CN101960095A - 带非轴对称平台的叶片:拱背上的凹穴和凸台 - Google Patents

Abstract

用于涡轮机叶轮(100)的叶片(10)包括叶型和在叶型的其中一端的至少一个平台(60)。所述叶片(10)能够与多个完全相同的叶片一起布置从而形成围绕轴线(A)的叶轮。在叶片内，在平台(60)的表面和沿吸力面(58)的吸力面型面(80)带有一个轴向布置在叶型(50)上游侧内的第一凹穴部分(F)和轴向布置在所述第一凹穴部分下游的第一凸台状部分(G)。由于这个布局，叶片的效能得到改善。

Description

带非轴对称平台的叶片:拱背上的凹穴和凸台

技术领域

本发明涉及涡轮机叶轮的叶片，其包括由压力面、吸力面、后缘和前缘形成的叶型，所述叶片还包括一个在叶型其中一端沿完全垂直于叶型纵向方向延伸的平台，所述叶片适合与多个完全相同的叶片一起布置从而形成围绕轴线(A)的叶轮，并因此确定了上游方向和下游方向，其中，叶型实际径向布置在叶轮内。

背景技术

围绕共轴将这些叶片连接在一起可以构成一个叶轮，叶轮的轴线就是环形的轴线。该叶轮可以是移动的，从而可以接受来自射流的能量，或者穿过叶轮将能量传输到射流，它也可以是固定的，在这种情况下，其作用是导引射流。

叶片可以是单独的部件，或者是与其它叶片集成到一起，以便形成诸如分配器部分或多叶片盘。

通常，涡轮机由若干个叶片级组成，每个叶片级构成一个轮子或叶轮，沿流过涡轮机的流体通路连续布置(可以是几个通路，特别是在旁路式发动机情况下)。涡轮机的效率与每个叶轮的性能直接相关，因此，特别是属于叶轮的每个叶片，以便有效地与射流相互作用，即不会毫无必要地耗散能量。应该指出的是，即在航空涡轮发动机中，诸如涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨式发动机，射流速度是巨大的，即超音速的：对于布置在这种射流中的叶片来讲，优化叶片周围射流的流动质量是十分必要的。

在叶片中，叶型的形状自然必须得到优化，以便有效导引叶型位于其中的射流，或者接收或传输最大能量至射流，不会因为加热而耗散能量。

然而，虽然叶型的形状是重要的，但人们已经发现，叶型侧面平台的表面形状也会对经过叶片的射流的流动质量起到至关重要的作用。为此，作为一个示例，涡轮机的低压涡轮级内这个表面上的耗散损失可以达到该级内所产生的总损耗的30％。

为了简化起见，在下文中，平台表面是指叶型侧面上平台的表面，不再重复该表面所位于的那一侧。

图1和图2介绍了如前述叶片周围射流的通路。

图1示出了三个完全相同的叶片10，它们是图2所示叶轮100的一部分。每个叶片10都可与其它完全相同的叶片10装配在一起，从而形成叶轮100。该叶轮主要由安装在转子轮盘20上的叶片10组成。在这个叶轮100中，叶片10采用轴线对称方式围绕叶轮轴线A安装。流体射流沿轴线A从叶轮上游全部流向下游。

每个叶片10由叶型50、平台60以及叶根66组成，所述叶根66可作为转子叶片的特定壳体以将叶片固定到转子轮盘上的。平台60沿球面地垂直于叶型50纵向的方向上延伸，并在叶型侧面包括平台表面62。由于叶片10的装配采用彼此相倚的形式，因此，叶片平台成对连接在一起，从而形成了实际上的连续表面，即所谓的从一个叶型的压力面56延伸到相邻叶型的吸力面58的“叶型间”表面70。平台表面62通过连接面18(其实际上是带有锥形半径的连接带)连接到叶型50的外表面上。

另外，还应指出的是，在图1至图3所示示例中，平台60的表面62是旋转曲面，即，其面积实际上是围绕叶轮轴线A的旋转曲面的组成部分。在此处，围绕轴线的旋转曲面系指围绕所述轴线旋转曲线所产生的表面。这是涡轮机叶轮叶片平台表面所常见的形状。

在流体流动中，当射流抵达叶型50的前缘时，会分成两路，一部分流过压力面56一侧，而另一部分流过叶型50的吸力面58一侧。图3示出了压力场在叶型之间延伸的‘叶型间通道’30内是如何形成的。

图3是一张剖面图，垂直于并排安装在叶轮内的两个叶片10和10′的叶型的各自轴线。更具体来讲，图3示出了压力场，这种压力场通常可以在第一叶型吸力面58和第二叶型压力面56′之间的叶型间表面70附近观察到。

图3包括一个对应于较高压力的等压力曲线40，和一个对应于较低压力的等压力曲线42，这些压力在涡轮机运行期间可在射流中观察到。由于压力面附近的压力大于吸力面附近的压力，在两个叶型的压力面和吸力面之间形成陡峭的压力梯度J。在这种压力梯度J的作用下，在叶型根部处形成流向“叶型间”通道30的横向流体，而由此转向的粒子被推向叶型50的吸力面。因此，在“叶型间”通道30内，会产生并非沿主流动方向的强大的二次流，这就将会在吸力面附近产生涡流。

为了尽力限制叶型间表面附近由此而产生的不必要的能量消耗，美国7,220,100号专利提出了一种叶型间表面形状，其主要包括在叶型压力面附近布置一个凸起的坡道和叶型吸力面附近布置一个凹陷部分，凸起的坡道和凹陷部分实际上都位于叶弦的中间点处。尽管采用了这种改进，但在两个叶型之间的空间内，依然还存在一定数量的耗散能量的涡流，因此，需要叶片的形状能进一步减少在该空间所形成的零碎涡流。

美国6,283,713号专利提出了叶型间表面的另外一种形状，其一方面包括在叶片吸力面附近的一个凸起区域，另一方面在叶片的压力面附近设一个凹陷区域，这两个区域的尺寸都很大，因为它们要延伸过叶弦的大部分长度。按照另外一种形状，叶片在后缘处包括一个凸台和一个凹穴，分别位于吸力面和压力面侧。然而，叶型间表面的这些布局无法有效解决该表面附近能量不必要消耗的问题。

发明内容

本发明的第一个目的是提出一种类似于前序部分所提出的叶片，可在射流与叶片相互作用的同时，将能量的不必要消耗降到最低，而且，因为比较容易制造，还可降低生产成本。

该目的可以这样实现，即在叶片内，在平台的表面处以及沿吸力面处的吸力面型面带有第一凹穴部分及第一凸台状部分，该第一凹穴部分轴向位于叶型的上游侧部分内，该第一凸台状部分轴向位于所述第一凹穴部分的下游处。

首先，应该指出的是，在上文以及下文中，“轴向地”是指沿叶轮的轴线A的轴向位置。

另外，相对于叶型的轴向限定位置也可以同样相对于沿叶片的平台附近的叶型横截面轴线A的延伸部分来确定。实际上，由于叶型在叶轮内径向布置，沿轴线A的叶型的延伸部分或者横截面的延伸部分实际上是相同的。

例如，叶型的横截面可以是图1和图3中轮廓线72和72′所示的平面(P)中的截面。该截面从叶型的最高上游点(平台表面附近)的线46轴向延伸到对应于叶型最低下游点的线48处，从而确定了相对于叶型从上游到下游的0到100％之间的范围。

另一方面，特别要指出的是，在该申请中，表示轴向位于间隔内的且无进一步详细说明的部件是必需的，该部件的绝大部分(该部件的大约90％或95％)位于该间隔内，很小一部分(5％或至多10％)位于外边。相反，表示一个部件主要位于间隔内则仅仅是指该部件的至少50％位于该间隔内。

最后，按照本发明，沿吸力面布置的吸力面型面是一个以与吸力面实际恒定的距离、几乎相同或以小于吸力面的距离延伸的曲面(一般是以小于20％的距离，或者甚至是叶型之间距离的10％)。

优选地，第一凹穴部分最好相对于吸力面形成，即，将吸力面的表面连接到平台的表面的整流带直接位于吸力面上游部分内，即凹穴的一部分。

凹穴部分可以相对标记，例如，在最凹陷点处，或者在凹穴的底部，相对于平台的平均表面形成一个深度，该深度要大于叶型之间距离的4或5％。

本发明的一个主要优点是，前面所介绍的平台表面的特定形状可大大减小叶型间表面附近的叶型之间的零碎湍流。

而且，第一凹穴部分的吸力面型面，接着是下游第一凸台状部分，会造成在吸力面附近，在叶型的(轴向)上游部分，射流速度将会随着压力的升高而下降，相反，在所述凸台状部分的下游，射流速度会增加，而压力会下降，从而限制了射流分离。这样，就减小了叶型间通道内的压力梯度，并降低了零碎的耗能漩涡。

此外，第一凸台状部分优选位于叶型的下游侧部分内。

在本申请文件中，所采用的各种示例都说明了一种叶片，其带有沿径向方向相对于叶型位于中心上的平台，而不在外部。在这方面，应该指出的是，本发明同样适用于由位于叶型顶部的平台组成的叶片，即在叶轮中心径向相对一侧，同时也适用于由位于叶型根部的平台组成的叶片，即相对于叶轮的内侧上。另外，也可以适用由这两种类型平台组成的叶片，至少一个平台布置成可包括具有上述特性的平台表面。

另外，本发明还可适用于能够集成到涡轮机的任何叶片，特别是航空涡轮发动机。本发明的叶片尤其适用于涡轮级，特别是低压涡轮。

根据一个实施例，装配到叶轮内的叶片的平台表面部分分别靠近叶型的上游和下游，这些部分垂直于叶轮的轴线，确定了上游中圆和下游中圆，两个圆构成了与叶轮轴线同轴的锥体，所述第一凹穴部分相对于锥体凹陷，而所述第一凸台状部分则相对于锥体凸出。

图1清楚地示出了上游14和下游15中圆。这些中圆位于与叶轮轴线相垂直的平面上，它们是中圆，代表了这些平面上、叶型的上游和下游以及叶型附近的平台表面的各个型面。锥体16是穿过两个同轴圆14和15的锥体，如果两个圆的半径相同，那么该锥体可以退化形成一个缸体。平面P可以形成用作基准的叶型的实际横向截面，以实际垂直方式延伸到进入叶型内的锥体16的法线上。

正是当吸力面型面的第一凹穴和凸台状部分相对于锥体凹陷或凸出时，其所产生的作用才是非常突出的。

根据一个实施例，平台表面在叶型后缘附近相对于所述叶轮轴线带有一个旋转区。叶型后缘处设置该旋转区可以与对应于吸力面型面的第一凸台状部分的平台表面的凸台状区域(在射流的主要流动方向呈凸台状)相配合，以便在后缘及其下游处获得较高的层流。此外，该旋转区使得这部分叶片最大限度地降低工具制造成本，从而使得叶片的生产成本降到最低。

根据一个实施例，沿压力面的平台的表面处的压力面型面带有一个第二凸台状部分，轴向地主要位于叶型的上游侧内。该第二凸台状部分的使用可以加快此处的流体速度，降低压力面附近的压力。因此，可以进一步降低压力梯度和叶型间通道内的零碎耗散漩涡。

所述第二凸台状部分可以方便地轴向延伸过叶型的四分之三以上部分，从而增加凸台上的流体速度，最大限度提高作用在射流流体上的效果。

根据一个实施例，沿压力面的平台表面的压力面型面还带有一个第二凸台状部分，轴向地主要位于距离上游的叶型的60％到100％之间。实际上，该第二凹穴部分的使用可以进一步改善叶片的效能，通过稳定叶片下游部分附近的流体而减少耗散漩涡。

根据一个实施例，平台表面还包括在叶型压力面一侧上的旋转区，轴向位于叶型的大约75％处。更确切地说，这个区域可以在前面所述叶型的型面的50％到90％之间上延伸。对应于这个区域的生产工具为此而特别容易制造，从而也同样降低了叶片的生产成本。

更具体地讲，该旋转区从所述平台的叶片间边缘向叶型的压力面延伸。在这里，当叶片装配成一个叶轮时，叶片间边缘是位于另一个平台边缘对面的平台的边缘。

因为使用了所示旋转区，上述实施例可以保持装置的良好性能，同时又可以降低装置的生产成本。

在叶片和相邻叶片之间的结合部附近使用旋转形状特别适合将边缘影响和零碎漩涡降到最低，这些都可能会在这个区域产生。

根据一个实施例，通过移动基于所述吸力面和压力面型面的线段，可以形成大部分叶型间表面。这样，叶型间表面就会形成一个较简单、空气动力学有效的形状，其生产成本合理，不会在铸造生产时带来任何特别问题。

最后，在本发明叶片中，至少其中一个所述凹穴或凸台状部分能够继续或延伸到叶型间表面的上游或下游。

本发明的第二个目的是提出一个高性能涡轮机分配器扇形体，这个扇形体的生产成本合理。这个目的的实现方式是，涡轮机分配器扇形体由至少一个类似如上所述的叶片组成。

本发明的第三个目的是提出一种高性能叶轮，这种叶轮的生产成本合理。这个目的的实现方式是，该叶轮由多个类似如上所述的叶片组成。

本发明的第四个目的是提出一种高性能涡轮机，这种涡轮机的生产成本合理。这个目的的实现方式是，这种涡轮机由至少一个类似如上所述的叶轮组成。

附图说明

下面结合附图，通过示例，阅读如下详细描述的非限制性实施例，可以更好地了解本发明，本发明的各项优点会更加明显显现出来。其中：

图1为上述三个已知叶片的透视图，示出了安装到叶轮内时的彼此相对位置；

图2为上述叶轮的透视图，所述叶轮包括图1所示的叶片；

图3是上述垂直于图1所示两个叶片叶型轴线的剖面图，示出了将两个叶型分开的空间内的压力场；

图4是类似于图3的剖面的剖面图，但是，两个叶型都是根据本发明叶片的组成部分；

图5是垂直于根据本发明的两个叶片叶型的轴线的剖面图；

图6是根据本发明的叶片的部分侧视图，示出了在本发明的叶片内型面曲线分别沿吸力面和压力面的情况；

图7和图8是本发明的两个叶片的两个叶型的剖面图，通过轮廓线示出了两个不同实施例中叶型间表面的形状；

图9是实际垂直于本发明两个叶片之间的叶型间通道的叶轮轴线的剖面图。

具体实施方式

应该说明的是，为了简便起见，如果一个部件在各个图中出现时，其完全相同或略有不同时，在各个图中均采用相同的数字，部件仅在第一次提到时给予解释。

下面参考图4介绍本发明叶片在叶型间通道内压力场上产生的作用。

本发明确定了平台表面形状，可以使得叶型间表面附近的零碎湍流现象降到最小，从而增加叶片和叶轮的效能。通过图3和图4的对比，说明了本发明在叶型间通道30内压力场上的相对作用，可以获得本发明叶片的特定形状。

在图3中，高压和低压区域40，42彼此比较靠近，而在图4中，可以看出它们彼此相对拉开了距离。结果，压力梯度明显缩小，也降低了粒子从压力面移向吸力面的趋势，及因此造成的零碎漩涡。

下面参照图5到图9，介绍本发明的叶片的布置。

图5示出了沿所述两个叶型纵轴可以看到两个叶片10和10′的剖面72和72′。如图6所示，剖面72(类似相同的72′)为叶型50与平面P的交叉，该交叉点在叶片10的平台60附近形成，在用于剖面的平台到叶型50的平台之间的距离处，没有示出叶型50和平台60之间的连接面18。

图5进一步示出了本发明叶片的平台表面62的型面80和85。

型面80和85是吸力面和压力面的型面，分别沿吸力面和压力面布置。换句话说，它们分别是按与吸力面和压力面的实际恒定距离越过平台表面的曲面。

这些型面优选位于叶型附近，或者完全对着叶型，或者在叶型和平台表面62之间的连接区之外。当这些型面在以与叶型一定距离被记录时，这就意味着它们所具有的形状(凹穴和凸台)在叶型间通道内形成了，而不只是在其一侧。在这个设计方案中，改善了对应于这些型面的凹穴和凸台的缓解作用。

图6以侧视图的形式(图5中的VI符号)示出了平台60附近的叶片的一部分。该图示出了叶型上游14和下游15的中圆的通过点，以及穿过这两个圆的锥体16的型面17。

首先，吸力面型面80包括第一凹穴部分F，轴向延伸在叶型72的上游侧内。型面80的这一部分位于相对于锥体的剖面17的流体相对一侧，即相对于锥体或在锥体表面处凹陷。型面80还包括第一凸起的凸台状部分G，在叶型72的下游侧部分内轴向延伸。型面80的这一部分位于相对于锥体的剖面17的射流一侧，从而相对于锥体而凸出。

这样，叶型间表面70的吸力面型面80首先示出了第一凹穴部分F，然后是第一凸台状部分G。更确切地说，第一凹穴部分(F)轴向位于叶型0到40％之间，而第一凸台状部分则轴向位于叶型的40至80％之间。

第一凹穴部分(F)的底部(即，距离轴线最近的部分)可以方便地位于叶型(50)12％到35％之间，优选距离上游的叶型的15％到25％之间。

压力面型面带有相对倒置的布局形式，即第二凸台状部分H轴向主要位于叶型72的型面的上游侧内，而第二凹穴部分I则轴向位于叶型的型面72的下游侧内。

不同的凹穴或凸台状部分分别相对于锥体16凹陷或凸出。

第二凸台状部分轴向位于叶型的0到50％之间(或甚至在叶型的0到60％之间)，而第二凹穴部分轴向位于叶型的下游，即叶型的60到100％之间。

在另一个实施例中，压力面型面在其下游侧部分内并没有任何最小量，相对于锥体在叶型一侧保持不变。这种变化在图6中用虚线19表示。在这个实施例中，压力面型面主要相对于锥体16在流动侧延伸，因为其主要是由凸台状部分H形成的，该凸台状部分轴向延伸过叶型的四分之三以上(更确切地说，是凸台状部分的轴线A上突起，延伸部分是叶型横截面的轴线A上突起部分的延伸段的四分之三以上)。

在这个实施例中，压力面型面并没有任何凹穴部分，凸台状部分直接连接到后缘处的型面的部分(一般是旋转部分)。

还应该指出的是，型面80和85在靠近后缘的地方与锥体实际相切的地方结束。这是因为平台表面62由在后缘附近延伸的旋转区44′组成。

图7通过轮廓线示出了前面结合图5所示的两个轮廓72和72′之间的叶型间表面70的形状。这样，在吸力面58附近，叶型间表面70就具有一个对应于吸力面型面80的第一凹穴部分F的第一凹穴或第一凹陷部分F1，其位于叶型间通道的下游部分内，以及一个对应于吸力面型面的第一凸台状部分G的第一凸起G1，其位于叶型间通道30的下游部分内。另外，在压力面56′附近，有一个对应于压力面型面85的第二凸台状部分H的第二凸起H1，其位于叶型间通道的上游部分内，以及一个对应于压力面型面85的第二凸台状部分I的第二凹穴或第二凹陷部分I1，其位于叶型间通道30的下游部分内。

第一最大部分G1和第二最小部分I1实际上位于后缘的上游，从而构成了后缘附近的旋转区44′。

图8示出了前一种实施例的不同形式，其内并没有形成第二凹陷部分I1。缓坡连续将凸起H1连接到旋转区44，延伸到压力面附近并轴向位于叶型的实际四分之三处。

在图7和图8中，叶型间表面的局部极限点(相对于与上述锥体相垂直的方向)实际上布置成与叶型的壁相抵靠。应该指出的是，这种布置并不是必需的，因为所述极限点偏离叶型的壁，或者甚至可能因为肩部的伸出或缩进而与其相分开。

图9示出了本发明的一个特别方便的实施例，按照这个实施例，叶型间表面70的大部分是通过沿图5所示的两个型面80和85移动线段65来形成的。自然，线段的端部将会沿压力面和吸力面的两个型面以相同方向移动，例如从叶片的上游移动到下游。

还应该指出的是，线段65最好相对于轴线A形成一个一般为90°±30°(即60°到120°)的角度α。

如图9所示，该线段65位于与图5所示线段DE重合的位置。那么，相对于轴线A的角度α是90°。虚线示出了穿过线段DE中间的旋转曲面部分。点D和E分别向外和向中部(图中为向上和向下)的径向偏移在点E处对应于吸力面型面的第一凹穴部分，以及在点D处对应于压力面型面的第二凸台状部分。

如图9所示，第一凹穴部分是对着吸力面形成的，其向上延伸到吸力面，而其最突出的部分是实际位于吸力面附近，实际就在吸力面的表面和平台表面之间的连接带的范围处。在图的右侧，可以看出将吸力面的表面连接到平台表面的带是凹穴的一部分。

Claims (14)

1.一种用于涡轮机叶轮(100)的叶片(10)，其包括：

叶型(50)，其由压力面(56)、吸力面(58)、后缘(54)和前缘(52)形成；

叶片进一步包括：

平台(60)，其在叶型的其中一端沿垂直于叶型纵向的方向延伸；

叶片(10)适合与多个完全相同的叶片一起布置，从而形成围绕轴线(A)的叶轮，并沿轴线确定上游方向和下游方向，所述叶轮带有径向布置的叶型；

其特征在于，所述叶片在平台(60)的表面处和沿吸力面(58)的吸力面型面(80)带有轴向布置在叶型(50)上游侧内的第一凹穴部分(F)，和轴向布置在所述第一凹穴部分下游的第一凸台状部分(G)。

2.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于：

装配成叶轮的叶片的平台表面的截面分别在叶型的上游和下游附近，构成了上游中圆(14)和下游中圆(15)，这两个圆确定了与叶轮轴线(A)同轴的锥体(16)，该截面垂直于叶轮轴线(A)；

所述第一凹穴部分(F)相对于锥体凹陷，及

所述第一凸台状部分(G)相对于锥体凸出。

3.根据权利要求1或2所述的叶片，其特征在于：沿压力面的平台(60)表面处的压力面型面(85)带有第二凸台状部分(H)，所述第二凸台状部分(H)轴向位于叶型(50)的上游半侧内。

4.根据权利要求3所述的叶片，其特征在于：所述第二凸台状部分轴向延伸过叶型(50)的四分之三以上。

5.根据权利要求3所述的叶片，其特征在于：所述第二凸台状部分轴向位于叶型的0到50％之间。

6.根据权利要求1至5其中任一项所述的叶片，其特征在于：第一凹穴部分(F)轴向位于叶型(50)的0到40％之间。

7.根据权利要求1至6其中任一项所述的叶片，其特征在于：第一凹穴部分(F)的底部位于叶型(50)的12％到35％之间。

8.根据权利要求1至7其中任一项所述的叶片，其特征在于：第一凸台状部分轴向位于叶型(50)的40％到80％之间。

9.根据权利要求1至8其中任一项所述的叶片，其特征在于：沿压力面的平台表面(62)的压力面型面(85)还带有第二凹穴部分(I)，所述第二凹穴部分(I)轴向位于叶型的60％到100％之间。

10.根据权利要求1至9其中任一项所述的叶片，其特征在于：平台表面(62)还包括在叶型压力面一侧上的旋转区(44)，所述旋转区(44)轴向位于叶型的大约75％处。

11.根据权利要求10所述的叶片，其特征在于，所述旋转区从所述平台(60)的叶片间边缘延伸到叶型(50)的压力面处。

12.根据权利要求1至11其中任一项所述的叶片，其特征在于：平台表面(62)在叶型(50)后缘(54，54′)附近带有相对于所述叶轮轴线(A)的旋转区(44)。

13.根据权利要求1至12其中任一项所述的叶片，其特征在于：位于其各自叶型(50)之间的两个相邻叶片(10，10′)的平台表面(62)附近部分确定了叶型间表面，大部分叶型间表面是由移动基于所述吸力面和压力面型面(80，85)的线段来产生的。

14.一种涡轮机，其包括至少一个叶轮，该叶轮包括至少一个根据权利要求1到13中任何一项权利要求所述的叶片。

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