一种改善涡轮转子叶尖气热性能的复合型叶尖结构及叶片制造技术

本发明专利技术公开了一种改善涡轮转子叶尖气热性能的复合型叶尖结构及叶片，在叶尖的端面设置用于抑制叶尖泄漏流动的凹槽，并在凹槽内自前缘至尾缘沿流向布置一定数量交错排布的半圆型篦齿；交错排布的半圆型篦齿结构，一方面改变了泄漏流进入凹槽之后的流动状态，阻断了腔室涡等凹槽涡系的发展，有效抑制了间隙泄漏流，达到提高涡轮气动效率的目的；另一方面，半圆型篦齿结构的布置位置改变了高温燃气冲击到叶尖表面形成的高换热程度区域，降低了叶尖表面换热系数，改善了叶尖区域的换热特性，提升了航空发动机的整体性能。升了航空发动机的整体性能。升了航空发动机的整体性能。

【技术实现步骤摘要】
一种改善涡轮转子叶尖气热性能的复合型叶尖结构及叶片


[0001]本专利技术涉及燃气涡轮叶片冷却
，具体为一种改善涡轮转子叶尖气热性能的复合型叶尖结构及叶片。

技术介绍

[0002]涡轮是航空发动机、地面燃气轮机等动力装置的关键部件，广泛应用于能源、国防等多个领域，是重要的战略性技术设备。长期以来，涡轮转子叶尖泄漏及其引起的损失就作为一个重要的气动问题而受到研究人员的广泛关注，研究数据表明，高压涡轮的叶尖泄漏损失约占通道内总损失的1/3。此外，由于气流未对涡轮做功，高温泄漏流会导致叶尖端区壁面产生较高的温度和热负荷，进而威胁到涡轮尖区的可靠性和寿命。如何有效降低叶尖泄漏损失并利用流动控制降低叶尖的热负荷是高效率高可靠性高压涡轮设计中必须重视的问题之一。
[0003]叶尖泄漏流动控制方法可分为主动控制方法和被动控制方法。主动控制方法包括等离子体激励技术、叶尖间隙主动控制系统等。主动控制方法虽然能有效阻塞叶尖泄漏流，但其所需的控制系统可能带来额外的问题，故实际工程应用较少。目前，航空发动机上最常用的叶尖泄漏流动控制方法以叶尖修型为典型措施的被动控制为主。叶尖结构造型包括肋条叶尖、小翼叶尖及两者混合造型等。长期以来，研究人员针对不同叶尖结构的气热性能进行了大量研究，研究发现，叶尖的几何形状会对叶尖的气热性能产生很大影响。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种改善涡轮转子叶尖气热性能的复合型叶尖结构及叶片，该结构使叶尖凹槽内部流动结构发生改变，影响了叶尖泄漏流在凹槽表面的冲刷和再附着位置，减少了叶尖泄漏流，降低了叶尖局部区域的换热系数，提高了凹槽叶尖的整体气热特性。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案来实现：
[0006]一种改善涡轮转子叶尖气热性能的复合型叶尖结构，包括篦齿和用于抑制叶尖泄漏流动的凹槽，凹槽设置在叶尖端面，多个篦齿设置叶尖端面并位于凹槽中，多个篦齿沿叶片的前缘至尾缘间隔排布，篦齿的横向与叶片的中弧线垂直布置，篦齿的顶面为弧形并沿横向设置。
[0007]优选的，所述多个篦齿沿中弧线方向交错排布。
[0008]优选的，所述篦齿为半圆结构。
[0009]优选的，所述篦齿的高度为叶尖间隙高度的0.5～1.5倍。
[0010]优选的，所述篦齿的顶面与侧壁的连接处为外圆弧面，所述篦齿的侧壁与叶尖端面的连接处为内圆弧面。
[0011]优选的，所述外圆弧面的半径为0.1～0.3mm，内圆弧面的半径为0.2～0.5mm。
[0012]优选的，所述篦齿的侧壁为斜面，倾斜角α为10
°
～30
°
。
[0013]优选的，起始位置的篦齿距叶片前缘的距离D为叶片弦长C的0.1～0.2倍；相邻两个篦齿的间距E为叶片弦长C的0.1～0.2倍。
[0014]优选的，所述凹槽的深度为叶尖间隙高度G的0.5～2.0倍。
[0015]一种涡轮机叶片，该叶片的叶尖设置有所述的复合型叶尖结构。
[0016]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
[0017]本专利技术提出的一种改善涡轮转子叶尖气热性能的复合型叶尖结构，通过在叶尖的端面设置凹槽结构，并在凹槽中设置多个半圆型篦齿，多个篦齿沿中弧线方向间隔排布，并且篦齿的横向与中弧线垂直布置，通过多个交错排布的半圆型篦齿结构改变了凹槽叶尖内部泄漏燃气冲击与再附着的区域，有效降低了叶尖前缘近吸力面侧的换热强度。此外，泄漏流在通过叶尖间隙时被具有圆角的近压力面侧半圆型篦齿结构所滞止，从而减少了叶尖泄漏量。合理的半圆型篦齿交错布局方式，布置位置以及几何结构能够改变凹槽叶尖的气热特性，有效提高了涡轮转子的工作效率，提高了航空发动机的整体性能；本专利技术对叶尖结构进行合理优化降低叶尖的泄漏损失以提高其气动性能进而改善叶尖区域的换热特性。
附图说明
[0018]图1为本专利技术半圆型篦齿的复合型凹槽叶尖结构示意图；
[0019]图2为本专利技术半圆型篦齿的复合型凹槽叶尖结构俯视图；
[0020]图3为本专利技术半圆型篦齿的复合型凹槽叶尖结构的剖视图；
[0021]图4为图3中篦齿结构的放大图；
[0022]图5为本专利技术半圆型篦齿的复合型凹槽叶尖结构叶顶换热系数云图；
[0023]图6为本专利技术半圆型篦齿的复合型凹槽叶尖结构的部分周向截面流线分布示意图。
[0024]图中：1
‑
叶片，2
‑
叶尖，3
‑
吸力面肩壁，4
‑
半圆型篦齿，5
‑
压力面肩壁。
具体实施方式
[0025]下面结合附图对本专利技术做进一步的详细说明，所述是对本专利技术的解释而不是限定。
[0026]参阅图1
‑
6，一种改善涡轮转子叶尖气热性能的复合型叶尖结构，包括篦齿和用于改变泄漏流的凹槽，凹槽设置在叶尖端面，多个篦齿设置叶尖端面并位于凹槽中，多个篦齿沿叶片的中弧线自前缘至尾缘间隔排布，篦齿的横向与叶片的中弧线垂直布置，篦齿的顶面为弧形并沿横向设置。
[0027]该复合型凹槽叶尖结构在叶尖端面设置凹槽，改变了泄漏流进入凹槽之后的流动状态，阻断了腔室涡等凹槽涡系的发展，有效抑制了间隙泄漏流，达到提高涡轮气动效率的目的；其次，在凹槽中的篦齿布置改变了高温燃气冲击到叶尖表面形成的高换热程度区域，降低了叶尖表面换热系数，改善了叶尖区域的换热特性，提升了航空发动机的整体性能。
[0028]叶片的叶尖端面边缘形成有向上凸起的环向封闭的肩壁，肩壁的内壁与叶尖的端面形成的区域为凹槽，肩壁包括吸力面肩壁3和压力面肩壁5首尾连接形成环向封闭结构。吸力面肩壁3与压力面肩壁5的宽度W和高度H相同。
[0029]所述肩壁顶面到机匣的距离为叶尖间隙G，所述肩壁的宽度W为叶尖间隙G的0.6～
1.2倍；所述凹槽深度H为叶尖间隙高度G的0.5～2.0倍。
[0030]所述多个篦齿沿中弧线交错排布，例如，以叶片的叶缘为起点，第一篦齿设置在中弧线的压力面侧，第二篦齿设置在中弧线的吸力面侧，以此类推；所述第一篦齿距叶片前缘距离D为叶片弦长C的0.1～0.2倍；所述沿中弧线相邻的两个篦齿的间距E为叶片弦长C的0.1～0.2倍，所述叶尖间隙高度G与叶片弦长C的值分别为1mm和57mm。
[0031]所述篦齿为半圆型结构，篦齿高度为L，即篦齿的半径，第一篦齿的位置距叶片前缘距离为D，沿中弧线相邻两个篦齿之间距离为E；
[0032]所述篦齿高度L为叶尖间隙高度的0.5～1.5倍；所述篦齿顶面与侧壁的圆角半径R1为0.1～0.3mm；所述篦齿叶尖端面的圆角半径R2为0.2～0.5mm，篦齿的侧壁的斜度α为10
°
～30
°
。
[0033]所述的半圆型篦齿数量为3～6个，优选为4个，4个篦齿的横向与叶尖中弧线垂直设置，并且4个篦齿沿中弧线交错排布。该多个篦齿的排布结构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改善涡轮转子叶尖气热性能的复合型叶尖结构，其特征在于，包括篦齿和用于抑制叶尖泄漏流动的凹槽，凹槽设置在叶尖端面，多个篦齿设置叶尖端面并位于凹槽中，多个篦齿沿叶片的前缘至尾缘间隔排布，篦齿的横向与叶片的中弧线垂直布置，篦齿的顶面为弧形并沿横向设置。2.根据权利要求1所述的一种改善涡轮转子叶尖气热性能的复合型叶尖结构，其特征在于，所述多个篦齿沿中弧线方向交错排布。3.根据权利要求1所述的一种改善涡轮转子叶尖气热性能的复合型叶尖结构，其特征在于，所述篦齿为半圆结构。4.根据权利要求3所述的一种改善涡轮转子叶尖气热性能的复合型叶尖结构，其特征在于，所述篦齿的高度为叶尖间隙高度的0.5～1.5倍。5.根据权利要求3所述的一种改善涡轮转子叶尖气热性能的复合型叶尖结构，其特征在于，所述篦齿的顶面与侧壁的连接处为外圆弧面，所述篦齿的侧壁与叶尖端面的连接处为内圆弧面。6.根据权利要求3所...

【专利技术属性】
技术研发人员：惠娜，黄小杨，杜昆，李远涌，王旭博，刘存良，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：