[发明专利]一种低压涡轮叶片结构及降低叶片损失的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于航空发动机的具有吸力面表面粗糙度的涡轮叶片，该种结构的叶片可有效地降低涡轮叶片的分离损失，提高航空发动机效率。

背景技术

当前大涵道比涡扇发动机由于其出色的耗油率及推力特性而被广泛地应用于民用航空。低压涡轮因级数较多，其重量可占整台发动机的20％～30％，降低低压涡轮重量是发动机减重的有效途径之一,同时也可提高发动机推重比、降低制造和运营维护成本。目前研究较多的减重方案是通过提高叶型的负荷来进行减重。高负荷叶片设计就是通过减小叶片稠度来提高单个叶片的气动负荷，从而在保持原有级载荷水平的基础上减小单级叶片数目。提高叶片载荷意味着涡轮叶型要经历比低载荷更大的逆压梯度，导致了附面层易于分离，叶型损失增加。另外，对于民用大涵道比涡扇发动机，其设计状态(巡航状态)下的低压涡轮始终处于低Re数工作状态，这进一步导致了低压涡轮叶片吸力面附面层的流动分离，从而大幅增加叶型损失，影响低压涡轮的气动效率。

对于低压涡轮，特别是末级叶片通常较长，展弦比较大(一般处于3:1—7:1)，在这在种情况下，叶片两端区的三维流动损失在总损失中占比较小，二维叶型损失则占比较高，而二维叶型损失主要由分离损失造成，因此如何降低吸力面附面层分离成为涡轮设计的焦点之一。本发明在原有涡轮叶片的基础上，通过在指定位置布置粗糙条带，可有效地抑制分离，提高涡轮效率。

传统的粗糙度被动控制方案通常是在某一区域布置一段固定高度的粗糙条带，该方法可以在低Re数下有效地降低分离损失，但在高Re数状态却会带来额外的损失使得控制效果下降，甚至直接导致控制方案的失败。本发明对原有的粗糙度被动控制方案进行了改进，目的是降低高Re状态下的额外损失，使分离控制更加精确、有效。

发明内容

针对现有技术的缺点和不足，本发明旨在提供一种低压涡轮叶片结构及降低叶片气动损失的方法，通过在低压涡轮叶片的适当区域布置高度变化的粗糙条带，不仅可以在低Re数下有效地降低分离损失，还可以有效地降低高Re数下的额外损失，使分离控制更加精确、有效，从而提高涡轮效率。

为解决其技术问题，根据本发明的一方面，提供了一种低压涡轮叶片结构，特别适用于降低航空发动机高负荷及超高负荷低压涡轮叶片叶型损失，所述低压涡轮叶片包括叶片前缘、叶片吸力侧、叶片压力侧和叶片尾缘，其特征在于，在所述叶片吸力侧的表面上设置粗糙带，根据叶高中部的二维叶型来确定所述粗糙带的起始、终止位置：

--以所述叶高中部二维叶型吸力侧表面的速度峰值点至叶片前缘1/2处作为基点,沿叶片展向向叶根及叶尖两侧延伸形成一条曲线，以该曲线作为所述粗糙带布置位置的起始点；

--以所述叶高中部二维叶型在吸力侧表面未设置粗糙带时的气流分离点作为基点,沿叶片展向向叶根及叶尖两侧延伸形成整个叶片的分离线，以该分离线作为所述粗糙带布置位置的终止点；

其中，所述叶高中部为40～60％的叶片展向位置。

本发明的低压涡轮叶片结构中，所述粗糙带上的粗糙高度为恒定粗糙高度或变粗糙高度。

本发明的低压涡轮叶片结构中，所述恒定粗糙高度按照如下方式进行设定：对布置粗糙带的区域内的光洁叶型下的附面层高度进行积分，选取该积分值的10％作为所述恒定粗糙高度。

本发明的低压涡轮叶片结构中，所述变粗糙高度按照如下方式进行设定：细化布置粗糙带的区域内的光洁叶型下的附面层，对光洁叶型下的附面层高度变化较大的区域进行分割，对细化后的区域的附面层高度进行积分，选取该积分值的10％作为该区域的粗糙高度。可根据不同叶片的附面层变化规律得出不同的划分方式。这种细化后的变粗糙高度布置方式效果较好的原因在于使每一部分的粗糙高度刚好起到扰动附面层的作用，在促进转捩的同时又不产生额外的阻力。

根据本发明的另一方面，还提供了一种降低涡轮叶片气动损失的方法，所述低压涡轮叶片包括叶片前缘、叶片吸力侧、叶片压力侧和叶片尾缘，其特征在于，在所述叶片吸力侧的表面上设置粗糙带，根据叶高中部的二维叶型来确定所述粗糙带的起始、终止位置：

--以所述叶高中部二维叶型吸力侧表面的速度峰值点至叶片前缘1/2处作为基点,沿叶片展向向叶根及叶尖两侧延伸形成一条曲线，以该曲线作为所述粗糙带布置位置的起始点；

--以所述叶高中部二维叶型在吸力侧表面未设置粗糙带时的气流分离点作为基点,沿叶片展向向叶根及叶尖两侧延伸形成整个叶片的分离线，以该分离线作为所述粗糙带布置位置的终止点；

其中，所述叶高中部为40～60％的叶片展向位置。