CN103397912B - 涡轮发动机转子叶片及涡轮和涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种涡轮发动机转子叶片及涡轮和涡轮发动机。根据本发明的涡轮发动机转子叶片，转子叶片上设置有减重槽，减重槽的深度方向沿转子叶片的高度方向延伸，且减重槽的开口位于转子叶片的叶尖端面上；减重槽在转子叶片的横截面上的截面形状与转子叶片在相同高度处的横截面的截面形状相适应。根据本发明的涡轮发动机转子叶片及涡轮、和涡轮发动机，通过在涡轮发动机转子叶片上设置减重槽，有效地减轻无冷却设计的转子叶片的重量，从而提高无冷却设计的转子叶片的寿命和可靠性；同时具有本发明减重槽的燃气涡轮转子叶片装配整机后可改变叶尖泄露涡的流动，使涡轮转子叶尖泄露损失减少，有效地提高转子叶片的效率。

Description

涡轮发动机转子叶片及涡轮和涡轮发动机

技术领域

本发明涉及涡轮发动机领域，具体而言，涉及一种涡轮发动机转子叶片及涡轮、和涡轮发动机。

背景技术

涡轮是燃气涡轮发动机的核心部件之一，而转子叶片又是涡轮的核心部件之一，其主要功能是将经涡轮导向器转向加速后的燃气热能和压力势能转换成燃气动能和可输出的机械功。由于燃气涡轮转子叶片的工作环境(高温、高转速)极其恶劣，转子叶片短而薄，强度寿命问题突出。

发明内容

本发明旨在提供一种有效减轻重量、提高寿命的涡轮发动机转子叶片及涡轮、和涡轮发动机。

本发明提供了一种涡轮发动机转子叶片，转子叶片上设置有减重槽，减重槽的深度方向沿转子叶片的高度方向延伸，且减重槽的开口位于转子叶片的叶尖端面上；减重槽在转子叶片的横截面上的截面形状与转子叶片在相同高度处的横截面的截面形状相适应。

进一步地，减重槽在叶尖处的横截面的截面面积为转子叶片在相同高度处的横截面的截面面积的23％至27％。

进一步地，减重槽在叶尖处的截面叶盆的壁厚为转子叶片在相同高度处气动叶型最大厚度的30％至33％；减重槽在叶尖处的截面叶背的壁厚为转子叶片在相同高度处气动叶型最大厚度的20％至24％；减重槽在叶尖处的截面的前缘直径为转子叶片在相同高度处气动叶型前缘直径的72％至77％；减重槽在叶尖处的截面的尾缘直径为转子叶片在相同高度处气动叶型尾缘直径的45％至55％。

进一步地，减重槽在叶尖处的截面叶盆的壁厚为转子叶片在相同高度处气动叶型最大厚度的31％；减重槽在叶尖处的截面叶背的壁厚为转子叶片在相同高度处气动叶型最大厚度的22％；减重槽在叶尖处的截面的前缘直径为转子叶片在相同高度处气动叶型前缘直径的75％；减重槽在叶尖处的截面的尾缘直径为转子叶片在相同高度处气动叶型尾缘直径的50％。

进一步地，减重槽在叶根处的横截面的截面面积为转子叶片在相同高度处的横截面的截面面积的20％至24％。

进一步地，减重槽在叶根处的截面叶盆的壁厚为转子叶片在相同高度处气动叶型最大厚度的30％至33％；减重槽在叶根处的截面叶背的壁厚为转子叶片在相同高度处气动叶型最大厚度的24％至28％；减重槽在叶根处的截面的前缘直径为转子叶片在相同高度处气动叶型前缘直径的30％至33％；减重槽在叶根处的截面的尾缘直径为转子叶片在相同高度处气动叶型尾缘直径的30％至33％。

进一步地，减重槽在叶根处的截面叶盆的壁厚为转子叶片在相同高度处气动叶型最大厚度的31％；减重槽在叶根处的截面叶背的壁厚为转子叶片在相同高度处气动叶型最大厚度的26％；减重槽在叶根处的截面的前缘直径为转子叶片在相同高度处气动叶型前缘直径的31％；减重槽在叶根处的截面的尾缘直径为转子叶片在相同高度处气动叶型尾缘直径的31％。

进一步地，减重槽的深度为转子叶片叶身高度的33％至40％。

本发明还提供了一种涡轮，包括轮毂，轮毂上设置有多个前述的涡轮发动机转子叶片。

本发明还提供了一种涡轮发动机，包括前述的涡轮。

根据本发明的涡轮发动机转子叶片及涡轮、和涡轮发动机，通过在涡轮发动机转子叶片上设置减重槽，有效地减轻无冷却设计的转子叶片的重量，从而提高无冷却设计的转子叶片的寿命和可靠性；同时具有本发明减重槽的燃气涡轮转子叶片装配整机后可改变叶尖泄露涡的流动，使涡轮转子叶尖泄露损失减少，有效地提高转子叶片的效率。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明的涡轮发动机转子叶片的第一立体结构示意图；

图2是根据本发明的涡轮发动机转子叶片的第二立体结构示意图；以及

图3是根据本发明的涡轮发动机转子叶片的减重槽的型线及设计参数示意图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，根据本发明的涡轮发动机转子叶片，转子叶片上设置有减重槽1，减重槽1的深度方向沿转子叶片的高度方向延伸，且减重槽1的开口位于转子叶片的叶尖端面上；减重槽1在转子叶片的横截面上的截面形状与转子叶片在相同高度处的横截面的截面形状相适应。本发明通过在涡轮发动机转子叶片上设置减重槽1，从而有效地减轻无冷却设计的转子叶片的重量，而且提高无冷却设计的转子叶片的寿命，从而提高叶片可靠性。

如图1至3所示，减重槽1在叶尖6处的横截面的截面面积为转子叶片在相同高度处的横截面的截面面积的23％至27％。减重槽1在叶尖处6的截面叶盆的壁厚13为转子叶片在相同高度处气动叶型最大12的30％至33％；减重槽1在叶尖处6的截面叶背的壁厚14为转子叶片在相同高度处气动叶型最大12的20％至24％；减重槽1在叶尖处6的截面的前缘11直径为转子叶片在相同高度处气动叶型前缘5直径的72％至77％；减重槽1在叶尖处6的截面的尾缘10直径为转子叶片在相同高度处气动叶型尾缘4直径的45％至55％。

减重槽1在叶根处的横截面的截面面积为转子叶片在相同高度处的横截面的截面面积的20％至24％。减重槽1在叶根处的截面叶盆的壁厚13为转子叶片在相同高度处气动叶型最大12的30％至33％；减重槽1在叶根处的截面叶背的壁厚14为转子叶片在相同高度处气动叶型最大12的24％至28％；减重槽1在叶根处的截面的前缘11直径为转子叶片在相同高度处气动叶型前缘5直径的30％至33％；减重槽1在叶根处的截面的尾缘直径为转子叶片在相同高度处气动叶型尾缘直径的30％至33％。减重槽1的深度9为转子叶片叶身高度8的33％至40％。

转子叶片的截面高度越高其叶型截面面积越小，叶尖6处的横截面的截面面积为转子叶片在相同高度处的横截面的截面面积的23％至27％，叶根处的横截面的截面面积为转子叶片在相同高度处的横截面的截面面积的20％至24％，可保证叶尖处的横截面的截面面积大于叶根处的横截面的截面面积，从而保证减重槽具有合适的拔模角度，便于加工。

通过设计减重槽在叶尖和叶根处两个基准截面的减重槽型线参数，减重槽中间截面型线根据减重槽叶尖截面、叶根截面型线通过线性插值方式得到。选择上述范围的设计参数设计的减重槽，能够有效地减轻叶片重量，提高叶片寿命，而且带有本发明减重槽的燃气涡轮转子叶片装配整机后可改变叶尖泄露涡的流动，使涡轮转子叶尖泄露损失减少，有效地提高转子叶片的效率。

根据本发明的优选地实施例，减重槽1在叶尖处的截面叶盆的壁厚为转子叶片在相同高度处气动叶型最大的31％；减重槽1在叶尖处的截面叶背的壁厚为转子叶片在相同高度处气动叶型最大的22％；即转子叶片叶盆的厚度大于叶背厚度，从而保证转子叶片叶盆的强度。

减重槽1在叶尖处的截面的前缘直径为转子叶片在相同高度处气动叶型前缘直径的75％；减重槽1在叶尖处的截面的尾缘直径为转子叶片在相同高度处气动叶型尾缘直径的50％。一般情况下，转子叶片叶尖截面气动叶型较薄，其的前后缘直径较小，减重槽1选用合适的直径，能够保证加工工艺性，防止因为直径过小而导致加工困难。

优选地，减重槽1在叶根处的截面叶盆的壁厚为转子叶片在相同高度处气动叶型最大的31％；减重槽1在叶根处的截面叶背的壁厚为转子叶片在相同高度处气动叶型最大的26％；减重槽1在叶根处的截面的前缘直径为转子叶片在相同高度处气动叶型前缘直径的31％；减重槽1在叶根处的截面的尾缘直径为转子叶片在相同高度处气动叶型尾缘直径的31％，从而保证加工工艺。

减重槽1的深度为转子叶片叶身高度的33％至40％。减重槽太深，其寿命、可靠性相对无减重槽的叶片反而下降，减重槽太浅，减重效果不佳。经过实验，减重槽1的深度在上述范围时，其寿命、可靠性等都有较大的提高。

根据本发明的涡轮发动机转子叶片较优选的实施例，采用如下方法设计，转子叶片的型线由转子叶片前缘4、转子叶片尾缘5、转子叶片叶盆型线15及转子叶片叶背型线16闭合而成，减重槽的型线由减重槽前缘10、减重槽尾缘11、减重槽叶盆型线及减重槽叶背型线18闭合而成。在完成燃气涡轮转子叶片的气动设计后即可得到转子叶片各高度的气动型线，并可求得转子叶片叶尖截面气动叶型最大厚度12，叶片前缘4的直径和叶片尾缘5直径。减重槽1在叶尖6处的截面叶盆的壁厚13为同高度转子叶片气动叶型最大厚度12的31％，为等壁厚，由此可做出减重槽1在叶尖6处的截面叶盆的型线17，减重槽1在叶尖6处的截面叶背的壁厚14为同高度转子叶片气动叶型最大厚度12的22％，为等壁厚，由此可做出减重槽叶尖截面叶背的型线18，减重槽前缘10直径为同高度叶片前缘直径的75％、减重槽尾缘11直径为同高度叶片尾缘直径的50％，保证减重槽叶尖截面叶盆的型线17和减重槽叶尖截面叶背的型线18与减重槽前缘10和尾缘11相切即可得到完整的减重槽叶尖截面型线。

取定的减重槽深度9，按上述方法，根据前述的设计参数，同样可得到完整的减重槽在叶根7处的截面型线。在得到减重槽叶尖截面、叶根截面的型线后，减重槽中间截面型线根据减重槽叶尖截面、叶根截面型线通过线性插值方式得到。

在减重槽叶根部位气动叶型最大厚度处减重槽的深度9可适当加大，并控制其加大的深度不超过转子叶片高度8的1/10，减重槽叶根部尾缘处减重槽的深度可适当减小，同时保证减重槽根部与转子叶片圆滑过度。

在本发明的最优选的实施例中，与具有同样气动外型的燃气涡轮发动机实心转子叶片相比，通过上述方法在转子叶片上设计的减重槽应用于无冷却设计的转子叶片上其可减轻叶身重量的8％至13％，而且叶片寿命较提高9％至12％，可靠性较高。

另外，与具有同样气动外型的燃气涡轮发动机转子实心叶片相比，带有本发明减重槽的燃气涡轮转子叶片装配整机后可改变叶尖泄露涡的流动，使涡轮转子叶尖泄露损失减少，转子叶片的效率较提高0.1％至0.15％。而且通过上述设计方法设计的减重槽具有合适的拔模角度，在叶片铸造过程中具有较好的加工工艺性，易于推广应用，具有很大实用价值。

本发明还提供了一种涡轮，包括轮毂，轮毂上设置有多个前述的涡轮发动机转子叶片。在涡轮发动机转子叶片上设置减重槽，能够有效地减轻无冷却设计的转子叶片的重量，而且提高无冷却设计的转子叶片的寿命，从而提高叶片可靠性。

本发明还提供了一种涡轮发动机，包括前述的涡轮，从而提高了涡轮发动机的可靠性和效率。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果

根据本发明的涡轮发动机转子叶片及涡轮、和涡轮发动机，通过在涡轮发动机转子叶片上设置减重槽，有效地减轻无冷却设计的转子叶片的重量，从而提高无冷却设计的转子叶片的寿命和可靠性。具有同样气动外型的燃气涡轮发动机转子实心叶片相比，带有本发明减重槽的燃气涡轮转子叶片装配整机后可改变叶尖泄露涡的流动，使涡轮转子叶尖泄露损失减少，有效地提高转子叶片的效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种涡轮发动机转子叶片，其特征在于，所述转子叶片上设置有减重槽，所述减重槽的深度方向沿所述转子叶片的高度方向延伸，且所述减重槽的开口位于所述转子叶片的叶尖端面上；

所述减重槽在所述转子叶片的横截面上的截面形状与所述转子叶片在相同高度处的横截面的截面形状相适应；

所述减重槽在叶尖处的横截面的截面面积为所述转子叶片在相同高度处的横截面的截面面积的23％至27％；

所述减重槽在叶根处的横截面的截面面积为所述转子叶片在相同高度处的横截面的截面面积的20％至24％。

2.根据权利要求1所述的涡轮发动机转子叶片，其特征在于，

所述减重槽在叶尖处的截面叶盆的壁厚为所述转子叶片在相同高度处气动叶型最大厚度的30％至33％；

所述减重槽在叶尖处的截面叶背的壁厚为所述转子叶片在相同高度处气动叶型最大厚度的20％至24％；

所述减重槽在叶尖处的截面的前缘直径为所述转子叶片在相同高度处气动叶型前缘直径的72％至77％；

所述减重槽在叶尖处的截面的尾缘直径为所述转子叶片在相同高度处气动叶型尾缘直径的45％至55％。

3.根据权利要求2所述的涡轮发动机转子叶片，其特征在于，

所述减重槽在叶尖处的截面叶盆的壁厚为所述转子叶片在相同高度处气动叶型最大厚度的31％；

所述减重槽在叶尖处的截面叶背的壁厚为所述转子叶片在相同高度处气动叶型最大厚度的22％；

所述减重槽在叶尖处的截面的前缘直径为所述转子叶片在相同高度处气动叶型前缘直径的75％；

所述减重槽在叶尖处的截面的尾缘直径为所述转子叶片在相同高度处气动叶型尾缘直径的50％。

4.根据权利要求1所述的涡轮发动机转子叶片，其特征在于，

所述减重槽在叶根处的截面叶盆的壁厚为所述转子叶片在相同高度处气动叶型最大厚度的30％至33％；

所述减重槽在叶根处的截面叶背的壁厚为所述转子叶片在相同高度处气动叶型最大厚度的24％至28％；

所述减重槽在叶根处的截面的前缘直径为所述转子叶片在相同高度处气动叶型前缘直径的30％至33％；

所述减重槽在叶根处的截面的尾缘直径为所述转子叶片在相同高度处气动叶型尾缘直径的30％至33％。

5.根据权利要求4所述的涡轮发动机转子叶片，其特征在于，

所述减重槽在叶根处的截面叶盆的壁厚为所述转子叶片在相同高度处气动叶型最大厚度的31％；

所述减重槽在叶根处的截面叶背的壁厚为所述转子叶片在相同高度处气动叶型最大厚度的26％；

所述减重槽在叶根处的截面的前缘直径为所述转子叶片在相同高度处气动叶型前缘直径的31％；

所述减重槽在叶根处的截面的尾缘直径为所述转子叶片在相同高度处气动叶型尾缘直径的31％。

6.根据权利要求1所述的涡轮发动机转子叶片，其特征在于，所述减重槽的深度为所述转子叶片叶身高度的33％至40％。

7.一种涡轮，包括轮毂，其特征在于，所述轮毂上设置有多个权利要求1至6中任一项所述的涡轮发动机转子叶片。

8.一种涡轮发动机，包括涡轮，其特征在于，所述涡轮为权利要求7所述的涡轮。