导叶缘板、导叶、涡轮导向器及导叶缘板的设计方法与流程

1.本发明涉及航空发动机领域，尤其涉及一种导叶缘板、导叶、涡轮导向器及导叶缘板的设计方法。


背景技术：

2.高压涡轮是航空发动机的关键部件，典型工作环境具有高温、高压、高转速等特点，其性能直接决定着发动机的推力、耗油率水平和工作可靠性。高压涡轮一级导向器位于燃烧室出口，直接承受远高于材料能力的高温燃气，需要采用复杂冷却设计提高使用寿命，以及精细化设计提高气动性能。
3.一级导向器由多个导叶通过销钉装配在内支撑形成整环结构。导叶包含内缘板、外缘板、导叶叶片等，通常采用单联铸造，通过焊接缘板形成双联结构。考虑工作状态出现的热膨胀，相邻导叶组件的缘板之间设计一定宽度的缝槽，并通过引自压气机的冷气进行封严。当前工程普遍采用的缘板设计是保证同一轴向位置各组件缘板径向高度完全相同，理想情况内缘板在周向上不存在径向台阶差，使燃气经过缝槽时光顺过渡，从而使气动损失最小。
4.然而，由于加工及装配偏差不可避免地存在，相邻导叶缘板会形成径向台阶差。台阶差高度及位置取决于缘板加工偏差、缘板之间装配偏差以及导叶组件安装在内支撑的装配偏差，这些偏差相互叠加，使台阶差高度及位置存在不确定性。
5.如果相对于燃气流动方向为顺台阶，燃气流经缘板之间的缝槽后仍可保持流动通畅；如果相对于燃气流动方向为逆台阶，燃气直接冲击在缘板侧面，则会增大气动损失、降低涡轮效率，且在高温燃气的冲击作用下，缘板边缘局部换热增大导致更易烧蚀，从而降低导向器的工作可靠性及使用寿命。
6.亟需提供一种导叶缘板，以减少由于燃气流路的“逆台阶”而导致的气动损失以及涡轮效率的降低。


技术实现要素：

7.本发明的一个目的在于提供一种导叶缘板，能够减少气动损失以及涡轮效率的降低。
8.本发明的另一目的在于提供一种导叶，包括前述导叶缘板。
9.本发明的又一目的在于提供一种涡轮导向器，包括前述导叶。
10.本发明的再一目的在于提供一种导叶缘板的设计方法，用于设计能够减少气动损失以及涡轮效率的降低的导叶缘板。
11.为实现前述一个目的的导叶缘板，用于导向叶片，具有流道面，气流在所述流道面上方流动，所述流道面的边界在一个方向上由所述缘板中靠近导向叶片尾缘的顶边以及靠近导向叶片前缘的底边限定，在另一方向上由所述缘板中靠近导向叶片叶背侧的第一侧边以及靠近导向叶片叶盆侧的第二侧边限定；
12.所述第一侧边上设置有第一引导部，所述第一引导部自所述顶边朝向所述底边延伸；所述第二侧边上设置有第二引导部，所述第二引导部自所述底边朝向所述顶边延伸，气流可由所述第一引导部和/或所述第二引导部导向；
13.其中，将所述第一侧边与所述第二侧边中的一方朝向另一方所在面正投影时，所述第一引导部与所述第二引导部具有相重叠一段，所述相重叠一段由所述第一引导部中的第一过渡段与所述第二引导部中的第二过渡段重叠而成，所述相重叠一段具有与不同工况下流道面上方气流极限流线流动路径所覆盖区域相匹配的长度。
14.在一个或多个实施方式中，所述第一引导部为开设于所述第一侧边的圆角或倒角，所述第二引导部为开设于所述第二侧边的圆角或倒角。
15.在一个或多个实施方式中，所述第一引导部以及所述第二引导部为倒角，在非所述第一过渡段或所述第二过渡段的区域，所述倒角与所述流道面之间的夹角为30
°
至45
°
。
16.在一个或多个实施方式中，在所述第一过渡段中，所述倒角与所述流道面之间的夹角自所述顶边至所底边述逐渐减小至0
°
；
17.在所述第二过渡段中，所述倒角与所述流道面之间的夹角自所述底边至所述顶边逐渐减小至0
°
。
18.在一个或多个实施方式中，所述第一侧边、所述第二侧边分别为自所述叶背侧朝向所述叶盆侧倾斜的斜边，且所述第一侧边以及所述第二侧边具有相同的倾斜角度。
19.为实现前述另一目的的导叶，包括叶身以及设置于所述叶身顶部以及底部的外缘板以及内缘板，其特征在于，所述外缘板和/或所述内缘板为如前所述的导叶缘板。
20.为实现前述又一目的的涡轮导向器，包括内支撑以及装配在内支撑上的多个导叶，所述多个导叶在装配状态下呈整环结构，其特征在于，所述导叶为如前所述的导叶。
21.在一个或多个实施方式中，相邻两导叶缘板之间具有缝槽，所述缝槽具有中心线，发动机长期运行工况内缘板上的极限流线与所述中心线具有相切点；
22.其中，所述第一过渡段以及所述第二过渡段以所述相切点呈中心对称。
23.为实现前述再一目的的导叶缘板的设计方法，用于设计涡轮导向器导向叶片中的导叶缘板，所述导叶缘板具有流道面，气流在所述流道面上方流动，所述流道面的边界在一个方向上由所述缘板中靠近导向叶片前缘的顶边以及靠近导向叶片前缘尾缘的底边限定，在另一方向上由所述缘板中靠近导向叶片叶背侧的第一侧边以及靠近导向叶片叶盆侧的第二侧边限定，在涡轮导向器中，相邻两导叶缘板之间具有缝槽，所述缝槽具有中心线；
24.所述设计方法包括：
25.获得典型工况内缘板流道面上方的气流流动路径；
26.确定发动机长期运行的工况，并获得该长期运行工况下的缘板极限流线与所述中心线相切的第一切点；
27.获得其他典型工况下的缘板极限流线与所述中心线相切的多个第二切点；
28.为第一侧边添加第一引导部，以及为第二侧边添加第二引导部，所述第一侧边与所述第二侧边中的一方朝向另一方所在面正投影时，所述第一引导部与所述第二引导部具有相重叠一段；
29.以所述第一切点为中心，根据所述第二切点的覆盖范围设定所述相重叠一段的长度。
30.在一个或多个实施方式中，所述第一引导部以及所述第二引导部为倒角，所述设计方法还包括：为所述倒角设计倒角宽度和深度。
31.本发明的进步效果包括以下之一或组合：
32.1)通过设置第一引导部以及第二引导部，同时第一引导部以及第二引导部相重叠部分的长度与不同工况下流道面上方气流流动路径所覆盖区域相匹配，从而保证了在不同工况下的气流自上游位置缘板边界流动至下游位置缘板边界时，均能够受到第一引导部和/或第二引导部的导流，减少了因逆台阶而导致的气动损失，避免下游缘板直接受到燃气冲击。
33.2)通过设置第一引导部以及第二引导部，使得下游缘板边缘更为光顺避免了局部换热增强，从而提高导向器的工作可靠性及使用寿命。
附图说明
34.本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
35.图1示出了理想状态下相邻两导叶缘板之间相对位置关系的示意图；
36.图2示出了另一状态下相邻导叶缘板之间相对位置关系的示意图；
37.图3示出了又一状态下相邻导叶缘板之间相对位置关系的示意图；
38.图4示出了本导叶缘板一个实施方式下的示意图；
39.图5示出了相邻两导叶缘板之间一个实施方式下的示意图；
40.图6示出了倒角结构一个实施方式下的示意图；
41.图7示出了导叶一个实施方式下的示意图；
42.图8为图5中的局部放大示意图。
具体实施方式
43.下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本技术的保护范围进行限制。例如在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一和第二特征之间可以不直接联系。另外，这些公开内容中可能会在不同的例子中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一和第二元件间接地相连或彼此结合。
44.需要注意的是，在使用到的情况下，如下描述中的上、下、左、右、前、后、顶、底、正、反、顺时针和逆时针仅仅是出于方便的目的所使用的，而并不暗示任何具体的固定方向。事实上，它们被用于反映对象的各个部分之间的相对位置和/或方向。
45.需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。此外，不同实施
方式下的变换方式可以进行适当组合。
46.图1示出了理想状态下，相邻两导叶缘板1a之间相对位置关系的示意图。在此状态下，导叶缘板1a在周向上不存在径向台阶差，气流2a在自上游侧的导叶缘板1a流动至下游侧的导叶缘板1a时光顺过渡，不会与下游侧导叶缘板1a的端面发生干涉，气动损失小。
47.然而，由于加工及装配偏差不可避免地存在，相邻导叶缘板会形成径向台阶差。如图2示出了另一状态下相邻导叶缘板之间相对位置关系的示意图，相邻导叶缘板1b在周向上存在径向台阶差，其中位于气流2b下游侧的导叶缘板1b的径向高度是低于位于上游侧导叶缘板1b的径向高度，此时相邻两导叶缘板1b之间形成“顺台阶”的相对位置关系。气流2b在自上游侧的导叶缘板1b流动至下游侧的导叶缘板1b时仍可保持光顺流动，也不会与下游侧导叶缘板1b的端面发生干涉，气动损失小。
48.但如背景技术中所述，台阶差高度及位置存在不确定性。如图3示出了又一状态下相邻导叶缘板之间相对位置关系的示意图，相邻导叶缘板1c在周向上存在径向台阶差，其中位于气流2c下游侧的导叶缘板1c的径向高度是高于位于上游侧导叶缘板1c的径向高度，此时相邻两导叶缘板1c之间形成“逆台阶”的相对位置关系。气流2c在自上游侧的导叶缘板1c流动至下游侧的导叶缘板1c时，将会与下游侧导叶缘板1c的端面11c发生干涉。气流2c冲击于缘板端面11c，会增大气动损失、降低涡轮效率，且在高温燃气的冲击作用下，缘板边缘局部换热增强导致更易烧蚀，从而降低导向器的工作可靠性及使用寿命。
49.为减少现有导叶缘板中因前述“逆台阶”位置而导致的气动损失现象，本发明的一个方面提供了一种导叶缘板。如图4示出了本导叶缘板一个实施方式下的示意图。其中，导叶缘板1具有流道面10，气流在流道面上方流动。可以理解的是，导叶缘板1是用于导向叶片中，图4中不仅示出了导叶缘板1的结构，同时也示出了导向叶片中叶身3与导叶缘板1的位置关系。下述以导向叶片中特征的方向来描述导叶缘板1中特征的位置关系。导向叶片在一个方向上具有前缘32以及尾缘31，在另一个方向上具有叶盆侧33以及叶背侧34。流道面10的边界是如图中所示，在一个方向上由缘板中靠近导向叶片尾缘31的顶边12以及靠近导向叶片前缘32的底边13限定，在另一方向上由缘板中靠近导向叶片叶背侧34的第一侧边14以及靠近导向叶片叶盆侧33的第二侧边15限定。其中，根据图示以及前述描述可以理解的是，前述的一个方向是指自前缘32至尾缘31或反之的方向，前述的另一方向是指自叶盆侧33至叶背侧34或反之的方向。
50.需要说明的是，文中所指的顶边、底边仅用于反映缘板中各个边的相对位置关系，并不指代特殊的顶部或底部含义。同时，本文中所指代的“边”可以是具有一定厚度的结构。
51.在第一侧边14上设置有第一引导部141，第一引导部141自顶边12朝向底边13延伸。第二侧边15上设置有第二引导部151，第二引导部151自底边13朝向顶边12延伸。其中气流可由第一引导部141和/或第二引导部151导向，从而在自流动方向上上游的缘板流动至下游的缘板时，能够由第一引导部141和/或第二引导部151导向而减少因“逆台阶”而导致的气动损失现象。
52.其中，将第一侧边14与第二侧边15一方朝向另一方所在面正投影时第一引导部141与第二引导部151之间具有相互重叠的一段。为进一步体现上述特征，如图5示出了相邻两导叶缘板之间一个实施方式下的示意图，在图5中更容易示出，在前述正投影情形下，第一引导部141与第二引导部151之间具有相互重叠的一段100，该相互重叠的一段是由第一
引导部141中的第一过渡段142以及第二引导部151中的第二过渡段152重叠而成。
53.由于在导向叶片处于工况下时，在导向叶片的前缘32处，气流10自导向叶片的叶盆侧33流动至叶背侧34，在导向叶片的尾缘31处，气流10自导向叶片的叶背侧34流动至叶盆侧33。因而如图5中所示意性示出的两股气流10的流动路径，气流10在靠近导向叶片的前缘32处的区域，将会自如图中所示左侧的导叶缘板1流动至右侧的导叶缘板1，此时图中左侧的导叶缘板1处于气流10流路的上游位置，而右侧的导叶缘板1处于气流10流路的下游位置。气流10在靠近导向叶片的尾缘31处的区域，将会自如图中所示右侧的导叶缘板1流动至左侧的导叶缘板1，此时图中左侧的导叶缘板1则处于气流10流路的下游位置，而右侧的导叶缘板1处于气流10流路的上游位置。设置第一引导部141以及第二引导部151，以允许气流10无论在靠近导向叶片的前缘32处或靠近导向叶片的尾缘31处进行流动时，均能由第一引导部141或第二引导部151进行导流，减少逆台阶效应。
54.由于在不同工况下，气流10的流路将会发生变化，如气流10中的极限流线可能在一个工况中在叶片的前缘32处自叶盆侧33流动至叶背侧34时，并不会流经相邻缘板，而是在第一过渡段142处折返，或是仅流经至相邻缘板的第二过渡段152位置即折返，通过设置第一过渡段142以及第二过渡段152，能够保证在不同工况下，气流流经导叶缘板1边界时均能够受到第一引导部141或第二引导部151的引导，减少逆台阶效应。其中，第一过渡段142以及第二过渡段152分别具有与不同工况下流道面上方气流极限流线流动路径所覆盖区域相匹配的长度，亦即重叠一段具有如图所示的长度l，该长度l匹配不同工况下流道面上方气流极限流线流动路径所覆盖区域，实现对不同工况下气流的有效引导，进一步减少逆台阶效应。可以理解的是，为匹配加工第一引导部141以及第二引导部151所产生的加工公差，可以为长度l添加一定的余量。
55.其中，极限流线是指，气流在流道面上流动时最靠近缘板边缘的流路。
56.虽然本导叶缘板的一个实施例如上所述，但是在本导叶缘板的其他实施例中，本导叶缘板相对于上述实施例在许多方面都可以具有更多的细节，并且这些细节的至少一部分可以具有多样的变化。下面以一些实施例对这细节和些变化中的至少一部分进行说明。
57.在导叶缘板的一个实施方式中，第一引导部141为开设在第一侧边14上的圆角或倒角，第二引导部151为开设在第二侧边15上的圆角或倒角。通过开设在侧边的倒角或圆角结构，能够降低位于下游侧导叶缘板在边缘处的径向高度，从而主动制造如前所述的“顺台阶”结构，进而降低气动损失。在导叶缘板的其他实施方式，第一引导部141和/或第二引导部151的结构可以有许多合适的变形或变化，但不以此为限，如第一引导部141和/或第二引导部151可以是一侧开放，另一侧呈内凹的弧形结构。在一个实施方式中，倒角/圆角结构是通过缘板铸造成型后，通过机加处理形成。
58.在导叶缘板的一个实施方式中，第一引导部141以及第二引导部151为倒角结构，如图6示出了该倒角结构一个实施方式下的示意图，可以理解的是，如图6中的倒角结构示意性示出第二引导部151的结构，第一引导部141的结构可以与第二引导部151相同，在此不多赘述。其中，在第一引导部141以及第二引导部151中除去第一过渡段142以及第二过渡段152部分后的区域，倒角与流道面10之间的夹角x为30
°
至45
°
。从而保证气流10在倒角结构处能够如图6中所示光顺过渡，减少甚至消除了与下游位置导叶缘板1端面之间的碰撞，从而降低了气动损失。可以理解的是，若夹角x过小，则会导致一部分气流仍与导叶缘板1端面
之间发生碰撞而造成气动损失；若夹角x过大，则会导致气流与倒角部分之间发生干涉碰撞，同样也会造成不必要的气动损失。经多次试验后得到，优选地，倒角与流道面10之间的夹角x为30
°
至45
°
。
59.在导叶缘板的一个实施方式中，在第一过渡段142中，倒角与流道面10之间的夹角x自顶边12至底边13逐渐减小至0
°
在第二过渡段152中，倒角与流道面10之间的夹角x自底边13至顶边12逐渐减小至0
°
，进而保证了流路10在相邻两缘板之间的流动路径能够保持“顺台阶”。
60.在导叶缘板的一个实施方式中，第一侧边14以及第二侧边15分别为如图中所示，自叶背侧34朝向叶盆侧33倾斜的斜边，且第一侧边14以及第二侧边15具有相同的倾斜角度，以保证装配后缘板之间能够相互配合。在其他一些与图示不同的实施方式中，第一侧边14以及第二侧边15具有其他合适的变形或变化，但不以此为限。如在一个实施方式中，第一侧边14与第二侧边15的均为与顶边12垂直的直角边。
61.如前述一个或多个实施方式中的导叶缘板可以应用于如图7中所示的导叶中，导叶4包括叶身40以及设置于叶身40顶部以及底部的外缘板41以及内缘板42，外缘板41在一些文献中叶被称为叶冠。其中，外缘板41和/或内缘板42为如前述一个或多个实施方式中的导叶缘板1。可以理解的是，图中所示的导叶中，外缘板41和内缘板42均为前述具有引导部的导叶缘板1，该导叶缘板1也可以仅应用作为导叶中的外缘板41或内缘板42。
62.进一步地，如图7所示的导叶结构可以是示意性示出了涡轮导向器的一个部分，涡轮导向器包括内支撑以及装配在内支撑上的多个导叶，多个导叶可以如图7所示沿内支撑的外周侧周向分布，从而在装配状态下呈整环结构。燃烧室出口气流方向为轴向，燃气经过导叶4膨胀加速并改变气流方向，之后以一定角度进入下游转子叶片膨胀做功输出功率。
63.图8为图5的局部放大示意图，请结合参见图5以及图8，在涡轮导向器的一个实施方式中，相邻两导叶缘板1之间具有缝槽18，缝槽18在图中以示意性的画法示出，在实际装配过程中，缝槽18的宽度实际很小，如在一些实施方式中，装配后一般有0.5mm左右宽的缝隙，但在发动机运行后膨胀，缝隙会变小。缝槽18具有中心线19，发动机长期运行工况内缘板上的极限流线110与中心线19之间具有相切点17，其中，第一过渡段142与第二过渡段152以相切点17为中心呈中心对称。同时由于在第一过渡段142中，倒角与流道面10之间的夹角x自顶边12至底边13逐渐减小至0
°
在第二过渡段152中，倒角与流道面10之间的夹角x自底边13至顶边12逐渐减小至0
°
。如此设置，使得气流从任意位置自相切点17朝向底边13一侧位置自第一过渡段142朝向第二过渡段152流动时，均为“顺台阶”，而自相切点17朝向顶边14一侧位置自第二过渡段152朝向第一过渡段142流动时，也均为“顺台阶”。从而保证了在发动机长期运行工况下，气流流经缝槽18处，均为“顺台阶”，以减少气动损失。
64.本发明的另一个方面还提供了一种导叶缘板的设计方法，用于设计涡轮导向器导向叶片中的导叶缘板。导叶缘板1如图4所示具有流道面10，气流在流道面上方流动。流道面10的边界是如图中所示，在一个方向上由缘板中靠近导向叶片尾缘31的顶边12以及靠近导向叶片前缘32的底边13限定，在另一方向上由缘板中靠近导向叶片叶背侧34的第一侧边14以及靠近导向叶片叶盆侧33的第二侧边15限定。当导叶缘板1位于涡轮导向器中的装配状态下，相邻两导叶缘板1之间具有缝槽18，缝槽18具有中心线19。
65.本设计方法包括：
66.获得典型工况内缘板流道面上方的气流流动路径，具体地，是通过全三维cfd计算获得缘板上气流的流动路径。
67.确定发动机长期运行的工况，并获得该长期运行工况下的缘板极限流线与所述中心线相切的第一切点，该第一切点可以是如图8中所示的相切点17。
68.随后，获得其他典型工况下的缘板极限流线与中心线相切的多个第二切点。
69.随后，为第一侧边14添加第一引导部141，以及为第二侧边15添加第二引导部151。将第一侧边14与第二侧边15一方朝向另一方所在面正投影时第一引导部141与第二引导部151之间具有相互重叠的一段。
70.随后，以第一切点即相切点17为中心，根据第二切点的覆盖范围设定该相重叠一段的长度l。相切点17为中心指的是，该相切点17为中心为该长度l的中间位置。可以理解的是，为匹配加工第一引导部141以及第二引导部151所产生的加工公差，可以为长度l添加一定的余量。
71.在一个实施方式中，第一引导部141以及第二引导部151为倒角，本设计方法还包括为倒角设计倒角宽度和深度。在一个实施方式中，可通过全三维cfd计算获得最佳设计的倒角宽度和深度。
72.本发明的进步效果包括以下之一或组合：
73.1)通过设置第一引导部以及第二引导部，同时第一引导部以及第二引导部相重叠部分的长度与不同工况下流道面上方气流流动路径所覆盖区域相匹配，从而保证了在不同工况下的气流自上游位置缘板边界流动至下游位置缘板边界时，均能够受到第一引导部和/或第二引导部的导流，减少了因逆台阶而导致的气动损失，避免下游缘板直接受到燃气冲击。
74.2)通过设置第一引导部以及第二引导部，使得下游缘板边缘更为光顺避免了局部换热增强，从而提高导向器的工作可靠性及使用寿命。
75.本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。