一种涡轮叶尖结构及涡轮叶片的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种涡轮叶尖结构及涡轮叶片，包括叶尖吸力侧肋条和叶尖压力侧肋条，其中：叶尖吸力侧肋条径向设置在叶片的吸力面；叶尖压力侧肋条径向设置在叶片的压力面；叶尖吸力侧肋条从叶片吸力面的尾缘延伸到前缘；叶尖压力侧肋条从叶片压力面的尾缘延伸，终止于前缘与尾缘之间并靠近尾缘的位置。本实用新型能使叶尖前缘区域的热负荷减小和叶尖泄漏流流量减小。
【专利说明】一种涡轮叶尖结构及涡轮叶片
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种流体机械领域，特别是涉及一种涡轮叶尖结构及设置有该涡轮叶尖结构的涡轮叶片。
【背景技术】
[0002]航空发动机是飞机的心脏，航空动力技术已成为衡量一个国家科技水平、军事实力和综合国力的重要指标之一。现代航空发动机一直追求高推重比、低油耗率、高可靠性和耐久性。近几十年来，发动机的涡轮进口温度不断提高，第四代战斗机和新一代大涵道比民用航空发动机所使用的推重比10级别的发动机的涡轮进口温度已经达到了 1900-2000K。美国国防部开展的IHPTET (综合高性能涡轮发动机技术)计划和英国开展的ACME (先进核心机军用发动机)计划均把推重比20定为2020年的发展目标，该类发动机涡轮进口温度将高达2130K。高压涡轮一级叶片叶尖部位因其高热负荷和结构上的冷却难度，往往成为整个航空发动机热端零部件中过热损坏最频繁的部位。叶尖泄漏损失可高达级损失的三分之一。叶尖泄漏流是气动损失和叶尖高热负荷的主要原因之一。因此，减小涡轮叶尖泄漏流以及减小叶尖热负荷和气动损失是涡轮叶尖设计面临的问题。
[0003]从控制叶尖泄漏流的角度出发，现有技术中有全肋条叶尖(Squealer Tip)结构的方案，它是指在叶尖的吸力面I’沿径向增设肋条，即图1中示出的叶尖吸力侧肋条2’ ；另夕卜，在叶尖的压力面3’沿径向增设肋条，即图1中的叶尖压力侧肋条4’。叶尖吸力侧肋条2’和叶尖压力侧肋条4’的两端分别在叶尖的前缘区域和尾缘区域相连接，形成图1中示出的叶尖凹槽5’。
[0004]图2示出的是全肋条叶尖结构横向截面的泄漏流的流动示意图。如图2所示,相比于平面叶尖，在相同叶尖间隙高度条件下，一方面由于叶尖凹槽5’的形成，全肋条叶尖结构降低了叶尖泄漏流6’的速度，从而减小了泄漏流与主流的掺混损失，进而减小了气动损失。另一方面，由于叶尖凹槽5’内流体涡的形成，有利于对泄漏流产生阻塞作用，进而减少了泄漏流的流量。因此，相比于平面叶尖，全肋条叶尖结构的气动损失和泄漏流流量都明显减小。
[0005]但是，对于全肋条叶尖而言，一方面由于叶尖前缘附近区域存在泄漏流的冲击重附着7’(如图2所示)，导致该前缘区域热负荷增强。另一方面，流体涡在叶尖凹槽5’内的形成、发展，也会增大泄漏流的流动损失。
实用新型内容
[0006]本实用新型的目的是提出一种涡轮叶尖结构及涡轮叶片，其能使叶尖前缘区域的热负荷减小和叶尖泄漏流流量减小。
[0007]为实现上述目的，本实用新型提供以下技术方案:
[0008]一种涡轮叶尖结构，包括叶尖吸力侧肋条和叶尖压力侧肋条，其中:叶尖吸力侧肋条径向设置在叶片的吸力面；叶尖压力侧肋条径向设置在叶片的压力面；叶尖吸力侧肋条从叶片吸力面的尾缘延伸到前缘；叶尖压力侧肋条从叶片压力面的尾缘延伸，终止于前缘与尾缘之间并靠近尾缘的位置。
[0009]进一步地，还包括引导肋条，其中:叶尖吸力侧肋条通过引导肋条与叶尖压力侧肋条的终点相连接，形成一个凹槽。
[0010]进一步地，引导肋条与叶尖吸力侧肋条的连接点相对于引导肋条与叶尖压力侧肋条的连接点更靠近前缘；引导肋条朝前缘方向呈凸出状。
[0011]进一步地，叶尖压力侧肋条的长度为叶片压力面弧长的1/3到2/3的范围内。
[0012]一种涡轮叶片，包括前缘、后缘、压力面、吸力面、叶尖结构和端壁；叶尖结构为上述各实施例中的涡轮叶尖结构。
[0013]进一步地，叶片前缘设置有若干个气膜孔。
[0014]进一步地，若干气膜孔从叶尖结构到端壁间隔分布。
[0015]进一步地，叶片压力面设置有若干个气膜孔。
[0016]进一步地，叶片压力面的若干气膜孔从叶尖结构到端壁间隔分布。
[0017]基于上述技术方案，本实用新型的优点是:
[0018]由于本实用新型在现有的全肋条叶尖结构的结构基础上，保留吸力面上叶尖吸力侧肋条的全肋条结构，而将叶尖压力侧肋条的全肋条结构的前缘附近的部分肋条去除，因此可以避免泄漏流在叶尖前缘区域的冲击重附着，从而避免了叶尖前缘区域热负荷增强；另外，引导肋条5可以起到引导泄漏流的作用，把由压力侧与吸力侧压差引起的泄漏流再次引导回压力侧，进而减小了泄漏流流量，从而进一步减小了叶尖泄漏流流量。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中:
[0020]图1为现有技术中全肋条叶尖结构的结构示意图；
[0021]图2为图1中全肋条叶尖结构横向截面的泄漏流的流动示意图；
[0022]图3为本实用新型所提供的涡轮叶尖结构一实施例的结构示意图；
[0023]图4为图3中涡轮叶尖结构的截面A-A泄漏流的流动示意图；
[0024]图5为图3中涡轮叶尖结构的截面B-B泄漏流的流动示意图。
【具体实施方式】
[0025]为使本实用新型实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。下面结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。
[0026]在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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实用新型和简化描述，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实用新型保护范围的限制。
[0027]图3示出的是本实用新型所提供的涡轮叶尖结构一实施例的结构示意图。如图3所示，本实施例中的涡轮叶尖结构包括叶尖吸力侧肋条I和叶尖压力侧肋条2，其中:叶尖吸力侧肋条I径向设置在叶片的吸力面3，叶尖压力侧肋条2径向设置在叶片的压力面4。此处的“径向”指的是从叶片的前缘M到尾缘N的方向，或者是，从叶片的尾缘N到前缘M的方向。
[0028]本实用新型采用吸力面上叶尖吸力侧肋条I的全肋条结构，即叶尖吸力侧肋条I仍然是从叶片吸力面的尾缘N延伸到前缘M，并将叶尖压力侧肋条2的全肋条结构的前缘M附近的部分肋条去除，即叶尖压力侧肋条2从叶片压力面4的尾缘N延伸，终止于前缘M与尾缘N之间并靠近尾缘N的位置。也就是说，在叶尖前缘区域附近没有叶尖压力侧肋条
2,从而可以避免泄漏流在叶尖前缘区域的冲击重附着,从而避免了叶尖前缘区域热负荷增强。另外，引导肋条5可以起到引导泄漏流的作用，把由压力侧与吸力侧压差引起的泄漏流再次弓I导回压力侧，进而减小了泄漏流流量，从而进一步减小了叶尖泄漏流流量。
[0029]试验证明:叶尖压力侧肋条2的长度为叶片压力面4弧长的1/3到2/3的范围内，减小叶尖前缘区域的热负荷和减小叶尖泄漏流流量的效果最佳。
[0030]上述实施例中，本实施例中还包括引导肋条5，其中:从吸力面处引出引导肋条5与叶尖压力侧肋条2形成凹槽区域，即图3中，叶尖吸力侧肋条I通过引导肋条5与叶尖压力侧肋条2位于叶片压力面4的终点相连接，形成一个凹槽6。
[0031]引导肋条5与叶尖吸力侧肋条I的连接点相对于引导肋条5与叶尖压力侧肋条2连接点更靠近前缘M，并且引导肋条5朝前缘M方向呈凸出状。叶尖吸力侧肋条I和叶尖压力侧肋条2与引导肋条5相连接的位置要求光滑过渡，这样可以更好地引导泄漏流，减小叶尖泄漏流流量。
[0032]凹槽6位于叶尖尾缘附近，本实用新型在叶尖尾缘处的凹槽宽度较小(从压力面到吸力面距离)，这样就避免了泄漏流的冲击重附着，保留泄漏流在凹槽内的回流(Recirculation Flow),保持凹槽6内的低热负荷。同时,从吸力侧引出的引导肋条5起到引导泄漏流的作用，把由压力侧与吸力侧压差引起的泄漏流再次引导回压力侧，进而减小泄漏流量，从而进一步减小了气动损失和叶尖高热负荷。
[0033]图4示出的是涡轮叶尖结构的截面A-A泄漏流的流动示意图。如图4所示，当气流以一定攻角流进叶栅通道时，由于在叶尖前缘区域附近没有叶尖压力侧肋条2，那么在这个区域泄漏流将不会发生冲击重附着，那么将减小该区域的热负荷。相对于全肋条叶尖结构而言，在相同的叶尖间隙下，入口面积增大，因此进入叶尖前缘区域的泄漏流的速度降低，这一方面能够减小该区域的热负荷，另一方面也能进一步减小泄漏流和主流之间的掺混损失。当泄漏流以一定角度流入叶尖间隙区时，在引导肋条5的作用下，部分泄漏流由吸力面3流回压力面4，再次流回叶栅通道，从而减小了泄漏流量。在叶尖尾缘区域，由于凹槽6宽度较窄(从压力面到吸力面距离)，泄漏流也不会发生冲击重附着的现象，凹槽区域泄漏流的流动模式如图5所示。由于凹槽6中内涡的形成，一方面它能够起到阻塞泄漏流的作用，进而减小泄漏流量；另一方面，它能够对凹槽6起到热防护的作用，进一步减小叶尖尾缘区域的热传递。
[0034]如图3、图4所示，本实用新型还提供一种涡轮叶片，其包括前缘M、后缘N、吸力面
3、压力面4、叶尖结构和端壁7，与现有的涡轮叶片不同之处在于:所述叶尖结构为上述各实施例中的涡轮叶尖结构。采用了本实用新型所提供的所述叶尖结构之后，涡轮叶尖前缘区域热负荷得到了降低，叶尖区域泄漏流速度得以减小，从而减小了泄漏流量，进而减小气动损失。
[0035]上述实施例中，叶片前缘M设置有若干个气膜孔8，优选地，若干气膜孔8从叶尖结构到端壁7间隔分布。
[0036]上述实施例中，叶片压力面4设置有若干个气膜孔9，优选地，叶片压力面4的若干气膜孔9从叶尖结构到端壁7间隔分布。
[0037]最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本实用新型的【具体实施方式】进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。
【权利要求】
1.一种涡轮叶尖结构， 包括叶尖吸力侧肋条和叶尖压力侧肋条，其中: 叶尖吸力侧肋条径向设置在叶片的吸力面； 叶尖压力侧肋条径向设置在叶片的压力面； 其特征在于: 叶尖吸力侧肋条从叶片吸力面的尾缘延伸到前缘； 叶尖压力侧肋条从叶片压力面的尾缘延伸，终止于前缘与尾缘之间并靠近尾缘的位置。
2.如权利要求1所述的涡轮叶尖结构， 其特征在于: 还包括引导肋条，其中: 叶尖吸力侧肋条通过引导肋条与叶尖压力侧肋条的终点相连接，形成一个凹槽。
3.如权利要求2所述的涡轮叶尖结构， 其特征在于: 引导肋条与叶尖吸力侧肋条的连接点相对于引导肋条与叶尖压力侧肋条的连接点更靠近前缘； 引导肋条朝前缘方向呈凸出状。
4.如权利要求3所述的涡轮叶尖结构， 其特征在于: 叶尖压力侧肋条的长度为叶片压力面弧长的1/3到2/3的范围内。
5.一种涡轮叶片， 包括前缘、后缘、压力面、吸力面、叶尖结构和端壁； 其特征在于: 叶尖结构为如权利要求1-4中任一项所述的涡轮叶尖结构。
6.如权利要求5所述的涡轮叶片， 其特征在于: 叶片前缘设置有若干个气膜孔。
7.如权利要求6所述的涡轮叶片， 其特征在于: 若干气膜孔从叶尖结构到端壁间隔分布。
8.如权利要求6所述的涡轮叶片， 其特征在于: 叶片压力面设置有若干个气膜孔。
9.如权利要求8所述的涡轮叶片， 其特征在于: 叶片压力面的若干气膜孔从叶尖结构到端壁间隔分布。
【文档编号】F01D5/20GK203584472SQ201320817972
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年12月12日 优先权日:2013年12月12日
【发明者】包毅, 田淑青 申请人:中航商用航空发动机有限责任公司