本发明创造属于涡轮技术领域，尤其是涉及一种抑制涡轮顶部泄漏流动的球底棱柱凹腔叶顶。
背景技术：
涡轮是燃气涡轮发动机三大核心部件之一，其作用是将高温高压燃气的气体焓转换为燃气动能对涡轮叶片做功，进而输出机械功。随着高性能涡轮负荷的增大，又带来了一个不容忽视的问题：随着涡轮负荷的增加，叶栅通道内的横向压力梯度增大，而涡轮动叶叶尖与机匣间间隙的存在，导致动叶叶尖由压力面流向吸力面的间隙泄漏流动愈加明显，带来更加复杂的顶部端区流动，增加涡轮的气动损失。特别是近年来高性能、高负荷、大折转角、小展弦比涡轮越来越广泛的应用，间隙流动的速度增大，由泄漏流动带来的端区流动更加复杂，产生的分离流动及各种涡系结构导致涡轮损失明显增加。研究叶顶间隙泄漏流动机制，设计并改进泄漏流动控制方法，对于减小涡轮叶栅损失、提高涡轮乃至整个发动机的性能有着重要的意义。
蜂窝密封是一种典型的现代密封结构，由于其优良的密封特性和对高温、高压恶劣条件良好的适应性，在恶劣环境密封方面具有广泛的应用，国内外学者也对其进行了一系列的研究。现有研究中蜂窝密封结构大都整周安装在叶顶静止机匣上，与叶顶附近的通道流体接触面积较大，不可避免地带来额外损失的增加。
另外，在对带有棱柱型凹腔叶顶的涡轮动叶片的研究中表明，这种动叶片叶顶设计可以有效地控制涡轮叶尖泄漏流动，使得间隙泄漏流量和叶栅损失都降低。但这种平底棱柱型凹腔结构还存在一些不足。一方面由于间隙内流体流速较大，部分棱柱凹腔形成的旋涡被压制在凹腔内形成气流死区，减弱了棱柱型凹腔叶顶结构对泄漏流动的抑制作用；另一方面棱柱凹腔的底面直接受到泄漏流体的冲击，会承受较大热负荷。因此，有必要对正棱柱凹腔结构进行进一步的研究，强化棱柱凹腔内旋涡的作用，并有效改善泄漏流动对凹腔壁面的冲击问题。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明创造旨在提出一种抑制涡轮顶部泄漏流动的球底棱柱凹腔叶顶，在单个凹腔内形成旋涡结构并发展到其上间隙内，耗散间隙动能的同时形成了一个个小尺寸气动屏障，增加泄漏流体流动阻力。球底棱柱组合凹腔结构使得凹腔内流体基本沿切线作用于球底壁面，使得腔内形成的旋涡发展更完全，具有更大的尺寸，对其上间隙内流动的阻碍作用更明显，进而达到更好的控制叶尖泄漏流动的效果。另外，也减小了泄漏流体对凹腔底部的直接冲击作用。
为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
一种抑制涡轮顶部泄漏流动的球底棱柱凹腔叶顶，在涡轮动叶片的叶顶从涡轮动叶片的前缘到尾缘设有若干个棱柱型凹腔，在每个所述的棱柱型凹腔的底面组合一个圆截面与棱柱型凹腔的下底面内切的球底结构，形成棱柱球底组合凹腔，所述的棱柱型凹腔的最大高度h与叶片高度h的比值为0.5％-4％。
进一步的，所述棱柱型凹腔排布形式为棱柱边或角正对叶片几何进气角方向、叶栅压力面型线方向或叶栅吸力面型线方向。
进一步的，所述棱柱型凹腔为正棱柱型凹腔或斜棱柱型型凹腔。
进一步的，所述球底结构的球底相对几何深度hs定义为其实际深度与对应内切球直径的比值，其最大值为正六棱柱凹腔下底面对边距的一半时，球底结构为半球结构。
进一步的，所述棱柱型凹腔的棱柱边长要保证涡轮动叶片的叶顶至少能布置一个有效凹腔。
相对于现有技术，本发明创造所述的抑制涡轮顶部泄漏流动的球底棱柱凹腔叶顶布局方法具有以下优势：
本发明所述的抑制涡轮顶部泄漏流动的球底棱柱凹腔叶顶，在单个凹腔内形成旋涡结构并发展到其上间隙内，耗散间隙动能的同时形成了一个个小尺寸气动屏障，增加泄漏流体流动阻力。球底棱柱组合凹腔结构使得凹腔内流体基本沿切线作用于球底壁面，由于球底结构光滑的弧形过渡，减小了旋涡发展的阻力，使得腔内形成的旋涡发展更完全，具有更大的尺寸，对间隙内流动阻碍作用增强，进而可以达到更好的控制叶尖泄漏流动的效果。叶栅有最小的泄漏量和叶栅损失分别较平顶叶栅分别降低了15％和10.42％。
本发明所述的抑制涡轮顶部泄漏流动的球底棱柱凹腔叶顶，球底结构光滑的弧形过渡有效降低了凹腔内泄漏流体对凹腔底部的冲击，可以有效减小凹腔壁面的冲击热负荷。
本发明所述的抑制涡轮顶部泄漏流动的球底棱柱凹腔叶顶，将叶顶实心叶片变为带有若干凹腔的叶片，可以增强叶顶的可磨耗性，实现更小的间隙允许值。另外，凹腔叶顶还可以减小涡轮动叶片叶顶的重量。
附图说明
构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：
图1为本发明的涡轮叶栅子午视图；
图2为是抑制涡轮顶部泄漏流动的球底棱柱凹腔叶顶俯视图；
图3a是组合球底的棱柱型凹腔的横截面图；
图3b为单个组合式棱柱凹腔的正视图；
图4是叶栅a-a截面的间隙及凹腔内流动示意图；
图5a是平顶间隙中间截面的湍动能等值线图；
图5b是正棱柱凹腔叶顶间隙中间截面的湍动能等值线图；
图5c是抑制涡轮顶部泄漏流动的球底棱柱凹腔叶顶间隙中间截面的湍动能等值线图；
图6是抑制涡轮顶部泄漏流动的球底棱柱凹腔叶顶的叶栅泄漏量和叶栅出口损失随球底相对几何深度的变化规律图。
附图标记说明：
1-机匣，2-轮毂，3-涡轮动叶片，4-棱柱型凹腔，5-球底结构，6-前缘线，7-尾缘线。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。
如图1所示，本发明应用在涡轮动叶片中，涡轮动叶片3安装在轮毂2上，机匣1与轮毂2之间形成叶栅流道，6、7分别表示涡轮动叶片3的前缘线和尾缘线，在叶顶位置从前缘到尾缘位置排布若干个棱柱型凹腔4，在每个棱柱型凹腔4的下底面均组合一个球底结构5，形成棱柱球底组合凹腔。
结合图2和图3a、图3b，为球底棱柱凹腔在叶顶的具体排布形式的设计。设计或选用常规平顶涡轮动叶片，根据涡轮动叶片叶顶叶型及涡轮进气方向设计棱柱型凹腔的几何尺寸(正六边形边长b、凹腔壁厚d)及在叶顶的阵列方式(棱柱型凹腔的边或角正对叶片几何进气角方向、棱柱型凹腔的边或角正对叶栅压力面型线或叶栅吸力面型线)。棱柱型凹腔4的最大深度h与叶片高度h的比值在0.5％-4％范围内。球底结构5的圆截面内切于上方棱柱结构的下底面。球底结构5的球底相对几何深度hs定义为其实际深度与对应内切球直径的比值，其最大值为正六棱柱凹腔下底面对边距的一半时，球底结构5为半球结构。可以通过cfd数值仿真和优化设计得到最优的棱柱型凹腔几何参数。
如图4所示，为叶栅a-a截面的间隙及凹腔内流动示意图，采用球底棱柱组合凹腔结构，在棱柱凹腔下方是一个与凹腔底面内切的局部球形结构，其恰当的弧形过渡使得受棱柱凹腔壁约束卷起的旋涡在下方的发展阻碍更小，更有利于旋涡的发展。凹腔内旋涡的尺寸增大，使其尽可能地发展延伸到凹腔外，对上方间隙流动形成更有效地气动拦截作用，对泄漏流动的控制效果最好，提高涡轮效率。
图5a、图5b和图5c分别表示平顶间隙中间截面的湍动能k等值线图、正棱柱型凹腔叶顶间隙中间截面的湍动能k等值线图和带有组合球底结构的棱柱凹腔叶顶间隙中间截面的湍动能k等值线图，从图中可以看出球底组合结构使得间隙内流体的湍动能k增加最大，并且高湍动能的覆盖范围也明显增加。这就表明了球底结构使得棱柱型凹腔内的旋涡结构对间隙流体的气动屏障作用最大，同时，更多原来被压制在凹腔内的旋涡也得到更完全的发展。
如图6所示，叶尖相对泄漏量(泄漏量与叶栅进口流量的比值，即
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。