CN203939528U - 一种提高燃气轮机气动性能的带叶顶叶栅结构的转子叶片 - Google Patents

Abstract

一种提高燃气轮机气动性能的带叶顶叶栅结构的转子叶片，其目的是为了适应高性能叶轮机械发展的要求，通过对叶轮机械的转子叶片顶部几何结构进行处理，提高转子叶片的气动性能和稳定工作范围，最终提高叶轮机械的工作效率和稳定裕度。具体是通过在叶片顶端结构进行外形叶栅化，从而减小转子通道内的流动损失，提出一种既降低叶轮损失、改善其气动性能，又不会给结构设计和加工带来难度的叶顶叶栅结构。该转子叶片结构包括装配凸台，装配凸台的上面设有转子叶片；下面设有榫头。上述转子叶片的叶顶上设有叶顶叶栅，叶顶叶栅由至少三个叶片分布而成。上述榫头的底部加工有固定销槽。本实用新型的叶顶叶栅结构效果明显且利于加工，与现有叶轮机械有很好的融合性，具有良好的应用前景。

Description

一种提高燃气轮机气动性能的带叶顶叶栅结构的转子叶片

技术领域

本实用新型涉及一种转子叶片顶部叶栅结构，确切地说是一种提高燃气轮机气动性能的带叶顶叶栅结构的转子叶片。主要应用于航空燃气轮机、地面燃气轮机和舰用的燃气轮机推进器等。属于燃气轮机设计、制造和应用领域。

背景技术

随着现代工业的发展，对燃气轮机发动机的性能要求越来越高，人们一直努力追求获得高压比、高效率、有适当喘振裕度以及尽可能少级数的叶轮。对民用航空而言，高效率的叶轮机械不但意味着发动机优良的工作性能，而且其更大的意义在于因此实现的低耗油率和更高的经济性。通俗的讲就是，以最少的代价，获得最高的产出。对航空、航海领域，其积极效果也非常可观，因为携带相同的油量可获得更大的航程。基于这样的认识，应对叶轮流道内真实流动的结构和机理进行深入的研究，并探索降低损失、改善流动特性和提高效率的新思想、新概念。

叶轮的气动效率是衡量燃气轮机发动机性能的重要参数，叶轮气动效率的高低取决于气流流过叶轮通道的能量损失的大小，也就是说与流通部分的效率密切相关。所以，减小叶轮机械通道内的能量损失，是提高其机械效率的重要途径。区别于飞机和其他飞行器，叶轮机械的内部流动损失的影响因素更为复杂。由于粘性、复杂几何条件以及壁面相互作用引起的各种形式的二次流带来的损失占相当大的比例，约为总流动损失的30％～50％。具体地表现为通道涡、泄漏涡、角隅涡和刮削涡等各种涡系。而且由根据实际测试数据，由流动损失带来的效率降低，每降低1％，耗油率约增加2％。更为严重地，泄漏流动诱发产生的失速前兆可导致叶轮机械的失稳，甚至是喘振。所以合理利用和控制其叶轮通道中的二次流的产生和发展，才有可能降低其流动损失，或扩大其稳定裕度。多年来，国内外比较主流的控制方法，大致可归纳为以下几大类，改变流通部分几何尺寸、改善做功量分布、可控涡设计技术以及附面层控制法、机匣处理、端弯和端削技术等，另外还有控制机匣或转子的热膨胀量的主动间隙控制技术。

公告号CN203584472U的实用新型专利公开了一种应用在涡轮叶尖的结构，通过在涡轮叶尖靠近压力面和吸力面的位置布置侧肋条，减小热负荷的同时减小了叶尖泄漏流流量，进而减小了涡轮叶片的气动损失。但是另一方面，流体涡在叶尖凹槽内的形成与发展，也会带来其他的附加流动损失，导致对流道内的总体损失的控制的能力比较有限。

公告号CN202914391U的实用新型专利公开了一种应用在航空发动机风扇或压气机叶顶间隙的机匣结构，通过对机匣内侧壁加工出具有一定深度和宽度的阶梯周向槽，提高压气机稳定工作裕度的同时，提高了压气机的性能。但是在机匣上的处理手段，对于机匣的大尺寸薄壁加工提出了更高要求。

发明内容

本实用新型的目的是为了适应高性能叶轮机械发展的要求，针对这一类叶轮发动机的工作叶片，通过对叶轮机械的转子叶片顶部几何结构的处理，提高转子叶片的气动效率和稳定工作范围，最终提高叶轮机械的工作效率和稳定裕度。具体是通过在叶片顶端结构进行外形叶栅化，从而减小转子通道内的流动损失，提出一种既降低叶轮损失、改善其气动性能，又不会给结构设计和加工带来难度的叶顶叶栅结构。

为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：一种提高燃气轮机气动性能的带叶顶叶栅结构的转子叶片，该转子叶片结构包括装配凸台(5)，装配凸台(5)的上面设有转子叶片(4)；下面设有榫头(6)。上述转子叶片(4)的叶顶(3)上设有叶顶叶栅(1)，叶顶叶栅(1)由至少三个叶片(2)分布而成。上述榫头(6)的底部加工有固定销槽(7)。

本实用新型中所述的叶顶叶栅结构中的叶栅不同于传统意义上的叶栅。该叶栅的定义为，由至少三个叶片按各自安装角，按一定局部位置组成的分布式叶片组合，可以理解为一种广义上的“叶栅”结构。其特征为各个叶片的叶型不限定一致、各个叶片的安装角不限定一致、叶片间距不限定一致。需要强调的是，无论选择哪种叶型组成的叶顶叶栅，甚至是由多个弯曲导流板组成的几何结构也涵盖于上述的广义叶栅结构中。

本实用新型基于利用叶顶叶栅控制叶顶间隙泄漏流，减小转子叶片通道内的流动损失，在所述转子叶片的顶端加工出由若干叶片组成的叶顶叶栅。根据不同叶轮机械实际需求和不同转子叶片所处的不同流场环境，其叶型的几何参数如中弧线、弦长、最大挠度、前缘角、叶型弯角等参数需要按实际情况选择和优化。

叶顶叶栅的叶片数量、分布范围和叶片叶距、几何安装角等参数需要按下述要求设计：

所述转子叶片，其叶顶叶栅分布范围为弦长的3％～85％；

所述转子叶片，其叶顶叶栅的叶距为弦长的0.1～0.4倍；

所述转子叶片，其叶顶叶栅的叶片几何安装角是基于来流的流向坐标投影方向的夹角，保持在5～85°的范围；

所述转子叶片，其叶顶叶栅的叶高尺寸即转子叶片顶部需要加工的深度保持在0.5～2倍特征尺寸，即转子叶片与机匣内壁的间隙尺寸；

所述转子叶片，其叶顶“叶栅”的各个壁面的型面如弯扭程度或底面的倾斜角度以及壁脚处的倒圆半径等参数需要按实际情况设计和优化。

本实用新型的结构区别于目前已经应用的一些为减小叶轮机械损失的结构，如对叶轮机械的转子叶片顶端加工泄压槽和射流槽等。

本实用新型的积极效果是：削弱了转子叶片叶顶泄漏涡的强度，同时减少泄漏涡卷吸更多的吸力面低能流体；另一方面对通道内其他涡系也有一定的抑制发展作用，最终获得更好的叶轮机械流场特性。达到上述积极效果的同时，不需要重新设计复杂且难于加工的转子叶片型面或其他附加机构，不需要像机匣处理方法进行大尺寸高精度薄壁加工，也不需要对现有叶轮机械做出重大技术调整。综上所述的叶顶叶栅结构作用效果明显且利于加工，跟现有叶轮机械有很好的融合性，该实用新型有良好的应用前景和广阔的市场前景。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图中：1为叶顶叶栅、2为叶片、3为叶顶、4为转子叶片、5为装配凸台、6为燕尾形榫头、7为固定销槽；

图2为本实用新型平凸叶型叶顶叶栅结构示意图，实施例1；

图3为本实用新型凹凸叶型叶顶叶栅结构示意图，实施例2；

图4为本实用新型双凸叶型叶顶叶栅结构示意图，实施例3；

图5为本实用新型对称叶型叶顶叶栅结构示意图，实施例4；

图6为本实用新型S形叶型叶顶叶栅结构示意图，实施例5；

图7为本实用新型弯板形叶型叶顶叶栅结构示意图，实施例6；

图8为某叶轮机械转子部件示意图；

图9为图8的A部放大示意图；

图中：8为机匣内壁、9为叶顶间隙；

图10为图9的B部放大示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例1

参照图1和图2，一种提高燃气轮机气动性能的带叶顶叶栅结构的转子叶片，该转子叶片结构包括装配凸台5，装配凸台5的上面设有转子叶片4；下面设有榫头6。上述转子叶片4的叶顶3上设有叶顶叶栅1，叶顶叶栅1由至少三个叶片2分布而成。上述榫头6的底部加工有固定销槽7。

本实施例针对叶轮机械中一级转子叶片(NACA64叶型)叶顶几何形状重新设计，其叶顶叶栅采用平凸叶型。再用数值模拟的方法验证其作用效果。

本实施例的具体实施过程如下：

步骤1，根据原始叶型数据、几何参数和气动参数给出原始转子叶片形状；

步骤2，在步骤1的基础上，构建用于数值仿真的转子叶片三维计算模型；

步骤3，在步骤2的基础上，对计算模型进行三维CFD数值计算并对结果加以分析处理，得到未经本实用新型发明处理的基准态的该转子叶片流场环境以及沿X坐标方向的多个截面的总压损失系数值；

步骤4，针对步骤3得到的基准态的该转子叶片流场环境，运用本实用新型对原始的转子叶片顶端加以处理，同步骤1的方法，得到优化后的新转子叶片形态；

步骤5，同步骤2的方法，得到用于数值仿真的新转子叶片三维计算模型；

步骤6，同步骤3的方法，得到经本实用新型处理的新转子叶片流场以及沿X坐标方向的多个截面的总压损失系数值；

步骤7，综合对比分析步骤3和步骤6的结果，验证经本技术发明处理的新转子叶片的性能优于未经本技术发明处理的基准态的转子叶片。反之若未能优于上述基准态的转子叶片，则继续步骤4-步骤6，优化后再进行步骤7，直到步骤6得到的总压损失系数小于步骤3中的结果。

数值模拟结果表明，经本实用新型的叶顶叶栅结构降低了叶顶泄漏涡的强度，同时减少泄漏涡卷吸更多的吸力面的低能流体，致使总压损失降低，最终气动性能得到改善。

实施例2

参照图3，本实施例针对叶轮机械中一级转子叶片(NACA64叶型)叶顶几何形状重新设计，其叶顶叶栅采用凹凸叶型。方法和步骤同实施例1。

实施例3

参照图4，本实施例针对叶轮机械中一级转子叶片(NACA64叶型)叶顶几何形状重新设计，其叶顶叶栅采用双凸叶型。方法和步骤同实施例1。

实施例4

参照图5，本实施例针对叶轮机械中一级转子叶片(NACA64叶型)叶顶几何形状重新设计，其叶顶叶栅采用对称叶型。方法和步骤同实施例1。

实施例5

参照图6，本实施例针对叶轮机械中一级转子叶片(NACA64叶型)叶顶几何形状重新设计，其叶顶叶栅采用S形叶型。方法和步骤同实施例1。

实施例6

参照图7，本实施例针对叶轮机械中一级转子叶片(NACA64叶型)叶顶几何形状重新设计，其叶顶叶栅采用弯板形叶型。方法和步骤同实施例1。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以补充阐释本实用新型在实施过程中的具体方案而非限制。尽管参照实施例对本发明创造进行了详细说明，本领域的广大技术人员应当理解，对本发明创造的技术方案进行修改或者同等替换，都不脱离本实用新型结构的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种提高燃气轮机气动性能的带叶顶叶栅结构的转子叶片，该转子叶片结构包括装配凸台(5)，装配凸台(5)的上面设有转子叶片(4)；下面设有榫头(6)，上述榫头(6)的底部加工有固定销槽(7)，其特征在于：上述转子叶片(4)的叶顶(3)上设有叶顶叶栅(1)。

2.如权利要求1所述的一种提高燃气轮机气动性能的带叶顶叶栅结构的转子叶片，其特征在于：叶顶叶栅(1)由至少三个叶片(2)分布而成。

3.如权利要求1所述的一种提高燃气轮机气动性能的带叶顶叶栅结构的转子叶片，其特征在于：

所述转子叶片，其叶顶叶栅分布范围为弦长的3％～85％。

4.如权利要求1所述的一种提高燃气轮机气动性能的带叶顶叶栅结构的转子叶片，其特征在于：

所述转子叶片，其叶顶叶栅的叶距为弦长的0.1～0.4倍。

5.如权利要求1所述的一种提高燃气轮机气动性能的带叶顶叶栅结构的转子叶片，其特征在于：

所述转子叶片，其叶顶叶栅的叶片几何安装角是基于来流的流向坐标投影方向的夹角，保持在5～85°的范围。

6.如权利要求1所述的一种提高燃气轮机气动性能的带叶顶叶栅结构的转子叶片，其特征在于：

所述转子叶片，其叶顶叶栅的叶高尺寸，即转子叶片顶部需要加工的深度保持在0.5～2倍特征尺寸，即转子叶片与机匣内壁的间隙尺寸。