[發明專利]一種低壓渦輪端區二次流的耦合控制結構及方法

有效

• 申請號: 202011064324.3
• 申請日: 2020-09-30
• 公開（公告）號: CN112177679B
• 公開（公告）日: 2022-12-27
• 發明（設計）人: 屈驍;張英杰;張子卿;譚煒;張燕峰;盧新根;朱俊強
• 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: 北京鍾維聯合知識產權代理有限公司 11579
• 代理人: 原春香

本發明公開了一種低壓渦輪端區二次流的耦合控制結構及方法，通過將低壓渦輪的輪轂端壁設置為非軸對稱凹凸結構，并耦合上游周期性非定常尾跡來實現對低壓渦輪內部二次流的控制。該種結構及方法可有效減弱渦輪葉片通道內的橫向壓力梯度，并且上游周期性非定常尾跡能夠抑制葉片通道內通道渦的發展，兩者耦合控制能更好的抑制二次流，結構相對簡單、特別適用于高負荷/超高負荷低壓渦輪端區二次流的控制。

技術領域

本發明屬于航空發動機/燃氣輪機低壓渦輪技術領域，涉及一種高負荷低壓渦輪端區二次流的耦合控制結構及方法，具體涉及一種利用上游尾跡與非軸對稱端壁耦合控制高負荷低壓渦輪端區流動的方法。由于低壓渦輪內部的葉片處于級的工作環境，上游葉片表面邊界層離開尾緣，伴隨著動葉的轉動，產生非定常尾跡。上游非定常尾跡對低壓渦輪端區二次流有一定的抑制作用，而非軸對稱端壁能夠減弱葉輪通道內由壓力面指向吸力面的橫向壓力梯度，從而抑制端區二次流。上游尾跡與非軸對稱端壁耦合控制端區二次流效果更為顯著，減小了二次流損失，有利于提升渦輪的氣動性能。結構相對簡單、控制效果好，特別適用于高負荷低壓渦輪。

背景技術

低壓渦輪是航空發動機關鍵部件之一，具有級數多、重量大(占整機重量的1/3左右)等特點。高負荷葉片設計是減少低壓渦輪葉片數目和級數的一種有效途徑。然而葉片負荷的提高勢必會增強端區二次流，導致二次流損失急劇增加，降低此二次流損失是提高葉輪機械性能的一個重要方向。現有的低壓渦輪端區，輪轂端壁通常為均勻、平滑的表面，并以兩相鄰葉片所圍區域為一個周期，在低壓渦輪的輪轂端區，端壁二次流主要由通道渦、前緣馬蹄渦、壁面渦、尾緣脫落渦、角渦等組成，其形成的原因包括葉片通道內的橫向壓力梯度、葉片前緣繞流、端壁來流邊界層、旋轉、端壁封嚴冷氣等因素。因此，現有端壁二次流的損失控制也是圍繞其形成原因和發展過程展開，諸如對于前緣馬蹄渦壓力面分支發展控制。常見的二次流控制手段有：翼刀技術、葉片三維造型、葉片端區前緣修型、端壁造型、葉身端壁一體化設計等。但現有這些控制方法存在技術復雜、代價高、控制效果不理想等弊端。

發明內容

針對現有技術的上述缺點和不足，為補充和發展高負荷低壓渦輪端區流動控制技術，本發明提供了一種低壓渦輪端區二次流的耦合控制結構及方法，通過將低壓渦輪的輪轂端壁設置為非軸對稱凹凸結構耦合上游周期性非定常尾跡來實現對低壓渦輪內部二次流的控制。該種結構及方法可有效減弱渦輪葉片通道內的橫向壓力梯度，并且上游周期性非定常尾跡能夠抑制葉片通道內通道渦的發展，兩者耦合控制能更好的抑制二次流，結構相對簡單、特別適用于高負荷/超高負荷低壓渦輪端區二次流的控制。

本發明為解決其技術問題所采用的技術方案為：

一種低壓渦輪端區二次流的耦合控制結構，所述低壓渦輪包括輪轂以及沿周向均勻分布在所述輪轂上的多個低壓渦輪葉片，相鄰兩所述低壓渦輪葉片之間形成渦輪葉片通道，所述低壓渦輪的上游設有高壓渦輪，其特征在于，

各所述渦輪葉片通道內的輪轂壁面形成為局部凹凸化非軸對稱輪端壁；

所述低壓渦輪的上游與高壓渦輪的下游之間布置多個可沿周向移動的圓柱棒，各所述圓柱棒的移動方向是從所述低壓渦輪葉片的吸力面往壓力面方向移動，使得所述高壓渦輪的葉片表面邊界層離開其尾緣后，在各所述圓柱棒的擾動下形成為上游周期性非定常尾跡。

優選地，各所述圓柱棒在軸向上與所述低壓渦輪葉片前緣之間的距離B_x與所述低壓渦輪葉片的軸向弦長C_x的比值為0.3～0.7，可以通過調整圓柱棒與葉片前緣的軸向間距進而改變上游尾跡打到葉片吸力面上的不同位置，從而更好的控制葉片吸力面分離和端區二次流強度。

優選地，所述局部凹凸化非軸對稱輪端壁使用三角函數法進行參數化造型。

進一步地，所述局部凹凸化非軸對稱輪端壁的最大高度差約為5～10mm，可根據端區二次流的強弱適當增減非軸對稱輪端壁上凸和下凹的高度。

優選地，所述低壓渦輪為高負荷低壓渦輪，或超高負荷低壓渦輪。