CN101178012A - 一种掠形涡轮机叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涡轮机叶片，包括多个叶片截面(22)，所述叶片截面沿径向轴线(Z－Z)积叠而成，其特征在于：将下积叠层(28)叶片截面的各个前缘的连线(28a)投影到中间平面上，可给出指向前缘(24)的第一纵向倾斜角(α)，该倾斜角在10°到25°的范围内；将中间积叠层(30)叶片截面的各个前缘的连线(30a)投影到中间平面上，可给出指向后缘(26)的第二纵向倾斜角(β)，该倾斜角在10°到25°的范围内；将上积叠层(32)叶片截面的各个前缘的连线(32a)投影到中间平面上，可给出指向后缘(26)的第三纵向倾斜角(γ)，该倾斜角在20°到50°的范围内；中间积叠层(30)叶片截面的下边界(34)是在积叠层总径向高度(h)的30％到40％范围内。

Description

一种掠形涡轮机叶片
技术领域
本发明涉及涡轮机动叶片的一般领域，诸如涡轮机风扇的叶片。
背景技术
涡轮机的风扇叶片承受着可给经过风扇的气流以亚音速或超音速的转速。虽然气流流速高时可以显著提高气体的流量，从而增加涡轮机的推力，但问题是气流流速过高却也会产生很大噪声。特别是，在气流中对应于从超音速到亚音速转换的“超音速冲击波”在这种噪声中占很大比例。包括风扇附近气流扰动在内的其它相互作用现象(宽带噪声)也会构成噪声源。
为此，发动机制造商试图设计出能够提高推力的风扇叶片，同时又可将气流产生的噪声降到最低。此外，在设计这类叶片时，还需要考虑其它各种参数，诸如与叶片有关的空气动力和机械因素。在设计上，叶片需要能够优化流量和对流经风扇的气流的压缩，同时又能确保叶片具有良好的机械强度。尤其是，在高速运转时，因为振动大，以及施加在叶片上的离心力等因素，叶片承受的机械应力非常严酷。
为此，人们提出了多种风扇叶片形状。这些风扇的特征主要在于，各个叶片截面的积叠关系、叶片的总体弯曲程度、掠形的选择使用等，目的是改善空气动力性能，减少风扇造成的噪声。然而，目前还没有一种叶片既能够在涡轮机所有使用条件下获得有效的空气动力运行性能，特别是在满功率运行时(例如，起飞期间和飞机爬升结束时)，以及在部分功率时(例如，在飞机进场着陆阶段)，同时又能符合越来越严格的噪声标准。
发明内容
为此，本发明的一个主要目的是提出一种涡轮机叶片的新形状，这种叶片能够提供良好的空气动力运行性能，而且在涡轮机所有工作条件下都能得到保证，同时又可将所产生的噪声降到最低，从而缓解上述不足。
该目的可以通过一种叶片来实现，这种叶片由多个沿径向轴线积叠在一起的叶片截面组成，每个叶片截面沿前缘和后缘之间的纵轴线以及压力面和吸力面之间的切向轴线延伸，这些叶片截面的积叠层沿径向轴线又分成下积叠层、中间积叠层和上积叠层，下积叠层从叶片的根部向中间积叠层的下边界延伸，中间积叠层从其下边界向其上边界延伸，而上积叠层则从中间积叠层的上边界向叶尖延伸，其中，根据本发明：
·将下积叠层叶片截面的各个前缘的连线投影到由纵向轴线和径向轴线构成的中间平面上，可给出指向前缘的第一纵向倾斜角，该倾斜角在相对于所述径向轴线的10°到25°范围内；
·将中间积叠层叶片截面的各个前缘的连线投影到中间平面上，可给出指向后缘的第二纵向倾斜角，该倾斜角在相对于所述径向轴线的10°到25°范围内；
·将上积叠层叶片截面的各个前缘的连线投影到中间平面上，可给出指向后缘的第三纵向倾斜角，该倾斜角在相对于所述径向轴线的20°到50°范围内；
·中间积叠层叶片截面的下边界是在自叶片根部测量的各个截面积叠层总径向高度的30％到40％范围内。
本申请者发现，腹部的高度在叶片总高度30％到40％范围内(对应于中间积叠层的下边界)，以及与上述前缘倾斜角的结合，可以极大地改善涡轮机的空气动力性能，特别是在高功率运行时。在高比流量时，这就意味着装有这种叶片的涡轮机风扇的效率会增加很大。同时，也会改善叶片的声特性。此外，本发明的叶片还可以由于使用复合材料而满足机械平衡标准和可制造性。
根据一种有益特性，下积叠层还有将其叶片截面各个重心相连的一条线，将该线投影到由纵向轴线和径向轴向构成的切向平面上时，可给出第一切向倾斜角，该角度在相对于径向轴线的-10°到10°范围内；中间积叠层也有将其叶片截面各个重心相连的一条线，将该线投影到切向平面上，给出了第二切向倾斜角，该角度相对于径向轴线在-20°到0°范围内；而上积叠层也有将其叶片截面各个重心相连的一条线，将该线投影到切向平面上，给出了第三切向倾斜角，该角度在相对于径向轴线-40°到-20°范围内。
将上积叠层的各个前缘相连的这条线投影到中间平面上，对于叶尖部分来讲，可进一步给出指向前缘的第四纵向倾斜角。
中间积叠层和上积叠层可以延伸过实际上彼此相似的径向高度。
本发明还提供了装有多个上述叶片的风扇和涡轮机。
附图说明
下面参照附图所给出的实施例进一步介绍了本发明的其它特性和优点，但本发明并不仅限于所示实施例。附图如下：
图1为装有本发明叶片的涡轮机风扇的部分纵向剖面图；
图2A和图2B为本发明叶片的示意图，分别示出了中间平面和切面；
图3为本发明叶片另一个实施例的中间平面的示意图；
图4为一张曲线图表，给出了本发明叶片与已有技术叶片相比，所获得的效率增加情况。
具体实施方式
图1为航空涡轮机风扇2的部分剖面示意图。涡轮机风扇由多个叶片4组成，所述叶片有规律地地沿转子盘6(或毂)圆周布置，彼此隔开，而转子盘则以风扇纵轴线X-X为中心。
按照人们已知的方式，每个叶片4主要包括一个翼面8、一个叶根10和一个叶尖12。叶片的根部10安装在转子盘6上，并通过平台14与翼面8相连，平台14形成了流经风扇气流的流通通道16的内侧。转子盘6按照箭头18所标示的方向围绕纵轴X-X旋转。叶尖12的位置面向风扇的固定环状壳体的内端面20，所述内端面20形成了通道16的外侧。
翼面8是由多个叶片截面22组成的，这些叶片截面沿与X-X轴相垂直的径向轴线Z-Z积叠而成。叶片截面22的布置位置与纵轴X-X的径向距离逐渐加大。由此而形成的叶片积叠层就构成了一个空气动力面，该空气动力面沿前缘24和后缘26之间的纵轴线X-X延伸，并同时沿压力面和吸力面之间风扇的切向轴线Y-Y延伸(图中未示这两个侧面)。
人们应该注意的是，按照这种方式形成的纵轴线X-X，切向轴线Y-Y，以及径向轴Z-Z构成了右旋的矩形参照系。
如图2A和2B所示，叶片截面22的积叠层又沿径向轴线Z-Z分成下积叠层28，中间积叠层30和上积叠层32。
从叶根10开始，下积叠层28从叶根一直到中间积叠层30的下边界34沿径向轴线Z-Z延伸。将连接下积叠层28内各个叶片截面前缘24的线28a投影到一个中间平面(由纵轴线X-X和径向轴线Z-Z构成，如图2A所示)，可呈现出第一纵向倾斜角α，该角指向叶片的前缘24(即指向风扇前端)。
中间积叠层30沿其下边界34和上边界36之间的径向轴线Z-Z延伸。将连接该积叠层30内各个叶片截面前缘24的线30a投影到中间平面，可呈现出第二纵向倾斜角β，该角指向叶片的后缘26(即指向风扇后端)。
上积叠层32沿中间积叠层30的上边界36和叶尖12之间的径向轴线Z-Z延伸。中间积叠层和上积叠层30和32优选延伸过实际相似的径向高度。此外，将连接该积叠层32内各个叶片截面前缘24的线32a投影到中间平面，可呈现出第三纵向倾斜角γ，该角指向叶片的后缘26。
这样，连接该叶片所有叶片截面前缘的连线28a，30a，32a通过投影到中间平面而呈现出一个外形轮廓，该轮廓带有一个最小纵向横坐标点，称之为“叶片腹部”，位于中间积叠层30的下边界34处。
根据本发明，叶片腹部(或称叶片截面的中间积叠层30的下边界处)在叶片截面积叠层总高度h的30％到40％之间，这个高度是沿径向轴线Z-Z自叶根10到叶尖12的测量高度。
根据定义，人们认为位于高度h的0％处的叶片截面对应于前缘24与气流最里侧流线相交的半径，而位于100％处的叶片截面是气流最外侧流线与位于0％处叶片截面在同一纵向横坐标上的高度h点处。
按照本发明，根据下积叠层28前缘的连线28a的投影，所呈现的第一纵向倾斜角α在相对于径向轴线Z-Z 10°到25°的范围内，中间积叠层30前缘的连线30a的投影说明第二纵向倾斜角β在相对于径向轴线10°到25°的范围内；而上积叠层32前缘的连线32a的投影说明第二纵向倾斜角γ在相对于径向轴线20°到50°的范围内。
根据本发明的有益特性，如图2B所示，下积叠层28还具有一条线28b，将叶片截面的各个重心相连，通过投影到切向平面(由切向轴线Y-Y和径向轴线Z-Z构成)，给出了第一切向倾斜角δ，该角度在相对于径向轴线Z-Z的-10°到10°范围内。
同样，中间积叠层30也优选拥有可将其叶片截面各个重心相连的一条线，通过投影到切向平面，给出了第二切向倾斜角ε，该角度在相对于径向轴线Z-Z的-20°到0°范围内。
最后，上积叠层32也优选拥有可将其叶片截面各个重心相连的一条线，通过投影到切向平面，给出了第三切向倾斜角ζ，该角度在相对于径向轴线Z-Z的-40°到-20°范围内。
应该注意的是，对于这些连接叶片截面重心的线28b，30b，32b，负的切向倾斜角对应于叶片转动的相反方向的倾斜角，而正的切向倾斜角沿叶片转动方向延伸。
如上所述，本发明的叶片的特征在于，相对较低和不明显的腹部与非常明显的后掠在纵向和切向上相结合。
图3示出了本发明的另一个实施例，按照该实施例，可以在叶片的叶尖部分增加小量的前掠，在其它方面与上面所述形状相同。
这种前掠的形状说明，连接上积叠层32各个前缘的线32a的投影在中间平面上并与叶尖部分38平行时，可以给出一个指向前缘24的第四个纵向倾斜角θ。
“叶尖部分”一词用来表示在叶片截面22积叠层总高度h的80％到100％范围内的叶片部分38。
这个纵向的倾斜角θ对应于叶尖部分38的前掠，尤其可以用来改善叶片的机械性能。前掠叶尖部分的特点是，可以平衡叶片，同时又可以限制叶片截面各个重心之间的差异，但同时又不会影响叶片的空气动力性能。
根据示例，这个强制的指向前缘的纵向倾斜角θ可以在5°到20°的范围内。
图4给出了与已有技术叶片相比使用本发明叶片获得的效果。
这个图表中的曲线100说明了安装本发明叶片的涡轮机风扇的效率，曲线102说明了安装已有技术叶片的风扇的效率。效率是随着风扇具体流速的不同而变化的。
本申请者发现使用本发明的叶片所获得效率要比已有技术叶片所获得的效率大得多。特别是在高流速时，本发明的叶片可以大大增加涡轮机风扇的效率。图4中曲线100和102的比较，非常清楚地说明了这一点。

Claims (6)

1.一种涡轮机叶片(4)，包括多个叶片截面(22)，所述叶片截面由多个沿径向轴线(Z-Z)积叠在一起组成，每个叶片截面沿前缘(24)和后缘(26)之间的纵向轴线(X-X)以及沿压力面和吸力面之间的切向轴线(Y-Y)延伸，叶片截面积叠层沿径向轴线又分为下积叠层(28)、中间积叠层(30)和上积叠层(32)，下积叠层(28)从叶片的根部(10)向中间积叠层的下边界(34)延伸，中间积叠层(30)从其下边界向其上边界(36)延伸，而上积叠层(32)则从中间积叠层的上边界(36)向叶尖(12)延伸，叶片的特征在于：
·将下积叠层(28)叶片截面各个前缘的连线(28a)投影到由纵向轴线(X-X)和径向轴线(Z-Z)构成的中间平面上，可给出指向前缘(24)的第一纵向倾斜角(α)，该倾斜角在相对于所述径向轴线的10°到25°范围内；
·将中间积叠层(30)叶片截面各个前缘的连线(30a)投影到中间平面上，可给出指向后缘(26)的第二纵向倾斜角(β)，该倾斜角在相对于所述径向轴线的10°到25°范围内；
·将上积叠层(32)叶片截面各个前缘的连线(32a)投影到中间平面上，可给出指向后缘(26)的第三纵向倾斜角(γ)，该倾斜角在相对于所述径向轴线的20°到50°范围内；
·中间积叠层(30)叶片截面的下边界(34)是在自叶片根部测量的积叠层总径向高度(h)30％到40％范围内。
2.根据权利要求1所述的一种叶片，其特征在于：
·下积叠层(28)还具有一条线(28b)，将其叶片截面的各个重心相连，通过将该线投影到由切向轴线(Y-Y)和径向轴线(Z-Z)构成的切向平面上，可给出第一切向倾斜角(δ)，该角度在相对于径向轴线的-10°到10°范围内
·中间积叠层(30)也拥有一条线(30b)，将其叶片截面的各个重心相连，通过将该线投影到切向平面上，可给出第二切向倾斜角(ε)，该角度在相对于径向轴线的-20°到0°范围内。
·上积叠层(32)也拥有一条线(32b)，将其叶片截面的各个重心相连，通过将该线投影到切向平面上，可给出第三切向倾斜角(ζ)，该角度在相对于径向轴线的-40°到-20°范围内。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的一种叶片，其特征在于：将连接上积叠层(32)各个前缘的线(32b)投影到中间平面上，又可以为叶尖部分(38)呈现出指向前缘(24)的第四个纵向倾斜角(θ)。
4.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的一种叶片，其特征在于：中间积叠层和上积叠层(30，32)延伸过实际相似的径向高度。
5.一种涡轮机风扇(2)，其特征在于：所述风扇包括根据权利要求1到4中任一权利要求所述的多个叶片(4)。
6.一种涡轮机，其特征在于：所述涡轮机包括根据权利要求1到4中任一权利要求所述的多个叶片(4)。
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