涡轮机转子叶片、整体叶盘、压缩机转子和与其相联系的风扇转子

摘要

本发明涉及涡轮机转子叶片领域，尤其涉及包括由叶片高度(h)分隔开的叶片根部(113)和叶片尖端(114)的涡轮机转子叶片(112)，在叶片根部(113)与叶片尖端(114)之间的至少一个中间部分(112a)在至少50％的所述叶片高度(h)上具有前掠，在中间部分(112a)与叶片尖端(114)之间的远端部分(112b)具有后掠，所述远端部分(112b)还具有一正切向倾斜角。

说明书

技术领域

本发明涉及涡轮机叶片领域，更具体地涉及涡轮机转子叶片领域。

背景技术

在本上下文中，术语“涡轮机”使用来代表其中能量可以在流体流与至 少一组叶片之间传送的任何机器，例如，压缩机，泵，涡轮，或它们中至少 两个的组合。在以下描述中，术语“上游”和“下游”相对于穿过涡轮机的 流体的正常流动方形被限定。

这种涡轮机可以包括多个级，各所述级通常包括两组翼面，即一组可移 动叶片和一组静止引导翼片。这样的一组包括沿着侧向彼此偏移的多个翼 面。通常地，翼面围绕中心轴线A沿着径向布置。因此，当这样的一组构 成一组移动叶片时形成转子，或当其构成一组引导翼片时形成定子。相对于 中心轴线A的各叶片的近端通常被称为其根部，同时远端通常被称为其尖 端。在根部与尖端之间的距离被称为叶片高度。在其根部与其尖端之间，叶 片由大致垂直于径向轴线Y延伸的一叠空气动力学轮廓组成。在此上下文 中，术语“大致垂直”意思是各轮廓的平面可以具有相对于径向轴线Y，接 近于90°的角度，例如，位于60°至120°的区间内。

在这种涡轮机中，这种转子通常由外壳包围。为了限制转子中的流动损 失，通常期望限制在叶片尖端与外壳的内壁之间的径向间隙。然而，此减少 的径向间隙导致在叶片尖端与外壳的内壁之间接触风险的提升。如果该接触 频率与弯曲叶片的共振频率形成共振，则这种接触可能非常危险。因此，此 问题带来了研究：例如，由Kevin E.Turner、Michael Dunn和Corso Padova 于2010年6月14-18日在英国的格拉斯哥市在“2010年度ASME(美国机 械工程师协会)涡轮博览会：陆地、海洋和空气的能量”中在《在摩擦事件 过程中翼面的偏斜特性》的标题下所描述的，以及由Robin J.Williams于2011 年6月6-10日在加拿大的不列颠哥伦比亚省温哥华市在“2011年度ASME 涡轮博览会”中在《由于大的尖端摩擦而使用隐式时间推进法模拟在燃气涡 轮中的叶片外壳相互作用现象》的标题下所描述的。

同时，对于空气动力学原因，为了提高压缩机和风扇的效率，尤其为了 提高那些达到接近音速的流速，提出了向前移动叶片，例如，在美国专利申 请US2010/0054946A1中，以及由Bergner、Stephan Kablitz、Dietmar  K.Hennecke、Harald Passrucker和Erich Steinhardt于2005年6月6-9日在美 国内华达州里诺-塔霍市在“2005年度ASME涡轮博览会：陆地、海洋和空 气的能量”中标题为《移动对在轴向接近音速压缩机中的3D防震结构的影 响》的研究中。

然而，由于几何因素，向前移动的叶片在实施与外壳的接触的情况下可 以具有尤其相反的动作。由于它们的形状，由这种接触导致的侧向偏斜可能 恶化动力自我接合的现象。

法国专利申请FR2 851 798 A1公开了一种具有远端部分的转子叶片， 所述远端部分在叶片尖端与在大部分叶片高度上具有向前移动的中间部分 之间向后移动。在这种构造中的远端部分的向后移动可以用来至少部分地降 低动力自我接合的风险。

发明内容

本发明寻求进一步降低转子叶片的动力自我接合风险，所述转子叶片包 括向后移动的远端部分，所述远端部分在叶片尖端与在至少50％的叶片高度 上具有向前移动的中间部分之间。

在至少一个实施例中，此目的通过事实来获得：所述远端部分还可以具 有正切向倾斜角，尤其具有比中间部分的更大的正切向倾斜角，从而与远端 部分的向后移动一起有助于限制在叶片尖端与环形外壳之间的干扰，所述环 形外壳在叶片的弯曲过程中偏斜的情况下靠近其。术语“倾斜切角”在本上 下文中使用来指沿着叶片与转子的旋转轴线连接的方向，相对于径向轴线， 穿过连续轮廓的重心CG的线条的倾斜角。如果朝向叶片尖端移动时，叶片 沿着叶片的旋转方向倾斜，则此倾斜角被视为是正的，如果叶片沿着相反方 向倾斜则所述倾斜角是负的。利用这些规定，可以获得向前移动叶片的空气 动力学优点，而不包括叶片对与外壳的接触的动力响应，因此使得可与起源 于其的空气动力学优点一起在叶片尖端与外壳之间维持小间隙。中间部分还 在邻近于远端部分的至少一个区域上具有正切向倾斜角。

另外，所述远端部分尤其可以直接地邻近于所述叶片尖端，从而朝向叶 片尖端延伸并释放较大部分的叶片高度，用于向前移动的中间部分。

为了减少叶片尖端对环形外壳的干扰，远端部分可以占据至少5％，优 选地至少8％的叶片高度。

然而，为了最大化向前移动的空气动力学优点，远端部分需要占据不到 30％，优选地不到15％的叶片高度。

本发明还提供了一种具有多个叶片的单一件叶片盘(或“叶盘”)，各 所述叶片在向前移动的中间部分与叶片尖端之间具有向后移动远端部分。这 种单一件叶片盘具有强劲且简单的优点。然而，本发明的叶片还可可替代地 是例如使用在叶片根部下方的树枝形固定件组件来单独地紧固的叶片。

本发明还提供了一种具有多个叶片的压缩机或风扇转子，各所述叶片在 向前移动的中间部分与叶片尖端之间具有向后移动的远端部分。

附图说明

通过阅读作为非限制性例子来显示的两个实施例的以下详细描述，本发 明可以更好地理解并且其优点更好地显示。该描述引用附图，其中：

图1是涡轮机的示意纵向部分；

图2A是涡轮机转子的示意立体图；

图2B是图2A转子的细节的示意立体图；

图2C是在平面IIC-IIC上所显示的图2A转子的叶片中一个的横截面 图；

图3A显示了向前移动的转子叶片；

图3B显示了向后移动的转子叶片；

图3C显示具有负的倾斜切角的转子叶片；

图3D显示具有正的倾斜切角的转子叶片；

图4是实施与外壳的接触后弯曲的叶片的振动；

图5是在本发明的第一实施例中的涡轮机叶片的立体图；

图6A是显示图5叶片的移动如何在叶片的根部与尖端之间变化的示意 图；

图6B是显示图5叶片的倾斜切角如何在叶片的根部与尖端之间变化的 示意图；

图7A是显示在第二实施例中的叶片的移动如何在叶片的根部与尖端之 间变化的示意图；以及

图7B是显示第二实施例的叶片的倾斜切角如何在叶片的根部与尖端之 间变化的示意图。

具体实施方式

图1显示一涡轮机，更具体为轴流式涡轮风扇发动机1的图示例子。所 显示的涡轮风扇发动机1包括风扇2、低压压缩机3、高压压缩机4、燃烧 室5、高压涡轮6以及低压涡轮7。风扇2和低压压缩机3通过第一传动轴 9与低压涡轮7连接，同时高压压缩机4和高压涡轮6通过第二传动轴10 连接在一起。在工作中，由低压和高压压缩机3和4所压缩的空气流入到燃 烧室5中以供燃烧，燃烧气体的膨胀驱动高压和低压涡轮6和7。因此，利 用轴9和10，涡轮6和7驱动风扇2和压缩机3，4。由风扇2推动的空气 和经由在涡轮机6和7的下游处的推力喷管(未示出)而离开涡轮喷气引擎 1的燃烧气体在涡轮喷气引擎1上施加反推力，因此在例如飞机等交通工具 (未示出)上施加反推力。

涡轮喷气引擎的各压缩机3，4和各涡轮6，7包括多个级，各个级由一 固定组翼片或“定子”，以及一旋转组叶片或“转子”形成。一轴向压缩机 转子11在图2A中示意地显示。转子11具有围绕转子11的旋转轴线A沿 着径向布置的多个叶片12，该轴线大致平行于穿过涡轮喷气引擎1的工作 流体的通常流动方向。叶片12可以作为具有转子11的单一件被合并，因此 形成了单件的叶片盘，否则，它们可单独地形成，并通过紧固件与转子连接， 所述紧固件在现有领域中通常是众所周知的，例如，树枝形紧固件(fir-tree  fastenings)。

如在图2B中更详细地显示的那样，各个叶片12具有带有三个正交轴X、 Y和Z的三维参照系统。轴线X平行于转子11的旋转轴线A，轴线Z围绕旋转 轴线A与叶片12的旋转方向R相切，轴线Y是沿着与旋转轴线A相交的方向 的径向轴线。各叶片12包括沿着径向轴线Y的方向由叶片高度h分隔开的 叶片根部13和叶片尖端14。在叶片根部13与叶片尖端14之间，叶片12 包括在垂直于径向轴线Y的平面中的一些空气动力学轮廓15，形成沿着上游 方向的前缘16、沿着下游方向的后缘17、吸力侧18和压力侧19。在压缩 机或风扇转子中，在正常运行过程中的旋转方向R使得各个叶片12朝向其压 力侧19移动。

叶片12的一个这样的轮廓15在图2C中显示。各轮廓15具有在前缘 16与后缘17之间的弦C，以及被限定为轮廓15的几何重心的重心CG。在 涡轮机叶片的领域中，相对于径向轴线Y，穿过连续轮廓15的重心CG的 线的倾斜角用来限定叶片12的掠角和切向倾斜角。这样，当朝向叶片尖端 14移动，此线20在XY平面中沿着上游方向具有倾斜角-α时，如图3A所 示，叶片12具有前掠。相反，当此线20在相同平面中沿着下游方向具有倾 斜角α时，如图3B中所示，叶片12具有后掠。以类似的方式，倾斜切角由 在ZY平面中的线20与径向轴线Y之间的倾斜角所限定。这样，当朝向叶 片尖端14移动，线20朝向吸力侧18倾斜(以及因此沿与转子的旋转方向 R相反的方向倾斜)时，叶片12具有负的倾斜切角-β，如图3C中所示。 与此相反，当此倾斜角朝向压力侧19(以及因此沿着与转子的旋转方向R 的相同方向)时，叶片12具有正的倾斜切角β，如图3D中所示。除了掠 角和倾斜切角外，涡轮机叶片通常具有复杂的形状，轮廓15具有也可以沿 着轴线Y变化的攻角、弧面、厚度以及弦C。

在现有技术中，尤其是对于压缩机和风扇的转子叶片，已经发现，带有 前掠的构造具有空气动力学优点，尤其当在跨音速范围内工作时。然而，这 样的构造也可具有机械缺陷，尤其是在叶片尖端与围绕转子的外壳相接触的 情况下。如在图1中可看到的那样，通常在风扇转子2和压缩机3，4的叶 片尖端与风扇和压缩机的各自壳体之间的间隙是非常有限的。具体地，这一 间隙在叶片尖端处造成了空气动力学损失，导致了涡轮机总效率的极大损 失。因此，它们需要减少，从而相比之下提高了由于涡轮机的振动或由于其 变形而在叶片尖端与壳体之间造成接触的可能性。这种接触在弯曲叶片上产 生瞬间力，即使壳体具有用于减少此力的磨损区域，以接近于弯曲中叶片的 共振频率的频率的周期性接触可能导致共振，甚至可能造成叶片的破裂。

该现象在具有前掠的叶片上更明显，因为具有该形状，叶片在第一接触 后的偏斜具有使后面的接触更恶劣的风险。在第一振动模式中具有前掠的弯 曲叶片12的此偏斜示意地显示在图4中，其中，可以看到当叶片12振动时， 叶片尖端14沿着上游方向相对于叶片根部13的偏移如何使得在叶片尖端 14与壳体之间的接触变得更差。

图5显示本发明的第一实施例中的另一个叶片112，其使得可减轻具有 前掠的叶片的此缺陷。此叶片112还具有叶片根部113、叶片尖端114、前 缘116、后缘117、压力侧118和吸力侧119，其还由在叶片根部113与叶 片尖端114之间的在叶片高度h上的一些空气动力学轮廓115组成。然而， 在叶片尖端114与具有前掠的占据大致65％叶片高度h的中间部分112a之 间，此叶片112具有一远端部分112b，该远端部分带有占据大约10％的叶 片高度h的后掠。因此，远端部分112b的此后掠沿上游方向相对于叶片根部 113减少叶片尖端114的偏移。此外，在此第一实施例中，远端部分112b 的正切向倾斜角大致大于中间部分112a的正切向倾斜角。

图6A显示在与此叶片112的轮廓115的重心CG互连的线120的XY平 面上的投影。为了更清楚地看到线120的位置如何变化，沿着轴线X的距离 相对于沿着轴线Y的距离放大。因此，可以看到，叶片如何在占据大致65％ 叶片高度h的中间部分112a上具有前掠，随后是在位于中间部分112a与叶片 尖端114之间的远端部分112b上的后掠。这样，在此远端部分112b中，线 120向后移动沿着大约1.75％的叶片高度h的轴线X的距离dx，从而沿着上游 方向减少叶片尖端114的偏移，并因此降低叶片112遭受到在与壳体的第一 接触后的动态自接合的风险。

图6B显示在ZY平面上的相同线120的投影，因此显示了正切向倾斜 角β，所述正切向倾斜角在远端部分112b上比在中间部分112a上大致更明 显。为了更清楚地看到线120的位置如何变化，沿着轴线Z的距离同样地相 对于沿着轴线Y的距离被放大。做为此更明显的正切向倾斜角的结果，线 120朝向压力侧前进，通过沿着等于大约4％的叶片高度h的轴线Z的距离 dz，因此以此方式有助于降低叶片112的动态自接合的风险。

然而，在其他实施例中，在远端部分上的正切向倾斜角需要比在邻近于 远端部分的中间部分的至少一个区域上的更显著。因此，图7A和7B显示当 以相同的方式分别地在XY平面和ZY平面上投影时将在第二实施例中的叶 片的轮廓的重心连接在一起的线120。如在第一实施例中那样，此叶片具有 在占据大致65％的叶片高度h的中间部分112a上的前掠，随后是位于中间部 分112a与叶片尖端之间的远端部分112b上的后掠。因此，如在图7A中所示 的那样，在此远端部分112b中，线120向后移动穿过沿着大约1.25％的叶片 高度h的轴线X的距离dx，从而减小沿着上游方向的叶片尖端的偏移，并因 此降低叶片在与壳体的第一次接触后的动态自接合的风险。然而，如图7B 中所示的那样，在此实施例中，正切向倾斜角β在远端部分112b上比在邻 近于中间部分112a的区域上并不显著地更大。

虽然本发明参照具体实施例来描述，但是清楚的是，均可以对那些实施 例实施各种修正和改变，而不超越如权利要求所限定的本发明的一般范围。 例如，在不同实施例中，根据实施例，远端部分的后掠可以导致叶片轮廓重 心沿着轴线X向后移动经过达到5％的叶片高度的距离。由于远端部分的正 切向倾斜角而沿着轴线Z的叶片轮廓的偏移也可以根据这些各种实施例到 达叶片高度的7％。另外，所提出的各种实施例的个体特性可以结合在附加 的实施例中。因此，说明书和附图在某种意义上应被视为图示性的而不是限 制性的。