一種低壓渦輪葉片結(jié)構(gòu)及降低葉片損失的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低壓渦輪葉片結(jié)構(gòu)及降低葉片氣動損失的方法，可抑制航空發(fā)動機高負荷及超高負荷低壓渦輪葉片氣流分離，提高渦輪效率，針對在航空發(fā)動機巡航狀態(tài)下，低壓渦輪葉片吸力面易于分離、渦輪效率較低的問題，通過在葉片吸力面分離點上游增加葉片表面的粗糙度，該粗糙度隨流向逐漸變化，在加速葉片表面低能流體轉(zhuǎn)捩的同時最大限度地降低了額外的摩擦損失，從而提高低壓渦輪工作效率，擴大低壓渦輪工作裕度。
【專利說明】一種低壓渦輪葉片結(jié)構(gòu)及降低葉片損失的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種適用于航空發(fā)動機的具有吸力面表面粗糙度的渦輪葉片，該種結(jié)構(gòu)的葉片可有效地降低渦輪葉片的分離損失，提高航空發(fā)動機效率。

【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前大涵道比渦扇發(fā)動機由于其出色的耗油率及推力特性而被廣泛地應(yīng)用于民用航空。低壓渦輪因級數(shù)較多，其重量可占整臺發(fā)動機的20%?30%，降低低壓渦輪重量是發(fā)動機減重的有效途徑之一，同時也可提高發(fā)動機推重比、降低制造和運營維護成本。目前研究較多的減重方案是通過提高葉型的負荷來進行減重。高負荷葉片設(shè)計就是通過減小葉片稠度來提高單個葉片的氣動負荷，從而在保持原有級載荷水平的基礎(chǔ)上減小單級葉片數(shù)目。提高葉片載荷意味著渦輪葉型要經(jīng)歷比低載荷更大的逆壓梯度，導(dǎo)致了附面層易于分離，葉型損失增加。另外，對于民用大涵道比渦扇發(fā)動機，其設(shè)計狀態(tài)(巡航狀態(tài))下的低壓渦輪始終處于低Re數(shù)工作狀態(tài)，這進一步導(dǎo)致了低壓渦輪葉片吸力面附面層的流動分離，從而大幅增加葉型損失，影響低壓渦輪的氣動效率。
[0003]對于低壓渦輪，特別是末級葉片通常較長，展弦比較大(一般處于3:1 — 7:1)，在這在種情況下，葉片兩端區(qū)的三維流動損失在總損失中占比較小，二維葉型損失則占比較高，而二維葉型損失主要由分離損失造成，因此如何降低吸力面附面層分離成為渦輪設(shè)計的焦點之一。本發(fā)明在原有渦輪葉片的基礎(chǔ)上，通過在指定位置布置粗糙條帶，可有效地抑制分離，提高渦輪效率。
[0004]傳統(tǒng)的粗糙度被動控制方案通常是在某一區(qū)域布置一段固定高度的粗糙條帶，該方法可以在低Re數(shù)下有效地降低分離損失，但在高Re數(shù)狀態(tài)卻會帶來額外的損失使得控制效果下降，甚至直接導(dǎo)致控制方案的失敗。本發(fā)明對原有的粗糙度被動控制方案進行了改進，目的是降低高Re狀態(tài)下的額外損失，使分離控制更加精確、有效。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足，本發(fā)明旨在提供一種低壓渦輪葉片結(jié)構(gòu)及降低葉片氣動損失的方法，通過在低壓渦輪葉片的適當(dāng)區(qū)域布置高度變化的粗糙條帶，不僅可以在低Re數(shù)下有效地降低分離損失，還可以有效地降低高Re數(shù)下的額外損失，使分離控制更加精確、有效，從而提聞潤輪效率。
[0006]為解決其技術(shù)問題，根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種低壓渦輪葉片結(jié)構(gòu)，特別適用于降低航空發(fā)動機高負荷及超高負荷低壓渦輪葉片葉型損失，所述低壓渦輪葉片包括葉片前緣、葉片吸力側(cè)、葉片壓力側(cè)和葉片尾緣，其特征在于，在所述葉片吸力側(cè)的表面上設(shè)置粗糙帶，根據(jù)葉高中部的二維葉型來確定所述粗糙帶的起始、終止位置:
[0007]-以所述葉高中部二維葉型吸力側(cè)表面的速度峰值點至葉片前緣1/2處作為基點，沿葉片展向向葉根及葉尖兩側(cè)延伸形成一條曲線，以該曲線作為所述粗糙帶布置位置的起始點；
[0008]-以所述葉高中部二維葉型在吸力側(cè)表面未設(shè)置粗糙帶時的氣流分離點作為基點，沿葉片展向向葉根及葉尖兩側(cè)延伸形成整個葉片的分離線，以該分離線作為所述粗糙帶布置位置的終止點；
[0009]其中，所述葉高中部為40?60%的葉片展向位置。
[0010]本發(fā)明的低壓渦輪葉片結(jié)構(gòu)中，所述粗糙帶上的粗糙高度為恒定粗糙高度或變粗糙高度。
[0011]本發(fā)明的低壓渦輪葉片結(jié)構(gòu)中，所述恒定粗糙高度按照如下方式進行設(shè)定:對布置粗糙帶的區(qū)域內(nèi)的光潔葉型下的附面層高度進行積分，選取該積分值的10%作為所述恒定粗糙高度。
[0012]本發(fā)明的低壓渦輪葉片結(jié)構(gòu)中，所述變粗糙高度按照如下方式進行設(shè)定:細化布置粗糙帶的區(qū)域內(nèi)的光潔葉型下的附面層，對光潔葉型下的附面層高度變化較大的區(qū)域進行分割，對細化后的區(qū)域的附面層高度進行積分，選取該積分值的10%作為該區(qū)域的粗糙高度。可根據(jù)不同葉片的附面層變化規(guī)律得出不同的劃分方式。這種細化后的變粗糙高度布置方式效果較好的原因在于使每一部分的粗糙高度剛好起到擾動附面層的作用，在促進轉(zhuǎn)捩的同時又不產(chǎn)生額外的阻力。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供了一種降低渦輪葉片氣動損失的方法，所述低壓渦輪葉片包括葉片前緣、葉片吸力側(cè)、葉片壓力側(cè)和葉片尾緣，其特征在于，在所述葉片吸力側(cè)的表面上設(shè)置粗糙帶，根據(jù)葉高中部的二維葉型來確定所述粗糙帶的起始、終止位置:
[0014]-以所述葉高中部二維葉型吸力側(cè)表面的速度峰值點至葉片前緣1/2處作為基點，沿葉片展向向葉根及葉尖兩側(cè)延伸形成一條曲線，以該曲線作為所述粗糙帶布置位置的起始點；
[0015]一以所述葉高中部二維葉型在吸力側(cè)表面未設(shè)置粗糙帶時的氣流分離點作為基點，沿葉片展向向葉根及葉尖兩側(cè)延伸形成整個葉片的分離線，以該分離線作為所述粗糙帶布置位置的終止點；
[0016]其中，所述葉高中部為40?60%的葉片展向位置。
[0017]優(yōu)選地，所述粗糙帶上的粗糙高度為恒定粗糙高度或變粗糙高度。
[0018]進一步地，所述恒定粗糙高度按照如下方式進行設(shè)定:對布置粗糙帶的區(qū)域內(nèi)的光潔葉型下的附面層高度進行積分，選取該積分值的10%作為所述恒定粗糙高度。
[0019]進一步地，所述變粗糙高度按照如下方式進行設(shè)定:細化布置粗糙帶的區(qū)域內(nèi)的光潔葉型下的附面層，對光潔葉型下的附面層高度變化較大的區(qū)域進行分割，對細化后的區(qū)域的附面層高度進行積分，選取該積分值的10%作為該區(qū)域的粗糙高度。
[0020]同現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的低壓渦輪葉片結(jié)構(gòu)及降低葉片氣動損失的方法具有顯著的技術(shù)效果:對于渦輪葉片分離控制的方法很多，根據(jù)控制方式的不同可將其分為主動控制與被動控制。主動控制方法控制精確可調(diào)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實現(xiàn)較困難；被動控制不可調(diào)節(jié)，在不需要施加控制時不可移除，但其結(jié)構(gòu)簡單，工程應(yīng)用性較強。本發(fā)明屬于一種被動控制手段，該控制手段通過促進附面層氣流轉(zhuǎn)捩，使吸力面表面二維層流低能流體通過轉(zhuǎn)捩后形成的三維渦系獲取主流內(nèi)部能量，達到抑制分離，提高效率的目的。這種促進轉(zhuǎn)捩的方式與球渦、凸臺、拌線等被動控制手段的作用機理是一致的，但粗糙度控制手段具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、無需改變?nèi)~型、不影響葉片結(jié)構(gòu)強度等優(yōu)勢。變粗糙高度被動控制方案兼具了恒定粗糙高度控制方案在低Re數(shù)工況下的低分離損失及高工作裕度特性，同時還具有高Re數(shù)工況下低損失的特性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1 二維低壓渦輪葉片粗糙度布置位置示意圖；
[0022]圖2粗糖聞度不意圖。

【具體實施方式】
[0023]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0024]如圖1所示，本發(fā)明的低壓渦輪葉片結(jié)構(gòu)，包括葉片前緣1、葉片吸力側(cè)2、葉片壓力側(cè)3和葉片尾緣4，在葉片吸力側(cè)2的表面上設(shè)置粗糙帶5，根據(jù)葉高中部的二維葉型來確定所述粗糙帶的起始、終止位置。
[0025]1.粗糙度的起始、終止位置的確定
[0026]本發(fā)明使用葉高中部二維葉型來確定粗糙度的起始、終止位置，以該葉型在吸力側(cè)表面未設(shè)置粗糙帶時的氣流分離點作為基點，沿葉片展向(輪盤徑向)向葉根及葉尖兩側(cè)延伸形成整個葉片的分離線，以該分離線作為粗糙帶布置位置的終點52。選擇葉高中部二維葉型吸力側(cè)表面的速度峰值點至葉片前緣1/2處作為基點，沿葉片展向(輪盤徑向)向葉根及葉尖兩側(cè)延伸形成一條曲線，以該曲線作為粗糙帶布置位置的起始點51。
[0027]對于高負荷或者超高負荷低壓渦輪葉型，其分離點通常不隨來流條件的變化而改變。在對葉型進行粗糙度布置前需對葉型進行風(fēng)洞試驗，以此來確定葉型的分離線。由于葉型的端區(qū)二次流影響，渦輪葉片沿葉高的分離線變化較大，但本發(fā)明的設(shè)計初衷是為了降低二維葉型損失，因此忽略端區(qū)分離線與粗糙度尾緣不符的影響。
[0028]2.變粗糙高度的確定
[0029]圖2中標出了恒定粗糙高度與變粗糙高度的示意圖，橫坐標為流向位置，左側(cè)縱坐標為附面層高度，右側(cè)縱坐標為粗糙高度。對所布置粗糙度區(qū)域(本葉片為17.5%Cx-62% Cx)內(nèi)的光潔葉型下的附面層高度進行積分，恒定粗糙高度一般選取為該值的10% ;變粗糙高度通過細化粗糙條帶區(qū)域內(nèi)的附面層，對光潔葉型下的附面層高度變化較大的區(qū)域進行分割，對細化后的區(qū)域的附面層高度進行積分，選取該積分值的10%作為該區(qū)域的粗糙高度，圖中將粗糙區(qū)域劃分為3部分，可根據(jù)不同葉片的附面層變化規(guī)律得出不同的劃分方式。這種細化后的變粗糙高度布置方式效果較好的原因在于使每一部分的粗糙高度剛好起到擾動附面層的作用，在促進轉(zhuǎn)捩的同時又不產(chǎn)生額外的阻力。
[0030]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種低壓渦輪葉片結(jié)構(gòu)，特別適用于降低航空發(fā)動機高負荷及超高負荷低壓渦輪葉片葉型損失，所述低壓渦輪葉片包括葉片前緣、葉片吸力偵Μ十片壓力側(cè)和葉片尾緣，其特征在于，在所述葉片吸力側(cè)的表面上設(shè)置粗糙帶，根據(jù)葉高中部的二維葉型來確定所述粗糙帶的起始、終止位置: -以所述葉高中部二維葉型吸力側(cè)表面的速度峰值點至葉片前緣1/2處作為基點，沿葉片展向向葉根及葉尖兩側(cè)延伸形成一條曲線，以該曲線作為所述粗糙帶布置位置的起始占.-以所述葉高中部二維葉型在吸力側(cè)表面未設(shè)置粗糙帶時的氣流分離點作為基點，沿葉片展向向葉根及葉尖兩側(cè)延伸形成整個葉片的分離線，以該分離線作為所述粗糙帶布置位置的終止點； 其中，所述葉高中部為40?60%的葉片展向位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低壓渦輪葉片結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述粗糙帶上的粗糙高度為恒定粗糙高度或變粗糙高度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的低壓渦輪葉片結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述恒定粗糙高度按照如下方式進行設(shè)定:對布置粗糙帶的區(qū)域內(nèi)的光潔葉型下的附面層高度進行積分，選取該積分值的10%作為所述恒定粗糙高度。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低壓渦輪葉片結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述變粗糙高度時，粗糙高度沿著流向逐漸變化，其變化規(guī)律基于附面層沿流向的變化規(guī)律。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的低壓渦輪葉片結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述變粗糙高度按照如下方式進行設(shè)定:細化布置粗糙帶的區(qū)域內(nèi)的光潔葉型下的附面層，對光潔葉型下的附面層高度變化較大的區(qū)域進行分割，對細化后的區(qū)域的附面層高度進行積分，選取該積分值的10%作為該區(qū)域的粗糙高度。
6.一種降低渦輪葉片氣動損失的方法，所述低壓渦輪葉片包括葉片前緣1、葉片吸力側(cè)2、葉片壓力側(cè)3和葉片尾緣4，其特征在于，在所述葉片吸力側(cè)的表面上設(shè)置粗糙帶，根據(jù)葉高中部的二維葉型來確定所述粗糙帶的起始、終止位置: -以所述葉高中部二維葉型吸力側(cè)表面的速度峰值點至葉片前緣1/2處作為基點，沿葉片展向向葉根及葉尖兩側(cè)延伸形成一條曲線，以該曲線作為所述粗糙帶布置位置的起始占.-以所述葉高中部二維葉型在吸力側(cè)表面未設(shè)置粗糙帶時的氣流分離點作為基點，沿葉片展向向葉根及葉尖兩側(cè)延伸形成整個葉片的分離線，以該分離線作為所述粗糙帶布置位置的終止點； 其中，所述葉高中部為40?60%的葉片展向位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述粗糙帶上的粗糙高度為恒定粗糙高度或變粗糙高度。
8.根據(jù)權(quán)利要求6和7所述的方法，其特征在于，所述恒定粗糙高度按照如下方式進行設(shè)定:對布置粗糙帶的區(qū)域內(nèi)的光潔葉型下的附面層高度進行積分，選取該積分值的10%作為所述恒定粗糙高度。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述變粗糙高度按照如下方式進行設(shè)定:細化布置粗糙帶的區(qū)域內(nèi)的光潔葉型下的附面層，對光潔葉型下的附面層高度變化較大的區(qū)域進行分割，對細化后的區(qū)域的附面層高度進行積分，選取該積分值的10%作為該區(qū)域的粗糙高度。
【文檔編號】F01D5/14GK104314618SQ201410528718
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月9日
【發(fā)明者】孫爽, 雷志軍, 盧新根, 呂建波, 張波 申請人:中國科學(xué)院工程熱物理研究所