[发明专利]基于双峰函数控制间隙流动的机匣及叶顶凹槽设计方法

说明书

基于双峰函数控制间隙流动的机匣及叶顶凹槽设计方法，属于叶轮机械被动流动控制技术领域。本发明是为了解决现有叶顶间隙的设置形式，使得泄漏流动损失大的问题。它包括：在轴流式涡轮转子叶栅内，以有限定义域内双峰高斯函数曲线为叶片中弧线节距方向的型线，构建连续光顺的机匣内壁曲面；在平顶动叶顶部设置曲面凹槽，所述曲面凹槽的侧壁厚为1％叶高，曲面凹槽的最深处不超过4％叶高；曲面凹槽的底面轮廓与机匣内壁曲面的相应位置表面轮廓相同；再将曲面凹槽的侧壁上表面修整为与机匣内壁曲面相应位置表面轮廓相同的叶顶外边缘轮廓。本发明可以更好的控制叶片间隙的泄漏流动。

技术领域

本发明涉及基于双峰函数控制间隙流动的机匣及叶顶凹槽设计方法，属于叶轮机械被动流动控制技术领域。

背景技术

涡轮叶顶间隙泄漏流动不仅使得叶顶附近载荷降低，并且增加流动损失。研究表明，叶顶间隙流动区域内二次流损失只占10％，壁面附面层损失占3％，间隙引起的损失则高达87％。因此，研究叶顶间隙泄漏流动机理，改进叶顶及机匣结构，对改善叶顶区域流动状况、降低流动损失十分重要。

目前，针对通道涡的流动控制方法主要分为主动流动控制和被动流动控制两种。其中，主动流动控制方法通常引入外加能量源，如射流漩涡发生器以及等离子体激励器，这种方法虽然能够在不同工况下进行调节，但实现结构复杂，成本较高；而被动流动控制方法主要通过改变几何结构实现对流场的调整，如翼刀，凹槽等，这种方法的实现结构简单，成本较低，但受制于有限工况。针对带有叶顶间隙的复杂环境，采用结构简单的被动控制方式更符合实际需求。

发明内容

本发明目的是为了解决现有叶顶间隙的设置形式，使得泄漏流动损失大的的问题，提供了一种基于双峰函数控制间隙流动的机匣及叶顶凹槽设计方法。

本发明所述基于双峰函数控制间隙流动的机匣及叶顶凹槽设计方法，它包括：

在轴流式涡轮转子叶栅内，以有限定义域内双峰高斯函数曲线为叶片中弧线节距方向的型线，构建连续光顺的机匣内壁曲面；

所述双峰高斯函数曲线表达式为：

其中x为机匣的轴向位置点，y为机匣的径向位置点，n₁为第一峰峰高系数，n₂为第一峰峰高位置系数，n₃为第一峰峰宽系数，n₄为第二峰峰高系数，n₅为第二峰峰高位置系数，n₆为第二峰峰宽系数；

机匣的轴向位置点x的定义域为叶片叶顶前缘前侧1％轴向弦长至尾缘后侧1％轴向弦长；机匣的径向位置点y的定义域为不超过2.5％叶高；

在平顶动叶顶部设置曲面凹槽，所述曲面凹槽的侧壁厚为1％叶高，曲面凹槽的最深处不超过4％叶高；曲面凹槽的底面轮廓与机匣内壁曲面的相应位置表面轮廓相同；

再将曲面凹槽的侧壁上表面修整为与机匣内壁曲面相应位置表面轮廓相同的叶顶外边缘轮廓。

所述动叶为直叶片。

机匣的径向位置点y的定义域为不超过6mm。

所述曲面凹槽的侧壁厚为2mm。

本发明的优点：本发明对涡轮的叶片叶顶与机匣重新进行了相应的结构改进，并在动叶顶部设置了一个曲面凹槽。利用双峰曲线的曲率变化能使机匣的内壁表面压力重新分布，在叶片吸力面侧中后部形成两个凹陷的低压区，使上通道涡的位置整体沿叶高向机匣迁移，缩减上通道涡的作用范围，延缓上通道涡向下游扩张的趋势，降低能量损失。同时，在叶顶上设置的曲面凹槽内部能形成大尺度驻涡，占据部分间隙空间，有效的控制间隙的泄漏流动进而降低泄漏量及其带来的能量损失，进一步提高叶栅的气动性能。

本发明方法设计的涡轮具有结构简单、成本较低、控制效果良好等优势。