渐缩流道跨音速涡轮叶片及应用其的涡轮制造技术

本发明专利技术提供了一种渐缩流道跨音速涡轮叶片及应用其的涡轮。该渐缩流道跨音速涡轮叶片的表面三维型线由N个叶型沿半径方向积叠而成，其中，N≥3；该N个叶型中每个叶型均包括吸力面型线和压力面型线，该N个叶型中至少一个叶型的吸力面型线存在内凹型线。本发明专利技术渐缩流道跨音速涡轮叶片使叶片的气动总损失得到降低，有效降低了跨音速涡轮在超音速区的流动损失。

【技术实现步骤摘要】
渐缩流道跨音速涡轮叶片及应用其的涡轮
本专利技术涉及空气动力学领域，尤其涉及一种吸力面无遮盖段内凹的渐缩流道跨音速涡轮叶片及应用其的涡轮。
技术介绍
高负荷跨音速涡轮相比传统亚音速涡轮能有效提高级载荷，在高推重比航空发动机中得到了广泛应用。现有的高负荷跨音速涡轮(如GE公司的E3涡轮等)主要采用渐缩型流道，气流在喉口达到当地音速后在无遮盖通道中沿略微外凸或者平直的吸力面型线继续加速至超过当地音速。超音速气流在尾缘处产生的内外伸激波、膨胀波及它们各自在吸力面的反射波，与尾缘外伸激波构成了相互之间存在复杂影响关系的波系结构。该波系结构通常伴随着较大的速度梯度和熵增，不仅产生激波损失而且会影响吸力面边界层和尾迹的发展过程，从而改变叶片的气动损失。这些损失均会随着涡轮级载荷和叶片出口马赫数的提闻而增大。
技术实现思路
(一 )要解决的技术问题 鉴于上述技术问题，本专利技术提供了一种渐缩流道跨音速涡轮叶片及应用其的涡轮，以降低跨音速涡轮在超音速区的流动损失。 ( 二 )技术方案 根据本专利技术的一个方面，提供了一种渐缩流道跨音速涡轮叶片。该渐缩流道跨音速涡轮叶片的表面三维型线由N个叶型沿半径方向积叠而成，其中，N3 3 ;该N个叶型中每个叶型均包括吸力面型线和压力面型线，该N个叶型中至少一个叶型的吸力面型线存在内凹型线。 根据本专利技术的另一个方面，还提供了一种涡轮。该涡轮包括:涡轮转子；以及若干个上述的渐缩流道跨音速涡轮叶片，沿周向均匀分布在所述涡轮转子的轮毂面上。 (三)有益效果 从上述技术方案可以看出，本专利技术渐缩流道跨音速涡轮叶片及应用其的涡轮中，由于吸力面型线在其无遮盖段上存在内凹型线，从而使叶片的气动总损失得到降低，出口气流的周向不均匀性得到改善，并且减小了对下游叶片排边界层的非定常影响。 【附图说明】 图1A和图1B为本专利技术实施例渐缩流道跨音速涡轮叶片在不同视角下的三维立体图； 图1C为本专利技术实施例渐缩流道跨音速涡轮叶片的三维叶型积叠图； 图2为本实施例渐缩流道跨音速涡轮叶片与相邻叶片的叶型图； 图3为本专利技术实施例渐缩流道跨音速涡轮叶片一个叶型的吸力面型线贝塞尔曲线控制点分布图； 图4为本专利技术实施例涡轮的三维立体图。 【本专利技术主要元件符号说明】 1-叶型；2-吸力面型线； 3-压力面型线；4-叶型前缘； 5-叶型尾缘；6-叶型通道 7-遮盖段；8-无遮盖段的第一子段； 9-无遮盖段的第二子段； 10-无遮盖段的第三子段； 11_无遮盖段；12-重心: 13-积叠线； A、B、C、D、E-吸力面型线上的点； F-压力面型线的终点； L-无遮盖段的轴向长度； L2-无遮盖段第二子段的轴向长度；L3-无遮盖段第三子段的轴向长度； P1,P2,P3>P4>P5>P6>P7-贝塞尔曲线控制点。 【具体实施方式】 为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属
中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本专利技术的保护范围。 本专利技术提供了一种在吸力面无遮盖段存在内凹型线的渐缩流道跨音速涡轮叶片及应用其的涡轮。该叶片削弱了尾缘内伸激波反射波与尾缘外伸激波之间的强相互作用，减少了因二者叠加而产生的激波损失。 在本专利技术的一个示例性实施例中，提供了一种吸力面无遮盖段内凹的渐缩流道跨音速涡轮叶片。图1A和图1B为本专利技术实施例渐缩流道跨音速涡轮叶片在不同视角下的立体图。图1C为本专利技术实施例渐缩流道跨音速涡轮叶片三维叶型积叠图。 请参照图1A、图1B和图1C，本实施例渐缩流道跨音速涡轮叶片的表面三维型线由5个叶型沿半径方向(r方向)积叠而成，每个叶型由吸力面型线2和压力面型线3通过前缘、尾缘的圆弧平滑连接而成，且吸力面型线存在内凹型线。 以下对本实施例渐缩流道跨音速涡轮叶片的叶型进行详细说明。 图2为本实施例渐缩流道跨音速涡轮叶片与相邻叶片的叶型图。请参照图2，渐缩流道跨音速涡轮叶片的叶型1由吸力面型线2和压力面型线3通过叶型前缘4、叶型尾缘5的圆弧平滑连接。其中，该圆弧的半径介于0.1mm?5mm之间。 渐缩流道跨音速涡轮叶片的压力面型线3与相邻叶片叶型的吸力面型线2构成宽度逐渐减小的叶型通道6。该渐缩流道跨音速涡轮叶片叶型的前缘与相邻叶片同一半径位置叶型的前缘之间构成叶型通道6的进口。 请继续参照图2，叶型1的吸力面型线2沿轴向(z方向)包括:遮盖段7，为吸力面型线2位于叶型通道内的部分，如图2中点A与点B之间的部分；无遮盖段11，为吸力面型线2位于叶型通道外的部分，如图2中点B与点E之间的部分。当前渐缩流道跨音速涡轮叶片叶型的无遮盖段起点B与相邻叶片同一半径位置叶型压力面型线终点F之间构成叶型通道6的出口。 请继续参照图2，无遮盖段11沿轴向(z方向)又包括:第一子段8，朝向叶片外部方向凸出，如图2中点B与点C之间的部分；第二子段9，其朝向叶片内部方向凹入，为上述的内凹型线，如图2中点C与点D之间的部分；以及第三子段10，朝向叶片外部凸出或为平直，如图2中点D与点E之间的部分。 请参照图2和图3，第一子段8和第二子段9相连接。第一子段8和第二子段9连接点的曲率为0，该连接点两侧的第一子段8和第二子段9具有正负符号相反的曲率。第二子段9和第三子段10相连接。第二子段9和第三子段10连接点的曲率为0，该连接点两侧的第二子段9和第三子段10具有正负符号相反的曲率。 本实施例中，吸力面型线由7控制点的贝塞尔曲线生成。图3为本专利技术实施例渐缩流道跨音速涡轮叶片一个叶型的吸力面型线贝塞尔曲线控制点分布图。请参照图3，控制点PpP2和P3位于吸力面型线2的外侧，控制点P4、P5和P6位于吸力面型线2的内侦彳，控制点卩7位于吸力面型线2上，从而在轴向长度为L的无遮盖段11上构造轴向长度为L2的内凹型线9。 本实施例中，叶型的吸力面型线由7控制点的贝塞尔曲线构造。本领域技术人员应当清楚，贝塞尔曲线的控制点可以取4?无数个之间。对于该控制点取4?无数个的贝塞尔曲线，其需要满足以下条件，才可以构成本专利技术渐缩流道跨音速涡轮叶片的吸力面型线. (1)轴向前端部分的控制点中至少有一个位于吸力面型线的外侧； (2)中段部分的控制点至少有一个位于吸力面型线的内侧； (3)轴向后端部分的控制点位于吸力面型线上或吸力面型线外侧。 本领域技术人员应当清楚，由贝塞尔曲线确定吸力面型线只是本专利技术实现方式中的一种，本领域技术人员还可以由其他的曲率至少二阶连续的样条曲线或圆弧曲线等来构造本专利技术的吸力面型线，同样应当在本专利技术的保护范围之内，此处不再重述。 请参照图2和图3，无遮盖段的轴向长度L占叶型1轴向长度的30本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种渐缩流道跨音速涡轮叶片，其特征在于，其表面三维型线由N个叶型沿半径方向积叠而成，其中，N≥3；该N个叶型中每个叶型均包括吸力面型线和压力面型线，该N个叶型中至少一个叶型的吸力面型线存在内凹型线。

【技术特征摘要】
1.一种渐缩流道跨音速涡轮叶片，其特征在于，其表面三维型线由N个叶型沿半径方向积叠而成，其中，N彡3; 该N个叶型中每个叶型均包括吸力面型线和压力面型线，该N个叶型中至少一个叶型的吸力面型线存在内凹型线。2.根据权利要求1所述的渐缩流道跨音速涡轮叶片，其特征在于，所述吸力面型线与相邻叶片叶型的压力面型线之间构成宽度逐渐减小的叶型通道，该吸力面型线沿轴向包括: 遮盖段，为所述吸力面型线位于叶型通道内的部分； 无遮盖段，为所述吸力面型线位于叶型通道外的部分，包括: 第一子段，朝向叶片外部方向凸出； 第二子段，为所述的内凹型线，其朝向叶片内部方向凹入；以及 第三子段，朝向叶片外部凸出或为平直。3.根据权利要求2所述的渐缩流道跨音速涡轮叶片，其特征在于， 所述第一子段和第二子段连接点的曲率为O，该连接点两侧的第一子段和第二子段具有正负符号相反的曲率； 所述第二子段和第三子段连接点的曲率为O，该连接点两侧的第二子段和第三子段具有正负符号相反的曲率。4.根据权利要求2所述的渐缩流道跨音速涡轮叶片，其特征在于，所述吸力面型线为至少二阶连续的样条曲线、圆弧曲线或贝塞尔曲线。5.根据权利要求4所述的渐缩流道跨音速涡轮叶片，其特征在于，所述吸力面型线为贝塞尔曲线，该贝塞尔曲线中: 轴向前端部分的控制点至少有一个位于吸力面型线的外侧； 中段部分的控制点至少有一个位于吸力面型线的内侧； 轴向后端部分的控制点位于...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵巍，赵庆军，赵晓路，徐建中，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11