[發明專利]一種帶有減阻凹坑陣列的高壓渦輪葉片結構

有效

• 申請號: 202011147402.6
• 申請日: 2020-10-23
• 公開（公告）號: CN112177680B
• 公開（公告）日: 2022-05-10
• 發明（設計）人: 朱惠人;李鑫磊;劉存良;張麗;許衛疆;徐志鵬;周道恩
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: F01D5/14
• 分類號: F01D5/14
• 代理公司: 西安凱多思知識產權代理事務所(普通合伙) 61290
• 代理人: 高凌君

本發明公開了一種帶有減阻凹坑陣列的高壓渦輪葉片結構，在渦輪葉片吸力面上布置兩排減阻凹坑陣列；其中中弦減阻凹坑陣列位于葉片吸力面中弦附近區域，尾緣減阻凹坑陣列位于葉片吸力面尾緣附近區域。帶有減阻凹坑陣列的高壓渦輪葉片結構可使高速氣流通過中弦減阻凹坑陣列和尾緣減阻凹坑陣列后能有效貼附在葉片尾緣，減小渦輪級的流動損失。中弦減阻凹坑陣列和尾緣減阻凹坑陣列能有效改善渦輪葉片尾緣區域的流動特性，提高渦輪級效率，從而減小發動機油耗。中弦減阻凹坑陣列和尾緣減阻凹坑陣列能控制邊界層中的微小擾動，增加葉片尾緣附近的邊界層厚度，降低下游渦輪葉片前緣部分換熱系數，提高了渦輪葉片使用壽命。

技術領域

本發明涉及航空發動機動力葉片的減阻技術領域，具體地說，涉及一種帶有減阻凹坑陣列的高壓渦輪葉片結構。

背景技術

渦輪是航空發動機的重要組成部件，渦輪效率也直接影響著發動機的推重比與油耗率，決定著發動機的性能與效率。渦輪葉柵通道內流動十分復雜，存在多種流動損失，降低了渦輪效率。為了提高渦輪效率，國內外學者針對不同渦輪葉片減阻結構進行了大量的研究。

效率是大多數渦輪機最重要的性能參數，流動損失是影響發動機效率的重要因素。1993年Denton等人(Loss Mechanisms in Turbomachines.Trans Asme Journal ofTurbomachinery,1993,115(4).)研究了發動機各部件中的流動損失及產生原因，并指出在渦輪中，尾跡引起的流動損失占總損失的1/3，而當渦輪葉片中流動處于超音速狀態時，這個比例增加到50％。1994年Park等人(Flow alteration and drag reduction by ribletsin a turbulent boundary layer.AIAA Journal,1994,32(1):31-38.)通過實驗測量了鋸齒形凹槽在渦輪葉片上的減阻效果，結果表明凹槽壁面上的約3/4區域平均剪切應力小于光滑壁面，因此可以達到減小阻力的效果。2000年Lake等人(Low Reynolds number lossreduction on turbine blades with dimples and V-grooves.Aerospace SciencesMeetingExhibit.2000.)在美國空軍實驗室的低速風洞中測量了低雷諾數下帶凹坑和V型槽的渦輪葉片邊界層流動特性與渦輪損失系數。2012年楊林等人(基于表面凹槽與陷窩技術的低雷諾數渦輪流動損失控制.航空動力學報,2013(04):893-902.)通過數值計算與實驗研究了凹坑與凹槽對低壓渦輪葉片的減阻效果。

合理的減阻結構不僅可以有效降低葉片的流動損失，提高渦輪級效率，而且可以有效減小葉片尾跡中的低壓區域，降低下游葉片前緣換熱系數，提高渦輪葉片的使用壽命。

發明內容

為了減小高壓渦輪葉片尾緣部分流動損失，提高渦輪級效率，減少航空發動機油耗，提高飛行器續航能力，同時減小葉片尾緣低壓區域，減小葉柵出口湍流度，降低下游葉片前緣的換熱系數，減小渦輪葉片熱負荷與熱應力，提高渦輪葉片使用壽命；本發明提出一種帶有減阻凹坑陣列的高壓渦輪葉片結構。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:包括渦輪葉片、中弦減阻凹坑陣列、尾緣減阻凹坑陣列，其特征在于在渦輪葉片吸力面上布置兩排減阻凹坑陣列，其中，中弦減阻凹坑陣列位于葉片吸力面中弦附近區域，尾緣減阻凹坑陣列位于葉片吸力面尾緣附近區域，中弦減阻凹坑陣列和尾緣減阻凹坑陣列均與沿流線布置，中弦減阻凹坑陣列位于葉片吸力面上50％～70％范圍內，尾緣減阻凹坑陣列位于葉片吸力面上90％～99％范圍內中弦減阻凹坑陣列的展向間距S與尾緣減阻凹坑陣列的展向間距P相同，且中弦減阻凹坑陣列展向中線與尾緣減阻凹坑陣列展向中線相互平行；

所述中弦減阻凹坑陣列的深度H取值范圍為0.1～0.3mm，中弦減阻凹坑陣列的中截面寬度D取值范圍為2.5～3.2mm，中弦減阻凹坑陣列3的展向擴張角α取值范圍為26～40°；