[發明專利]一種渦輪轉子葉頂泄漏流協同抑制結構

在審

• 申請號: 202011388601.6
• 申請日: 2020-12-02
• 公開（公告）號: CN112682109A
• 公開（公告）日: 2021-04-20
• 發明（設計）人: 宣益民;王天壹
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: F01D5/20
• 分類號: F01D5/20
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 常孟

本發明公開了一種渦輪轉子葉頂泄漏流協同抑制結構，包括渦輪機匣以及與渦輪機匣間隙配合的葉片，葉片的兩側分別形成吸力面和壓力面，葉片正對渦輪機匣的葉頂平面上設有葉頂凹槽，葉片頂部外側設有外伸的葉頂小翼，葉頂小翼的上表面與葉頂平面重合，葉頂小翼的側面與葉片側面形成夾角；位于壓力面一側的葉頂小翼上設有若干用于逆向射流的自發射流孔，自發射流孔連接葉頂小翼的側面和上表面。本發明將葉頂凹槽，小翼，自發射流孔三者有機結合，大幅提高了對泄漏流的抑制作用；不需要外接氣源，屬于被動控制方法，既省去了復雜管路連接，減輕發動機重量，又省去了外接氣源帶來的發動機效率損失；整體結構簡單，加工和工程應用比較方便。

技術領域

本發明涉及葉輪機結構，具體為一種渦輪轉子葉頂泄漏流的協同抑制結構。

背景技術

軸流渦輪是能源轉化，推進領域經常采用的機械部件。高壓渦輪轉子是整個渦輪中最為關鍵的部件。為防止葉尖與機匣的碰磨，在渦輪轉子葉片葉尖與渦輪機匣之間需預留一定的間隙，一般的葉尖間隙高度約占葉柵通道的1％，而且其高度在渦輪不同的運行狀態下也會發生變化。葉尖間隙處于整個渦輪流場中，它的兩側分別聯通了葉片吸力面和壓力面，且由于葉片相對厚度較小，使得壓力側的流體會在間隙兩側巨大壓差的作用下，經過間隙進入吸力側，形成葉頂間隙泄漏流。泄漏流進入吸力面一側后，會在與主流摻混過程中，向葉片中部旋轉形成泄漏渦。由于間隙泄漏流在間隙內由壓力面流向吸力面，不經歷在渦輪轉子主流場中的膨脹，推動渦輪葉片做功的過程，因而其存在必然使得單級渦輪做功能力下降。同時，間隙泄漏流本身的流動分離和與主流的流動摻混不可避免的給渦輪帶來更多的二次流損失，導致渦輪效率降低。而且，渦輪葉片工作在熱環境最為苛刻的燃燒室出口，間隙泄漏流的存在，渦輪轉子葉尖受到與高溫主流的接觸面積變大，進一步加劇了渦輪葉片的熱負荷，因此需要采用必要的泄漏流控制手段以降低葉尖間隙泄漏流帶來的影響。然而，目前常規的被動控制方法，如葉頂凹槽等，對泄漏流的抑制效果仍然有很大的改進空間，針對不同葉頂結構，一些控制方法甚至會出現反效果。封嚴篦齒等帶冠葉頂結構盡管對泄漏流有較好的抑制效果，但由于自身結構復雜，存在加工難度大，機械強度低等問題。

發明內容

發明目的：本發明的目的在于提供一種應用固體葉片修型結合流體自發控制的渦輪轉子葉頂泄漏流抑制結構。

技術方案：本發明的一種渦輪轉子葉頂泄漏流協同抑制結構，包括渦輪機匣以及與渦輪機匣間隙配合的葉片，所述葉片的兩側分別形成吸力面和壓力面，所述葉片正對渦輪機匣的葉頂平面上設有葉頂凹槽，所述葉片頂部外側設有外伸的葉頂小翼，所述葉頂小翼的上表面與葉頂平面重合，葉頂小翼的側面與葉片側面形成夾角；位于壓力面一側的葉頂小翼上設有若干用于逆向射流的自發射流孔，所述自發射流孔連接葉頂小翼的側面和上表面。

進一步地，利用自發射流孔將壓力側高壓流體引入間隙內形成射流，射流在間隙內部形成逆流，并進入泄漏流中心主流區，逆流結構對主流流動形成顯著的阻礙作用。壓力面一側的葉頂小翼上的自發射流孔的結構因素包括自發射流孔孔型和等效直徑d，自發射流孔的進口與葉頂小翼的側面夾角β，自發射流孔的出口與葉頂小翼的上表面的夾角α，自發射流孔的出口與葉頂小翼邊緣距離w₃以及射流孔間距l。在同一平面射流孔控制效果隨孔間距l減小而增大，所述的自發射流孔為等間隔布置，自發射流孔間距l與自發射流孔等效直徑d的比值為4～16。合理的自發射流孔的等效直徑d取值與間隙h大小成正相關，自發射流孔的等效直徑d為渦輪機匣與葉片間形成的間隙高度h的0.5～5倍，可以通過調整出口孔型改善控制效果。自發射流孔的進口與葉頂小翼的側面夾角β須保證在滿足射流量的前提下，流動阻力盡可能小，優選的范圍是45～135°；自發射流孔的出口與葉頂小翼的上表面的夾角α須保證射流出流方向與泄漏流當地流動方向在同一平面，優選的，自發射流孔為圓弧型，自發射流孔的出口方向與泄漏流的運動方向相反，α的取值范圍是30～75°；自發射流孔的出口與葉頂小翼邊緣距離w₃與間隙高度h有關，優選為渦輪機匣與葉片間形成的間隙高度h的2～10倍。