[發明專利]耦合非軸對稱端壁結構的變幾何渦輪導葉組件及造型方法

在審

• 申請號: 202310056523.7
• 申請日: 2023-01-18
• 公開（公告）號: CN116066178A
• 公開（公告）日: 2023-05-05
• 發明（設計）人: 吳艷輝;史旭陽;薛亞鵬;李紫良
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: F01D9/04
• 分類號: F01D9/04;G06F30/28;G06F30/17;G06F111/10;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 鄢功軍

本發明公開了一種耦合非軸對稱端壁結構的變幾何渦輪導葉組件和造型方法，變幾何渦輪導葉組件包括：輪轂；機匣，與輪轂共同圍設成一個環形流道；多個轉軸，在周向上等間距的設置在環形流道內，轉軸沿環形流道的徑向方向延伸；以及多個導葉，分別可轉動的設置在轉軸上，導葉的上端與機匣之間、導葉的下端與輪轂之間存在有間隙；輪轂的外側面上與導葉相對的區域和/或機匣的內側面上與導葉相對的區域設置有連續的凹凸結構，凹凸結構的最大凸起高度低于間隙的高度，最大凹陷高度低于所在構件的壁厚。導葉兩側表面壓力差的降低可以降低導葉上下端壁處的泄漏流損失；還可以降低通道渦強度，降低流道二次流損失，提高變幾何渦輪的效率。

技術領域

本發明涉及航空發動機/燃氣輪機變幾何渦輪技術領域，尤其涉及一種耦合非軸對稱端壁結構的變幾何渦輪導葉組件及造型方法。

背景技術

未來戰爭的特點和發展趨勢，要求下一代戰機要能根據實際作戰任務，分別能夠執行亞音和超音飛行任務。作為戰斗機的動力裝置，這就要求其發動機兼具高單位推力和低油耗的雙重要求，變循環發動機(Variable?Cycle?Engine,VCE)的概念應運而生。變循環發動機渦輪在變循環發動機中起著調整流量、控制推力、調節發動機工作點的重要作用，是變循環發動機必不可少的重要部件。變循環發動機要求其渦輪部件能夠在發動機工作過程中提高調節流量的變化進而改變渦輪功，這就意味著發動機核心段的流道幾何形狀和尺寸就要進行調節，以實現渦輪流量的變化。

為了獲得傳統定幾何渦輪所不具備的調整流量、控制推力、調節發動機工作點的能力，變幾何渦輪必須實現喉道面積可調。對于基于導葉安裝角可調的變幾何渦輪來說，喉道面積可調節通過導葉安裝角改變(導葉旋轉)來實現的，這就要求在渦輪導葉上下兩端安裝轉軸同時在導葉上下端壁處預留的間隙，但這樣的結構會使得變幾何渦輪導葉上下間隙處產生復雜的泄漏流，并產生額外的泄漏流損失；同時該泄漏流會很大程度惡化渦輪端區流場環境，增加額外的端區二次流損失。為了推進變幾何渦輪技術進一步的應用，以期改善發動機變工況性能，一定不能使得變幾何獲得的循環收益被其造成的渦輪效率降低太多為抵消，并且要確保設計點效率近似不變。眾所周知，渦輪導葉端區二次流損失及端區泄漏流損失是渦輪總損失的主要組成部分，因此有效的控制變幾何渦輪由于結構改型帶來的額外損失是變幾何渦輪設計成功與否的關鍵。

流動控制技術在近年來得到廣泛的重視和發展。所謂流動控制是指以較小的流動修正或損失為代價來獲得較大的主流流動收益，甚至改變主流的流動狀態，達到組織流場、提高渦輪性能的目的。流動控制可以分為被動流動控制和主動流動控制。出于安全性和易用性的量，人們一直將渦輪流動控制的研究重點集中在被動控制方法上。針對渦輪端區的泄漏流損失和二次流損失的調控，眾多學者提出了非軸對稱端壁、前緣修型、翼刀、葉片彎曲等眾多優秀被動控制技術，但目前的研究的控制對象均為傳統定幾何渦輪，針對目前發展潛力巨大的變幾何渦輪，相關的端區流動損失的調控策略研究卻基本為空白。

本發明公開了一種基于非軸對稱端壁設計的變幾何渦輪導葉構型，該構型不僅能夠有效降低導葉吸力面與壓力面的壓力差，從而抑制端區處通道渦的強度進而減小端區二次流損失，而且可以滿足基于導葉安裝角可調的變幾何渦輪導葉旋轉的需求，更進一步的滿足不同導葉開度下該控制手段均能提升流動特性的需求。

發明內容

為了解決上述技術問題，本發明提供一種基于非軸對稱端壁設計的變幾何渦輪導葉構型，該構型不僅能夠有效降低導葉吸力面與壓力面的壓力差，從而抑制端區處通道渦的強度進而減小端區二次流損失，而且可以滿足基于導葉安裝角可調的變幾何渦輪導葉旋轉的需求，更進一步的滿足不同導葉開度下該控制手段均能提升流動特性的需求。

根據本發明一個方面的實施例提供一種耦合非軸對稱端壁結構的變幾何渦輪導葉組件，包括：

輪轂；

機匣，與所述輪轂共同圍設成一個環形流道；

多個轉軸，在周向上等間距的設置在所述環形流道內，所述轉軸沿所述環形流道的徑向方向延伸；以及