[實用新型]一種低壓渦輪葉片結構

有效

• 申請號: 201420581492.3
• 申請日: 2014-10-09
• 公開（公告）號: CN204186429U
• 公開（公告）日: 2015-03-04
• 發明（設計）人: 孫爽;雷志軍;盧新根;呂建波;張波
• 申請（專利權）人: 中國科學院工程熱物理研究所
• 主分類號: F01D5/14
• 分類號: F01D5/14
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本實用新型涉及一種適用于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

當前大涵道比渦扇發動機由于其出色的耗油率及推力特性而被廣泛地應用于民用航空。低壓渦輪因級數較多，其重量可占整臺發動機的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、降低制造和運營維護成本。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，導致了附面層易于分離，葉型損失增加。另外，對于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于低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。

對于低壓渦輪，特別是末級葉片通常較長，展弦比較大(一般處于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占比較小，二維葉型損失則占比較高，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。本實用新型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。

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。本實用新型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

針對現有技術的缺點和不足，本實用新型旨在提供一種低壓渦輪葉片結構，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，從而提高渦輪效率。

本實用新型為解決其技術問題，提供了一種低壓渦輪葉片結構，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，其特征在于，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點；

--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。

本實用新型的低壓渦輪葉片結構中，所述粗糙帶上的粗糙高度為恒定粗糙高度或變粗糙高度。

本實用新型的低壓渦輪葉片結構中，所述恒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％作為所述恒定粗糙高度。

本實用新型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，對細化后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。這種細化后的變粗糙高度布置方式效果較好的原因在于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。

同現有技術相比，本實用新型的低壓渦輪葉片結構具有顯著的技術效果：對于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，但其結構復雜、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。本實用新型屬于一種被動控制手段，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后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恒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。

附圖說明

圖1二維低壓渦輪葉片粗糙度布置位置示意圖；