漸縮流道跨音速渦輪葉片及應用其的渦輪的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種漸縮流道跨音速渦輪葉片及應用其的渦輪。該漸縮流道跨音速渦輪葉片的表面三維型線由N個葉型沿半徑方向積疊而成，其中，N≥3；該N個葉型中每個葉型均包括吸力面型線和壓力面型線，該N個葉型中至少一個葉型的吸力面型線存在內凹型線。本發明漸縮流道跨音速渦輪葉片使葉片的氣動總損失得到降低，有效降低了跨音速渦輪在超音速區的流動損失。
【專利說明】漸縮流道跨音速渦輪葉片及應用其的渦輪
【技術領域】
[0001]本發明涉及空氣動力學領域，尤其涉及一種吸力面無遮蓋段內凹的漸縮流道跨音速渦輪葉片及應用其的渦輪。
【背景技術】
[0002]高負荷跨音速渦輪相比傳統亞音速渦輪能有效提高級載荷，在高推重比航空發動機中得到了廣泛應用。現有的高負荷跨音速渦輪(如GE公司的E3渦輪等)主要采用漸縮型流道，氣流在喉口達到當地音速后在無遮蓋通道中沿略微外凸或者平直的吸力面型線繼續加速至超過當地音速。超音速氣流在尾緣處產生的內外伸激波、膨脹波及它們各自在吸力面的反射波，與尾緣外伸激波構成了相互之間存在復雜影響關系的波系結構。該波系結構通常伴隨著較大的速度梯度和熵增，不僅產生激波損失而且會影響吸力面邊界層和尾跡的發展過程，從而改變葉片的氣動損失。這些損失均會隨著渦輪級載荷和葉片出口馬赫數的提聞而增大。
【發明內容】
[0003](一 )要解決的技術問題
[0004]鑒于上述技術問題，本發明提供了一種漸縮流道跨音速渦輪葉片及應用其的渦輪，以降低跨音速渦輪在超音速區的流動損失。
[0005]( 二 )技術方案
[0006]根據本發明的一個方面，提供了一種漸縮流道跨音速渦輪葉片。該漸縮流道跨音速渦輪葉片的表面三維型線由N個葉型沿半徑方向積疊而成，其中，N3 3 ;該N個葉型中每個葉型均包括吸力面型線和壓力面型線，該N個葉型中至少一個葉型的吸力面型線存在內凹型線。
[0007]根據本發明的另一個方面，還提供了一種渦輪。該渦輪包括:渦輪轉子；以及若干個上述的漸縮流道跨音速渦輪葉片，沿周向均勻分布在所述渦輪轉子的輪轂面上。
[0008](三)有益效果
[0009]從上述技術方案可以看出，本發明漸縮流道跨音速渦輪葉片及應用其的渦輪中，由于吸力面型線在其無遮蓋段上存在內凹型線，從而使葉片的氣動總損失得到降低，出口氣流的周向不均勻性得到改善，并且減小了對下游葉片排邊界層的非定常影響。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1A和圖1B為本發明實施例漸縮流道跨音速渦輪葉片在不同視角下的三維立體圖；
[0011]圖1C為本發明實施例漸縮流道跨音速渦輪葉片的三維葉型積疊圖；
[0012]圖2為本實施例漸縮流道跨音速渦輪葉片與相鄰葉片的葉型圖；
[0013]圖3為本發明實施例漸縮流道跨音速渦輪葉片一個葉型的吸力面型線貝塞爾曲線控制點分布圖；
[0014]圖4為本發明實施例渦輪的三維立體圖。
[0015]【本發明主要元件符號說明】
[0016]1-葉型；2-吸力面型線；
[0017]3-壓力面型線；4-葉型前緣；
[0018]5-葉型尾緣；6-葉型通道
[0019]7-遮蓋段；8-無遮蓋段的第一子段；
[0020]9-無遮蓋段的第二子段； 10-無遮蓋段的第三子段；
[0021]11_無遮蓋段；12-重心:
[0022]13-積疊線；
[0023]A、B、C、D、E-吸力面型線上的點；
[0024]F-壓力面型線的終點；
[0025]L-無遮蓋段的軸向長度；
[0026]L2-無遮蓋段第二子段的軸向長度；L3-無遮蓋段第三子段的軸向長度；
[0027]P1,P2,P3>P4>P5>P6>P7-貝塞爾曲線控制點。
【具體實施方式】
[0028]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現方式，為所屬【技術領域】中普通技術人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數的示范，但應了解，參數無需確切等于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內近似于相應的值。實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本發明的保護范圍。
[0029]本發明提供了一種在吸力面無遮蓋段存在內凹型線的漸縮流道跨音速渦輪葉片及應用其的渦輪。該葉片削弱了尾緣內伸激波反射波與尾緣外伸激波之間的強相互作用，減少了因二者疊加而產生的激波損失。
[0030]在本發明的一個示例性實施例中，提供了一種吸力面無遮蓋段內凹的漸縮流道跨音速渦輪葉片。圖1A和圖1B為本發明實施例漸縮流道跨音速渦輪葉片在不同視角下的立體圖。圖1C為本發明實施例漸縮流道跨音速渦輪葉片三維葉型積疊圖。
[0031]請參照圖1A、圖1B和圖1C，本實施例漸縮流道跨音速渦輪葉片的表面三維型線由5個葉型沿半徑方向(r方向)積疊而成，每個葉型由吸力面型線2和壓力面型線3通過前緣、尾緣的圓弧平滑連接而成，且吸力面型線存在內凹型線。
[0032]以下對本實施例漸縮流道跨音速渦輪葉片的葉型進行詳細說明。
[0033]圖2為本實施例漸縮流道跨音速渦輪葉片與相鄰葉片的葉型圖。請參照圖2，漸縮流道跨音速渦輪葉片的葉型1由吸力面型線2和壓力面型線3通過葉型前緣4、葉型尾緣5的圓弧平滑連接。其中，該圓弧的半徑介于0.1mm?5mm之間。
[0034]漸縮流道跨音速渦輪葉片的壓力面型線3與相鄰葉片葉型的吸力面型線2構成寬度逐漸減小的葉型通道6。該漸縮流道跨音速渦輪葉片葉型的前緣與相鄰葉片同一半徑位置葉型的前緣之間構成葉型通道6的進口。
[0035]請繼續參照圖2，葉型1的吸力面型線2沿軸向(z方向)包括:遮蓋段7，為吸力面型線2位于葉型通道內的部分，如圖2中點A與點B之間的部分；無遮蓋段11，為吸力面型線2位于葉型通道外的部分，如圖2中點B與點E之間的部分。當前漸縮流道跨音速渦輪葉片葉型的無遮蓋段起點B與相鄰葉片同一半徑位置葉型壓力面型線終點F之間構成葉型通道6的出口。
[0036]請繼續參照圖2，無遮蓋段11沿軸向(z方向)又包括:第一子段8，朝向葉片外部方向凸出，如圖2中點B與點C之間的部分；第二子段9，其朝向葉片內部方向凹入，為上述的內凹型線，如圖2中點C與點D之間的部分；以及第三子段10，朝向葉片外部凸出或為平直，如圖2中點D與點E之間的部分。
[0037]請參照圖2和圖3，第一子段8和第二子段9相連接。第一子段8和第二子段9連接點的曲率為0，該連接點兩側的第一子段8和第二子段9具有正負符號相反的曲率。第二子段9和第三子段10相連接。第二子段9和第三子段10連接點的曲率為0，該連接點兩側的第二子段9和第三子段10具有正負符號相反的曲率。
[0038]本實施例中，吸力面型線由7控制點的貝塞爾曲線生成。圖3為本發明實施例漸縮流道跨音速渦輪葉片一個葉型的吸力面型線貝塞爾曲線控制點分布圖。請參照圖3，控制點PpP2和P3位于吸力面型線2的外側，控制點P4、P5和P6位于吸力面型線2的內偵彳，控制點卩7位于吸力面型線2上，從而在軸向長度為L的無遮蓋段11上構造軸向長度為L2的內凹型線9。
[0039]本實施例中，葉型的吸力面型線由7控制點的貝塞爾曲線構造。本領域技術人員應當清楚，貝塞爾曲線的控制點可以取4?無數個之間。對于該控制點取4?無數個的貝塞爾曲線，其需要滿足以下條件，才可以構成本發明漸縮流道跨音速渦輪葉片的吸力面型線.
[0040](1)軸向前端部分的控制點中至少有一個位于吸力面型線的外側；
[0041](2)中段部分的控制點至少有一個位于吸力面型線的內側；
[0042](3)軸向后端部分的控制點位于吸力面型線上或吸力面型線外側。
[0043]本領域技術人員應當清楚，由貝塞爾曲線確定吸力面型線只是本發明實現方式中的一種，本領域技術人員還可以由其他的曲率至少二階連續的樣條曲線或圓弧曲線等來構造本發明的吸力面型線，同樣應當在本發明的保護范圍之內，此處不再重述。
[0044]請參照圖2和圖3，無遮蓋段的軸向長度L占葉型1軸向長度的30.2%。其中，在無遮蓋段中，第一子段的軸向長度(L-L2_L3)占葉型1軸向長度的4.2% ;第二子段的軸向長度L2占葉型1軸向長度的22.0%。第三子段的軸向長度L3占葉型1軸向長度的4.0%。
[0045]本領域技術人員應當清楚，可以根據需要來設計無遮蓋段的形狀和尺寸。在本發明其他實施例中，所述無遮蓋段11的軸向長度L約占葉型1軸向長度的14?55 %。其中，第一子段8的軸向長度(L-L2-L3)占葉型1軸向長度的2?10% ;第二子段9的軸向長度L2占葉型1軸向長度的10?30%。第三子段10的軸向長度L3占葉型1軸向長度的2?15%。
[0046]本實施例中，葉型的出口柵距與葉型通道6的出口寬度(幾何喉口寬度)之比介于1.1 一3.5之間，葉型通道的幾何喉口寬度為葉型尾緣小圓直徑的8?15倍，葉型進、出口幾何氣流角(軸向)在0?90度之間任意選擇，葉型的出口馬赫數為1.1?1.5。葉型出口柵距為相鄰兩葉片同一半徑位置葉型的尾緣之間的距離。
[0047]請參照圖1A、圖1B和圖1C，本實施例漸縮流道跨音速渦輪葉片由5個葉型沿半徑方向積疊而成。本領域技術人員應當清楚，葉型的個數N與設計要求、工藝難度有關，一般情況下，葉型數目N的下限為3，上限為無限大。而在本發明優選的實施例中，葉型的個數N介于4?100之間。優選地，葉型個數N介于4?20之間。最優地，葉型數N可取4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、50、100 等等。
[0048]本實施例漸縮流道跨音速渦輪葉片中，5個葉型的吸力面型線均存在內凹型線，但本發明并不以此為限。在本發明的其他實施例中，也可以是若干位于葉片中部的葉型吸力面型線中存在內凹型線，或在其兩端的葉型吸力面型線中存在內凹型線，同樣在本發明的保護范圍之內。
[0049]請參照圖1C和圖2，本實施例漸縮流道跨音速渦輪葉片中，將5個吸力面型線無遮蓋段存在內凹型線的葉型1以通過各葉型1重心12的連線13積疊，得到葉片表面的三維曲面，即積疊線13為各葉型重心的連線，且為直線，但本發明并不以此為限。在本發明的其他實施例中，各葉型還可以沿其重心、前緣、尾緣、弦線上的等比分點或中弧線上的等比分點積疊得到所述漸縮流道跨音速渦輪葉片表面三維型線。并且，積疊線不僅可以是直線，還可以是任意形狀的空間曲線。
[0050]本實施例中，在跨音速渦輪葉型通道的超音速流動區域，內凹型線增大了氣動喉口到其起點之間的吸力面型線曲率，因此該范圍內型線產生的膨脹波強度增大，使相鄰葉片的尾緣外伸激波波面增加了繞尾緣向下游偏轉的角度。內凹型線通過自身型線減小了尾緣內伸激波反射波的波前、波后氣流角(軸向)，從而使該反射波的激波波面增加了繞入射點向上游偏轉的角度。
[0051]上述兩個激波波面反向的偏轉在流動方向上推后了尾緣外伸激波和尾緣內伸激波反射波的交匯點。由于激波沿流向是不斷衰減的以及較弱的激波疊加后的強度也較弱，因此在被推后的交匯點處的激波損失也較小，也就是說，內凹型線削弱了由于尾緣外伸激波和尾緣內伸激波反射波疊加而產生的激波損失。此減少的激波損失使葉片的氣動總損失得到降低，出口氣流的周向不均勻性得到改善，并且減小了對下游葉片排邊界層的非定常影響。
[0052]至此，本實施例漸縮流道跨音速渦輪葉片介紹完畢。
[0053]在本發明的另一個實施例中，還提供了一種應用上述漸縮流道跨音速渦輪葉片的渦輪。該渦輪包括:渦輪轉子和沿周向均勻分布在渦輪轉子的輪轂面上的漸縮流道跨音速渦輪葉片。
[0054]本領域技術人員應當清楚，本實施例渦輪中的漸縮流道跨音速渦輪葉片的數目和尺寸可以根據需要進行調整，此處不再重述。
[0055]至此，本實施例渦輪介紹完畢。
[0056]上文已經結合附圖對本實施例進行了詳細描述。依據以上描述，本領域技術人員應當對本發明漸縮流道跨音速渦輪葉片有了清楚的認識。
[0057]此外，上述對各元件的定義并不僅限于實施方式中提到的各種具體結構或形狀，本領域的普通技術人員可對其進行簡單地熟知地替換。
[0058]綜上所述，本發明提供一種吸力面無遮蓋段內凹的漸縮流道跨音速渦輪葉片。由于吸力面型線在其無遮蓋段上存在內凹型線，從而使葉片的氣動總損失得到降低，出口氣流的周向不均勻性得到改善，并且減小了對下游葉片排邊界層的非定常影響。
[0059]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種漸縮流道跨音速渦輪葉片，其特征在于，其表面三維型線由N個葉型沿半徑方向積疊而成，其中，N彡3; 該N個葉型中每個葉型均包括吸力面型線和壓力面型線，該N個葉型中至少一個葉型的吸力面型線存在內凹型線。
2.根據權利要求1所述的漸縮流道跨音速渦輪葉片，其特征在于，所述吸力面型線與相鄰葉片葉型的壓力面型線之間構成寬度逐漸減小的葉型通道，該吸力面型線沿軸向包括: 遮蓋段，為所述吸力面型線位于葉型通道內的部分； 無遮蓋段，為所述吸力面型線位于葉型通道外的部分，包括: 第一子段，朝向葉片外部方向凸出； 第二子段，為所述的內凹型線，其朝向葉片內部方向凹入；以及 第三子段，朝向葉片外部凸出或為平直。
3.根據權利要求2所述的漸縮流道跨音速渦輪葉片，其特征在于， 所述第一子段和第二子段連接點的曲率為O，該連接點兩側的第一子段和第二子段具有正負符號相反的曲率； 所述第二子段和第三子段連接點的曲率為O，該連接點兩側的第二子段和第三子段具有正負符號相反的曲率。
4.根據權利要求2所述的漸縮流道跨音速渦輪葉片，其特征在于，所述吸力面型線為至少二階連續的樣條曲線、圓弧曲線或貝塞爾曲線。
5.根據權利要求4所述的漸縮流道跨音速渦輪葉片，其特征在于，所述吸力面型線為貝塞爾曲線，該貝塞爾曲線中: 軸向前端部分的控制點至少有一個位于吸力面型線的外側； 中段部分的控制點至少有一個位于吸力面型線的內側； 軸向后端部分的控制點位于吸力面型線上或吸力面型線的外側。
6.根據權利要求2所述的漸縮流道跨音速渦輪葉片，其特征在于，所述無遮蓋段的軸向長度占所述葉型軸向長度的14?55%，其中: 所述第一子段的軸向長度占所述葉型軸向長度的2?10% ; 所述第二子段的軸向長度占所述葉型軸向長度的10?30% ； 所述第三子段的軸向長度占所述葉型軸向長度的2?15%。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的漸縮流道跨音速渦輪葉片，其特征在于: 所述葉型個數N介于4?100之間； 所述吸力面型線和壓力面型線通過葉型前緣、葉型尾緣的圓弧平滑連接，其中，該圓弧的半徑介于0.1mm?5mm之間； 所述葉型的出口柵距與葉型通道的出口寬度之比介于1.1—3.5之間，葉型通道的幾何喉口寬度為葉型尾緣小圓直徑的8?15倍。
8.根據權利要求1至6中任一項所述的漸縮流道跨音速渦輪葉片，其特征在于，所述N個葉型中全部或者位于葉片中部的若干個葉型存在所述內凹型線。
9.根據權利要求1至6中任一項所述的漸縮流道跨音速渦輪葉片，其特征在于，所述N個葉型沿其重心、前緣、尾緣、弦線上的等比分點或中弧線上的等比分點積疊得到所述漸縮流道跨音速渦輪葉片表面三維型線，所述積疊的積疊線為直線或空間曲線。
10.一種包括權利要求1至9中任一項所述的漸縮流道跨音速渦輪葉片的渦輪，其特征在于，包括: 渦輪轉子；以及 若干個所述漸縮流道跨音速渦輪葉片，沿周向均勻分布在所述渦輪轉子的輪轂面上。
【文檔編號】F01D5/02GK104420888SQ201310364144
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月19日 優先權日:2013年8月19日
【發明者】趙巍, 趙慶軍, 趙曉路, 徐建中 申請人:中國科學院工程熱物理研究所