专利名称：一种叶端带有凹槽的无冠叶片的制作方法
技术领域：
本发明涉及多级轴流叶轮机，特别涉及适用于航空、航天、航海及工业能源动力领域轴流叶轮机的一种叶端带有凹槽的无冠叶片。
背景技术：
公知的多级轴流叶轮机是航空、航天、航海、能源、化工等领域广泛应用的重要部件，如图1所示，它由轮毂1、机匣2及其所包容的相隔一段距离的多个叶片排构成，其中叶片包括绕轴转动的转叶3和固定在机匣上的静叶4。如图2所示，基元叶型9沿积叠线10展向积叠而成叶片前缘线5和尾缘线6，转叶3和静叶4与机匣或轮毂分别存在间隙的叶片端区7和叶片端区8。
如图3所示，当工质流经转叶3、静叶4通道时，叶片吸力面11和压力面12间产生压差，由于叶片端区间隙的存在，在该压差作用下会产生泄漏流动，从而严重影响叶轮机性能。因而，近半个多世纪来，围绕叶片端区泄漏流动机理、影响，人们进行了大量研究，如文献1Peacock R.E.，A Review of Turbomachinery TipGap Effects，Part ICascades.Int.J.Heat and Fluid Flow，Dec，1982，4(1)185-193；文献2Peacock R.E.，A Review of Turbomachinery Tip Gap Effects，Part IIRotating Machinery.Int.J.Heat and Fluid Flow，Mar，1983，3(4)3-16；；文献3POUAGARE，M.J，WEINHOLD，W.P.，LAZARUS，K，Tip Leakage ReductionThrough Tip Injection in Turbomachines，AIAA，ASME，SAE，and ASEE，JointPropulsion Conference，22nd，Huntsville，AL；USA；16-18 June 1986；文献4WADIA，A.R.，Numerical Solution of Two-and Three-Dimensional Rotor TipLeakage Models，AIAA Journal 1985；文献5HEYES，F.J.G.，HODSON，H.P.，DAILEY，G.M.，The effect of blade tip geometry on the tip leakage flow in axialturbine cascades，ASME，IGTACE，36th，Orlando，FL；USA；3-6 June 1991；文献6Lattime，S.B.and Steinetz，B.M.，Turbine Engine Clearance ControlSystemsCurrent Practices and Future Directions，AIAA Paper 2002-3790；文献7Kypuros，J.A.and Melcher，K.J.，A Reduced Model for Prediction ofThermal and Rotational Effects on Turbine Tip Clearance，NASA/TM-2003-212226；文献8Melcher，K.J.and Kypuros，J.A.，Toward a Fast-Response Active Turbine Tip Clearance Control，ISABE 2003-1102公开的内容。如前述文献，人们认识到叶片端区间隙泄漏流机理及其影响的最终目的是寻找到相应控制措施，以降低泄漏流对叶轮机性能影响。为此，现有技术已公开了一些被动和主动控制措施，例如(1)美国专利号6863495，Gas Turbine Blade Tip ClearanceControl Structure，Rolls-Royce；和(2)美国专利，申请号774908，CompressorAirfoils with Movable Tips；以及(3)美国专利，申请号748812，Method andSystem for Active Tip Clearance Control in Turbines中公开的技术。
由于现有技术的不足，人们希望有一种改进的能够控制端区间隙泄漏流的叶片。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种能够增加泄漏流动阻力、降低叶片端区泄漏流量的无冠叶片。
为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案一种叶端带有凹槽的无冠叶片，如图2所示，该无冠叶片由基元叶型9沿积叠轴10生成，包括叶片前缘线5和尾缘线6，其特征在于，叶片端面7(或8)上有至少一个凹槽。
在上述技术方案中，如图3所示，所述凹槽的走向为叶片基元中弧线方向14。
在上述技术方案中，在垂直于叶片端面叶型中弧线的剖面内，凹槽的剖面形状使得过叶端横向泄漏流动阻力最大。
在上述技术方案中，所述凹槽的剖面形状为圆滑形曲线，如圆弧形；或折线形状，如矩形、梯形、三角形。
在上述技术方案中，所述凹槽分布在从叶片前缘算起的90％叶片弦长内。
本发明由叶片端区间隙泄漏流产生物理机制出发，借鉴篦齿可以增加流阻的特点，在叶片端面设置凹槽，实现叶片端区间隙泄漏流的被动控制。
与现有技术相比，本发明的优点在于本发明提供的无冠叶片不需外加能量，且能减轻叶片端区重量，减少叶片蹭机匣时的刚性，提高工作可靠性，便于工程使用，因而相较于采用其它泄漏流控制措施的叶片具有优势。本发明无冠叶片端区有凹槽，能减少端区间隙泄漏流，继而减少有泄漏流动造成的堵塞及损失，提高叶轮机工作效率、裕度和工作稳定性。
图1表示轴流叶轮机结构子午视图；图2表示叶轮机叶片立体视图；图3表示图1中按A或B投影看到的带有凹槽的叶片端面叶型及端面三个区域的局部放大图；其中数字11，12分别指叶片的吸力面和压力面，C-C是为看清如图4表示的叶片端面7(或8)凸凹几何剖面所设的剖面线，虚线14为端面叶型中弧线。
图4(a)-(c)表示图3中C-C方向剖面图；图4(a)-(c)分别示意三种不同的端面凸凹几何形式；图中数字11，12分别指叶片的吸力面和压力面，数字13表示凹槽剖面。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细描述如图1所示，叶轮机由轮毂1、机匣2、转叶3、静叶4组成，转、静叶片有前缘线5和后缘线6，转、静叶端部有间隙区；A和B为看到图3所示图形的投影方向。
如图2所示，轮机叶片由叶片基元9沿积叠线10积叠而成，叶片基元9的前部和后部积叠成前缘线5和后缘线6，端面7和机匣2上叶片的端面8。端面7和端面8分别与机匣2和轮毂1之间形成间隙区。
图3表示图1中按A或B投影看到的带有凹槽的叶片端面叶型；其中数字11，12分别指叶片的吸力面和压力面，C-C是为看清如图4表示的叶片端面7(或8)凸凹几何剖面所设的剖面线，虚线14为端面叶型中弧线。
实施例1参照图2-3，制作本发明的叶端带有凹槽的无冠叶片，首先采用常规方法设计好各排叶片。对于给定叶片负荷分布及工况范围情况，以凹槽端面几何形式、凹槽数量、凹槽深度为优化变量，以现有的计算流体力学(CFD)软件为分析工具，筛选出合适的凹槽参数。然后，在叶片端区7(或8)将叶片顺展向挖掉叶片材料，以形成图4(a)所示的矩形凹槽，凹槽端面几何形式、凹槽数量、凹槽深度等参数按上述采用计算流体力学优化所得参数设置，本领域技术人员明白优化参数是尽可能增加泄漏流动阻力，同时兼顾考虑结构强度、加工难度、成本等因素。在凹槽参数优化的过程中，优化参数范围选取中考虑了实际叶片几何尺寸、加工难度、强度等因素，反复此过程，直至获得最佳端面凹槽形式。
实施例2如图4(b)所示，凹槽端面形状为梯形，凹槽相邻的两槽边的间距与梯形下底宽相当，其它同实施例1。
实施例3如图4(c)所示，凹槽端面形状为梯形，两相邻凹槽上底之间是相连的。
本领域的技术人员应该知道，为了增加横过叶端泄漏流流动损失，优化过程所针对参数包括凹槽剖面形状选择、凹槽间距、凹槽深度，改变这些参数，以计算流体力学工具或实验手段确定对每个叶片的最终的独特形式。
本发明由叶片端区间隙泄漏流产生物理机制出发，借鉴篦齿可以增加流阻的特点，在叶片端面设置凹槽，实现了叶片端区间隙泄漏流的被动控制。该控制措施不需外加能量，且能减轻叶片端区重量，提高工作可靠性(减少叶片蹭机匣时的刚性)，又便于工程使用，因而相较于采用其它泄漏流控制措施的叶片具有较大优势。
该无冠叶片端区有凹槽，能减少端区间隙泄漏流，继而减少有泄漏流动造成的堵塞及损失，提高叶轮机工作效率、裕度和工作稳定性。
本领域技术人员还应该明白，相对于本发明的凹槽，在叶片的叶端上加工出许多条状凸起也应该被保护在本发明的范围内，因为相邻的凸起之间形成了凹槽，与本发明额凹槽是一样的。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种叶端带有凹槽的无冠叶片，该无冠叶片由基元叶型(9)沿积叠轴(10)生成，包括叶片前缘线(5)、尾缘线(6)、叶片端面，其特征在于，所述叶片端面上有至少一个凹槽。
2.根据权利要求1所述叶端带有凹槽的无冠叶片，其特征在于，所述凹槽的走向为叶片基元中弧线方向(14)。
3.根据权利要求1所述叶端带有凹槽的无冠叶片，其特征在于，在垂直于叶片端面叶型中弧线的剖面内，凹槽的剖面形状使得过叶端横向泄漏流动阻力最大。
4.根据权利要求1所述叶端带有凹槽的无冠叶片，其特征在于，所述凹槽的剖面形状为圆滑形曲线，如圆弧形；或折线形状，如矩形、梯形、三角形。
5.根据权利要求1所述叶端带有凹槽的无冠叶片，其特征在于，所述凹槽分布在从叶片前缘算起的90％叶片弦长内。
全文摘要
本发明公开了一种叶端带有凹槽的无冠叶片。该无冠叶片由基元叶型(9)沿积叠轴(10)生成，包括叶片前缘线(5)和尾缘线(6)，叶片端面上有至少一个凹槽。本发明的无冠叶片不需外加能量，且能减轻叶片端区重量，减少叶片蹭机匣时的刚性，提高工作可靠性，便于工程使用，因而相较于采用其它泄漏流控制措施的叶片具有优势，适用于航空、航天、航海及工业能源动力领域轴流叶轮机。
文档编号F01D9/02GK101042054SQ20061005844
公开日2007年9月26日 申请日期2006年3月24日 优先权日2006年3月24日
发明者季路成 申请人:中国科学院工程热物理研究所