[发明专利]一种涡轮转子叶顶泄漏流协同抑制结构

说明书

本发明公开了一种涡轮转子叶顶泄漏流协同抑制结构，包括涡轮机匣以及与涡轮机匣间隙配合的叶片，叶片的两侧分别形成吸力面和压力面，叶片正对涡轮机匣的叶顶平面上设有叶顶凹槽，叶片顶部外侧设有外伸的叶顶小翼，叶顶小翼的上表面与叶顶平面重合，叶顶小翼的侧面与叶片侧面形成夹角；位于压力面一侧的叶顶小翼上设有若干用于逆向射流的自发射流孔，自发射流孔连接叶顶小翼的侧面和上表面。本发明将叶顶凹槽，小翼，自发射流孔三者有机结合，大幅提高了对泄漏流的抑制作用；不需要外接气源，属于被动控制方法，既省去了复杂管路连接，减轻发动机重量，又省去了外接气源带来的发动机效率损失；整体结构简单，加工和工程应用比较方便。

技术领域

本发明涉及叶轮机结构，具体为一种涡轮转子叶顶泄漏流的协同抑制结构。

背景技术

轴流涡轮是能源转化，推进领域经常采用的机械部件。高压涡轮转子是整个涡轮中最为关键的部件。为防止叶尖与机匣的碰磨，在涡轮转子叶片叶尖与涡轮机匣之间需预留一定的间隙，一般的叶尖间隙高度约占叶栅通道的1％，而且其高度在涡轮不同的运行状态下也会发生变化。叶尖间隙处于整个涡轮流场中，它的两侧分别联通了叶片吸力面和压力面，且由于叶片相对厚度较小，使得压力侧的流体会在间隙两侧巨大压差的作用下，经过间隙进入吸力侧，形成叶顶间隙泄漏流。泄漏流进入吸力面一侧后，会在与主流掺混过程中，向叶片中部旋转形成泄漏涡。由于间隙泄漏流在间隙内由压力面流向吸力面，不经历在涡轮转子主流场中的膨胀，推动涡轮叶片做功的过程，因而其存在必然使得单级涡轮做功能力下降。同时，间隙泄漏流本身的流动分离和与主流的流动掺混不可避免的给涡轮带来更多的二次流损失，导致涡轮效率降低。而且，涡轮叶片工作在热环境最为苛刻的燃烧室出口，间隙泄漏流的存在，涡轮转子叶尖受到与高温主流的接触面积变大，进一步加剧了涡轮叶片的热负荷，因此需要采用必要的泄漏流控制手段以降低叶尖间隙泄漏流带来的影响。然而，目前常规的被动控制方法，如叶顶凹槽等，对泄漏流的抑制效果仍然有很大的改进空间，针对不同叶顶结构，一些控制方法甚至会出现反效果。封严篦齿等带冠叶顶结构尽管对泄漏流有较好的抑制效果，但由于自身结构复杂，存在加工难度大，机械强度低等问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种应用固体叶片修型结合流体自发控制的涡轮转子叶顶泄漏流抑制结构。

技术方案：本发明的一种涡轮转子叶顶泄漏流协同抑制结构，包括涡轮机匣以及与涡轮机匣间隙配合的叶片，所述叶片的两侧分别形成吸力面和压力面，所述叶片正对涡轮机匣的叶顶平面上设有叶顶凹槽，所述叶片顶部外侧设有外伸的叶顶小翼，所述叶顶小翼的上表面与叶顶平面重合，叶顶小翼的侧面与叶片侧面形成夹角；位于压力面一侧的叶顶小翼上设有若干用于逆向射流的自发射流孔，所述自发射流孔连接叶顶小翼的侧面和上表面。

进一步地，利用自发射流孔将压力侧高压流体引入间隙内形成射流，射流在间隙内部形成逆流，并进入泄漏流中心主流区，逆流结构对主流流动形成显著的阻碍作用。压力面一侧的叶顶小翼上的自发射流孔的结构因素包括自发射流孔孔型和等效直径d，自发射流孔的进口与叶顶小翼的侧面夹角β，自发射流孔的出口与叶顶小翼的上表面的夹角α，自发射流孔的出口与叶顶小翼边缘距离w₃以及射流孔间距l。在同一平面射流孔控制效果随孔间距l减小而增大，所述的自发射流孔为等间隔布置，自发射流孔间距l与自发射流孔等效直径d的比值为4～16。合理的自发射流孔的等效直径d取值与间隙h大小成正相关，自发射流孔的等效直径d为涡轮机匣与叶片间形成的间隙高度h的0.5～5倍，可以通过调整出口孔型改善控制效果。自发射流孔的进口与叶顶小翼的侧面夹角β须保证在满足射流量的前提下，流动阻力尽可能小，优选的范围是45～135°；自发射流孔的出口与叶顶小翼的上表面的夹角α须保证射流出流方向与泄漏流当地流动方向在同一平面，优选的，自发射流孔为圆弧型，自发射流孔的出口方向与泄漏流的运动方向相反，α的取值范围是30～75°；自发射流孔的出口与叶顶小翼边缘距离w₃与间隙高度h有关，优选为涡轮机匣与叶片间形成的间隙高度h的2～10倍。