一種高低壓渦輪的過(guò)渡段結(jié)構(gòu)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)減重和性能提升的超緊湊高低壓渦輪過(guò)渡段，其關(guān)鍵在于過(guò)渡段支板長(zhǎng)葉片與低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片采用大小葉片一體化結(jié)構(gòu)布局，其中長(zhǎng)葉片用于實(shí)現(xiàn)支板功能，而短葉片用于實(shí)現(xiàn)低壓渦輪導(dǎo)向器功能。該發(fā)明可直接用于高性能航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，相比于傳統(tǒng)的支板+低壓渦輪導(dǎo)向器過(guò)渡段結(jié)構(gòu)布局，采用支板與低壓渦輪導(dǎo)向器葉片大小葉片布局的過(guò)渡段能夠在大幅度提高高低壓渦輪過(guò)渡段緊湊性的同時(shí)提高過(guò)渡段的氣動(dòng)性能。
【專(zhuān)利說(shuō)明】ー種高低壓渦輪的過(guò)渡段結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及ー種超緊湊高低壓渦輪過(guò)渡段結(jié)構(gòu)，尤其涉及ー種支板長(zhǎng)葉片與低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片大小葉片一體化布局的高低壓渦輪過(guò)渡段結(jié)構(gòu)，能夠大幅度提高高低壓渦輪過(guò)渡段的緊湊性和氣動(dòng)性能，特別適用于大涵道比航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]為了追求更高的經(jīng)濟(jì)性(高效率、低燃油消耗率等)和環(huán)境友好性(低排放、低噪音等)，現(xiàn)代高性能民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)通常采用較高的涵道比，低壓渦輪與風(fēng)扇共軸，受風(fēng)扇強(qiáng)度和切線(xiàn)速度(進(jìn)ロ激波和噪聲)的限制，低壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速較低，使得發(fā)動(dòng)機(jī)高壓與低壓之間的徑向跨距相對(duì)較大，因此，對(duì)于民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的膨脹系統(tǒng)而言，在高壓渦輪和低壓渦輪之間通常存在較長(zhǎng)的過(guò)渡段，典型高低壓渦輪過(guò)渡段如圖1所示，主要由過(guò)渡段內(nèi)端壁和過(guò)渡段外端壁構(gòu)成的環(huán)形通道，為了滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻和潤(rùn)滑要求(允許各種油管和氣管通過(guò))和發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)支撐要求，過(guò)渡段內(nèi)會(huì)通常會(huì)內(nèi)置若干厚度較大的支板葉片。
[0003]為了進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，降低發(fā)動(dòng)機(jī)重量，超緊湊過(guò)渡段已經(jīng)成為了現(xiàn)代高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的ー個(gè)必然選擇，然而超緊湊過(guò)渡段的大曲率和高擴(kuò)壓度特征，導(dǎo)致過(guò)渡段內(nèi)存在復(fù)雜的徑向壓カ梯度和軸向壓カ梯度，流體減速擴(kuò)壓，很容易引起附面層分離，誘導(dǎo)出強(qiáng)的二次流動(dòng)和各種渦系結(jié)構(gòu)。而過(guò)渡段上游客觀存在的高壓渦輪出ロ流場(chǎng)(出ロ預(yù)旋、尾跡、葉頂間隙泄漏流等)以及過(guò)渡段內(nèi)若干厚度較大支板的引入，進(jìn)ー步強(qiáng)化了超緊湊過(guò)渡段內(nèi)部的二次流動(dòng)，使得超緊湊過(guò)渡段內(nèi)部容易出現(xiàn)附面層分離，在急劇降低過(guò)渡段氣動(dòng)性能的同時(shí)增加了低壓渦輪進(jìn)ロ流場(chǎng)畸變和旋流強(qiáng)度，増加了低壓渦輪設(shè)計(jì)難度。因此，超緊湊過(guò)渡段已經(jīng)成為民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中ー個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題，在目前壓氣機(jī)和渦輪等部件性能提升難度加大的情況下，過(guò)渡段蘊(yùn)藏的巨大潛能已經(jīng)逐漸受到國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注。
[0004]為了抑制高低壓渦輪過(guò)渡段內(nèi)部流動(dòng)分離，提高高低壓渦輪過(guò)渡段的氣動(dòng)性能，US7137245和EP1914385A2分別提出了采用噴氣和等離子體激勵(lì)來(lái)抑制高低壓渦輪過(guò)渡段內(nèi)部流動(dòng)分離，這些控制手段對(duì)于抑制端壁附面層分離、降低過(guò)渡段總壓損失均取得了一定的成效。然而，上述各流動(dòng)控制手段在提高高低壓渦輪過(guò)渡段性能的同時(shí)，不可避免帶來(lái)結(jié)構(gòu)和安裝復(fù)雜等問(wèn)題，極大地限制了其在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)中的應(yīng)用。因此，亟需尋求ー種過(guò)渡段支板與低壓渦輪導(dǎo)向器的合理布局，達(dá)到提高高低壓渦輪過(guò)渡段性能和緊湊性的雙重目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種能夠兼顧過(guò)渡段緊湊性和氣動(dòng)性能，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)高低壓渦輪之間的過(guò)渡段結(jié)構(gòu)布局。
[0006]本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:
[0007]—種高低壓渦輪過(guò)渡段結(jié)構(gòu)，所述過(guò)渡段是由過(guò)渡段內(nèi)端壁和過(guò)渡段外端壁構(gòu)成的一個(gè)環(huán)形通道，其進(jìn)ロ與高壓渦輪級(jí)出口聯(lián)接，其出口與低壓渦輪級(jí)進(jìn)ロ聯(lián)接，在所述環(huán)形通道內(nèi)置有由支板長(zhǎng)葉片和低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片構(gòu)成的大小葉片排；其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是:所述支板長(zhǎng)葉片與低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片的大小葉片呈一體化結(jié)構(gòu)布局，所述支板長(zhǎng)葉片沿周向均布在所述環(huán)形通道內(nèi)，相鄰兩片支板長(zhǎng)葉片之間沿周向均布有若干片低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片，且各低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片的尾緣與各支板長(zhǎng)葉片的尾緣對(duì)齊布置，且所述支板長(zhǎng)葉片與低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片的具有相同的尾緣葉片形狀，以確保過(guò)渡段出ロ流場(chǎng)的流動(dòng)品質(zhì)。
[0008]本發(fā)明的高低壓渦輪的過(guò)渡段結(jié)構(gòu)尤其適用于高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)，相比于傳統(tǒng)的支板+低壓渦輪導(dǎo)向器的過(guò)渡段結(jié)構(gòu)布局，在大幅度提高高低壓渦輪過(guò)渡段緊湊性的同時(shí)可提高高低壓渦輪過(guò)渡段的氣動(dòng)性能?？朔?“過(guò)渡段緊湊性增加以犧牲過(guò)渡段氣動(dòng)性能為代價(jià)”的傳統(tǒng)觀念和技術(shù)偏見(jiàn)。
[0009]本發(fā)明所述高低壓渦輪過(guò)渡段的中位角0大于35°，高低壓渦輪過(guò)渡段的出口/進(jìn)ロ面積比Aout/Ain大于1.3，高低壓渦輪過(guò)渡段的無(wú)量綱軸向長(zhǎng)度L/H小于1.5。其中，Aout為過(guò)渡段的出口面積，Ain為過(guò)渡段的進(jìn)ロ面積，L為過(guò)渡段的軸向長(zhǎng)度，H為高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片徑向高度。
[0010]本發(fā)明所述支板長(zhǎng)葉片和低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片采用大小葉片一體化布局，其中長(zhǎng)葉片用于實(shí)現(xiàn)支板功能，短葉片用于實(shí)現(xiàn)低壓渦輪導(dǎo)向器功能，同時(shí)支板長(zhǎng)葉片尾緣與低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片具有相同葉片形狀，以確保過(guò)渡段出ロ流動(dòng)品質(zhì)。
[0011]本發(fā)明所述高低壓渦輪過(guò)渡段內(nèi)沿周向均布有7-16片支板長(zhǎng)葉片，且每相鄰兩片支板長(zhǎng)葉片之間沿周向均布有3?5片低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片。
[0012]本發(fā)明所述支板長(zhǎng)葉片的軸向弦長(zhǎng)為上游轉(zhuǎn)子中部軸向弦長(zhǎng)的2.5?3倍，低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片軸向弦長(zhǎng)為上游高壓渦輪轉(zhuǎn)子中部軸向弦長(zhǎng)1.2?1.5倍。
[0013]與傳統(tǒng)的支板+低壓渦輪導(dǎo)向器過(guò)渡段結(jié)構(gòu)布局相比，本發(fā)明的高低壓渦輪的過(guò)渡段結(jié)構(gòu)能夠大幅度提高高低壓渦輪過(guò)渡段的緊湊性，實(shí)現(xiàn)過(guò)渡段更大的徑向跨距、更短的軸向長(zhǎng)度以及更大的出口/迸ロ面積比，達(dá)到如下效果:(1)増加低壓渦輪的做功能力，從而減少渦輪級(jí)(葉片)數(shù)，降低熱端部件的重量和制造加工成本，或者在保證低壓渦輪級(jí)數(shù)或者葉片數(shù)不變的前提下，有效降低低壓渦輪的負(fù)荷系數(shù)，提高低壓渦輪效率；(2)降低低壓渦輪進(jìn)ロ流量系數(shù)，有效提高低壓渦輪效率，降低低壓渦輪設(shè)計(jì)難度；(3)有效縮短低壓轉(zhuǎn)子軸向跨距，在降低熱端部件重量的同時(shí)降低了低壓軸轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)及調(diào)試難度。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為傳統(tǒng)的高低壓渦輪過(guò)渡段結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖。
[0015]圖2為本發(fā)明的高低壓渦輪的過(guò)渡段結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖。
[0016]標(biāo)號(hào)說(shuō)明:過(guò)渡段內(nèi)端壁1、過(guò)渡段外端壁2、高壓渦輪導(dǎo)向器3、高壓渦輪轉(zhuǎn)子4、過(guò)渡段支板5、低壓渦輪導(dǎo)向器6、低壓渦輪轉(zhuǎn)子7、發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)軸8、高壓渦輪導(dǎo)向器葉片9、高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片10、支板長(zhǎng)葉片11、低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片12，低壓渦輪轉(zhuǎn)子13。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)ー步的詳細(xì)說(shuō)明，以下實(shí)施例是對(duì)本發(fā)明的解釋而本發(fā)明并不局限于以下實(shí)施例。
[0018]如圖2所示，本發(fā)明的用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高低壓渦輪過(guò)渡段是由過(guò)渡段內(nèi)端壁I和過(guò)渡段外端壁2構(gòu)成的一個(gè)環(huán)形通道，其進(jìn)ロ與高壓渦輪級(jí)出ロ聯(lián)接，其出口與低壓渦輪級(jí)進(jìn)ロ聯(lián)接，在環(huán)形通道設(shè)置有由過(guò)渡段支板5和低壓渦輪導(dǎo)向器6構(gòu)成的大小葉片排。且各低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片的尾緣與各支板長(zhǎng)葉片的尾緣對(duì)齊布置，且所述支板長(zhǎng)葉片與低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片具有相同的尾緣型面。
[0019]為了縮短高低壓渦輪過(guò)渡段的長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)減重和發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升，提出了過(guò)渡段支板與低壓渦輪導(dǎo)向器一體化設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)概念，將傳統(tǒng)的過(guò)渡段支板葉片與低壓渦輪導(dǎo)向器葉片分開(kāi)設(shè)計(jì)改進(jìn)為支板長(zhǎng)葉片11和低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片12大小葉片布局，其中支板長(zhǎng)葉片11用于實(shí)現(xiàn)支板功能，而低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片12用于實(shí)現(xiàn)低壓渦輪導(dǎo)向器功能，依據(jù)不同發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑、冷卻和結(jié)構(gòu)支撐要求，高低壓渦輪過(guò)渡段內(nèi)沿周向均布有7-16片支板長(zhǎng)葉片11，其軸向弦長(zhǎng)通常為上游轉(zhuǎn)子葉中軸向弦長(zhǎng)的2.5?3倍；而在相鄰兩片支板長(zhǎng)葉片之間沿周向均布有3?5片低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片12，且低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片12軸向弦長(zhǎng)為上游高壓渦輪轉(zhuǎn)子4軸向弦長(zhǎng)I?1.5倍，同時(shí)支板長(zhǎng)葉片11尾緣與低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片12具有相同葉片形狀，且各低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片11的尾緣與各支板長(zhǎng)葉片12的尾緣對(duì)齊布置，進(jìn)ー步地，所述支板長(zhǎng)葉片12與低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片11具有相同的葉片型面，以確保過(guò)渡段出口也就是進(jìn)入低壓渦輪轉(zhuǎn)子進(jìn)ロ流場(chǎng)流動(dòng)品質(zhì)。
[0020]綜上所述，本發(fā)明的過(guò)渡段采用支板長(zhǎng)葉片與低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片大小葉片布局，可直接用于航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的支板+低壓渦輪導(dǎo)向器過(guò)渡段結(jié)構(gòu)布局，其軸向長(zhǎng)度能夠減小30%以上，結(jié)構(gòu)更加緊湊，在大幅度提高高低壓渦輪過(guò)渡段緊湊性的同時(shí)提高高低壓渦輪過(guò)渡段的氣動(dòng)性能。
[0021]本發(fā)明探索了ー種新型過(guò)渡段支板與低壓渦輪導(dǎo)向器一體化布局，設(shè)計(jì)出ー種支板葉片與低壓渦輪導(dǎo)向器葉片大小葉片布局的高低壓渦輪過(guò)渡段，打破了“過(guò)渡段緊湊性增加以犧牲過(guò)渡段氣動(dòng)性能為代價(jià)”的傳統(tǒng)觀念，成為本發(fā)明所述工作的初衷。
[0022]此外，需要說(shuō)明的是，本說(shuō)明書(shū)中所描述的具體實(shí)施例，其零、部件的形狀、所取名稱(chēng)等可以不同。凡依本發(fā)明專(zhuān)利構(gòu)思所述的構(gòu)造、特征及原理所做的等效或簡(jiǎn)單變化，均包括于本發(fā)明專(zhuān)利的保護(hù)范圍內(nèi)。本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類(lèi)似的方式替代，只要不偏離本發(fā)明的結(jié)構(gòu)或者超越本權(quán)利要求書(shū)所定義的范圍，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.ー種高低壓渦輪的過(guò)渡段結(jié)構(gòu)，所述過(guò)渡段是由過(guò)渡段內(nèi)端壁和過(guò)渡段外端壁構(gòu)成的一個(gè)環(huán)形通道，其進(jìn)ロ與高壓渦輪級(jí)出口聯(lián)接，其出口與低壓渦輪級(jí)進(jìn)ロ聯(lián)接，在所述環(huán)形通道內(nèi)置有由支板長(zhǎng)葉片和低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片構(gòu)成的大小葉片排；其特征在于，所述支板長(zhǎng)葉片與低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片的大小葉片呈一體化結(jié)構(gòu)布局，所述支板長(zhǎng)葉片沿周向均布在所述環(huán)形通道內(nèi)，相鄰兩片支板長(zhǎng)葉片之間沿周向均布有若干片低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片，且各低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片的尾緣與各支板長(zhǎng)葉片的尾緣對(duì)齊布置，且所述支板長(zhǎng)葉片與低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片具有相同的尾緣型面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高低壓渦輪的過(guò)渡段結(jié)構(gòu)，其特征是:所述過(guò)渡段的中位角0大于35°，所述過(guò)渡段的出口與進(jìn)ロ的面積比Aout/Ain大于1.3，所述過(guò)渡段的無(wú)量綱軸向長(zhǎng)度L/H小于1.5，其中，Aout為過(guò)渡段的出ロ面積，Ain為過(guò)渡段的進(jìn)ロ面積，L為過(guò)渡段的軸向長(zhǎng)度，H為高壓渦輪轉(zhuǎn)子高度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高低壓渦輪的過(guò)渡段結(jié)構(gòu)，其特征是:所述過(guò)渡段內(nèi)沿周向均布有7-16片支板長(zhǎng)葉片，每相鄰兩片所述支板長(zhǎng)葉片之間沿周向均布有3?5片低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的高低壓渦輪的過(guò)渡段結(jié)構(gòu)，其特征是:所述支板大葉片的軸向弦長(zhǎng)為位于其上游的高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片中部軸向弦長(zhǎng)的2.5?3倍，所述低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片軸向弦長(zhǎng)為所述高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片中部軸向弦長(zhǎng)的1.2?1.5倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的高低壓渦輪的過(guò)渡段結(jié)構(gòu)，其特征是:所述支板長(zhǎng)葉片與低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片尾緣具有相同的型面。
【文檔編號(hào)】F02C7/00GK103437888SQ201310407137
【公開(kāi)日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2013年9月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月9日
【發(fā)明者】盧新根, 張燕峰, 朱俊強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所