一种涡轮导向器通道结构和叶片结构的制作方法

1.本发明属于航天发动机技术领域，具体涉及一种涡轮导向器结构和叶片结构。


背景技术：

2.在现代大功率涡轴、涡桨发动机中，随着发动机进气流量的增加，为提高燃烧室热容量，通常采用直流燃烧室布置，从而导致发动机整机轴向长度及重量较采用回流燃烧室方案显著的增加；此外，相较于回流燃烧室，采用直流燃烧室方案后，燃烧室出口与下游燃气涡轮第一级转子入口处的高度差明显增大，为降低高度差，需相应提高燃气涡轮第一级转子半径高度，从而使得燃气涡轮转子切线速度较高，叶根应力增大对结构强度带来较大的不利影响，同时，轮盘厚度及高度也需要相应的增加，导致了轮盘重量的增大。
3.为降低燃烧室出口与高压涡轮转子处的径向高度差，一个可行的方式便是增大直流燃烧室下倾角，但这将导致沿流动方向高压导向器进口段流通面积剧烈减小，使得导向器叶栅通道的收敛度明显增加，使得导向器进出口速度变化较大，使得高压涡轮导向器叶栅通道内部流动组织难度提高，端区二次流强度增大，端区流动损失提高；另外，由于内外流道倾斜角大小不一致，导叶出口径向不均匀性也有所提高，对下游转子叶片正常工作也带来较大的不利影响。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种涡轮导向器通道结构和叶片结构，以解决上述背景技术中提出现有的涡轮导向器通道和叶片在使用过程中的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种涡轮导向器通道结构，用于对从所述直流燃烧室流出的燃气进行导向，所述通道包括：
6.第一流道，由第一上游型线和第二上游型线绕涡轮轴线旋转一周形成，所述第一上游型线两端点连线和涡轮轴线的夹角在25
°
～40
°
之间，所述第二上游型线两端点连线和涡轮轴线的夹角在0
°
～15
°
之间。
7.优选的，所述第一型线包括沿气流流动方向顺序设置的倾角段、平滑段和收缩段，所述倾角段和收缩段的倾斜角的变化率均大于所述平滑段的倾斜角的变化率。
8.优选的，所述倾角段的倾斜角在65
°
～75
°
之间，所述收缩段的倾斜角在40
°
～55
°
之间，所述平滑段的倾斜角和所述第二上游型线的倾斜角的差值在-2
°
～2
°
之间。
9.优选的，所述通道还包括第二流道，所述第一流道和第二流道沿气流流动方向顺序设置，所述第二流道由第一下游型线和第二下游型线绕涡轮轴线旋转一周形成，且所述第一下游型线和第二下游型线均沿涡轮轴线延伸设置。
10.优选的，所述第一下游型线和第二下游型线的倾斜角均在0
°
～2
°
之间。
11.优选的，所述倾角段的倾斜角沿气流流动方向逐渐减小。
12.优选的，所述收缩段的倾斜角沿气流流动方向先减小后增加。
13.优选的，所述第二上游型线和第二下游型线平滑连接，且所述第二上游型线的倾
斜角大于所述第二下游型线的倾斜角。
14.优选的，所述第二上游型线和第二下游型线的倾斜角沿气流流动方向均逐渐减小。
15.一种涡轮导向器叶片结构，所述叶片周向均匀间隔设置于上述通道的平滑段和收缩段中，所述叶片的前缘和后缘均向气流流动方向倾斜。
16.优选的，所述前缘与涡轮轴线的夹角在70
°
～80
°
之间，所述后缘与涡轮轴线的夹角在75
°
～85
°
之间。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
18.1、本技术通过设计具有大倾角的第一流道，可有效缩短直流燃烧室及与其相连接的高压涡轮轴向长度，从而使得整机更为紧凑，重量更轻；且转子长度及支点间跨距短，转子弯曲刚性好，转子动力学特性好。
19.2、通过在构成第一流道的第一上游型线上采用倾角段、平滑段和收缩段的三段式型线设计，使静子叶片端区二次流起始位置明显延后，二次流影响高度有所降低，低损失的主流区高度占整个叶高的比例明显增大，从而有效削弱了导向器端区二次流强度，降低导向器内部的流动损失。
20.3、导向器出口主流区流动更为顺畅，径向流动更为均匀，为下游转子叶片构造了一个良好的进口流场，有利于降低转子流动，从而为高压涡轮获得更高的效率提供了有力的保证，进而降低了发动机整机耗油率。
21.4、采用本技术所设计的结构，可对应增加燃烧室出口和转子叶片流道之间的高度差，使得涡轮转子可采用更低的流道高度，转子叶片叶根应力小，叶片强度寿命高；轮盘高度及厚度可相应减小，轮盘重量轻，成本优。
附图说明
22.图1为本发明涡轮导向器通道结构和叶片结构整体示意图；
23.图2为本发明通道结构和叶片结构角度示意图；
24.图3为本发明通道结构结构示意图；
25.图4为本发明试验模拟图一；
26.图5为本发明试验模拟图二。
27.图中：10、第一流道；20、第二流道；100、第一型线；101、第一上游型线；101a、倾角段；101b、平滑段；101c、收缩段；102、第一下游型线；102a、平直段；200、第二型线；201、第二上游型线；202、第二下游型线；300、叶片；300a、叶片前缘；300b、叶片尾缘。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.一种涡轮导向器通道结构(以下简称通道)，设置于直流燃烧室出口和涡轮转子流道之间，用于对从所述直流燃烧室流出的燃气进行导向，在后续描述中，通道中某部件的上
游指靠近直流燃烧室出口的一端，某部件的下游指代靠近涡轮转子流道的一端，参照图1和2,该通道主体由静子叶片流道(以下称第一流道10)和转子叶片流道(以下称第二流道20)构成，具体的，上述通道大致成环形，即该通道由内端壁型线(以下称第一型线100)和外端壁型线(以下称第二型线200)绕发动机轴线o(以下也称涡轮轴线)旋转一周形成，参照图2，为该通道的剖面视图，由图可知，该通道的第一型线100和第二型线200均构成为平滑曲线，且在第一型线100和第二型线200上均存在一拐点，第一型线100和第二型线200的该拐点构成为第一流道10和第二流道20的分界点，为了描述方便，分别将第一型线100和第二型线200上的分界点记为第一分界点和第二分界点，并对应将第一型线100中上游端点和第一分界点之间的区段记为第一上游型线101，第一型线100中下游端点和第一分界点之间的区段记为第一下游型线102，第二型线200中上游端点和第二分界点之间的区段记为第二上游型线201，第二型线200中下游端点和第二分界点之间的区段记为第二下游型线202，此时第一流道10由上述第一上游型线101和第二上游型线201绕涡轮轴线o旋转一周形成，第二流道20由上述第一下游型线102和第二下游型线202绕涡轮轴线o旋转一周形成；
30.在后续描述中，将第一型线100和第二型线200中任一点切线同发动机轴线之间夹角定义为该点的倾斜角，同时将第一型线100和第二型线200中任意一区段内所有点切线与发动机轴线之间夹角的集合定义为该区段的倾斜角，示例性地，若某区段的倾斜角在a～b(包括a和b)之间，是指该区段内任一点的倾斜角均在a～b之间，示例性地，参照图x，图中α和β分别第一型线100和第二型线200中a点和b点的倾斜角，同时第一型线100中cd段的倾斜角不小于15
°
，是指该第一型线100中cd段任一点的倾斜角均不小于15
°
；
31.参照图2，在通道的一些实施例中，第一上游型线101两端点连线和涡轮轴线的夹角在25
°
～40
°
之间，所述第二上游型线201两端点连线和涡轮轴线的夹角在0
°
～15
°
之间，且上述第一下游型线102和第二下游型线202均沿涡轮轴线设置，在通道的另一些实施例中，上述第一下游型线102和第二下游型线202的倾斜角均在0
°
～2
°
之间，同时上述第一上游型线101两端点连线和涡轮轴线的夹角和上述第二上游型线201两端点连线和涡轮轴线的夹角的具体取值依据燃烧室出口和转子叶片流道(即第二流道20)之间的高度差进行选择，具体的，参照图1，上述燃烧室出口和转子叶片流道之间的高度差定义为第一上游型线101上游端点和第一下游型线102各位置点半径差值，后续用h进行表示，第一下游型线102各位置点的半径值(即第一下游型线102各位置点同轴线o之间的距离)记为r1，在通道的一些实施例中，h和r1的比值在0.13～0.18之间。
32.在通道的一些实施例中，参照图3，该通道的第一型线100包括倾角段101a、平滑段101b、收缩段101c和平直段102a，其中倾角段101a、平滑段101b和收缩段101c共同构成上述第一上游型线101，平直段102a单独构成为上述第一下游型线102，具体的，倾角段101a在其上游连接于直流燃烧室的出气口，平直段102a连接于转子的外端壁，同时上述倾角段101a、平滑段101b、收缩段101c和平直段102a沿燃气的流动方向顺次设置，参照图3，第一型线100上存在点p0、p1、p2和p3，其中p0构成为倾角段101a上游的端点，p1、p2和p3构成为第一型线100上的拐点，且p3构成为上述第一分界点，更具体的，倾角段101a构成为第一型线100中p0和p1之间的区段，平滑段101b构成为p1和p2之间的区段，收缩段101c构成为p2和p3之间的区段，平直段102a构成为p3同第一型线100下游端点之间的区段；
33.回到图3，对倾角段101a、平滑段101b、收缩段101c和平直段102a的倾斜角设置进
行进一步说明，上述倾角段101a的倾斜角α1在65
°
～75
°
之间，且倾角段101a的倾斜角α1沿气流流动方向逐渐减小，平滑段101b的倾斜角α2同第二型线200的倾斜角大致相同(后续进行详细说明)，收缩段101c的倾斜角在40
°
～55
°
之间，平直段102a大致平行于发动机轴线设置，具体的，平直段102a的倾斜角在0
°
～2
°
之间，在与燃烧室相连的倾角段101a，利用燃烧室出口马赫数低的特点，采用了65
°
～75
°
的下倾角，使得高压涡轮导向器入口段面积急剧收缩，流速提高，提高导向器加速能力的同时，使得边界层流动损失不至于增加太快；在平滑段101b，导向器通道第一型线100和第二型线200的倾斜角基本一致，使得导向器内部流场沿径向尽量均匀，降低端区二次流强度，在收缩段101c，采用急剧收缩的外端壁构型，提高导向器出口马赫数，提高高压涡轮做功能力；采用此种结构的通道，可避免直接采用大倾斜角第一型线100出现的导向器加速过快，在叶片出口段发生流动分离情况，并导致端区二次流强度影响范围增大，挤占流动损失较小的主流流动区域，使得导向器流动损失增加；
34.回到图3，结合该图对第二型线200进行说明，在第二型线200上存在一拐点p4，该拐点p4构成为上述第二分界点，并对应将上述第二型线200分成平滑连接的第二上游型线201和第二下游型线202，其中第二上游型线201构成为拐点p4同第二型线200上游端点之间的区段，第二下游型线202构成为拐点p4同第二型线200下游端点之间的区段，且第二上游型线201的倾斜角略大于第二下游型线202的倾斜角，即第二上游型线201中倾斜角的最小值大于第二下游型线202倾斜角的最小值，换句话说，第二型线200倾斜角沿燃气的流动方向逐渐减小，且第二上游型线201的倾斜角α5同第一型线100中平滑段101b的倾斜角α2之间的差值的绝对值不大于2
°
，即-2
°
≤α2-35.α5≤2
°
；
36.一种涡轮导向器叶片结构(以下简称叶片300)，该叶片300周向均匀间隔设置于上述通道中的平滑段101b和收缩段101c内，导向器叶片采用一定后掠设计，即叶片前缘300a及叶片尾缘300b向气流流动方向倾斜一定角度，倾斜后叶片前缘300a与发动机轴线的夹角在70
°
～80
°
之间，叶片尾缘300b与发动机轴线的夹角在75
°
～85
°
之间。
37.图4和5为采用本发明后的导向器流场计算结果，端区二次流起始位置明显延后，二次流影响高度有所降低，低损失的主流区高度占整个叶高的比例明显增大，从而有效削弱了导向器端区二次流强度，降低导向器内部的流动损失；且主流区叶片表面流线较为平直，未见流线弯曲现象，这说明主流区流动更为顺畅，径向流动更为均匀，这也为下游转子叶片构造了一个良好的进口流场，有利于降低转子流动，从而为高压涡轮获得更高的效率提供了有力的保证，进而降低了发动机整机耗油率。
38.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种涡轮导向器通道结构，用于对从所述直流燃烧室流出的燃气进行导向，其特征在于：所述通道包括：第一流道，由第一上游型线和第二上游型线绕涡轮轴线旋转一周形成，所述第一上游型线两端点连线和涡轮轴线的夹角在25
°
～40
°
之间，所述第二上游型线两端点连线和涡轮轴线的夹角在0
°
～15
°
之间。2.根据权利要求1所述的一种涡轮导向器通道结构，其特征在于：所述第一型线包括沿气流流动方向顺序设置的倾角段、平滑段和收缩段，所述倾角段和收缩段的倾斜角的变化率均大于所述平滑段的倾斜角的变化率。3.根据权利要求2所述的一种涡轮导向器通道结构，其特征在于：所述倾角段的倾斜角在65
°
～75
°
之间，所述收缩段的倾斜角在40
°
～55
°
之间，所述平滑段的倾斜角和所述第二上游型线的倾斜角的差值在-2
°
～2
°
之间。4.根据权利要求1或3所述的一种涡轮导向器通道结构，其特征在于：所述通道还包括第二流道，所述第一流道和第二流道沿气流流动方向顺序设置，所述第二流道由第一下游型线和第二下游型线绕涡轮轴线旋转一周形成，且所述第一下游型线和第二下游型线均沿涡轮轴线延伸设置。5.根据权利要求4所述的一种涡轮导向器通道结构，其特征在于：所述第一下游型线和第二下游型线的倾斜角均在0
°
～2
°
之间。6.根据权利要求3所述的一种涡轮导向器通道结构，其特征在于：所述倾角段的倾斜角沿气流流动方向逐渐减小。7.根据权利要求3所述的一种涡轮导向器通道结构，其特征在于：所述收缩段的倾斜角沿气流流动方向先减小后增加。8.根据权利要求5所述的一种涡轮导向器通道结构，其特征在于：所述第二上游型线和第二下游型线平滑连接，且所述第二上游型线的倾斜角大于所述第二下游型线的倾斜角。9.根据权利要求5所述的一种涡轮导向器通道结构，其特征在于：所述第二上游型线和第二下游型线的倾斜角沿气流流动方向均逐渐减小。10.一种涡轮导向器叶片结构，其特征在于：所述叶片周向均匀间隔设置于权利要求2-9中任一项所述的通道平滑段和收缩段中，所述叶片的前缘和后缘均向气流流动方向倾斜。11.根据权利要求10所述的一种涡轮导向器叶片结构，其特征在于：所述前缘与涡轮轴线的夹角在70
°
～80
°
之间，所述后缘与涡轮轴线的夹角在75
°
～85
°
之间。

技术总结
本发明公开了一种涡轮导向器通道结构和叶片结构，属于航空发动机技术领域，该一种涡轮导向器通道结构，包括沿气流流动方向设置的：第一流道，由第一上游型线和第二上游型线绕涡轮轴线旋转一周形成，所述第一上游型线两端点连线和涡轮轴线的夹角在25


技术研发人员：欧阳玉清 梅庆 宋双文 曾飞
受保护的技术使用者：中国航发湖南动力机械研究所
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/7/7