一种组合式叶片制造技术

本发明专利技术公开了一种组合式叶片，包括叶片主体和可更换的叶顶组件，叶顶组件与叶片主体装配形成组合式叶片；通过维多辛斯基曲线对叶顶组件侧面进行几何造形，通过只更换叶顶组件，实现叶片不同流动工况和不同涡轮级间的切换。叶顶组件为中空结构，引气口从叶顶面上前缘的高压处引气进入空腔，由叶顶下游的抑制孔喷出，从而对叶片中后部的叶顶泄漏流动进行抑制。叶片主体由金属材料制成，叶顶组件由陶瓷基复合材料制成，利用金属材料和陶瓷基材料的膨胀率的差异，保证叶顶组件和叶片主体装配的紧密度。陶瓷基复合材料制成的叶顶组件在减轻叶片头部重量，降低叶片离心力的同时，还可以在叶片主体与高温流场间形成隔热层，对叶片主体进行热防护。体进行热防护。体进行热防护。

【技术实现步骤摘要】
一种组合式叶片


[0001]本专利技术涉及叶轮机结构，尤其涉及一种组合式叶片。

技术介绍

[0002]轴流涡轮是能源转化，推进领域经常采用的机械部件。高压涡轮转子是整个涡轮中最为关键的部件。新一代航空发动机将采用涡轮盘叶片一体化成形方式，减少涡轮叶片装配带来的防热和强度问题，但是涡轮叶片的局部特别是叶顶区域的损坏会造成整体失效，维护成本上升。同时，未来的航空发动机将向模块化，宽适用性方向发展，对涡轮转子叶片的通用性，工作范围的可拓展性提出了更高的要求。而目前的涡轮转子叶片多针对特定级，特定工况进行设计，通用性很低。

技术实现思路

[0003]专利技术目的：本专利技术旨在提供一种可拓展涡轮叶片适用范围的组合式叶片。
[0004]技术方案：本专利技术所述的组合式叶片，包括叶片主体和可更换的叶顶组件，叶顶组件与叶片主体装配形成组合式叶片；所述叶顶组件的叶顶侧面线条为维多辛斯基曲线，公式如下：
[0005][0006]其中，y表示叶顶组件截面的侧面线条对应的宽度值，ξ表示叶顶外延系数，x表示叶片高度方向上的位置坐标，w1表示叶顶向外延伸的长度，w2表示空心叶片的厚度，其中，叶顶外延系数ξ，公式如下：
[0007]ξ＝(w1+w2)/w2。
[0008]通过更换叶顶组件，实现同一叶片适用不同流动工况和不同涡轮级间的切换。利用维多辛斯基曲线对叶顶侧面进行几何造形，减少流动损失，提升泄漏流控制效果，增加叶顶边缘强度。当涡轮叶片高度要求相同时，叶顶侧面曲线高度不变，改变叶片侧面曲线构型的参数，可以形成不同侧面曲面构型的叶顶组件，进而改变涡轮转子高温流场的通流面积，可以保证叶片主体在一定流量范围下工作效率。当涡轮叶片高度要求不同时，同时改变叶顶侧面曲线高度和叶片侧面曲线构型的参数，形成对应高度和通流面积的叶片构型，完成同一叶片主体在不同涡轮级间的切换，保证叶片的工作效率。
[0009]进一步地，所述叶顶组件设有被动抑制结构。
[0010]进一步地，所述被动抑制结构为叶顶引气被动控制泄漏流结构。
[0011]进一步地，所述叶顶引气被动控制泄漏流结构包括设于叶顶组件顶部内的空腔、连通空腔的引气口以及覆盖空腔的叶顶上贯穿设置的若干抑制孔。引气口将前缘高压泄漏流引入空腔中，抑制孔将高压流体从空腔内喷射入间隙，对间隙泄漏流动抑制作用，减小泄漏流流量。
[0012]进一步地，所述引气口沿叶顶长径方向始于叶顶前缘，终止于叶片15％
‑
30％的轴
向弦长处。
[0013]进一步地，所述叶顶空腔的深度为叶片高度的5—10％。
[0014]进一步地，所述叶片主体与叶顶组件过盈装配。
[0015]进一步地，所述叶片主体采用冲击气膜
‑
扰流柱复合冷却结构，以保证涡轮叶片的冷却效率。
[0016]进一步地，所述叶片主体由高度和耐温度的金属材料制成。
[0017]进一步地，所述叶顶组件由陶瓷基复合材料制成，利用金属材料和陶瓷基材料的膨胀率的差异，保证叶顶组件和叶片主体装配的紧密度。陶瓷基复合材料具有耐高温，力学性能强，密度低，热膨胀率低的特点，在保证组合结构的工作强度同时，还能减轻叶片头部重量，降低叶片离心力。除此之外，陶瓷基复合材料制成的叶顶组件还可以在叶片主体与高温流场间形成隔热层，对叶片主体进行热防护。
[0018]有益效果：本专利技术与现有技术相比，其显著优点是：1、本专利技术通过只更换叶顶组件，即可实现同一涡轮叶片的适用范围拓展和不同涡轮级的切换；2、叶顶附外伸结构利用维辛多斯基曲线进行造型，抑制叶顶泄漏流的同时提高外伸边缘的强度，降低因引入外伸小翼对主流流动造成的损失；3、叶顶引气被动控制泄漏流结构可以显著降低泄漏流流量，减少泄漏损失；4、本专利技术可通过更换叶顶组件的方式对组合叶片进行维护，降低因叶片主体叶顶损坏而产生的维护成本。
附图说明
[0019]图1为本专利技术的结构示意图；
[0020]图2为本专利技术的爆炸图；
[0021]图3为叶顶组件截面的结构示意图；
[0022]图4为叶顶侧面外形维氏曲线分布特征，其中(a)为对应不同涡轮工况的叶顶侧面外形维氏曲线分布特征，(b)为不同涡轮级的叶顶侧面外形维氏曲线分布特征；
[0023]图5为表面压力分布图，其中(a)为平顶结构的表面压力分布图，(b)为叶顶引气被动控制泄流结构的表面压力分布图；
[0024]图6为平顶流线分布图，其中(a)为平顶流线分布图，(b)为叶顶引气被动控制泄流结构的叶顶流线分布图。
具体实施方式
[0025]下面结合附图对本专利技术作进一步说明。
[0026]本专利技术所述的组合式叶片，包括叶片主体1和可更换的叶顶组件2，将叶顶组件2装配入叶片主体1形成组合式叶片；所述叶顶组件2的叶顶侧面线条3为维多辛斯基曲线，公式如下：
[0027][0028]其中，y表示叶顶组件截面的侧面线条对应的宽度值，ξ表示叶顶外延系数，x表示叶片高度方向上的位置坐标，w1表示叶顶向外延伸的长度，w2表示空心叶片的厚度，其中，叶
顶外延系数ξ，公式如下：
[0029]ξ＝(w1+w2)/w2。
[0030]其中，叶顶组件2设有叶顶引气被动控制泄漏流结构，该结构包括设于叶顶组件2顶部内的空腔4、连通空腔的引气口5以及覆盖空腔的叶顶上贯穿设置的若干抑制孔6。所述引气口5沿叶顶长径方向始于叶顶前缘，终止于叶片15％
‑
30％的轴向弦长处；所述叶顶空腔4的深度为叶片高度的5—10％。
[0031]叶片主体1与叶顶组件2通过过盈配合进行装配，叶片主体1由可以保证结构强度和耐温性的金属材料制成，叶顶组件2由陶瓷基复合材料制成，叶片主体1采用冲击气膜
‑
扰流柱复合冷却结构。
[0032]如图1和3所示，叶片的整体高度s为122mm，涡轮机匣7和叶片存在间隙h，间隙h的高度为一固定值，具体为1.22mm，间隙处于整个涡轮流场中，叶片的两侧在涡轮流场中形成压力面9和吸力面8，压力面9一侧流体会在间隙两侧巨大压差的作用下，经过间隙进入吸力面8一侧，形成叶顶间隙泄漏流。在叶片正对涡轮机匣的设有叶顶空腔4，其中，叶顶空腔的深度为叶片高度的5％，具体为6.1mm，覆盖空腔的叶顶上贯穿设置有4排总计43个直径为1.22mm抑制孔6。
[0033]通过更换叶顶组件，实现同一叶片适用不同流动工况和不同涡轮级间的切换。当涡轮叶片高度要求相同时，叶顶侧面曲线高度C不变，改变叶片侧面曲线构型的参数，可以形成不同侧面曲面构型的叶顶组件，进而改变涡轮转子高温流场的通流面积，可以保证叶片主体在一定流量范围下工作效率，如图4中(a)所示，对应降低的涡轮流量m1，m2，m3，m4，保持叶顶侧面曲线高度C不变，通过调整叶顶侧面曲线构型参数，形成对应的通流面积的叶片构型，从而保证叶片的工作效率。当涡轮叶片高度要求不同时，如图4中(b)所示，高压涡轮级H1的叶片高度<高压本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种组合式叶片，其特征在于，包括叶片主体(1)和可更换的叶顶组件(2)，叶顶组件(2)与叶片主体(1)装配形成组合式叶片；所述叶顶组件(2)的叶顶侧面线条(3)为维多辛斯基曲线，公式如下：其中，y表示叶顶组件截面的侧面线条对应的宽度值，ξ表示叶顶外延系数，x表示叶片高度方向上的位置坐标，w1表示叶顶向外延伸的长度，w2表示空心叶片的厚度，其中，叶顶外延系数ξ，公式如下：ξ＝(w1+w2)/w2。2.根据权利要求1所述组合式叶片，其特征在于，所述叶顶组件(2)设有被动抑制结构。3.根据权利要求2所述组合式叶片，其特征在于，所述被动抑制结构为叶顶引气被动控制泄漏流结构。4.根据权利要求3所述组合式叶片，其特征在于，所述叶顶引气被动控制泄漏流结构包括设于叶顶组件(2)顶部内的空腔(4)、连通空腔的引气口(5)以及覆盖空腔的...

【专利技术属性】
技术研发人员：宣益民，王天壹，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：