一種高低壓渦輪的過渡段結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動機(jī)減重和性能提升的超緊湊高低壓渦輪過渡段，其關(guān)鍵在于過渡段支板長葉片與低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片采用大小葉片一體化結(jié)構(gòu)布局，其中長葉片用于實現(xiàn)支板功能，而短葉片用于實現(xiàn)低壓渦輪導(dǎo)向器功能。該發(fā)明可直接用于高性能航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，相比于傳統(tǒng)的支板+低壓渦輪導(dǎo)向器過渡段結(jié)構(gòu)布局，采用支板與低壓渦輪導(dǎo)向器葉片大小葉片布局的過渡段能夠在大幅度提高高低壓渦輪過渡段緊湊性的同時提高過渡段的氣動性能。
【專利說明】一種高低壓渦輪的過渡段結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種高低壓渦輪的過渡段結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種支板長葉片與低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片大小葉片一體化布局的高低壓渦輪過渡段結(jié)構(gòu)，能夠大幅度提高高低壓渦輪過渡段的緊湊性和氣動性能，特別適用于大涵道比航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]為了追求更高的經(jīng)濟(jì)性(高效率、低燃油消耗率等)和環(huán)境友好性(低排放、低噪音等)，現(xiàn)代高性能民用渦扇發(fā)動機(jī)通常采用較高的涵道比，低壓渦輪與風(fēng)扇共軸，受風(fēng)扇強(qiáng)度和切線速度(進(jìn)口激波和噪聲)的限制，低壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速較低，使得發(fā)動機(jī)高壓與低壓之間的徑向跨距相對較大，因此，對于民用大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)的膨脹系統(tǒng)而言，在高壓渦輪和低壓渦輪之間通常存在較長的過渡段，典型高低壓渦輪過渡段如圖1所示，主要由過渡段內(nèi)端壁和過渡段外端壁構(gòu)成的環(huán)形通道，為了滿足發(fā)動機(jī)冷卻和潤滑要求(允許各種油管和氣管通過)和發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)支撐要求，過渡段內(nèi)會通常會內(nèi)置若干厚度較大的支板葉片。
[0003]為了進(jìn)一步提高發(fā)動機(jī)性能，降低發(fā)動機(jī)重量，超緊湊過渡段已經(jīng)成為了現(xiàn)代高性能航空發(fā)動機(jī)的一個必然選擇，然而超緊湊過渡段的大曲率和高擴(kuò)壓度特征，導(dǎo)致過渡段內(nèi)存在復(fù)雜的徑向壓力梯度和軸向壓力梯度，流體減速擴(kuò)壓，很容易引起附面層分離，誘導(dǎo)出強(qiáng)的二次流動和各種渦系結(jié)構(gòu)。而過渡段上游客觀存在的高壓渦輪出口流場(出口預(yù)旋、尾跡、葉頂間隙泄漏流等)以及過渡段內(nèi)若干厚度較大支板的引入，進(jìn)一步強(qiáng)化了超緊湊過渡段內(nèi)部的二次流動，使得超緊湊過渡段內(nèi)部容易出現(xiàn)附面層分離，在急劇降低過渡段氣動性能的同時增加了低壓渦輪進(jìn)口流場畸變和旋流強(qiáng)度，增加了低壓渦輪設(shè)計難度。因此，超緊湊過渡段已經(jīng)成為民用大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)設(shè)計中一個關(guān)鍵性問題，在目前壓氣機(jī)和渦輪等部件性能提升難度加大的情況下，過渡段蘊(yùn)藏的巨大潛能已經(jīng)逐漸受到國內(nèi)外研究者的關(guān)注。
[0004]為了抑制高低壓渦輪過渡段內(nèi)部流動分離，提高高低壓渦輪過渡段的氣動性能，US7137245和EP1914385A2分別提出了采用噴氣和等離子體激勵來抑制高低壓渦輪過渡段內(nèi)部流動分離，這些控制手段對于抑制端壁附面層分離、降低過渡段總壓損失均取得了一定的成效。然而，上述各流動控制手段在提高高低壓渦輪過渡段性能的同時，不可避免帶來結(jié)構(gòu)和安裝復(fù)雜等問題，極大地限制了其在實際發(fā)動機(jī)型號中的應(yīng)用。因此，亟需尋求一種過渡段支板與低壓渦輪導(dǎo)向器的合理布局，達(dá)到提高高低壓渦輪過渡段性能和緊湊性的雙重目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠兼顧過渡段緊湊性和氣動性能，同時結(jié)構(gòu)簡單的用于航空發(fā)動機(jī)高低壓渦輪之間的過渡段結(jié)構(gòu)布局。
[0006]本實用新型解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0007]—種高低壓渦輪的過渡段結(jié)構(gòu)，所述過渡段是由過渡段內(nèi)端壁和過渡段外端壁構(gòu)成的一個環(huán)形通道，其進(jìn)口與高壓渦輪級出口聯(lián)接，其出口與低壓渦輪級進(jìn)口聯(lián)接，在所述環(huán)形通道內(nèi)置有由支板長葉片和低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片構(gòu)成的大小葉片排；其結(jié)構(gòu)特點是:所述支板長葉片與低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片的大小葉片呈一體化結(jié)構(gòu)布局，所述支板長葉片沿周向均布在所述環(huán)形通道內(nèi)，相鄰兩片支板長葉片之間沿周向均布有若干片低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片，且各低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片的尾緣與各支板長葉片的尾緣對齊布置，且所述支板長葉片與低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片的具有相同的尾緣葉片形狀，以確保過渡段出口流場的流動品質(zhì)。
[0008]本實用新型的高低壓渦輪的過渡段結(jié)構(gòu)尤其適用于高性能航空發(fā)動機(jī)，相比于傳統(tǒng)的支板+低壓渦輪導(dǎo)向器的過渡段結(jié)構(gòu)布局，在大幅度提高高低壓渦輪過渡段緊湊性的同時可提高高低壓渦輪過渡段的氣動性能。克服了 “過渡段緊湊性增加以犧牲過渡段氣動性能為代價”的傳統(tǒng)觀念和技術(shù)偏見。
[0009]本實用新型所述高低壓渦輪過渡段的中位角Θ大于35°，高低壓渦輪過渡段的出口 /進(jìn)口面積比Aout/Ain大于1.3，高低壓渦輪過渡段的無量綱軸向長度L/Η小于1.5。其中，Aout為過渡段的出口面積，Ain為過渡段的進(jìn)口面積，L為過渡段的軸向長度，H為高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片徑向高度。
[0010]本實用新型所述支板長葉片和低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片采用大小葉片一體化布局，其中長葉片用于實現(xiàn)支板功能，短葉片用于實現(xiàn)低壓渦輪導(dǎo)向器功能，同時支板長葉片尾緣與低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片具有相同葉片形狀，以確保過渡段出口流動品質(zhì)。
[0011]進(jìn)一步地，所述過渡段的中位角Θ大于35°，所述過渡段的出口與進(jìn)口的面積比Aout/Ain大于1.3，所述過渡段的無量綱軸向長度L/Η小于1.5，其中，Aout為過渡段的出口面積，Ain為過渡段的進(jìn)口面積，L為過渡段的軸向長度，H為過渡段的徑向高度(請在此補(bǔ)充L、H的準(zhǔn)確含義)。
[0012]進(jìn)一步地，所述過渡段內(nèi)沿周向均布有7-16片支板長葉片，每相鄰兩片所述支板長葉片之間沿周向均布有3?5片低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片。
[0013]進(jìn)一步地，所述支板大葉片的軸向弦長為位于其上游的高壓轉(zhuǎn)子葉片中部軸向弦長的2.5?3倍，所述低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片軸向弦長為所述高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片中部軸向弦長的1.2?1.5倍。
[0014]進(jìn)一步地，所述支板長葉片與低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片具有相同的葉片型面。
[0015]與傳統(tǒng)的支板+低壓渦輪導(dǎo)向器過渡段結(jié)構(gòu)布局相比，本實用新型的高低壓渦輪的過渡段結(jié)構(gòu)能夠大幅度提高高低壓渦輪過渡段的緊湊性，實現(xiàn)過渡段更大的徑向跨距、更短的軸向長度以及更大的出口 /進(jìn)口面積比，達(dá)到如下效果:(I)增加低壓渦輪的做功能力，從而減少渦輪級(葉片)數(shù)，降低熱端部件的重量和制造加工成本，或者在保證低壓渦輪級數(shù)或者葉片數(shù)不變的前提下，有效降低低壓渦輪的負(fù)荷系數(shù)，提高低壓渦輪效率；(2)降低低壓渦輪進(jìn)口流量系數(shù)，有效提高低壓渦輪效率，降低低壓渦輪設(shè)計難度；(3)有效縮短低壓轉(zhuǎn)子軸向跨距，在降低熱端部件重量的同時降低了低壓軸轉(zhuǎn)子動力學(xué)設(shè)計及調(diào)試難度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為傳統(tǒng)的高低壓渦輪過渡段結(jié)構(gòu)示意簡圖，其中(a)為縱剖圖，(b)為展向剖視圖。
[0017]圖2為本實用新型的高低壓渦輪的過渡段結(jié)構(gòu)示意簡圖，其中(a)為縱剖圖，(b)為展向剖視圖。
[0018]標(biāo)號說明:過渡段內(nèi)端壁1、過渡段外端壁2、高壓渦輪導(dǎo)向器3、高壓渦輪轉(zhuǎn)子4、過渡段支板5、低壓渦輪導(dǎo)向器6、低壓渦輪轉(zhuǎn)子7、發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)軸8、高壓渦輪導(dǎo)向器葉片9、高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片10、支板長葉片11、低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片12，低壓渦輪轉(zhuǎn)子13。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合實施例對本實用新型做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，以下實施例是對本實用新型的解釋而本實用新型并不局限于以下實施例。
[0020]如圖2所示，本實用新型的用于航空發(fā)動機(jī)的高低壓渦輪過渡段是由過渡段內(nèi)端壁I和過渡段外端壁2構(gòu)成的一個環(huán)形通道，其進(jìn)口與高壓渦輪級出口聯(lián)接，其出口與低壓渦輪級進(jìn)口聯(lián)接，在環(huán)形通道設(shè)置有由過渡段支板5和低壓渦輪導(dǎo)向器6構(gòu)成的大小葉片排。且各低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片的尾緣與各支板長葉片的尾緣對齊布置，且所述支板長葉片與低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片具有相同的尾緣型面。
[0021]為了縮短高低壓渦輪過渡段的長度，實現(xiàn)航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)減重和發(fā)動機(jī)性能提升，提出了過渡段支板與低壓渦輪導(dǎo)向器一體化設(shè)計設(shè)計概念，將傳統(tǒng)的過渡段支板葉片與低壓渦輪導(dǎo)向器葉片分開設(shè)計改進(jìn)為支板長葉片11和低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片12大小葉片布局，其中支板長葉片11用于實現(xiàn)支板功能，而低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片12用于實現(xiàn)低壓渦輪導(dǎo)向器功能，依據(jù)不同發(fā)動機(jī)潤滑、冷卻和結(jié)構(gòu)支撐要求，高低壓渦輪過渡段內(nèi)沿周向均布有7-16片支板長葉片11，其軸向弦長通常為上游轉(zhuǎn)子葉中軸向弦長的2.5?3倍；而在相鄰兩片支板長葉片之間沿周向均布有3?5片低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片12，且低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片12軸向弦長為上游高壓渦輪轉(zhuǎn)子4軸向弦長I?1.5倍，同時支板長葉片11尾緣與低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片12具有相同葉片形狀，且各低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片11的尾緣與各支板長葉片12的尾緣對齊布置進(jìn)一步地，所述支板長葉片12與低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片11具有相同的葉片型面，以確保過渡段出口也就是進(jìn)入低壓渦輪轉(zhuǎn)子進(jìn)口流場流動品質(zhì)。
[0022]綜上所述，本實用新型的過渡段采用支板長葉片與低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片大小葉片布局，可直接用于航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的支板+低壓渦輪導(dǎo)向器過渡段結(jié)構(gòu)布局，其軸向長度能夠減小30%以上，結(jié)構(gòu)更加緊湊，在大幅度提高高低壓渦輪過渡段緊湊性的同時提高高低壓渦輪過渡段的氣動性能。
[0023]本實用新型探索了一種新型過渡段支板與低壓渦輪導(dǎo)向器一體化布局，設(shè)計出一種支板葉片與低壓渦輪導(dǎo)向器葉片大小葉片布局的高低壓渦輪過渡段，打破了“過渡段緊湊性增加以犧牲過渡段氣動性能為代價”的傳統(tǒng)觀念，成為本實用新型所述工作的初衷。
[0024]此外，需要說明的是，本說明書中所描述的具體實施例，其零、部件的形狀、所取名稱等可以不同。凡依本實用新型專利構(gòu)思所述的構(gòu)造、特征及原理所做的等效或簡單變化，均包括于本實用新型專利的保護(hù)范圍內(nèi)。本實用新型所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，只要不偏離本實用新型的結(jié)構(gòu)或者超越本權(quán)利要求書所定義的范圍，均應(yīng)屬于本實用新型的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種高低壓渦輪的過渡段結(jié)構(gòu)，所述過渡段是由過渡段內(nèi)端壁和過渡段外端壁構(gòu)成的一個環(huán)形通道，其進(jìn)口與高壓渦輪級出口聯(lián)接，其出口與低壓渦輪級進(jìn)口聯(lián)接，在所述環(huán)形通道內(nèi)置有由支板長葉片和低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片構(gòu)成的大小葉片排；其特征在于，所述支板長葉片與低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片的大小葉片呈一體化結(jié)構(gòu)布局，所述支板長葉片沿周向均布在所述環(huán)形通道內(nèi)，相鄰兩片支板長葉片之間沿周向均布有若干片低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片，且各低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片的尾緣與各支板長葉片的尾緣對齊布置，且所述支板長葉片與低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片具有相同的尾緣型面。
2.根據(jù)權(quán)利要 求1所述的高低壓渦輪的過渡段結(jié)構(gòu)，其特征是:所述過渡段的中位角Θ大于35°，所述過渡段的出口與進(jìn)口的面積比Aout/Ain大于1.3，所述過渡段的無量綱軸向長度L/Η小于1.5，其中，Aout為過渡段的出口面積，Ain為過渡段的進(jìn)口面積，L為過渡段的軸向長度，H高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片徑向高度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高低壓渦輪的過渡段結(jié)構(gòu)，其特征是:所述過渡段內(nèi)沿周向均布有7-16片支板長葉片，每相鄰兩片所述支板長葉片之間沿周向均布有3飛片低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項所述的高低壓渦輪的過渡段結(jié)構(gòu)，其特征是:所述支板長葉片的軸向弦長為位于其上游的高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片中部軸向弦長的2.5~3倍，所述低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片軸向弦長為所述高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片中部軸向弦長的1.2^1.5倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項所述的高低壓渦輪的過渡段結(jié)構(gòu)，其特征是:所述支板長葉片與低壓渦輪導(dǎo)向器短葉片尾緣具有相同的型面。
【文檔編號】F02C7/00GK203515810SQ201320558177
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年9月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月9日
【發(fā)明者】盧新根, 張燕峰, 朱俊強(qiáng) 申請人:中國科學(xué)院工程熱物理研究所