CN108397237B

CN108397237B - 复合叶尖小翼

Info

Publication number: CN108397237B
Application number: CN201810052579.4A
Authority: CN
Inventors: 夏晨; 黄国平; 张宇; 郝飞; 向鑫
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2018-01-19
Filing date: 2018-01-19
Publication date: 2020-11-10
Anticipated expiration: 2038-01-19
Also published as: CN108397237A

Abstract

本发明提出的时一种复合叶尖小翼，其结构包括在叶片顶端吸力面侧设置叶尖小翼，并在叶顶表面设置若干分流槽；所述叶顶表面包括叶尖小翼和原来叶片的顶部这两个部分。本发明在保留常规叶尖小翼抑制间隙泄漏功能的同时，通过在叶顶表面增加的分流槽形成与叶顶泄漏流流向交叉的流动，减小从压力面侧直接越过叶顶的泄漏流量，同时经由出口角度不同的若干个分流槽将泄漏流拆分为若干股，在通道内形成若干个强度较小的泄漏涡，降低泄漏流与吸力面侧低能流的掺混损失，由此提高叶轮性能。

Description

复合叶尖小翼

技术领域

本发明涉及一种复合叶尖小翼，本发明主要安装于转子叶片的顶端，用于抑制叶顶间隙区内自叶片压力面向叶片吸力面侧的泄漏流，以提高叶轮机械的性能；属于叶轮机械技术领域。

背景技术

叶轮机械是一种重要的机械设备，广泛应用于航空航天航海、能源动力等领域，是航空发动机、燃气轮机、增压器、离心泵等设备的核心部件，其性能制约着设备的总体性能；叶轮机械中转子叶片与其机匣间存在一定的径向间隙，以包容叶轮工作时由离心载荷及热载荷造成的叶片径向拉伸变形量，但同时也造成了从叶片压力面侧向吸力面侧的泄漏，使叶片两侧压差减小，降低了叶轮的做功能力，并且泄漏流与叶片吸力面侧低能流的掺混，又造成明显的掺混损失，上述种种均造成叶轮性能的显著下降；以常规航空涡轮发动机中的轴流涡轮为例，目前由于叶尖泄漏造成的损失占其涡轮级流动损失的1/3以上，间隙尺寸相对叶高每增大1%，涡轮效率下降1.5%，发动机耗油率增大3%，因此寻求合适的间隙泄漏流抑制措施，对提高叶轮机械的性能具有重要的意义，是当前叶轮机械领域的研究热点之一。

研究者针对叶顶间隙泄漏流提出了多种抑制措施，比较常见的有封严篦齿、叶尖小翼、叶顶处理、处理机匣、非定常激励等形式；封严篦齿具有较好地封严效果，但其结构较为复杂、制造成本高，因此在早期的航空发动机中应用的较多；而处理机匣和非定常激励需要庞大的附加设备（附加管路及电源等），封严效果较差且实际应用性不强；叶尖小翼和叶顶处理的结构相对简化，在航空发动机上得到了较多的尝试和应用，但其对泄漏的抑制效果不如篦齿封严有效。

叶尖小翼是一种常见的抑制叶尖泄漏的措施，其主要工作原理是通过增加叶顶间隙区流道的长度，来减小间隙区两侧的驱动压差，增大该处的流阻，从而减小间隙区内的泄漏流量，降低泄漏损失；同时研究者还发现，在叶片吸力面布置叶尖小翼，可将泄漏流推送至更加远离叶片表面的通道中部，从而减少泄漏流与吸力面侧低能流的相互作用，这也能降低流动损失，提高叶轮性能。

叶尖小翼是形状与叶片叶型相似但更为宽大的薄片结构，布置在叶片顶部，目前的技术方案中叶尖小翼在吸力面侧、压力面侧都有布置，也有在吸力面和压力面侧同时布置的；更为宽大的叶片顶部增加了叶顶间隙区流道的长度，这不仅增大了该区域内的流阻，同时降低了间隙流道两侧的压差，即减小了泄漏流的驱动力，以此原理来减小泄漏流量、降低泄漏损失；叶尖小翼宽度的增加可有效减小泄漏流量，但会造成额外的摩擦损失，因此过大的叶尖小翼宽度对叶轮性能的提升没有帮助；在较小的叶尖小翼宽度条件下，简单的流道结构对泄漏损失的抑制效果不是很显著，当前的研究结果表明叶尖小翼大约能提升叶轮效率的幅度不超过1%；但是，叶尖小翼具有简单的构造和较低的成本，特别适用于尺寸功率较小的小型航空发动机、燃气轮机等设备，因此发展一种结构简单可靠、抑制效果明显的叶尖小翼方案，对减少叶尖间隙泄漏、提升叶轮性能是十分有价值的。

发明内容

本发明提出了一种复合叶尖小翼，其目的旨在更好地抑制叶轮机械的叶顶间隙泄漏。

本发明的技术解决方案：一种复合叶尖小翼，其结构包括在叶片顶端吸力面侧设置叶尖小翼，并在叶顶表面设置若干分流槽；所述叶顶表面包括叶尖小翼和原来叶片的顶部这两个部分。

本发明的优点：本发明提出的复合叶尖小翼，在保留常规叶尖小翼抑制间隙泄漏功能的同时，通过在叶顶表面增加的分流槽形成与叶顶泄漏流流向交叉的流动，减小从压力面侧直接越过叶顶的泄漏流量，同时经由出口角度不同的若干个分流槽将泄漏流拆分为若干股，在通道内形成若干个强度较小的泄漏涡，降低泄漏流与吸力面侧低能流的掺混损失，由此提高叶轮性能。

附图说明

附图1 是带分流槽的复合叶尖小翼结构示意图。

附图2是本发明中叶顶表面分流槽开槽位置及走向示意图。

附图3是分流槽***流对常规泄漏流的封堵示意图。

附图4是分流槽***流对间隙区气流的引射卷吸及对常规泄漏流的封堵示意图。

附图5是常规叶尖小翼方案泄漏流动与带分流槽叶尖小翼泄漏流动的对比示意图。

具体实施方式

一种复合叶尖小翼，其结构包括在叶片顶端吸力面侧设置叶尖小翼，并在叶顶表面设置若干分流槽；所述叶顶表面包括叶尖小翼和原来叶片的顶部这两个部分。

所述原来叶片是指叶轮机械中转子叶片。

带分流槽的复合叶尖小翼，能够用于更好地抑制叶轮机械的叶顶间隙泄漏。

所述分流槽为凹槽状。

所述复合叶尖小翼安装在叶轮机械中转子叶片顶端的吸力面侧；所述复合叶尖小翼的宽度为转子叶片高度的3%～8%，复合叶尖小翼的高度为转子叶片高度的2%～5%，在转子叶片弦长15%～80%范围内在叶顶表面布置3～5个分流槽。

所述分流槽的走向与当地叶片中弧线成30°～45°的夹角；当叶轮正常工作时，在分流槽进口处，叶顶压力面侧的高压气体，经由这几个分流槽流到吸力面侧，在分流槽内形成具有一定速度的射流，射流流向与常规泄漏流流向成一定夹角，相当于在产生泄漏流的主要区域内形成了几条封堵带（如附图3）；在叶顶表面无分流槽处，压力面侧高压气体仍在压差驱动下越过叶顶流向吸力面侧，但在中途与分流槽内的射流相遇，该射流对此泄漏流动具有一定的阻碍作用，使这部分泄漏流量减小，由此带来的泄漏损失减小。

所述分流槽的槽深为复合叶尖小翼厚度的50%～80%；叶顶表面分流槽为进口大出口小的流道形状，使分流槽***流在压差驱动下形成加速流动，保证射流在出口处具有较大的动能，能远离叶片吸力面，以减小与吸力面侧低能流的掺混损失；同时，保持分流槽***流具有较高的流速，还能对分流槽外间隙区其他流体形成一定的引射效果，将一部分气流卷入分流槽射流，强化射流强度，对无分流槽处的泄漏流形成更好地封堵效果，降低泄漏损失（如附图4）。

所述若干分流槽中不同分流槽的出口在径向与水平面分别成0°～60°的不同夹角（如附图5中角β1所示，即每个分流槽出口平面与水平面的夹角不同），这样各槽内气流经加速后在出口会形成几股方向不同的射流，分别喷入叶片通道的不同高度位置，由于下游的泄漏流与上游泄漏涡不处于同一径向高度，故上游泄漏涡无法对下游泄漏流形成较强的卷吸作用，所以其增长速度缓慢，最终在叶片通道的不同空间位置处形成几个流量较小且强度较弱的泄漏涡（如附图5），则这些强度较弱的小泄漏涡在主流的强力冲刷下将很快消失，造成的掺混损失也较小，因此叶轮性能得到提升。

根据常规叶尖小翼的研究结果显示，叶顶间隙泄漏流主要发生在叶片弦长15%～80%范围内，叶顶间隙泄漏流与叶片侧的低能流相互掺混会形成较强的泄漏涡流，造成较大的流动损失，在吸力面加装叶尖小翼可将泄漏流推送至通道更中部，减少泄漏流与吸力面侧低能流的掺混损失；同时增加小翼宽度可增大间隙区流阻，有效减小泄漏量，但间隙区的摩擦损失会同时增大，抵消由泄漏流量减小带来的增益；因此，本发明在叶片顶端的吸力面侧加装叶尖小翼，为保证叶尖小翼抑制效果且减小加装叶尖小翼带来的额外摩擦损失，叶尖小翼宽度设定为叶片高度的3%～8%，叶尖小翼高度设定为叶片高度的2%～5%，为有效抑制叶顶间隙泄漏流，在叶片弦长15%～80%范围内在叶顶表面布置3～5个分流槽，利用这些分流槽在叶顶形成与泄漏流流向相交叉的几股强射流，对从压力面泄漏到吸力面的泄漏流进行封堵，减少这部分泄漏流量。

一般来说，正常叶顶泄漏流在叶片两侧的压差驱动下从压力面越过叶顶流到吸力面侧，其流向基本与叶片的中弧线相垂直，本发明在叶顶表面布置的分流槽，为了要利用分流槽内的射流对从压力面泄漏到吸力面侧的泄漏流形成较好地封堵效果，要求分流槽内的流动流向应与正常泄漏流流向交叉，因此该分流槽的走向（即分流槽的中心线）与当地叶片中弧线成30°～45°的夹角（如附图2中角α1所示，即分流槽中心线当地切线与叶片中弧线当地切线的夹角）；当叶轮正常工作时，在分流槽进口处，叶顶压力面侧的高压气体，经由这几个分流槽流到吸力面侧，在分流槽内形成具有一定速度的射流，射流流向与常规泄漏流流向成一定夹角，相当于在产生泄漏流的主要区域内形成了几条封堵带（如附图3）；在叶顶表面无分流槽处，压力面侧高压气体仍在压差驱动下越过叶顶流向吸力面侧，但在中途与分流槽内的射流相遇，该射流对此泄漏流动具有一定的阻碍作用，使这部分泄漏流量减小，由此带来的泄漏损失减小。

本发明中布置在叶顶表面的分流槽，其槽深为小翼厚度的50%~80%，与叶顶间隙高度相当或略大（常规叶轮叶顶间隙约为叶片高度的1%~2%），使得分流槽***流的强度能与常规泄漏流强度相当甚至略大，能够切实起到封堵的效果；由于泄漏流与流入相邻叶片通道后常与叶顶吸力面侧低能流掺混造成损失，已有研究表明将泄漏流推送至通道中部远离叶片表面，可减小这部分掺混损失，因此将叶顶分流槽设计为进口大出口小的流道形状，使分流槽***流在压差驱动下形成加速流动，保证射流在出口处具有较大的动能，能远离叶片吸力面，以减小与吸力面侧低能流的掺混损失；同时，保持分流槽***流具有较高的流速，还能对分流槽外间隙区其他流体形成一定的引射效果，将一部分气流卷入分流槽射流，强化射流强度，对无分流槽处的泄漏流形成更好地封堵效果，降低泄漏损失（如附图4）；槽深为50%~80%的小翼厚度，使槽深与叶顶间隙区高度相当或略大，使得槽内流动具有较大的动能，保证其对常规泄漏流有明显地封堵效果；同时分流槽进口截面大于出口截面，使气流在槽内加速喷出，这可以对槽外间隙区气流形成引射效果，增强这部分流动强度，并能将这部分流体推送至叶片通道更中部，使其远离叶片吸力面表面，减少泄漏流与叶顶吸力面侧低能流的掺混损失。

常规叶尖小翼中，叶顶泄漏流在吸力面侧的流向基本与叶顶平面平行，泄漏流进入主流通道中其轨迹近似为抛物线，并且沿流向各吸力面侧泄漏流基本处于相同的径向高度位置，因此上游形成的泄漏涡不断卷吸下游泄漏流，使泄漏涡强度不断增强，与吸力面侧低能流及主流产生较大的掺混损失；本发明中布置在叶顶表面的几个分流槽，其出口在径向与水平面分别成0°~60°的不同夹角（如附图5中角β1所示，即分流槽出口平面与水平面的夹角），这样各分流槽内气流经加速后在出口会形成几股方向不同的射流，分别喷入叶片通道的不同高度位置，由于下游的泄漏流与上游泄漏涡不处于同一径向高度，故上游泄漏涡无法对下游泄漏流形成较强的卷吸作用，所以其增长速度缓慢，最终在叶片通道的不同空间位置处形成几个流量较小且强度较弱的泄漏涡（如附图5），则这些强度较弱的小泄漏涡在主流的强力冲刷下将很快消失，造成的掺混损失也较小，因此叶轮性能得到提升；分流槽内气流经加速后在出口形成不同方向的几股射流，将原先一大股叶顶间隙泄漏流拆分为空间中的几小股流动，减少泄漏流与叶顶吸力面侧低能流及主流区的掺混损失。

本发明提供了一种用于抑制叶片叶顶间隙区内泄漏流量、提高叶轮机械效率的复合叶尖小翼技术，在叶片顶部吸力面侧布置叶尖小翼，在叶顶表面沿流向布置3～5条分流槽，将压力面侧的高压气体经分流槽引入吸力面侧，同时卷吸间隙区内流体，在吸力面侧出口沿不同角度高速喷出，将大股泄漏流拆分为几小股，并使泄漏流远离叶顶吸力面侧，以减少泄漏流与吸力面附近低能流的掺混损失，提高叶轮效率。

Claims

1.一种复合叶尖小翼，其特征是所述复合叶尖小翼安装在叶轮机械中转子叶片顶端的吸力面侧，并在叶顶表面设置若干分流槽；所述叶顶表面包括叶尖小翼和原来的叶片顶端这两个部分；

所述分流槽为凹槽状；

所述复合叶尖小翼的宽度为转子叶片高度的3%～8%，复合叶尖小翼的高度为转子叶片高度的2%～5%，在转子叶片弦长15%～80%范围内在叶顶表面布置3～5个分流槽；

所述分流槽的走向与当地转子叶片中弧线成30°～45°的夹角；当叶轮正常工作时，在分流槽进口处，叶顶压力面侧的高压气体，经由分流槽流到吸力面侧，在分流槽内形成具有一定速度的射流，射流流向与常规泄漏流流向成一定夹角，相当于在产生泄漏流的主要区域内形成了几条封堵带；在叶顶表面无分流槽处，压力面侧高压气体仍在压差驱动下越过叶顶流向吸力面侧，但在中途与分流槽内的射流相遇，该射流对此泄漏流动具有一定的阻碍作用，使这部分泄漏流量减小，由此带来的泄漏损失减小；

所述分流槽的槽深为复合叶尖小翼厚度的50%～80%；分流槽为进口大出口小的流道形状，使分流槽***流在压差驱动下形成加速流动，保证射流在出口处具有较大的动能，能远离叶片吸力面，以减小与吸力面侧低能流的掺混损失；同时，保持分流槽***流具有较高的流速，还能对分流槽外间隙区其他流体形成一定的引射效果，将一部分气流卷入分流槽射流，强化射流强度，对无分流槽处的泄漏流形成更好地封堵效果，降低泄漏损失；

所述若干分流槽中不同分流槽的出口在径向与水平面分别成0°～60°的不同夹角，这样各分流槽内气流经加速后在出口会形成几股方向不同的射流，分别喷入叶片通道的不同高度位置，由于下游的泄漏流与上游泄漏涡不处于同一径向高度，故上游泄漏涡无法对下游泄漏流形成卷吸作用，所以其增长速度缓慢，最终在叶片通道的不同空间位置处形成几个流量较小且强度较弱的泄漏涡，则这些强度较弱的小泄漏涡在主流的强力冲刷下将很快消失，造成的掺混损失也较小，因此叶轮性能得到提升。