(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210758829.2 (22)申请日 2022.06.29 (71)申请人 中国航发湖南动力机 械研究所 地址 412002 湖南省株洲市芦淞区董家塅 高科园中国航发动研所 (72)发明人 谭锋　王政　张绍文　陈奕宏　 陈晨　单熠君　 (74)专利代理 机构 长沙智嵘专利代理事务所 (普通合伙) 4321 1 专利代理师 颜汉华 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 30/28(2020.01) F01D 5/14(2006.01)G06F 111/10(2020.01) (54)发明名称 带叶尖凹槽和小翼复合结构的燃气涡轮工 作叶片设计方法 (57)摘要 本发明公开了一种带叶尖凹槽和小翼复合 结构的燃气涡 轮工作叶片设计方法， 该方法先确 定三维叶片的初步设计方案， 然后进行多状态计 算和三维数值仿真的迭代运算， 以实现二维叶型 设计参数的迭代优化， 得到基准设计方案， 最后 进行叶尖凹槽和小翼复合结构的迭代优化。 叶尖 凹槽和小翼复合结构改变了转子叶尖两侧的表 面速度分布， 降低了转子叶尖两侧的压差， 达到 控制转子叶尖泄露流的目的， 并使得气流在小翼 的压、 吸力面肋条两处同时形成流动分离， 对泄 露射流形成两次堵塞， 同时凹槽内部刮削涡、 壁 面角涡等复杂流动结构增强了泄露流在间隙内 部的掺混， 减小了间隙射流的系数， 降低了泄露 流与主流的掺混损失， 从而大大提升了燃气涡轮 的工作性能。 权利要求书2页 说明书9页 附图10页 CN 115169032 A 2022.10.11 CN 115169032 A 1.一种带叶尖凹槽和小翼复合结构的燃气涡轮工作叶片设计方法， 其特征在于， 包括 以下内容： 根据燃气涡轮工作叶片的叶型设计构造不同径向高度上的二维叶型， 并根据叶型设计 选择对应的积迭规 律将各个二维叶型沿径向叠加形成三维叶片的初步设计方案； 基于三维叶片的初步设计方案开展 多状态计算； 根据多状态计算结果进行三维数值仿真， 根据三维数值仿真结果优化调整二维叶型的 设计参数， 并基于重新设计的三维叶片开展多状态计算， 不断迭代优化， 直至燃气涡轮性能 满足设计要求， 得到 燃气涡轮工作叶片的基准设计方案； 在燃气涡轮工作叶片的基准设计方案基础上进行叶尖凹槽和小翼复合结构的设计， 并 开展多状态计算， 将带叶尖凹槽和小翼复合结构的叶片设计方案的多状态计算结果与基准 设计方案的多状态计算结果进行对比， 若燃气涡轮性能的提升幅度满足设计要求， 则 设计 完成， 若不满足设计要求， 则重新调整叶尖凹槽和小翼的几何设计参数， 不断迭代直至燃气 涡轮性能的提升幅度满足设计要求。 2.如权利要求1所述的带叶尖凹槽和小翼复合结构的燃气涡轮工作叶片设计方法， 其 特征在于， 当燃气涡轮工作叶片的叶型设计为单截面造型直叶片或者两截面造型非直叶片 时选择线性积迭规律， 当燃气涡轮工作叶片的叶型设计为三截面造型非直叶片时选择抛物 线积迭规 律。 3.如权利要求1所述的带叶尖凹槽和小翼复合结构的燃气涡轮工作叶片设计方法， 其 特征在于， 二 维叶型的设计参数包括半径、 轴向弦长、 叶片数目、 前缘小圆直径、 尾缘小圆直 径、 进口构造角、 出口构造角、 前缘楔角、 尾缘楔角、 安装角、 弯折角和有效气流角。 4.如权利要求1所述的带叶尖凹槽和小翼复合结构的燃气涡轮工作叶片设计方法， 其 特征在于， 所述基于三维叶片的初步设计方案开展 多状态计算的过程包括以下内容： 对两级燃气涡轮的两排工作叶片进行结构化网格划分， 其中， 主流通道网格采用H型拓 扑结构， 叶片周围以及间隙内部区域网格采用O型拓扑 结构； 选取k‑ε模型作为湍流模型对两级燃气涡轮进行三维计算； 对三维计算结果进行处理， 获得多状态燃气涡轮工作叶片的上、 下游流动状况及其自 身损失分布情况。 5.如权利要求4所述的带叶尖凹槽和小翼复合结构的燃气涡轮工作叶片设计方法， 其 特征在于， 所述对三维计算结果进行 处理， 获得多状态燃气涡轮工作叶片的上、 下游流动状 况及其自身损失分布情况的过程包括以下内容： 计算得到各级涡轮的流量、 膨胀比、 效率和功率， 并将其与总体技术指标进行对比； 获 取各排工作叶片的进、 出口气流角， 评估进口攻角损失； 获取各排叶片能量损失系统并沿展 向分布， 确定损失较大的区域； 获取各排叶片不同展向高度表面负荷， 并判断何种加载方 式； 获取各级涡轮不同展向高度的流场， 定性分析通道内的损失源。 6.如权利要求1所述的带叶尖凹槽和小翼复合结构的燃气涡轮工作叶片设计方法， 其 特征在于， 叶尖凹槽和小翼复合结构的几何设计参数包括叶尖凹槽的形状和凹槽深度、 肋 条厚度、 压力面肋条的顶部 宽度/高度/前倾角、 吸力面肋条的顶部 宽度/高度/后掠角。 7.如权利要求6所述的带叶尖凹槽和小翼复合结构的燃气涡轮工作叶片设计方法， 其 特征在于， 叶尖凹槽的形状与叶型相同， 叶尖凹槽的深度、 压力面肋条的高度、 吸力面肋条权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115169032 A 2的高度为平叶尖间隙的1～3倍， 肋条厚度、 压力面肋条的顶部宽度、 吸力面肋条的顶部宽度 均大于等于0.5mm且小于叶尖最大厚度， 压力面肋 条的前倾角 、 吸力面肋 条的后掠角在30 ° ～60°之间。 8.如权利要求6所述的带叶尖凹槽和小翼复合结构的燃气涡轮工作叶片设计方法， 其 特征在于， 叶尖凹槽的设计过程包括以下内容： 将二维叶型的吸、 压力面型线向内偏置一定距离， 以一定半径的前缘小圆和后缘小圆 截取偏置后的吸、 压力面型线， 从而确定叶尖凹槽的形状， 根据确定好的凹槽形状开展多种 凹槽深度的三维计算分析以确定凹槽深度。 9.如权利要求8所述的带叶尖凹槽和小翼复合结构的燃气涡轮工作叶片设计方法， 其 特征在于， 压力面肋条的设计过程包括以下内容： 基于叶尖凹槽的叶片压力面侧向主流通道前倾一定角度， 倾斜表面为圆弧面， 并在开 始倾斜的位置与叶片主体表面相切， 切 点到叶尖的距离为压力面肋条 的高度， 从而保证倾 斜叶片表面与叶片主体表面 光滑过渡， 同时在叶片前、 尾缘附近倾 斜角度逐渐过渡至 0°。 10.如权利要求8所述的带叶尖凹槽和小翼复合结构的燃气涡轮工作叶片设计方法， 其 特征在于， 吸力面肋条的设计过程包括以下内容： 基于叶尖凹槽的叶片吸力面侧向主流通道后掠一定角度， 倾斜表面为圆弧面， 并在开 始倾斜的位置与叶片主体表面相切， 切 点到叶尖的距离为吸力面肋条 的高度， 从而保证倾 斜叶片表面与叶片主体表面 光滑过渡， 同时在叶片前、 尾缘附近倾 斜角度逐渐过渡至 0°。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115169032 A 3