CN103221641A - 对涡轮发动机的转子轮的复合材料叶片的轮廓进行优化的方法及具有被补偿的柄的叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及对用于涡轮发动机的转子轮的复合材料叶片的轮廓进行优化的方法。该方法包括：对叶片的翼面进行补偿的步骤，该步骤包括将翼面分割为薄片（E110），以及，对于每个翼面薄片以及轮的盘的预定旋转速度，计算薄片所承受的离心力（E120），计算作用在薄片的底部部分上的空气动力的力矩（E130），以及计算应用至薄片的重心的位移值（E140），以抵消空气动力的力矩；以及对所述叶片延伸的根进行补偿的步骤，该步骤包括计算位于翼面颈部之上的叶片的一部分所承受的离心力，计算作用在叶片延伸的根的底部部分上的空气动力的力矩（E210），以及计算应用至叶片延伸的根的重心的位移值（E220），以抵消作用该空气动力的力矩。本发明还提供具有以这种方式被补偿的延伸的根的叶片。

Description

对涡轮发动机的转子轮的复合材料叶片的轮廓进行优化的方法及具有被补偿的柄的叶片

发明背景

本发明涉及的一般领域为设计复合材料叶片，该复合材料叶片用于涡轮发动机的转子轮。

具体领域涉及燃气涡轮的活动叶片，该燃气涡轮用于航空发动机或工业涡轮机。

已提出使用复合材料，特别是陶瓷基复合材料（CMCs）制造涡轮发动机叶片。可以具体参考FR2939129，其描述了由复合材料制成的涡轮发动机叶片，复合材料包括通过基质致密化的纤维增强件。

已知金属叶片具有在高温下极度退化的机械强度特性，因此需要对这种叶片的几何轮廓中的热区，特别是其翼面进行优化，以降低叶片在运行中所承受的机械应力。

与金属叶片不同，CMC叶片具有能够更好地承受高温的机械强度特性，因此将叶片的临界区位移至其根部（根部为较冷部分）。当叶片旋转时，高机械应力出现在叶片的根部。

发明目的和内容

因此，本发明的一个主要目的是提出对复合材料叶片的轮廓进行优化的方法，以消除这些缺点，该方法能够降低叶片在运行中所承受的机械应力。

该目的通过对复合材料叶片的轮廓进行优化的方法来实现，叶片包括翼面，该翼面由沿着轮的径向方向堆叠的多个叶片部分，安装在所述轮的盘上并由柄延伸的根部，以及位于柄和翼面之间的内部平台组成，根部通过颈部连接至柄，根据本发明，所述方法包括以下步骤：

对叶片翼面进行补偿的步骤，该步骤包括将翼面分割为薄片，每个薄片限定在底部部分和顶部部分之间，以及，对于每个翼面薄片以及轮盘的预定旋转速度，计算薄片所承受的离心力，计算作用在薄片的底部部分上的空气动力的力矩，以及计算位移值，该位移值沿着切线方向和纵向方向应用至薄片的重心，以抵消作用在所述薄片的底部部分上的空气动力的力矩；以及

对叶片柄进行补偿的步骤，该步骤包括计算位于颈部之上的叶片的一部分所承受的离心力，该部分由翼面，内部平台以及柄组成，计算作用在叶片的柄的底部部分上的空气动力的力矩，及计算位移值，该位移值沿着切线方向和纵向方向应用至叶片柄的重心，以抵消作用在叶片柄的底部部分上的空气动力的力矩。

在运行中，叶片承受穿过发动机的气流所产生的空气动力以及轮的旋转所产生的离心力。借助本发明的方法对翼面进行补偿的步骤包括沿着切线方向和纵向方向移动翼面的各个叶片部分的重心，以通过离心力产生的弯曲力矩来补偿空气动力产生的弯曲力矩。更确切地，空气动力在翼面的底部产生力矩。通过沿与空气动力相同的方向移动各个翼面薄片的重心，产生与空气动力所产生的力矩相反的离心力力矩。

此外，空气动力还在叶片柄中产生力矩。在对柄进行补偿的步骤中，本发明的方法通过离心力产生的弯曲力矩来补偿该力矩，由此在叶片柄处获得力矩之间的平衡。

通过在翼面的底部和叶片柄处对力矩进行平衡，可以减少叶片在运行中所承受的机械应力。结果是增加了叶片的寿命，并能够在叶片根部的区域中使用具有比传统金属材料的强度更弱（或更有限）的机械强度的材料。此外，对叶片柄轮廓的优化对其质量和尺寸有利。

有利地，应用至翼面薄片的重心以及应用至叶片柄的位移值在叶片的整个高度上进行平滑处理。该操作能够获得不损害叶片空气动力学性能的翼面轮廓。

翼面薄片可能承受的离心力由以下公式提供：

F_C=M_T×R_COG×ω²

其中，M_T是翼面薄片的质量；R_COG是盘的旋转轴和翼面薄片的重心之间的距离；ω是以预定速度运行的盘的旋转速度。

应用至翼面薄片的重心的位移值可由以下公式提供：

δ_X=M_Y-faero/F_C

δ_Y=M_X-faero/F_C

其中，M_X-faero是沿纵向方向作用在薄片的底部部分上的空气动力的力矩的分量；M_Y-faero是沿切线方向作用在薄片的底部部分上的空气动力的力矩的分量。

同样，应用至翼面薄片的重心的位移值(δ′_X，δ′_Y)可由以下公式提供：

δ′_X=M′_Y-faero/F′_C

δ′_Y=M′_X-faero/F′_C

其中，M′_X-faero是沿纵向方向作用在叶片柄的底部部分上的空气动力的力矩的分量；M′_Y-faero是沿切线方向作用在叶片柄的底部部分上的空气动力的力矩的分量。

当叶片还包括邻近翼面的自由端的外部平台时，对柄进行补偿的步骤优选地应用至叶片的一部分，该部分由叶片的翼面，内部平台，柄和外部平台组成。

在对叶片翼面进行补偿的步骤中，翼面可以分割为10个薄片，每个薄片占翼面的总高度的10%。

本发明还提供用于涡轮发动机的转子轮的复合材料叶片，叶片包括翼面，该翼面由沿着轮的径向方向堆叠的多个叶片部分，安装在轮的盘上并由柄延伸的根部，以及位于柄和翼面之间的内部平台组成，根部通过颈部连接至柄，其中，根据本发明，在（O，X，Y，Z）正交参照系中，叶片柄的重心的坐标由以下公式提供：

D′_X=D_X+δ′_X

D′_Y=D_Y+δ′_Y

D′_Z=D_Z

其中：

D_X，D_Y，及D_Z为叶片柄的重心的未补偿的坐标；以及

δ′_X和δ′_Y为对柄的补偿值，由以下公式提供：

δ′_X=M′_Y-faero/F′_C

δ′_Y=M′_X-faero/F′_C

其中，M′_X-faero是沿纵向方向（X）作用在叶片柄的底部部分上的空气动力的力矩的分量；以及

M′_Y-faero是沿切线方向（Y）作用在叶片柄的底部部分上的空气动力的力矩的分量。

附图说明

本发明的其它特征和优点通过参考附图进行的描述得以显示，这些附图显示了非限制性的实施方式。在这些附图中：

图1为实施例的叶片的概略透视图，本发明的方法应用至该叶片；以及

图2显示了本发明的对叶片的轮廓进行优化的方法的连续步骤。

具体实施方式

本发明适用于各种类型的涡轮发动机叶片，特别是各种燃气涡轮轴的涡轮叶片和压缩机叶片，例如，如图1所示的低压涡轮的转子轮叶片。

图1所示的叶片10用于安装在转子轮的盘12上，转子轮定中心于发动机的纵轴14上。该转子轮限定三个互相垂直的轴，这些轴形成正交参照系（O，X，Y，Z），正交参照系由纵轴X（平行于发动机的纵轴14），切向轴Y，以及径向轴Z限定，参考面的原点定中心于发动机的纵轴14上。

公知地，叶片10包括翼面16，由具有较大厚度（例如，具有球茎形状的截面）的部分形成并由柄（或支柱）20延伸的根部18，位于柄和翼面之间的内部平台22，以及邻近翼面的自由端的外部平台24。叶片由沿着径向轴Z堆叠的多个叶片部分组成。

翼面16沿着径向轴Z在内部平台22和外部平台24之间延伸，其横截面呈现弯曲的轮廓，该轮廓在其前缘16a和后缘16b之间具有变化的厚度。

通过将根部18啮合在形成于盘的边缘中的具有互补形状的槽25中，叶片10被安装在盘12上。根部18通过颈部26连接至柄20。

翼面16在其径向内端连接至内部平台22，该内部平台限定用于穿过发动机的气流的流动通道的内部。翼面16在其径向外端连接至外部平台24，该外部平台限定用于穿过发动机的气流的流动通道的外部。

叶片10由复合材料，例如CMC制成。可以参考FR2939129，其描述了制造这种叶片的实施例。

在运行中，叶片首先要承受穿过发动机的气流流动所产生的空气动力，其次要承受转子轮12绕纵轴14旋转所产生的离心力。特别地，这些力（空气动力和离心力）在翼面的底部（即，邻近内部平台22），以及将根部18连接至柄20的颈部26处产生弯曲力矩。

在本发明中，规定优化叶片的轮廓，以获得空气动力产生的弯曲力矩和离心力产生的弯曲力矩之间的平衡。该优化在飞行的特定阶段实施，该特定阶段特别是由轮的盘的预定转速ω所表征。

一般而言，对叶片轮廓的优化包括沿切线方向和纵向方向移动各个叶片部分的重心，以获得这种平衡。理想地，如果优化是最优的，叶片部分不会承受弯曲应力，而只会承受纯牵引应力（离心力）。

图2显示了本发明的用于优化叶片轮廓的方法的各个步骤。这些步骤通过合适的计算软件实现。这些步骤包括对叶片的翼面进行补偿的步骤以及对叶片的柄进行补偿的步骤。以下描述该方法的特定应用实施例。

在该方法的第一步骤E100中，与叶片的几何轮廓，尺寸以及质量相关的值被输入计算软件。

为了对叶片的翼面进行补偿，翼面首先沿着径向轴Z被几何分割为多个薄片T，每个薄片T限定于底部叶片部分和顶部叶片部分之间（步骤E110）。例如，可以选择10个薄片T，每个薄片占叶片的外部平台和内部平台之间的总径向距离的10%。

如此限定的每个翼面薄片与薄片质量M_T，以及在如上限定的正交参照系（O，X，Y，Z）中薄片的重心的坐标（C_X，C_Y，C_Z）相关联。

对于每个翼面薄片T及轮盘的每个预定转速ω，接下来计算薄片所要承受的离心力F_C（步骤E120）。该计算按照以下方程式进行：

F_C=M_T×R_COG×ω²

其中R_COG代表盘的旋转轴和翼面薄片的重心之间的距离（即，R_COG对应于C_Z的值）。

与步骤E120平行，计算作用在相同翼面薄片T的底部部分上的空气动力的力矩M_faero，更确切地，计算该力矩在纵向方向上的分量M_X-faero和在切线方向上的分量M_Y-faero（步骤E130）。该计算基于使用合适软件所计算的空气动力并基于讨论的薄片的空气动力学推力中心和薄片的底部部分之间的距离。

使用数据F_C，M_X-faero和M_Y-faero，可以在步骤E140中计算将要应用至讨论的翼面薄片T的重心的坐标（C_X，C_Y，C_Z）的位移值。

更确切地，计算这些位移值以对作用在叶片薄片T的底部部分上的空气动力的力矩M_faero进行补偿（即，抵消），这些位移值使用以下方程式获得：

δ_X=M_Y-faero/F_C

δ_Y=M_X-faero/F_C

其中，δ_X和δ_Y是分别应用至翼面薄片T的重心的坐标C_X和C_Y的位移值。

在接下来的步骤E150中，借助以下公式计算在（O，X，Y，Z）参照系中翼面薄片T的重心的修改的坐标（C′_X，C′_Y，C′_Z）：

C′_X=C_X+δ_X

C′_Y=C_Y+δ_Y

C′_Z=C_Z

对于所有的翼面薄片T重复以上列举的步骤E120至E150，从顶部薄片（即，邻近叶片的外部平台的薄片）开始，向下一直到底部薄片（即，邻近叶片的内部平台的薄片）。这些步骤结束后，获得所有翼面薄片的重心的修改的坐标。由此，对于预定的飞行阶段，叶片的轮廓得以优化。

有利地，附加步骤E160包括使由此获得的修改的坐标（C′_X，C′_Y，C′_Z）的集合在翼面的整个高度上变得平滑。该操作可以使用任何已知的对值进行平滑处理的方法实现。其能够使各个翼面薄片的重心在曲线上对齐，该曲线避免损害翼面的空气动力性能。

在这些步骤之后，以类似的方式对叶片的柄进行补偿。第一步骤E200包括计算叶片的部分P所承受的离心力F′_C，该部分P由翼面，内部平台和柄（即，叶片的颈部之上的一切）组成。该离心力F′_C由以下公式提供：

F′_C=M_P×R′_COG×ω²

其中，M_P是叶片的部分P的质量；R′_COG是盘的旋转轴和叶片的部分P的重心之间的距离；ω是以预定速度运行的盘的旋转速度。

应当注意的是，如果叶片具有带有滑片（wiper）的外部平台（如图1所示），叶片的部分P由位于叶片的颈部之上的一切，即，翼面，柄，内部平台，外部平台，以及外部平台的滑片组成。

计算作用在叶片的柄的底部部分上的空气动力的力矩M′_faero，更确切地，在纵向方向上的分量M_X-faero以及在切线方向上的分量M_Y-faero（步骤E210）。该计算借助计算软件，以与参考步骤E130所描述的建模相类似的方式实现。

使用数据F′_C，M′_X-faero和M′_Y-faero，可以在步骤E220中计算分别应用至叶片柄的重心的坐标D′_X和D′_Y的位移值δ′_X和δ′_Y。计算这些位移值（也称为柄补偿值）以对空气动力的力矩M′_faero进行补偿，这些位移值使用以下方程式获得：

δ′_X=M′_Y-faero/F′_C

δ′_Y=M′_X-faero/F′_C

在（O，X，Y，Z）参照系中，叶片柄的重心的修改的坐标（D′_X，D′_Y，D′_Z）如下：

D′_X=D_X+δ′_X

D′_Y=D_Y+δ′_Y

D′_Z=D_Z

其中，D_X，D_Y和D_Z为（O，X，Y，Z）参照系的未补偿的坐标。

基于这些位移值以及已计算的叶片柄和各个翼面薄片T的重心的坐标，在步骤E230中以与步骤E150相同的方式计算位于颈部之上的叶片部分P的重心的修改的坐标。

应用实施例

在该实施例中，叶片为燃气涡轮发动机中的低压涡轮的叶片，其由CMC制成。

为了对这种叶片的翼面进行补偿，翼面被几何分割为10个翼面薄片，每个翼面薄片占叶片的外部平台和内部平台之间的总径向高度的10%。

下表给出了在翼面补偿（步骤E100至E160）期间应用至翼面薄片的重心坐标的位移值，该翼面薄片位于翼面的总径向高度的90%至100%范围内。该薄片为直接位于叶片的外部平台附近的顶部薄片。

对位于90%至100%范围内的翼面薄片进行补偿

因此，对于位于翼面的总径向高度的90%至100%范围内的翼面薄片，该翼面薄片的重心的位置（相对于其原始坐标）在X方向需要被移动+0.061mm，在Y方向需要被移动+0.076mm。

应当注意的是，对于位于翼面的总高度的90%至100%范围内的该顶部薄片，在计算应用至该顶部薄片的离心力时要考虑位于该顶部薄片之上的外部平台的质量(除薄片的质量之外)。同样，计算该薄片的重心的位置时要考虑外部平台的存在。

应用至所有其它翼面薄片的位移值以相同的方式计算，在此不再赘述。特别地，先计算用于位于翼面的总径向高度80%至90%范围内的翼面薄片的位移值，接着计算用于位于70%至80%范围内的薄片的位移值，接着计算用于位于60%至70%范围内的薄片的位移值等，接着向下计算用于位于0%至10%范围内的最后的薄片的位移值。

对于相同的叶片，下表给出了对柄进行补偿时（步骤E200至E230）应用至叶片的部分P的重心的坐标的位移值，该部分P由翼面，内部平台，柄以及外部平台（即，位于颈部之上的一切）组成。

对位于颈部之上的叶片部分P进行补偿

因此，对于由翼面，内部平台，柄，以及外部平台组成的叶片的部分P，叶片的该部分的重心的位置（相对于其原始坐标）在X方向需要被移动+1.73mm，在Y方向需要被移动+2.48mm。

应当注意的是，对轮的预定转速，即，对特定飞行阶段计算应用至翼面及位于颈部之上的叶片部分的这些补偿值。可以为多个预定转速（由此为多个飞行阶段）进行这种计算，以及计算获得的数据集合的平均值。

Claims (8)

1.对用于涡轮发动机的转子轮的复合材料叶片的轮廓进行优化的方法，所述叶片包括翼面，该翼面由沿着所述轮的径向方向堆叠的多个叶片部分，安装在所述轮的盘上并由柄延伸的根部，以及位于所述柄和所述翼面之间的内部平台组成，所述根部通过颈部连接至所述柄，所述方法的特征在于其包括以下步骤：

对所述叶片翼面进行补偿的步骤，该步骤包括将所述翼面分割为薄片（E110），每个所述薄片限定在底部部分和顶部部分之间，以及，对于每个所述翼面薄片以及所述轮盘的预定旋转速度，计算所述薄片所承受的离心力（E120），计算作用在所述薄片的所述底部部分上的空气动力的力矩（E130），以及计算位移值（E140），该位移值沿着切线方向和纵向方向应用至所述薄片的重心，以抵消作用在所述薄片的所述底部部分上的所述空气动力的力矩；以及

对所述叶片柄进行补偿的步骤，该步骤包括计算位于所述叶片的所述颈部之上的部分所承受的离心力（E200），该部分由所述翼面，内部平台以及柄组成，计算作用在所述叶片的所述柄的底部部分上的空气动力的力矩（E210），及计算位移值（E220），该位移值沿着切线方向和纵向方向应用至所述叶片柄的重心，以抵消作用在所述叶片柄的所述底部部分上的所述空气动力的力矩。

2.如权利要求1所述的方法，其中应用至所述翼面薄片的重心以及应用至所述叶片柄的所述位移值在所述叶片的整个高度上进行平滑处理（E160）

3.如权利要求1或2所述的方法，其中翼面薄片所承受的离心力(F_C)由以下公式提供：

F_C=M_T×R_COG×ω²

其中，M_T是所述翼面薄片的质量；R_COG是所述盘的旋转轴和所述翼面薄片的重心之间的距离，ω是以预定速度运行的所述盘的旋转速度。

4.如权利要求1至3任意一项所述的方法，其中应用至翼面薄片的重心的位移值(δ_X，δ_Y)由以下公式提供：

δ_X=M_Y-faero/F_C

δ_Y=M_X-faero/F_C

其中，M_X-faero是沿纵向方向作用在所述薄片的底部部分上的空气动力的力矩的分量；M_Y-faero是沿切线方向作用在所述薄片的底部部分上的空气动力的力矩的分量。

5.如权利要求1至4任意一项所述的方法，其中应用至翼面薄片的重心的位移值(δ′_X，δ′_Y)由以下公式提供：

δ′_X=M′_Y-faero/F′_C

δ′_Y=M′_X-faero/F′_C

其中，M′_X-faero是沿纵向方向作用在所述叶片柄的底部部分上的空气动力的力矩的分量；M′_Y-faero是沿切线方向作用在所述叶片柄的底部部分上的空气动力的力矩的分量。

6.如权利要求1至5任意一项所述的方法，其中所述叶片还包括临近所述翼面的自由端的外部平台，所述对所述柄进行补偿的步骤应用至所述叶片的一部分，该部分由所述叶片的翼面，内部平台，柄以及外部平台组成。

7.如权利要求1至6任意一项所述的方法，其中，在所述对所述叶片翼面进行补偿的步骤中，所述翼面被分割为10个薄片，每个所述薄片占所述翼面的总高度的10%。

8.用于涡轮发动机的转子轮的复合材料叶片，该叶片包括翼面，该翼面由沿着所述轮的径向方向堆叠的多个叶片部分，安装在所述轮的盘上并由柄延伸的根部，以及位于所述柄和所述翼面之间的内部平台组成，所述根部通过颈部连接至所述柄，所述叶片的特征在于，在（O，X，Y，Z）正交参照系中，所述叶片柄的重心的坐标由以下公式提供：

D′_X=D_X+δ′_X

D′_Y=D_Y+δ′_Y

D′_Z=D_Z

其中：

D_X，D_Y，及D_Z为所述叶片柄的重心的未补偿的坐标；以及

δ′_X和δ′_Y为对所述柄的补偿值，由以下公式提供：

δ′_X=M′_Y-faero/F′_C

δ′_Y=M′_X-faero/F′_C

其中，M′_X-faero是沿纵向方向（X）作用在所述叶片柄的底部部分上的空气动力的力矩的分量；以及

M′_Y-faero是沿切线方向（Y）作用在所述叶片柄的底部部分上的空气动力的力矩的分量。

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