带叶尖凹槽和小翼复合结构的燃气涡轮工作叶片设计方法技术

本发明专利技术公开了一种带叶尖凹槽和小翼复合结构的燃气涡轮工作叶片设计方法，该方法先确定三维叶片的初步设计方案，然后进行多状态计算和三维数值仿真的迭代运算，以实现二维叶型设计参数的迭代优化，得到基准设计方案，最后进行叶尖凹槽和小翼复合结构的迭代优化。叶尖凹槽和小翼复合结构改变了转子叶尖两侧的表面速度分布，降低了转子叶尖两侧的压差，达到控制转子叶尖泄露流的目的，并使得气流在小翼的压、吸力面肋条两处同时形成流动分离，对泄露射流形成两次堵塞，同时凹槽内部刮削涡、壁面角涡等复杂流动结构增强了泄露流在间隙内部的掺混，减小了间隙射流的系数，降低了泄露流与主流的掺混损失，从而大大提升了燃气涡轮的工作性能。的工作性能。的工作性能。

【技术实现步骤摘要】
带叶尖凹槽和小翼复合结构的燃气涡轮工作叶片设计方法


[0001]本专利技术涉及燃气涡轮工作叶片设计
，特别地，涉及一种带叶尖凹槽和小翼复合结构的燃气涡轮工作叶片设计方法。

技术介绍

[0002]涡轮作为航空涡轮发动机关键部件之一，其性能好坏直接影响发动机是否能够高效运行。在涡轮通道内部，由于转子和静止机匣之间必然存在径向间隙，转子叶尖压力面侧的部分气流在叶尖负荷驱动下形成泄漏流动，不可避免与主流发生掺混，所造成的叶尖泄漏损失、掺混损失可能占据转子通道内部总损失的1/3。叶尖间隙泄漏流动对转子通道内部流动及其损失影响很大，主要表现在以下四个方面：1)转子叶尖气流做功减小，进入转子叶尖间隙的这部分气流方向未受到叶片作用而出现扭转，该部分气流在转子通道内产生的轮缘功为零；2)通道内部流动损失增加，增加的流动损失主要包括叶尖间隙内部损失、转子通道内部泄漏流与主流的掺混损失；3)通道内部有效流通面积减小，泄漏涡的产生对主流形成一定堵塞作用，使其有效流通面积小于其理论值；4)恶化下游叶排进口气动条件，叶尖泄漏流动使得转子通道出口气动参数分布更不均匀，导致下游叶排在远离设计工况下工作运行。因此，控制转子叶尖泄漏损失对涡轮部件乃至整台动力装置的高效运行具有重要意义。
[0003]目前，控制转子叶尖泄漏损失的方法主要采用减小叶尖间隙(即采用平叶尖设计方案)，其可以直观地减小泄漏流的流通面积及其泄漏量，降低泄漏损失及其与主流的掺混损失。但是，减小叶尖间隙会因热膨胀和离心力作用出现转子叶尖与静止机匣剐磨的情况，严重时将危害发动机安全。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种带叶尖凹槽和小翼复合结构的燃气涡轮工作叶片设计方法，以解决现有燃气涡轮工作叶片存在的叶尖泄露损失较大的技术问题。
[0005]根据本专利技术的一个方面，提供一种带叶尖凹槽和小翼复合结构的燃气涡轮工作叶片设计方法，包括以下内容：
[0006]根据燃气涡轮工作叶片的叶型设计构造不同径向高度上的二维叶型，并根据叶型设计选择对应的积迭规律将各个二维叶型沿径向叠加形成三维叶片的初步设计方案；
[0007]基于三维叶片的初步设计方案开展多状态计算；
[0008]根据多状态计算结果进行三维数值仿真，根据三维数值仿真结果优化调整二维叶型的设计参数，并基于重新设计的三维叶片开展多状态计算，不断迭代优化，直至燃气涡轮性能满足设计要求，得到燃气涡轮工作叶片的基准设计方案；
[0009]在燃气涡轮工作叶片的基准设计方案基础上进行叶尖凹槽和小翼复合结构的设计，并开展多状态计算，将带叶尖凹槽和小翼复合结构的叶片设计方案的多状态计算结果与基准设计方案的多状态计算结果进行对比，若燃气涡轮性能的提升幅度满足设计要求，则设计完成，若不满足设计要求，则重新调整叶尖凹槽和小翼的几何设计参数，不断迭代直
至燃气涡轮性能的提升幅度满足设计要求。
[0010]进一步地，当燃气涡轮工作叶片的叶型设计为单截面造型直叶片或者两截面造型非直叶片时选择线性积迭规律，当燃气涡轮工作叶片的叶型设计为三截面造型非直叶片时选择抛物线积迭规律。
[0011]进一步地，二维叶型的设计参数包括半径、轴向弦长、叶片数目、前缘小圆直径、尾缘小圆直径、进口构造角、出口构造角、前缘楔角、尾缘楔角、安装角、弯折角和有效气流角。
[0012]进一步地，所述基于三维叶片的初步设计方案开展多状态计算的过程包括以下内容：
[0013]对两级燃气涡轮的两排工作叶片进行结构化网格划分，其中，主流通道网格采用H型拓扑结构，叶片周围以及间隙内部区域网格采用O型拓扑结构；
[0014]选取k
‑
ε模型作为湍流模型对两级燃气涡轮进行三维计算；
[0015]对三维计算结果进行处理，获得多状态燃气涡轮工作叶片的上、下游流动状况及其自身损失分布情况。
[0016]进一步地，所述对三维计算结果进行处理，获得多状态燃气涡轮工作叶片的上、下游流动状况及其自身损失分布情况的过程包括以下内容：
[0017]计算得到各级涡轮的流量、膨胀比、效率和功率，并将其与总体技术指标进行对比；获取各排工作叶片的进、出口气流角，评估进口攻角损失；获取各排叶片能量损失系统并沿展向分布，确定损失较大的区域；获取各排叶片不同展向高度表面负荷，并判断何种加载方式；获取各级涡轮不同展向高度的流场，定性分析通道内的损失源。
[0018]进一步地，叶尖凹槽和小翼复合结构的几何设计参数包括叶尖凹槽的形状和凹槽深度、肋条厚度、压力面肋条的顶部宽度/高度/前倾角、吸力面肋条的顶部宽度/高度/后掠角。
[0019]进一步地，叶尖凹槽的形状与叶型相同，叶尖凹槽的深度、压力面肋条的高度、吸力面肋条的高度为平叶尖间隙的1～3倍，肋条厚度、压力面肋条的顶部宽度、吸力面肋条的顶部宽度均大于等于0.5mm且小于叶尖最大厚度，压力面肋条的前倾角、吸力面肋条的后掠角在30
°
～60
°
之间。
[0020]进一步地，叶尖凹槽的设计过程包括以下内容：
[0021]将二维叶型的吸、压力面型线向内偏置一定距离，以一定半径的前缘小圆和后缘小圆截取偏置后的吸、压力面型线，从而确定叶尖凹槽的形状，根据确定好的凹槽形状开展多种凹槽深度的三维计算分析以确定凹槽深度。
[0022]进一步地，压力面肋条的设计过程包括以下内容：
[0023]基于叶尖凹槽的叶片压力面侧向主流通道前倾一定角度，倾斜表面为圆弧面，并在开始倾斜的位置与叶片主体表面相切，切点到叶尖的距离为压力面肋条的高度，从而保证倾斜叶片表面与叶片主体表面光滑过渡，同时在叶片前、尾缘附近倾斜角度逐渐过渡至0
°
。
[0024]进一步地，吸力面肋条的设计过程包括以下内容：
[0025]基于叶尖凹槽的叶片吸力面侧向主流通道后掠一定角度，倾斜表面为圆弧面，并在开始倾斜的位置与叶片主体表面相切，切点到叶尖的距离为吸力面肋条的高度，从而保证倾斜叶片表面与叶片主体表面光滑过渡，同时在叶片前、尾缘附近倾斜角度逐渐过渡至
0
°
。
[0026]本专利技术具有以下效果：
[0027]本专利技术的带叶尖凹槽和小翼复合结构的燃气涡轮工作叶片设计方法，先确定三维叶片的初步设计方案，然后对初步设计方案进行多状态计算和三维数值仿真的迭代运算，以实现二维叶型设计参数的迭代优化，从而得到燃气涡轮工作叶片的基准设计方案，确保燃气涡轮的效率、功率、流量、强度、振动、寿命等性能满足基本设计要求。最后在基准设计方案的基础上进行叶尖凹槽和小翼复合结构的迭代优化，叶尖凹槽和小翼复合结构改变了转子叶尖两侧的表面速度分布，即负荷分布，降低了转子叶尖两侧的压差，达到控制转子叶尖泄露流的目的，并使得气流在小翼的压力面肋条和吸力面肋条两处同时形成流动分离，对泄露射流形成两次堵塞，同时凹槽内部刮削涡、壁面角涡等复杂流动结构增强了泄露流在间隙内部的掺混，减小了间隙射流的系数，降低了泄露流本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带叶尖凹槽和小翼复合结构的燃气涡轮工作叶片设计方法，其特征在于，包括以下内容：根据燃气涡轮工作叶片的叶型设计构造不同径向高度上的二维叶型，并根据叶型设计选择对应的积迭规律将各个二维叶型沿径向叠加形成三维叶片的初步设计方案；基于三维叶片的初步设计方案开展多状态计算；根据多状态计算结果进行三维数值仿真，根据三维数值仿真结果优化调整二维叶型的设计参数，并基于重新设计的三维叶片开展多状态计算，不断迭代优化，直至燃气涡轮性能满足设计要求，得到燃气涡轮工作叶片的基准设计方案；在燃气涡轮工作叶片的基准设计方案基础上进行叶尖凹槽和小翼复合结构的设计，并开展多状态计算，将带叶尖凹槽和小翼复合结构的叶片设计方案的多状态计算结果与基准设计方案的多状态计算结果进行对比，若燃气涡轮性能的提升幅度满足设计要求，则设计完成，若不满足设计要求，则重新调整叶尖凹槽和小翼的几何设计参数，不断迭代直至燃气涡轮性能的提升幅度满足设计要求。2.如权利要求1所述的带叶尖凹槽和小翼复合结构的燃气涡轮工作叶片设计方法，其特征在于，当燃气涡轮工作叶片的叶型设计为单截面造型直叶片或者两截面造型非直叶片时选择线性积迭规律，当燃气涡轮工作叶片的叶型设计为三截面造型非直叶片时选择抛物线积迭规律。3.如权利要求1所述的带叶尖凹槽和小翼复合结构的燃气涡轮工作叶片设计方法，其特征在于，二维叶型的设计参数包括半径、轴向弦长、叶片数目、前缘小圆直径、尾缘小圆直径、进口构造角、出口构造角、前缘楔角、尾缘楔角、安装角、弯折角和有效气流角。4.如权利要求1所述的带叶尖凹槽和小翼复合结构的燃气涡轮工作叶片设计方法，其特征在于，所述基于三维叶片的初步设计方案开展多状态计算的过程包括以下内容：对两级燃气涡轮的两排工作叶片进行结构化网格划分，其中，主流通道网格采用H型拓扑结构，叶片周围以及间隙内部区域网格采用O型拓扑结构；选取k
‑
ε模型作为湍流模型对两级燃气涡轮进行三维计算；对三维计算结果进行处理，获得多状态燃气涡轮工作叶片的上、下游流动状况及其自身损失分布情况。5.如权利要求4所述的带叶尖凹槽和小翼复合结构的燃气涡轮工作叶片设计方法，其特征在于，所述对三维计算结果进行处理，获得多状态燃气涡轮工作叶片的上、下游流动状况及其自身损失分布情况的过程包括以下内容：计算得到各级涡轮的流量、膨胀比、效率和...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭锋，王政，张绍文，陈奕宏，陈晨，单熠君，
申请(专利权)人：中国航发湖南动力机械研究所，
类型：发明
国别省市：