CN102027242A - 具有可变椭圆连接部的压缩机叶轮叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种压缩机叶轮，其包括通过弯曲形状的联结部连接到叶轮轮毂(26)的至少一个叶片(24)，所述叶片沿在所述叶片的前缘与后缘之间限定的弦延伸。本发明的特征在于：所述联结部(27)呈现出沿所述弦变化的椭圆形状(P，Q)。

Description

具有可变椭圆连接部的压缩机叶轮叶片
技术领域
本发明涉及燃气涡轮领域，例如涉及装配到飞机涡轮引擎的燃气涡轮。本发明更具体地涉及这种燃气涡轮的压缩级。
燃气涡轮压缩级一般包括旋转式压缩机，其被设计为对进入燃气涡轮的新鲜空气进行压缩。在各种已知类型的压缩机中，在离心类型压缩机与轴向类型压缩机之间可有所不同。不同于轴向压缩机的是，离心压缩机使得离开压缩机的空气流的流动方向改变，空气流通常沿大致正交于压缩机旋转轴线的方向流动，特别地，在空气流(即，在叶轮后缘的空气流)与正交于压缩机旋转轴线的方向之间的在0°至30°范围内的倾斜角度是可接受的。
更准确地，本发明涉及一种压缩机叶轮，其具有通过弯曲形状的棱条或联结部连接到叶轮轮毂的至少一个叶片，所述叶片沿在所述叶片的前缘与后缘之间限定的弦延伸，所述联结部呈现出沿所述弦连续变化的形状。
背景技术
传统上，进入离心压缩机叶轮中的空气流初始与叶片前缘接触，并之后沿叶片弦行进，然后通过后缘离开叶轮。
在本发明的应用环境中，联结部是在叶片根部位置将叶片连接到轮毂的几何线，所述根部限定在叶片与轮毂之间的连接。在叶片的每侧上存在连接部，在压力侧和在吸收侧。
在操作中，压缩机叶轮的叶片承受高程度的机械应力，所述机械应力在特定情况下能够损坏叶片(生成裂纹，裂纹扩展，叶片缺损)。
使用弯曲形状的联结部因而可在特定情况下且根据如何限定选择弯曲形状而提高或降低叶片的机械强度，特别是在叶片根部区域中。
根据叶片的区域(沿其弦限定)，可提高叶片机械强度或降低叶片机械强度。这特别是对叶轮后缘而言。在叶轮后缘处的叶片机械强度降低的结果是，相对于后缘区域中的盘机械强度提供改进。这可能是所希望的，以遵从规定。规定建议采用依次破坏准则，其中叶片必须在盘(轮毂)之前破坏。换言之，叶片用作保险器。在轮毂的离心力和惯量给定时，轮毂破坏所产生的碎片将比由于叶片破坏所产生的碎片具有更大的动能。由于该准则，叶轮后缘被特别关注，其中，叶片厚度和轮毂(腹板)厚度在该区域中具有相同的量级。
DE 10 16 888显示出在叶片与轮毂之间的沿弦变化的联结部。
发明内容
本发明的目的在于，提供不同的压缩机叶轮，其中叶片机械强度沿弦而不同。
本发明通过以下事实实现这一目的：联结部呈现出的形状沿弦而以连续方式变化，其中联结部为椭圆的一部分。
这种形状变化被选择为希望获得的沿弦的机械强度变化的函数，无论是在叶片内还是在叶片与盘之间。
换言之，构成联结部的弯曲形状的变化沿弦是连续的，从而使叶片的机械强度同样沿弦连续变化。
有利地，可采用相同的椭圆，或者可采用在沿弦移动时长轴和短轴变化的椭圆。
在另一变例中，弯曲的联结部包括具有两个不同半径的两个部分，这两个半径沿弦连续变化并在前缘与后缘之间变得互换。
有利地，所述椭圆具有长轴和短轴，所述联结部的形状使得：在所述前缘处，所述椭圆的长轴大致平行于所述叶片的侧面；而在所述后缘处，所述椭圆的长轴大致垂直于所述叶片的侧面。
这种连续变化的椭圆形状呈现出多种优点：第一个优点是通过保持相同的叶片厚度在其前缘处提高了叶片机械强度(在叶片的联结部区域中减小了应力集中系数Kt)。第二个优点是在叶片前缘处减少了叶片厚度，而保持相同的机械强度，从而有利地减少了叶轮重量。
而且，在叶片前缘处减少叶片厚度有利地用于提高压缩机的性能。
第三个优点是提供一种叶片，其与在后缘和前缘具有相同联结部的构造相比在其后缘具有显著减小的机械强度。更准确地，叶片的机械强度相对于轮毂腹板而在后缘处减小。利用本发明，叶片的机械强度(在联结部椭圆的短轴附近)减小，同时腹板的机械强度(在联结部椭圆的长轴附近)增大。这使得本发明的压缩机叶轮能够满足前述规定，其建议叶轮轮毂盘优先于叶片。
第四个优点在于：在后缘处(其中长轴大致垂直于叶片侧面)的椭圆形联结部用于减少在叶片根部形成的痕迹量，从而进一步改善压缩机的性能。
优选地，所述长轴与所述短轴的比率在1.1至4的范围内。
优选地，此比率约等于2。通过该值，发明人已观测到在给定前缘厚度下显著改进的机械强度，而同时充分减小在后缘处的叶片机械强度，以遵守生效的规定(文件EASA  “引擎的鉴定细则”，段落AMC E 520)。
优选地，通过使所述椭圆的轴的值连续变化，使得所述联结部变化。
这样，当从前缘沿弦至后缘时，椭圆短轴增大，而其长轴减小，使得在后缘处的椭圆对应于枢转90°的在前缘处的椭圆。
换言之，通过使椭圆的轴沿弦变化，所述轴最终互换。
联结部的椭圆在前缘处存在沿叶片的长轴和沿轮毂的短轴，并在后缘处存在沿轮毂的长轴和沿叶片的短轴。更通常地，长轴和短轴的值在前缘处和在后缘处可以不同，这些值在前缘与后缘之间连续变化。
其结果是，当沿叶片的弦考虑时，椭圆的构成联结部的部分在前缘与后缘之间连续变化。
本发明还提供一种离心压缩机，其包括根据本发明的压缩机叶轮。
在本发明的应用环境中，术语“离心压缩机”用于表示这样的压缩机：其中，排出气体流的方向相对于与叶轮旋转轴线正交的方向倾斜0°至30°范围内的角度。
最后，本发明提供一种涡轮机，其包括离心压缩机或混流类型压缩机，其中，后缘相对于与根据本发明的叶轮的旋转轴线正交的方向倾斜。
附图说明
通过阅读以下对以非限制性示例给出的实施例的描述，本发明可被更好地理解且其优点更加明显。参照附图进行描述，其中：
图1是包括具有本发明叶轮的离心压缩机的直升机涡轮引擎的总视图；
图2A是图1的离心压缩机的叶轮的立体图；
图2B是轴向剖面中图2A叶轮的半视图；
图3是图2叶轮的叶片的前缘的示意图，其中考虑在正交于叶片弦的平面中；和
图4是图3叶片的后缘的示意图，其中考虑在正交于叶片弦的平面中。
具体实施方式
本发明的压缩机叶轮可以用于混流类型压缩机中或离心类型压缩机中。然而，本发明在此通过示例基于直升机燃气涡轮中的离心压缩机进行说明。
图1呈现出直升机(在此未示出)的燃气涡轮10，其包括：用于进给压缩级14的新鲜空气入口12。特别地，压缩级包括单一压缩机16，压缩机16包括叶轮18和本身已知的离心扩散器19。
叶轮18安装在由涡轮22旋转驱动的轴20上。通常地，叶轮18形成为单一件，并通过加工原料块材而获得，通常由钛或因科镍合金制成。
更好地如图2A和2B中可见，叶轮18具有从盘26a延伸到轮毂26的多个主叶片24。更准确地，每个叶片24包括在叶片的根部24a与顶部24b之间延伸的叶片主体24c。
而且，每个叶片24沿在前缘28与后缘30之间限定的弦25延伸。叶轮18还具有副叶片24’，其短于主叶片24并具有从主叶片24的前缘后置的前缘。
在叶轮18的每个叶片24与轮毂26之间的连接在叶片根部24a的位置通过形成曲形的联结部27而实现。此联结部对应于叶片根部的在叶片主体接合轮毂26之处的局部形状。
参见图3和4，以下对根据本发明的联结部变化进行更详细的描述。
图3是叶片24中的一个的前缘28在正交于弦25的平面中所见的示意性截面图。该视图是示意性的，为了简单起见，叶片显示为平直的，而通常离心压缩机的叶片是倾斜的。另外，叶片的前缘和后缘的高度和叶片或轮毂的厚度被示意性显示，且不具有代表性。
如图可见，在压力侧32上的联结部27呈现出弯曲形状，更具体为以点划线绘出的椭圆E1的第一部分P的形状。椭圆因而位于图3的平面中。
可见，椭圆E 1与轮毂26相切且与叶片24的侧面24d相切，使得联结部27自身与叶片24相切，也与轮毂26相切。
而且，椭圆E1呈现出中心O、以及相互正交的长轴a和短轴b。
根据本发明，联结部27的形状使得椭圆E1的长轴a在前缘28的区域中大致平行于叶片24的侧面24d。
在图3中，点A表示椭圆E1与叶片24的切点，而点B表示椭圆E1与轮毂26的切点。
通过联结部27的这种形状，已经发现，在弦25的此位置，叶片24的机械强度与使用恒定半径联结部的传统结构相比特别良好。
当叶片24不正交于轮毂26时，仍然选择椭圆E1的第一部分P，以使联结部27与轮毂26相切，并且与叶片24的侧面24d相切。
图4是图3的叶片24的后缘30在正交于弦25的平面中所见的示意性截面图。
如该图中可见，在压力侧32上(而且在此优选地，还在吸收侧上)的联结部27呈现出弯曲的形状，更准确地为椭圆E2的第二部分Q。此椭圆因而位于图4的平面中。可见，椭圆E2对应于枢转90°的椭圆E1。
椭圆E2与轮毂26相切且与叶片24的侧面24d相切，使得联结部27自身与叶片24相切且与轮毂26相切。
在图4中，点A表示椭圆E2与叶片24的切点，而点B表示椭圆E2与轮毂26的切点。
不同于图3的是，长轴a大致垂直于叶片24的侧面24d。由于联结部27具有这种形状，因而在弦25的此位置处的机械强度差于其在叶片24的前缘28处的强度。
其结果是，在前缘(图3)处，在点A附近的区域呈现出更高的机械强度，而在点B附近的区域的机械强度降低。然而，这种机械强度的降低并不重要，因为在前缘28处，轮毂较厚且承受极小的应力。
相反地，在后缘30(图4)处，在点A附近的区域呈现出更低的机械强度，而在点B附近的区域呈现出更高的机械强度。
这样，以有利方式，同时获得在前缘28处的更高的机械强度(与具有恒定半径和均匀流截面的联结部的传统结构相比)和在后缘30处的改进的破坏顺序(叶片先于盘破坏)。
当叶片24不正交于轮毂26时，仍然选择椭圆E2的第二部分Q，使得联结部27与轮毂26相切，且与叶片24的侧面24d相切。
优选地，长轴a与短轴b的比率在1.1至4的范围内，具体是约为2。
由此可理解，图3和4显示出在叶片24的两个末端处(即，在其前缘28处和在其后缘30处)的联结部27的形状。
在这两个末端位置之间，联结部的形状连续变化，只要椭圆的轴a和b的值的连续变化，在两种显著不同的联结部形状之间获得平滑过渡即可。
为此目的，通过使椭圆轴的值在前缘28与后缘30之间连续变化，使得联结部27变化。换言之，在弦25的每个点处，联结部27均构成椭圆的一部分。由此，椭圆轴的值的连续变化导致椭圆形联结部27沿弦连续变化。
在任何情况下，联结部27在形状上与叶片24的侧面24d相切，并与轮毂26相切，其中在沿弦25的所有点处均是如此，无论在压力侧还是在吸收侧上。
优选地，对于给定的弦，吸收侧的联结部椭圆与压力侧的联结部椭圆是相同的。
与本发明相关的其他优点在下文中给出。
首先，如图4中所示的后缘30的具体形状有利地通过增加叶片根部的发生侵蚀之处的材料量而用于改进叶轮的耐侵蚀能力。
其次，前缘28的具体形状(图3)用于减少应力集中系数，使得叶片24、24’针对可能介入到叶轮中的异物呈现出更高的耐受能力。
第三，叶轮叶片联结部的形状用于减少轮毂26的腹板26b的轴向厚度，从而改善了盘26a的使用寿命和爆裂余量。

Claims (6)

1.一种压缩机叶轮(18)，其具有通过弯曲形状的联结部(27)连接到叶轮轮毂(26)的至少一个叶片(24)，所述叶片沿在所述叶片的前缘(28)与后缘(30)之间限定的弦(25)延伸，所述联结部(27)呈现出沿所述弦连续变化的形状，其特征在于，所述联结部(27)是椭圆(E1，E2)的一部分(P，Q)。
2.如权利要求1所述的压缩机叶轮，其特征在于，所述椭圆具有长轴(a)和短轴(b)，所述联结部(27)的形状使得：在所述前缘(28)处，所述椭圆(E1)的长轴(a)大致平行于所述叶片(24)的侧面(24d)；而在所述后缘(30)处，所述椭圆(E2)的长轴(a)大致垂直于所述叶片的侧面。
3.如权利要求2所述的压缩机叶轮，其特征在于，所述长轴(a)与所述短轴(b)的比率在1.1至4的范围内。
4.如权利要求1至3中任一项所述的压缩机叶轮，其特征在于，通过使所述椭圆的轴长度连续变化，使得所述联结部(27)变化。
5.一种离心压缩机(16)，包括根据权利要求1至4中任一项所述的叶轮。
6.一种涡轮机(10)，包括根据权利要求5所述的压缩机(16)。
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