型线存在内凹型线。

以下对本实施例渐缩流道跨音速涡轮叶片的叶型进行详细说明。

图2为本实施例渐缩流道跨音速涡轮叶片与相邻叶片的叶型图。请参照图2，渐缩流道跨音速涡轮叶片的叶型1由吸力面型线2和压力面型线3通过叶型前缘4、叶型尾缘5的圆弧平滑连接。其中，该圆弧的半径介于0.1mm～5mm之间。

渐缩流道跨音速涡轮叶片的压力面型线3与相邻叶片叶型的吸力面型线2构成宽度逐渐减小的叶型通道6。该渐缩流道跨音速涡轮叶片叶型的前缘与相邻叶片同一半径位置叶型的前缘之间构成叶型通道6的进口。

请继续参照图2，叶型1的吸力面型线2沿轴向(z方向)包括：遮盖段7，为吸力面型线2位于叶型通道内的部分，如图2中点A与点B之间的部分；无遮盖段11，为吸力面型线2位于叶型通道外的部分，如图2中点B与点E之间的部分。当前渐缩流道跨音速涡轮叶片叶型的无遮盖段起点B与相邻叶片同一半径位置叶型压力面型线终点F之间构成叶型通道6的出口。

请继续参照图2，无遮盖段11沿轴向(z方向)又包括：第一子段8，朝向叶片外部方向凸出，如图2中点B与点C之间的部分；第二子段9，其朝向叶片内部方向凹入，为上述的内凹型线，如图2中点C与点D之间的部分；以及第三子段10，朝向叶片外部凸出或为平直，如图2中点D与点E之间的部分。

请参照图2和图3，第一子段8和第二子段9相连接。第一子段8和第二子段9连接点的曲率为0，该连接点两侧的第一子段8和第二子段9具有正负符号相反的曲率。第二子段9和第三子段10相连接。第二子段9和第三子段10连接点的曲率为0，该连接点两侧的第二子段9和第三子段10具有正负符号相反的曲率。

本实施例中，吸力面型线由7控制点的贝塞尔曲线生成。图3为本发明实施例渐缩流道跨音速涡轮叶片一个叶型的吸力面型线贝塞尔曲线控制点分布图。请参照图3，控制点P₁、P₂和P₃位于吸力面型线2的外侧，控制点P₄、P₅和P₆位于吸力面型线2的内侧，控制点P₇位于吸力面型线2上，从而在轴向长度为L的无遮盖段11上构造轴向长度为L₂的内凹型线9。

本实施例中，叶型的吸力面型线由7控制点的贝塞尔曲线构造。本领域技术人员应当清楚，贝塞尔曲线的控制点可以取4～无数个之间。对于该控制点取4～无数个的贝塞尔曲线，其需要满足以下条件，才可以构成本发明渐缩流道跨音速涡轮叶片的吸力面型线：

(1)轴向前端部分的控制点中至少有一个位于吸力面型线的外侧；

(2)中段部分的控制点至少有一个位于吸力面型线的内侧；

(3)轴向后端部分的控制点位于吸力面型线上或吸力面型线外侧。

本领域技术人员应当清楚，由贝塞尔曲线确定吸力面型线只是本发明实现方式中的一种，本领域技术人员还可以由其他的曲率至少二阶连续的样条曲线或圆弧曲线等来构造本发明的吸力面型线，同样应当在本发明的保护范围之内，此处不再重述。

请参照图2和图3，无遮盖段的轴向长度L占叶型1轴向长度的30.2％。其中，在无遮盖段中，第一子段的轴向长度(L-L₂-L₃)占叶型1轴向长度的4.2％；第二子段的轴向长度L₂占叶型1轴向长度的22.0％。第三子段的轴向长度L₃占叶型1轴向长度的4.0％。

本领域技术人员应当清楚，可以根据需要来设计无遮盖段的形状和尺寸。在本发明其他实施例中，所述无遮盖段11的轴向长度L约占叶型1轴向长度的14～55％。其中，第一子段8的轴向长度(L-L₂-L₃)占叶型1轴向长度的2～10％；第二子段9的轴向长度L₂占叶型1轴向长度的10～30％。第三子段10的轴向长度L₃占叶型1轴向长度的2～15％。

本实施例中，叶型的出口栅距与叶型通道6的出口宽度(几何喉口宽度)之比介于1.1—3.5之间，叶型通道的几何喉口宽度为叶型尾缘小圆直径的8～15倍，叶型进、出口几何气流角(轴向)在0～90度之间任意选择，叶型的出口马赫数为1.1～1.5。叶型出口栅距为相邻两叶片同一半径位置叶型的尾缘之间的距离。

请参照图1A、图1B和图1C，本实施例渐缩流道跨音速涡轮叶片由5个叶型沿半径方向积叠而成。本领域技术人员应当清楚，叶型的个数N与设计要求、工艺难度有关，一般情况下，叶型数目N的下限为3，上限为无限大。而在本发明优选的实施例中，叶型的个数N介于4～100之间。优选地，叶型个数N介于4～20之间。最优地，叶型数N可取4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、50、100等等。

本实施例渐缩流道跨音速涡轮叶片中，5个叶型的吸力面型线均存在内凹型线，但本发明并不以此为限。在本发明的其他实施例中，也可以是若干位于叶片中部的叶型吸力面型线中存在内凹型线，或在其两端的叶型吸力面型线中存在内凹型线，同样在本发明的保护范围之内。

请参照图1C和图2，本实施例渐缩流道跨音速涡轮叶片中，将5个吸力面型线无遮盖段存在内凹型线的叶型1以通过各叶型1重心12的连线13积叠，得到叶片表面的三维曲面，即积叠线13为各叶型重心的连线，且为直线，但本发明并不以此为限。在本发明的其他实施例中，各叶型还可以沿其重心、前缘、尾缘、弦线上的等比分点或中弧线上的等比分点积叠得到所述渐缩流道跨音速涡轮叶片表面三维型线。并且，积叠线不仅可以是直线，还可以是任意形状的空间曲线。

本实施例中，在跨音速涡轮叶型通道的超音速流动区域，内凹型线增大了气动喉口到其起点之间的吸力面型线曲率，因此该范围内型线产生的膨胀波强度增大，使相邻叶片的尾缘外伸激波波面增加了绕尾缘向下游偏转的角度。内凹型线通过自身型线减小了尾缘内伸激波反射波的波前、波后气流角(轴向)，从而使该反射波的激波波面增加了绕入射点向上游偏转的角度。

上述两个激波波面反向的偏转在流动方向上推后了尾缘外伸激波和尾缘内伸激波反射波的交汇点。由于激波沿流向是不断衰减的以及较弱的激波叠加后的强度也较弱，因此在被推后的交汇点处的激波损失也较小，也就是说，内凹型线削弱了由于尾缘外伸激波和尾缘内伸激波反射波叠加而产生的激波损失。此减少的激波损失使叶片的气动总损失得到降低，出口气流的周向不均匀性得到改善，并且减小了对下游叶片排边界层的非定常影响。

至此，本实施例渐缩流道跨音速涡轮叶片介绍完毕。

在本发明的另一个实施例中，还提供了一种应用上述渐缩流道跨音速涡轮叶片的涡轮。该涡轮包括：涡轮转子和沿周向均匀分布在涡轮转子的轮毂面上的渐缩流道跨音速涡轮叶片。

本领域技术人员应当清楚，本实施例涡轮中的渐缩流道跨音速涡轮叶片的数目和尺寸可以根据需要进行调整，此处不再重述。

至此，本实施例涡轮介绍完毕。

上文已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明渐缩流道跨音速涡轮叶片有了清楚的认识。

此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换。

综上所述，本发明提供一种吸力面无遮盖段内凹的渐缩流道跨音速涡轮叶片。由于吸力面型线在其无遮盖段上存在内凹型线，从而使叶片的气动总损失得到降低，出口气流的周向不均匀性得到改善，并且减小了对下游叶片排边界层的非定常影响。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种渐缩流道跨音速涡轮叶片，其特征在于，其表面三维型线由N个叶型沿半径方向积叠而成，其中，N≥3；

该N个叶型中每个叶型均包括吸力面型线和压力面型线，该N个叶型中至少一个叶型的吸力面型线存在内凹型线；

其中，所述吸力面型线与相邻叶片叶型的压力面型线之间构成宽度逐渐减小的叶型通道，该吸力面型线沿轴向包括：

遮盖段，为所述吸力面型线位于叶型通道内的部分；

无遮盖段，为所述吸力面型线位于叶型通道外的部分，包括：

第一子段，朝向叶片外部方向凸出；

第二子段，为所述的内凹型线，其朝向叶片内部方向凹入；以及

第三子段，朝向叶片外部凸出或为平直。

2.根据权利要求1所述的渐缩流道跨音速涡轮叶片，其特征在于，

所述第一子段和第二子段连接点的曲率为0，该连接点两侧的第一子段和第二子段具有正负符号相反的曲率；

所述第二子段和第三子段连接点的曲率为0，该连接点两侧的第二子段和第三子段具有正负符号相反的曲率。

3.根据权利要求1所述的渐缩流道跨音速涡轮叶片，其特征在于，所述吸力面型线为至少二阶连续的样条曲线、圆弧曲线或贝塞尔曲线。

4.根据权利要求3所述的渐缩流道跨音速涡轮叶片，其特征在于，所述吸力面型线为贝塞尔曲线，该贝塞尔曲线中：

轴向前端部分的控制点至少有一个位于吸力面型线的外侧；

中段部分的控制点至少有一个位于吸力面型线的内侧；

轴向后端部分的控制点位于吸力面型线上或吸力面型线的外侧。

5.根据权利要求1所述的渐缩流道跨音速涡轮叶片，其特征在于，所述无遮盖段的轴向长度占所述叶型轴向长度的14～55％，其中：

所述第一子段的轴向长度占所述叶型轴向长度的2～10％；

所述第二子段的轴向长度占所述叶型轴向长度的10～30％；

所述第三子段的轴向长度占所述叶型轴向长度的2～15％。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的渐缩流道跨音速涡轮叶片，其特征在于：

所述叶型个数N介于4～100之间；

所述吸力面型线和压力面型线通过叶型前缘、叶型尾缘的圆弧平滑连接，其中，该圆弧的半径介于0.1mm～5mm之间；

所述叶型的出口栅距与叶型通道的出口宽度之比介于1.1-3.5之间，叶型通道的几何喉口宽度为叶型尾缘小圆直径的8～15倍。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的渐缩流道跨音速涡轮叶片，其特征在于，所述N个叶型中全部或者位于叶片中部的若干个叶型存在所述内凹型线。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的渐缩流道跨音速涡轮叶片，其特征在于，所述N个叶型沿其重心、前缘、尾缘、弦线上的等比分点或中弧线上的等比分点积叠得到所述渐缩流道跨音速涡轮叶片表面三维型线，所述积叠的积叠线为直线或空间曲线。

9.一种包括权利要求1至8中任一项所述的渐缩流道跨音速涡轮叶片的涡轮，其特征在于，包括：

涡轮转子；以及

若干个所述渐缩流道跨音速涡轮叶片，沿周向均匀分布在所述涡轮转子的轮毂面上。