CN112412873A - 具有弦向叶片厚度变化的叶轮 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有弦向叶片厚度变化的叶轮。一种用于离心压缩机的叶轮，所述叶轮包括：限定了旋转轴线的轮毂，所述叶轮能够绕所述旋转轴线旋转；以及从所述轮毂延伸的叶片，所述叶片具有前缘、后缘以及在所述前缘和所述后缘之间限定的弦、所述叶片的压力侧以及所述叶片的与所述压力侧相对的吸力侧、在所述压力侧和所述吸力侧之间横向限定的叶片厚度，所述叶片厚度在所述弦的至少下游40%上减小，所述叶片厚度在所述后缘处具有介于所述叶片厚度的最大厚度值的40%和80%之间的后缘厚度值。

Description

具有弦向叶片厚度变化的叶轮
技术领域
本申请总体上涉及燃气涡轮发动机的离心压缩机，并且更具体而言，涉及这种离心压缩机的叶轮。
背景技术
离心压缩机通常由至少两个主要部件构成，即：叶轮和扩散器。该叶轮包括轮毂，其被安装到驱动轴，以便随之一起旋转。该叶轮的叶片（即，blade）从轮毂延伸，并且被布置成使轴向引导的引入气流径向向外朝向位于该叶轮下游的扩散器重定向。然而，应力可能会被施加在该叶轮上，通常施加在轮毂中或附近。这样的应力集中可能会不利地影响该叶轮的寿命。同时，叶片的大体积（vane bulk）通常被认为不利于从叶轮传递到扩散器的流的空气动力学特性，因而使得在解决应力集中问题时，加大尺寸的方法是不可取的。因此，仍然需要改进。
发明内容
在一个方面，提供了一种用于离心压缩机的叶轮，所述叶轮包括：限定了旋转轴线的轮毂，所述叶轮能够绕所述旋转轴线旋转；以及从所述轮毂延伸的叶片，所述叶片具有前缘、后缘以及在所述前缘和所述后缘之间限定的弦、所述叶片的压力侧以及所述叶片的与所述压力侧相对的吸力侧、在所述压力侧和所述吸力侧之间横向限定的叶片厚度，所述叶片厚度在所述弦的至少下游40%上减小，所述叶片厚度在所述后缘处具有介于所述叶片厚度的最大厚度值的40%和80%之间的后缘厚度值。
如本文所述的叶轮还可整体或部分地包括以下附加特征中的一个或多个。
其中，0%弦位置被限定在所述前缘处，并且100%弦位置被限定在所述后缘处，所述后缘厚度值为所述100%弦位置处的厚度值，所述100%弦位置处的厚度值在所述最大厚度值的45%和75%之间。
其中，所述100%弦位置处的厚度值为介于所述最大厚度值的50%和75%之间的厚度值。
其中，所述100%弦位置处的厚度值为介于所述最大厚度值的45%和55%之间的厚度值。
其中，所述100%弦位置处的厚度值为介于所述最大厚度值的60%和70%之间的厚度值。
其中，所述100%弦位置处的厚度值为介于所述最大厚度值的60%和75%之间的厚度值。
其中，所述100%弦位置处的厚度值为介于所述最大厚度值的65%和70%之间的厚度值。
其中，所述100%弦位置处的厚度值为介于所述最大厚度值的70%和75%之间的厚度值。
其中，所述叶片厚度在90%弦位置处具有介于所述最大厚度值的50%和90%之间的厚度值。
如权利要求9所述的叶轮，其中，所述90%弦位置处的厚度值为介于所述最大厚度值的55%和80%之间的厚度值。
其中，所述90%弦位置处的厚度值为介于所述最大厚度值的55%和65%之间的厚度值。
其中，所述90%弦位置处的厚度值为介于所述最大厚度值的70%和80%之间的厚度值。
其中，所述90%弦位置处的厚度值为介于所述最大厚度值的85%和90%之间的厚度值。
其中，所述最大厚度值处于所述弦的上游50%内。
在另一个方面，提供了一种用于涡轮发动机的离心压缩机，所述离心压缩机包括：扩散器，其构造成设置在所述涡轮发动机的入口壳体的下游；以及处于所述扩散器的上游的叶轮，所述叶轮包括轮毂和从所述轮毂延伸的叶片，所述叶片具有前缘、后缘以及在所述前缘和所述后缘之间限定的弦、所述叶片的压力侧以及所述叶片的与所述压力侧相对的吸力侧、在所述压力侧和所述吸力侧之间横向限定的叶片厚度，所述叶片厚度在所述弦的至少下游40%上减小，所述叶片厚度在所述后缘处具有介于所述叶片厚度的最大厚度值的40%和80%之间的后缘厚度值。
在另一方面，提供了一种用于飞机的涡轮发动机，所述涡轮发动机包括：入口；以及设置在所述入口的下游的离心压缩机，所述离心压缩机包括叶轮和处于所述叶轮的下游的扩散器，所述叶轮包括轮毂和从所述轮毂延伸的叶片，所述叶片具有前缘、后缘以及在所述前缘和所述后缘之间限定的弦、所述叶片的压力侧以及所述叶片的与所述压力侧相对的吸力侧、在所述压力侧和所述吸力侧之间横向限定的叶片厚度，所述叶片厚度在所述弦的至少下游40%上减小，所述叶片厚度在所述后缘处具有介于所述叶片厚度的最大厚度值的40%和80%之间的后缘厚度值。
附图说明
现在参考附图，其中：
图1是燃气涡轮发动机的示意性剖视图；
图2是具有叶轮和下游扩散器的从图1中的区域II截取的图1的燃气涡轮发动机的离心压缩机的一部分的放大剖视图；
图3是沿燃气涡轮发动机的纵向中心轴线的方向Z观察的图2的离心压缩机的一部分的局部横向剖视图；
图4是图3的叶轮的一部分的透视示意图；以及
图5是图示了叶轮弦向叶片厚度变化的曲线图。
具体实施方式
图1图示了优选地设置成用于跨音速飞行中的类型的燃气涡轮发动机10，其通常包括串流连通的以下部件，即：通过其来推进周围空气的风扇12；用于加压该空气的压缩机部段14；燃烧器16，压缩空气在其中与燃料混合并被点燃以便产生热燃烧气体的环形流；以及用于从燃烧气体中提取能量的涡轮部段18。尽管发动机10是涡轮风扇燃气涡轮发动机10，但是应当理解，本技术也适用于其他类型的燃气涡轮发动机。对于本申请而言特别关注的是，压缩机部段14包括至少一个离心压缩机组件20，该离心压缩机组件20通常包括叶轮22和处于叶轮22下游的扩散器40。
参考图2，离心压缩机组件20包括叶轮22，该叶轮22固定到中心轴24，并且可与该轴24一起在压缩机组件20的固定叶轮护罩28内绕中心轴线26旋转。叶轮22包括中心轮毂30，该中心轮毂30限定了穿过其的孔31，该孔31与轴线26共线。叶轮22还包括多个叶片32，这些叶片32围绕轮毂30和孔31设置，并且径向向其外部延伸，以限定叶轮22的径向周缘。叶片32和周围的护罩28被成形为使进入的轴向流动的流体流34径向向外重定向大约九十度，从而相对于轮毂30径向向外地促动流体流34，并且增加流体流34的速度。尽管不是必需的，但在一些实施例中，轮毂30和该多个叶片32形成单件。因此，在叶轮护罩28的内表面36和轮毂30的外表面38之间，沿叶片32并且通过叶片32，通过压缩机组件20限定了环形流体路径。
仍然参考图2，扩散器40包括扩散器壳体42，其限定了围绕压缩机组件20的出口空间46的周缘的周向入口空间44。如在图3中最佳地看到的，扩散器40包括从入口空间44穿过扩散器壳体42限定的一系列成角度的通道48，每个通道48被限定在相邻的扩散器叶片或叶片岛（vane island）50之间（图3）。扩散器40可以是叶片型扩散器，或者可包括多个扩散器管。替代的扩散器几何形状也是可能的，例如包括具有无叶片入口空间的扩散器。尽管不是必需的，但在一个特定的实施例中，扩散器壳体42是单一的加工部件。
现在转到图3，现在将关于该叶轮的叶片32中的叶片32a来更详细地描述叶片32。应当理解的是，当前对叶片32a的描述作必要的修改后与叶轮22的叶片32中的其余叶片是一致的。叶片32a具有彼此相对的压力侧52和吸力侧54。该压力侧52和吸力侧54从轮毂30的外表面38延伸，从而限定叶片32a的根部，该根部形成在轮毂30的外表面38与叶片32a的压力表面52和吸力表面54之间的接合处。叶片32a从其根部延伸到叶片32a的外部自由端，该外部自由端与外表面38隔开，以在给定的弦位置处限定叶片的高度。叶片32a还具有前缘56和后缘58。该前缘56和后缘58在压力表面52与吸力表面54之间的接合处从叶片32a的根部延伸到自由端。前缘56形成叶片32a的上游端。如在图3中最佳地看到的，在一些实施例中，压力侧52和吸力侧54会聚，以便限定前缘56。后缘58形成该叶片的下游端。
叶片32a的真实弦60被定义为沿循叶片翼型的压力侧52和/或吸力侧54在前缘56和后缘58之间延伸的弦线，并且在轮毂30处（即，在该叶片的压力侧或吸力侧与轮毂30的外表面38之间的接合处）测量。在图3中，弦60被示出为在叶片32a的根部处在压力侧52和吸力侧54中间延伸。在其他实施例中，弦60可另外在根部和自由端中的任一者处在叶片32a的压力侧52或叶片32a的吸力侧54中的任一者旁边沿循叶片32a。在压力侧52和吸力侧54之间限定叶片厚度。该叶片厚度可在叶片32a的根部处在压力侧52和吸力侧54之间横向于弦60测量。在其他实施例中，该叶片厚度可替代地在叶片32a的外部自由端处测量。该叶片厚度包括：在后缘58处测量的后缘厚度值；以及位于后缘上游的叶片上的一点处的最大厚度值。该最大厚度值大于该后缘厚度值。根据图3，可以理解的是，叶片32a的具有该最大厚度值的部分基本上处于后缘58的上游，并且实际上，该最大厚度值可被设置在叶片的上游半部内。如将看到的，叶轮20的叶片32a具有在叶片32a的下游部分上不可忽视地减小的叶片厚度。
如在图4中最佳地看到的，在后缘58处，压力侧52和吸力侧54以距离58a隔开，该距离58a对应于叶片32a在轮毂30处的后缘厚度值。在叶片32a的远离轮毂的外部自由端处，压力侧52和吸力侧54以距离58b隔开，该距离58b在后缘58处可小于轮毂处的后缘厚度值58a，例如在所示的一个实施例中那样。在该一个实施例中，叶片32a在该自由端处测量的第二叶片厚度在弦60的下游部分上基本上恒定。在其他实施例中，该第二叶片厚度可在弦60的下游部分上变化。
现在转到图5，其提供了一曲线图，以便借助于与本技术的各种实施例一致的叶片32b的具体示例来更详细地描述叶片32a的叶片厚度。该曲线图描绘了根据叶片32b的弦向位置的叶片厚度。在每一个叶片32b的若干个估计的真实弦位置62（即，表示为弦60的百分比的叶片上的位置）处，绘制了归一化厚度值64的估计（即，表示为最大厚度值的百分比的测量厚度值）。因此，图5的曲线图中所描绘的每个曲线70、72、74都代表根据本技术的不同实施例的叶片32b。然而，要理解的是，这些曲线中的每一个本质上都是示例性的，并且在不脱离本公开的范围的情况下，可使用其他叶片厚度分布。在图5的曲线图中，真实弦位置62的0%弦位置66对应于叶片32b的前缘56，并且真实弦位置62的100%弦位置68对应于叶片32b的后缘58。
在该曲线图中，叶片32b的叶片厚度分别由曲线70、72和74描绘。在一些实施例中，在0%弦位置66处，叶片厚度所具有的叶片厚度值为叶片32a的最小厚度值76。在一些这样的实施例中，在0%弦位置66处，叶片厚度所具有的叶片厚度值对应于小于最大厚度值（在78处示出）的10%（并且在一个特定实施例中为大约5%）。
根据该曲线图，可以理解的是，叶片厚度至少在弦的下游40%上减小，即从60%弦位置80向下游到后缘58处的100%弦位置减小。
在60%弦位置80处，叶片厚度所具有的厚度值介于最大厚度值78的大约90%和100%之间，并且更特别地介于最大厚度值78的大约90%和大约97%之间。例如，在曲线70、72和74所描绘的实施例中，叶片在60%弦位置处相应地具有大约92%、96%和96%的厚度值。
在70%弦位置82处，叶片厚度所具有的厚度值介于最大厚度值78的大约80%和大约95%之间。例如，在曲线70、72和74所描绘的实施例中，相应地显示了大约83%、93%和93%的厚度值。
在90%弦位置84处，叶片厚度所具有的厚度值介于最大厚度值78的大约50%和95%之间，并且更特别地介于大约55%和90%之间。例如，曲线70、72和74相应地显示了大约60%、77%和90%的厚度值。
在100%弦位置68处，即在叶片的后缘处，叶片厚度所具有的厚度值介于最大厚度值78的40%和80%之间，并且更具体地介于最大厚度值78的45%和75%之间。例如，曲线70、72和74相应地显示了大约50%、66%和73%的后缘厚度值。
在一些实施例中，最大厚度值78可处于50%弦位置86上游的位置处，或者换句话说，处于叶片的上游半部内。例如，曲线70、72和74显示了它们相应的最大厚度值78通常处于15%弦位置和40%弦位置之间。
根据前述内容，可以理解的是，当与某些常规叶轮相比时，如本文所公开的在叶片32、32a、32b的厚度上的弦向减小可导致叶轮22具有更长的寿命。叶片32、32a、32b在弦60的至少下游40%上的厚度减小被布置成使得叶轮22在某些操作条件下对孔31处的应力具有期望的抵抗性。例如，厚度的减小导致叶片32、32a、32b在它们远离其根部延伸时的质量分布，从而在该根部处产生期望的惯性载荷。在该减小的上游，叶片32、32a、32b的包括其具有最大叶片厚度值78的部分的鼓起部88对常规叶轮通常承受的应力集中产生了期望的抵抗性。还应理解的是，叶片32、32a、32b还被布置成使得叶轮22具有某些期望的空气动力学特性。例如，在一些实施例中，叶片32、32a、32b在弦60的至少下游40%上的厚度减小被布置成使得在某些操作条件下，流34在从后缘58向下游移动时被赋予期望的最大扰动量。在一些实施例中，叶片32、32a、32b在弦60的至少下游40%上的几何形状可相对于对应的扩散器40的形状来构造。
上面的描述仅意在是示例性的，并且本领域技术人员将认识到，可在不脱离所公开的本发明的范围的情况下对所描述的实施例进行改变。例如，所述叶轮可被设置在除本文所述的涡轮发动机之外的其他类型的涡轮发动机的离心压缩机中。通过叶轮下游的流体可通过除所述扩散器之外的其他类型的结构来收集。根据对本公开的回顾，落入本发明的范围内的再其他的修改对于本领域技术人员将是显而易见的，并且这些修改意在落入所附权利要求内。

Claims (10)

1. 一种用于离心压缩机的叶轮，所述叶轮包括：
限定了旋转轴线的轮毂，所述叶轮能够绕所述旋转轴线旋转；以及
从所述轮毂延伸的叶片，所述叶片具有前缘、后缘以及在所述前缘和所述后缘之间限定的弦、所述叶片的压力侧以及所述叶片的与所述压力侧相对的吸力侧、在所述压力侧和所述吸力侧之间横向限定的叶片厚度，所述叶片厚度在所述弦的至少下游40%上减小，所述叶片厚度在所述后缘处具有介于所述叶片厚度的最大厚度值的40%和80%之间的后缘厚度值。
2.如权利要求1所述的叶轮，其中，0%弦位置被限定在所述前缘处，并且100%弦位置被限定在所述后缘处，所述后缘厚度值为所述100%弦位置处的厚度值，所述100%弦位置处的厚度值在所述最大厚度值的45%和75%之间。
3. 如权利要求2所述的叶轮，其中，所述100%弦位置处的厚度值为介于所述最大厚度值的50%和75%之间的厚度值，
特别地，所述100%弦位置处的厚度值为介于所述最大厚度值的45%和55%之间的厚度值；或者
特别地，所述100%弦位置处的厚度值为介于所述最大厚度值的60%和70%之间的厚度值。
4. 如权利要求2所述的叶轮，其中，所述100%弦位置处的厚度值为介于所述最大厚度值的60%和75%之间的厚度值，
特别地，所述100%弦位置处的厚度值为介于所述最大厚度值的65%和70%之间的厚度值；或者
特别地，所述100%弦位置处的厚度值为介于所述最大厚度值的70%和75%之间的厚度值。
5.如权利要求2所述的叶轮，其中，所述叶片厚度在90%弦位置处具有介于所述最大厚度值的50%和90%之间的厚度值。
6. 如权利要求5所述的叶轮，其中，所述90%弦位置处的厚度值为介于所述最大厚度值的55%和80%之间的厚度值，
特别地，所述90%弦位置处的厚度值为介于所述最大厚度值的55%和65%之间的厚度值；或者
特别地，所述90%弦位置处的厚度值为介于所述最大厚度值的70%和80%之间的厚度值。
7.如权利要求5所述的叶轮，其中，所述90%弦位置处的厚度值为介于所述最大厚度值的85%和90%之间的厚度值。
8.如权利要求1至7中任一项所述的叶轮，其中，所述最大厚度值处于所述弦的上游50%内。
9. 一种用于涡轮发动机的离心压缩机，所述离心压缩机包括：
扩散器，其构造成设置在所述涡轮发动机的入口壳体的下游；以及
如权利要求1-7中任一项所限定的叶轮。
10. 一种用于飞机的涡轮发动机，所述涡轮发动机包括：
入口；以及
如权利要求9所限定的离心压缩机，所述离心压缩机设置在所述入口的下游。
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