本申請(qǐng)屬于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別涉及一種高壓渦輪、低跨音速導(dǎo)向葉片及其葉柵設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)基本采用單級(jí)高壓渦輪，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)推重比及渦輪前溫度水平，小涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓渦輪朝著兩個(gè)方向發(fā)展：其一是渦輪前溫度水平相對(duì)較低，要滿足發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)及增壓級(jí)的功率需求，采用大膨脹比(膨脹比大于3.5)設(shè)計(jì)，這就導(dǎo)致渦輪葉柵內(nèi)馬赫數(shù)水平較高，高壓渦輪為典型的高跨音速渦輪，葉柵通道內(nèi)音速線后存在由內(nèi)尾波、外尾波、膨脹波組成的復(fù)雜波系結(jié)構(gòu)，葉柵最大馬赫數(shù)數(shù)約在1.4～1.8，出口馬赫數(shù)約在1.1～1.3左右，葉柵內(nèi)流動(dòng)損失主要是激波損失、摩擦損失和尾跡損失，但激波損失顯著高于其他損失，現(xiàn)有的高跨音速葉柵設(shè)計(jì)方法核心是實(shí)現(xiàn)控制復(fù)雜激波損失。隨著技術(shù)進(jìn)步，渦輪前溫度水平逐步提高，同時(shí)為了追求較高的推重比，壓氣機(jī)級(jí)數(shù)大幅減少，高壓渦輪膨脹比大幅降低，氣體在渦輪內(nèi)膨脹程度降低，渦輪葉柵內(nèi)馬赫數(shù)水平有所降低，高壓渦輪介于高亞音速與高跨音速渦輪之間，導(dǎo)葉出口馬赫數(shù)在0.9～1.1，形成典型的低跨音速葉柵，葉柵通道中存在簡(jiǎn)單的激波，不同于高跨音速葉柵中復(fù)雜的波系結(jié)構(gòu)引起的較大激波損失。

2、航空發(fā)動(dòng)機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)的低壓渦輪和動(dòng)力渦輪大多是亞音速渦輪，葉柵通道內(nèi)一般不存在超音速流動(dòng)，最大馬赫數(shù)約在0.7～0.9左右，渦輪出口馬赫數(shù)一般在0.6～0.8左右，葉柵通道內(nèi)基本只有亞音速流動(dòng)，采用傳統(tǒng)的亞音速葉柵設(shè)計(jì)方法可以減小葉柵的摩擦損失和尾跡損失，有效的降低流動(dòng)損失。而低跨音速葉柵中激波損失、摩擦損失以及尾緣損失均占較大比重，目前在導(dǎo)向葉片葉柵設(shè)計(jì)中單一的采用高跨音速葉柵設(shè)計(jì)方法或亞音速葉柵設(shè)計(jì)方法均無(wú)法較好的平衡激波損失、摩擦損失和尾跡損失。

3、核心機(jī)高壓渦輪低跨音速導(dǎo)向葉片葉柵的葉型采用傳統(tǒng)的“典型參數(shù)造型法”結(jié)合“葉片根部彎扭造型法”，同時(shí)匹配“端壁收縮”設(shè)計(jì)完成，重點(diǎn)關(guān)注葉柵的型面特點(diǎn)及根部部的彎扭規(guī)律?！暗湫蛥?shù)造型法”的獨(dú)立參數(shù)分別為葉片數(shù)z、葉型截面半徑r、柵距t、前緣直徑d1、尾緣直徑d2、弦長(zhǎng)b(或軸向弦長(zhǎng)b)、安裝角βy、前楔角w1(上楔角、下楔角)、尾楔角w2、尾緣彎折角δ、進(jìn)口幾何角β1、出口幾何角β2、喉部寬度o、葉型旋轉(zhuǎn)角度e，如圖1所示。上述主要14個(gè)參數(shù)確定后，葉盆采用1段bezier曲線、葉背采用2段bezier曲線可實(shí)現(xiàn)二維葉型的設(shè)計(jì)?！叭~片根部彎扭造型法”的獨(dú)立參數(shù)分別為型面旋轉(zhuǎn)角度θ、葉型截面半徑r以及基截面和積疊軸的選取，通過(guò)參數(shù)的協(xié)調(diào)控制，可以實(shí)現(xiàn)葉片根部彎扭設(shè)計(jì)。

4、對(duì)于典型的低跨音速導(dǎo)向葉片葉柵設(shè)計(jì)方法，其存在如下缺點(diǎn)：

5、1)現(xiàn)有技術(shù)方案沒(méi)有形成針對(duì)低跨音速葉柵造型的根部彎扭設(shè)計(jì)方法；

6、2)亞音速葉柵設(shè)計(jì)方法只關(guān)注到葉柵的摩擦損失和尾跡損失，不能抑制或控制激波損失進(jìn)而會(huì)形成較大的葉柵損失，無(wú)法有效提升低跨音速渦輪的效率；

7、3)傳統(tǒng)的(高)跨音速葉柵設(shè)計(jì)方法核心是控制渦輪出口馬赫數(shù)1.1～1.3水平下葉柵復(fù)雜波系損失，如降低葉柵內(nèi)尾波及其反射波強(qiáng)度等，對(duì)于低跨音速葉柵的簡(jiǎn)單波系控制較欠缺，無(wú)法有效平衡摩擦損失、尾跡損失以及激波損失三者之間關(guān)系，不利于提高渦輪效率；

8、4)一般的端壁設(shè)計(jì)技術(shù)無(wú)法有效配合葉片根部彎設(shè)計(jì)，需要采用特定的下端壁收縮設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉根部附近流場(chǎng)優(yōu)化，降低端壁二次流及流動(dòng)損失。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本申請(qǐng)的目的是提供了一種高壓渦輪、低跨音速導(dǎo)向葉片及其葉柵設(shè)計(jì)方法，以解決或減輕背景技術(shù)中的至少一個(gè)問(wèn)題。

2、一方面，本申請(qǐng)的技術(shù)方案是：一種低跨音速導(dǎo)向葉片葉柵設(shè)計(jì)方法，基于葉柵14參數(shù)造型法進(jìn)行葉柵設(shè)計(jì)，所述設(shè)計(jì)方法包括：

3、采用包括根截面、尖截面和中截面的三基截面造型法葉柵設(shè)計(jì)，調(diào)整進(jìn)口幾何角、前楔角以及前緣型線曲率使葉柵各基截面的攻角處于預(yù)定范圍內(nèi)，同時(shí)使葉片的最大馬赫數(shù)位于軸向弦長(zhǎng)的預(yù)定范圍處；

4、提高出口楔角至預(yù)定范圍、增加葉型尾緣附近的厚度，同時(shí)增大葉柵盆側(cè)bezier曲率、減小葉柵背側(cè)bezier曲率，使氣流在葉柵喉部后的尾緣附近緩慢發(fā)展；

5、控制葉柵各基截面的葉型最大厚度，使各基截面葉型最大厚度一致，且使所述葉型最大厚度位于預(yù)定范圍內(nèi)，在滿足工藝要求下使導(dǎo)向葉片尾緣直徑最??；

6、增加葉根附近預(yù)定葉高處的橫截面為第四基截面，控制四個(gè)基截面的葉型旋轉(zhuǎn)角度使積疊后的導(dǎo)向葉片根部出口氣流角增大形成根部彎葉片。

7、在本申請(qǐng)優(yōu)選實(shí)施方式中，所述葉柵各基截面的攻角預(yù)定范圍為0°～5°，所述葉片的最大馬赫數(shù)位于軸向弦長(zhǎng)的預(yù)定范圍為60％～80％。

8、在本申請(qǐng)優(yōu)選實(shí)施方式中，所述提高出口楔角至預(yù)定范圍為14°～16°。

9、

10、在本申請(qǐng)優(yōu)選實(shí)施方式中，所述葉型最大厚度的預(yù)定范圍為13mm～20mm，所述導(dǎo)向葉片的最小尾緣直徑在0.7mm～0.9mm范圍內(nèi)選取。

11、在本申請(qǐng)優(yōu)選實(shí)施方式中，所述葉根附近預(yù)定葉高處的橫截面為10％葉高處的橫截面。

12、在本申請(qǐng)優(yōu)選實(shí)施方式中，還包括：增大下流道的收縮角度至預(yù)定范圍，使收縮后的下流道與根部彎葉片配合，用于降低根部附近的流動(dòng)分離及二次流損失。

13、在本申請(qǐng)優(yōu)選實(shí)施方式中，所述下流道的收縮角度的預(yù)定范圍為20°～25°。

14、另一方面，本申請(qǐng)?zhí)峁┑募夹g(shù)方案是：一種低跨音速導(dǎo)向葉片，所述低跨音速導(dǎo)向葉片采用如上任一所述的低跨音速導(dǎo)向葉片葉柵設(shè)計(jì)方法得到。

15、最后一個(gè)方面，本申請(qǐng)?zhí)峁┑募夹g(shù)方案是：一種高壓渦輪，所述高壓渦輪包括如上所述的低跨音速導(dǎo)向葉片。

16、本申請(qǐng)?zhí)峁┑娜~柵設(shè)計(jì)方法可以實(shí)現(xiàn)核心機(jī)高壓渦輪低跨音速導(dǎo)向葉片葉柵的合理設(shè)計(jì)，有效平衡葉柵中摩擦損失、尾跡損失以及激波損失三者之間關(guān)系，較大幅度降低端壁二次流分離及流動(dòng)損失，提升核心機(jī)高壓渦輪效率。

技術(shù)特征：

1.一種低跨音速導(dǎo)向葉片葉柵設(shè)計(jì)方法，基于葉柵14參數(shù)造型法進(jìn)行葉柵設(shè)計(jì)，其特征在于，所述設(shè)計(jì)方法包括：

2.如權(quán)利要求1所述的低跨音速導(dǎo)向葉片葉柵設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述葉柵各基截面的攻角預(yù)定范圍為0°～5°，所述葉片的最大馬赫數(shù)位于軸向弦長(zhǎng)的預(yù)定范圍為60％～80％。

3.如權(quán)利要求2所述的低跨音速導(dǎo)向葉片葉柵設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述提高出口楔角至預(yù)定范圍為14°～16°。

4.如權(quán)利要求3所述的低跨音速導(dǎo)向葉片葉柵設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述葉型最大厚度的預(yù)定范圍為13mm～20mm，所述導(dǎo)向葉片的最小尾緣直徑在0.7mm～0.9mm范圍內(nèi)選取。

5.如權(quán)利要求4所述的低跨音速導(dǎo)向葉片葉柵設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述葉根附近預(yù)定葉高處的橫截面為10％葉高處的橫截面。

6.如權(quán)利要求1至5任一所述的低跨音速導(dǎo)向葉片葉柵設(shè)計(jì)方法，其特征在于，還包括：增大下流道的收縮角度至預(yù)定范圍，使收縮后的下流道與根部彎葉片配合，用于降低根部附近的流動(dòng)分離及二次流損失。

7.如權(quán)利要求6所述的低跨音速導(dǎo)向葉片葉柵設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述下流道的收縮角度的預(yù)定范圍為20°～25°。

8.一種低跨音速導(dǎo)向葉片，其特征在于，所述低跨音速導(dǎo)向葉片采用如權(quán)利要求1至7任一所述的低跨音速導(dǎo)向葉片葉柵設(shè)計(jì)方法得到。

9.一種高壓渦輪，其特征在于，所述高壓渦輪包括如權(quán)利要求8所述的低跨音速導(dǎo)向葉片。

技術(shù)總結(jié)
本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N低跨音速導(dǎo)向葉片葉柵設(shè)計(jì)方法，基于葉柵14參數(shù)造型法進(jìn)行葉柵設(shè)計(jì)，包括小攻角中后加載設(shè)計(jì)、出口大楔角設(shè)計(jì)、等厚度小尾緣設(shè)計(jì)、四基截面造型與根部彎葉片設(shè)計(jì)及下端壁大幅度收縮設(shè)計(jì)。本申請(qǐng)?zhí)峁┑娜~柵設(shè)計(jì)方法可以實(shí)現(xiàn)核心機(jī)高壓渦輪低跨音速導(dǎo)向葉片葉柵的合理設(shè)計(jì)，有效平衡葉柵中摩擦損失、尾跡損失以及激波損失三者之間關(guān)系，較大幅度降低端壁二次流分離及流動(dòng)損失，提升核心機(jī)高壓渦輪效率。

技術(shù)研發(fā)人員：張勇,馬廣健,陳云,李鑫,趙大勇
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21