本發(fā)明屬于一種燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪動(dòng)葉葉片,具體涉及一種渦輪轉(zhuǎn)子葉片葉頂?shù)脑O(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)和裝置。
背景技術(shù):現(xiàn)代燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)主要包括三個(gè)部件:壓氣機(jī)、燃燒室和渦輪。氣流流經(jīng)壓氣機(jī)時(shí)被壓縮成為高壓氣體,然后在燃燒室內(nèi)和燃油進(jìn)行混合燃燒成為高溫高壓燃?xì)?,這種燃?xì)饬鹘?jīng)渦輪時(shí)對(duì)渦輪做功,推動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),而渦輪帶動(dòng)壓氣機(jī)。渦輪轉(zhuǎn)子葉片通常包括前緣、壓力面、吸力面、尾緣和葉頂。在渦輪轉(zhuǎn)子中,為了防止渦輪動(dòng)葉葉頂和外機(jī)匣壁之間發(fā)生摩擦,在它們之間會(huì)留有一定間隙。主流通道內(nèi)的流體在壓力面和吸力面壓力梯度力的驅(qū)動(dòng)下由壓力面?zhèn)攘飨蛭γ鎮(zhèn)?,形成葉頂泄漏流和相應(yīng)的葉頂泄漏渦。葉頂泄漏流會(huì)形成流動(dòng)損失,同時(shí)這部分流體對(duì)渦輪轉(zhuǎn)子幾乎不做功,因此降低了渦輪的功率輸出。為了改善燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,要降低葉頂泄漏流的不利作用。如果采用傳統(tǒng)的平面,減少葉頂泄漏損失的方法是將葉頂間隙設(shè)計(jì)得盡可能小,不過(guò)葉頂間隙的最小值受到加工精度等因素的限制,總有一個(gè)最小值。另一方面,在一些已知燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪轉(zhuǎn)子中,在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間,該間隙的大小會(huì)隨著使用時(shí)間的增加而增大,葉尖流動(dòng)會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能造成更大的不利影響。通過(guò)采用特殊設(shè)計(jì)的葉頂結(jié)構(gòu)是另外一種用于控制渦輪葉頂流動(dòng)不利影響的方法,目前已知的一些方法包括采用凹槽和小翼等幾何結(jié)構(gòu),這些方法主要是通過(guò)降低葉尖泄漏流的方法。事實(shí)上,葉尖附近的流動(dòng)除了葉尖泄漏渦之外,還有刮削渦和通道渦,其中這些渦系結(jié)構(gòu)都是形成流動(dòng)損失,降低渦輪效率的原因。高壓渦輪中的流體為高溫的燃?xì)?,造成葉頂?shù)臒岣g和氧化,降低發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命,葉尖泄漏渦之外,刮削渦和通道渦均會(huì)造成葉頂局部區(qū)域傳熱性能降低。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:本發(fā)明的目的是提供一種采用葉頂肋翼結(jié)構(gòu)的渦輪葉片,它通過(guò)抑制渦系結(jié)構(gòu)的發(fā)展來(lái)降低葉頂附近流動(dòng)摻混的損失,達(dá)到提高渦輪效率,增大渦輪輸出功,并改善渦輪的傳熱性,延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的目的。抑制渦系結(jié)構(gòu)的發(fā)展也可以降低葉片表面的傳熱,從而達(dá)到改善傳熱性能的目的。本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的,一種采用葉頂肋翼結(jié)構(gòu)的渦輪葉片,它包括葉片壓力面?zhèn)刃∫?、葉片吸力面?zhèn)刃∫?,葉片壓力面?zhèn)刃∫砼c葉片吸力面?zhèn)刃∫碇g形成葉頂中部的腔體。所述的壓力面小翼的起始點(diǎn)A接近葉片前緣,終止點(diǎn)B接近葉片尾緣;壓力面起始點(diǎn)A位于吸力面上,距葉片前緣的距離為0%-50%的壓力面長(zhǎng)度,壓力面的終止點(diǎn)B位于壓力面上,距葉片尾緣的距離為40%-90%的壓力面長(zhǎng)度。壓力面小翼的寬度W為壓力面小翼邊緣到葉片壓力面之間的垂直距離,其取值范圍是0到0.5倍的葉片最大厚度。吸力面小翼起始點(diǎn)C位于葉片吸力面上,距葉片前緣的距離為0%-15%的吸力面長(zhǎng)度,吸力面小翼終止點(diǎn)D在位于葉片吸力面,距葉片尾緣的距離為10%-55%的吸力面長(zhǎng)度。吸力面小翼厚度K為吸力面小翼邊緣到葉片吸力面之間的垂直距離,從吸力面小翼起始點(diǎn)C開(kāi)始,到吸力面小翼終止點(diǎn)D為止,葉片厚度K呈先增大后減小的分布,吸力面小翼厚度K具有一個(gè)最大厚度,取值范圍是0.1到1倍的葉片最大厚度,吸力面小翼最大厚度的位置距葉片前緣的距離為20%-60%的吸力面長(zhǎng)度。葉片頂部具有一個(gè)凹槽結(jié)構(gòu),內(nèi)圈型線(xiàn)為葉頂中凹槽的型線(xiàn),凹槽型線(xiàn)和葉頂外圈型線(xiàn)之間的寬度為M,具體寬度在不同的位置取不同值,最大寬度小于2倍的葉片最大厚度。葉片壓力面9在F點(diǎn)開(kāi)始,向葉頂壓力面小翼開(kāi)始過(guò)渡。在F點(diǎn)附近采用曲線(xiàn)或直線(xiàn)或曲線(xiàn)直線(xiàn)組合的線(xiàn)段的方式過(guò)渡,線(xiàn)段與壓力面小翼葉頂面之間存在一個(gè)夾角,夾角可以為尖銳的角或者采用倒角處理。葉頂平面到F點(diǎn)沿展向的距離P不大于葉片弦長(zhǎng)的10%;葉片葉頂面和凹槽結(jié)構(gòu)底部的距離T的取值范圍在1%-7%葉片弦長(zhǎng)范圍內(nèi)。葉片吸力面從G點(diǎn)開(kāi)始向吸力面小翼過(guò)渡。在G點(diǎn)附近采用曲線(xiàn)或直線(xiàn)或曲線(xiàn)直線(xiàn)組合的線(xiàn)段過(guò)渡,該線(xiàn)段和吸力面小翼頂面之間存在一個(gè)夾角,該夾角H的范圍為35度-120度;夾角為尖銳的角或者采用倒角處理。內(nèi)圈凹槽型線(xiàn)和外圈小翼輪廓線(xiàn)之間的寬度在不同的位置取不同值,在該截面處,壓力面小翼內(nèi)側(cè)和凹槽底部的夾角為W,W大于90度;壓力面小翼內(nèi)側(cè)面和凹槽底部的夾角為W,W大于70度,在該截面處,吸力面小翼內(nèi)側(cè)面和凹槽底部的夾角為X,夾角X大于70度。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):利用了壓力面小翼、吸力面小翼和葉頂中部的腔體組合的葉頂結(jié)構(gòu),來(lái)控制葉頂泄漏流的流動(dòng)。其中壓力面小翼可以用來(lái)降低驅(qū)動(dòng)葉頂間隙進(jìn)口的壓力,并且增大葉頂間隙壓力面進(jìn)口處的分離區(qū),這些作用可以使得驅(qū)動(dòng)葉頂泄漏流的壓力差降低,并且減小葉頂泄漏流的有效流通通道面積,從而降低葉頂泄漏流;通常情況下,在葉頂間隙吸力側(cè)附近的壓力是較低的,對(duì)于葉頂泄漏流來(lái)說(shuō),較低的壓力會(huì)增加葉頂泄漏流的流量。另外,這樣的壓力分布會(huì)在機(jī)匣附近形成一個(gè)由壓力面指向吸力面的壓力梯度,從而驅(qū)動(dòng)機(jī)匣上的邊界層流動(dòng)發(fā)生分離,形成刮削渦等渦系結(jié)構(gòu)。本發(fā)明中的吸力面小翼利用泄漏流在葉頂間隙出口處和機(jī)匣刮削的相互作用來(lái)抑制泄漏流動(dòng)。此時(shí)會(huì)在葉頂間隙壓力側(cè)出口處出口形成一個(gè)局部的高壓區(qū),從而降低驅(qū)動(dòng)葉頂泄漏流的壓力差,減少了葉頂泄漏流流量。另一方面,這個(gè)局部高壓區(qū)會(huì)在機(jī)匣附近形成從吸力面指向葉片中心通道的壓力梯度,這抑制了端壁邊界層的分離,并減少甚至消除了機(jī)匣附近的刮削渦結(jié)構(gòu)。在兩個(gè)小翼之間采用凹槽的結(jié)構(gòu),可以利用凹槽中的渦旋結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)一步加強(qiáng)葉頂間隙內(nèi)的流動(dòng)摻混,從而降低葉頂泄漏流流量。除了在燃?xì)廨啓C(jī)中,該渦輪葉頂設(shè)計(jì)技術(shù)可以增大渦輪輸出功,提高渦輪效率,因此也能廣泛用于其它各類(lèi)用于功率輸出的渦輪,比如說(shuō)動(dòng)力渦輪等。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明所提供的一種采用葉頂肋翼結(jié)構(gòu)的渦輪葉片的葉片和葉頂結(jié)構(gòu)圖;圖2為圖1的俯視示意圖;圖3為本發(fā)明所提供的一種采用葉頂肋翼結(jié)構(gòu)的渦輪葉片的葉片和葉頂?shù)牡湫徒孛鎴D;圖4為小翼間凹槽;圖5為本發(fā)明所提供的一種采用葉頂肋翼結(jié)構(gòu)的渦輪葉片的葉頂結(jié)構(gòu)對(duì)葉頂流動(dòng)作用效果圖中;圖6葉頂間隙中截面(F-F)的流場(chǎng)速度矢量分布、葉型和翼型圖;圖7為采用圓接近的葉片壓力面和吸力面;圖8為在葉頂吸力面出口處泄漏流量沿軸向弦長(zhǎng)德分布;圖9為葉片下游沿著展向的流動(dòng)損失。圖中,1壓力面小翼,2吸力面小翼,3壓力面和吸力面之間的凹槽,14葉片的吸力面,31葉片前緣,41葉片尾緣,W壓力面小翼寬度,A壓力面小翼起始點(diǎn),B壓力面小翼終止點(diǎn),C吸力面小翼起始點(diǎn),D吸力面小翼終止點(diǎn),9葉片壓力面,K吸力面小翼厚度,22凹槽的型線(xiàn),23位葉頂外圈型線(xiàn),F(xiàn)點(diǎn)葉片壓力面到壓力面小翼的過(guò)渡點(diǎn),7葉片壓力面到壓力面小翼的過(guò)渡線(xiàn)段,35葉片壓力面到壓力面小翼的過(guò)渡線(xiàn)段與壓力面小翼葉頂面之間的夾角,8葉頂平面,P葉頂平面到F點(diǎn)沿展向的距離,T葉頂面到凹槽底部的距離,G葉片吸力面到吸力面小翼的過(guò)渡點(diǎn),11葉片吸力面到吸力面小翼的過(guò)渡線(xiàn)段,10吸力面小翼頂面,H葉片壓力面到壓力面小翼的過(guò)渡線(xiàn)段與吸力面小翼葉頂面之間的夾角,12壓力面小翼內(nèi)側(cè),13凹槽底部面,W壓力面肋內(nèi)側(cè)和凹槽底部的夾角,36吸力面小翼內(nèi)側(cè)面,X吸力面肋內(nèi)側(cè)和凹槽底部的夾角,39機(jī)匣面37吸力面小翼最厚處,38葉頂中截面泄漏流與通道流的交接面,d葉片的厚度。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)介紹:如圖1所示,一種新型渦輪動(dòng)葉葉片的葉頂結(jié)構(gòu),包括葉片壓力面?zhèn)刃∫?、葉片吸力面?zhèn)刃∫?,葉片壓力面?zhèn)刃∫?與葉片吸力面?zhèn)刃∫?之間形成葉頂中部的腔體3。如圖2所示,壓力面小翼1的起始點(diǎn)A接近葉片前緣31,終止點(diǎn)B接近葉片尾緣41;壓力面起始點(diǎn)A位于吸力面上,距葉片前緣31的距離為0%-50%的壓力面長(zhǎng)度,壓力面的終止點(diǎn)B位于壓力面上,距葉片尾緣41的距離為40%-90%的壓力面長(zhǎng)度。壓力面小翼的寬度W為壓力面小翼邊緣到葉片壓力面9之間的垂直距離,其取值范圍是0到0.5倍的葉片最大厚度。吸力面小翼起始點(diǎn)C位于葉片吸力面上,距葉片前緣31的距離為0%-15%的吸力面長(zhǎng)度,吸力面小翼終止點(diǎn)D在位于葉片吸力面,距葉片尾緣41的距離為10%-55%的吸力面長(zhǎng)度。吸力面小翼厚度K為吸力面小翼邊緣到葉片吸力面14之間的垂直距離,從吸力面小翼起始點(diǎn)C開(kāi)始,到吸力面小翼終止點(diǎn)D為止,葉片厚度K呈先增大后減小的分布,吸力面小翼厚度K具有一個(gè)最大厚度,取值范圍是0.1到1倍的葉片最大厚度,吸力面小翼最大厚度的位置距葉片前緣31的距離為20%-60%的吸力面長(zhǎng)度。葉片頂部具有一個(gè)凹槽結(jié)構(gòu)3,內(nèi)圈型線(xiàn)為葉頂中凹槽的型線(xiàn)22,凹槽型線(xiàn)22和葉頂外圈型線(xiàn)23之間的寬度為M,具體寬度在不同的位置取不同值,最大寬度小于2倍的葉片最大厚度。葉片壓力面9在F點(diǎn)開(kāi)始,向葉頂壓力面小翼開(kāi)始過(guò)渡。在F點(diǎn)附近采用曲線(xiàn)或直線(xiàn)或曲線(xiàn)直線(xiàn)組合的線(xiàn)段7的方式過(guò)渡,線(xiàn)段7與壓力面小翼葉頂面之間存在一個(gè)夾角35,夾角35可以為尖銳的角,也可以采用倒角處理。葉頂平面8到F點(diǎn)沿展向的距離P不大于葉片弦長(zhǎng)的10%;葉片葉頂面8和凹槽結(jié)構(gòu)底部的距離T的取值范圍在1%-7%葉片弦長(zhǎng)范圍內(nèi)。葉片吸力面14從G點(diǎn)開(kāi)始向吸力面小翼過(guò)渡。在G點(diǎn)附近采用曲線(xiàn)或直線(xiàn)或曲線(xiàn)直線(xiàn)組合的線(xiàn)段過(guò)渡11,該線(xiàn)段11和吸力面小翼頂面10之間存在一個(gè)夾角H,該夾角H的范圍為35度-120度;夾角H可以為尖銳的角,也可以采用倒角處理。內(nèi)圈凹槽型線(xiàn)22和外圈小翼輪廓線(xiàn)23之間的寬度在不同的位置取不同值,在該截面處,壓力面小翼內(nèi)側(cè)12和凹槽底部13的夾角為W,W大于90度;壓力面小翼內(nèi)側(cè)面12和凹槽底部13的夾角為W,W大于70度,在該截面處,吸力面小翼內(nèi)側(cè)面36和凹槽底部13的夾角為X,夾角X大于70度。圖6是采用仿真方法所獲得的葉片葉頂中截面圖5中的F-F截面的速度,在該截面上的二維速度矢量分布。從速度矢量圖中可以看出泄漏流和主流的交接面38,葉頂吸力面小翼的設(shè)計(jì)在葉片通道的設(shè)計(jì)根據(jù)該流動(dòng)交接面的具體特性來(lái)確定,從葉片前緣點(diǎn)開(kāi)始20-60%的部分,吸力面小翼不再跟隨交接面38,向葉片吸力面靠攏。吸力面小翼最大厚度的位置距葉片前緣31的距離為20%-60%的吸力面長(zhǎng)度,具體取決于葉片負(fù)載等情況。圖7是不采用小翼設(shè)計(jì)的葉頂,采用圓接近的葉片壓力面和吸力面的直徑為d,定義為葉片的當(dāng)?shù)睾穸?。圖8是在葉頂吸力面出口處泄漏流量沿軸向弦長(zhǎng)德分布,可以看出采用本發(fā)明小翼葉頂?shù)男孤┝髁?6小于不采用小翼設(shè)計(jì)的葉頂?shù)男孤┝髁?5的葉頂,該效果在葉片通道前部尤其明顯。圖9是葉片下游沿著展向的流動(dòng)損失,不采用葉頂小翼時(shí)的泄漏渦損失55大于本發(fā)明中葉頂設(shè)計(jì)的泄漏渦損失56,不采用葉頂小翼時(shí)的二次渦和刮削渦損失53大于本專(zhuān)利中葉頂設(shè)計(jì)的二次渦和刮削渦損失54,可見(jiàn)本設(shè)計(jì)降低了流動(dòng)損失提高了效率。利用數(shù)值模擬方法,對(duì)該種帶壓力面和吸力面小翼葉頂?shù)臏u輪葉片做了流場(chǎng)分析,發(fā)現(xiàn)這種采用腔體和小翼結(jié)合的葉頂都能夠帶來(lái)葉片氣動(dòng)和傳熱性能上的提升。首先是葉頂泄漏流的質(zhì)量流量減少了,這使得流動(dòng)通道內(nèi)的流場(chǎng)更為均勻,從而降低了氣動(dòng)損失,提高了渦輪效率,并提高了渦輪輸出功,從而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。采用了葉頂這種新型葉頂之后,葉頂區(qū)域的換熱系數(shù)也降低了,這改善了渦輪的傳熱性能,可以達(dá)到延長(zhǎng)了渦輪的壽命的目的。