CN105637181A - 具有非轴对称表面的涡轮机部件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涡轮机的部件(1)，该部件至少包括：第一叶片和第二叶片(3，3I，3E)以及平台(2)，叶片(3，3I，3E)自平台延伸，其特征在于，平台(2)具有非轴对称的表面(S)，该表面由第一端平面和第二端平面(PS，PR)限制并通过C1类的至少三条构建曲线(PC-A，PC-C，PC-F)来限定，所述至少三条构建曲线各自表示所述表面(S)的半径的值，根据大体平行于端平面(PS，PR)的平面，所述至少三条构建曲线为第一叶片(3I)的下表面和第二叶片(3E)的上表面之间的位置的函数，所述至少三条构建曲线包括：-第一曲线(PC-C)，所述第一曲线在第二叶片(3E)的附近递增；-第二曲线(PC-F)，所述第二曲线被布置在第一曲线(PC-C)与第一叶片和第二叶片(3，3I，3E)的后缘(BF)之间，并在第二叶片(3E)的附近递减；-第三曲线(PC-A)，所述第三曲线被布置在第一曲线(PC-C)与第一叶片和第二叶片(3，3I，3E)的前缘(BA)之间，并在第二叶片(3I)处具有最小值。

Description

具有非轴对称表面的涡轮机部件
技术领域
本发明涉及一种涡轮发动机的部件，该部件包括叶片以及具有非轴对称表面的平台。
背景技术
现今，对设备的性能进行持续改进的必要性需要使用计算机建模工具，该设备尤其是航空设备，例如为涡轮发动机的转子(即，与固定有径向延伸的轮叶(或叶片)的毂形成的组件，如图1a所示)。
这些工具通过执行大量的模拟计算以自动地优化部件的一些特征来帮助设计部件。
例如，国际申请WO2012/107677公开了通过“取轮廓”(即，通过壁中的凹陷和凸台限定)进行优化以提供优良的超音速流动性能的叶片/平台组件(换句话说，由叶片和固定有叶片的毂或壳体的局部表面形成的组件，例如如图1b所示)。该平台尤其具有在叶片的前缘和后缘之间轴向延伸的周向凹入部。
然而，显而易见的是，这些轴对称的几何形状仍可被改善，尤其是在涡轮发动机的压缩机级处被改善：鉴于普遍的特定条件，目前对转子/定子上的空气动力学几何的最佳效果的研究导致生产出在导管(vein)处具有局部非轴对称壁(即，根据与旋转轴线垂直的平面的截面不是圆形的)的部件，导管即在轮叶之间的用于流体流动的所有管道(换言之，轮叶中间的部段)。非轴对称的导管限定出三维空间的整体环形表面(涡轮发动机的一“部分(tranche)”)。
另外，即使非轴对称的几何形状被证明是有前景的，但它们的操作较复杂。
更优选地是使用它们来提高设备的收益方面的性能，但不降低操作性或机械强度。
发明内容
根据第一方面，本发明提出了一种涡轮发动机的部件，该部件至少包括第一叶片和第二叶片以及平台，叶片自平台延伸，
其特征在于，平台具有非轴对称的表面，该表面由第一端平面和第二端平面限制并通过C1类的至少三条构建曲线来限定，至少三条构建曲线各自表示所述表面的半径的值，根据大体平行于端平面的平面，至少三条构建曲线为第一叶片的拱腹和第二叶片的拱背之间的位置的函数，至少三条构建曲线具有：
-第一曲线，第一曲线在第二叶片的附近递增；
-第二曲线，第二曲线被布置在第一曲线与第一叶片和第二叶片的后缘之间，并在第二叶片的附近递减；
-第三曲线，第三曲线被布置在第一曲线与第一叶片和第二叶片的前缘之间，并在第一叶片处具有最小值。
部件的表面的这种特定的非轴对称的几何形状对不均匀的流体流动提供控制，因此来增加收益。
机械强度不会像这样退化。
根据其他有利且非限制性的特征：
·第三曲线在第一叶片的拱腹和第二叶片的拱背之间严格递增；
·第三曲线在第二叶片的附近小于第一曲线；
·第一曲线在第一叶片的拱腹和第二叶片的拱背之间严格递增；
·第二曲线在第一叶片的拱腹和第二叶片的拱背之间具有局部最大值；
·每条构建曲线还通过沿叶片弦的从叶片的前缘延伸到后缘的位置来限定；
·第一曲线与位于叶片弦的相对长度的0％和60％之间的位置相关联，以及，第二曲线与位于叶片弦的相对长度的65％和100％之间的位置相关联；
·第三曲线与位于叶片弦的相对长度的0％和25％之间的位置相关联，以及，第一曲线与位于叶片弦的相对长度的30％和60％之间的位置相关联；
·平台具有环形形状，多个叶片沿环形形状被均匀地布置；
·平台在每一对连续的叶片之间具有相同的非轴对称的表面；
·部件是压缩机的转子级或定子级；
·每条构建曲线通过数据处理装置执行以下步骤来建模：
(a)将表示所述表面的半径的值的作为C1类的曲线的构建曲线参数化，构建曲线为第一叶片的拱腹和第二叶片的拱背之间的位置的函数，该曲线通过以下方式限定：
-两个端部控制点，两个端部控制点分别位于两个叶片中的每个上，所述表面在该两个叶片之间延伸；
-至少一个样条曲线；
根据限定出端部控制点中的至少一个的一个或多个参数来执行参数化；
(b)确定所述曲线的所述参数的最优值。
根据第二方面，本发明涉及一种涡轮发动机，该涡轮发动机包括根据第一方面的部件。
附图说明
本发明的其他特征和优点将在以下的优选实施例的说明中显露。本说明将参考附图来给出，在附图中：
-之前描述的图1a示出了涡轮发动机的示例；
-图1b至图1c示出了平台/叶片组件的两个示例；
-图2示出了根据本发明的部件的架构；
-图3a示出了根据本发明的部件的平台的表面的第三构建曲线的几何形状的示例；
-图3b示出了根据本发明的部件的平台的表面的第一构建曲线的几何形状的示例；
-图3c至图3d示出了根据本发明的部件的平台的表面的第二构建曲线的几何形状的示例。
具体实施方式
本发明涉及一种涡轮发动机1的部件，尤其是压缩机部件，该部件具有至少两个叶片3以及平台2，叶片3自平台2延伸。这里，术语“平台”按照广义被解释并且总体上指示涡轮发动机的能够安装(通过径向延伸)有叶片3并具有内/外壁的任何元件，空气抵靠内/外壁进行流通。
具体地，平台2可以是单个块(并且支撑部件1的所有叶片)，或者可通过多个基本元件形成，该多个基本元件各自支撑单个叶片3(或叶片3的“根部”)，从而构成图1b中所示的那种类型的轮叶。
此外，平台2可通过限定出毂来界定出部件1的径向内壁(气体绕其穿过)，和/或，另外通过限定出部件1的壳体来界定出部件1的径向外壁(气体穿过其内部，叶片3延伸到中心)。应当注意的是，同一部件1可同时包括这两种类型的平台2(参见图1c)。
应理解的是，部件1可以是多种类型的，参照图1a中已引入的，其具体在压缩机处并且尤其在高压压缩机(HPC)处是转子级(根据或不根据组件的整体特征为DAM(整体叶盘)或叶轮)或定子级(具有固定的或可移动的轮叶的VSV(可变定子轮叶))。
贯穿本说明书，HPC的DAM的示例将以这种方式被使用，但本领域技术人员可变换到其它类型的部件1。
平台表面
部件1通过部件1的平台2的表面S的特定(非对称)几何形状来区分，有利的建模示例可见于图2。
表面S在两个叶片3之间延伸(两个叶片中的一个未在图2中示出以更好地示出表面S，但可在其位置处看到孔)，两个叶片3侧向地限制该表面S。
表面S实际上是较大表面的关于部件1大体上限定出复曲面形状的部分，表面S在这里被解释为转子级。在部件1的圆周的周期性的有利(但非限制性)的假设中(即，假设叶片3是相同且均匀分布的)，壁由在每对叶片3之间复制的多个相同的表面构成。
因此，同样在图2中显示的表面S′是表面S的复制。
仍然在该图中，共享表面S和S′中的每个的线在两个半部中可见。该结构对应于以下实施例：其中，平台2由多个基本元件构成，多个基本元件各自是对叶片3进行支撑的根部，根部与该叶片3形成轮叶。这些叶片根部中的每个在叶片3的两侧上延伸，因此，表面S包括与两个单独的叶片根部相关联的并置的表面。部件1是至少两个并置的轮叶(叶片/叶片根部组件)的组件。
表面S在上游通过第一端平面来限制并且在下游通过第二端平面来限制，第一端平面为“分离平面”PS，第二端平面为“连接平面”PR，“分离平面”PS和“连接平面”PR各自限定出轴对称的、连续的轮廓并且具有连续导数(曲线对应于平面PR和PS中的每个之间的交集，并且部件1的表面整体地被封闭并形成环)。表面S具有基本矩形的形状，并在两个端平面PS、PR之间以及在一对连续叶片的两个叶片3之间连续地延伸。这对叶片的叶片中的一个是第一叶片3I。实际上，第一叶片在表面S处具有其拱腹。另一叶片是第二叶片3E。实际上，第二叶片表面S处具有其拱腹。每个“第二叶片”3E是邻接表面的“第一叶片”3I，该邻接表面诸如为图2中的表面S′(由于每个叶片3具有拱腹和拱背)。
表面S由构建曲线限定，构建曲线也被称为“构建平面”。为获得表面S的几何形状，需要至少三条构建曲线PC-A、PC-C和PC-F。
在所有情况下，每条构建曲线是表示所述表面S的半径的值的C1类的曲线，根据大体平行于端平面PS、PR的平面，该曲线为第一叶片3I的拱腹和第二叶片3E的拱背之间的位置的函数。
半径是指表面的点与部件1的轴线之间的距离。因此，轴对称表面具有恒定的半径。
构建曲线
三条曲线在大体平行的平面上延伸。第一曲线PC-C是“中央”曲线。由于第二曲线PC-F被布置在叶片3(第二曲线在叶片3之间延伸)的后缘BF附近，因此第二曲线PC-F是“后”曲线。由于第三曲线PC-A被布置在叶片3(第三曲线在叶片3之间延伸)的前缘BA附近，因此第三曲线PC-A是“前”曲线。
换句话说，在导管中流动的流体相继地遇到第三曲线PC-A、第一曲线PC-C以及第二曲线PC-F。它们的位置不是固定的，但是通过有利的方式，每条构建曲线PC-A、PC-C、PC-F还通过沿叶片弦3的从叶片3的前缘BA延伸至后缘BF的位置被限定。
这种弦(以及平台弦2)在图1b和图1c中示出。
在这样的参照中，第三曲线PC-A与位于叶片弦3的相对长度的0％和25％之间的位置相关联，第一曲线PC-C与位于叶片弦3的相对长度的30％和60％之间的位置相关联，以及第二曲线PC-F与位于叶片弦3的相对长度的65％和100％之间的位置相关联。
如仍在图2中可见，每个曲线PC-A、PC-C和PC-F具有特定的几何形状。这些几何形状的空气动力效应将在后面看到。
图3a至图3d示出了这些曲线PC-A、PC-C和PC-F中的每个与轴对称的参照物(恒定半径)相比较的多个示例。
如图3a所示，第三曲线PC-A在第一叶片3I处具有(整体)最小值(因此，第三曲线在第一叶片3I的附近递增)。换句话说，通道的截面在拱腹处递增。曲线能够在表面S的整个宽度上严格递增，或者可先递增然后递减，并形成凸台。在所有的情况下，这种凸台使得第三曲线PC-A在第二叶片3E处比在第一叶片3I处更高(由于在第一叶片3I处最小)，并且如果优选的话，第三曲线PC-A在第二叶片3E处具有(整体)最大值(因此，第三曲线在第二叶片3E的附近递增)。公知的非轴对称的几何形状在进入导管时通常建议“凹谷(valley)”，即，曲线先递减然后递增，相对于公知的非轴对称的几何形状，由于导管的截面在拱腹部分中是最大的，因此本发明的几何形状有利于使第二叶片3I的前缘BA通过局部收敛而分流(bypass)。严格递增的第三曲线PC-A被认为是优选的，这是由于这样的轮廓可免去凸台，而凸台能够削弱进入导管的流体的移动。
很显然，即使组件中的递增轮廓是优选的，该曲线PC-A也不限于尤其是在其拱背部分上的轮廓(其重要性仅在于它至少在由第一叶片3I限定的区间上递增，并且其最低点位于其拱腹叶片3I处)。
图3b示出了第一曲线PC-C。该第一曲线在第二叶片3E的附近递增，这意味着通道的截面在拱背处递减。关于第一曲线PC-A，它也可以在表面S的整个宽度上严格递增，或者可先递减然后递增并形成凹陷。该曲线PC-C不限于尤其是在其拱腹部分上的轮廓(其重要性仅在于它至少在由第二叶片3E限定的区间上递增)。
同样优选地是，第三曲线PC-A在第二叶片3E的附近小于第一曲线PC-C。换句话说，第三曲线PC-A(相对于轴对称的参照物)的振幅小于第一曲线PC-C的振幅。这再次通过过度收敛产生第二叶片3E的更好的分流。
图3c和图3d示出了用于第二曲线PC-F的两类可能的几何形状。在所有情况下，第二曲线必须在第二叶片3E的附近递减，从而增加通道在拱背处的截面。
优选的是，通道在拱腹处的截面递减，换句话说，第一曲线PC-C在第一叶片3I处小于第二曲线PC-F。这使得能够通过拱腹的过度收敛对流体的移动进行更好的控制。这能够在图3c中明显地看出，这是由于曲线是严格递减的(或几乎是递减的)，或替代性地经由凸台递减。在图3d中，第二曲线PC-F在第一叶片3I的拱腹和第二叶片3E的拱背之间具有局部最大值。该最大值位于曲线的中间部分的周围。特别优选地，第二曲线PC-F先递减然后递增(直至凸台)，并在最后递减。这种具有中央凸台的结构允许斜坡现象(见下文)，以对流体的从拱腹到拱背(即，从第一叶片3I到第二叶片3E)的移动进行限制。
特别优选的几何形状在图2中示出。
表面的建模
表面经由三条构建曲线PC-A、PC-C、PC-F限定有利于部件1的自动优化。
有利地，每条构建曲线PC-A、PC-C、PC-F通过执行以下步骤进行建模：
(a)将表示所述表面S的半径的值的作为C1类的曲线的构建曲线PC-A、PC-C、PC-F参数化，构建曲线PC-A、PC-C、PC-F为第一叶片3I的拱腹和第二叶片3E的拱背之间的位置的函数，该曲线通过以下方式限定：
-两个端部控制点，两个端部控制点分别位于两个叶片3、3I、3E中的每个上，所述表面S在两个叶片之间延伸；
-至少一个样条曲线；
根据限定出端部控制点中的至少一个的一个或多个参数执行参数化；
(b)确定所述曲线的所述参数的最优值。
这些步骤由包括数据处理装置(例如超级计算机)的计算机设备来执行。
端部控制点的一些参数(尤其是在该点处的导数值)是不变的以遵循关于诸如之前限定的每个曲线PC-A、PC-C、PC-F的递增/递减的情况。例如，还可包括中间控制点以在第二曲线PC-F上形成凸台。
在每个曲线的建模期间，许多准则可被选择为待优化的准则。以示例的方式，可尝试使诸如机械应力耐抗性、频率响应、叶片3的位移的机械性能以及诸如收益、压力升高、通过能力或泵裕度等的空气动力学性能最大化。
为此，有必要使待优化的规律参数化，即，使其成为N个输入参数的函数。优化包括在约束下改变(通常随机地)这些不同的参数以确定其针对预定准则的最优值。然后“平滑”的曲线通过来自确定的通过点的插值来获得。
必要的计算量与问题的输入参数的数量(线性地或者甚至指数地)直接相关。
许多方法是已知的，但优选地将使用与专利申请FR1353439中所描述的方法类似的方法，该方法能够在没有高计算功耗并且限制龙格(Runge)现象(表面的过多“波动”)的情况下得到优异的建模质量。
应当注意的是，叶片3经由连接曲线被连接至平台2(例如图1b所示)，连接曲线可尤其经由使用样条和用户控制点来形成特定建模的主体。
这些几何形状的效果
这里将呈现部件1的毂的表面S的示例。
在拱背部分上(在第二叶片3E的附近)，表面最初在叶片的弦的第一部分上过度增高，然后在第二部分上降低。
这在叶片3E的第一部分上产生更强(例如与“凹谷”型的几何形状相比)的收敛，使得流体更容易发生局部偏差。不存在截面的整体关闭或流体的整体加速并且由震动引起的损失不会上升。
在第二部分(过度降低)处，与拱腹侧壁的上升(或管道中间的任何凸台)和拱腹处的过度收敛相关联的3D效果产生斜坡现象，以辅助拐角流动的偏差和控制(流量上升到第二叶片3E的拱背)。
在适当情况下，第二曲线PC-F上的凸台限制流体从拱腹到拱背的移动，以提供对拐角的流量楔子(coin)的甚至更好的控制。
结果
相对于取轮廓，管道中的更好的流量控制(对关键区域中的第二流量、局部收敛的更好的控制)随之使得能够改善收益。试验表明，在完整的压缩机的收益中，增益从0.1％上升至0.4％。
此外，新的几何形状在机械情况方面也是功不可没的，其有利于叶片/平台连接的控制。最大应力被减小。

Claims (14)

1.一种涡轮发动机的部件(1)，至少包括第一叶片和第二叶片(3，3I，3E)以及平台(2)，叶片(3，3I，3E)自所述平台(2)延伸，
其特征在于，所述平台(2)具有非轴对称的表面(S)，所述表面(S)由第一端平面和第二端平面(PS，PR)限制并通过C1类的至少三条构建曲线(PC-A，PC-C，PC-F)来限定，所述至少三条构建曲线(PC-A，PC-C，PC-F)各自表示所述表面(S)的半径的值，根据大体平行于端平面(PS，PR)的平面，所述至少三条构建曲线(PC-A，PC-C，PC-F)为第一叶片(3I)的拱腹和第二叶片(3E)的拱背之间的位置的函数，所述至少三条构建曲线(PC-A，PC-C，PC-F)具有：
-第一曲线(PC-C)，所述第一曲线(PC-C)在所述第二叶片(3E)的附近递增；
-第二曲线(PC-F)，所述第二曲线(PC-F)被布置在所述第一曲线(PC-C)与所述第一叶片和所述第二叶片(3，3I，3E)的后缘(BF)之间，并在所述第二叶片(3E)的附近递减；
-第三曲线(PC-A)，所述第三曲线(PC-A)被布置在所述第一曲线(PC-C)与所述第一叶片和所述第二叶片(3，3I，3E)的前缘(BA)之间，并在所述第一叶片(3I)处具有最小值。
2.根据权利要求1所述的部件，其中，所述第三曲线(PC-A)在所述第一叶片(3I)的拱腹和所述第二叶片(3E)的拱背之间严格递增。
3.根据权利要求1或2所述的部件，其中，所述第三曲线(PC-A)在所述第二叶片(3E)附近小于所述第一曲线(PC-C)。
4.根据前一项权利要求所述的部件，其中，所述第一曲线(PC-C)在所述第一叶片(3I)的拱腹和所述第二叶片(3E)的拱背之间严格递增。
5.根据前述权利要求中任一项所述的部件，其中，所述第二曲线(PC-F)具有在所述第一叶片(3I)的拱腹和所述第二叶片(3E)的拱背之间的局部最大值。
6.根据前述权利要求中任一项所述的部件，其中，每条构建曲线(PC-A，PC-C，PC-F)还通过沿叶片弦(3I，3E)的从所述叶片(3，3I，3E)的前缘(BA)延伸到后缘的位置来限定。
7.根据权利要求6所述的部件，其中，所述第一曲线(PC-C)与位于所述叶片弦(3，3I，3E)的相对长度的0％和60％之间的位置相关联，并且，所述第二曲线(PC-F)与位于所述叶片弦(3，3I，3E)的相对长度的65％和100％之间的位置相关联。
8.根据权利要求7所述的部件，其中，所述第三曲线(PC-A)与位于所述叶片弦(3，3I，3E)的相对长度的0％和25％之间的位置相关联，并且，所述第一曲线(PC-C)与位于所述叶片弦(3，3I，3E)的相对长度的30％和60％之间的位置相关联。
9.根据前述权利要求中任一项所述的部件，其中，所述平台(2)具有环形形状，多个叶片(3I，3E)沿环形形状被均匀地布置。
10.根据权利要求9所述的部件，其中，所述平台(2)在每一对连续的叶片(3，3I，3E)之间具有相同的非轴对称的表面(S)。
11.根据权利要求10所述的部件，是涡轮发动机的压缩机部件。
12.根据权利要求11所述的部件，是压缩机的转子级或定子级。
13.根据前述权利要求中任一项所述的部件，其中，每条构建曲线(PC-A，PC-C，PC-F)通过数据处理装置执行以下步骤来建模：
(a)将表示所述表面(S)的半径的值的作为C1类的曲线的构建曲线(PC-A，PC-C，PC-F)参数化，所述构建曲线(PC-A，PC-C，PC-F)为第一叶片(3I)的拱腹和第二叶片(3E)的拱背之间的位置的函数，所述曲线通过以下方式限定：
-两个端部控制点，所述两个端部控制点分别位于两个叶片(3，3I，3E)中的每个上，所述表面(S)在所述两个叶片之间延伸；
-至少一个样条曲线；
根据限定出端部控制点中的至少一个的一个或多个参数来执行参数化；
(b)确定所述曲线的所述参数的最优值。
14.一种涡轮发动机，包括根据前述权利要求中任一项所述的部件(1)。
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