新型渦輪葉柵端壁的溝槽減損結(jié)構(gòu)和方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種新型渦輪葉柵端壁的溝槽減損結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)設(shè)置在渦輪葉柵端壁上，用以減少二次流損失。其中，渦輪葉柵端壁，位于以環(huán)狀排列的多個渦輪葉片的輪轂側(cè)。本發(fā)明還提供相應(yīng)的方法。所述新型渦輪葉柵端壁的溝槽減損結(jié)構(gòu)，設(shè)置在渦輪葉柵端壁上，通過激光加工方法與渦輪葉柵端壁連接。本發(fā)明能夠阻礙端部流體的橫向運動，減小橫向壓力梯度，從而減小馬蹄渦壓力側(cè)分支及通道渦的強度，達到減少二次流損失的目的。
【專利說明】新型渦輪葉柵端壁的溝槽減損結(jié)構(gòu)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃氣渦輪發(fā)動機，具體地，涉及新型渦輪葉柵端壁的溝槽減損結(jié)構(gòu)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]燃氣渦輪發(fā)動機主要由進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪、噴管等部分構(gòu)成?？諝庥蛇M氣道進入燃氣輪機后，首先由壓氣機加壓成高壓氣體，接著由噴油嘴噴出燃油與空氣混合后在燃燒室燃燒成為高溫高壓燃氣，然后進入渦輪段推動渦輪，將燃氣動能轉(zhuǎn)換成機械能輸出。
[0003]其中渦輪是一種將流動工質(zhì)的運動能量轉(zhuǎn)換為機械功的旋轉(zhuǎn)式動力機械，它是燃氣渦輪發(fā)動機的主要部件之一。當(dāng)氣體流經(jīng)渦輪葉柵通道時，沿著通道的橫向存在壓力梯度。對于端部附面層外的主流，此壓力梯度與主流在彎曲通道中產(chǎn)生的離心力平衡，不會引起主流的橫向運動；對于端壁附面層內(nèi)的流體，由于動能較小不能平衡橫向壓差，從而產(chǎn)生區(qū)別于主流的橫向流動，通常稱這種端部的橫向流動為二次流。通過多年研究，多種對二次流實際結(jié)構(gòu)進行完整描述的旋渦模型被提出，其中包括馬蹄渦、通道渦等主要的渦結(jié)構(gòu)。馬蹄渦是由進口附面層在葉片前緣滯止點分離形成的，馬蹄渦壓力側(cè)分支與相鄰葉片馬蹄渦吸力側(cè)分支一起進入流道，在橫向壓力梯度的作用下壓力側(cè)分支與端壁附面層形成通道渦，吸力側(cè)分支則形成與通道渦轉(zhuǎn)向相反的反向渦。由二次流引起的多種漩渦結(jié)構(gòu)造成的能量損失稱為二次流損失。
[0004]隨著現(xiàn)代渦輪向著高負荷方向發(fā)展，葉柵內(nèi)二次流的效應(yīng)也隨之加增，其引起的二次流損失在總損失中所占比重達到了 30% -50%，因此研究新的減小二次流損失的措施、提出有效地降低二次流損失的方案在工程實踐中具有重要意義。
[0005]目前，控制和減小二次流損失的方法有端壁成型、前緣修型、端壁翼刀等。
[0006]端壁成型的主要思想為通過改變端壁曲率以減小吸力面與壓力面之問的橫向壓力梯度。圖1所示的端壁在葉片前緣附近壓力側(cè)是凸起的，吸力側(cè)是凹下的。該非對稱端壁減小了端壁表面的橫向壓力梯度，從而減小了二次流損失。
[0007]渦輪葉柵端部區(qū)域的流動性能極大地影響著葉輪機械的性能，為改善這部分區(qū)域的流動特性，發(fā)展出了修形技術(shù)，即在原葉型的基礎(chǔ)上修改葉片端部區(qū)域內(nèi)的幾何形狀。圖2所示的葉片前緣泡加強了馬蹄渦吸力面分支，該渦的反向旋轉(zhuǎn)使得通道渦變形并遠離吸力面，達到減小二次流損失的目的。
[0008]端壁翼刀是指在端壁上安裝隔片來抑制二次流發(fā)展的技術(shù)。圖3所示的端壁翼刀安裝在兩葉片之間，抑制了馬蹄渦壓力面分支和通道渦的合并，減小了二次流損失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種新型減少二次流損失的結(jié)構(gòu)，以解決現(xiàn)有應(yīng)用中由于葉柵通道中的橫向壓力梯度而引起的二次流及二次流損失的技術(shù)問題，從而達到渦輪整體性能提高的目的。
[0010]根據(jù)本發(fā)明提供的一種新型渦輪葉柵端壁的溝槽減損結(jié)構(gòu)，包括葉柵端壁，其中，沿流線方向在葉柵端壁的表面上依次設(shè)置有多個溝槽結(jié)構(gòu)，用以減少二次流損失，其中，溝槽結(jié)構(gòu)的參數(shù)如下:
[0011]溝槽結(jié)構(gòu)橫截面三角形底邊長度為W，橫截面三角形高度為H，橫截面三角形頂角角度為α，兩溝槽間距為d;其中，如圖6所示，兩溝槽間距即為相鄰溝槽之間相鄰的槽口邊沿之間的間距。
[0012]溝槽結(jié)構(gòu)橫截面三角形底邊長度W為1.5%葉片間距；
[0013]溝槽結(jié)構(gòu)橫截面三角形高度H為1.2%葉片高度；
[0014]溝槽結(jié)構(gòu)橫截面三角形頂角角度α為53° ;
[0015]所述多個溝槽結(jié)構(gòu)沿流線方向設(shè)置，起點位于距前緣點38% Cx處，終止點位于距尾緣點25% Cx處，其中，Cx表示葉片軸向弦長；
[0016]兩溝槽間距d長度為3.2%葉片間距；
[0017]溝槽結(jié)構(gòu)距壓力面距離為22.4%葉片間距。
[0018]優(yōu)選地，所述溝槽結(jié)構(gòu)通過激光加工方法與渦輪葉柵端壁連接。
[0019]根據(jù)本發(fā)明提供的一種新型渦輪葉柵端壁的溝槽減損方法，其沿流線方向在葉柵端壁的表面上依次設(shè)置多個溝槽結(jié)構(gòu)，用以減少二次流損失，其中，溝槽結(jié)構(gòu)的參數(shù)如下:
[0020]溝槽結(jié)構(gòu)橫截面三角形底邊長度為W，橫截面三角形高度為H，橫截面三角形頂角角度為α，兩溝槽間距為d;
[0021]溝槽結(jié)構(gòu)橫截面三角形底邊長度W為1.5%葉片間距；
[0022]溝槽結(jié)構(gòu)橫截面三角形高度H為1.2%葉片高度；
[0023]溝槽結(jié)構(gòu)橫截面三角形頂角角度α為53° ;
[0024]所述多個溝槽結(jié)構(gòu)沿流線方向設(shè)置，起點位于距前緣點38% Cx處，終止點位于距尾緣點25% Cx處，其中，Cx表示葉片軸向弦長；
[0025]兩溝槽間距d長度為3.2%葉片間距；
[0026]溝槽結(jié)構(gòu)距壓力面距離為22.4%葉片間距。
[0027]優(yōu)選地，所述溝槽結(jié)構(gòu)通過激光加工方法與渦輪葉柵端壁連接。
[0028]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0029]本發(fā)明溝槽減損結(jié)構(gòu)位于渦輪葉柵端壁，當(dāng)氣體流經(jīng)渦輪葉柵時，可以阻礙端部流體的橫向運動，減小橫向壓力梯度，從而減小馬蹄渦壓力側(cè)分支及通道渦的強度，達到減少二次流損失的目的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:
[0031]圖1為端壁成型結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖2為前緣修型結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖3為端壁翼刀結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034]圖4為燃氣渦輪發(fā)動機的結(jié)構(gòu)簡圖。[0035]圖5為單級冷卻高壓渦輪的等軸視圖。
[0036]圖6為本發(fā)明提供的減損結(jié)構(gòu)設(shè)置于端壁表面的側(cè)視應(yīng)用對比示意圖，其中，圖(a)對應(yīng)無溝槽結(jié)構(gòu)，圖(b)對應(yīng)有溝槽結(jié)構(gòu)。
[0037]圖7為本發(fā)明提供的減損結(jié)構(gòu)設(shè)置于端壁表面的俯視應(yīng)用及流線對比示意圖，其中，圖(a)對應(yīng)無溝槽結(jié)構(gòu)，圖(b)對應(yīng)有溝槽結(jié)構(gòu)。
[0038]圖8為尾緣下游截面壓力損失系數(shù)分布圖，其中，圖(a)對應(yīng)無溝槽結(jié)構(gòu)，圖(b)對應(yīng)有溝槽結(jié)構(gòu)。
[0039]圖中:
[0040]I為燃氣渦輪發(fā)動機、2為進氣口、3為推進風(fēng)扇、4為中壓壓縮機、5為高壓壓縮機、6為燃燒室、7為高壓渦輪、8為中壓渦輪、9為低壓渦輪、10為尾噴管、11為機匣；
[0041]100為渦輪葉片、200為葉片吸力面、300為葉片壓力面、400為葉片前緣、500為葉片尾緣、600為葉柵端壁、700為流線、800為溝槽結(jié)構(gòu)；
[0042]901為端壁壓力側(cè)、902為端壁吸力側(cè)、903為進口邊界層、904為端壁翼刀、905為端壁。
【具體實施方式】
[0043]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0044]本發(fā)明涉及一種新型渦輪葉柵端壁的溝槽減損結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)設(shè)置在渦輪葉柵端壁上，用以減少二次流損失。其中，渦輪葉柵端壁，位于以環(huán)狀排列的多個渦輪葉片的輪轂側(cè)；
[0045]所述新型渦輪葉柵端壁的溝槽減損結(jié)構(gòu)，設(shè)置在渦輪葉柵端壁上，通過激光加工方法與渦輪葉柵端壁連接。本發(fā)明能夠阻礙端部流體的橫向運動，減小橫向壓力梯度，從而減小馬蹄渦壓力側(cè)分支及通道渦的強度，達到減少二次流損失的目的。
[0046]圖4所示為一個燃氣渦輪發(fā)動機I的結(jié)構(gòu)簡圖。中心旋轉(zhuǎn)軸線為X_X，A為流向外涵道氣流，B為流向內(nèi)涵道氣流。該發(fā)動機組成包括進氣口 2、推進風(fēng)扇3、中壓壓縮機4、高壓壓縮機5、燃燒室6、高壓渦輪7、中壓渦輪8、低壓渦輪9、尾噴管10和機匣11。流過推進風(fēng)扇葉片的空氣分成兩股，一股氣流流向外涵道，產(chǎn)生直接推力；另一股氣流流向內(nèi)涵道，通過中壓壓縮機及高壓壓縮機的壓縮后進入燃燒室，接著由噴油嘴噴出燃油與空氣混合后在燃燒室進行燃燒成為高溫高壓燃氣，然后進入渦輪段推動渦輪，將燃氣的動能轉(zhuǎn)換成機械能輸出產(chǎn)生間接推力，最后的廢氣由尾噴管排出。
[0047]燃氣渦輪發(fā)動機自產(chǎn)生以來，發(fā)動機的整體性能有了很大提高，近年來提高渦輪進口溫度成為改善燃氣渦輪發(fā)動機熱力循環(huán)性能、提高發(fā)動機推重比的有效措施。渦輪入口溫度的升高，也使得渦輪葉柵的二次流效應(yīng)增強，因此需要更好地研究減少二次流損失的方法。
[0048]圖5為一個典型的單級冷卻高壓渦輪的等軸視圖。本發(fā)明結(jié)構(gòu)也可以應(yīng)用到其它渦輪(如燃氣或蒸汽渦輪)的壓縮機級，無論對于航空、工業(yè)或是船用發(fā)動機均可適用。圖5中100為渦輪葉片，它由葉片壓力面300和葉片吸力面200構(gòu)成。壓力面與吸力面交接處為葉片前緣400和葉片尾緣500，葉片根部與轉(zhuǎn)子盤片嚙合。葉片，轉(zhuǎn)子盤片和渦輪機殼共同構(gòu)成了一個動葉級。本發(fā)明提供的溝槽減損結(jié)構(gòu)位于葉柵端壁600上。
[0049]請參閱圖6至圖7，該新型溝槽減損結(jié)構(gòu)，沿流線方向設(shè)置在葉柵端壁，用以減少二次流損失。具體的，溝槽結(jié)構(gòu)通過激光加工方法生成并與葉柵端壁連接。圖6為本發(fā)明新型減損結(jié)構(gòu)設(shè)置于葉柵端壁表面的側(cè)視圖，示出了葉片壓力面300、葉柵端壁600、溝槽結(jié)構(gòu)700、葉片吸力面400。
[0050]圖7為本發(fā)明新型減損結(jié)構(gòu)設(shè)置于端壁表面的俯視應(yīng)用及流線示意圖，示出了渦輪葉片100、溝槽減損結(jié)構(gòu)800，黑色線條為流線700，所有流線由進口邊界層內(nèi)部發(fā)散。無溝槽減損結(jié)構(gòu)示意圖表明，當(dāng)氣體流經(jīng)葉柵通道時，進口附面層在葉片前緣滯止點分離形成馬蹄渦，在橫向壓力梯度的作用下，馬蹄渦壓力側(cè)分支產(chǎn)生由壓力面向吸力面的橫向運動，壓力側(cè)分支與端壁附面層形成通道渦。通過有無溝槽減損結(jié)構(gòu)的對比可以明顯發(fā)現(xiàn)溝槽結(jié)構(gòu)對近壁面流體具有阻礙作用。由圖中流線可以得出溝槽結(jié)構(gòu)可以阻礙馬蹄渦壓力側(cè)分支及通道渦的橫向流動，使流體在溝槽間沿流線方向流動。對二次流的阻礙作用使二次流的強度減少，進而可以減小二次流損失。
[0051]圖8表示實驗測得的根據(jù)本發(fā)明的有溝槽減損結(jié)構(gòu)和無溝槽減損結(jié)構(gòu)時尾緣下游截面壓力損失系數(shù)分布圖。測試截面距離尾緣20%軸向弦長，數(shù)據(jù)由校準后的四孔探針測得?？紤]到四通探針在靠近壁面時的相互作用，垂直距離端壁3mm內(nèi)無數(shù)據(jù)采集。圖中黑色圓圈標注處為通道渦總壓損失核心區(qū)，通過有無溝槽結(jié)構(gòu)的對比可以得出溝槽結(jié)構(gòu)可以使通道渦高度有效降低。因此，具備上述實施方式的渦輪葉柵端壁的新型溝槽減損結(jié)構(gòu)可以使葉柵流道內(nèi)馬蹄渦壓力側(cè)分支及通道渦的強度減小，伴隨該渦流的二次流損失降低，潤輪整體性能提聞。
[0052]以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種新型渦輪葉柵端壁的溝槽減損結(jié)構(gòu)，包括葉柵端壁，其特征在于，沿流線方向在葉柵端壁的表面上依次設(shè)置有多個溝槽結(jié)構(gòu)，用以減少二次流損失，其中，溝槽結(jié)構(gòu)的參數(shù)如下: 溝槽結(jié)構(gòu)橫截面三角形底邊長度為W，橫截面三角形高度為H，橫截面三角形頂角角度為α ,兩溝槽間距為d ； 溝槽結(jié)構(gòu)橫截面三角形底邊長度W為1.5%葉片間距； 溝槽結(jié)構(gòu)橫截面三角形高度H為1.2%葉片高度； 溝槽結(jié)構(gòu)橫截面三角形頂角角度α為53° ; 所述多個溝槽結(jié)構(gòu)沿流線方向設(shè)置，起點位于距前緣點38% Cx處，終止點位于距尾緣點25% Cx處，其中，Cx表示葉片軸向弦長； 兩溝槽間距d長度為3.2%葉片間距； 溝槽結(jié)構(gòu)距壓力面距離為22.4%葉片間距。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型渦輪葉柵端壁的溝槽減損結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述溝槽結(jié)構(gòu)通過激光加工方法與渦輪葉柵端壁連接。
3.一種新型渦輪葉柵端壁的溝槽減損方法，其特征在于，沿流線方向在葉柵端壁的表面上依次設(shè)置多個溝槽結(jié)構(gòu)，用以減少二次流損失，其中，溝槽結(jié)構(gòu)的參數(shù)如下: 溝槽結(jié)構(gòu)橫截面三角形底邊長度為W，橫截面三角形高度為H，橫截面三角形頂角角度為α ,兩溝槽間距為d ； 溝槽結(jié)構(gòu)橫截面三角形底邊長度W為1.5%葉片間距； 溝槽結(jié)構(gòu)橫截面三角形高度H為1.2%葉片高度； 溝槽結(jié)構(gòu)橫截面三角形頂角角度α為53° ; 所述多個溝槽結(jié)構(gòu)沿流線方向設(shè)置，起點位于距前緣點38% Cx處，終止點位于距尾緣點25% Cx處，其中，Cx表示葉片軸向弦長； 兩溝槽間距d長度為3.2%葉片間距； 溝槽結(jié)構(gòu)距壓力面距離為22.4%葉片間距。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的新型渦輪葉柵端壁的溝槽減損方法，其特征在于，所述溝槽結(jié)構(gòu)通過激光加工方法與渦輪葉柵端壁連接。
【文檔編號】F01D5/14GK104005796SQ201410196059
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月9日
【發(fā)明者】張強, 苗昕, 齊歡 申請人:上海交通大學(xué)