一種凹面肋尖渦輪葉片及渦輪發(fā)動的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種凹面肋尖渦輪葉片及渦輪發(fā)動機，其中，凹面肋尖渦輪葉片包括葉身，所述葉身的壓力面的葉尖處設(shè)置有從前緣至尾緣朝徑向向外延伸的壓力側(cè)肋，所述壓力側(cè)肋的外表面向所述葉身的吸力面的方向凹進形成內(nèi)凹面，所述壓力側(cè)肋向壓力側(cè)傾斜形成斜肋。本實用新型能夠有效減小葉頂間隙的泄露面積，從而減小泄漏流量，使更多的燃?xì)庾鲇杏霉Γ⒏纳迫~尖換熱特性，提高渦輪的氣動性能。
【專利說明】一種凹面肋尖渦輪葉片及渦輪發(fā)動機
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及航空發(fā)動機領(lǐng)域，具體涉及一種凹面肋尖渦輪葉片及具有該凹面肋尖渦輪葉片的渦輪發(fā)動機。
【背景技術(shù)】
[0002]葉輪機械內(nèi)部的真實流動非常復(fù)雜，在空間上表現(xiàn)為流動的三維型，在時間上表現(xiàn)為流動的非定常性。加上流體粘性和可壓縮性的影響，葉片機內(nèi)部存在諸如馬蹄渦、通道渦、角渦和間隙渦等復(fù)雜渦系，以及激波和附面層相互干擾，動、靜葉相互干涉等各種復(fù)雜流動現(xiàn)象。
[0003]渦輪葉片工作在高溫、高壓、高速環(huán)境中，其承受非常大的熱載荷與機械載荷，且溫度和轉(zhuǎn)速的變化范圍大，導(dǎo)致葉片的伸長量范圍也大，因此，渦輪葉尖與機匣之間存在變化范圍較大的葉頂間隙。軸流渦輪無冠葉片葉尖與機匣之間的間隙通常為1%?2%葉高量級。葉頂間隙導(dǎo)致的泄漏流對渦輪性能具有非常重要的影響。研究表明，一臺先進的雙級渦輪發(fā)動機，其徑向間隙若增加1mm，渦輪效率降低約2.5%，直接導(dǎo)致發(fā)動機耗油率增加約2.6%。
[0004]渦輪動葉葉尖與機匣之間存在較大的葉頂間隙，轉(zhuǎn)子葉片葉頂區(qū)域存在周向和軸向主導(dǎo)的壓差，周向壓差引起壓力面的高壓燃?xì)馔ㄟ^葉頂間隙流向吸力面，形成葉頂間隙泄漏流，泄漏流嚴(yán)重偏離通道主流速度的大小和方向，其產(chǎn)生了幾個不利結(jié)果，第一，泄漏流減小了主流流量，泄漏流基本不做有用功，這減小了燃?xì)鈱θ~片的做功；第二，泄漏流與主流摻混形成泄漏渦，泄漏渦產(chǎn)生耗散并影響葉柵出口氣流角，同時，泄漏流和泄漏渦阻塞主流通道、這些方面都增大了渦輪的氣動損失。對一個現(xiàn)代高壓渦輪而言，其導(dǎo)致的渦輪級損失高達(dá)氣動總損失的30% ;第三，泄漏流和泄漏渦還增大了渦輪葉尖附近傳熱冷卻的難度，并較大程度地影響著下游流場的非定常性。
實用新型內(nèi)容
[0005]針對上述問題，本實用新型的目的是提出一種凹面肋尖渦輪葉片及渦輪發(fā)動機，其能夠有效降低渦輪葉片葉頂?shù)男孤┝髁俊?br>
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供了一種凹面肋尖渦輪葉片，其包括葉身，所述葉身的壓力面的葉尖處設(shè)置有從前緣至尾緣朝徑向向外延伸的壓力側(cè)肋，所述壓力側(cè)肋的外表面向所述葉身的吸力面的方向凹進形成內(nèi)凹面，所述壓力側(cè)肋向壓力側(cè)傾斜形成斜肋。
[0007]在一優(yōu)選或可選實施例中，所述葉身的吸力面的葉尖處設(shè)置有從所述前緣至所述尾緣朝徑向向外延伸的吸力側(cè)肋。
[0008]在一優(yōu)選或可選實施例中，所述內(nèi)凹面的起始位置位于距離所述前緣O?10%葉片弦長的位置，所述內(nèi)凹面的終止位置位于距離所述尾緣O?30%所述葉片弦長的位置。
[0009]在一優(yōu)選或可選實施例中，所述內(nèi)凹面在位于中部區(qū)域的內(nèi)凹深度最大，所述內(nèi)凹面從所述中部區(qū)域向所述前緣區(qū)域和所述尾緣區(qū)域的內(nèi)凹深度逐漸減小，直至與所述前緣區(qū)域和所述尾緣區(qū)域融合。
[0010]在一優(yōu)選或可選實施例中，所述內(nèi)凹面的徑向高度從起始位置到終止位置相等，或在中部區(qū)域最大且向所述前緣區(qū)域和/或所述尾緣區(qū)域逐漸減小。
[0011]在一優(yōu)選或可選實施例中，所述斜肋與垂直發(fā)動機軸線方向的夾角范圍為5°?50。。
[0012]在一優(yōu)選或可選實施例中，所述內(nèi)凹面的截面呈弧狀或折角狀。
[0013]在一優(yōu)選或可選實施例中，所述內(nèi)凹面的截面在呈所述折角狀的情況下，折角的角度范圍為80°?170°。
[0014]在一優(yōu)選或可選實施例中，所述凹面肋尖渦輪葉片還包括葉頂平臺，所述葉頂平臺位于所述壓力側(cè)肋和吸力側(cè)肋之間，且所述葉頂平臺將葉尖容腔和葉片內(nèi)冷卻腔隔開。
[0015]在一優(yōu)選或可選實施例中，所述內(nèi)凹面的脊線為所述葉頂平臺的上表面與所述內(nèi)凹面的交線，或者，所述脊線位于所述交線的上方或下方。
[0016]在一優(yōu)選或可選實施例中，所述凹面肋尖渦輪葉片還包括榫頭和緣板。
[0017]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型還提供了一種渦輪發(fā)動機，其包括機匣，以及位于機匣內(nèi)的上述任一實施例中的凹面肋尖渦輪葉片。
[0018]基于上述技術(shù)方案，本實用新型至少具有以下有益效果:
[0019]本實用新型提供的凹面肋尖渦輪葉片的葉尖處設(shè)置有壓力側(cè)肋，壓力側(cè)肋具有內(nèi)凹面和斜肋，內(nèi)凹面形成一個導(dǎo)流槽，葉頂區(qū)域的一股流體沿此內(nèi)凹面形成的導(dǎo)流槽流向尾緣，從而避免了其越過葉尖而泄漏；斜肋增大了壓力側(cè)泄漏流的進口轉(zhuǎn)角，進口泄漏流流動突變產(chǎn)生了相對于傳統(tǒng)雙肋葉尖更大的流動分離，流動分離減小了葉頂間隙的泄露面積，泄露面積的減小能有效降低泄漏流量和泄露損失，從而提高渦輪的氣動性能。同時，泄露流量的降低也能改善葉尖的換熱特性，進而改善葉片的安全性和長壽命。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]此處所說明的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本實用新型的示意性實施例及其說明用于解釋本實用新型，并不構(gòu)成對本實用新型的不當(dāng)限定。在附圖中:
[0021]圖1為本實用新型提供的凹面肋尖渦輪葉片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2為本實用新型提供的凹面肋尖渦輪葉片與機匣之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系示意圖；
[0023]圖3為本實用新型提供的凹面肋尖渦輪葉片的葉尖結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖4為本實用新型提供的凹面肋尖渦輪葉片的又一葉尖結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖5為本實用新型提供的凹面肋尖結(jié)構(gòu)的剖面外輪廓示意圖；
[0026]圖6為本實用新型提供的凹面肋尖結(jié)構(gòu)一種實施方式的截面示意圖；
[0027]圖7為本實用新型提供的凹面肋尖結(jié)構(gòu)另一實施方式的截面示意圖；
[0028]圖8為本實用新型提供的流向葉頂區(qū)域的一股流體沿導(dǎo)流槽流向尾緣的示意圖；
[0029]圖9為本實用新型提供的凹面肋尖泄漏流在垂直于主流某截面上的速度投影流線示意圖；
[0030]圖10為本實用新型提供的泄漏流周向驅(qū)動壓差示意圖；
[0031]圖11 (a)為本實用新型提供的凹面肋尖渦輪葉片剖視示意圖；
[0032]圖11 (b)為圖11 (a)的B_B剖視示意圖；
[0033]圖12為本實用新型提供的渦輪轉(zhuǎn)子組件示意圖。
[0034]附圖中:
[0035]A一凹面肋尖潤輪葉片；1—榫頭；2—緣板；3—葉身；4一機匣；5—葉尖；6_潤輪轉(zhuǎn)子組件發(fā)動機軸線方向；8_流向葉尖的流體；9_葉頂間隙泄漏流；
[0036]50—前緣；51—壓力側(cè)肋；52—吸力側(cè)肋；53—尾緣；54—葉頂平臺；55_葉尖容腔；56-葉片內(nèi)冷卻腔；
[0037]511—內(nèi)凹面；512_壓力側(cè)肋上表面；513—壓力側(cè)肋內(nèi)表面；515—斜肋；516_脊線；517_分離渦；521—吸力側(cè)肋內(nèi)表面；522—吸力側(cè)肋上表面；523—吸力側(cè)肋外表面；541—葉頂平臺上表面。
【具體實施方式】
[0038]下面將結(jié)合本實用新型實施例中的附圖，對實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦偷膶嵤├?，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0039]在本實用新型的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本實用新型保護范圍的限制。
[0040]如圖1、圖2所示，本實用新型提供的示意性的凹面肋尖渦輪葉片A，其包括葉身3，葉身3包括呈凹狀的壓力面和呈凸?fàn)畹奈γ?，壓力面和吸力面均延展在葉身3的前緣50與尾緣53之間(如圖4所示)，以及葉身3的葉根與葉尖之間；壓力面又稱為葉盆，吸力面又稱為葉背。葉身3的葉型輪廓與海豚、新月等相似，從前緣50開始，其厚度逐漸增大至最大厚度，而后厚度逐漸減小至尾緣53。葉身3可以通過多種形狀的葉型輪廓按照一定的型線規(guī)律積疊形成，葉身3表面是具有三維特性的空間曲面，凹狀的壓力面和凸?fàn)畹奈γ媸沟闷浔砻媪鬟^的流體產(chǎn)生不同的速度和壓力分布，葉身3表面的壓差能夠驅(qū)動凹面肋尖渦輪葉片A，凹面肋尖渦輪葉片A帶動渦輪轉(zhuǎn)子組件6 (如圖12所示)，這就實現(xiàn)了從內(nèi)能到動能的轉(zhuǎn)化。
[0041]如圖2所示，凹面肋尖渦輪葉片A設(shè)置在機匣4內(nèi)，葉身3的葉尖5與機匣4之間存在一定的葉頂間隙。
[0042]如圖4、圖5所示，葉身3包括設(shè)置在葉尖5位置的葉尖翼肋，葉尖翼肋包括吸力側(cè)肋52和壓力側(cè)肋51，其中，吸力側(cè)肋52為在吸力側(cè)的葉尖處從前緣50至尾緣53朝徑向向外的延伸段，壓力側(cè)肋51為在壓力側(cè)的葉尖處從前緣50至尾緣53朝徑向向外的延伸段。吸力側(cè)肋52包括吸力側(cè)肋內(nèi)表面521、吸力側(cè)肋上表面522和吸力側(cè)肋外表面523。壓力側(cè)肋51包括壓力側(cè)肋外表面、壓力側(cè)肋上表面512和壓力側(cè)肋內(nèi)表面513，壓力側(cè)肋外表面向吸力面方向凹進形成內(nèi)凹面511，壓力側(cè)肋51向壓力側(cè)(遠(yuǎn)離吸力面方向)傾斜形成斜肋 515。
[0043]如圖6、圖7所示，壓力側(cè)肋51具有斜肋515和內(nèi)凹面511。如圖8所示，壓力側(cè)肋51外側(cè)的內(nèi)凹面511形成一個導(dǎo)流槽，流向葉尖5的一股流體8沿此內(nèi)凹面511形成的導(dǎo)流槽流向尾緣53,從而避免了其越過葉尖5而泄漏。
[0044]如圖9所示，葉尖5與機匣4之間存一定的葉頂間隙，轉(zhuǎn)子葉片葉頂區(qū)域存在周向和軸向主導(dǎo)的壓差，周向壓差Λ P(如圖10所示)引起壓力面的高壓燃?xì)馔ㄟ^葉頂間隙流向吸力面，形成葉頂間隙泄漏流9。與傳統(tǒng)雙肋葉尖相比，斜肋515具有更銳的轉(zhuǎn)角Θ，其增大了泄漏流在葉頂間隙壓力側(cè)進口處的流動轉(zhuǎn)折角，進口泄漏流流動突變，在壓力側(cè)肋上表面512產(chǎn)生了相對于傳統(tǒng)雙肋葉尖更大的分離渦517，分離渦517越大，葉尖壓力側(cè)肋上表面512與機匣4之間葉頂間隙的泄露面積則越小，泄露面積的減小能有效降低泄漏流量和泄露損失，從而提高渦輪的氣動性能。同時，泄露流量的降低也能改善葉尖5的換熱特性，進而改善葉片的安全性和長壽命。
[0045]在上述示意性實施例中，內(nèi)凹面511的起始位置可以位于前緣50區(qū)域附近，距離前緣50的距離可以為O?10%的葉片弦長，優(yōu)選的是位于前緣50的位置；內(nèi)凹面511的終止位置可以位于尾緣53區(qū)域附近，距離尾緣53的距離可以為O?30%的葉片弦長，優(yōu)選的是位于尾緣53結(jié)束位置。
[0046]在上述示意性實施例中，脊線516 (如圖1和圖3所示)為控制內(nèi)凹面511走勢的線，脊線516 —般平分內(nèi)凹面511，通常，為了保持流體的流線型流動，避免幾何上的突變，內(nèi)凹面511靠近前緣50和尾緣53部分的弧度小，位于中間區(qū)域的弧度大，即內(nèi)凹面511在位于中間區(qū)域的內(nèi)凹深度最大，內(nèi)凹面511從中間區(qū)域向前緣50區(qū)域和尾緣53區(qū)域的內(nèi)凹深度均逐漸減小，直至與前緣50區(qū)域和尾緣53區(qū)域融合。內(nèi)凹面511也可以通過葉尖部分的三個或三個以上具有空氣動力特性的葉型積疊而成。
[0047]在上述示意性實施例中，內(nèi)凹面511從起始位置到終止位置的徑向高度Η(如圖6所示)從前緣50到尾緣53相等，或在中部區(qū)域最大且向所述前緣50區(qū)域和/或所述尾緣53區(qū)域逐漸減小。
[0048]如圖6所示，斜肋515與渦輪轉(zhuǎn)子組件6中垂直發(fā)動機軸線的方向7(如圖12所示)具有一定的夾角α，該夾角α的角度范圍可以為5°?50°。
[0049]如圖6、圖7所示，內(nèi)凹面511的截面可以為弧狀、折角狀或者其他向內(nèi)凹陷的多邊形狀。內(nèi)凹面511的截面在呈折角狀的情況下，折角β的角度范圍可以為80°?170°。
[0050]在上述示意性實施例中，如圖6、圖7所示，本實用新型提供的示意性的凹面肋尖渦輪葉片A還包括葉頂平臺54，葉頂平臺54位于壓力側(cè)肋51和吸力側(cè)肋52之間(如圖4所示)。壓力側(cè)肋51、吸力側(cè)肋52和葉頂平臺54形成葉尖容腔55，葉頂平臺54將葉尖容腔55和葉片內(nèi)冷卻腔56 (如圖11(a)和圖11(b)所示)隔開。內(nèi)凹面511的脊線516可以為葉頂平臺上表面541 (如圖5所示)與內(nèi)凹面511的交線；或者，內(nèi)凹面511的脊線516位于葉頂平臺上表面541與內(nèi)凹面511的交線的上方或下方。
[0051]在上述示意性實施例中，本實用新型提供的凹面肋尖渦輪葉片A還包括榫頭I和緣板2。
[0052]本實用新型提供的凹面肋尖渦輪葉片A可以應(yīng)用在渦輪發(fā)動機上，例如燃?xì)鉁u輪發(fā)動機。
[0053]本實用新型提供的渦輪發(fā)動機包括機匣4(如圖2所示)，以及位于機匣4內(nèi)的渦輪轉(zhuǎn)子組件6 (如圖12所示)，渦輪轉(zhuǎn)子組件6包括上述任一實施例中的凹面肋尖渦輪葉片A，凹面肋尖渦輪葉片A包括榫頭1、緣板2和葉身3。
[0054]本實用新型提供的渦輪發(fā)動機相應(yīng)的具備本實用新型提供的凹面肋尖渦輪葉片A的有益效果。
[0055]采用本實用新型提供的凹面肋尖渦輪葉片A，能夠減少葉頂泄漏流量，葉頂泄漏流量的減小增加了做有用功的燃?xì)饬浚⑶夷軌蛴行Ы档托孤u強度，降低泄漏摻混損失，從而提高渦輪發(fā)動機的氣動性能。
[0056]最后應(yīng)當(dāng)說明的是:以上實施例僅用以說明本實用新型的技術(shù)方案而非對其限制；盡管參照較佳實施例對本實用新型進行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:依然可以對本實用新型的【具體實施方式】進行修改或者對部分技術(shù)特征進行等同替換；而不脫離本實用新型技術(shù)方案的精神，其均應(yīng)涵蓋在本實用新型請求保護的技術(shù)方案范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種凹面肋尖渦輪葉片，其特征在于:包括葉身，所述葉身的壓力面的葉尖處設(shè)置有從前緣至尾緣朝徑向向外延伸的壓力側(cè)肋，所述壓力側(cè)肋的外表面向所述葉身的吸力面的方向凹進形成內(nèi)凹面，所述壓力側(cè)肋向壓力側(cè)傾斜形成斜肋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的凹面肋尖渦輪葉片，其特征在于:所述葉身的吸力面的葉尖處設(shè)置有從所述前緣至所述尾緣朝徑向向外延伸的吸力側(cè)肋。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的凹面肋尖渦輪葉片，其特征在于:所述內(nèi)凹面的起始位置位于距離所述前緣O?10%葉片弦長的位置，所述內(nèi)凹面的終止位置位于距離所述尾緣O?30%所述葉片弦長的位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的凹面肋尖渦輪葉片，其特征在于:所述內(nèi)凹面在位于中部區(qū)域的內(nèi)凹深度最大，所述內(nèi)凹面從所述中部區(qū)域向所述前緣區(qū)域和所述尾緣區(qū)域的內(nèi)凹深度逐漸減小，直至與所述前緣區(qū)域和所述尾緣區(qū)域融合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的凹面肋尖渦輪葉片，其特征在于:所述內(nèi)凹面的徑向高度從起始位置到終止位置相等，或在中部區(qū)域最大且向所述前緣區(qū)域和/或所述尾緣區(qū)域逐漸減小。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的凹面肋尖渦輪葉片，其特征在于:所述斜肋與垂直發(fā)動機軸線方向的夾角范圍為5°?50°。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的凹面肋尖渦輪葉片，其特征在于:所述內(nèi)凹面的截面呈弧狀或折角狀。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的凹面肋尖渦輪葉片，其特征在于:所述內(nèi)凹面的截面在呈所述折角狀的情況下，折角的角度范圍為80°?170°。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的凹面肋尖渦輪葉片，其特征在于:所述凹面肋尖渦輪葉片還包括葉頂平臺，所述葉頂平臺位于所述壓力側(cè)肋和所述吸力側(cè)肋之間，且所述葉頂平臺將葉尖容腔和葉片內(nèi)冷卻腔隔開。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的凹面肋尖渦輪葉片，其特征在于:所述內(nèi)凹面的脊線為所述葉頂平臺的上表面與所述內(nèi)凹面的交線，或者，所述脊線位于所述交線的上方或下方。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的凹面肋尖渦輪葉片，其特征在于:所述凹面肋尖渦輪葉片還包括榫頭和緣板。
12.一種渦輪發(fā)動機，其特征在于:包括機匣，以及位于機匣內(nèi)的根據(jù)權(quán)利要求1-11任一項所述的凹面肋尖渦輪葉片。
【文檔編號】F01D5/20GK203962051SQ201420357941
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年6月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月30日
【發(fā)明者】蔣登宇, 羅華玲 申請人:中航商用航空發(fā)動機有限責(zé)任公司