[发明专利]扩口形叶尖涡轮叶片

说明书

技术领域

本发明总的说涉及燃气涡轮发动机，更具体地说，是其中的涡轮叶片。

背景技术

在燃气涡轮发动机中，空气在压缩机内被加压，并在燃烧室内和燃料混合产生燃烧气体。各涡轮级从燃烧气体提取能量，为发动机提供动力并做功。

高压涡轮(HPT)紧接在燃烧室后面并从最热的燃烧气体提取能量，通过一条驱动轴为上游的压缩机提供动力。低压涡轮(LPT)接在HPT后面并从燃烧气体提取额外的能量，为另一条驱动轴提供动力。LPT为涡轮风机航空发动机中的上游风扇提供动力，或者为海洋和工业应用的外部轴提供动力。

发动机效率和燃料消耗率(SFC)在现代燃气涡轮发动机中是最重要的设计目标。各种涡轮转子叶片和它们的相应喷口翼片具有精确构建的空气动力学表面，以控制其上的速度和压力分布，力求使空气动力学效率最大。

叶片和翼片的相应翼型具有普通凹压力面和普通凸吸力面，它们沿轴伸展在相对的前缘和后缘之间的翼弦中。翼型在径向截面内具有新月形轮廓，其宽度从前缘迅速增大到最大宽度区，然后逐渐减小至后缘。

翼型的圆周方向或横向相对面也沿径向伸展在从叶根至叶尖的跨度内。一般翼型具有薄的侧壁，用超级合金铸成，其内冷却回路具有各种实施例，它们是专门为在运行中保持最大效率的同时有效地冷却翼型而设计的。

但是，从整行单个翼型的三维(3D)结构，和翼肋中导引在各翼型之间的相应复杂的燃烧气体流看来，涡轮翼型的空气动力学设计是非常复杂的。除了这种结构和环境的复杂性而外，还有涡轮叶片径向外叶尖附近的特殊流场，它们在运行中在周围的固定护罩内高速旋转。

叶片叶尖和涡轮护罩之间的运行间隙应尽可能小，以使通过的燃烧气体流的泄漏最小，同时还允许叶片和护罩热膨胀和收缩，而在旋转叶尖和固定护罩之间没有不希望有的摩擦。

在运行中，涡轮行中各叶片驱动支撑转子盘旋转，此时翼型的吸力面处在相对翼型压力面的前头。各翼型一般是从转子盘的周边沿径向从叶根至叶尖扭转的，且前缘是与发动机轴向中心轴线倾斜地面朝上游，以便与协同工作的喷口翼片的倾斜排气涡旋角匹配。燃烧气体通常是沿下游轴线方向流动，其周向即切向分量首先在一个流动方向与翼型前缘接触，然后在另一个不同流动方向在其后缘上方离开翼型。

翼型的压力面和吸力面具有各自不同的3D轮廓，以使其间的不均匀压力和从热燃烧气体提取的能量最大。凹压力面和凸吸力面使得其上的速度和压力分布不同，它们在前缘和后缘之间从叶根至叶尖产生相应的变化。但是，泄漏过翼型叶尖的燃烧气体在要求的叶尖间隙下几乎不作什么有用功。

使涡轮叶片的设计进一步复杂化的是外露的叶片叶尖，它们浸泡在运行中泄漏到上面的燃烧气体中，并要求适当地冷却，以保证涡轮叶片在运行中有较长的寿命。

现代涡轮叶片结构中一般包括鸣声器叶尖翼肋，它们是翼型压力面和吸力面从前缘至后缘的径向伸出小段。叶尖翼肋一般为矩形截面且在横向即周向是隔开的，以便在翼型叶根限定一个开放的叶尖腔体，此腔体有一个整体的叶尖层，它把典型的空心翼型和内冷却回路包围在腔体内。

小的叶尖翼肋在万一叶尖摩擦时提供牺牲材料，以保护叶尖层和内冷却回路不被损坏。此叶尖翼肋增加了燃烧气体流场的复杂性，引起局部二次场，因而影响涡轮效率，流的泄漏和叶尖的冷却。

燃烧气体的主要流动方向是沿相邻叶片之间界定的流动通道的轴向下游方向。轴向流束也沿径向从每个翼型的叶根至叶尖变化。而且，这些轴向和径向流动变化还在翼型叶尖上方(此处燃烧气体在每个翼型的压力面和吸力面之间泄漏)被进一步复合。

因而，以前的技术具有各种各样的涡轮叶片叶尖，它们有不同的问题和性能考虑，包括涡轮效率，叶尖泄漏，和叶尖冷却。这三个重要考虑至少是部分相互关联的，但是，在翼型叶尖不同压力面和吸力面上方和前缘及后缘之间的复杂3D流场，使得对它的评估相当复杂。

然而，现代计算机流体动力学(CFD)包含功能强大的软件，它改善了对燃气涡轮发动机中复杂3D流束的数学分析能力，并提供一种实现涡轮叶片设计得以进一步改善的机制。

举例来说，人们希望通过减少叶尖流泄漏，或增加涡轮效率，或改善叶尖冷却，或者这些因素单独的或共同的任意组合，来改进涡轮叶片的设计。

发明内容

涡轮叶片包括终结在叶尖的翼型。此叶尖包括与凹压力面一致的第一翼肋，和与翼型凸吸力面一致的第二翼肋。第二翼肋是从吸力面朝外扩口的。

附图说明