CN109219687A - 包括包含使冷却空气旋流的螺旋元件的冷却空气进气口部分的涡轮轮叶 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种诸如为涡轮螺桨发动机或涡轮喷气发动机的涡轮发动机的涡轮轮叶(11)，所述轮叶(11)包括支承叶片的根部(12)，所述轮叶(11)包括至少一个用于在运行期间冷却所述空气的空气流通管道，所述管道在轮叶根部(12)处包括用于收集冷却空气的入口部分(26a‑26e)，所述入口部分(26a‑26e)延伸离开轮叶根部(12)的与叶片相对的下表面(21)。至少一个入口部分(26a‑26e)设有用于使冷却空气旋转以改善该入口部分的冷却效率的螺旋元件(33)。

Description

包括包含使冷却空气旋流的螺旋元件的冷却空气进气口部分 的涡轮轮叶

技术领域

本发明涉及一种涡轮轮叶，该涡轮轮叶例如用于装备双路式涡轮喷气发动机类型的或涡轮螺桨发动机类型的航空器发动机，或者用于装备工业燃气涡轮机。

背景技术

在图1所示的这种发动机1中，外部空气进入进气管2，以在被分为中央主流和环绕主流的次级流之前穿过包括一系列旋转叶片的风机3。

之后，主流在进入燃烧室7之前在第一压缩级4和第二压缩级6中被压缩，在该燃烧室之后，该主流在被朝向后部排出同时产生推力之前通过穿过一组涡轮8而被膨胀。次级流在由壳体9界定的流路径中被风机直接朝向后部推进以产生额外的推力。

发生在涡轮中使得压气机和风机能够被驱动的膨胀发生在高温下，因为该膨胀直接发生在燃烧之后。因此，所述涡轮被设计以及尺寸被设置成使得该涡轮在严苛的温度、压力和流体流率条件下运行。

该涡轮包括一系列轮叶，该轮叶被径向地定向并且围绕发动机的旋转轴被均匀地间隔开，并且该轮叶相对于所述涡轮的第一膨胀级的轮叶承受严苛的条件，第一膨胀级即最靠近燃烧室7的级，通常被称为高压级。

提高的性能需求造成了运行在严苛的环境中的发动机的更小尺寸的设计，该设计需要改善这些轮叶的冷却效率。

该冷却通过使较冷的空气在所述轮叶中流通而发生，所述空气在压气机处被抽取并且在轮叶根部处进入以沿内部回路行进。该空气经由分布在轮叶的壁上的通孔被排出，并且在该壁的外表面处进一步产生比周围的空气更冷的空气薄膜。

使用该冷却空气在性能方面是不利的，因为该冷却空气仅在叶片处被重新注入到主流中，使得对该冷却空气进行压缩所需的能量在推力方面没有被完全回收。这就是为什么必须使用尽可能少的空气尽可能高效地对轮叶进行冷却的原因。换言之，节省冷却空气减小了发动机的比耗量。

为此，轮叶的内部区域包括巧妙的设计(artifice)，即，内部凸起的区域，该内部凸起的区域扰乱空气的流动以提高热传递的效率。此外，流的分布被优化以保证在孔处的最小过压率，以防止需要将来自主流的热空气重新注入到轮叶中。

本发明的目的在于提供一种解决方案，用于改善从轮叶到冷却空气的热传递。

发明内容

为此，本发明涉及一种诸如为涡轮螺桨发动机或涡轮喷气发动机的涡轮发动机的涡轮轮叶，所述轮叶包括支承叶片的根部，所述轮叶包括至少一个用于在运行期间对该轮叶进行冷却的空气流通管道，所述管道在轮叶根部处包括用于收集冷却空气的进气部分，所述进气部分延伸离开轮叶根部的与叶片相对的下表面，其特征在于，至少一个进气部分设有用于使冷却空气旋流以改善该进气部分的冷却效率的螺旋元件。

通过这种布置，被输入以冷却轮叶的空气一进入轮叶根部就立即进行旋转，以在该空气在轮叶根部中的路径的最开始就有助于增强与轮叶的热交换。

本发明进一步涉及一种由此限定的通过模制得到的轮叶，并且其中每个螺旋元件被与轮叶一起模制。

本发明进一步涉及一种由此限定的通过增材制造得到的轮叶。

本发明进一步涉及一种由此限定的轮叶，包括经校准的板，该板包括用于调整吸入空气流在每个管道中的流率的孔，所述板被固定至轮叶的下表面，并且其中每个螺旋元件通过被刚性地固定至所述板而由所述经校准的板支承。

本发明进一步涉及一种由此限定的轮叶，其中，经校准的板通过焊接或钎焊被固定至轮叶根部的下表面。

本发明进一步涉及一种由此限定的轮叶，包括螺旋元件，该螺旋元件具有介于其所装备的进气部分的高度的百分之二十到百分之百的范围内的高度。

本发明进一步涉及一种由此限定的轮叶，包括螺旋元件，该螺旋元件具有介于三十度到一千零八十度的范围内的总扭转角度。

本发明进一步涉及一种由此限定的轮叶，包括螺旋元件，该螺旋元件具有非固定不变的节距，该节距从所述元件的基部到所述元件的顶部递减。

本发明还涉及一种包括由此限定的轮叶的涡轮发动机的涡轮。

本发明还涉及一种包括由此限定的涡轮的涡轮发动机。

附图说明

上文所描述的图1示出了根据现有技术的双路式涡轮喷气发动机的截面侧视图；

图2为涡轮喷气发动机的涡轮的高压轮叶的整体透视图(perspectiveoverview)；

图3为均匀的螺旋形状的示意性透视图；

图4为根据本发明的轮叶的螺旋元件的透视图；

图5为示意性地示出了根据本发明的被植入到轮叶根部的进气部分中的螺旋元件的透视图；

图6为支承根据本发明的螺旋元件的板的透视图；

图7为示出了支承用于根据本发明的轮叶的螺旋元件的板的组件的透视图；

图8为示出了支承螺旋元件的板的透视图，该螺旋元件装备根据本发明的轮叶；

图9为示出了板所被焊接至的轮叶根部的下表面的透视图，所述板支承根据本发明的螺旋元件。

具体实施方式

本发明所基于的构思涉及使空气在进气期间在叶片根部处凭借一螺旋的形状进行旋转，以对回路供给旋流空气，从而改善热交换。

在图2中被给予附图标记11的这种轮叶包括根部12和叶片13，该轮叶经由该根部被紧固至未示出的涡轮盘，该叶片由所述根部12支承，其中被称为平台的中间区域14大致平行于发动机的旋转轴线AX延伸。

叶片13沿叶展方向EV从基部15延伸至顶部16，该叶展方向接近于相对于轴线AX的径向方向，该叶片经由该基部被连接至平台14。该叶片从前缘18纵向地延伸至后缘19，该前缘和后缘平行于叶展方向EV，前缘18对应于位于叶片13的上游的区域AM，后缘19对应于该叶片的下游区域AV，该上游区域和该下游区域是相对于流体的流动方向。

轮叶11，即由根部12和叶片13与平台14构成的组件是单体的铸件，在这种情况下，该轮叶包括五个内部管道，冷却空气在该内部管道中流通。每个管道包括进气部分，该进气部分呈在根部12中延伸的光滑的圆筒形孔的形式，该圆筒形孔向外通至根部12的下表面21上，以采集空气，并且该圆筒形孔另一方面延伸至轮叶中，以形成空气流通管线。

叶片13的壁包括多个系列的通孔22、23和狭槽24，该通孔和狭槽将在所述叶片13的内部管线中流通的冷却空气排出。

五个圆筒形的进气部分在根部12中延伸并且在附图中被给予附图标记26a-26e，出于简化的目的，通过该进气部分迂回穿过叶片13的对应的管线未被示出。

五个进气部分26a-26e在根部12中延伸，该根部自身具有由其平面的下表面21、上游表面27和下游表面28以及两个侧表面29、31界定的盒形的整体形状，该下表面平行于轴线AX，该上游表面和该下游表面大致为平面的并且被定向为与轴线AX垂直。实际上，所述根部的侧表面具有带有齿的形状，由于该形状，所述根部12构成紧固件，轮叶经由该紧固件被固定至盘，下表面21是与叶片12相对的表面。

根据本发明，螺旋元件(即在图3中示出的螺旋体类型的元件32)用于被置于光滑的圆筒形进气部分中的一个或多个中，以使冷却空气在叶片根部12中的进气期间旋流。

图3中的螺旋体32具有均匀的类似于连续的螺纹形状的形状，即，具有在该螺旋体的高度上从始至终固定不变的节距。

然而，有利地，为轮叶的螺旋元件选择的形状是经优化的，以有利地使节距沿该螺旋元件的高度递减，以使得进入轮叶根部的空气以渐进的方式旋转，从而限制由该旋转引起的压力损失。在这种背景下，节距的变化不必是线性的。

被定义为螺旋元件33的边缘围绕该螺旋元件的轴线勾绘出一完整的回转所经过的高度的节距从元件的位于表面21处的基部34开始直至该元件的位于进气部分内部的顶部36递减。

换言之，所述螺旋元件33在其基部34处具有几乎为平面的形状，该形状对应于低扭转度或非常高的节距，并且相反地，该螺旋元件在其顶部36处具有对应于非常低的节距的高扭转度。

在图4所示的示例中，螺旋元件33具有等于一千零八十度的总扭转角，该总扭转角形成在该螺旋元件的整个高度上。一般而言，有利地，该总扭转角介于三十度到一千零八十度的范围内，即，介于十二分之一回转到三回转之间。

在附图所示的示例中，螺旋元件33的高度对应于圆筒形进气部分26a的高度，该高度约为相对于发动机的旋转轴线AX沿径向测量的叶片根部12的高度的一半

然而，螺旋元件的高度不必对应于进气部分的高度：该螺旋元件的高度还由限定所述螺旋元件的其它参数决定，尤其是诸如节距和该节距的基于数字操作模拟的演变规律。有利地，该高度介于进气部分的高度的百分之二十到百分之百的范围内。

一般而言，所述螺旋元件33具有对应于矩形的片的形状的形状，该矩形的片围绕相对于轴线AX为径向的轴线AR被扭曲半圈，该径向的轴线的定向接近于轮叶的叶展轴线EV的定向。如所理解的，矩形的基部板具有对应于圆筒形的进气部分的长度的长度和对应于所述部分的直径的宽度。

如图5所示，所述螺旋元件33被整合到叶片12的进气部分26b中，使得该螺旋元件的基部位于叶片根部12的表面21处，以及使得该螺旋元件的顶部位于叶片根部12的本体中，处于所述进气部分向外通至轮叶的冷却部分中所在的区域。

如图5中的情况，螺旋元件33与轮叶一起通过模制被制成，使得模制的轮叶即刻地将一个或多个螺旋元件整合至该轮叶的一个或多个进气部分26a-26e中，该一个或多个螺旋元件使冷却空气旋转以增强该冷却的效率。

为了简化生产，以及还为了将元件整合至无该元件的轮叶中，有利地，如图6所示，所述螺旋元件33被经校准的板37支承，如在图9中示意性地示出的，在模制所述轮叶12的本体之后，该经校准的板被添加和焊接在轮叶根部12的表面21上。

如图6所示，这种经校准的板37具有平面的矩形形状，该平面的矩形形状针对每个进气部分26a-26e包括对应的孔38a-38e，孔具有截面，该截面的面积是经校准的，以关于运行限制调整进入每个进气部分26a-26e的空气流的流率。

螺旋元件33的基部34延伸到板37的孔38a的内部，以将该孔分为两部分，这两部分的截面是相同的，并且所述螺旋元件33相对于所述板37延伸，使得该螺旋元件的扭转轴线被定向成大致垂直于在附图中示出的示例中的轴线。

在安装组件和例如通过将所述板37的边缘焊接至表面21(如图9所示)的焊钉39-48将板37紧固至根部12的表面21之前，螺旋元件33和板37可以是通过焊接被固定至彼此的单独的元件。在这种情况下，螺旋元件的基部34的端部被焊接至对应的经校准的孔的内边缘，以将所述元件紧固至板。

如图7所示，板37与其一个或多个螺旋元件33的组件包括：使该板呈面对表面21，以使每个螺旋元件接合在对应的进气部分中，直至板37与表面21发生接触为止。之后板可被焊接至表面21。

在附图示出的示例中，轮叶设有单个装备进气部分26b的螺旋元件33，然而，轮叶也可设有多个螺旋元件，该多个螺旋元件装备该轮叶的根部包括的不同进气部分中的全部或一部分。这些螺旋元件可与轮叶本体一起被模制或者随后被固定至该轮叶本体。

在多个螺旋元件的情况下，这多个螺旋元件可具有不同的特征，尤其是关于这多个螺旋元件的扭转角度、这多个螺旋元件从基部到其各自的顶部的扭转演变以及这多个螺旋元件的高度。这些特征通过计算或模拟来确定，以对每个进气部分进行冷却优化。因此，轮叶在每个进气部分中可包括一个螺旋元件，并且每个螺旋体可以与其它的螺旋体不同。

螺旋元件例如可通过扭转矩形金属元件板材而被单独生产并且通过焊接被固定至经校准的板。还可通过对轮叶进行增材制造来直接得到该螺旋元件，或者该螺旋元件可与经校准的板一起通过铸造或增材制造被制成为单个部件。

对由用于固定至轮叶根部的经校准的板支承的螺旋元件进行选择尤其使得现有的轮叶能够设有螺旋元件，而不需要对轮叶本体的涉及进行修改。

如所理解的，一旦空气被吸入则螺旋元件使该空气在叶片根部中旋转，以使所述空气旋流，从而通过在管道中引入湍流来增强发生在该管道中的热交换。因此，包括在穿过叶片根部的进气部分中的这些热交换被改善，这提供了包括使所述叶片的冷却更均匀，因此有助于增强该叶片的机械强度的益处。

Claims (10)

1.诸如为涡轮螺桨发动机或涡轮喷气发动机的涡轮发动机的涡轮轮叶(11)，所述轮叶(11)包括支承叶片(13)的根部(12)，所述轮叶(11)包括至少一个用于在运行期间对所述轮叶进行冷却的空气流通管道，所述管道在所述轮叶根部(12)处包括用于收集冷却空气的进气部分(26a-26e)，所述进气部分(26a-26e)延伸离开所述轮叶根部(12)的与所述叶片(13)相对的下表面(21)，其特征在于，至少一个进气部分(26a-26e)设有用于使所述冷却空气旋流以改善所述进气部分的冷却效率的螺旋元件(33)。

2.根据权利要求1所述的轮叶，所述轮叶通过模制得到，并且其中，每个螺旋元件(33)被与所述轮叶(11)一起模制。

3.根据权利要求1所述的轮叶，所述轮叶通过增材制造得到。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的轮叶，包括经校准的板(37)，所述板包括用于调整吸入空气流在每个管道中的流率的孔(38a-38e)，所述板被固定至所述轮叶(12)的下表面(21)，并且其中，每个螺旋元件(33)通过被刚性地固定至所述板(37)而由所述经校准的板(37)支承。

5.根据权利要求4所述的轮叶，其中，所述经校准的板(37)通过焊接或钎焊被固定至所述轮叶根部(12)的下表面。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的轮叶，包括螺旋元件(33)，所述螺旋元件具有介于其所装备的所述进气部分(26a-26e)的高度的百分之二十到百分之百的范围内的高度。

7.根据前述权利要求中任一项所述的轮叶，包括螺旋元件(33)，所述螺旋元件具有介于三十度到一千零八十度的范围内的总扭转角度。

8.根据前述权利要求中任一项所述的轮叶，包括螺旋元件(33)，所述螺旋元件具有非固定不变的节距，所述节距从所述元件的基部(34)到所述元件(33)的顶部(36)递减。

9.一种涡轮发动机的涡轮，所述涡轮包括根据前述权利要求中任一项所述的轮叶。

10.涡轮发动机，所述涡轮发动机包括根据前一项权利要求所述的涡轮。