專利名稱：一種葉端帶有凹槽的無冠葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多級軸流葉輪機，特別涉及適用于航空、航天、航海及工業(yè)能源動力領(lǐng)域軸流葉輪機的一種葉端帶有凹槽的無冠葉片。
背景技術(shù)：
公知的多級軸流葉輪機是航空、航天、航海、能源、化工等領(lǐng)域廣泛應用的重要部件，如圖1所示，它由輪轂1、機匣2及其所包容的相隔一段距離的多個葉片排構(gòu)成，其中葉片包括繞軸轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)葉3和固定在機匣上的靜葉4。如圖2所示，基元葉型9沿積疊線10展向積疊而成葉片前緣線5和尾緣線6，轉(zhuǎn)葉3和靜葉4與機匣或輪轂分別存在間隙的葉片端區(qū)7和葉片端區(qū)8。
如圖3所示，當工質(zhì)流經(jīng)轉(zhuǎn)葉3、靜葉4通道時，葉片吸力面11和壓力面12間產(chǎn)生壓差，由于葉片端區(qū)間隙的存在，在該壓差作用下會產(chǎn)生泄漏流動，從而嚴重影響葉輪機性能。因而，近半個多世紀來，圍繞葉片端區(qū)泄漏流動機理、影響，人們進行了大量研究，如文獻1Peacock R.E.，A Review of Turbomachinery TipGap Effects，Part ICascades.Int.J.Heat and Fluid Flow，Dec，1982，4(1)185-193；文獻2Peacock R.E.，A Review of Turbomachinery Tip Gap Effects，Part IIRotating Machinery.Int.J.Heat and Fluid Flow，Mar，1983，3(4)3-16；；文獻3POUAGARE，M.J，WEINHOLD，W.P.，LAZARUS，K，Tip Leakage ReductionThrough Tip Injection in Turbomachines，AIAA，ASME，SAE，and ASEE，JointPropulsion Conference，22nd，Huntsville，AL；USA；16-18 June 1986；文獻4WADIA，A.R.，Numerical Solution of Two-and Three-Dimensional Rotor TipLeakage Models，AIAA Journal 1985；文獻5HEYES，F(xiàn).J.G.，HODSON，H.P.，DAILEY，G.M.，The effect of blade tip geometry on the tip leakage flow in axialturbine cascades，ASME，IGTACE，36th，Orlando，F(xiàn)L；USA；3-6 June 1991；文獻6Lattime，S.B.and Steinetz，B.M.，Turbine Engine Clearance ControlSystemsCurrent Practices and Future Directions，AIAA Paper 2002-3790；文獻7Kypuros，J.A.and Melcher，K.J.，A Reduced Model for Prediction ofThermal and Rotational Effects on Turbine Tip Clearance，NASA/TM-2003-212226；文獻8Melcher，K.J.and Kypuros，J.A.，Toward a Fast-Response Active Turbine Tip Clearance Control，ISABE 2003-1102公開的內(nèi)容。如前述文獻，人們認識到葉片端區(qū)間隙泄漏流機理及其影響的最終目的是尋找到相應控制措施，以降低泄漏流對葉輪機性能影響。為此，現(xiàn)有技術(shù)已公開了一些被動和主動控制措施，例如(1)美國專利號6863495，Gas Turbine Blade Tip ClearanceControl Structure，Rolls-Royce；和(2)美國專利，申請?zhí)?74908，CompressorAirfoils with Movable Tips；以及(3)美國專利，申請?zhí)?48812，Method andSystem for Active Tip Clearance Control in Turbines中公開的技術(shù)。
由于現(xiàn)有技術(shù)的不足，人們希望有一種改進的能夠控制端區(qū)間隙泄漏流的葉片。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能夠增加泄漏流動阻力、降低葉片端區(qū)泄漏流量的無冠葉片。
為了達到上述目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案一種葉端帶有凹槽的無冠葉片，如圖2所示，該無冠葉片由基元葉型9沿積疊軸10生成，包括葉片前緣線5和尾緣線6，其特征在于，葉片端面7(或8)上有至少一個凹槽。
在上述技術(shù)方案中，如圖3所示，所述凹槽的走向為葉片基元中弧線方向14。
在上述技術(shù)方案中，在垂直于葉片端面葉型中弧線的剖面內(nèi)，凹槽的剖面形狀使得過葉端橫向泄漏流動阻力最大。
在上述技術(shù)方案中，所述凹槽的剖面形狀為圓滑形曲線，如圓弧形；或折線形狀，如矩形、梯形、三角形。
在上述技術(shù)方案中，所述凹槽分布在從葉片前緣算起的90％葉片弦長內(nèi)。
本發(fā)明由葉片端區(qū)間隙泄漏流產(chǎn)生物理機制出發(fā)，借鑒篦齒可以增加流阻的特點，在葉片端面設(shè)置凹槽，實現(xiàn)葉片端區(qū)間隙泄漏流的被動控制。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于本發(fā)明提供的無冠葉片不需外加能量，且能減輕葉片端區(qū)重量，減少葉片蹭機匣時的剛性，提高工作可靠性，便于工程使用，因而相較于采用其它泄漏流控制措施的葉片具有優(yōu)勢。本發(fā)明無冠葉片端區(qū)有凹槽，能減少端區(qū)間隙泄漏流，繼而減少有泄漏流動造成的堵塞及損失，提高葉輪機工作效率、裕度和工作穩(wěn)定性。


圖1表示軸流葉輪機結(jié)構(gòu)子午視圖；圖2表示葉輪機葉片立體視圖；圖3表示圖1中按A或B投影看到的帶有凹槽的葉片端面葉型及端面三個區(qū)域的局部放大圖；其中數(shù)字11，12分別指葉片的吸力面和壓力面，C-C是為看清如圖4表示的葉片端面7(或8)凸凹幾何剖面所設(shè)的剖面線，虛線14為端面葉型中弧線。
圖4(a)-(c)表示圖3中C-C方向剖面圖；圖4(a)-(c)分別示意三種不同的端面凸凹幾何形式；圖中數(shù)字11，12分別指葉片的吸力面和壓力面，數(shù)字13表示凹槽剖面。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細描述如圖1所示，葉輪機由輪轂1、機匣2、轉(zhuǎn)葉3、靜葉4組成，轉(zhuǎn)、靜葉片有前緣線5和后緣線6，轉(zhuǎn)、靜葉端部有間隙區(qū)；A和B為看到圖3所示圖形的投影方向。
如圖2所示，輪機葉片由葉片基元9沿積疊線10積疊而成，葉片基元9的前部和后部積疊成前緣線5和后緣線6，端面7和機匣2上葉片的端面8。端面7和端面8分別與機匣2和輪轂1之間形成間隙區(qū)。
圖3表示圖1中按A或B投影看到的帶有凹槽的葉片端面葉型；其中數(shù)字11，12分別指葉片的吸力面和壓力面，C-C是為看清如圖4表示的葉片端面7(或8)凸凹幾何剖面所設(shè)的剖面線，虛線14為端面葉型中弧線。
實施例1參照圖2-3，制作本發(fā)明的葉端帶有凹槽的無冠葉片，首先采用常規(guī)方法設(shè)計好各排葉片。對于給定葉片負荷分布及工況范圍情況，以凹槽端面幾何形式、凹槽數(shù)量、凹槽深度為優(yōu)化變量，以現(xiàn)有的計算流體力學(CFD)軟件為分析工具，篩選出合適的凹槽參數(shù)。然后，在葉片端區(qū)7(或8)將葉片順展向挖掉葉片材料，以形成圖4(a)所示的矩形凹槽，凹槽端面幾何形式、凹槽數(shù)量、凹槽深度等參數(shù)按上述采用計算流體力學優(yōu)化所得參數(shù)設(shè)置，本領(lǐng)域技術(shù)人員明白優(yōu)化參數(shù)是盡可能增加泄漏流動阻力，同時兼顧考慮結(jié)構(gòu)強度、加工難度、成本等因素。在凹槽參數(shù)優(yōu)化的過程中，優(yōu)化參數(shù)范圍選取中考慮了實際葉片幾何尺寸、加工難度、強度等因素，反復此過程，直至獲得最佳端面凹槽形式。
實施例2如圖4(b)所示，凹槽端面形狀為梯形，凹槽相鄰的兩槽邊的間距與梯形下底寬相當，其它同實施例1。
實施例3如圖4(c)所示，凹槽端面形狀為梯形，兩相鄰凹槽上底之間是相連的。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應該知道，為了增加橫過葉端泄漏流流動損失，優(yōu)化過程所針對參數(shù)包括凹槽剖面形狀選擇、凹槽間距、凹槽深度，改變這些參數(shù)，以計算流體力學工具或?qū)嶒炇侄未_定對每個葉片的最終的獨特形式。
本發(fā)明由葉片端區(qū)間隙泄漏流產(chǎn)生物理機制出發(fā)，借鑒篦齒可以增加流阻的特點，在葉片端面設(shè)置凹槽，實現(xiàn)了葉片端區(qū)間隙泄漏流的被動控制。該控制措施不需外加能量，且能減輕葉片端區(qū)重量，提高工作可靠性(減少葉片蹭機匣時的剛性)，又便于工程使用，因而相較于采用其它泄漏流控制措施的葉片具有較大優(yōu)勢。
該無冠葉片端區(qū)有凹槽，能減少端區(qū)間隙泄漏流，繼而減少有泄漏流動造成的堵塞及損失，提高葉輪機工作效率、裕度和工作穩(wěn)定性。
本領(lǐng)域技術(shù)人員還應該明白，相對于本發(fā)明的凹槽，在葉片的葉端上加工出許多條狀凸起也應該被保護在本發(fā)明的范圍內(nèi)，因為相鄰的凸起之間形成了凹槽，與本發(fā)明額凹槽是一樣的。
最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應當理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。
權(quán)利要求
1.一種葉端帶有凹槽的無冠葉片，該無冠葉片由基元葉型(9)沿積疊軸(10)生成，包括葉片前緣線(5)、尾緣線(6)、葉片端面，其特征在于，所述葉片端面上有至少一個凹槽。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述葉端帶有凹槽的無冠葉片，其特征在于，所述凹槽的走向為葉片基元中弧線方向(14)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述葉端帶有凹槽的無冠葉片，其特征在于，在垂直于葉片端面葉型中弧線的剖面內(nèi)，凹槽的剖面形狀使得過葉端橫向泄漏流動阻力最大。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述葉端帶有凹槽的無冠葉片，其特征在于，所述凹槽的剖面形狀為圓滑形曲線，如圓弧形；或折線形狀，如矩形、梯形、三角形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述葉端帶有凹槽的無冠葉片，其特征在于，所述凹槽分布在從葉片前緣算起的90％葉片弦長內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種葉端帶有凹槽的無冠葉片。該無冠葉片由基元葉型(9)沿積疊軸(10)生成，包括葉片前緣線(5)和尾緣線(6)，葉片端面上有至少一個凹槽。本發(fā)明的無冠葉片不需外加能量，且能減輕葉片端區(qū)重量，減少葉片蹭機匣時的剛性，提高工作可靠性，便于工程使用，因而相較于采用其它泄漏流控制措施的葉片具有優(yōu)勢，適用于航空、航天、航海及工業(yè)能源動力領(lǐng)域軸流葉輪機。
文檔編號F01D9/02GK101042054SQ20061005844
公開日2007年9月26日 申請日期2006年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月24日
發(fā)明者季路成 申請人:中國科學院工程熱物理研究所