[发明专利]具有吹扫槽的凹凸式表面涡轮级及涡轮叶片

说明书

技术领域

本公开大体涉及燃气涡轮发动机、任何涡轮机，并且更具体而言，涉及其中的涡轮。

背景技术

在燃气涡轮发动机中，空气在压缩机中被加压，并且在燃烧器中与燃料混合，以产生热的燃烧气体。涡轮级从燃烧气体中抽取能量，以对压缩机提供功率，同时还在涡轮风扇航空器发动机应用中对上游风扇提供功率，或者对航海和工业应用的外部传动轴提供功率。

高压涡轮(HPT)紧接着燃烧器，并且包括固定的涡轮喷嘴，涡轮喷嘴将燃烧气体排到从支承转子盘沿径向向外延伸的一排旋转的第一级涡轮转子叶片中。HPT可包括一级或多级转子叶片和对应的涡轮喷嘴。

在HPT后面的是低压涡轮(LPT)，低压涡轮典型地包括多级转子叶片和对应的涡轮喷嘴。

各个涡轮喷嘴包括一排定子导叶，该排定子导叶具有呈支承导叶的弓形带的形式的径向外端壁和内端壁。对应地，涡轮转子叶片包括整体地连结到径向内端壁或平台上的翼型件，该径向内端壁或平台又由对应的鸠尾支承，鸠尾允许单独的叶片安装在形成于支承转子盘的周缘中的鸠尾槽口中。环形护罩在各个涡轮级中包围转子翼型件的径向外部末端。

定子导叶和转子叶片具有包括大体凹形压力侧和大体凸形吸力侧的对应的翼型件，大体凹形压力侧和大体凸形吸力侧在相对的前缘和后缘之间沿轴向一致地延伸。相邻导叶和相邻叶片在它们之间形成由径向内端壁和外端壁界定的对应的流道。

在运行期间，燃烧气体从燃烧器中排出，并且作为核心流沿轴向向下游流过限定在定子导叶和转子叶片之间的相应的流道。另外，来自存在于翼型件前缘的上游的吹扫腔的吹扫空气作为吹扫流排出，吹扫流防止在主气体路径下方吸入热的核心流，并且潜在地对平台和翼型件提供冷却作用。导叶和叶片的空气动力学外形以及它们之间的对应的流道精确地构造成最大程度地提高从燃烧气体中抽取能量，燃烧气体又使转子旋转，叶片从转子延伸。

将导叶和叶片翼型件的复杂的三维(3D)构造定制成最大程度地提高运行效率，并且该构造在沿着翼型件在翼展上沿径向改变以及在前缘和后缘之间沿着翼型件的弦沿轴向改变。因此，燃烧气体和吹扫空气在翼型件表面上以及在对应的流道内的速度和压力分布也改变。

燃烧气体流路径中的不合需要的压力损失因此对应于涡轮空气动力性和整体涡轮效率的不合需要的降低。例如，燃烧气体在导叶和叶片之间的流道中进入对应的成排的导叶和叶片，并且必然在翼型件的相应的前缘处分流。另外，吹扫空气流和核心流的混合可导致涡轮效率低下。

入射燃烧气体的停滞点的轨迹沿着各个翼型件的前缘延伸，并且对应的边界层沿着各个翼型件的压力侧和吸力侧以及沿着各个径向外端壁和内端壁形成，压力侧和吸力侧以及径向外端壁和内端壁共同界定各个流道的四侧。在边界层中，燃烧气体的局部速度沿着端壁和翼型件表面从零变成燃烧气体的不受约束的速度，在不受约束的速度下，边界层终止。

可能由于多种原因而发生涡轮损失，例如，二次流、冲击损失机制和混合损失。涡轮压力损失的一个普遍原因在于，随着燃烧气体在翼型件前缘周围移动时分流而产生的马蹄形旋涡的形成。总压力梯度在翼型件的前缘和端壁的汇合部处的边界层流中受到影响。翼型件前缘处的这个压力梯度形成一对反向旋转的马蹄形旋涡，旋涡在各个翼型件的相对的侧在端壁附近向下游移动。两个旋涡沿着各个翼型件的相对的压力侧和吸力侧向后移动，并且由于沿着压力侧和吸力侧的压差和速度分布而有不同的表现。例如，计算分析表明，吸力侧旋涡朝向翼型件后缘而转移远离端壁，并且然后在翼型件后缘之后与向后流到翼型件后缘的压力侧旋涡相互作用。

压力侧和吸力侧旋涡的相互作用在翼型件的翼展中部区域附近出现，并且产生总的压力损失和涡轮效率的对应的降低。这些旋涡也会产生湍流，而且使对端壁的不合需要的加热增加。

由于马蹄形旋涡形成于涡轮转子叶片和它们的整体根部平台的汇合部处，以及形成于喷嘴定子导叶和它们的外部带和内部带的汇合部处，所以使涡轮效率产生对应的损失，以及额外地加热对应的端壁构件。

类似地，在叶片的压力侧和吸力侧之间的跨越通道的压力梯度会引起二次流结构和旋涡，二次流结构和旋涡会改变叶片的期望的空气动力性，从而引起涡轮效率损失，以及可能加热端壁以及甚至叶片。

在涡轮叶片的前缘处，并且更具体而言，在前缘和前缘吹扫腔的汇合部处，二次流结构和来自前缘吹扫腔的吹扫流的混合会引起混合损失。另外，二次流结构导致吹扫流与主核心流混合，从而引起在平台远处的吹扫流的轨迹。这些二次流结构在涡轮叶片连结叶片端壁结构所处的区域中引起高热集中。