CN110873075B - 用于涡轮机的压缩机的具有突起的叶片 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮发动机压缩机叶片(26)，所述叶片(26)包括前缘(40)、尾缘(42)、吸力表面(44)和压力表面(46)，其中，所述叶片包括至少一个不规则部(52)，所述至少一个不规则部具有从吸力表面(44)或从压力表面(46)的突出突起的形式，或者凹陷在吸力表面(44)中或压力表面(46)中的凹部的形式。所述不规则部(52)可具有基本上平行于前缘(40)或基本轴向的最长尺寸方向。

Description

用于涡轮机的压缩机的具有突起的叶片
技术领域
本发明涉及轴流式涡轮机领域，具体涉及飞机涡轮喷气发动机的压缩机。更具体地，本发明涉及用于轴流式涡轮机的叶片的特定设计。
背景技术
在轴流式涡轮机的压缩机中，可能发生空气动力学损失。例如，在护罩附近的流动与在叶片附近偏转的流动之间的一些干扰引起所谓的“次级”现象，这导致损失和不稳定性(“尖端泄漏涡”、“角失速”......)。
为了减轻这种现象，已经开发了不同的叶片形状，例如具有“扫掠”或“弓形”效果，使叶片轴向或周向延伸。
还已知在支撑叶片的内护罩或外护罩上设置突起。这一原理通常采用“轮廓”或“3D轮廓”的名称，因为它包括对护罩轮廓的修改。因此，可以在两个相邻叶片之间的导流表面上设计空心或凸起。
文献US2013/0101409A1描述了一种轮廓的示例，其中在叶片和套圈之间的接合处设置突起。在这一突起的下游延伸部中，在尾缘处的叶片的吸力表面上布置凸起。然而，这种设计存在改进压缩机的效率的可能空间。
发明内容
技术问题
本发明旨在最小化空气动力学损失，以便提高涡轮机的效率，特别是在最小化在压缩机叶片处的损失。
技术方案
本发明涉及一种用于轴流式涡轮机的压缩机的叶片，所述叶片包括前缘、尾缘、吸力表面和压力表面，所述叶片具有高度，并且还包括至少一个不规则部，所述至少一个不规则部具有从吸力表面或从压力表面突出的突起形式，或者具有凹陷在吸力表面中或压力表面中的凹部的形式，所述不规则部具有最长尺寸方向，该方向基本平行于前缘，所述不规则部具有沿着所述方向的深度或厚度变化，其中，所述不规则部的具有最大的厚度或最大的深度的点具有在叶片的高度的25至75％的径向位置。
不规则部可以是叶片相对于名义轮廓的增厚或变薄部。在三个空间方向上，不规则部是连续和渐进的。
由于前缘可以是弯曲的，为了限定其取向，可以适当地参考其平均方向。
最大厚度或深度是不规则部的表面与没有不规则部的情况下的吸力或压力表面的名义理论表面之间的最大距离。本申请可以无差别地使用术语厚度或最大深度以及“幅度”。
根据本发明的优选实施例，所述不规则部具有的最大厚度或深度的点具有沿着弦线从前缘测量的在弦线的0至30％的位置。
根据本发明的优选实施例，所述不规则部具有更大尺寸方向，该方向相对于前缘的平均方向形成0至20°的角度。
本发明还涉及一种用于轴流式涡轮机的压缩机的叶片，所述叶片包括前缘、尾缘、吸力表面和压力表面，所述叶片包括具有径向外半部的高度，并且还包括与叶片一体且用于引导涡轮机的空气流的至少一个不规则部，所述至少一个不规则部具有从吸力表面或从压力表面突出的突起形式，或者凹陷在吸力表面中或压力表面中的凹部的形式，所述不规则部被限制到叶片的径向外半部，且具有基本上轴向的最长尺寸方向。
根据本发明的优选实施例，所述不规则部的具有最大厚度或深度的点具有径向位置，该径向位置在叶片的高度的70％至100％。
根据本发明的优选实施例，所述不规则部的具有最大厚度或深度的点具有沿着弦线从前缘测量的在弦线的0至50％的位置。
换言之，这一情况中的不规则部主要在叶片的上游部分。
根据本发明的优选实施例，所述不规则部具有更大尺寸方向，该方向相对于前缘的主方向形成45至90°的角度。
根据本发明的优选实施例中，不规则部的形状因子(长度比宽度)大于二。
形状因子是最长尺寸方向上的不规则部尺寸与第二长尺寸方向上的尺寸之间的比率。不规则部的尺寸可以沿着压力或吸力表面以曲线方式测量。
根据本发明的优选实施例，叶片包括限定叶片的径向端部的根部和头部，不规则部距离叶片的根部和头部至少5％的叶片的径向高度。
因此，不规则部远离叶片的套圈之间的结合部。
根据本发明的优选实施例，根据吸力表面或压力表面的法线测量的不规则部的最大厚度或深度在具有最大厚度或深度的不规则部分的点的位置处是叶片厚度的1％至15％。
实际中，不规则部的幅度因此可以在几个百个之一毫米和最多1或2mm之间。
根据本发明的优选实施例，所述不规则部是不对称的，所述不规则部在最长尺寸方向上的中点优选地在具有最大厚度或深度的所述点的上游。这一形状使得可以从上游到下游逐渐地偏转气流。
根据本发明的优选实施例，所述不规则部主要沿着可能是S形的非线性方向延伸。因此，在吸力或压力表面处从周向或法线方向观察时，不规则部可以具有S形状。
根据本发明的优选实施例，所述不规则部具有变化的宽度。不规则部的上游可以具有比下游更大的宽度，反之亦然。其上游宽度和下游宽度之间的差可以至少为20％。
根据本发明的优选实施例，不规则部包括多个点，其中不规则部的厚度或深度最大。因此，不规则部可包括平行于吸力表面或压力表面的曲线或表面，从而形成平台。
根据本发明的优选实施例，不规则部与吸力或压力表面形成连续且可导的表面。因此，无论在不规则部本身上，还是在不规则部和吸力或压力表面之间的结合部处，均不存在没有角度点或角度边缘，并且在三个空间方向上均是如此。
叶片可以通过增材制造工艺制造。
特别地，增材制造使得可以获得通过常规方法(塑性变形或机加工)不能获得的不规则部形式。
本发明还涉及一种涡轮机的压缩机，包括至少一排转子叶片和至少一排定子叶片，该压缩机根据上述实施例之一。
根据本发明的优选实施例，叶片由内套圈和/或外套圈承载，所述套圈在周向相邻地两个叶片之间具有规则的圆柱形或圆锥形表面。
规则表面指不具有不规则部的表面。仅叶片的吸力或压力表面设置(多个)不规则部。
根据本发明的优选实施例，压缩机包括两个根据上述实施例所述的叶片，所述两个叶片沿周向彼此相邻布置，并且其中所述两个叶片中的一个在面对所述两个叶片中的另一个的吸力表面上具有不规则部，并且所述两个叶片中的另一个在面向所述两个叶片中的一个叶片的压力表面上具有不规则部，在所述两个叶片的一个的吸力表面上的不规则部形成第一表面，并且在所述两个叶片中的另一个的压力表面上的不规则部形成第二表面，第一和第二表面至少部分地彼此平行，或者至少部分地为彼此围绕压缩机的轴线旋转之后的图形。
根据上述变型之一，压缩机可包括至少五十个，或八十个或一百个叶片。
除非另外未明确提及，否则每个实施例的各种特征可以根据所有可能的技术组合与另一实施例的任何其他特征组合。
特别地，，叶片可包括根据在其吸力和压力表面上出现的变型例的若干不规则部。
有益效果
本发明使得可以改变通道中的流动的方向。不规则部倾向于防止气流从叶片脱离。通过压缩机的流速可以增加压力，同时避免泵送现象。
本发明还提供了更简单、更耐用和更轻便的技术解决方案。
本发明中提出的设计还允许增加叶片的机械和空气动力学稳定性。
附图说明
图1显示根据本发明的轴流式涡轮机；
图2是根据本发明的涡轮机的压缩机的示意图；
图3示出了根据本发明的叶片的等距视图，该叶片在其吸力表面上具有不规则部；
图4显示在垂直于叶片的主方向的平面中的图3的叶片的截面；
图5A至5D示出多种不规则部地示例；
图6是具有两个相邻叶片的压缩机部件。
具体实施方式
在以下描述中，措辞“内部”和“外部”是指相对于轴流式涡轮机的旋转轴线的定位。轴向方向对应于沿涡轮机的旋转轴线的方向。径向方向垂直于旋转轴线。上游和下游参考涡轮机中的流动的主要方向。长度是元件的最大尺寸，宽度是其第二大尺寸。
应该注意，附图以及特别是表示叶片的突起或凹部的那些未按比例绘制，并且可夸大尺寸以更清楚地表示本发明的一些方面。
图1是轴流式涡轮机的简化表示。在这一情况下，其是双流涡轮喷气发动机2。
涡轮喷气发动机2包括称为低压压缩机4的第一压缩级，称为高压压缩机6的第二压缩级，燃烧室8和一级或多级涡轮机10。在操作中，通过中心轴传递到转子12的、涡轮机10的机械动力驱动两个压缩机4和6运动。后者包括与成排定子叶片相关联的若干排转子叶片。转子围绕其旋转轴线14的旋转使得因此可以产生气流，并且逐渐压缩气流直到其到达燃烧室8。
入口风扇16可通过行星减速齿轮(未示出)联接到转子12，并产生空气流，该空气流分流成穿过涡轮机的各个上述级的主流18，以及沿着涡轮机穿过环形管道(部分示出)然后在涡轮机出口处连接主流的副流20。
可以加速副流以产生飞行器飞行所需的推力反作用。主流18和副流20是同轴的环形流。它们由涡轮机壳体和/或套圈(ferrule)引导。
图2是如图1中的轴流式涡轮机的压缩机的截面图。压缩机可以是低压压缩机4。在图2中可以看到风扇16的一部分以及主流18和副流20的分离喷嘴22。
转子12包括若干排转子叶片24，在这种情况下为三排。它可以是带叶片的单件式滚筒，也可以包括燕尾式安装的叶片。转子叶片24可以从单个平台径向延伸，或者从转子12的内环25径向延伸。
低压压缩机4包括多个整流器，在这种情况下为四个，每个整流器包含一排定子叶片26。整流器与风扇16或一排转子叶片相关联以使气流变直，从而将流速转换成压力，特别是转换成静压。
定子叶片26基本上从外壳28径向延伸，并且可以固定到其上并通过轴30保持固定。或者，叶片可以胶合或焊接。它们径向穿过主流18。它们的叶片可以穿过外壳28的环形壁。在同一排内，定子叶片26彼此规则地间隔开并且在流18中具有相同的角度取向。它们的弦线可以相对于旋转轴线14具有固定的倾斜度。有利地，同一排的叶片相同且对齐。每排叶片26、24可包括五十个到一百个或一百二十个单元。
内套圈32可以悬挂在定子叶片26的内端处。内套圈32可与转子12紧密协作，以提高压缩机4的压缩比。
图3以等距视图示出了根据本发明的叶片26的第一示例。叶片26包括前缘40、尾缘42、吸力表面44和压力表面46(图3中不可见)。这些表面44、46是弯曲的并且从前缘40延伸到尾缘42。叶片的表示是示意性的，并且吸力表面和压力表面的拱度不一定是按比例的。这里，本发明特别针对定子叶片26进行描述，但可以在转子叶片上设置相同类型的不规则部。
前缘40在标记为A的平均方向上延伸。它可以基本上是径向的。
叶片26从称为根部48的内径端部向称为头部50的外径端部延伸高度H。
在这一示例中，叶片26包括在吸力表面上呈突起形式的不规则部52。其在最长尺寸B的方向上延伸长度L，该方向在该示例中平行于轴线14。横向地，也就是说根据叶片26的径向高度，突起52延伸宽度I。E点是突起的最高点。
点E的径向位置可以通过参数RE相对于叶片48的根部径向地标记。根据本发明的各种实施方式，RE可以是25至75％的H或70至100％的H。其他位置是可能的，例如0至30％。
点F位于突起52的中心，也就是说，它沿着长度L的轴线B将突起52分成两个相等的部分。
突起52使用等高线表示，以显示其变化。
叶片26在其根部48处固定到内壳32或套圈。壳体32是轴对称的。在壳体的每个点处，它具有围绕轴线14的恒定半径。套圈32没有不规则部。或者，可以在套圈32上设置凸起或中空型的不规则部。
图4是垂直于图3的方向A的平面中且穿过点E的截面图。对于图3中的特定叶片26，这一平面包括指示方向B的直线。
图4示出了不规则部52的两个示例：吸力表面44上的突起和压力表面46上的凹部。应注意，本发明不限于这种类型的构造，并且可以将吸力表面44和压力表面46设置为不具有任何一个或多个凹部/突起。而且，吸力和压力表面的不规则部不限于位于同一平面中，为了简化起见，这里两者都表示为处于叶片26的同一截面中。
点E代表不规则部52的顶部。这是法向于吸力表面测量的距离e，e限定了不规则部相对于吸力表面的厚度或幅度。
不规则部在长度L上延伸。长度L可以根据在没有不规则部的情况下的吸力表面44的名义线(虚线)以曲线方式(curvilinear manner)测量。
F点是不规则部的中心，其在纵向上的一半处。对于某些形式的不规则部，点E和F可以是相同的。
压力表面侧46的不规则部52示出了凹部的深度p。可以使用相同的参数E、F、L(未示出)。
弦是将前缘40连接到尾缘42的直线。这里记录弦的长度C。点E的位置可以通过此处标记的参数XE在弦上标示。
根据本发明的各种实施方式，XE可以是0至30％的C或0至50％的C。其他位置也是可以的，例如50至70％。
图5A至5D在法向于吸力表面44的视图中示出了可由叶片26的吸力表面44或压力表面46接收的不规则部52的其他示例。每个示例可以单独地或与其他不规则部组合而适应于吸力表面或压力表面。所示的形状可以无差别地应用于突起或凹部。当叶片包括多个不规则部时，它们可以是不连续的或彼此相连地延伸。例如，凹部可以跟随在突起之后，反之亦然。
图5A描述了叶片26的头部50附近的不规则部52的示例。不规则部52与前缘40形成大约30°的角度，并且点E位于叶片的轴向中间，且位于叶片高度的约75％处。
图5B描绘了不规则部52，其基本平行于前缘40。在这一示例中，不规则部52的高度延伸的长度为叶片高度的约一半。
图5C示出了另一不规则部52，其示出不规则部的宽度在不规则部52的整个范围内可以不是恒定的。在这一示例中，不规则部52具有水滴形状。三角形或梯形也是可以的。最大宽度可以在上游或下游。
图5D示出了一种变型，其中不规则部52具有非线性的主方向。在这种特殊情况下，不规则部显示为S形曲线。这种不规则部使得可以在低压和高压压缩机之间的鹅颈形部分之前径向地会聚流动，例如在压缩机的下游部分。
图6以径向投影图示出了压缩机的两个相邻叶片。叶片分别具有彼此面对的突起和凹部52。限定这些相对的不规则部的几何表面至少部分是相同的，一个是另一个围绕轴线14旋转而得的图形，或者沿垂直于半径的轴线平移而得的图形。因此，两个叶片可以以相同的方式至少部分地引导流动。

Claims (19)

1.一种用于轴流式涡轮机(2)的压缩机(4、6)的叶片(26)，所述叶片(26)包括前缘(40)、尾缘(42)、吸力表面(44)和压力表面(46)，所述叶片具有高度(H)，并且还包括凹陷在吸力表面(44)中的仅一个凹部(52)，所述凹部(52)具有平行于前缘(40)的最长尺寸方向(B)，所述凹部(52)具有所述叶片的高度一半的高度且被布置为相比于尾缘更接近前缘，所述凹部(52)具有沿着所述方向(B)的深度变化，其中，所述凹部(52)的具有最大深度的点(E)具有在叶片(26)的高度(H)的25％至75％的径向位置(RE)，所述叶片具有径向外半部，并且还包括从所述吸力表面(44)或所述压力表面(46)突出的仅一个突起，所述突起仅布置在所述叶片(26)的径向外半部中，并且具有轴向的最长尺寸方向。
2.根据权利要求1所述的叶片(26)，其中，所述凹部(52)的具有最大深度的点(E)具有沿着弦线从前缘(40)测量的在弦线(C)的0至30％的位置(XE)。
3.根据权利要求1所述的叶片(26)，其中，所述叶片(26)包括限定所述叶片(26)的径向端部的根部(48)和头部(50)，所述凹部(52)距离根部(48)和叶片头部(50)至少5％的叶片(26)的径向高度(H)。
4.根据权利要求1所述的叶片(26)，其中，根据吸力表面(44)或压力表面(46)的法线测量的凹部(52)的最大深度(p)是叶片(26)在凹部(52)的最大深度的点(E)的位置处的厚度的1％至15％。
5.根据权利要求1所述的叶片(26)，其中，所述凹部(52)是不对称的，所述凹部(52)在最长尺寸方向(B)上的中点(F)在具有最大厚度或深度的所述点(E)的上游。
6.根据权利要求1所述的叶片(26)，其中，所述凹部(52)包括多个点(E)，对于所述多个点，所述凹部(52)的厚度或深度最大。
7.根据权利要求1所述的叶片(26)，其中，所述凹部(52)具有宽度变化。
8.一种涡轮机(2)的压缩机(4；6)，包括至少一排转子叶片(24)和至少一排定子叶片(26)，所述至少一排转子叶片(24)或所述至少一排定子叶片(26)中的至少一个叶片是根据权利要求1至7中任一项所述的叶片。
9.根据权利要求8所述的压缩机(2、4)，具有两个根据权利要求1至7中任一项所述的叶片，所述两个叶片沿周向彼此相邻布置，并且其中，所述两个叶片中的一个在面对所述两个叶片中的另一个的吸力表面(44)上具有凹部(52)，并且所述两个叶片中的所述另一个在面向所述两个叶片中的所述一个的压力表面(46)上具有凹部(52)，在所述两个叶片中的所述一个的吸力表面(44)上的凹部(52)形成第一表面，并且在所述两个叶片中的所述另一个的压力表面(46)上的凹部(52)形成第二表面，第一表面和第二表面至少部分地彼此平行，或者至少部分地是彼此围绕压缩机(2,4)的轴线(14)旋转之后而得的图形。
10.一种用于轴流式涡轮机(2)的压缩机(4、6)的叶片(26)，所述叶片(26)包括前缘(40)、尾缘(42)、吸力表面(44)和压力表面(46)，所述叶片包括具有径向外半部的高度(H)，并且还包括与叶片(26)一体且用于引导涡轮机的空气流的至少一个不规则部(52)，所述至少一个不规则部(52)具有从吸力表面(44)或从压力表面(46)突出的突起形式，所述不规则部(52)被限制到叶片(26)的径向外半部，且具有轴向的最长尺寸方向(B)，具有最大厚度的所述不规则部(52)的具有沿着弦线从前缘(40)测量的在弦线(C)的0至50％的位置(XE)。
11.根据权利要求10所述的叶片(26)，其中，所述不规则部(52)的具有最大厚度的点(E)具有径向位置(RE)，该径向位置(RE)在叶片(26)的高度(H)的70％至100％。
12.根据权利要求10所述的叶片(26)，其中，所述不规则部(52)具有最长尺寸方向(B)，所述最长尺寸方向(B)与前缘(40)的平均方向(A)形成45°至90°的角度。
13.根据权利要求10所述的叶片(26)，其中，所述叶片(26)包括限定所述叶片(26)的径向端部的根部(48)和头部(50)，所述不规则部(52)距离根部(48)和叶片头部(50)至少5％的叶片(26)的径向高度(H)。
14.根据权利要求10所述的叶片(26)，其中，根据吸力表面(44)或压力表面(46)的法线测量的不规则部(52)的最大厚度(e)是叶片(26)在不规则部(52)的最大厚度或深度的点(E)的位置处的厚度的1％至15％。
15.根据权利要求10所述的叶片(26)，其中，所述不规则部(52)是不对称的，所述不规则部(52)在最长尺寸方向(B)上的中点(F)在具有最大厚度的所述点(E)的上游。
16.根据权利要求10所述的叶片(26)，其中，所述不规则部(52)包括多个点(E)，对于所述多个点，所述不规则部(52)的厚度或深度最大。
17.根据权利要求10所述的叶片(26)，其中，所述不规则部(52)具有宽度变化。
18.一种涡轮机(2)的压缩机(4；6)，包括至少一排转子叶片(24)和至少一排定子叶片(26)，所述至少一排转子叶片(24)或所述至少一排定子叶片(26)中的至少一个叶片是根据权利要求10至17中任一项所述的叶片。
19.根据权利要求18所述的压缩机(2、4)，具有两个根据权利要求1至17中任一项所述的叶片，所述两个叶片沿周向彼此相邻布置，并且其中，所述两个叶片中的一个在面对所述两个叶片中的另一个的吸力表面(44)上具有不规则部(52)，并且所述两个叶片中的所述另一个在面向所述两个叶片中的所述一个的压力表面(46)上具有不规则部(52)，在所述两个叶片中的所述一个的吸力表面(44)上的不规则部(52)形成第一表面，并且在所述两个叶片中的所述另一个的压力表面(46)上的不规则部(52)形成第二表面，第一表面和第二表面至少部分地彼此平行，或者至少部分地是彼此围绕压缩机(2,4)的轴线(14)旋转之后而得的图形。
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