一种用于燃气涡轮发动机的涡轮叶片的制作方法
【专利摘要】一种用于燃气涡轮发动机的涡轮叶片，该涡轮叶片包括压力侧壁和吸力侧壁。在涡轮叶片的叶尖处，在压力侧壁和吸力侧壁之间连接有叶片顶板，压力侧壁和吸力侧壁向上延伸到叶片顶板上方，形成压力侧肋条和吸力侧肋条，在压力侧肋条和吸力侧肋条之间限定出凹槽。其中，在凹槽中设置有至少一个中间肋条，中间肋条连接在压力侧肋条和吸力侧肋条之间，且与叶片顶板之间存在间隙，从而悬置于叶片顶板上方。本实用新型的涡轮叶片可降低叶尖处的泄漏损失，提高叶片的轴功和级效率。
【专利说明】一种用于燃气涡轮发动机的涡轮叶片
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种用于燃气涡轮发动机的涡轮叶片，尤其是涉及对该涡轮叶片叶尖处的设计。
【背景技术】
[0002]燃气涡轮发动机的一个主要应用场合是用作航空发动机。通常，燃气涡轮发动机由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成。其中，来自压气机的高压空气与燃油在燃烧室内混合燃烧，所形成的高压燃气进入涡轮中，推动涡轮叶片做功。
[0003]涡轮通常包括转盘和从转盘延伸而出的多个涡轮叶片,机匣围绕着涡轮叶片。由于机械加工精度的限制，并且由于叶片和机匣间存在相对的运动，因此在涡轮叶片的叶尖与机匣之间不可避免地会有间隙。而该间隙的存在对发动机的性能主要存在如下影响。
[0004]首先，来自燃烧室的一部分高温燃气会从机匣和涡轮叶片之间的间隙流过，形成泄漏射流。而泄漏射流未对涡轮叶片做功，因而造成泄漏损失。此外，流过该间隙的射流与涡轮叶片的叶尖和机匣之间会产生摩擦，从而产生摩擦损失。泄漏的射流通过该间隙进入涡轮之后的流道中，与通过涡轮的主气流相互作用，在主气流中形成涡流。这样的涡流会对主气流造成涡流损失。以上的这些机理共同作用，造成发动机热效率的降低。根据实际测量，涡轮或压气机叶片的叶尖间隙与叶片高度之比每上升0.01，则发动机的涡轮或压气机的效率会降低0.8?1.2%。压气机和涡轮的效率降低会造成燃气涡轮发动机的耗油率上升。涡轮叶片的叶尖间隙与叶片高度之比每上升0.01，则发动机的耗油率会增加1.5%?2%。
[0005]其次，从燃烧室流入涡轮的是高温燃气。在涡轮叶片的叶尖与机匣之间的间隙泄漏而过的高温燃气会以高温状态流过叶尖，从而使得涡轮叶片的叶尖处承受过大的热负荷。因此，除了要采取措施减少叶尖处的泄漏射流之外，还需要强化叶尖处承受热负荷的能力，如在叶尖处设置冷却强化结构。
[0006]为了减少涡轮叶片的叶尖和机匣之间的泄漏射流，目前已知的措施有:增设扰流元件以增加泄漏流动的阻力、使用带冠叶片。对于强化叶尖处的冷却来说，通常采用在叶尖周围设置气膜冷却孔的措施。
[0007]目前，应用最为广泛的一种叶尖结构是边缘双肋结构，又称为凹槽叶尖结构。图1中示出了一种典型的边缘双肋叶尖结构。其中，涡轮叶片I包括压力侧壁2和吸力侧壁3。从图1所示的涡轮叶片I的叶尖部分可见，压力侧壁2和吸力侧壁3都向上延伸而超过顶板6，从而形成压力侧肋条4和吸力侧肋条5。在压力侧肋条4和吸力侧肋条5之间形成凹槽结构。可选地，在顶板6上还设置有气膜孔7，用于对叶尖处的高温燃气进行冷却。
[0008]通过该凹槽结构，可以显著降低涡轮叶片的叶尖处的泄漏。并且该凹槽结构还能够减小叶尖与机匣之间的接触面积，从而能够减少叶尖与机匣之间因相互碰擦而造成的损伤。
[0009]不过，图1所示的凹槽叶尖结构中的泄漏量依然较高，尤其是在叶尖的中部区域，其中的泄漏流量占到总的泄漏量的80%左右。因此，仍需要对已有的凹槽叶尖结构进行改进，以降低高温燃气的泄漏损失，进一步提高涡轮的工作效率。
实用新型内容
[0010]本实用新型是基于以上所述的现有技术中所存在的问题而做出的，其目的是提供一种改进的涡轮叶片叶尖结构，以提高涡轮的工作效率，并且减少涡轮叶片的叶尖处所发生的损坏。
[0011]本实用新型的上述目的通过一种用于燃气涡轮发动机的涡轮叶片来实现，该涡轮叶片包括压力侧壁和吸力侧壁，在涡轮叶片的叶尖处，在压力侧壁和吸力侧壁之间连接有叶片顶板，压力侧壁和吸力侧壁向上延伸到叶片顶板上方，形成压力侧肋条和吸力侧肋条，在压力侧肋条和吸力侧肋条之间限定出凹槽，其中，在凹槽中设置有至少一个中间肋条，中间肋条连接在压力侧肋条和吸力侧肋条之间，且与叶片顶板之间存在间隙，从而悬置于叶片顶板上方。
[0012]通过上述悬置的中间肋条，可约束凹槽中的高温燃气流过中间肋条和叶片顶板之间的间隙，从而形成收缩流。由此，对凹槽中的高温燃气起到了导流的作用，避免泄漏的气流越过吸力侧肋条而与主气流掺混，减少了泄漏流中的涡流与驻留中的涡流的相互作用。因此，本实用新型的结构可降低叶尖处的泄漏损失，提高叶片的轴功和级效率。并且，在形成收缩流的过程中，中间肋条对高温燃气有阻挡作用。换言之，流经叶尖的高温燃气可对中间肋条做功，由此可减少燃气动能的损失。
[0013]考虑到叶尖的中部区域中的高温燃气泄漏量占总的泄漏量较大的比重，因此较佳地是将中间肋条设置在凹槽的中部区域中。
[0014]较佳地，叶片顶板朝着叶尖的尾缘方向向下倾斜地延伸。由此可提高对高温燃气的导流性能，使高温燃气朝着叶尖的尾缘方向流动。
[0015]较佳地，中间肋条相对于压力侧肋条的与中间肋条相连接的部位处的切线方向倾斜，和/或中间肋条相对于吸力侧肋条的与中间肋条相连接的部位处的切线方向倾斜。由此，可提高对高温燃气的导流作用，并且能够更好地利用高温燃气的动能。
[0016]在一种可选方式中，在靠近叶尖的前缘的位置设置有分隔肋条，分隔肋条从叶片顶板延伸，并将凹槽分成第一凹槽部和第二凹槽部。在此基础上，可在第一凹槽部中设置有气膜冷却孔，在第二凹槽部中也可设置有除尘孔。
[0017]从气膜冷却孔和除尘孔流出的是冷却空气，从而可对高温燃气起到冷却作用，降低泄漏燃气的温度，从而保护涡轮叶片的叶尖不受热侵蚀，有助于提高涡轮叶片的疲劳强度，并延长其使用寿命。该结构对于局部热负荷较高的叶尖前缘尤其有用。通过降低高温燃气温度，可避免叶片的局部过热而影响其它部分的正常工作。
[0018]较佳地，中间肋条与叶片顶板之间的间隙的高度为压力侧肋条或吸力侧肋条的对应部分处的高度的1/3?1/2。
[0019]在另一种可选方式中，在叶尖的尾缘处设置有尾缘劈缝。该尾缘劈缝的宽度可为压力侧肋条或吸力侧肋条的对应部分处的高度的I?2倍。尾缘劈缝与悬置的中间肋条协同作用，将凹槽内部的流体从尾缘引导出，从而可避免或者至少减少越过吸力侧肋条而泄漏的高温燃气流，有利于降低刮削涡和尾迹损失，最终提高涡轮的工作效率。
[0020]该尾缘劈缝的开口方向可以面向压力侧壁，也可以面向吸力侧壁。在尾缘劈缝的开口方向面向压力侧壁时，可将压力侧肋条在尾缘劈缝位置处的端部导圆。类似地，在尾缘劈缝的开口方向面向吸力侧壁时，可将吸力侧肋条在尾缘劈缝位置处的端部导圆。
[0021]这样，通过使压力侧肋条或吸力侧肋条在尾缘劈缝的开口处与高温燃气相接触的端部导圆，可使高温燃气更加平滑地从尾缘劈缝的开口流出。
[0022]进一步地，叶片顶板的与尾缘劈缝相对应的部分朝着尾缘的方向向下倾斜地延伸。这样的设置有利于降低尾缘损失。
[0023]在又一种可选方式中，在叶尖的中后部处，在压力侧肋条上形成外飘部分，从而进一步阻挡叶尖中后部的泄漏射流。中间肋条的一端可连接在外飘部分上，以起到结构支承的作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1示出了现有技术的一种涡轮叶片的叶尖结构的立体图。
[0025]图2是示出了本实用新型的涡轮叶片的叶尖结构的立体图。
【具体实施方式】
[0026]下面将结合图2对本实用新型的【具体实施方式】进行详细说明。应当了解，附图中所示的仅仅是本实用新型的较佳实施例，其并不构成对本实用新型的范围的限制。本领域的技术人员可以在附图所示的实施例的基础上对本实用新型进行各种显而易见的修改、变型、等效替换，这些都落在本实用新型的保护范围之内。
[0027]图2示出了本实用新型的涡轮叶片10的一部分的立体图，具体为涡轮叶片10的叶尖部分。如图2所示，涡轮叶片包括压力侧壁1、吸力侧壁12以及连接在压力侧壁11和吸力侧壁12之间的叶片顶板13。压力侧壁11和吸力侧壁12向上延伸到叶片顶板13的上方，从而形成压力侧肋条21和吸力侧肋条22。在压力侧肋条21和吸力侧肋条之间形成以叶片顶板13为底部的凹槽30。
[0028]在凹槽30的中间部分设置至少一个中间肋条。例如，在图2中示出了的结构中包括两个中间肋条，即第一中间肋条41和第二中间肋条42。第一和第二中间肋条41、42各自的两端分别连接在压力侧肋条21和吸力侧肋条22上。并且，第一中间肋条41和第二中间肋条42与叶片顶板13之间存在间隙，从而使第一中间肋条41和第二中间肋条42悬空在叶片顶板13上方。较佳地，第一中间肋条41和第二中间肋条42相对于压力侧肋条21和吸力侧肋条22的切线方向倾斜地设置。
[0029]通常，对于凹槽叶尖结构来说，由于内部掺混强烈，因此在涡轮叶片10的叶尖的前缘51处的热负荷很高。为此，较佳地，在叶尖的前缘51附近设置分隔肋条43。如图2所示，该分隔肋条43从叶片顶板13开始延伸，并连接在压力侧肋条21和吸力侧肋条22之间。这样，从图2中可以清楚地看到，分隔肋条43将凹槽30分成第一凹槽部31和第二凹槽部32，其中第一凹槽部31靠近叶尖的前缘51，第二凹槽32部靠近叶尖的尾缘52。在热负荷较高的第一凹槽部31可设置气膜冷却孔(未示出)，以冷却高温燃气。
[0030]图2中的虚线示出了高温燃气在涡轮叶片10的叶尖上的流动方向。其中，来自燃烧室的高温燃气的一部分越过压力侧肋条21，进入第一凹槽部31中。在第一凹槽部31设置有气膜冷却孔的情形中，该部分高温燃气在第一凹槽部31中得到冷却。
[0031]另一部分高温燃气则越过压力侧肋条21进入凹槽30的中间部分，在图2中具体为第二凹槽部32。悬空的第一中间肋条41和第二中间肋条42与叶片顶板13之间的间隙对这部分高温燃气产生台阶作用，形成流经该间隙的收缩流。通过第一、第二中间肋条41、42对高温燃气流动的约束作用，使高温燃气在凹槽30内向着叶尖的尾缘52流动，从而防止或者至少减少高温燃气越过吸力侧肋条22而泄漏。
[0032]为了更好地引导高温燃气朝着尾缘流动，叶片顶板13较佳地形成为朝着尾缘52的方向向下倾斜。第一、第二中间肋条41、42离开叶片顶板13的距离较佳地为压力侧肋条21和/或吸力侧肋条22的对应部分高度的1/3?1/2。
[0033]仍然参照图2，在第二凹槽部32中可设置除尘孔16。从该除尘孔16流出的冷却空气也可降低泄漏的高温燃气的温度。
[0034]在叶尖的尾缘52处设置尾缘劈缝14。在第一、第二中间肋条41、42与叶片顶板13之间的间隙流过的高温燃气从该尾缘劈缝14流出叶尖上的凹槽30。通过这样的导流，可有效地降低越过吸力侧肋条22的泄漏高温燃气，减少刮削涡损失，并在一定程度上减少叶尖尾迹fe失。
[0035]尾缘劈缝14的宽度可为对应位置处的压力侧肋条21或吸力侧肋条22的高度的I?2倍。较佳地，对于尾缘劈缝14的底部15、即叶片顶板13对应于尾缘劈缝14的那一部分，可以将它形成为朝着尾缘52的方向向下的斜面或者弧面。这有助于降低叶尖尾迹损失。
[0036]此外，在尾缘劈缝14的出口侧处，可以将压力侧肋条21和吸力侧肋条22设置成相互平行地延伸。这可以改善高温燃气在叶尖尾缘处的流动。进一步地，如图2所示，吸力侧肋条22在尾缘劈缝14的开口处的端部可被导圆，从而使经尾缘劈缝14流出的高温燃气的流动更加平滑。
[0037]如图2所示，在叶尖的中后部、例如在叶尖的尾缘附近，在压力侧肋条上设置外飘部分23，即略向外倾斜的部分。相应地，第二中间肋条42的一端可连接在该外飘部分23处，以起到结构支承的作用。通过设置该外飘部分23，可更好地阻挡叶尖的中后部处的泄漏射流。
[0038]以上所描述的是本实用新型的一个具体实施例。本领域技术人员可以对该实施例进行各种修改和变型，同样能够实现本实用新型的主要目的。
[0039]例如，在以上所述的实施例中，在涡流叶片的叶尖处的凹槽中设置有两个中间肋条和一个分隔肋条，其中中间肋条与叶片顶板间隔开，分隔肋条则是从叶片顶板延伸出，以将凹槽分成两个凹槽部分。本领域技术人员了解，为实现本实用新型的基本目的，只需设置一个与叶片顶板间隔开的中间肋条，即可实现本实用新型的基本目的。或者，也可根据需要设置其它数量的中间肋条和分隔肋条。
[0040]在图示公开的具体结构中，还设置有气膜孔、除尘孔等加强冷却结构。可以知道，这些结构都是示例性的，且为本实用新型的可选结构，而非实现本实用新型的目的所必须的。可以采用本技术本领域中常用的其它冷却结构，同样能够实现本实用新型的目的。
[0041]同样地，尾缘劈缝、外飘部分等结构也都是本实用新型的较佳的可选结构。
[0042]在图2中示出的具体结构中，尾缘劈缝14的开口是朝向吸力侧壁12的一侧。当然，尾缘劈缝14的开口也可以朝向压力侧壁12的一侧，在此结构中，压力侧肋条21在尾缘劈缝14的开口处的端部也可类似地被导圆。
【权利要求】
1.一种用于燃气涡轮发动机的涡轮叶片，所述涡轮叶片包括压力侧壁和吸力侧壁，在所述涡轮叶片的叶尖处，在所述压力侧壁和所述吸力侧壁之间连接有叶片顶板，所述压力侧壁和所述吸力侧壁向上延伸到所述叶片顶板上方，形成压力侧肋条和吸力侧肋条，在所述压力侧肋条和所述吸力侧肋条之间限定出凹槽，其特征在于，在所述凹槽中设置有至少一个中间肋条，所述中间肋条连接在所述压力侧肋条和所述吸力侧肋条之间，且与所述叶片顶板之间存在间隙，从而悬置于所述叶片顶板上方。
2.如权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述中间肋条设置在所述凹槽的中部区域中。
3.如权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述叶片顶板朝着所述叶尖的尾缘方向向下倾斜地延伸。
4.如权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述中间肋条相对于所述压力侧肋条的与所述中间肋条相连接的部位处的切线方向倾斜，和/或所述中间肋条相对于所述吸力侧肋条的与所述中间肋条相连接的部位处的切线方向倾斜。
5.如权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，在靠近所述叶尖的前缘的位置设置有分隔肋条，所述分隔肋条从所述叶片顶板延伸，并将所述凹槽分成第一凹槽部和第二凹槽部。
6.如权利要求5所述的涡轮叶片，其特征在于，在所述第一凹槽部中设置有气膜冷却孔，和/或在所述第二凹槽部中设置有除尘孔。
7.如权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述中间肋条与所述叶片顶板之间的所述间隙的高度为所述压力侧肋条或所述吸力侧肋条的对应部分处的高度的1/3?1/2。
8.如权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，在所述叶尖的尾缘处设置有尾缘劈缝。
9.如权利要求8所述的涡轮叶片，其特征在于，所述尾缘劈缝的宽度为所述压力侧肋条或所述吸力侧肋条的对应部分处的高度的I?2倍。
10.如权利要求8或9所述的涡轮叶片，其特征在于，所述尾缘劈缝的开口面向所述压力侧壁，所述压力侧肋条在所述尾缘劈缝的所述开口处的端部被导圆。
11.如权利要求8或9所述的涡轮叶片，其特征在于，所述尾缘劈缝的开口面向所述吸力侧壁，所述吸力侧肋条在所述尾缘劈缝的所述开口处的端部被导圆。
12.如权利要求8所述的涡轮叶片，其特征在于，所述叶片顶板的与所述尾缘劈缝相对应的部分朝着所述尾缘的方向向下倾斜地延伸。
13.如权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，在所述叶尖的中后部处，在所述压力侧肋条上形成外飘部分。
14.如权利要求13所述的涡轮叶片，其特征在于，所述中间肋条的一端连接在所述外飘部分上。
【文档编号】F01D5/20GK203925598SQ201420246017
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年5月14日 优先权日:2014年5月14日
【发明者】张翔, 杨中, 蒋登宇, 罗华玲, 邓向阳 申请人:中航商用航空发动机有限责任公司