CN112610283A - 一种采用端壁分区造型设计的涡轮叶栅 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种采用端壁分区造型设计的涡轮叶栅，包括：端壁及多个叶片。端壁与叶片压力面之间设有压力侧凸起；压力侧凸起的各个轴向截面顶点均位于压力侧顶点线上。端壁与叶片吸力面之间设有吸力侧凸起，吸力侧凸起的各个轴向截面顶点均位于吸力侧顶点线上。本申请提供的涡轮叶栅，根据二次流发展机理以及吸力侧与压力侧的不同流场特征，对叶栅流道端壁进行针对性分区域造型处理设置压力侧凸起及吸力侧凸起，压力侧凸改变了压力面角区展向静压梯度分布，有效地降低了马蹄涡强度；吸力侧凸起增强吸力面角区的流场稳定性，且能够提高叶片尾缘吸力面角区展向静压梯度、抑制壁角涡与低能流体堆积，有效地减少了二次流损失。

Description

一种采用端壁分区造型设计的涡轮叶栅
技术领域
本申请涉及机械技术领域，尤其涉及一种采用端壁分区造型设计的涡轮叶栅。
背景技术
涡轮是一种将流动工质的能量转换为机械功的旋转式动力机械，涡轮在旋转过程中，在近涡轮的叶片顶部和根部区域的端壁边界层内流体流动速度较低，气流从吸力面到压力面的离心力作用不足以抵消压力面与吸力面间的横向压力梯度，于是在这两处的边界层中就形成了气流由压力面到吸力面的二次流动。为实现涡轮性能的提高，需要降低该二次流的产生，并且降低因二次流产生而损失的能量。
发明内容
本申请的目的是提供一种能够抑制马蹄涡的产生，且能够降低伴随该马蹄涡的二次流动损失的涡轮叶栅。
为了实现上述至少之一的目的，本申请提供了一种采用端壁分区造型设计的涡轮叶栅，包括：端壁及沿所述端壁周向设置的多个叶片，相邻所述叶片之间形成风道，所述风道包括进风口和出风口；其中，所述端壁与所述叶片的压力面之间设置有压力侧凸起；所述压力侧凸起的压力侧顶点位于所述压力面上；所述压力侧凸起与所述叶片的相交线为压力侧顶点线，在所述压力侧凸起以所述端壁的轴线为法线的各个截面上，所述压力侧凸起的各个截面顶点均位于所述压力侧顶点线上；所述压力侧顶点与所述叶片的前缘点的连线在所述叶片的轴向弦线上的投影长度为所述轴向弦线长度的5％～20％；在所述端壁的径向上，所述压力侧凸起的截面积从所述压力侧凸起的底端向所述压力侧顶点逐渐减小。
在其中的一些实施例中，所述压力侧凸起邻近所述进风口的第一斜面的坡度大于所述压力侧凸起邻近所述出风口的斜面的坡度。
在其中的一些实施例中，所述第一斜面的坡度为1:1～5:1。
在其中的一些实施例中，所述第二斜面的坡度小于1:5。
在其中的一些实施例中，所述第一斜面位于所述涡轮叶栅的额线与所述压力侧顶点之间。
在其中的一些实施例中，所述端壁与所述叶片的吸力面之间设置有吸力侧凸起；所述吸力侧凸起的吸力侧顶点位于所述吸力面上；所述吸力侧凸起与所述叶片的相交线为吸力侧顶点线，在所述吸力侧凸起以所述端壁的轴线为法线的各个截面上，所述吸力侧凸起的各个截面顶点均位于所述吸力侧顶点线上；所述吸力侧顶点与所述叶片的前缘点的连线在所述叶片的轴向弦线上的投影长度为所述轴向弦线长度的80％～95％，在所述端壁的径向上，所述吸力侧凸起的截面积从所述吸力侧凸起的底端向所述吸力侧顶点逐渐减小。
在其中的一些实施例中，所述吸力侧凸起邻近所述进风口的第三斜面的坡度小于所述吸力侧凸起邻近所述出风口的第四斜面的坡度。
在其中的一些实施例中，所述第三斜面的坡度小于1:5。
在其中的一些实施例中，所述第四斜面的坡度为1:5～1:1
在其中的一些实施例中，所述第三斜面在所述端壁的轴向上的长度为所述轴向弦线长度的15％～30％。
本申请的上述技术方案具有如下优点：压力侧凸起提高了叶片前缘附近压力面角区展向静压梯度，从而改变压力面角区展向静压梯度分布，抑制边界层外主流的“下洗”运动，进而起到削弱马蹄涡的作用，即减少了二次流中马蹄涡的强度，有效地降低了因马蹄涡而损失的机械能量，有效地提高了涡轮叶栅的整机工作效率。
附图说明
本申请的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，另外，本申请附图仅为说明目的提供，图中各部件的比例与数量不一定与实际产品一致。其中：
图1a是本申请所述涡轮静子的结构示意图；
图1b是本申请所述涡轮转子的结构示意图；
图2是图1b中所示多个叶片第一种实施例的局部结构示意图；
图3是图2所述涡轮叶栅的局部结构示意图；
图4是图1b中所示多个叶片第二种实施例的局部结构示意图；
图5是图4所述涡轮叶栅的局部结构示意图。
其中，图1a至图5的附图标记与部件名称之间的对应关系为：
端壁10，静子机匣内环21，静子机匣外环22，转子轮毂23，叶片30，压力面31，吸力面32，风道40，压力侧凸起50，第一斜面51，第二斜面52，吸力侧凸起60，第三斜面61，第四斜面62，压力侧顶点线70，吸力侧顶点线80，涡轮叶栅100。
其中，图中的箭头表示流体的流动方向。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
下述讨论提供了本申请的多个实施例。虽然每个实施例代表了申请的单一组合，但是本申请不同实施例可以替换，或者合并组合，因此本申请也可认为包含所记载的相同和/或不同实施例的所有可能组合。因而，如果一个实施例包含A、B、C，另一个实施例包含B和D的组合，那么本申请也应视为包括含有A、B、C、D的一个或多个所有其他可能的组合的实施例，尽管该实施例可能并未在以下内容中有明确的文字记载。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1a和图1b所示，涡轮叶栅有两种结构，一种为涡轮静子叶栅(如图1a所示)，一种涡轮转子叶栅(如图1b所示)，端壁10为与叶片30连接的壁面。如图1a所示，涡轮静子包括多个叶片30、静子机匣内环21以及静子机匣外环22，多个叶片30设置在静子机匣内环21与静子机匣外环22之间，端壁10指的是静子机匣内环21及静子机匣外环22与叶片30连接的面，涡轮静子包括两个端壁10。如图1b所示，涡轮转子包括多个叶片30以及转子轮毂23，多个叶片30设置在转子轮毂23上，端壁10指的是转子轮毂23与叶片30连接的面，涡轮转子包括一个端壁10。
如图1a至图2所示，本申请提供的采用端壁分区造型设计的涡轮叶栅包括：端壁10(即静子机匣内环21、静子机匣外环22或转子轮毂23)及叶片30。
多个叶片30沿端壁10的周向设置，相邻叶片30之间形成风道40，风道40包括进风口和出风口。
端壁10与叶片30的压力面31之间设置有压力侧凸起50。压力侧凸起50与端壁为一体铸造成型。
压力侧凸起50的压力侧顶点位于压力面31上。
如图3所示，压力侧凸起50与叶片30的相交线为压力侧顶点线70(图中加粗线条)，在压力侧凸起50以端壁10的轴线为法线的各个截面上，压力侧凸起50的各个截面顶点均位于压力侧顶点线70上。
压力侧顶点与叶片30的前缘点的连线在叶片30的轴向弦线上的投影长度D1为轴向弦线长度D0的5％～20％。叶片30上沿该表面球流压力逐渐增高的面为压力面31，叶片30上沿这该表面气流压力较低的面为吸力面32。叶片30的前缘为叶片30的进风侧的边缘。
在端壁10的径向上，压力侧凸起50的截面积从压力侧凸起50的底端向压力侧顶点逐渐减小。压力侧凸起50为类似圆锥形的凸点。
本申请提供的涡轮叶栅，压力侧凸起50提高了叶片30前缘附近压力面31角区展向静压梯度，从而改变压力面31角区展向静压梯度分布，抑制边界层外主流的“下洗”运动，进而起到削弱马蹄涡的作用，能够抑制强角涡的产生，即减少了二次流中马蹄涡的强度，有效地降低了因马蹄涡而损失的机械能量，有效地提高了涡轮叶栅的整机工作效率。
如图3所示，在本申请的一个实施例中，压力侧凸起50邻近进风口的第一斜面51的坡度大于压力侧凸起50邻近出风口的第二斜面52的坡度。在本申请的一个具体实施例中，第一斜面51的坡度为1:1～5:1。第一斜面51在端壁10径向上的高度为H1，第一斜面51在端壁10轴向上的长度为L1，H1:L1＝1:1～5:1。在本申请的一个具体实施例中，第二斜面52的坡度小于1:5。第二斜面52在端壁10径向上的高度为H2，第二斜面52在端壁10轴向上的长度为L2，H2:L2＜1:1～5:1。
第一斜面51(迎风面)具有较高的坡度，进一步改变压力面31角区展向静压梯度分布，进一步起到了削弱马蹄涡的作用，能够进一步抑制强角涡的产生，即进一步减少了二次流中马蹄涡的强度，有效地降低了因马蹄涡而损失的机械能量，有效地提高了涡轮叶栅的整机工作效率。第二斜面52的坡度较小，使经过第二斜面52的风变的平缓，抑制壁角涡与低能流体堆积，有效地降低了因马蹄涡而损失的机械能量，有效地提高了涡轮叶栅的整机工作效率。
如图2所示，在本申请的一个实施例中，第一斜面51位于涡轮叶栅100的额线与第一顶点之间。第一斜面51的位于风道40内，且并未超过叶片30的额线，使压力侧凸起50能够充分改变压力面31角区展向静压梯度分布，削弱马蹄涡的作用，能够抑制强角涡的产生，有效地降低了因马蹄涡而损失的机械能量，从而有效地提高了涡轮叶栅的整机工作效率。额线为连接涡轮叶栅100中各叶片30进气边对应点的线。
如图4所示，在本申请的一个实施例中，端壁10与叶片30的吸力面32之间设置有吸力侧凸起60。
吸力侧凸起60的吸力侧顶点位于叶片30的吸力面32上。
吸力侧凸起60与叶片30的相交线为吸力侧顶点线80，在吸力侧凸起60以端壁10的轴线为法线的各个截面上，吸力侧凸起60的各个截面顶点均位于吸力侧顶点线80上。
吸力侧顶点与叶片30的前缘点的连线在叶片30的轴向弦线上的投影长度D2为轴向弦线长度D0的80％～95％。
在端壁10的径向上，吸力侧凸起60的截面积从吸力侧凸起60的底端向吸力侧顶点逐渐减小。吸力侧凸起60为类似圆锥形的凸点。
吸力侧凸起60的迎风面会在吸力面32角区构建局部收缩流道、提高顺压梯度，从而能够提高吸力面32角区流体的流向动量、增强吸力面32角区的流场稳定性，进而抑制二次流动的发展。
吸力侧凸起60的背风面，会在吸力面32角区构建局部扩张流道、沿流向提高吸力面32根部静压；从而能够提高尾缘吸力面32角区展向静压梯度、抑制壁角涡与低能流体堆积，进而有效地降低了因二次流而损失的机械能量，有效地提高了涡轮叶栅的整机工作效率。
如图5所示，在本申请的一个实施例中，吸力侧凸起60邻近进风口的第三斜面61的坡度小于吸力侧凸起60邻近出风口的第四斜面62的坡度。第一斜面51的坡度大于第四斜面62的坡度。在本申请的一个具体实施例中，第三斜面61的坡度小于1:5。第三斜面61在端壁10径向上的高度为H3，第三斜面61在端壁10轴向上的长度为L3，H3:L3＜1:5。在本申请的一个具体实施例中，第四斜面62的坡度为1:5～1:1。第四斜面62在端壁10径向上的高度为H4，第四斜面62在端壁10轴向上的长度为L4，H4:L4＝1:5～1:1。
第三斜面61(迎风面)较小的坡度，会充分在吸力面32角区构建局部收缩流道、提高顺压梯度，从而能够进一步提高吸力面32角区流体的流向动量、增强吸力面32角区的流场稳定性，进而进一步抑制二次流动的发展。
第四斜面62(背风面)中等的坡度，会在有效地吸力面32角区构建局部扩张流道、沿流向提高吸力面32根部静压；从而能够提高尾缘吸力面32角区展向静压梯度、抑制壁角涡与低能流体堆积，进而有效地降低了因马蹄涡而损失的机械能量，有效地提高了涡轮叶栅的整机工作效率。
如图4和图5所述，在本申请的一个实施例中，第三斜面61在端壁10轴向上的长度L3为轴向弦线长度D0的15％～30％。
第三斜面61的上述参数，充分保证了第三斜面61在吸力面32角区构建局部收缩流道、提高顺压梯度，从而能够进一步提高吸力面32角区流体的流向动量、增强吸力面32角区的流场稳定性，进而进一步抑制二次流动的发展。
在本申请的一个实施例中，在端壁的周向上，压力侧凸起与端壁连接处的宽度为风道宽度的10％～50％。同理，在端壁的周向上，吸力侧凸起与端壁连接处的宽度为风道宽度的10％～50％。
本申请提供的涡轮叶栅，根据涡轮叶栅二次流发展机理以及流道吸力侧与压力侧的不同流场特征，对涡轮叶栅流道端壁进行针对性分区域造型处理，在多个叶片的压力侧设置有压力凸起，在多个叶片的吸力侧设置有吸力凸起。压力侧凸起提高了叶片前缘附近压力面角区展向静压梯度，改变压力面角区展向静压梯度分布、削弱马蹄涡强度。吸力侧凸起的迎风面会在吸力面角区构建局部收缩流道、提高顺压梯度，能够提高吸力面角区流体的流向动量、增强吸力面角区的流场稳定性，抑制二次流动的发展。吸力侧凸起的背风面，会在吸力面角区构建局部扩张流道、沿流向提高吸力面根部静压；从而能够提高尾缘吸力面角区展向静压梯度、抑制壁角涡与低能流体堆积。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。在本申请中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。在本申请中，术语“第一”、“第二”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种采用端壁分区造型设计的涡轮叶栅，其特征在于，包括：端壁及沿所述端壁周向设置的多个叶片，相邻所述叶片之间形成风道，所述风道包括进风口和出风口；
其中，所述端壁与所述叶片的压力面之间设置有压力侧凸起；所述压力侧凸起的压力侧顶点位于所述压力面上；所述压力侧凸起与所述叶片的相交线为压力侧顶点线，在所述压力侧凸起以所述端壁的轴线为法线的各个截面上，所述压力侧凸起的各个截面顶点均位于所述压力侧顶点线上；所述压力侧顶点与所述叶片的前缘点的连线在所述叶片的轴向弦线上的投影长度为所述轴向弦线长度的5％～20％；在所述端壁的径向上，所述压力侧凸起的截面积从所述压力侧凸起的底端向所述压力侧顶点逐渐减小。
2.根据权利要求1所述的涡轮叶栅，其特征在于，
所述压力侧凸起邻近所述进风口的第一斜面的坡度大于所述压力侧凸起邻近所述出风口的第二斜面的坡度。
3.根据权利要求2所述的涡轮叶栅，其特征在于，
所述第一斜面的坡度为1:1～5:1。
4.根据权利要求2所述的涡轮叶栅，其特征在于，
所述第二斜面的坡度小于1:5。
5.根据权利要求2所述的涡轮叶栅，其特征在于，
所述第一斜面位于所述涡轮叶栅的额线与所述压力侧顶点之间。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的涡轮叶栅，其特征在于，
所述端壁与所述叶片的吸力面之间设置有吸力侧凸起；所述吸力侧凸起的吸力侧顶点位于所述叶片的吸力面上；所述吸力侧凸起与所述叶片的相交线为吸力侧顶点线，在所述吸力侧凸起以所述端壁的轴线为法线的各个截面上，所述吸力侧凸起的各个截面顶点均位于所述吸力侧顶点线上；所述吸力侧顶点与所述叶片的前缘点的连线在所述叶片的轴向弦线上的投影长度为所述轴向弦线长度的80％～95％，在所述端壁的径向上，所述吸力侧凸起的截面积从所述吸力侧凸起的底端向所述吸力侧顶点逐渐减小。
7.根据权利要求6所述的涡轮叶栅，其特征在于，
所述吸力侧凸起邻近所述进风口的第三斜面的坡度小于所述吸力侧凸起邻近所述出风口的第四斜面的坡度。
8.根据权利要求7所述的涡轮叶栅，其特征在于，
所述第三斜面的坡度小于1:5。
9.根据权利要求7所述的涡轮叶栅，其特征在于，
所述第四斜面的坡度为1:5～1:1。
10.根据权利要求7所述的涡轮叶栅，其特征在于，
所述第三斜面在所述端壁的轴向上的长度为所述轴向弦线长度的15％～30％。
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