一种带沟槽的涡轮转子机匣结构的制作方法

1.本发明属于航空发动机技术领域，特别涉及一种带沟槽的涡轮转子机匣结构。


背景技术：

2.涡轮是燃气涡轮发动机三大核心部件之一，其作用是将经涡轮导向器转向加速后的燃气热能和压力势能转换成燃气动能和可输出的机械功。涡轮的做功能力直接影响着航空发动机的动力输出，同时其工作寿命也制约着航空发动机的可持续运行，因此提高涡轮部件的气动性能以及可靠性对高性能航空发动机的高效可靠运行具有重要的意义。影响涡轮工作效率的气动因素主要有叶型损失、端区流动损失以及叶尖泄漏损失等，其中叶尖泄漏损失是影响涡轮工作能力的重要因素。因泄漏气流未对涡轮做功，在流过间隙时温度较高，导致涡轮叶尖的热负荷明显偏大，尤其是在高压涡轮环境下，叶尖端区较高热负荷严重影响着涡轮转子叶片的可靠性。因此，有必要在不影响正常工作，不大幅增加工艺难度的前提下，尽量有效降低叶尖泄漏流量。
3.由于旋转的转子叶尖和静止的机匣之间必然存在的径向间隙，以及间隙两侧存在的较高压差，使得主流一部分流体从压力面经过叶尖间隙，直接流向吸力面，并与主流掺混造成叶尖泄漏损失。随着涡轮向高负荷、大折转角发展，导致叶尖间隙泄漏流动增强，叶顶区域流动更加复杂，由叶尖泄漏流动带来的叶栅流动损失增大，由间隙泄漏流动带来的间隙内部损失以及泄漏流动流出间隙与叶栅通道内主流流动掺混产生的损失大约占到了涡轮叶栅总损失的1/3，甚至更高。并且因泄漏气流未对涡轮做功，在流过间隙时温度较高，导致涡轮叶尖的热负荷明显偏大，尤其是在高压涡轮环境下，叶尖端区较高热负荷严重影响着涡轮转子叶片的可靠性。因此，如何降低叶尖泄漏损失是高效率涡轮乃至先进航空发动机必须重视的问题之一。
4.减小叶尖泄漏损失最快最便捷的途径便是减小叶尖间隙的高度，转子叶尖间隙的减小可明显降低泄漏流，降低损失。但是，在当前材料、加工工艺及结构可靠性等方面的限制下，减小叶尖间隙的同时，也会带来其它方面的问题，比如增加与机匣摩擦的风险，造成涡轮的严重事故。因此，转子叶尖间隙应控制在一个合理的范围之内，其间隙往往不能小于叶片高度的1.5％。所以，想要降低转子叶尖泄漏流动只能从其它途径入手。近些年，研究者通常通过对叶尖复杂造型，采用叶尖凹腔的形式来控制泄漏流，但其会增大叶顶和机匣局部热负荷，且叶尖形状加工困难，工艺性极差。而采用叶尖喷射气流控制叶尖泄漏流的方法会造成整机性能的大幅度下降，且会导致叶尖区域的流动损失增大。因此，目前常用的还是简单转子叶片和平直段机匣结构。
5.综上所述，现有技术中涡轮为控制叶尖间隙泄漏流，往往采用更小的间隙(但间隙高度一般不低于叶片高度的1.5％)，叶尖喷射气流或者非常复杂的叶尖造型等，都会带来其它的问题，如采用小间隙造成叶尖刮磨，危及发动机安全，采用叶尖喷射气流则会造成整机性能的降低，采用叶尖造型会使加工难度大幅度增加，且造成叶尖区域换热问题。若采用简单的转子叶片和机匣结构，会造成大量的必不可少的叶尖泄漏流动，不但带来间隙泄漏
损失，而且流出的泄漏流会与主流掺混，造成大量的流动损失，整个叶尖泄漏损失占涡轮叶栅总损失的1/3以上，对涡轮性能的提高十分不利，导致发动机性能下降。


技术实现要素：

6.针对上述问题，本发明提供一种带沟槽的涡轮转子机匣结构，有效地减少了叶尖间隙的泄漏流，大幅度降低涡轮的二次流损失，提高涡轮性能。
7.一种带沟槽的涡轮转子机匣结构，包括内机匣和外机匣，其中，所述外机匣在靠近叶片前缘的设定区域沿周向设置有沟槽。
8.进一步的，所述沟槽设置多个，每个所述沟槽用于使气流在其内部形成漩涡，阻碍气流从叶尖间隙内流过。
9.进一步的，多个所述沟槽之间等间距设置。
10.进一步的，所述沟槽的横截面形状为矩形。
11.进一步的，所述沟槽的起始位置c1的设置区域满足：所述沟槽的起始位置c1与叶片叶尖前缘轴向垂直距离取值范围为0～0.5c，其中，c表示叶片叶尖弦长。
12.进一步的，所述沟槽的深度d与叶尖间隙高度g的比值满足：d/g的取值范围为0.5～3。
13.进一步的，所述沟槽的宽度k与叶尖间隙高度g的比值满足：k/g的取值范围为1.5～6。
14.进一步的，所述沟槽周向与气流方向夹角为80
°
～100
°
。
15.进一步的，相邻所述沟槽之间的距离d1与叶尖间隙高度g的比值满足：d1/g的取值范围为1.0～4.0。
16.进一步的，所述沟槽的横截面为三角形，所述沟槽的横截面顶角第一棱边偏向气流流出方向，所述沟槽的横截面顶角第二棱边与气流方向垂直，或所述第二棱边偏向气流流出方向，其中，所述第一棱边靠近气流流入方向。
17.进一步的，所述沟槽的横截面为三角形，所述沟槽的横截面顶角第三棱边偏向气流流入方向，所述沟槽的横截面顶角第四棱边与气流方向垂直，或所述第四棱边偏向气流流入方向，其中，所述第三棱边靠近气流流入方向。
18.进一步的，所述沟槽的横截面为三角形，所述沟槽的横截面顶角第五棱边均偏向气流流出方向，所述沟槽的横截面顶角第六棱边偏向气流流入方向，其中，所述第五棱边靠近气流流入方向。
19.进一步的，所述沟槽的横截面形状为弧形。
20.本发明的有益效果：
21.1、可有效的减少转子叶尖泄漏流，大幅度降低流动损失，提升涡轮性能，且该结构加工简单，生产成本低，可靠性高；
22.2、可减少转子叶尖有效刮磨面积20％以上，降低了涡轮转子刮磨甚至是卡滞风险，提高了涡轮工作的安全性；
23.3、应用范围广，可广泛应用于各种燃气涡轮发动机、辅助动力装置中，且效果显著。
24.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变
得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1示出了根据现有技术的单级燃气涡轮发动机涡轮流道示意图；
27.图2示出了根据现有技术的转子叶片结构示意图；
28.图3示出了根据本发明实施例的沟槽横截面为矩形的结构示意图；
29.图4示出了根据本发明实施例的具有连续沟槽的转子机匣结构示意图；
30.图5示出了根据本发明实施例的沟槽横截面为弧形的结构示意图；
31.图6示出了根据本发明实施例的沟槽横截面为第一三角形的结构示意图；
32.图7示出了根据本发明实施例的沟槽横截面为第二三角形的结构示意图；
33.图8示出了根据本发明实施例的沟槽横截面为第三三角形的结构示意图；
34.图9示出了现有转子机匣的叶尖泄漏流线示意图；
35.图10示出了根据本发明实施例的带沟槽的涡轮转子机匣结构的叶尖泄漏流线示意图；
36.图11示出了现有叶片叶尖某截面区域气流流动示意图；
37.图12示出了根据本发明实施例的带沟槽的涡轮转子机匣结构的叶片叶尖某截面区域气流流动示意图。
38.图中：1、内机匣；2、外机匣；3、导向器；4、转子叶片；5、叶尖间隙；6、叶片叶盆；7、叶片叶背；8、叶片前缘；9、叶片尾缘；10、叶片叶尖；11、沟槽。
具体实施方式
39.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.需要说明的是，本技术中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例。在本技术中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。
41.为了便于对发明实施例的理解，下面对现有的涡轮发动机涡轮流道和转子叶片结构作简单介绍：
42.涡轮可以是单级涡轮、双级涡轮或者更多级的涡轮，如图1所示，单级涡轮由内机匣1、外机匣2、导向器3和转子等组成，转子包括转子叶片4。
43.如图2所示，转子叶片4包括叶片叶盆6、叶片叶背7、叶片前缘8、叶片尾缘9和叶片叶尖10。燃气由燃烧室流出，经导向器3气流转向及加速后，进入转子区域，驱动转子转动，输出轴功，因此叶片叶尖10与外机匣2还存在叶尖间隙5。气流做功后由末级涡轮叶片自内机匣1和外机匣2之间的环形气流通道排出发动机。发动机和涡轮叶片都是围绕发动机轴向轴对称。
44.可以看到，现有的燃气涡轮发动机涡轮转子的叶片叶尖10与外机匣2之间存在间隙，且叶片叶尖10区域的那段外机匣2是平直段，高温高压燃气会从叶片叶盆6经叶尖间隙5流向叶片叶背7，这部分的泄漏流动不参与涡轮做功，造成大量的泄漏损失，不利于涡轮性能。
45.本发明实施例提供一种带沟槽11的涡轮转子机匣结构，有效地减少了叶尖间隙5的泄漏流，大幅度降低涡轮的二次流损失，提高涡轮性能；同时，机匣沟槽11设计可减小转子叶尖与机匣的刮磨面积，降低涡轮转子的卡滞风险，提高可靠性，从而使涡轮性能及结构可靠性方面都有所提升。
46.如图3所示，一种带沟槽11的涡轮转子机匣结构，包括内机匣1和外机匣2，外机匣2在靠近转子叶片4的叶片前缘8的设定区域沿周向设置有沟槽11。本发明实施例通过在涡轮转子外机匣2布置沟槽11，使得气流在沟槽11内形成漩涡，阻碍气流从叶尖间隙5内流过。
47.具体的，气流流经叶片叶尖10区域，由于受到沟槽11的几何结构约束，间隙流动会被阻挡在沟槽11内部，从而产生大量的气流漩涡，形成刮削涡结构，该结构可挤压叶尖间隙5内的泄漏流，刮削涡在叶尖间隙5内起到“气动篦齿”作用，大幅度减小叶尖间隙5的有效流通面积，从而减小叶尖泄漏流动。此外，由于机匣设置有沟槽11，在沟槽11区域形成一个低压流动区，大大降低了叶尖间隙5内的横向压力梯度，使得叶尖间隙5内气流动量减小。沟槽11在减小叶片叶尖10区域泄漏流的同时，也使得泄漏流与主流动量差降低，因此有利于泄漏流与主流掺混损失的降低。
48.在一个实施例中，如图4所示，沟槽11沿设置多个，每个沟槽11用于使气流在其内部形成漩涡，阻碍气流从叶尖间隙5内流过，例如可以设置1～4个，进一步的，多个沟槽11在靠近转子叶片4前缘设定区域等间距设置。
49.在一个实施例中，沟槽11的横截面形状为矩形，如图3所示，将沟槽11的深度定义为d，沟槽11宽度定义为k，叶尖间隙5高度定义为g，转子轴向叶片叶尖10弦长定义为c。
50.在一个实施例中，沟槽11的起始位置靠近叶片叶尖10前缘设置，具体的，沟槽11的起始位置c1设置区域满足：沟槽11的起始位置c1可布置在与叶片叶尖10前缘轴向垂直距离为0～0.5c的区域内。当沟槽11的起始位置c1与叶片叶尖10前缘轴向距离为0时，表示沟槽11的起始位置c1与叶片叶尖10前缘之间的连线垂直于气流流动方向，即叶片叶尖10前缘为沟槽11的起始位置c1在叶片叶尖10上的投影。
51.沟槽11的深度d为叶尖间隙5高度g的0.5～3.0倍，即d/g的取值范围为0.5～3；沟槽11宽度k为叶尖间隙5高度g的1.5-6.0倍，即k/g的取值范围为1.5～6。
52.本实施实例中，由于沟槽11向上凸起，形成凸坑，使得沟槽11减少了叶片叶尖10与外机匣2有效刮磨面积20％以上，降低刮磨时的摩擦力25％以上，大大降低了转子严重刮磨的风险，该结构使发动机工作更安全，更可靠。
53.其中，在本实例实施中，当c1/c＝0，即沟槽11的起始位置c1与叶尖前缘对齐，d/g
＝2.5,k/g＝3.0时，涡轮性能提升最多。
54.进一步的，为最大程度地形成气流漩涡，阻碍泄漏流，沟槽11周向与来流气流方向夹角为80
°
～100
°
，其中，夹角为90
°
时阻碍泄漏流效果最佳。
55.进一步的，当沟槽11设置多个时，相邻沟槽11之间的距离d1与叶尖间隙5高度g之比d1/g的取值范围为1.0～4.0。
56.如图5所示，在一个实施例中，沟槽11的横截面可以是弧形，沟槽11的深度d为弧形横截面最高点与外机匣2端面的距离，沟槽11宽度k为弧形横截面的弦长。
57.如图6所示，在一个实施例中，沟槽11的横截面还可以是三角形，沟槽11的横截面顶角第一棱边均偏向气流流出方向，沟槽11的横截面顶角第二棱边与气流方向垂直，或第二棱边偏向气流流出方向，其中，第一棱边靠近气流流入方向。
58.如图7所示，在一个实施例中，沟槽11的横截面为三角形，沟槽11的横截面顶角第三棱边均偏向气流流入方向，沟槽11的横截面顶角第四棱边与气流方向垂直，或第四棱边偏向气流流入方向，其中，第三棱边靠近气流流入方向。
59.如图8所示，在一个实施例中，沟槽11的横截面为三角形，沟槽11的横截面顶角第五棱边均偏向气流流出方向，沟槽11的横截面顶角第六棱边偏向气流流入方向，其中，第五棱边靠近气流流入方向。
60.当沟槽11的横截面为三角形时，沟槽11的深度d为以顶角端点为起点的三角形的高，沟槽11宽度k为与顶角相对的棱边长度。
61.如图9和10所示，通过将现有的涡轮转子机匣结构和本发明实施例的带沟槽11的涡轮转子机匣结构(其中，模拟沟槽11横截面为矩形)分别进行叶片叶尖10泄漏情况模拟分析可知，其中，模拟沟槽11横截面为矩形，现有的叶片叶尖10存在大量泄漏流动，且叶片叶尖10泄漏非常顺畅，流线均匀，造成大量的泄漏损失。采用本发明机匣结构后，在沟槽11附近产生大量的气流漩涡，在周向上形成一连串的涡系结构，漩涡上下波动剧烈，使得叶尖间隙5内流动剧烈振荡，不顺畅，大大阻碍了叶片叶尖10气流的流动，使泄漏流大幅度减小。
62.如图11和12所示，通过将现有的涡轮转子机匣结构和本发明实施例的带沟槽11的涡轮转子机匣结构(其中，模拟沟槽11横截面为矩形)分别进行叶片叶尖10某截面区域气流流动情况模拟分析可知，现有的叶片叶尖10泄漏量大，气流流动顺畅。采用本发明机匣结构后，在沟槽11内部及附近区域产生大量的漩涡，叶尖泄漏流进入沟槽11后，被沟槽11结构强制压制在沟槽11内，形成一系列的涡系结构，该涡系结构可阻碍后续泄漏流通过，在叶尖间隙5附近区域形成流动死腔，有效降低了叶尖泄漏量，提升了涡轮性能。
63.通过对本发明实施例的机匣结构进行三维数值计算及试验验证，结果显示，采用本发明所述的机匣结构能明显降低叶尖泄漏流，本实例中可降低叶尖泄漏流量14.12％，提高涡轮性能0.47％。
64.本发明的带沟槽11的涡轮转子机匣结构，可有效的减少转子叶尖泄漏流，大幅度降低流动损失，提升涡轮性能，且该结构加工简单，生产成本低，可靠性高。本发明的带沟槽11的涡轮转子机匣结构可减少转子叶尖有效刮磨面积20％以上，降低了涡轮转子刮磨甚至是卡滞风险，提高了涡轮工作的安全性。本发明的带沟槽11的涡轮转子机匣结构的应用范围广，可广泛应用于各种燃气涡轮发动机、辅助动力装置中，且效果显著。
65.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理
解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。