一种高负荷低压涡轮叶尖泄漏流的控制方法

本发明属于叶轮机械，涉及一种高负荷低压涡轮叶尖泄漏流的控制方法。

背景技术：

1、现代航空涡扇发动机的设计中，低压涡轮作为关键部件扮演着至关重要的角色。在涡轮机械中，叶顶与机匣壁面之间的间隙管理是一个复杂而关键的问题。通常情况下，为了避免转子叶片与机匣壁面发生碰撞摩擦，工程师们会在叶顶与机匣端壁之间留有一定的间隙。然而，这种间隙会导致叶顶处产生较大的泄漏流损失和潜流损失，对涡轮性能造成不利影响。为了减少泄漏流和潜流的影响，采用带冠篦齿封严结构是一种有效的解决方案。通过设计合理的带冠涡轮篦齿封严结构，可以有效降低叶尖附近的泄漏流动，提高涡轮的效率和功能力。此外，叶冠结构的摩擦相互作用还能吸收振动能量，起到减振的作用，进一步提高涡轮的可靠性和稳定性。

2、现代民用大涵道比涡扇发动机低压涡轮的设计目标是追求高效率和低重量。这导致了低压涡轮具有级数较少(通常在3级左右)、转速较高、叶片负荷较大的特点。叶片的高负荷设计和高转速使得叶尖处受到较大的离心力作用，进一步增加了对叶尖刚度和叶片结构强度的要求。因此，对叶冠结构进行轻量化设计、优化叶冠几何结构，并寻求最优叶冠几何设计是现代涡轮设计的重要方向之一。

3、叶冠不仅可以有效减少叶尖附近的泄漏流动，提高涡轮的功能力，还能吸收振动能量，起到减振作用。高效率、低重量是现代涡扇发动机低压涡轮部件设计的重要发展方向，这要求涡轮设计师在轻量化设计方面有更深入的思考。涡扇发动机低压涡轮的级数较少、转速较高、叶片负荷较大的特点决定了其结构设计上的挑战，需要寻找平衡点以确保性能和安全性。

4、在涡轮设计中，叶冠结构的优化和轻量化设计是不可或缺的一环。通过精心设计叶冠几何，可以有效降低泄漏流和潜流损失，提高涡轮的效率和稳定性。现代航空涡扇发动机低压涡轮设计中的叶冠封严结构和轻量化设计是关键因素，对涡轮性能和功能起着重要作用。为了与叶冠容腔具有较好的配合，针对真实航空涡扇发动机低压涡轮扩张形子午流道，目前机匣端壁多采用台阶状设计，如公开号为cn114776389a的发明专利申请，公开了一种具有台阶机匣的带冠涡轮结构，此设计方法通过台阶机匣与叶冠篦齿封严结构的相互配合，对扩张形通道泄漏流具有较好的控制效果，但叶冠篦齿封严结构的设计增大了叶冠重量，同时，封严篦齿的存在一定程度上干涉了叶冠几何结构优化。针对该缺陷，本发明提出了一种具有封严篦齿的台阶机匣结构，不仅减小了叶冠重量，还方便了叶冠几何结构的设计优化，同时，经仿真计算发现，该结构对低压涡轮扩张形通道的泄漏流具有更好的控制效果。

5、为了减轻叶冠重量，优化叶冠的几何结构，目前针对全叶冠结构会进行裁剪修型，如公开号为cn101372895a的发明专利申请，公开了一种带篦齿封严结构的叶冠边缘轮廓修型方法，该设计方法在啮合面采用“z”字形，借助叶片转折角对叶冠进行了裁剪修型，但该结构在修型优化过程中不仅受到封严篦齿结构的影响，同时在高速旋转下“z”字形啮合面的拐角位置容易产生应力高度集中，大大缩短叶冠使用寿命。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种高负荷低压涡轮叶尖泄漏流的控制方法，一方面在啮合位置采用光滑过渡的圆弧曲线，消除应力集中对叶冠结构强度的影响，另一方面，叶冠上取消了封严篦齿结构，减轻叶冠重量的同时，方便了优化叶冠几何结构的工作，提升叶冠轻量化设计效果。

2、本发明为解决其技术问题所采用的解决技术方案为：

3、一种高负荷低压涡轮叶尖泄漏流的控制结构，包括：机匣和叶冠结构；

4、其中，机匣的外机匣壁面设置一倾斜面，机匣的内机匣壁面设置机匣台阶结构和篦齿结构；

5、篦齿结构为双篦齿结构，包括第一篦齿和第二篦齿；

6、其中机匣台阶结构自来流方向逐渐扩大；机匣台阶结构包括第一层台阶、第二层台阶和第三层台阶；机匣台阶结构的第一层台阶的来流方向侧设置一沿机匣内壁面周向延伸的封严壁，封严壁包括竖向延伸的第一壁和沿第一壁弯折的第二壁；机匣台阶结构的第二层台阶远离第一层台阶的一侧设置第一篦齿；机匣台阶结构的第三层台阶与第一篦齿相隔预定距离设置第二篦齿；

7、叶冠结构包括：叶冠前缘、叶冠本体和叶冠后缘；叶冠结构设置有叶冠台阶结构，叶冠前缘、叶冠本体和叶冠后缘依次对应于叶冠台阶结构的第一层台阶、第二层台阶和第三层台阶；叶冠前缘对应设置于机匣台阶结构的第二层台阶范围内，叶冠本体对应设置于机匣台阶结构的第二层台阶至第二篦齿的范围内，叶冠后缘对应设置于机匣台阶结构的第二篦齿之后的范围内；

8、自来流方向由机匣结构和叶冠结构依次构成形成第一封严容腔、进口容腔、第二封严容腔和出口容腔；

9、其中，封严壁、机匣台阶结构的第一层台阶形成第一封严容腔；

10、机匣台阶结构的第二层台阶、第一篦齿和叶冠前缘形成进口容腔；

11、机匣台阶结构的第三层台阶、第一篦齿、第二篦齿和叶冠本体形成第二封严容腔；

12、机匣台阶结构的第三层台阶、第二篦齿和叶冠后缘形成出口容腔。

13、封严壁的第二壁与叶冠前缘形成第一封严容腔的进口，机匣台阶结构的第三层台阶与叶冠后缘形成出口容腔的出口。

14、优选的，自由来流部分流体通过容腔进口进入第一封严容腔，侵入叶冠内的流体一部分在第一封严容腔形成腔内流体，一部分进入进口容腔；而进口容腔内的流体大部分会形成腔内流体，少部分通过篦齿间隙进入第二封严容腔；同理，侵入第二封严容腔的这部分流体大部分形成腔内流体，少部分则通过第二个篦齿间隙进入出口容腔；侵入出口容腔的流体一部分形成腔内流体，剩余部分则形成泄漏流，在出口容腔的出口与主流掺混。

15、优选的，叶冠结构还包括第一啮合面、第二啮合面；

16、第一和第二啮合面为光滑过渡的圆弧曲线，第一啮合面与第二啮合面相互平行，以保证相互啮合；

17、叶冠前缘为圆弧曲线，圆弧曲线的一侧延伸至第一啮合面，圆弧曲线另一侧经前修型深度l1和前修型宽度l3形成的折线与第二啮合面相连；

18、叶冠后缘包括鱼鳍状突部，鱼鳍状突部的高度对应于后修型深度l2，相邻叶冠后缘的距离对应于后修型宽度l4。

19、另外，本发明还提供一种高负荷低压涡轮叶尖泄漏流的控制方法，包括如下步骤：

20、ss1，台阶机匣篦齿封严结构设计：首先通过叶片前后缘高度和位置、以及轴向弦长确定外机匣倾斜度、内机匣台阶高度和长度、以及篦齿尺寸位置，进而确定叶冠进口容腔尺寸、出口容腔尺寸、第一和第二封严容腔尺寸相关参数。随后通过第一封严容腔的尺寸确定叶冠前缘尺寸，通过内机匣台阶高度和长度、第二封严容腔尺寸、篦齿尺寸和封严间隙确定叶冠台阶结构。最后通过以上两个步骤完成台阶机匣篦齿封严结构的初步设计；

21、ss2，篦齿封严结构计算验证：通过ansys对上一步的设计方案进行计算验证，若叶尖泄漏流动损失太大，不满足要求，则在初步设计方案的基础上，对台阶机匣篦齿封严结构的设计参数进行优化和调整，直至叶尖泄漏流动损失满足要求，确定最终的台阶机匣篦齿封严结构设计方案。

22、ss3，叶冠修型结构设计优化：针对上一步设计完成的台阶机匣篦齿封严结构设计，结合实际叶尖叶型转折角确定叶冠啮合面形状和尺寸，结合实际叶栅栅距以及台阶机匣封严篦齿位置确定叶冠修型深度和宽度，结合叶栅前后缘结构确定叶冠前后缘形状和尺寸，通过以上参数完成叶冠修型优化工作。

23、ss4，通过台阶机匣篦齿封严结构设计和叶冠修型结构设计优化，得出最终设计结果，实现高负荷低压涡轮叶尖泄漏流的控制以及叶冠减重效果。

24、优选的，其中步骤ss1中，采用双篦齿结构，腔内进出口尺寸、篦齿之间的距离以及篦齿与叶冠的间隙由封严效果决定，其中，第一封严容腔的进口尺寸h1和出口容腔的出口尺寸h2以及篦齿间隙越小，封严效果越好，对叶尖泄漏流的控制更有效，有利于提高低压涡轮效率。

25、优选的，外机匣倾斜度为15°，内机匣台阶高度差为9mm；进口尺寸h1为0.1cx、出口尺寸h1为0.15cx、篦齿间的距离为0.37cx、篦齿间隙为0.02cx，篦齿长5.5mm，宽1mm，其中cx表示叶片的轴向弦长。

26、优选的，根据台阶机匣高度、篦齿长度和篦齿间隙，确定叶冠台阶高度，取叶冠第一、二层台阶高度差为6mm，第二、三层台阶高度差为3.5mm，叶冠与机匣双篦齿相互配合，从而提升叶冠的封严效果。

27、优选的，其中步骤ss3中，对低压涡轮叶冠修型结构设计优化进一步包括：

28、ss31，确定坐标系xyz：以叶片轴向方向为x轴，从叶片前缘指向叶片尾缘的方向为正方向，以通过叶片前缘圆心，且法向方向为x轴方向的平面与x轴的交点为坐标原点o，以过原点并垂直于x轴的直线为y轴，正方向指向叶片吸力面，z轴垂直于x-y平面，正方向指向叶尖方向。

29、ss32，叶冠修型结构设计优化：叶冠的整体长度d由叶片的轴向弦长cx确定，鱼鳍状突部斜线l1的长度和斜线l1与x轴夹角α1分别由机匣篦齿位置和叶片出口构造角确定；叶冠啮合面距离由叶片栅距t确定，啮合面圆弧曲线的弧度则由叶片转折角确定，为了保证啮合效果，啮合面1与啮合面2相互平行且对齐；叶冠前后的修型深度l1、l2由双篦齿位置确定，为了保证第二封严容腔的封严效果，应保证修型深度l1、l2小于篦齿到叶冠前缘/后缘的距离，圆弧曲线的一侧斜线与x轴夹角α2为由叶片进口几何构造角决定，圆弧曲线l2的直径由叶片前缘确定，并且应保证圆弧曲线与叶冠轮廓线相切；叶冠前后的修型宽度l3、l4也由叶片栅距确定。

30、优选的，叶冠的整体长度为92mm，栅距t为66.8mm，叶冠啮合面距离也等于66.8mm，叶冠的修型深度l1和l2分别为31mm、20.6mm。

31、本发明与现有技术相比所具有的优点：

32、(1)本发明针对高负荷低压涡轮提出了一种具有篦齿封严结构的台阶机匣，一方面阶梯形机匣设计可以适应航空涡扇发动机低压涡轮扩张形子午流道，另一方面将篦齿封严结构与台阶机匣相结合，构建了具有两个封严容腔的封严体系，不仅实现了二次封严，显著提升叶尖泄漏流的控制效果，还减轻了由封严篦齿给叶冠带来的重量负担，从而进一步提高低压涡轮效率。

33、(2)与具有篦齿封严结构的台阶机匣相配合的，本发明还提出了一种轻量化叶冠修型方案，该方案一方面在啮合面处采用了光滑过渡的圆弧曲线，消除叶片高速旋转下应力集中对叶冠结构强度的影响，另一方面，该方案采用了阶梯形叶冠结构，在叶冠上取消了封严篦齿结构，因此，在进一步提升封严效果的同时，还减轻了叶冠重量，在优化叶冠几何结构的过程中，无需考虑封严篦齿位置对叶冠结构的影响，从而对叶冠修型深度的影响也很小，提升叶冠轻量化设计效果，进一步降低低压涡轮在整机中的重量占比。