CN102099549B - 用于涡轮转子的包括肋的中空叶片 - Google Patents

Abstract

一种涡轮叶片(10)，其在叶片根部与叶片尖端(12)之间沿径向延伸，在所述叶片尖端中具有一开放的腔(14)，被称为形成在其中的浴盆，所述腔由封闭的端壁(16)和侧边沿(18)限定。所述腔(14)的侧边沿(18)承载至少一个肋(32)，所述至少一个肋(32)在所述叶片(10)的前缘(28)与后缘(30)之间延伸。

Description

用于涡轮转子的包括肋的中空叶片

技术领域

本发明涉及用于涡轮转子的叶片，更具体地，本发明涉及用于高压气体涡轮，特别是用于直升飞机的中空叶片。然而，本发明还可用于飞机引擎，且更常见地涉及任何气体涡轮。本发明更具体地涉及具有封闭端壁的类型的中空叶片，即其中端壁不包括口，这不同于具有开放端壁的类型的中空叶片(所称的“被冷却”类型，不形成本发明的主题)。

背景技术

如图1和2中所示，涡轮叶片10在其根部与其叶片尖端12之间沿径向延伸，其中，通常设置开放腔14(被称为“浴盆”)，其由封闭端壁16和侧边沿18限定。叶片的径向R是相对于支撑叶片的转子而言，轴向是引擎轴线方向并垂直于径向。这样的叶片在传统上包括：压力侧24、吸收侧26、前缘28和后缘30。

与实心叶片尖端相比，腔14的存在用于叶片减重，并用于修改气体流的结构，由此限制不希望出现的从叶片压力侧24朝向叶片吸收侧26的气体流。然而，来自燃烧室的位于涡轮上游的热气体在流动到腔14内时通过对流而加热腔14的壁。

发明内容

本发明的目的在于，构建腔中的热气体流，以减小热气体与腔壁之间的热交换。

本发明通过以下事实而实现此目的：腔的侧边沿承载至少一个肋，所述肋在叶片的前缘与后缘之间延伸。因而可理解，所述肋在腔内延伸。

这种叶片的优点在于，侧边沿的所述至少一个肋产生气体环流，以针对 大多数可能透入腔中的热气体而阻隔腔入口。因此，在热气体与腔壁之间的热交换减少，由此，从热学角度而言，腔壁应力达到更小的程度。

有利地，所述至少一个肋在与所述叶片的径向大致垂直的平面中延伸，应理解，所用的“大致垂直”是指：所述平面相对于严格垂直于叶片径向的平面的角度在±30°范围内。优选地，所述至少一个肋在与所述叶片的径向严格垂直的平面中延伸。发明人已经发现，在这种构造中，所述至少一个肋有效阻隔可能进入腔中并由此加热腔壁的热气体流。

在一变例中，所述侧边沿包括至少两个肋。所存在的两个肋用于进一步改善在腔入口处的气体阻隔。优选地，这两个肋相互面对。

有利地，所述侧边沿具有的至少两个肋被设置在与所述叶片的径向大致垂直的公共平面中。这样，腔的开口被限制在单一的公共平面中，由此用于限制气体进入腔中。

可替代地，侧边沿所承载的至少两个肋被设置在与所述叶片的径向大致垂直的两个不同平面中。各肋沿径向的这种不同定位用于阻隔可能透入腔中的气体流。

更进一步，腔的所述侧边沿包括：与所述叶片的压力侧接近的第一边沿部分和与所述叶片的吸收侧接近的第二边沿部分，有利地，所述侧边沿具有的至少两个肋处于所述边沿的公共部分上。在这种构造中，可精调针对可能透入腔中的气体流的阻隔，并可减少叶片上的肋所具有的多余重量。

应注意到，所用术语“边沿部分”是指边沿的在叶片的前缘与后缘之间延伸的部分。两个边沿部分是邻接的。因而边沿包括两个边沿部分：在叶片压力侧旁边在前缘与后缘之间延伸的第一边沿部分，和在叶片吸收侧旁边在前缘与后缘之间延伸的第二边沿部分。

可替代地，仍设计为所述侧边沿包括：与所述叶片的压力侧接近的第一边沿部分和与所述叶片的吸收侧接近的第二边沿部分，所述侧边沿具有至少两个位于两个边沿部分上的肋。这样，通过肋使得腔入口显著变小，且仅有少量气体流可透入腔中。

有利地，沿着沿所述叶片的径向，所述至少一个肋从所述叶片尖端回退。结果，在叶片尖端处保持剩余间隙，从而能够有效限制可能透入腔中的气体并由此改进在腔入口处的阻隔。

优选地，所述至少一个肋具有大致矩形的截面。发明人已经发现，这样的肋可改进阻隔功能。所用术语“大致矩形截面”涵盖矩形截面，以及梯形、正方形或平行四边形的截面。

所述肋也可以是斜切的。斜切的肋形状用于减少肋重量而同时保持肋间的连接接触，其足以确保所述连接的机械整体性。此外，肋的斜切形状用于形成特定边缘效应的气体流，并由此改进对可能透入腔中的气体流的阻隔。

本发明还提供一种包括至少一个本发明叶片的涡轮转子，并且提供一种包括至少一个涡轮转子的涡轮机，例如直升飞机气体涡轮。 

附图说明

通过阅读以下对以非限制性示例给出的各种实施例的详细描述，本发明及其优点可被更好地理解。参照附图进行描述，其中：

图1是现有技术叶片的尖端的透视图；

图2是图1的叶片在图1的平面II上的截面图；

图3是本发明第一实施例的叶片的尖端的透视图；

图4A是图3的叶片在图3的平面IV上的截面图，而图4B、4C和4D显示出本发明的叶片的其它实施例；

图5A是图3的叶片在沿图3中的箭头V所见的视图，而图5B和5C显示出本发明的叶片的其它实施例；和

图6是具有涡轮转子的气体涡轮的视图，其中涡轮转子装配有本发明的叶片。

具体实施方式

参照图3描述本发明第一实施例。图3显示出高压涡轮叶片10在叶片根部与叶片尖端12之间径向延伸，其中形成有开放的腔14其被称为浴盆。此腔14由封闭，即无口的端壁16和侧边沿18限定。侧边沿18包括与叶片压力侧24接近的第一边沿部分18a和与叶片吸收侧26接近的第二边沿部分18b。根据本发明，侧边沿18具有至少一个肋，所述肋在叶片10的前缘28与后缘30之间延伸。 

在此示例中，侧边沿18具有两个肋32和34，肋32和34分别在第一边沿部分18a和第二边沿部分18b上延伸，每个肋从部分18a和18b中相应的一个突出。

肋32从侧边沿18突出以在封闭端壁16与所述肋32之间形成槽。因而可理解，肋32从封闭端壁16脱离，在封闭端壁16与肋32之间限定一空间。换句话说，肋32位于封闭端壁16与叶片尖端12之间。肋32因而不与封闭端壁16邻接。肋34也是如此。

这样，在叶片前缘28与后缘30之间延伸的肋32、34的存在，用于在叶片尖端处阻隔热气体，使得很少或没有热气体透入腔14中。与现有技术相比，在腔14的壁上由于对流所产生的加热得以减少。

肋的存在使得气体流中产生扰动(或边缘效应)。发明人已经发现，肋使得沿叶片径向产生三个气体流级别的涡流结构。这样，在图4A中，来自叶片压力侧24的经过间隙J的气体在由肋32和34“限定”的叶片尖端处以固定旋转运动13(或旋涡)的方式受阻。气体在肋32和34的水平处存在不同的旋转运动15，旋转运动15以与旋转运动13相反的方向旋转。在腔14内，在肋32和34之下，气体具有与旋转运动13的旋转方向相同的旋转运动17。这样，当入射气体是热气体时，涡流结构能够使可能加热腔14的壁的入射气体限制到叶片尖端并限制热气体在腔14内更新的速度。此外，这种涡流环流气体结构用于限制在气体的不同旋转运动之间的热交换。此外，这些旋转运动用于使腔14的端壁16的温度在压力侧24与吸收侧26之间更均匀，因而由于壁中的温度梯度的原因产生较低程度的机械应力。这样，不同于现有技术的是，来自气体涡轮燃烧室的热气体很少或完全不加热腔 壁，腔壁具有更好的温度均匀性。

图4A是图3的叶片在图3的平面IV上的截面图。在此示例中，肋32和34位于相同的平面P中，平面P严格垂直于叶片10的径向R。通过在腔中产生气体反旋环流，肋32和34用于在腔入口处形成边缘效应，由此防止腔14之外的气体进入腔中。

在图4B中，肋36和38设置在两个不同平面P′和P″中，平面P′和P″严格垂直于叶片的径向R。在这种构造中，由肋所形成的边缘效应有效阻隔相对于径向R基本倾斜的气体流。

由于叶片的高部分是叶片尖端12，因此，在此示例中位于较高处的肋处于压力侧24旁边的第一边沿部分18a上(即，位于较低处的肋处于吸收侧26旁边的第二边沿部分18b上)。自然地，在另一实施例中，位于较高处的肋可处于吸收侧26旁边的第二边沿部分18b上(即，位于较低处的肋处于压力侧24旁边的第一边沿部分18a上)。

在图4A和4B中，肋32、34和肋36、38具有大致矩形的截面。在图4C和4D中，肋40、42是斜切的。这样，可调节肋的形状以改进边缘效应，并由此改进在腔14的入口处的气体阻隔，而同时还使得装置更轻。

在图4A、4B、4C、4D中，叶片10被设计为沿其径向R，肋32、34、36、38、40、42从叶片尖端12回退。通过在叶片尖端12与由肋所限定的腔的入口之间留出间隙，可将可能透入腔14中的气体限制在此间隙内。此间隙用于在涡轮壳体22与叶片尖端12之间产生气体环流。这改进了在腔14的入口处的气体阻隔。

图5A是沿图3的箭头V所见的视图。此图对应于图4A的视图。在图4B的变例中的俯视图(其中“顶部”为叶片尖端12)是类似的。这样，此示例显示出肋32、34、36、38如何可沿两个边沿部分18a和18b就位。

图5B显示出单一肋34在吸收侧26旁边的第二边沿部分18b上延伸的实施例。根据叶片的使用条件，此变例足以阻隔可能透入腔14中的气体流。在边沿的可替代实施例中，单一肋在压力侧24旁边的第一边沿部分18a上 延伸。

图5C显示出图5B的变例。两个肋34′、34″位于相同的边沿部分18b上(或者可替代地位于边沿部分18a上)。这样，与图5B的实施例相比所省略的肋的长度用于减小所示肋34的多余重量。这种类型的实施例还用于将多个肋容易地定位在相同的边沿部分上，其中的肋沿径向错开。这样，可精调对可能透入腔14中的气体流形成扰动的边缘效应，并由此改进在腔14的入口处的气体阻隔。

此外，根据所选实施例，两个肋34′、34″可被选择为相互对准(二者被设置在相同平面中或相同表面中)，或者在一变例中，它们沿径向错开。

在图5C的示例中，虽然显示出两个肋，然而可设计任意数量的肋。在另一实施例中，可提供单一的肋34′、34″等。

在本示例中，肋34′长于肋34″，但在一变例中，肋34′可等长于或短于肋34″，这取决于所希望的效果。

自然地，可设计其它实施例：例如，可在压力侧24和吸收侧26旁边的每个边沿部分18a和18b上提供多个肋。可替代地，可在压力侧24旁边的边沿部分18a上提供单一肋，在吸收侧26旁边的边沿部分18b上提供多个肋，或者反之亦然。肋可具有矩形、梯形或正方形的截面。类似地，一个、几个或所有的肋可以是斜切的。这样，以不同的组合，可在腔14中限定肋构造以根据具体的叶片使用条件而满足一系列特定需求。

图6显示出涡轮机200，例如直升飞机气体涡轮，其具有高压涡轮转子100，所述转子承载根据本发明的叶片10。

Claims (13)

1.一种涡轮叶片(10)，其在叶片根部与叶片尖端(12)之间沿径向延伸，在所述叶片尖端中形成一开放的腔(14)，所述腔由封闭的端壁(16)和侧边沿(18)限定，其特征在于：所述腔(14)的侧边沿(18)承载至少一个肋(32)，所述至少一个肋(32)在所述叶片(10)的前缘(28)与后缘(30)之间延伸，其中所述肋(32)在工作时导致沿径向产生具有三个气体流级别的涡流结构。

2.根据权利要求1所述的叶片(10)，其特征在于：所述至少一个肋(32)在与所述叶片(10)的径向(R)大致垂直的平面(P)中延伸。

3.根据权利要求1所述的叶片(10)，其特征在于：所述侧边沿(18)具有至少两个肋(32，34)。

4.根据权利要求3所述的叶片(10)，其特征在于：所述肋(32，34)被设置在与所述叶片(10)的径向(R)大致垂直的公共平面(P)中。

5.根据权利要求3所述的叶片(10)，其特征在于：所述肋(36，38)被设置在与所述叶片(10)的径向(R)大致垂直的两个不同平面(P′，P″)中。

6.根据权利要求3至5中任何一项所述的叶片(10)，其特征在于：所述侧边沿(18)包括：与所述叶片(10)的压力侧(24)接近的第一边沿部分(18a)，和与所述叶片(10)的吸收侧(26)接近的第二边沿部分(18b)，所述肋(34′，34")位于所述边沿部分(18a，18b)的公共部分上。

7.根据权利要求3至5中任何一项所述的叶片(10)，其特征在于：所述侧边沿(18)包括：与所述叶片(10)的压力侧(24)接近的第一边沿部分(18a)，和与所述叶片(10)的吸收侧(26)接近的第二边沿部分(18b)，所述肋(32，34；36，38)位于两个边沿部分(18a，18b)上。

8.根据权利要求1所述的叶片(10)，其特征在于：沿着沿所述叶片(10)的径向(R)，所述至少一个肋(32)从所述叶片(10)的叶片尖端(12)回退。

9.根据权利要求1所述的叶片(10)，其特征在于：所述肋(32)从所述侧边沿(18)突出，以在所述封闭的端壁(16)与所述肋(32)之间限定一槽。

10.根据权利要求1所述的叶片(10)，其特征在于：所述至少一个肋(32)具有大致矩形的截面。

11.根据权利要求1所述的叶片(10)，其特征在于：所述至少一个肋(40)是斜切的。

12.一种涡轮转子(100)，包括至少一个根据权利要求1所述的叶片(10)。

13.一种涡轮机(200)，包括至少一个根据权利要求12所述的涡轮转子(100)。