一種低壓渦輪葉片結構及降低葉片損失的方法
2023-06-02 19:17:51
一種低壓渦輪葉片結構及降低葉片損失的方法
【專利摘要】本發明公開了一種低壓渦輪葉片結構及降低葉片氣動損失的方法，可抑制航空發動機高負荷及超高負荷低壓渦輪葉片氣流分離，提高渦輪效率，針對在航空發動機巡航狀態下，低壓渦輪葉片吸力面易於分離、渦輪效率較低的問題，通過在葉片吸力面分離點上遊增加葉片表面的粗糙度，該粗糙度隨流向逐漸變化，在加速葉片表面低能流體轉捩的同時最大限度地降低了額外的摩擦損失，從而提高低壓渦輪工作效率，擴大低壓渦輪工作裕度。
【專利說明】一種低壓渦輪葉片結構及降低葉片損失的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種適用於航空發動機的具有吸力面表面粗糙度的渦輪葉片，該種結構的葉片可有效地降低渦輪葉片的分離損失，提高航空發動機效率。
【背景技術】
[0002]當前大涵道比渦扇發動機由於其出色的耗油率及推力特性而被廣泛地應用於民用航空。低壓渦輪因級數較多，其重量可佔整臺發動機的20%?30%，降低低壓渦輪重量是發動機減重的有效途徑之一，同時也可提高發動機推重比、降低製造和運營維護成本。目前研究較多的減重方案是通過提高葉型的負荷來進行減重。高負荷葉片設計就是通過減小葉片稠度來提高單個葉片的氣動負荷，從而在保持原有級載荷水平的基礎上減小單級葉片數目。提高葉片載荷意味著渦輪葉型要經歷比低載荷更大的逆壓梯度，導致了附面層易於分離，葉型損失增加。另外，對於民用大涵道比渦扇發動機，其設計狀態(巡航狀態)下的低壓渦輪始終處於低Re數工作狀態，這進一步導致了低壓渦輪葉片吸力面附面層的流動分離，從而大幅增加葉型損失，影響低壓渦輪的氣動效率。
[0003]對於低壓渦輪，特別是末級葉片通常較長，展弦比較大(一般處於3:1 — 7:1)，在這在種情況下，葉片兩端區的三維流動損失在總損失中佔比較小，二維葉型損失則佔比較高，而二維葉型損失主要由分離損失造成，因此如何降低吸力面附面層分離成為渦輪設計的焦點之一。本發明在原有渦輪葉片的基礎上，通過在指定位置布置粗糙條帶，可有效地抑制分離，提高渦輪效率。
[0004]傳統的粗糙度被動控制方案通常是在某一區域布置一段固定高度的粗糙條帶，該方法可以在低Re數下有效地降低分離損失，但在高Re數狀態卻會帶來額外的損失使得控制效果下降，甚至直接導致控制方案的失敗。本發明對原有的粗糙度被動控制方案進行了改進，目的是降低高Re狀態下的額外損失，使分離控制更加精確、有效。
【發明內容】
[0005]針對現有技術的缺點和不足，本發明旨在提供一種低壓渦輪葉片結構及降低葉片氣動損失的方法，通過在低壓渦輪葉片的適當區域布置高度變化的粗糙條帶，不僅可以在低Re數下有效地降低分離損失，還可以有效地降低高Re數下的額外損失，使分離控制更加精確、有效，從而提聞潤輪效率。
[0006]為解決其技術問題，根據本發明的一方面，提供了一種低壓渦輪葉片結構，特別適用於降低航空發動機高負荷及超高負荷低壓渦輪葉片葉型損失，所述低壓渦輪葉片包括葉片前緣、葉片吸力側、葉片壓力側和葉片尾緣，其特徵在於，在所述葉片吸力側的表面上設置粗糙帶，根據葉高中部的二維葉型來確定所述粗糙帶的起始、終止位置:
[0007]-以所述葉高中部二維葉型吸力側表面的速度峰值點至葉片前緣1/2處作為基點，沿葉片展向向葉根及葉尖兩側延伸形成一條曲線，以該曲線作為所述粗糙帶布置位置的起始點；
[0008]-以所述葉高中部二維葉型在吸力側表面未設置粗糙帶時的氣流分離點作為基點，沿葉片展向向葉根及葉尖兩側延伸形成整個葉片的分離線，以該分離線作為所述粗糙帶布置位置的終止點；
[0009]其中，所述葉高中部為40?60%的葉片展向位置。
[0010]本發明的低壓渦輪葉片結構中，所述粗糙帶上的粗糙高度為恆定粗糙高度或變粗糙高度。
[0011]本發明的低壓渦輪葉片結構中，所述恆定粗糙高度按照如下方式進行設定:對布置粗糙帶的區域內的光潔葉型下的附面層高度進行積分，選取該積分值的10%作為所述恆定粗糙高度。
[0012]本發明的低壓渦輪葉片結構中，所述變粗糙高度按照如下方式進行設定:細化布置粗糙帶的區域內的光潔葉型下的附面層，對光潔葉型下的附面層高度變化較大的區域進行分割，對細化後的區域的附面層高度進行積分，選取該積分值的10%作為該區域的粗糙高度。可根據不同葉片的附面層變化規律得出不同的劃分方式。這種細化後的變粗糙高度布置方式效果較好的原因在於使每一部分的粗糙高度剛好起到擾動附面層的作用，在促進轉捩的同時又不產生額外的阻力。
[0013]根據本發明的另一方面，還提供了一種降低渦輪葉片氣動損失的方法，所述低壓渦輪葉片包括葉片前緣、葉片吸力側、葉片壓力側和葉片尾緣，其特徵在於，在所述葉片吸力側的表面上設置粗糙帶，根據葉高中部的二維葉型來確定所述粗糙帶的起始、終止位置:
[0014]-以所述葉高中部二維葉型吸力側表面的速度峰值點至葉片前緣1/2處作為基點，沿葉片展向向葉根及葉尖兩側延伸形成一條曲線，以該曲線作為所述粗糙帶布置位置的起始點；
[0015]一以所述葉高中部二維葉型在吸力側表面未設置粗糙帶時的氣流分離點作為基點，沿葉片展向向葉根及葉尖兩側延伸形成整個葉片的分離線，以該分離線作為所述粗糙帶布置位置的終止點；
[0016]其中，所述葉高中部為40?60%的葉片展向位置。
[0017]優選地，所述粗糙帶上的粗糙高度為恆定粗糙高度或變粗糙高度。
[0018]進一步地，所述恆定粗糙高度按照如下方式進行設定:對布置粗糙帶的區域內的光潔葉型下的附面層高度進行積分，選取該積分值的10%作為所述恆定粗糙高度。
[0019]進一步地，所述變粗糙高度按照如下方式進行設定:細化布置粗糙帶的區域內的光潔葉型下的附面層，對光潔葉型下的附面層高度變化較大的區域進行分割，對細化後的區域的附面層高度進行積分，選取該積分值的10%作為該區域的粗糙高度。
[0020]同現有技術相比，本發明的低壓渦輪葉片結構及降低葉片氣動損失的方法具有顯著的技術效果:對於渦輪葉片分離控制的方法很多，根據控制方式的不同可將其分為主動控制與被動控制。主動控制方法控制精確可調，但其結構複雜、實現較困難；被動控制不可調節，在不需要施加控制時不可移除，但其結構簡單，工程應用性較強。本發明屬於一種被動控制手段，該控制手段通過促進附面層氣流轉捩，使吸力面表面二維層流低能流體通過轉捩後形成的三維渦系獲取主流內部能量，達到抑制分離，提高效率的目的。這種促進轉捩的方式與球渦、凸臺、拌線等被動控制手段的作用機理是一致的，但粗糙度控制手段具有結構簡單、成本低、無需改變葉型、不影響葉片結構強度等優勢。變粗糙高度被動控制方案兼具了恆定粗糙高度控制方案在低Re數工況下的低分離損失及高工作裕度特性，同時還具有高Re數工況下低損失的特性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1 二維低壓渦輪葉片粗糙度布置位置示意圖；
[0022]圖2粗糖聞度不意圖。
【具體實施方式】
[0023]為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下參照附圖並舉實施例，對本發明進一步詳細說明。
[0024]如圖1所示，本發明的低壓渦輪葉片結構，包括葉片前緣1、葉片吸力側2、葉片壓力側3和葉片尾緣4，在葉片吸力側2的表面上設置粗糙帶5，根據葉高中部的二維葉型來確定所述粗糙帶的起始、終止位置。
[0025]1.粗糙度的起始、終止位置的確定
[0026]本發明使用葉高中部二維葉型來確定粗糙度的起始、終止位置，以該葉型在吸力側表面未設置粗糙帶時的氣流分離點作為基點，沿葉片展向(輪盤徑向)向葉根及葉尖兩側延伸形成整個葉片的分離線，以該分離線作為粗糙帶布置位置的終點52。選擇葉高中部二維葉型吸力側表面的速度峰值點至葉片前緣1/2處作為基點，沿葉片展向(輪盤徑向)向葉根及葉尖兩側延伸形成一條曲線，以該曲線作為粗糙帶布置位置的起始點51。
[0027]對於高負荷或者超高負荷低壓渦輪葉型，其分離點通常不隨來流條件的變化而改變。在對葉型進行粗糙度布置前需對葉型進行風洞試驗，以此來確定葉型的分離線。由於葉型的端區二次流影響，渦輪葉片沿葉高的分離線變化較大，但本發明的設計初衷是為了降低二維葉型損失，因此忽略端區分離線與粗糙度尾緣不符的影響。
[0028]2.變粗糙高度的確定
[0029]圖2中標出了恆定粗糙高度與變粗糙高度的示意圖，橫坐標為流向位置，左側縱坐標為附面層高度，右側縱坐標為粗糙高度。對所布置粗糙度區域(本葉片為17.5%Cx-62% Cx)內的光潔葉型下的附面層高度進行積分，恆定粗糙高度一般選取為該值的10% ;變粗糙高度通過細化粗糙條帶區域內的附面層，對光潔葉型下的附面層高度變化較大的區域進行分割，對細化後的區域的附面層高度進行積分，選取該積分值的10%作為該區域的粗糙高度，圖中將粗糙區域劃分為3部分，可根據不同葉片的附面層變化規律得出不同的劃分方式。這種細化後的變粗糙高度布置方式效果較好的原因在於使每一部分的粗糙高度剛好起到擾動附面層的作用，在促進轉捩的同時又不產生額外的阻力。
[0030]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的範圍之內。
【權利要求】
1.一種低壓渦輪葉片結構，特別適用於降低航空發動機高負荷及超高負荷低壓渦輪葉片葉型損失，所述低壓渦輪葉片包括葉片前緣、葉片吸力偵Μ十片壓力側和葉片尾緣，其特徵在於，在所述葉片吸力側的表面上設置粗糙帶，根據葉高中部的二維葉型來確定所述粗糙帶的起始、終止位置: -以所述葉高中部二維葉型吸力側表面的速度峰值點至葉片前緣1/2處作為基點，沿葉片展向向葉根及葉尖兩側延伸形成一條曲線，以該曲線作為所述粗糙帶布置位置的起始佔.-以所述葉高中部二維葉型在吸力側表面未設置粗糙帶時的氣流分離點作為基點，沿葉片展向向葉根及葉尖兩側延伸形成整個葉片的分離線，以該分離線作為所述粗糙帶布置位置的終止點； 其中，所述葉高中部為40?60%的葉片展向位置。
2.根據權利要求1所述的低壓渦輪葉片結構，其特徵在於，所述粗糙帶上的粗糙高度為恆定粗糙高度或變粗糙高度。
3.根據權利要求1和2所述的低壓渦輪葉片結構，其特徵在於，所述恆定粗糙高度按照如下方式進行設定:對布置粗糙帶的區域內的光潔葉型下的附面層高度進行積分，選取該積分值的10%作為所述恆定粗糙高度。
4.根據權利要求2所述的低壓渦輪葉片結構，其特徵在於，所述變粗糙高度時，粗糙高度沿著流向逐漸變化，其變化規律基於附面層沿流向的變化規律。
5.根據權利要求4所述的低壓渦輪葉片結構，其特徵在於，所述變粗糙高度按照如下方式進行設定:細化布置粗糙帶的區域內的光潔葉型下的附面層，對光潔葉型下的附面層高度變化較大的區域進行分割，對細化後的區域的附面層高度進行積分，選取該積分值的10%作為該區域的粗糙高度。
6.一種降低渦輪葉片氣動損失的方法，所述低壓渦輪葉片包括葉片前緣1、葉片吸力側2、葉片壓力側3和葉片尾緣4，其特徵在於，在所述葉片吸力側的表面上設置粗糙帶，根據葉高中部的二維葉型來確定所述粗糙帶的起始、終止位置: -以所述葉高中部二維葉型吸力側表面的速度峰值點至葉片前緣1/2處作為基點，沿葉片展向向葉根及葉尖兩側延伸形成一條曲線，以該曲線作為所述粗糙帶布置位置的起始佔.-以所述葉高中部二維葉型在吸力側表面未設置粗糙帶時的氣流分離點作為基點，沿葉片展向向葉根及葉尖兩側延伸形成整個葉片的分離線，以該分離線作為所述粗糙帶布置位置的終止點； 其中，所述葉高中部為40?60%的葉片展向位置。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述粗糙帶上的粗糙高度為恆定粗糙高度或變粗糙高度。
8.根據權利要求6和7所述的方法，其特徵在於，所述恆定粗糙高度按照如下方式進行設定:對布置粗糙帶的區域內的光潔葉型下的附面層高度進行積分，選取該積分值的10%作為所述恆定粗糙高度。
9.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述變粗糙高度按照如下方式進行設定:細化布置粗糙帶的區域內的光潔葉型下的附面層，對光潔葉型下的附面層高度變化較大的區域進行分割，對細化後的區域的附面層高度進行積分，選取該積分值的10%作為該區域的粗糙高度。
【文檔編號】F01D5/14GK104314618SQ201410528718
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月9日 優先權日:2014年10月9日
【發明者】孫爽, 雷志軍, 盧新根, 呂建波, 張波 申請人:中國科學院工程熱物理研究所