CN102549271B - 带有优化的内端壁的涡轮机压缩机转子 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮机压缩机的转子，包括安装在带有壁(10)的径向外端的叶片转子轮盘，所述壁构成了主气流环形气流通道的内端，该壁由多个角扇形区(12)构成，每个扇形区划定在转子轮盘的两个叶片(14，16)之间，在周向(17)上是连续的，并包括了沿轴向(25)和周向(17)为凸面的凸出部分(22)，以及，在所述凸出部分的上游，带有一个槽形部分(24)，该部分沿轴向(25)和周向(17)呈凹下形式，并且其底部(28)为大致点状。

Description

带有优化的内端壁的涡轮机压缩机转子
技术领域
本发明涉及涡轮机压缩机，特别是飞机的涡轮机压缩机，特别涉及到这种压缩机转子内主气流的内端壁。
背景技术
涡轮机压缩机通常包括几个连续压缩级，每个压缩级由转子和静子构成，转子包括叶片转盘，而静子包括环形布置的一排静叶片，用来整流和导向压缩机内流动的燃气流。
在燃气流相对于某些叶片的径向外部分为超音速的压缩机的情况下，特别是压缩机第一级转子叶片，即，其最上游压缩级，所带来的问题是，以超音速运行的叶片部分的径向范围取决于这些叶片的位移速度。
所引起的超音速冲击对压缩机的能量效率产生不利影响，进而对安装这些压缩机的涡轮机的能量效率产生影响。
发明内容
本发明的一个目的是针对这个问题而提出一种简单、经济和有效的解决方案。为此，该解决方案包括涡轮机压缩机的转子，包括安装叶片的转子轮盘，每个叶片都带有拱背面和拱腹面，其中，转子轮盘在径向外端装有构成涡轮机内主气流环形流动通道内端的壁，其中，该壁由多个角扇形区构成，每个扇形区划定在第一叶片的拱背面和第二叶片的拱腹面之间，第二叶片沿周向直接位于所述第一叶片之后，其中，每个所述扇形区包括沿轴向和周向为凸面的凸出部分，该凸出部分的顶端围绕所述转子轮盘的轴线径向位于相对于旋转虚曲面的外部，并穿过由所述内端壁分别与所述第一和第二叶片每个叶片前缘和所述每个叶片后缘相交而形成的四个点，其中，所述顶端沿周向与所述第一叶片拱背面相隔开，在所述顶端处测量，其间隔距离为所述叶片所述拱背和拱腹面之间周向距离的30％到70％之间的，其中，所述内端壁还包括，在所述凸出部分的上游，在轴向上，凹下的槽形部分。
根据本发明，所述槽形部分还沿周向呈凹面，且其底部呈大致点状。
上述虚曲面构成了参考表面，相对于该参考表面，可以确定内端壁的凸出部分。
一般沿发生该冲击的这些叶片径向外部的整个径向范围，内端壁每个扇形区的构成可降低沿转子轮盘固定的叶片气体流动引起的超音速的强度。
所述内端壁每个扇形区的凸出部分的凸面，在轴向和周向上，都会特别地限制燃气流沿划定所述扇形区的叶片的表面的断开的风险，其中，就性质而言，这种情况会降低转子效能。实际上，凸出部分在其顶端下游降低上述两个叶片之间流动的气流速度。凸出部分的凸面使得这种减速远离叶片表面，从而当其沿这些表面而影响气流时，可限制或防止这种减速的不利影响。
所述内端壁的每个扇形区的槽形部分使凸出部分上游的环形槽的径向部分得以增加，内端壁上该凸出部分顶端上游形成的梯度会更加突出，这有助于降低超音速冲击的强度，特别是，可降低沿拱背面的最大马赫数，拱背面划定了内端壁的所述扇形区，这适用于沿上述拱背面整个径向范围。
为此，一般来讲，本发明可使涡轮机压缩机转子的整个能量效能得以改善。
内端壁每个扇形区所述槽形部分沿周向的凹面，可大大降低转子级所允许气体速度的非期望增加，而这种非期望的速度增加是因槽形部分所造成的环形通道径向范围的增加所致。
为此，优选地，内端壁每个扇形区槽形部分的底部沿周向与所述第一叶片拱背面相隔开，在所述底部处测量时，其间隔距离是上述叶片所述拱背和拱腹面之间周向距离的30到70％之间。
此外，优选地，内端壁每个扇形区槽形部分底部位于相对于上述虚曲面的径向内部。
有利的是，内端壁的形状可是这样的，对于该端壁所述每个扇形区来讲，所述扇形区的凸出部分和槽形部分共用至少一个结合点，该结合点位于上述虚曲面上。
这种特性可使得内端壁每个扇形区槽形部分的底部和凸出部分的顶部之间大致凸起不再存在。实际上，优选地，该内端壁的每个扇形区在其槽形部分底部和其凸出部分顶端之间带有渐进的和连续的梯度，以便防止主气流出现任何中断。
在本发明的最佳实施例中，内端壁每个扇形区凸出部分的顶端在轴向上与所述壁的下游边缘相隔开，其间隔距离为该内端壁上游边缘和下游边缘之间轴向距离的20％到40％之间。
与之相比，有利的是，内端壁每个扇形区槽形部分底部与所述壁上游边缘轴向相隔开，其间隔距离为该壁上游边缘和下游边缘之间轴向距离的20％到40％之间。
这些有利特性可使该内端壁上游和下游边缘附近内端壁由于凸出部分和槽形部分而出现的变形得以限制，从而有效限制了这些上游和下游边缘附近气流的扰动，这种扰动会降低转子性能。
此外，优选地，内端壁每个扇形区凸出部分顶端和槽形部分底部与上述虚曲面径向相隔开，其间隔距离是在轮盘所支撑叶片的径向范围1％到5％之间。
该特性有助于尽可能地优化转子的性能。
本发明还涉及到包括上述类型转子的涡轮机压缩机，并且还涉及到装有该压缩机的涡轮机。
在包含几个压缩级的压缩机的情况下，对于这些级中第一个级(当从上游计数这些级时)的转子来讲，采用上述类型的转子是特别有利的，因为一般来讲，在该上游级，超音速冲击对压缩机性能的不利影响最大。
通过阅读如下以非限定性示例给出的说明，并参照附图，可以更好地理解本发明，本发明的其它细节、优点和特性也会显现出来。
附图说明
图1为根据本发明的转子级的内端壁角扇形区局部示意图，所示为平面A-A(图2)上的正交投影，该平面穿过转子的轴线并与连接两点的直线平行，而所述两点则是由所述壁分别与划定所述角扇形区边界的两个叶片的前缘交叉而形成。
图2为图1所示内端壁的角扇形区的局部内部示意图，所示为平面B-B的截面，该平面穿过所述扇形区槽形部分的底部和该扇形区凸出部分的顶端，与上述平面A-A垂直。
具体实施方式
图1示出了根据本发明压缩机转子的内端壁10，例如，飞机涡轮喷气发动机，所示为平面A-A上的正交投影。
该内端壁10是在该转子的旋转叶片盘的径向外周缘上构成的，其从内部划定了该转子盘气流的环形流动通道的边界，该通道通常称之为主气流。
内端壁10由安装到叶片上的平台形成，所述叶片由上述转盘支撑，所述平台采用沿周向端对端安装，或者，如果该叶盘为整体型，该端壁可以按人们所熟知的方式与转盘一起作为一个整体来制作。
内端壁10通常为锥体形状，其截面尺寸从上游到下游增加。
轮盘所支撑的叶片在内端壁10里划定了多个角扇形区，诸如图1所示扇形区12，该扇形区由上述轮盘的两个叶片14和16限定，这些扇形区沿图1箭头17所示周向为连续的。更确切地说，扇形区12由叶片14的拱背面18和叶片16的拱腹面20划定。
在图1中，内端壁10采用正交投影在表面上表示，所示表面穿过转子轴线并与直线平行，所示直线首先将内端壁10与叶片14上游边缘或称前缘相交，其次，将内端壁10与叶片16上游边缘或称前缘相交。
根据本发明，内端壁10的每个扇形区12包括凸出部分22和在凸出部分22上游形成的槽形部分24，其中，该凸出部分22和该槽形部分24在图1中由两个椭圆形来表示，该椭圆形的定义在下面所述内容中会显得更清楚。
凸出部分22沿箭头25所示的轴向和沿周向17为凸面，这样，其尖端26呈大致点状。
与之相比，槽形部分24沿轴向和周向为凹面，这样，其底部28呈大致点状。
凸出部分22顶端26沿周向与叶片14拱背面18相隔开，在所述顶端26水平轴向测量时，所述间隔距离为叶片16的该拱背面18和拱腹面20之间周向距离的30％到70％之间。顶端26和拱背面18之间的周向间隔在图1中由箭头30所示，为平面A-A上的投影，而在顶端26处的拱背面18和拱腹面20之间的周向距离在该图1中由箭头32所示。然而，应该指出的是，周向距离为角距离，不同于平面A-A上投影可看到的距离。
与之相比，槽形部分24底部28在周向上与叶片14拱背面18相隔开，在所述底部28水平轴向测量时，所述间隔距离是叶片16该拱背面18和拱腹面20之间周向距离的30％到70％之间。底部28和拱背面18之间周向间隔在图1中由箭头34所示，而在底部28处的拱背面18和拱腹面20之间的周向距离在该图1中用箭头36所示。
这样，凸出部分22和槽形部分24在内端壁10附近对沿叶片14和16的面18和20的气流造成的影响得以限制。
凸出部分22顶端26在轴向上与内端壁10的下游边缘38相隔开，其间隔距离d1是该内端壁10上游边缘40和下游边缘38之间轴向距离D的20％和40％之间。
与之相比，槽形部分24的底部28在轴向上与内端壁10的上游边缘40相隔开，其间隔距离d2是该内端壁10上游边缘40和下游边缘38之间轴向距离的20％到40％之间。
按这种方式，内端壁10上游边缘40和下游边缘30呈大致圆形，从而改善了转子的性能。
凸出部分22和槽形部分24可相对于围绕转子轮盘轴线旋转的虚曲面42而更精确地确定，更确切地说，是图1和图2所示实施例中的锥体形状。该虚曲面42由对应于内端壁10首先与两个连续叶片14，16上游边缘44，46和而后与这些叶片的下游边缘48，50交叉的四个点形成，所述这些叶片的上游边缘—或称前缘—划定了内端壁10的扇形区12，这些叶片的下游边缘又称之为后缘。
图2示出了虚曲面42，该图还示出了内端壁10，所示为图1所示的平面B-B上的截面。
在图2中，箭头52示出了凸出部分22顶端26相对于虚曲面42的径向间隔。该间隔在叶片14和16的径向范围的1％和5％之间。与之相比，箭头54示出了槽形部分24底部28相对于虚曲面42的径向间隔，该间隔也是在所述叶片径向范围的1％和5％之间。显然，顶端26和底部28的径向间隔52和54可以为不同的值，如图2所示。
图1中表示凸出部分22的椭圆形示出了该凸出部分的各个点，这些点相对于虚曲面42的径向间距等于该凸出部分22顶端26相对于虚曲面42的径向间隔52的一半。这些点都是图2所示平面B-B上虚线56和58与内端壁10的各个交叉点。
与之相比，图1中表示槽形部分24的椭圆形示出了该槽形部分的各个点，这些点相对于虚曲面42的径向间距等于槽形部分底部28的径向间距54的一半，而且，其中可以看到内端壁10分别与图2中虚线60和62相交的各个点。
在图1和图2所示实施例中，相对于虚曲面42而形成的凸出部分22和槽形部分24在位于该虚曲面42上都带有一个共用结合点66。在该实施例中，结合点66也位于图1的平面B-B上。
在该扇形区12凸出部分22的顶端26和其槽形部分24的底部28之间，形成了内端壁10的扇形区12的梯度，该梯度可使上游到下游(箭头25)的环形气流通道68的会聚区在转子轮盘内相对于虚曲面42而增加，该情况与现有技术的内端壁大致相等。特别是，这会使得该转子的压缩率得到改善。
一般来讲，内端壁的布局会使得转子盘叶片径向外部发生的超音速冲击的影响得以降低，同时，有效限制进入该转子轮盘气体流量的增加。大致上，包括与静子相连的转子在内的压缩级的整体能源效率可通过采用本发明的转子可提高大约0.2％。

Claims (6)

1.一种涡轮机压缩机的转子，包括安装叶片(14,16)的转子轮盘，每个叶片带有拱背面(18)和拱腹面(20)，其中，转子轮盘在径向外端装有构成涡轮机内主气流环形流动通道内端的壁(10)，其中，该壁(10)由多个角扇形区(12)构成，每个扇形区划定在第一叶片(14)的拱背面(18)和第二叶片(16)的拱腹面(20)之间，第二叶片沿周向(17)直接位于所述第一叶片(14)之后，其中，每个所述扇形区(12)包括沿轴向(25)和周向(17)为凸面的凸出部分(22)，该凸出部分的顶端(26)围绕所述转子轮盘的轴线径向位于相对于旋转虚曲面(42)的外部，并穿过由所述内端的壁(10)分别与所述第一和第二叶片(14,16)每个叶片前缘(44,46)和所述每个叶片(14,16)后缘(48,50)相交而形成的四个点，其中，所述顶端(26)沿周向与所述第一叶片(14)拱背面(18)相隔开，在所述顶端(26)处测量时，其间隔距离为所述叶片(14,16)所述拱背面(18)和拱腹面(20)之间周向距离的30％到70％之间的，其中，所述内端的壁(10)还包括，在所述凸出部分(22)的上游，在轴向上(25)凹下的槽形部分(24)，其中，所述转子的特征在于，所述槽形部分(24)还沿圆周方向(17)呈凹下，且其底部(28)呈大致点状，所述顶端呈大致点状。
2.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述壁(10)每个扇形区(12)的槽形部分(24)的底部(28)与所述第一叶片(14)的拱背面(18)沿环周隔开，沿所述底部(28)测量时，其间隔距离是所述叶片(14,16)所述拱背面(18)和拱腹面(20)之间周向距离的30％至70％之间。
3.根据权利要求1或2所述的转子，其特征在于，对于所述壁(10)的每个所述扇形区(12)来讲，所述槽形部分(24)的底部(28)位于相对于所述虚曲面(42)的径向内部。
4.根据权利要求3所述的转子，其特征在于，所述壁(10)的形状是这样的，对于该壁的每个所述扇形区(12)，所述扇形区凸出部分(22)和槽形部分(24)共同带有至少一个结合点(66)，该结合点位于所述虚曲面上(42)。
5.一种涡轮机压缩机，其特征在于，其包括了前面任一权利要求所述的转子。
6.一种涡轮机，其特征在于，其包括了根据权利要求5所述的压缩机。
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