[实用新型]一种用于燃气涡轮发动机的涡轮叶片

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种用于燃气涡轮发动机的涡轮叶片，尤其是涉及对该涡轮叶片叶尖处的设计。

背景技术

燃气涡轮发动机的一个主要应用场合是用作航空发动机。通常，燃气涡轮发动机由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成。其中，来自压气机的高压空气与燃油在燃烧室内混合燃烧，所形成的高压燃气进入涡轮中，推动涡轮叶片做功。

涡轮通常包括转盘和从转盘延伸而出的多个涡轮叶片，机匣围绕着涡轮叶片。由于机械加工精度的限制，并且由于叶片和机匣间存在相对的运动，因此在涡轮叶片的叶尖与机匣之间不可避免地会有间隙。而该间隙的存在对发动机的性能主要存在如下影响。

首先，来自燃烧室的一部分高温燃气会从机匣和涡轮叶片之间的间隙流过，形成泄漏射流。而泄漏射流未对涡轮叶片做功，因而造成泄漏损失。此外，流过该间隙的射流与涡轮叶片的叶尖和机匣之间会产生摩擦，从而产生摩擦损失。泄漏的射流通过该间隙进入涡轮之后的流道中，与通过涡轮的主气流相互作用，在主气流中形成涡流。这样的涡流会对主气流造成涡流损失。以上的这些机理共同作用，造成发动机热效率的降低。根据实际测量，涡轮或压气机叶片的叶尖间隙与叶片高度之比每上升0.01，则发动机的涡轮或压气机的效率会降低0.8～1.2％。压气机和涡轮的效率降低会造成燃气涡轮发动机的耗油率上升。涡轮叶片的叶尖间隙与叶片高度之比每上升0.01，则发动机的耗油率会增加1.5％～2％。

其次，从燃烧室流入涡轮的是高温燃气。在涡轮叶片的叶尖与机匣之间的间隙泄漏而过的高温燃气会以高温状态流过叶尖，从而使得涡轮叶片的叶尖处承受过大的热负荷。因此，除了要采取措施减少叶尖处的泄漏射流之外，还需要强化叶尖处承受热负荷的能力，如在叶尖处设置冷却强化结构。

为了减少涡轮叶片的叶尖和机匣之间的泄漏射流，目前已知的措施有：增设扰流元件以增加泄漏流动的阻力、使用带冠叶片。对于强化叶尖处的冷却来说，通常采用在叶尖周围设置气膜冷却孔的措施。

目前，应用最为广泛的一种叶尖结构是边缘双肋结构，又称为凹槽叶尖结构。图1中示出了一种典型的边缘双肋叶尖结构。其中，涡轮叶片1包括压力侧壁2和吸力侧壁3。从图1所示的涡轮叶片1的叶尖部分可见，压力侧壁2和吸力侧壁3都向上延伸而超过顶板6，从而形成压力侧肋条4和吸力侧肋条5。在压力侧肋条4和吸力侧肋条5之间形成凹槽结构。可选地，在顶板6上还设置有气膜孔7，用于对叶尖处的高温燃气进行冷却。

通过该凹槽结构，可以显著降低涡轮叶片的叶尖处的泄漏。并且该凹槽结构还能够减小叶尖与机匣之间的接触面积，从而能够减少叶尖与机匣之间因相互碰擦而造成的损伤。

不过，图1所示的凹槽叶尖结构中的泄漏量依然较高，尤其是在叶尖的中部区域，其中的泄漏流量占到总的泄漏量的80％左右。因此，仍需要对已有的凹槽叶尖结构进行改进，以降低高温燃气的泄漏损失，进一步提高涡轮的工作效率。

实用新型内容

本实用新型是基于以上所述的现有技术中所存在的问题而做出的，其目的是提供一种改进的涡轮叶片叶尖结构，以提高涡轮的工作效率，并且减少涡轮叶片的叶尖处所发生的损坏。

本实用新型的上述目的通过一种用于燃气涡轮发动机的涡轮叶片来实现，该涡轮叶片包括压力侧壁和吸力侧壁，在涡轮叶片的叶尖处，在压力侧壁和吸力侧壁之间连接有叶片顶板，压力侧壁和吸力侧壁向上延伸到叶片顶板上方，形成压力侧肋条和吸力侧肋条，在压力侧肋条和吸力侧肋条之间限定出凹槽，其中，在凹槽中设置有至少一个中间肋条，中间肋条连接在压力侧肋条和吸力侧肋条之间，且与叶片顶板之间存在间隙，从而悬置于叶片顶板上方。

通过上述悬置的中间肋条，可约束凹槽中的高温燃气流过中间肋条和叶片顶板之间的间隙，从而形成收缩流。由此，对凹槽中的高温燃气起到了导流的作用，避免泄漏的气流越过吸力侧肋条而与主气流掺混，减少了泄漏流中的涡流与驻留中的涡流的相互作用。因此，本实用新型的结构可降低叶尖处的泄漏损失，提高叶片的轴功和级效率。并且，在形成收缩流的过程中，中间肋条对高温燃气有阻挡作用。换言之，流经叶尖的高温燃气可对中间肋条做功，由此可减少燃气动能的损失。

考虑到叶尖的中部区域中的高温燃气泄漏量占总的泄漏量较大的比重，因此较佳地是将中间肋条设置在凹槽的中部区域中。

较佳地，叶片顶板朝着叶尖的尾缘方向向下倾斜地延伸。由此可提高对高温燃气的导流性能，使高温燃气朝着叶尖的尾缘方向流动。