漸縮流道跨音速渦輪葉片及應(yīng)用其的渦輪的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種漸縮流道跨音速渦輪葉片及應(yīng)用其的渦輪。該漸縮流道跨音速渦輪葉片的表面三維型線由N個(gè)葉型沿半徑方向積疊而成，其中，N≥3；該N個(gè)葉型中每個(gè)葉型均包括吸力面型線和壓力面型線，該N個(gè)葉型中至少一個(gè)葉型的吸力面型線存在內(nèi)凹型線。本發(fā)明漸縮流道跨音速渦輪葉片使葉片的氣動(dòng)總損失得到降低，有效降低了跨音速渦輪在超音速區(qū)的流動(dòng)損失。
【專利說明】漸縮流道跨音速渦輪葉片及應(yīng)用其的渦輪

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種吸力面無遮蓋段內(nèi)凹的漸縮流道跨音速渦輪葉片及應(yīng)用其的渦輪。

【背景技術(shù)】
[0002]高負(fù)荷跨音速渦輪相比傳統(tǒng)亞音速渦輪能有效提高級(jí)載荷，在高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)中得到了廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)有的高負(fù)荷跨音速渦輪(如GE公司的E3渦輪等)主要采用漸縮型流道，氣流在喉口達(dá)到當(dāng)?shù)匾羲俸笤跓o遮蓋通道中沿略微外凸或者平直的吸力面型線繼續(xù)加速至超過當(dāng)?shù)匾羲?。超音速氣流在尾緣處產(chǎn)生的內(nèi)外伸激波、膨脹波及它們各自在吸力面的反射波，與尾緣外伸激波構(gòu)成了相互之間存在復(fù)雜影響關(guān)系的波系結(jié)構(gòu)。該波系結(jié)構(gòu)通常伴隨著較大的速度梯度和熵增，不僅產(chǎn)生激波損失而且會(huì)影響吸力面邊界層和尾跡的發(fā)展過程，從而改變?nèi)~片的氣動(dòng)損失。這些損失均會(huì)隨著渦輪級(jí)載荷和葉片出口馬赫數(shù)的提聞而增大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003](一 )要解決的技術(shù)問題
[0004]鑒于上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種漸縮流道跨音速渦輪葉片及應(yīng)用其的渦輪，以降低跨音速渦輪在超音速區(qū)的流動(dòng)損失。
[0005]( 二 )技術(shù)方案
[0006]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種漸縮流道跨音速渦輪葉片。該漸縮流道跨音速渦輪葉片的表面三維型線由N個(gè)葉型沿半徑方向積疊而成，其中，N3 3 ;該N個(gè)葉型中每個(gè)葉型均包括吸力面型線和壓力面型線，該N個(gè)葉型中至少一個(gè)葉型的吸力面型線存在內(nèi)凹型線。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，還提供了一種渦輪。該渦輪包括:渦輪轉(zhuǎn)子；以及若干個(gè)上述的漸縮流道跨音速渦輪葉片，沿周向均勻分布在所述渦輪轉(zhuǎn)子的輪轂面上。
[0008](三)有益效果
[0009]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明漸縮流道跨音速渦輪葉片及應(yīng)用其的渦輪中，由于吸力面型線在其無遮蓋段上存在內(nèi)凹型線，從而使葉片的氣動(dòng)總損失得到降低，出口氣流的周向不均勻性得到改善，并且減小了對(duì)下游葉片排邊界層的非定常影響。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1A和圖1B為本發(fā)明實(shí)施例漸縮流道跨音速渦輪葉片在不同視角下的三維立體圖；
[0011]圖1C為本發(fā)明實(shí)施例漸縮流道跨音速渦輪葉片的三維葉型積疊圖；
[0012]圖2為本實(shí)施例漸縮流道跨音速渦輪葉片與相鄰葉片的葉型圖；
[0013]圖3為本發(fā)明實(shí)施例漸縮流道跨音速渦輪葉片一個(gè)葉型的吸力面型線貝塞爾曲線控制點(diǎn)分布圖；
[0014]圖4為本發(fā)明實(shí)施例渦輪的三維立體圖。
[0015]【本發(fā)明主要元件符號(hào)說明】
[0016]1-葉型；2-吸力面型線；
[0017]3-壓力面型線；4-葉型前緣；
[0018]5-葉型尾緣；6-葉型通道
[0019]7-遮蓋段；8-無遮蓋段的第一子段；
[0020]9-無遮蓋段的第二子段； 10-無遮蓋段的第三子段；
[0021]11_無遮蓋段；12-重心:
[0022]13-積疊線；
[0023]A、B、C、D、E-吸力面型線上的點(diǎn)；
[0024]F-壓力面型線的終點(diǎn)；
[0025]L-無遮蓋段的軸向長度；
[0026]L2-無遮蓋段第二子段的軸向長度；L3-無遮蓋段第三子段的軸向長度；
[0027]P1,P2,P3>P4>P5>P6>P7-貝塞爾曲線控制點(diǎn)。

【具體實(shí)施方式】
[0028]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號(hào)。附圖中未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，為所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中普通技術(shù)人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計(jì)約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。實(shí)施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0029]本發(fā)明提供了一種在吸力面無遮蓋段存在內(nèi)凹型線的漸縮流道跨音速渦輪葉片及應(yīng)用其的渦輪。該葉片削弱了尾緣內(nèi)伸激波反射波與尾緣外伸激波之間的強(qiáng)相互作用，減少了因二者疊加而產(chǎn)生的激波損失。
[0030]在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，提供了一種吸力面無遮蓋段內(nèi)凹的漸縮流道跨音速渦輪葉片。圖1A和圖1B為本發(fā)明實(shí)施例漸縮流道跨音速渦輪葉片在不同視角下的立體圖。圖1C為本發(fā)明實(shí)施例漸縮流道跨音速渦輪葉片三維葉型積疊圖。
[0031]請(qǐng)參照?qǐng)D1A、圖1B和圖1C，本實(shí)施例漸縮流道跨音速渦輪葉片的表面三維型線由5個(gè)葉型沿半徑方向(r方向)積疊而成，每個(gè)葉型由吸力面型線2和壓力面型線3通過前緣、尾緣的圓弧平滑連接而成，且吸力面型線存在內(nèi)凹型線。
[0032]以下對(duì)本實(shí)施例漸縮流道跨音速渦輪葉片的葉型進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0033]圖2為本實(shí)施例漸縮流道跨音速渦輪葉片與相鄰葉片的葉型圖。請(qǐng)參照?qǐng)D2，漸縮流道跨音速渦輪葉片的葉型1由吸力面型線2和壓力面型線3通過葉型前緣4、葉型尾緣5的圓弧平滑連接。其中，該圓弧的半徑介于0.1mm?5mm之間。
[0034]漸縮流道跨音速渦輪葉片的壓力面型線3與相鄰葉片葉型的吸力面型線2構(gòu)成寬度逐漸減小的葉型通道6。該漸縮流道跨音速渦輪葉片葉型的前緣與相鄰葉片同一半徑位置葉型的前緣之間構(gòu)成葉型通道6的進(jìn)口。
[0035]請(qǐng)繼續(xù)參照?qǐng)D2，葉型1的吸力面型線2沿軸向(z方向)包括:遮蓋段7，為吸力面型線2位于葉型通道內(nèi)的部分，如圖2中點(diǎn)A與點(diǎn)B之間的部分；無遮蓋段11，為吸力面型線2位于葉型通道外的部分，如圖2中點(diǎn)B與點(diǎn)E之間的部分。當(dāng)前漸縮流道跨音速渦輪葉片葉型的無遮蓋段起點(diǎn)B與相鄰葉片同一半徑位置葉型壓力面型線終點(diǎn)F之間構(gòu)成葉型通道6的出口。
[0036]請(qǐng)繼續(xù)參照?qǐng)D2，無遮蓋段11沿軸向(z方向)又包括:第一子段8，朝向葉片外部方向凸出，如圖2中點(diǎn)B與點(diǎn)C之間的部分；第二子段9，其朝向葉片內(nèi)部方向凹入，為上述的內(nèi)凹型線，如圖2中點(diǎn)C與點(diǎn)D之間的部分；以及第三子段10，朝向葉片外部凸出或?yàn)槠街保鐖D2中點(diǎn)D與點(diǎn)E之間的部分。
[0037]請(qǐng)參照?qǐng)D2和圖3，第一子段8和第二子段9相連接。第一子段8和第二子段9連接點(diǎn)的曲率為0，該連接點(diǎn)兩側(cè)的第一子段8和第二子段9具有正負(fù)符號(hào)相反的曲率。第二子段9和第三子段10相連接。第二子段9和第三子段10連接點(diǎn)的曲率為0，該連接點(diǎn)兩側(cè)的第二子段9和第三子段10具有正負(fù)符號(hào)相反的曲率。
[0038]本實(shí)施例中，吸力面型線由7控制點(diǎn)的貝塞爾曲線生成。圖3為本發(fā)明實(shí)施例漸縮流道跨音速渦輪葉片一個(gè)葉型的吸力面型線貝塞爾曲線控制點(diǎn)分布圖。請(qǐng)參照?qǐng)D3，控制點(diǎn)PpP2和P3位于吸力面型線2的外側(cè)，控制點(diǎn)P4、P5和P6位于吸力面型線2的內(nèi)偵彳，控制點(diǎn)卩7位于吸力面型線2上，從而在軸向長度為L的無遮蓋段11上構(gòu)造軸向長度為L2的內(nèi)凹型線9。
[0039]本實(shí)施例中，葉型的吸力面型線由7控制點(diǎn)的貝塞爾曲線構(gòu)造。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚，貝塞爾曲線的控制點(diǎn)可以取4?無數(shù)個(gè)之間。對(duì)于該控制點(diǎn)取4?無數(shù)個(gè)的貝塞爾曲線，其需要滿足以下條件，才可以構(gòu)成本發(fā)明漸縮流道跨音速渦輪葉片的吸力面型線.
[0040](1)軸向前端部分的控制點(diǎn)中至少有一個(gè)位于吸力面型線的外側(cè)；
[0041](2)中段部分的控制點(diǎn)至少有一個(gè)位于吸力面型線的內(nèi)側(cè)；
[0042](3)軸向后端部分的控制點(diǎn)位于吸力面型線上或吸力面型線外側(cè)。
[0043]本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚，由貝塞爾曲線確定吸力面型線只是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)方式中的一種，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以由其他的曲率至少二階連續(xù)的樣條曲線或圓弧曲線等來構(gòu)造本發(fā)明的吸力面型線，同樣應(yīng)當(dāng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)，此處不再重述。
[0044]請(qǐng)參照?qǐng)D2和圖3，無遮蓋段的軸向長度L占葉型1軸向長度的30.2%。其中，在無遮蓋段中，第一子段的軸向長度(L-L2_L3)占葉型1軸向長度的4.2% ;第二子段的軸向長度L2占葉型1軸向長度的22.0%。第三子段的軸向長度L3占葉型1軸向長度的4.0%。
[0045]本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚，可以根據(jù)需要來設(shè)計(jì)無遮蓋段的形狀和尺寸。在本發(fā)明其他實(shí)施例中，所述無遮蓋段11的軸向長度L約占葉型1軸向長度的14?55 %。其中，第一子段8的軸向長度(L-L2-L3)占葉型1軸向長度的2?10% ;第二子段9的軸向長度L2占葉型1軸向長度的10?30%。第三子段10的軸向長度L3占葉型1軸向長度的2?15%。
[0046]本實(shí)施例中，葉型的出口柵距與葉型通道6的出口寬度(幾何喉口寬度)之比介于1.1 一3.5之間，葉型通道的幾何喉口寬度為葉型尾緣小圓直徑的8?15倍，葉型進(jìn)、出口幾何氣流角(軸向)在0?90度之間任意選擇，葉型的出口馬赫數(shù)為1.1?1.5。葉型出口柵距為相鄰兩葉片同一半徑位置葉型的尾緣之間的距離。
[0047]請(qǐng)參照?qǐng)D1A、圖1B和圖1C，本實(shí)施例漸縮流道跨音速渦輪葉片由5個(gè)葉型沿半徑方向積疊而成。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚，葉型的個(gè)數(shù)N與設(shè)計(jì)要求、工藝難度有關(guān)，一般情況下，葉型數(shù)目N的下限為3，上限為無限大。而在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中，葉型的個(gè)數(shù)N介于4?100之間。優(yōu)選地，葉型個(gè)數(shù)N介于4?20之間。最優(yōu)地，葉型數(shù)N可取4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、50、100 等等。
[0048]本實(shí)施例漸縮流道跨音速渦輪葉片中，5個(gè)葉型的吸力面型線均存在內(nèi)凹型線，但本發(fā)明并不以此為限。在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，也可以是若干位于葉片中部的葉型吸力面型線中存在內(nèi)凹型線，或在其兩端的葉型吸力面型線中存在內(nèi)凹型線，同樣在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0049]請(qǐng)參照?qǐng)D1C和圖2，本實(shí)施例漸縮流道跨音速渦輪葉片中，將5個(gè)吸力面型線無遮蓋段存在內(nèi)凹型線的葉型1以通過各葉型1重心12的連線13積疊，得到葉片表面的三維曲面，即積疊線13為各葉型重心的連線，且為直線，但本發(fā)明并不以此為限。在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，各葉型還可以沿其重心、前緣、尾緣、弦線上的等比分點(diǎn)或中弧線上的等比分點(diǎn)積疊得到所述漸縮流道跨音速渦輪葉片表面三維型線。并且，積疊線不僅可以是直線，還可以是任意形狀的空間曲線。
[0050]本實(shí)施例中，在跨音速渦輪葉型通道的超音速流動(dòng)區(qū)域，內(nèi)凹型線增大了氣動(dòng)喉口到其起點(diǎn)之間的吸力面型線曲率，因此該范圍內(nèi)型線產(chǎn)生的膨脹波強(qiáng)度增大，使相鄰葉片的尾緣外伸激波波面增加了繞尾緣向下游偏轉(zhuǎn)的角度。內(nèi)凹型線通過自身型線減小了尾緣內(nèi)伸激波反射波的波前、波后氣流角(軸向)，從而使該反射波的激波波面增加了繞入射點(diǎn)向上游偏轉(zhuǎn)的角度。
[0051]上述兩個(gè)激波波面反向的偏轉(zhuǎn)在流動(dòng)方向上推后了尾緣外伸激波和尾緣內(nèi)伸激波反射波的交匯點(diǎn)。由于激波沿流向是不斷衰減的以及較弱的激波疊加后的強(qiáng)度也較弱，因此在被推后的交匯點(diǎn)處的激波損失也較小，也就是說，內(nèi)凹型線削弱了由于尾緣外伸激波和尾緣內(nèi)伸激波反射波疊加而產(chǎn)生的激波損失。此減少的激波損失使葉片的氣動(dòng)總損失得到降低，出口氣流的周向不均勻性得到改善，并且減小了對(duì)下游葉片排邊界層的非定常影響。
[0052]至此，本實(shí)施例漸縮流道跨音速渦輪葉片介紹完畢。
[0053]在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，還提供了一種應(yīng)用上述漸縮流道跨音速渦輪葉片的渦輪。該渦輪包括:渦輪轉(zhuǎn)子和沿周向均勻分布在渦輪轉(zhuǎn)子的輪轂面上的漸縮流道跨音速渦輪葉片。
[0054]本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚，本實(shí)施例渦輪中的漸縮流道跨音速渦輪葉片的數(shù)目和尺寸可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，此處不再重述。
[0055]至此，本實(shí)施例渦輪介紹完畢。
[0056]上文已經(jīng)結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述。依據(jù)以上描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)對(duì)本發(fā)明漸縮流道跨音速渦輪葉片有了清楚的認(rèn)識(shí)。
[0057]此外，上述對(duì)各元件的定義并不僅限于實(shí)施方式中提到的各種具體結(jié)構(gòu)或形狀，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單地熟知地替換。
[0058]綜上所述，本發(fā)明提供一種吸力面無遮蓋段內(nèi)凹的漸縮流道跨音速渦輪葉片。由于吸力面型線在其無遮蓋段上存在內(nèi)凹型線，從而使葉片的氣動(dòng)總損失得到降低，出口氣流的周向不均勻性得到改善，并且減小了對(duì)下游葉片排邊界層的非定常影響。
[0059]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種漸縮流道跨音速渦輪葉片，其特征在于，其表面三維型線由N個(gè)葉型沿半徑方向積疊而成，其中，N彡3; 該N個(gè)葉型中每個(gè)葉型均包括吸力面型線和壓力面型線，該N個(gè)葉型中至少一個(gè)葉型的吸力面型線存在內(nèi)凹型線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的漸縮流道跨音速渦輪葉片，其特征在于，所述吸力面型線與相鄰葉片葉型的壓力面型線之間構(gòu)成寬度逐漸減小的葉型通道，該吸力面型線沿軸向包括: 遮蓋段，為所述吸力面型線位于葉型通道內(nèi)的部分； 無遮蓋段，為所述吸力面型線位于葉型通道外的部分，包括: 第一子段，朝向葉片外部方向凸出； 第二子段，為所述的內(nèi)凹型線，其朝向葉片內(nèi)部方向凹入；以及 第三子段，朝向葉片外部凸出或?yàn)槠街薄?br> 3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的漸縮流道跨音速渦輪葉片，其特征在于， 所述第一子段和第二子段連接點(diǎn)的曲率為O，該連接點(diǎn)兩側(cè)的第一子段和第二子段具有正負(fù)符號(hào)相反的曲率； 所述第二子段和第三子段連接點(diǎn)的曲率為O，該連接點(diǎn)兩側(cè)的第二子段和第三子段具有正負(fù)符號(hào)相反的曲率。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的漸縮流道跨音速渦輪葉片，其特征在于，所述吸力面型線為至少二階連續(xù)的樣條曲線、圓弧曲線或貝塞爾曲線。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的漸縮流道跨音速渦輪葉片，其特征在于，所述吸力面型線為貝塞爾曲線，該貝塞爾曲線中: 軸向前端部分的控制點(diǎn)至少有一個(gè)位于吸力面型線的外側(cè)； 中段部分的控制點(diǎn)至少有一個(gè)位于吸力面型線的內(nèi)側(cè)； 軸向后端部分的控制點(diǎn)位于吸力面型線上或吸力面型線的外側(cè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的漸縮流道跨音速渦輪葉片，其特征在于，所述無遮蓋段的軸向長度占所述葉型軸向長度的14?55%，其中: 所述第一子段的軸向長度占所述葉型軸向長度的2?10% ; 所述第二子段的軸向長度占所述葉型軸向長度的10?30% ； 所述第三子段的軸向長度占所述葉型軸向長度的2?15%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的漸縮流道跨音速渦輪葉片，其特征在于: 所述葉型個(gè)數(shù)N介于4?100之間； 所述吸力面型線和壓力面型線通過葉型前緣、葉型尾緣的圓弧平滑連接，其中，該圓弧的半徑介于0.1mm?5mm之間； 所述葉型的出口柵距與葉型通道的出口寬度之比介于1.1—3.5之間，葉型通道的幾何喉口寬度為葉型尾緣小圓直徑的8?15倍。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的漸縮流道跨音速渦輪葉片，其特征在于，所述N個(gè)葉型中全部或者位于葉片中部的若干個(gè)葉型存在所述內(nèi)凹型線。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的漸縮流道跨音速渦輪葉片，其特征在于，所述N個(gè)葉型沿其重心、前緣、尾緣、弦線上的等比分點(diǎn)或中弧線上的等比分點(diǎn)積疊得到所述漸縮流道跨音速渦輪葉片表面三維型線，所述積疊的積疊線為直線或空間曲線。
10.一種包括權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的漸縮流道跨音速渦輪葉片的渦輪，其特征在于，包括: 渦輪轉(zhuǎn)子；以及 若干個(gè)所述漸縮流道跨音速渦輪葉片，沿周向均勻分布在所述渦輪轉(zhuǎn)子的輪轂面上。
【文檔編號(hào)】F01D5/02GK104420888SQ201310364144
【公開日】2015年3月18日 申請(qǐng)日期:2013年8月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月19日
【發(fā)明者】趙巍, 趙慶軍, 趙曉路, 徐建中 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院工程熱物理研究所