一种用于提高跨声速涡轮动叶顶部气热性能的叶尖结构及叶片

1.本发明涉及燃气涡轮叶片冷却技术领域，具体为一种用于提高跨声速涡轮动叶顶部气热性能的叶尖结构。


背景技术：

2.燃气轮机在推进、电力、石油等能源领域的作用日益增加，而涡轮作为燃气轮机装置的核心组成部件之一，其气热性能的改善对燃气轮机整体性能的提升十分关键。高性能的燃气涡轮一直以大推力、高效率、低重量、小尺寸等目标方向发展。为适应这一需求，高负荷、跨声速涡轮的研究与设计一直是各国航空发动机设计的主攻方向之一。在高负荷涡轮叶栅中，由于叶片做工量、折转角的提高，其高压动叶出口气流角较小、出口马赫数较高，几乎必然产生跨声速现象。尤其在动叶顶部间隙，泄漏流马赫数可超1.5，跨声速间隙泄漏流动对叶顶换热产生很大影响。
3.在燃气轮机涡轮中，动叶与静止机匣之间存在相对运动，为避免动静部件之间的摩擦且为工作过程中动叶的离心力与热膨胀作用预留空间，动叶叶顶通常采用无冠设计。在压力梯度作用下，无冠动叶顶部与机匣之间的间隙会有高温泄漏流通过。一方面，叶顶泄漏流会明显增加气动损失。在亚声速涡轮叶栅中，叶顶泄漏损失可达叶型损失的1/3，而在超声速叶栅中，这个比例将达到50％。；另一方面主流与泄漏流的掺混会强化叶顶区域的换热强度。研究发现相较于亚声速流动，跨声速流动在叶顶区域形成的分离区较小，叶顶间隙内部形成的激波作用于邻侧吸力面，导致该处边界层发生分离和再附，并影响了叶顶间隙通道涡、角涡等二次流结构，造成叶顶区域具有很大的换热强度，影响叶片的使用寿命和发动机的安全运行。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于提高跨声速涡轮动叶顶部气热性能的叶尖结构，在叶尖的顶部设计阶梯凹槽使得该处气流加速从而降低换热系数，有效控制跨声速涡轮动叶顶泄漏造成的气动损失同时改善叶顶区域的换热特性。
5.提高了跨声速涡轮动叶顶部的整体性能。
6.本发明是通过以下技术方案来实现：
7.一种用于提高跨声速涡轮动叶顶部气热性能的叶尖结构，包括设置叶顶泄漏流亚音速流动区域的阶梯状凹槽，阶梯状凹槽自叶片前缘沿流向布置，阶梯状凹槽的空间自叶顶向下逐阶缩小。
8.优选的，所述阶梯状凹槽靠近尾缘的侧壁垂直于叶片的中弧线。
9.优选的，所述阶梯状凹槽沿流向长度l为0.05～0.5倍的叶片弦长。
10.优选的，所述阶梯状凹槽的深度为叶顶间隙高度g的1-2.5倍。
11.优选的，所述阶梯状凹槽为双阶梯结构。
12.优选的，所述阶梯状凹槽包括下凹槽和上凹槽；
13.所述上凹槽的肩壁宽度w1为0.5～1.5g，下凹槽的肩壁宽度w2为0.4～0.8g，上凹槽的肩壁深度d1为0.5～1.5g，下凹槽的肩壁深度d1为0.5～1.5g；
14.其中，g为叶顶间隙高度。
15.优选的，所述叶顶间隙高度g为1mm，叶片的弦长c57mm。
16.一种涡轮机叶片，该叶片的叶尖设置所述的叶尖结构。
17.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
18.本发明提出的一种用于提高跨声速涡轮动叶顶部气热性能的阶梯凹槽结构。通过在跨声速涡轮动叶叶型基础上自叶片前缘开始沿流向在叶顶间隙泄漏流亚声速流动区域内进行双阶梯凹槽造型。该结构的优点是凹槽结构可减缓泄漏流在亚声速流动区域的流动速度，降低该处马赫数，湍流水平减弱从而减小了造型范围内的平均换热系数。同时阶梯凹槽结构保证了凹槽肩壁的最佳宽深比，在不影响叶顶凹槽造型之后结构强度的同时，增大了凹腔面积，改变了叶顶泄漏流在进入凹槽之后的流动结构，有效抑制了泄漏流的横向流动，提高了涡轮动叶的整体气动效率。此外，阶梯凹槽尾部垂直于叶顶中弧线的矩形结构设计阻断了凹槽腔室涡的发展，改善了叶顶中弦至尾缘处的换热特性。
附图说明
19.图1为本发明跨声速涡轮动叶凹槽叶顶的结构示意图；
20.图2为本发明跨声速涡轮动叶凹槽叶顶的俯视图；
21.图3为本发明跨声速涡轮动叶凹槽叶顶的侧视图；
22.图4为本发明跨声速涡轮动叶凹槽叶顶的剖视图。
23.图中：1-叶片，2-上凹槽壁面，3-上凹槽肩壁，4-下凹槽肩壁，5-下下凹槽避免，6-叶顶。
具体实施方式
24.下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
25.参阅图1-4，一种用于提高跨声速涡轮动叶顶部气热性能的叶尖结构，包括设置在叶片的叶顶泄漏流亚音速流动区域的阶梯状凹槽，阶梯状凹槽自叶片前缘沿流向布置，阶梯状凹槽的空间自叶顶向下逐阶缩，阶梯状凹槽靠近尾缘的侧壁垂直于中弧线。
26.该叶尖结构通过在叶顶泄漏流亚音速流动区域设置阶梯状凹槽结构，使叶顶间隙亚音速流动区域处马赫数减小，泄漏流湍流水平降低，削弱了该处局部换热强度；凹槽结构改变了叶顶泄漏流冲击在凹槽底面形成的分离线和再附线位置；凹槽肩壁深度的增加有效抑制了泄漏流的横向流动，在前缘处形成阶梯状凹槽使得该处气流加速从而降低换热系数，提高了跨声速涡轮动叶顶部的整体性能。
27.该阶梯凹槽自叶片的前缘向尾缘延伸，其长度l为叶片弦长c的0.05～0.5倍，所述阶梯凹槽的深度为叶顶间隙高度g的1-2.5倍，所述叶顶间隙高度g与叶片弦长c的值分别为1mm和57mm。
28.所述阶梯状凹槽的阶梯数量为多个，优选为2个。
29.参阅图4，阶梯状凹槽包括下凹槽和上凹槽，上凹槽的肩壁宽度w1为0.5～1.5g，下凹槽的肩壁宽度w2为0.4～0.8g，上凹槽的肩壁深度d1为0.5～1.5g，下凹槽的肩壁深度d1为0.5～1.5g，所述阶梯状凹槽的流向长度l为叶片弦长c的0～0.5倍，本实施例中，所述叶顶间隙高度g为1mm，叶片弦长c57mm。
30.该阶梯状凹槽形成在叶顶的叶顶泄漏流亚音速流动区域，并且阶梯状凹槽结构靠近叶尾的一端为垂直的平面，并且垂直于中弧线。
31.实施例1
32.一种用于提高跨声速涡轮动叶顶部气热性能的叶尖结构，在叶片的叶顶泄漏流亚音速流动区域的阶梯状凹槽，阶梯状凹槽在叶尖的顶部形成矩形结构。阶梯状凹槽为双阶梯结构，包括上下叠置的上凹槽和下凹槽。
33.上凹槽和下凹槽的结构相同，均包括第一阶梯面和第二阶梯面组成的环向封闭结构，第二阶梯面为u型结构，以叶缘为起点沿叶背和叶盘的边缘延伸至叶片的中弧线，第一阶梯面垂直与中弧线，并与第二阶梯面的两端相接形成环形封闭结构。
34.所述阶梯状凹槽沿流向长度l为0.5c；叶顶间隙高度g与叶片弦长c的值分别为1mm和57mm。
35.所述上凹槽肩壁3宽度w1为1.0mm，上凹槽壁面2深度d1为1.0mm。
36.所述下凹槽肩壁4宽度为w2为0.6mm；下凹槽壁面5深度为d2为0.5mm。
37.本实施例中，上下肩壁宽度比为w1/w2＝5/3，上下肩壁深度比为d1/d2＝2/1，通过对上下凹槽大小的不同设置形成的阶梯状凹槽，使叶顶泄漏流冲击在叶顶表面的距离增加，造型区域内的马赫数降低，冲击强度减弱从而降低了叶顶前缘区域的局部换热强度，0.5c范围内的流向造型既阻断了凹槽腔室内角涡及腔室涡的流向发展，有抑制了该区域内泄漏流的横向折转，减少了叶尖泄漏量。
38.另一实施例中，还提供了一种叶片，该叶片的叶尖端面设置有上述用于提高跨声速涡轮动叶顶部气热性能的叶尖结构。
39.本发明提供的叶尖结构，凹槽型的叶顶可以使泄漏流在压力面侧和吸力面侧形成流动分离，并且在凹槽腔室内形成复杂涡系结构，这些涡系结构会影响泄漏流在凹槽腔室内的流动状态。凹槽叶顶的流动特性随着凹槽形状的变化而变化，增加凹槽深度会降低叶顶区域的平均nu数。跨声速涡轮叶顶间隙流动传热特性发现，跨声速叶栅顶部间隙流动结构随着间隙高度的增大发生剧烈变化。本发明通过阶梯凹槽改变了叶顶的泄漏流亚音速流动结构，降低泄漏流流动速度从而削弱此处湍流水平，使造型区域泄漏流分离区域缩减，叶顶表面与高温燃气的换热强度和换热面积均有所降低；另一方面，局部阶梯状凹槽保证叶顶开槽空间的同时不对结构强度产生影响，抑制了泄漏流自压力面向吸力面侧的横向泄漏和凹槽内部涡系结构的发展，在保证叶顶结构的可靠性下提高了气动效率。
40.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于提高跨声速涡轮动叶顶部气热性能的叶尖结构，其特征在于，包括设置叶顶泄漏流亚音速流动区域的阶梯状凹槽，阶梯状凹槽自叶片前缘沿流向布置，阶梯状凹槽的空间自叶顶向下逐阶缩小。2.根据权利要求1所述的一种用于提高跨声速涡轮动叶顶部气热性能的叶尖结构，其特征在于，所述阶梯状凹槽靠近尾缘的侧壁垂直于叶片的中弧线。3.根据权利要求1所述的一种用于提高跨声速涡轮动叶顶部气热性能的叶尖结构，其特征在于，所述阶梯状凹槽沿流向长度l为0.05～0.5倍的叶片弦长。4.根据权利要求1所述的一种用于提高跨声速涡轮动叶顶部气热性能的叶尖结构，其特征在于，所述阶梯状凹槽的深度为叶顶间隙高度g的1-2.5倍。5.根据权利要求1所述的一种用于提高跨声速涡轮动叶顶部气热性能的叶尖结构，其特征在于，所述阶梯状凹槽为双阶梯结构。6.根据权利要求5所述的一种用于提高跨声速涡轮动叶顶部气热性能的叶尖结构，其特征在于，所述阶梯状凹槽包括下凹槽和上凹槽；所述上凹槽的肩壁宽度w1为0.5～1.5g，下凹槽的肩壁宽度w2为0.4～0.8g，上凹槽的肩壁深度d1为0.5～1.5g，下凹槽的肩壁深度d1为0.5～1.5g；其中，g为叶顶间隙高度。7.根据权利要求6所述的一种用于提高跨声速涡轮动叶顶部气热性能的叶尖结构，其特征在于，所述叶顶间隙高度g为1mm，叶片的弦长c57mm。8.一种涡轮机叶片，其特征在于，该叶片的叶尖设置有权利要求1-7任一项所述的叶尖结构。

技术总结
本发明公开了一种用于提高跨声速涡轮动叶顶部气热性能的叶尖结构及叶片，包括设置叶顶泄漏流亚音速流动区域的阶梯状凹槽，阶梯状凹槽自叶片前缘沿流向布置，阶梯状凹槽的空间自叶顶向下逐阶缩小。该叶尖结构通过在叶顶泄漏流亚音速流动区域设置阶梯状凹槽结构，使叶顶间隙亚音速流动区域处马赫数减小，泄漏流湍流水平降低，削弱了该处局部换热强度；凹槽结构改变了叶顶泄漏流冲击在凹槽底面形成的分离线和再附线位置；凹槽肩壁深度的增加有效抑制了泄漏流的横向流动，在前缘处形成阶梯状凹槽使得该处气流加速从而降低换热系数，提高了跨声速涡轮动叶顶部的整体性能。跨声速涡轮动叶顶部的整体性能。跨声速涡轮动叶顶部的整体性能。


技术研发人员：杜昆 惠娜 孙诚 王旭博 李远涌 刘存良
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2023.04.26
技术公布日：2023/6/27