[发明专利]一种低压涡轮端区二次流的耦合控制结构及方法

说明书

本发明公开了一种低压涡轮端区二次流的耦合控制结构及方法，通过将低压涡轮的轮毂端壁设置为非轴对称凹凸结构，并耦合上游周期性非定常尾迹来实现对低压涡轮内部二次流的控制。该种结构及方法可有效减弱涡轮叶片通道内的横向压力梯度，并且上游周期性非定常尾迹能够抑制叶片通道内通道涡的发展，两者耦合控制能更好的抑制二次流，结构相对简单、特别适用于高负荷/超高负荷低压涡轮端区二次流的控制。

技术领域

本发明属于航空发动机/燃气轮机低压涡轮技术领域，涉及一种高负荷低压涡轮端区二次流的耦合控制结构及方法，具体涉及一种利用上游尾迹与非轴对称端壁耦合控制高负荷低压涡轮端区流动的方法。由于低压涡轮内部的叶片处于级的工作环境，上游叶片表面边界层离开尾缘，伴随着动叶的转动，产生非定常尾迹。上游非定常尾迹对低压涡轮端区二次流有一定的抑制作用，而非轴对称端壁能够减弱叶轮通道内由压力面指向吸力面的横向压力梯度，从而抑制端区二次流。上游尾迹与非轴对称端壁耦合控制端区二次流效果更为显著，减小了二次流损失，有利于提升涡轮的气动性能。结构相对简单、控制效果好，特别适用于高负荷低压涡轮。

背景技术

低压涡轮是航空发动机关键部件之一，具有级数多、重量大(占整机重量的1/3左右)等特点。高负荷叶片设计是减少低压涡轮叶片数目和级数的一种有效途径。然而叶片负荷的提高势必会增强端区二次流，导致二次流损失急剧增加，降低此二次流损失是提高叶轮机械性能的一个重要方向。现有的低压涡轮端区，轮毂端壁通常为均匀、平滑的表面，并以两相邻叶片所围区域为一个周期，在低压涡轮的轮毂端区，端壁二次流主要由通道涡、前缘马蹄涡、壁面涡、尾缘脱落涡、角涡等组成，其形成的原因包括叶片通道内的横向压力梯度、叶片前缘绕流、端壁来流边界层、旋转、端壁封严冷气等因素。因此，现有端壁二次流的损失控制也是围绕其形成原因和发展过程展开，诸如对于前缘马蹄涡压力面分支发展控制。常见的二次流控制手段有：翼刀技术、叶片三维造型、叶片端区前缘修型、端壁造型、叶身端壁一体化设计等。但现有这些控制方法存在技术复杂、代价高、控制效果不理想等弊端。

发明内容

针对现有技术的上述缺点和不足，为补充和发展高负荷低压涡轮端区流动控制技术，本发明提供了一种低压涡轮端区二次流的耦合控制结构及方法，通过将低压涡轮的轮毂端壁设置为非轴对称凹凸结构耦合上游周期性非定常尾迹来实现对低压涡轮内部二次流的控制。该种结构及方法可有效减弱涡轮叶片通道内的横向压力梯度，并且上游周期性非定常尾迹能够抑制叶片通道内通道涡的发展，两者耦合控制能更好的抑制二次流，结构相对简单、特别适用于高负荷/超高负荷低压涡轮端区二次流的控制。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：

一种低压涡轮端区二次流的耦合控制结构，所述低压涡轮包括轮毂以及沿周向均匀分布在所述轮毂上的多个低压涡轮叶片，相邻两所述低压涡轮叶片之间形成涡轮叶片通道，所述低压涡轮的上游设有高压涡轮，其特征在于，

各所述涡轮叶片通道内的轮毂壁面形成为局部凹凸化非轴对称轮端壁；

所述低压涡轮的上游与高压涡轮的下游之间布置多个可沿周向移动的圆柱棒，各所述圆柱棒的移动方向是从所述低压涡轮叶片的吸力面往压力面方向移动，使得所述高压涡轮的叶片表面边界层离开其尾缘后，在各所述圆柱棒的扰动下形成为上游周期性非定常尾迹。

优选地，各所述圆柱棒在轴向上与所述低压涡轮叶片前缘之间的距离B_x与所述低压涡轮叶片的轴向弦长C_x的比值为0.3～0.7，可以通过调整圆柱棒与叶片前缘的轴向间距进而改变上游尾迹打到叶片吸力面上的不同位置，从而更好的控制叶片吸力面分离和端区二次流强度。

优选地，所述局部凹凸化非轴对称轮端壁使用三角函数法进行参数化造型。

进一步地，所述局部凹凸化非轴对称轮端壁的最大高度差约为5～10mm，可根据端区二次流的强弱适当增减非轴对称轮端壁上凸和下凹的高度。

优选地，所述低压涡轮为高负荷低压涡轮，或超高负荷低压涡轮。