耦合非轴对称端壁结构的变几何涡轮导叶组件及造型方法技术

本发明专利技术公开了一种耦合非轴对称端壁结构的变几何涡轮导叶组件和造型方法，变几何涡轮导叶组件包括：轮毂；机匣，与轮毂共同围设成一个环形流道；多个转轴，在周向上等间距的设置在环形流道内，转轴沿环形流道的径向方向延伸；以及多个导叶，分别可转动的设置在转轴上，导叶的上端与机匣之间、导叶的下端与轮毂之间存在有间隙；轮毂的外侧面上与导叶相对的区域和/或机匣的内侧面上与导叶相对的区域设置有连续的凹凸结构，凹凸结构的最大凸起高度低于间隙的高度，最大凹陷高度低于所在构件的壁厚。导叶两侧表面压力差的降低可以降低导叶上下端壁处的泄漏流损失；还可以降低通道涡强度，降低流道二次流损失，提高变几何涡轮的效率。率。率。

【技术实现步骤摘要】
耦合非轴对称端壁结构的变几何涡轮导叶组件及造型方法


[0001]本专利技术涉及航空发动机/燃气轮机变几何涡轮
，尤其涉及一种耦合非轴对称端壁结构的变几何涡轮导叶组件及造型方法。

技术介绍

[0002]未来战争的特点和发展趋势，要求下一代战机要能根据实际作战任务，分别能够执行亚音和超音飞行任务。作为战斗机的动力装置，这就要求其发动机兼具高单位推力和低油耗的双重要求，变循环发动机(Variable Cycle Engine,VCE)的概念应运而生。变循环发动机涡轮在变循环发动机中起着调整流量、控制推力、调节发动机工作点的重要作用，是变循环发动机必不可少的重要部件。变循环发动机要求其涡轮部件能够在发动机工作过程中提高调节流量的变化进而改变涡轮功，这就意味着发动机核心段的流道几何形状和尺寸就要进行调节，以实现涡轮流量的变化。
[0003]为了获得传统定几何涡轮所不具备的调整流量、控制推力、调节发动机工作点的能力，变几何涡轮必须实现喉道面积可调。对于基于导叶安装角可调的变几何涡轮来说，喉道面积可调节通过导叶安装角改变(导叶旋转)来实现的，这就要求在涡轮导叶上下两端安装转轴同时在导叶上下端壁处预留的间隙，但这样的结构会使得变几何涡轮导叶上下间隙处产生复杂的泄漏流，并产生额外的泄漏流损失；同时该泄漏流会很大程度恶化涡轮端区流场环境，增加额外的端区二次流损失。为了推进变几何涡轮技术进一步的应用，以期改善发动机变工况性能，一定不能使得变几何获得的循环收益被其造成的涡轮效率降低太多为抵消，并且要确保设计点效率近似不变。众所周知，涡轮导叶端区二次流损失及端区泄漏流损失是涡轮总损失的主要组成部分，因此有效的控制变几何涡轮由于结构改型带来的额外损失是变几何涡轮设计成功与否的关键。
[0004]流动控制技术在近年来得到广泛的重视和发展。所谓流动控制是指以较小的流动修正或损失为代价来获得较大的主流流动收益，甚至改变主流的流动状态，达到组织流场、提高涡轮性能的目的。流动控制可以分为被动流动控制和主动流动控制。出于安全性和易用性的量，人们一直将涡轮流动控制的研究重点集中在被动控制方法上。针对涡轮端区的泄漏流损失和二次流损失的调控，众多学者提出了非轴对称端壁、前缘修型、翼刀、叶片弯曲等众多优秀被动控制技术，但目前的研究的控制对象均为传统定几何涡轮，针对目前发展潜力巨大的变几何涡轮，相关的端区流动损失的调控策略研究却基本为空白。
[0005]本专利技术公开了一种基于非轴对称端壁设计的变几何涡轮导叶构型，该构型不仅能够有效降低导叶吸力面与压力面的压力差，从而抑制端区处通道涡的强度进而减小端区二次流损失，而且可以满足基于导叶安装角可调的变几何涡轮导叶旋转的需求，更进一步的满足不同导叶开度下该控制手段均能提升流动特性的需求。

技术实现思路

[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于非轴对称端壁设计的变几何涡轮导
叶构型，该构型不仅能够有效降低导叶吸力面与压力面的压力差，从而抑制端区处通道涡的强度进而减小端区二次流损失，而且可以满足基于导叶安装角可调的变几何涡轮导叶旋转的需求，更进一步的满足不同导叶开度下该控制手段均能提升流动特性的需求。
[0007]根据本专利技术一个方面的实施例提供一种耦合非轴对称端壁结构的变几何涡轮导叶组件，包括：
[0008]轮毂；
[0009]机匣，与所述轮毂共同围设成一个环形流道；
[0010]多个转轴，在周向上等间距的设置在所述环形流道内，所述转轴沿所述环形流道的径向方向延伸；以及
[0011]多个导叶，分别可转动的设置在所述转轴上，所述导叶的上端与所述机匣之间、所述导叶的下端与所述轮毂之间存在有间隙；
[0012]其中，所述轮毂的外侧面上与所述导叶相对的区域和/或所述机匣的内侧面上与所述导叶相对的区域设置有连续的凹凸结构，所述凹凸结构的最大凸起高度低于所述间隙的高度，所述凹凸结构的最大凹陷高度低于所在构件的壁厚。
[0013]根据本专利技术的一些实施例，所述间隙的高度与所述导叶沿所述转轴轴线方向的高度之比为4.5％。
[0014]根据本专利技术的一些实施例，所述转轴设置在距离所述导叶的前缘点20％轴向弦长处，所述转轴的圆心位于所述导叶的中弧线上。
[0015]根据本专利技术的一些实施例，所述转轴的直径与所述导叶沿所述转轴轴线方向的高度之比为4％。
[0016]根据本专利技术的一些实施例，相邻的两个所述导叶之间形成一个导叶流道，所述导叶流道与轮毂接触的部分为第一非轴对称端壁造型面A1，所述导叶的下端面在旋转时与所述轮毂接触的部分为第二非轴对称端壁造型面B1，所述导叶流道与所述机匣触的部分为第三非轴对称端壁造型面A2，所述导叶的下端面在旋转时与所述机匣接触的部分为第四非轴对称端壁造型面B2，其中，所述第一非轴对称端壁造型面A1和所述第三非轴对称端壁造型面A2的起始位置设置于所述导叶前缘点之前0％
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30％轴向弦长处，所述第二非轴对称端壁造型面B1和第四非轴对称端壁造型面B2的结束为止设置于所述导叶的尾缘点之后0％
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30％轴向弦长处。
[0017]根据本专利技术的一些实施例，所述变几何涡轮导叶组件的工作介质是空气、氮气、氧气、二氧化碳、天然气、氨气、氟利昂或水蒸气。
[0018]根据本专利技术的一些实施例，变几何涡轮的类型包括向心式、混流式、单级或多级结构。
[0019]根据本专利技术另一个方面的实施例还提供一种耦合非轴对称端壁结构的变几何涡轮导叶组件的造型方法，用于造型如前述的变几何涡轮导叶组件，包括步骤：
[0020]获取原始变几何涡轮的原始参数信息，对所述原始参数信息进行流体动力学计算得到原始气动性能；
[0021]在所述原始变几何涡轮的基础上引入非轴对称端壁构型；
[0022]调整非轴对称端壁结构的参数；
[0023]耦合非轴对称端壁的变几何涡轮；
[0024]对耦合后的变几何涡轮进行流体动力学计算得到造型后变几何涡轮的气动性能；
[0025]将导叶在安装角预设范围内旋转，判断造型后变几何涡轮在不同导叶开度情况下的气动性能是否均高于所述原始气动性能，若是，则输入作为改型后的变几何涡轮，若否，则返回操作调整非轴对称端壁结构的参数。
[0026]根据本专利技术的一些实施例，在所述原始变几何涡轮的基础上引入非轴对称端壁构型包括：采用包括点位移法、中弧线旋转法、对称和非对称函数积叠法、对称和非对称函数积叠法和三阶傅利叶函数法中任一种方法分别对原始变几何涡轮的导叶组件的非轴对称端壁进行构造。
[0027]根据本专利技术的一些实施例，所述导叶的安装角减小为负，所述导叶的安装角增大为负，所述导叶的转动范围包括
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α1～α2，其中，α1、α2的具体数值通过变循环发动机的推力变化范围反向推算获得。
[0028]本专利技术实施例的耦合非轴对称端壁结构的变几何涡轮导叶组件，通过改变现有变几何涡轮端壁轴对称的几何结构，使之以具有局部凹凸结构的非本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耦合非轴对称端壁结构的变几何涡轮导叶组件，其特征在于，包括：轮毂；机匣，与所述轮毂共同围设成一个环形流道；多个转轴，在周向上等间距的设置在所述环形流道内，所述转轴沿所述环形流道的径向方向延伸；以及多个导叶，分别可转动的设置在所述转轴上，所述导叶的上端与所述机匣之间、所述导叶的下端与所述轮毂之间存在有间隙；其中，所述轮毂的外侧面上与所述导叶相对的区域和/或所述机匣的内侧面上与所述导叶相对的区域设置有连续的凹凸结构，所述凹凸结构的最大凸起高度低于所述间隙的高度，所述凹凸结构的最大凹陷高度低于所在构件的壁厚。2.根据权利要求1所述的变几何涡轮导叶组件，其特征在于，所述间隙的高度与所述导叶沿所述转轴轴线方向的高度之比为4.5％。3.根据权利要求1所述的变几何涡轮导叶组件，其特征在于，所述转轴设置在距离所述导叶的前缘点20％轴向弦长处，所述转轴的圆心位于所述导叶的中弧线上。4.根据权利要求1所述的变几何涡轮导叶组件，其特征在于，所述转轴的直径与所述导叶沿所述转轴轴线方向的高度之比为4％。5.根据权利要求1所述的变几何涡轮导叶组件，其特征在于，相邻的两个所述导叶之间形成一个导叶流道，所述导叶流道与轮毂接触的部分为第一非轴对称端壁造型面A1，所述导叶的下端面在旋转时与所述轮毂接触的部分为第二非轴对称端壁造型面B1，所述导叶流道与所述机匣触的部分为第三非轴对称端壁造型面A2，所述导叶的下端面在旋转时与所述机匣接触的部分为第四非轴对称端壁造型面B2，其中，所述第一非轴对称端壁造型面A1和所述第三非轴对称端壁造型面A2的起始位置设置于所述导叶前缘点之前0％
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30％轴向弦长处，所述第二非轴对称端壁造型面B1和第四非轴对称端壁...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴艳辉，史旭阳，薛亚鹏，李紫良，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：