[發明專利]一種抑制渦輪轉子葉片非定常氣流激振力的方法

在審

• 申請號: 202011381166.4
• 申請日: 2020-11-30
• 公開（公告）號: CN112523809A
• 公開（公告）日: 2021-03-19
• 發明（設計）人: 秦勇;徐志偉;鄭振江;郭昊雁;蔡文哲;郭昆
• 申請（專利權）人: 北京動力機械研究所
• 主分類號: F01D5/14
• 分類號: F01D5/14;F01D5/16
• 代理公司: 中國兵器工業集團公司專利中心 11011
• 代理人: 王雪芬

本發明涉及一種抑制渦輪轉子葉片非定常氣流激振力的方法，屬于渦輪葉片氣動設計技術領域。本發明根據渦輪內部的實際流動情況，針對葉排的全部或部分葉片，在導向器葉片尾緣的部分或全部葉高范圍內布置鋸齒結構，形成鋸齒尾緣導向器葉片。本發明利用導向器葉片尾緣的鋸齒結構破壞尾緣渦的展向一致性，削弱尾跡強度，降低尾跡區域的壓力脈動，從而減小下游渦輪轉子葉片承受的非定常氣流激振力，保證渦輪部件安全可靠工作，降低其發生高周疲勞斷裂的風險。本發明的鋸齒尾緣具有結構形式簡單、控制參數少、加工容易等特點，易于工程領域推廣應用。

技術領域

本發明屬于渦輪葉片氣動設計技術領域，具體涉及一種抑制渦輪轉子葉片非定常氣流激振力的方法。

背景技術

渦輪是影響航空燃氣渦輪發動機的性能、壽命與可靠性的關鍵部件。渦輪內部流動本質上是三維、粘性、非定常的，伴隨著流動分離、激波及其與邊界層的干涉、上游葉排尾流、動靜干涉等諸多復雜流動現象。由于流動的不穩定性，渦輪內部流場不僅是非定常的，還存在著尺度大小各異，甚至相差懸殊的旋渦微團，表現為空間上的多尺度特征。此外，在渦輪內部流場與葉片固體域的交界面上還存在著力和動量的交換。研究結果表明，非常流動不僅影響渦輪葉片的氣動性能，還會誘導產生造成葉片振動疲勞的非定常氣流激振力，嚴重時甚至導致渦輪轉子葉片發生高周疲勞斷裂故障，影響渦輪部件以及發動機的安全運行。因此，提出一種抑制轉子葉片非定常氣流激振力的方案，降低其發生高周疲勞斷裂的風險，是增強渦輪部件工作可靠性的重要途徑。

受貓頭鷹安靜飛行特性的啟發，研究人員首先在翼型前緣和尾緣應用鋸齒結構，并進一步在風力機、壓氣機等葉輪機械中研究其在氣動噪聲和性能方面的作用效果。鋸齒結構的影響主要體現在對其下游壓力分布及尾跡流場特性的影響，研究結果表明，一方面，鋸齒間及尾緣附近的壓力面邊界層受到近壁面和尾跡剪切層湍流強度增大的影響，尾緣渦的脫落過程和脫落位置改變，其不穩定程度增大，從而抑制尾緣渦的展向相關性，并減弱尾緣渦的能量；另一方面，鋸齒尾緣結構還降低了尾緣附近及尾跡區的速度脈動，將大尺度渦破碎為小尺度渦，加強尾跡區的流動摻混與速度衰減，使得尾跡區流場分布更為均勻，削弱尾跡區的展向一致性，以減輕尾跡流動對下游流場的影響。

盡管有關鋸齒尾緣的研究多以降噪、擴穩、減小流動損失為目的，且以壓氣機或風力機為研究對象。然而，渦輪與壓氣機、風力機同屬于葉輪機械，對尾跡流場結構的深入分析也表明，鋸齒尾緣可以破壞尾緣渦的展向一致性，減弱尾跡強度，并降低尾跡區域的壓力脈動幅值，這為利用鋸齒尾緣導向器葉片控制渦輪中尾跡主導的動靜干涉流場并抑制轉子葉片氣流激振力提供了可能性。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本發明要解決的技術問題是：如何設計一種抑制轉子葉片非定常氣流激振力的方案。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種抑制渦輪轉子葉片非定常氣流激振力的方法，該方法中，通過將導向器葉片尾緣設計為鋸齒結構，降低渦輪轉子葉片非定常氣流激振力。

優選地，該方法中，將鋸齒結構的型線設計為類正弦曲線形式、三角形、梯形或任意一種或幾種的組合形式，其中將鋸齒結構的齒型由波幅A和波長W兩個幾何參數定義，波幅和波長對于確定的應用對象為恒定值。

優選地，該方法中，設計波幅A在中弧線長的1％～3％范圍內取值，設計波長W在弦長的5％～25％范圍內取值。

優選地，該方法中，將鋸齒結構的展向高度設計為在尾緣全葉高范圍內布置，或僅在尾緣的下半葉高或上半葉高范圍內布置。

優選地，該方法中，將鋸齒結構設置在葉排的所有葉片上，或設置在葉排的部分葉片上。

優選地，該方法中，當在葉排的部分葉片設置鋸齒結構時，將180°扇區的葉片設計為鋸齒結構，形成兩扇區非對稱尾緣氣動布局。