一种具有减小叶顶泄漏损失的叶顶带篦齿凹槽结构制造技术

本发明专利技术公开了一种具有减小叶顶泄漏损失的叶顶带篦齿凹槽结构，该新型叶顶凹槽是在常规凹槽的底部表面布置封严篦齿设计而成；其中垂直于叶顶泄漏流方向布置的封严篦齿根据叶顶凹槽内流动结构来确定。实际燃气轮机工作时，常规叶顶凹槽对叶顶泄漏流的抑制效果不佳。采用该发明专利技术的新型叶顶凹槽结构在凹槽内引入了封严篦齿明显抑制了叶顶间隙的泄漏流量同时抑制了凹槽内涡系自前缘朝尾缘的发展迁移，最终显著减小了叶顶泄漏流，有利于提高叶栅气动效率。

【技术实现步骤摘要】
一种具有减小叶顶泄漏损失的叶顶带篦齿凹槽结构
本专利技术属于航空发动机
，特别涉及一种具有减小叶顶泄漏损失的叶顶带篦齿凹槽结构。
技术介绍
燃气轮机在航空推进和工业动力等领域具有广泛应用，在航空发动机领域，涡轮做功能力直接影响航空发动机的动力输出，其工作寿命也直接制约航空发动机的持续运行，因此提高涡轮部件的气动性能对发动机的可靠运行具有重要意义。其中叶尖泄漏损失是影响涡轮工作能力的重要因素，一方面，泄漏流不参与主流做功，使涡轮级效率降低，另一方面泄漏流在叶顶间隙内部发生分离和掺混，使叶顶承受极高的热负荷，严重影响涡轮转子的可靠性。近几十年来，国内外学者不断探索合理有效的叶顶泄漏流动控制手段，其中，凹槽叶顶结构能够合理抑制叶顶泄漏流从压力面侧向吸力面侧的流动，并且具有良好的壁面换热特性，同时凹槽内的刮削涡可以和肩壁形成类似“气动篦齿”的结构，有效减小间隙射流系数和泄漏流的流量。实际高压燃气涡轮采用无围带结构设计，参见图1，因此动叶1和机匣9之间不可避免存在叶顶间隙。由此可见，在燃气涡轮实际运行工作中，高温高压燃气在转子两侧的压力梯度驱动下发生自压力面向吸力面的迁移，该部分泄漏流会在叶顶间隙中加速流动，增大叶顶的热负荷，同时在吸力面侧和主流发生强烈掺混，导致较大的气动损失，降低涡轮级效率。当采用常规叶顶凹槽2结构时，一部分泄漏流在刮削涡和叶顶凹槽肩壁16构成的封严篦齿作用下朝凹槽底部表面冲击，导致叶顶凹槽底部表面热负荷显著增大；另一部分泄漏流则直接泄漏至吸力面侧。数值分析结果显示，相比平叶顶，凹槽叶顶可以明显抑制动叶叶顶的泄漏流发展，然而随着叶片厚度随沿轴向弦长逐渐减小，凹槽在叶顶尾缘处的封严效果会大大降低，同时前缘凹槽腔室内的泄漏流受压力梯度驱动向下游迁移，在凹槽底部形成较高的热负荷区域，严重影响涡轮的做功能力和工作寿命。目前国内外学者通过改进凹槽结构来克服现有不足，例如采用不同深度的凹槽或改变凹槽中的吹风比大小来降低凹槽底部的高换热系数。然而，很少有结构可以有效控制叶顶间隙中泄漏流的流量大小，因此，设计一种凹槽结构来减少叶顶泄漏损失，有效解决泄漏流流量难以控制的问题，显的至关重要。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：由于动叶叶顶间隙存在两个方向的驱动压差即自压力面侧朝向吸力面侧的压差和自前缘朝向尾缘的压差，导致叶顶间隙泄漏流从压力面侧流向吸力面侧，同时从叶顶前缘流向叶片尾缘。为了克服这两个方向的驱动压差导致的叶顶间隙泄漏增强的缺陷，为了解决现有燃气涡轮高压涡轮动叶叶顶间隙存在泄漏流、叶顶表面承受极高热负荷且常规叶顶凹槽和叶顶小翼无法有效减小动叶叶顶间隙泄漏流的问题，本专利技术在于提出一种具有减小叶顶泄漏流的新型叶顶凹槽结构，通过新型的叶顶凹槽设计来抑制动叶叶顶间隙泄漏流从而提高燃气轮机的效率。本专利技术的技术方案是：一种具有减小叶顶泄漏损失的叶顶带篦齿凹槽结构，包括叶顶凹槽2和封严篦齿6，其中封严篦齿6沿垂直叶顶压力梯度方向布置；所述封严篦齿6的截面形状为开口向下的光滑抛物线；其高度为H1，宽度为W1，H1与叶顶凹槽肩壁高度H013相等；所述封严篦齿6的数目需保证流体流经凹槽途经1～3个封严篦齿6；为保证流体流经凹槽途经1～3个封严篦齿6，封严篦齿6经过叶顶中弧线的5～8等分点；所述封严篦齿6宽度W1与叶顶凹槽肩壁宽度W0相等。本专利技术进一步的技术方案是：新型叶顶凹槽结构15中沿垂直凹槽内压力梯度方向布置封严篦齿6。本专利技术进一步的技术方案是：所述封严篦齿6的数目取值范围为5～8个。本专利技术进一步的技术方案是：所述封严篦齿6将叶顶凹槽2分为6～9个腔室。本专利技术进一步的技术方案是：泄漏流自压力面侧进入叶顶间隙时，在空腔内形成叶顶刮削涡，篦齿壁面和叶顶刮削涡形成交错结构，实现对泄漏面积的减小。专利技术效果本专利技术的技术效果在于：为解决现有叶顶结构中泄漏流难以抑制的难题，本专利技术在垂直压力梯度方向布置封严篦齿，将凹槽分为6～9个腔室，由于篦齿的分割，篦齿分割的相邻空腔的压差减小，同时在每一个空腔中，气体由于涡流和与篦齿壁面撞击，增加了流动阻尼，有效减小了漏气量；为了尽量减小间隙的同时避免发生故障时篦齿与机匣相碰造成严重后果，篦齿截面设置为抛物线型，齿尖较薄。本专利技术提供的具有减小叶顶泄漏损失功能的新型叶顶凹槽结构能够明显抑制叶顶间隙的泄漏流，提高燃气轮机的运行效率。本专利技术的新型叶顶凹槽结构相比于目前叶顶结构(凹槽)的间隙泄漏流减少8％。附图说明图1是带有叶顶凹槽的高压涡轮级子午面剖视图；图2是带有常规凹槽的动叶叶顶示意图；图3是带有新型叶顶凹槽的高压涡轮级子午面剖视图；图4是新型叶顶凹槽结构的俯视图；图5是不同弦长位置处新型叶顶凹槽内的流动结构示意图，其中(a)为叶片百分之三十弦长处流动结构示意图，(b)为叶片百分之五十弦长处流动结构示意图，(c)为叶片百分之七十弦长处流动结构示意图。图中：1-燃气涡轮动叶，2-叶顶凹槽，3-燃气涡轮静叶，4-叶顶前缘，5-叶顶尾缘，6-封严篦齿，7-篦齿腔室，8-叶顶刮削涡，9-机匣，10-压力面，11-吸力面，12-流线A，13-叶顶凹槽肩壁高度H0，14-篦齿高度H1，15-新型叶顶凹槽，16-叶顶凹槽肩壁，17-叶顶凹槽肩壁宽度W0，18-篦齿高度W1。具体实施方式在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。参见图1-图5，本专利技术的总体技术思路是：本专利技术在垂直泄漏流方向布置封严篦齿，篦齿封严篦齿6将叶顶凹槽2分为6～9个腔室，同时在每一个空腔中，气体由于涡流和与篦齿壁面撞击，增加了流动阻尼，有效减小了漏气量；为了尽量减小间隙的同时避免发生故障时篦齿与机匣相碰造成严重后果，篦齿设置为抛物线型，齿尖较薄。为了实现上述目的本专利技术所采用的技术方案是：沿垂直泄漏流方向布置封严篦齿，抑制叶顶间隙自压力面侧向吸力面侧的泄漏流和自前缘向尾缘的泄漏流。具体特征包括：新型叶顶凹槽封严篦齿的设计方法。为了能够最大程度地抑制在驱动压差作用下产生的叶顶间隙泄漏流，在叶顶凹槽内沿垂直泄漏流方向布置封严篦齿以实现对泄漏流两端压差的划分。采用数值模拟方法，根据具体的运行工况和叶型几何条件确定叶顶凹槽内封严篦齿的具体布置形式，根据设计的叶顶凹槽肩壁高度和宽度确定封严篦齿的高度和宽度。本专利技术在实施中，首先通过给定的叶栅几何、流动条件进行建模和模拟，再根据所得常规叶顶凹槽叶顶间隙流动结构确定本专利技术中封严篦齿的位置和角度。以附图a为例，沿垂直压力梯度方向本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有减小叶顶泄漏损失的叶顶带篦齿凹槽结构，其特征在于，包括叶顶凹槽(2)和封严篦齿(6)，其中封严篦齿(6)沿垂直叶顶压力梯度方向布置；/n所述封严篦齿(6)的截面形状为开口向下的光滑抛物线；其高度为H1，宽度为W1，H1与叶顶凹槽肩壁高度H

【技术特征摘要】
1.一种具有减小叶顶泄漏损失的叶顶带篦齿凹槽结构，其特征在于，包括叶顶凹槽(2)和封严篦齿(6)，其中封严篦齿(6)沿垂直叶顶压力梯度方向布置；
所述封严篦齿(6)的截面形状为开口向下的光滑抛物线；其高度为H1，宽度为W1，H1与叶顶凹槽肩壁高度H0(13)相等；
所述封严篦齿(6)的数目需保证流体流经凹槽途经1～3个封严篦齿(6)；
为保证流体流经凹槽途经1～3个封严篦齿(6)，封严篦齿(6)经过叶顶中弧线的5～8等分点；
所述封严篦齿(6)宽度W1(17)与叶顶凹槽肩壁宽度W0(18)相等。


2.如权利要求1所述的一种具有减小叶顶泄漏损失的叶顶带篦齿凹...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜昆，裴祥鹏，焦英辰，刘存良，王海潮，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61