CN103670533A - 空气涡轮起动机涡轮喷嘴翼型 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空气涡轮起动机涡轮喷嘴翼型。用于空气涡轮起动机的导叶轮廓剖面包括翼型，所述翼型通过前缘和后缘限定了翼型轮廓剖面，翼型轮廓剖面由一组X坐标和Z坐标限定。

Description

空气涡轮起动机涡轮喷嘴翼型

技术领域

本公开内容涉及一种用于启动气体涡轮发动机的空气涡轮起动机，并且更具体地涉及其空气动力学流道。

背景技术

包括涡扇发动机的许多相对大型涡轮发动机可以使用空气涡轮起动机（ATS）以开始气体涡轮发动机的旋转。ATS通常安装在辅助变速箱上，辅助变速箱继而安装在发动机或机身上。因此，ATS一直安装在飞行器中，即便有效操作可能仅在每个飞行周期的开始发生大约一分钟，加上在发动机维护活动期间的临时操作。

ATS通常包括联接至位于外壳内的输出部分的涡轮机部分。涡轮机部分联接至高压流体源，例如被压缩空气，以通过齿轮系统驱动输出部分。因此，当高压流体源撞击在涡轮机部分上时，输出部分为气体涡轮发动机提供动力。

发明内容

根据本公开内容的示例性方面的用于空气涡轮起动机的导叶轮廓剖面包括翼型，该翼型通过前缘和后缘限定了翼型轮廓剖面，该翼型轮廓剖面由一组X坐标和Z坐标来限定，X坐标和Z坐标限定在由期望系数按比例决定的表V、表VI、表VII、表VIII或表IX的任一个中。X坐标是切线方向，Y坐标是轴线方向，并且Z坐标是翼型根部和翼型顶部之间的径向方向。

根据本公开内容的示例性方面的涡轮机喷嘴包括中心圆顶形状，中心圆顶形状具有以径向方式从其延伸的多个涡轮机导叶。所述涡轮机导叶的每一个均从中心圆顶形状延伸以通过前缘和后缘限定翼型轮廓剖面。该翼型轮廓剖面由一组X坐标和Z坐标来限定，X坐标和Z坐标限定在由期望系数按比例决定的表V、表VI、表VII、表VIII或表IX的任一个中。X坐标是切线方向，Y坐标是轴线方向，并且Z坐标是翼型根部和翼型顶部之间的径向方向。

根据本公开内容的示例性方面的涡轮机入口外壳组件包括中心圆顶形状，中心圆顶形状具有以径向方式从其延伸的多个涡轮机导叶。多个涡轮机导叶的每一个均从中心圆顶形状朝向入口外壳延伸以限定入口流道。

根据本公开内容的示例性方面的空气涡轮起动机包括位于涡轮机转子上游的涡轮机喷嘴，涡轮机喷嘴包括中心圆顶形状，中心圆顶形状具有以径向方式从其延伸的多个涡轮机导叶，多个涡轮机导叶的每一个均从中心圆顶形状延伸以通过前缘和后缘限定翼型轮廓剖面。该翼型轮廓剖面由一组X坐标和Z坐标来限定，X坐标和Z坐标限定在由期望系数按比例决定的表V、表VI、表VII、表VIII或表IX的任一个中。X坐标是切线方向，Y坐标是轴线方向，并且Z坐标是翼型根部和翼型顶部之间的径向方向。

根据本公开内容的示例性方面的组装空气涡轮起动机的方法包括固定涡轮机喷嘴，涡轮机喷嘴包括中心圆顶形状，中心圆顶形状具有以径向方式从其延伸进入入口外壳的多个涡轮机导叶。多个涡轮机导叶的每一个均从中心圆顶形状朝向入口外壳延伸以限定入口流道，入口外壳至少部分地围绕涡轮机转子，入口外壳限定了与涡轮机转子连通的入口流道的外流道曲线，外流道曲线至少部分地由横截面中的多个弓形表面限定，喷嘴限定了与涡轮机转子连通的入口流道的内流道曲线，内流道曲线至少部分地由中心圆顶形状限定。根据本公开内容的示例性方面的用于空气涡轮起动机的入口外壳组件包括由横截面中的多个弓形表面限定的入口流道的外流道曲线。

附图说明

通过下面对所公开的非限制性实施方式的详细说明，对于本领域技术人员来讲，各种特征将变得很明显。伴随该详细说明的附图可以简要描述如下：

图1是用于通过辅助变速箱开始更大涡轮机的旋转的空气涡轮起动机（ATS）的大概示意图；

图2是ATS的侧视剖面图；

图3是涡轮机转子的侧视图；

图4是涡轮机转子的前视图；

图5是用于ATS的入口外壳组件的剖面侧视图；

图6是涡轮机转子轴的转子叶片的透视图；

图7－图10是涡轮机转子的转子叶片的轮廓剖面图；

图11是用于ATS的入口外壳组件的剖面侧视图；

图12是用于ATS的入口外壳组件的喷嘴的透视图；

图13是喷嘴的前视图；

图14是喷嘴的侧视图；

图15－图19是喷嘴的喷嘴导叶的轮廓剖面视图；

图20是入口外壳的剖面侧视图；

图21是入口外壳组件的入口流道的示意图；

图22是入口外壳组件的喷嘴的剖面图；以及

图23是根据替换尺寸实施方式的入口外壳的剖面侧视图，其中，流道由表XI中的坐标限定。

具体实施方式

图1示意性示出了示例性的空气涡轮起动机（ATS）20，用于通过辅助变速箱24开始诸如涡扇发动机的更大的气体涡轮机22的旋转。应该明白的是，当前申请不限于与特定类型旋转机器结合使用。因此，尽管为了便于说明，本申请作为在空气涡轮发动机中的实施被描绘和说明，但是应该明白的是，本申请可以实施在众多其他机器中，包括但不限于气体涡轮发动机、辅助动力装置、涡轮充电器、超级充电器、空气循环机器、交流发电机、电动机、发电机、集成的恒速驱动发电机以及具有将被严密控制的接口的多种类型的变速箱。

如图1和图2所示，ATS 20通常包括外壳组件30，外壳组件30包括至少涡轮机部分32和输出部分34。图3和图4示出了涡轮机转子36，其具有多个涡轮机叶片38，轴毂40，和涡轮机转子轴42。涡轮机转子36的涡轮机叶片38位于入口外壳组件44内。图5示出了入口外壳组件44，其包括包含喷嘴48的入口外壳46。涡轮机转子36位于入口外壳组件44内在喷嘴48的下游。喷嘴48包括多个导叶50，这些导叶引导被压缩空气流从入口52穿过入口流道54。如图2所示，被压缩空气流过导叶50，驱动涡轮机轮36，随后通过出口56排出。

再次参照图2，涡轮机轮36由被压缩空气流驱动，使得涡轮机转子轴42可以通过诸如行星齿轮系统的齿轮系统60（示意性示出）机械地驱动起动机输出轴58。ATS 20由此通过齿轮系统60传输了相对高负载以将来自被压缩空气的气动能量转换成机械能量以例如旋转气体涡轮机22用于起动。

涡轮机轮36的涡轮机叶片38和喷嘴48的导叶50―两者在本文都限定为翼型―可以由计算机流体动力学（CFD）分析软件限定，并且优化以满足特定空气涡轮起动机的特定性能需求。设计ATS必须知晓的一些关键发动机特性是发动机核心（实际上由ATS旋转的发动机的部分）惯量、作为速度函数的发动机核心阻力矩、作为速度函数的其他阻力矩（诸如来自安装有变速箱的附件）、以及起动所允许的最大时间。对于环境起动温度条件的范围，这些参数的值都是需要的。通过这些，对于每个特定ATS，可以确定用于起动机的ATS优选的内部齿轮齿数比，以及使用CFD工具可以确定最有效率的最佳翼型形状。取决于原始需求的这些值，翼型的形状将是不同的，并且将被优化以在起动机的设计速度下执行最高效率。

翼型形状的特性可以从一个翼型形状改变为另一个，并且可以包括但不限于曲率、最大厚度、轴向弦长、扭曲度、从根部至顶部的锥度、前缘的半径、后缘的半径、从根部至顶部的前缘和后缘的伸直度等等。有可能直接按比例放大或缩小翼型形状以满足不同组的发动机起动需求，然而，如果包括转子叶片38、导叶50和入口流道54的整个流道几何形状还没采用相同的比例系数按比例决定，那么ATS的输送性能会不恰当地按比例决定。

翼型的形状可以由位于增大的径向位置处的一组横截面来限定，这些增大的径向位置例如从翼型的根部部分之下开始并且延伸越过翼型的顶部。当从根部至顶部由连续的光滑表面连接时，例如采用诸如Unigraphics的立体模型软件来形成翼型的形状。制造商可以直接使用立体模型以制造翼型。为了检修目的的其他尺寸限定可以由例如沿着叶片横截面的每一个的边界的笛卡尔坐标中的一组点来限定。笛卡尔坐标系统的方向通常取向使得 X是切线方向，Y是轴线方向，以及Z是径向方向。

图4示出了涡轮机叶片38，其包括在本文指明的创造性的翼型轮廓剖面。每个涡轮机叶片38通常可以划分为根部区域72、内侧区域74、主区域76和顶部区域78。根部区域、内侧区域、主区域以及顶部区域72－78限定了涡轮机叶片38的跨度，并且限定了旋转轴线A与远端叶片顶部80之间的叶片半径R。图7－图10示出了涡轮机叶片区域72－78的轮廓视图。应该理解的是，当由光滑表面连接时，多种替代的或者附加的轮廓剖面可以由本文限定的剖面的任一种来限定。即，翼型部分可以使用立体模型来制造，该立体模型可以替代地或者附加地描述有在叶片顶部之上和叶片根部以下的附加部分。因此区域72－78代表了翼型的跨度，但是额外的限定可以设有未落入跨度之内但是可以通过立体模型限定的部分。相同的方法适用于多个导叶。涡轮机叶片38限定了前缘82和后缘84，其限定了涡轮机叶片38的弦（图6）。

因为难以对所描述的特定叶片翼型轮廓剖面给出适当语言描述，用于翼型轮廓剖面的一个非限制性实施方式的坐标列出在表I、表II、表III和表IV中，其代表了在根部区域72（图7）、内侧区域74（图8）、主区域76（图9）和顶部区域78（图10）内取得的剖面。

在一个所公开的非限制性尺寸实施方式中，涡轮机轮直径尺寸Dd是6.68英寸（170mm），具有在表I、表II、表III和表IV中列出的翼型轮廓剖面，该翼型轮廓剖面分别在2.80英寸（71mm）的根部尺寸Dr、2.96英寸（75mm）的内侧尺寸Di、3.12英寸（79mm）的主尺寸Dm和3.28英寸（83mm）的顶部尺寸Dt处取得。

应该理解的是，这些代表性剖面是一个所公开的非限制性实施方式，并且当由连续光滑表面相连时也可以由此限定其他区域以及中间区域剖面。

图5示出了位于涡轮机轮36上游处的涡轮机入口外壳组件44（图11）的大概透视图。入口外壳组件44包括包含了喷嘴48（图12－图14）的入口外壳46。即，入口外壳组件44限定了进入涡轮机轮36的入口流道54。

参照图11，涡轮机喷嘴48包括中心圆顶形状86，该中心圆顶形状具有以径向方式从其朝向入口外壳46延伸并且位于入口流道54内的多个涡轮机导叶50。

图13示出了涡轮机导叶50的代表性部分，其包括在本文指明的翼型轮廓剖面。涡轮机导叶50通常可以划分为根部区域90、内侧区域92、主区域94、外侧区域96以及顶部区域98。根部区域、内侧区域、主区域、外侧区域和顶部区域90－98限定了导叶50的跨度。采用如上所述的涡轮机叶片，检修部分（inspection section）限定了导叶的径向，但是立体模型可以包括超出用于限定根部区域90和顶部区域98的跨度的额外部分，并且限定了在旋转轴线A与远端导叶顶端部100之间的导叶半径V。应该理解的是，当由光滑表面连接时，各种替代的或者额外的轮廓区段可以限定为在本文所限定的任何剖面的中间物。如图12所示，导叶50限定了前缘102和后缘104，其限定了轮片50的弦。

因为难以对正描述的特定导叶翼型轮廓剖面给予适当的语言描述，用于导叶翼型轮廓剖面的一个非限制性实施方式的坐标列出在表V、表VI、表VII、表VIII以及表IX中，这些表代表了在根部区域90（图15）、内侧区域92（图16）、主区域94（图17）、外侧区域96（图18）、和顶部区域98（图19）内取得的剖面，这些表在上面关天每个叶片被大致的讨论。

在一个所公开的非限制性尺寸实施方式中，涡轮机导叶半径尺寸Vr是大约3.34英寸（85mm），具有在表V、表VI、表VII、以及表VIII中列出的翼型轮廓剖面，所述翼型轮廓剖面分别在2.66英寸（68mm）的根部尺寸Vf、2.78英寸（71mm）的内侧尺寸Vi、2.90英寸（74mm）的主尺寸Vm、3.02英寸（77mm）的外侧尺寸Vo和3.15英寸（80mm）的顶部尺寸Vt处取得。

参照图20和图21，入口流道54限定在入口外壳46与位于多个导叶50上游的中心圆顶形状86之间。如果入口流道转弯太急，空气流可以从入口外壳表面分离，导致再循环和损失能量。

使用例如计算机流体动力学（CFD）分析软件来限定入口流道54的形状，并且优化以满足合适的ATS的特性性能需求。该优化导致入口流道将空气流均匀地分配至进入喷嘴导叶50的环形入口。采用已优化的入口流道54，入口空气从圆柱形入口管道至环形喷嘴入口的分配减小了由于沿着入口流道的空气的流扰动或者再循环引起的能量损耗。应该理解的是，为了优化入口流道，可以替代地或者额外地考虑额外的约束，诸如ATS轴线长度的极限值。可以使用相同的工艺以形成独特优化的入口流道以便满足不同起动机性能需求，或者可以按比例扩大或缩小入口流道形状以满足不同起动机性能需求。

入口流道54形状的特征可以从一个ATS改变至另一个，并且可包括但是不限于入口管道直径、径向高度、轴向长度、限定曲线的曲率半径等等。入口流道内表面和外表面的形状在尺寸上由一组点来限定，通过这组点绘出了平滑曲线，一个对应于内流道，并且一个对应于外流道。随后通过围绕空气入口的中心线来旋转内流道曲线和外流道曲线从而实现三维限定。可以通过一组正切弧线和直线来定义内流道曲线和外流道曲线的每一个，随后围绕入口中心线旋转以形成流道表面。应该理解的是，流道曲线可以由一组笛卡尔坐标来限定，通过该组笛卡尔坐标绘制平滑曲线。入口流道54的外流道曲线110由横截面中的多个弓形表面限定。该多个弓形表面可以包括相对于入口流道54的第一凸起弓形表面112、第二凸起弓形表面114、第三凸起弓形表面116、第一凹入弓形表面118、第二凹入弓形表面120和第三凹入弓形表面122的组合。该多个弓形表面限定在入口直径尺寸ID和出口直径尺寸OD之间，沿着入口流道长度IL延伸。

在一个所公开的非限制性尺寸实施方式中，入口流道54的外流道曲线110（图23）由表XI的坐标限定：

应该理解的是，表XI提供了稍微不同的尺寸方案，其没有使用曲线和直线而是使用点和穿过这些点的曲线，但是最终结果仍是与上述由凸起和凹入表面所述的概念相似的形状。

入口流道54的内流道曲线108由中心圆顶形状86限定。因为难以对正描述的特定中心圆顶形状86给出适当语言描述，所以用于中心圆顶形状86（图22）的非限制性尺寸实施方式的坐标在表X中列出。

因为在起动了发动机之后ATS是非起作用的重量，所以期望最大化ATS的效率以减小ATS的重量和尺寸并且提高飞行器有效载荷。当优化的叶片轮廓与优化的喷嘴导叶轮廓和优化的入口流道形状匹配时，发生最大效率。

作为优化的空气动力学性能的结果，ATS的优化扭矩输出性能导致ATS尺寸减小以便于减小起动机重量，因为对于ATS中给定齿轮齿数比而言优化的转子将是最小的转子。这提供了更小和更低重量的涡轮机维护特征，以及对于诸如管道和管路的其他外部组件减小了封装空间，以便因此减小发动机总重量。

也应该明白的是，相似附图标记识别了贯穿所述几个附图中的对应的或者类似的元件。也应该理解的是，尽管在所示实施方式中公开了特定部件布置，但是其他布置也将从其获益。

上述说明是示例性的，而不是由其中的限制来限定。本文公开了各种非限制性实施方式，然而本领域普通技术人员将知晓的是在概括以上教导的各种改进和变体将落入所附权利要求的范围。因此要理解的是，本公开内容可以在所附权利要求的范围内实践，而不是如具体描述的那样。为此原因，应当研究所附权利要求以便确定真实的范围和内容。

Claims (17)

1.一种用于空气涡轮起动机的导叶轮廓剖面，其包括：

翼型，所述翼型通过前缘和后缘限定翼型轮廓剖面，所述翼型轮廓剖面由一组X坐标和Z坐标来限定，所述X坐标和Z坐标限定在由期望系数按比例决定的表V、表VI、表VII、表VIII或表IX的任一个中，所述X坐标是切线方向，并且所述Z坐标是在翼型根部和翼型顶部之间的径向方向。

2.根据权利要求1所述的用于空气涡轮起动机的导叶轮廓剖面，其中，所述翼型包括：

根部区域；

内侧区域，其位于所述根部区域的外侧；

主区域，其位于所述内侧区域的外侧；

外侧区域，其位于所述内侧区域的外侧；以及

项部区域，其位于所述外侧区域的外侧。

3.根据权利要求2所述的用于空气涡轮起动机的导叶轮廓剖面，其中，所述根部区域由以期望系数按比例决定的表V限定。

4.根据权利要求2所述的用于空气涡轮起动机的导叶轮廓剖面，其中，所述内侧区域由以期望系数按比例决定的表VI限定。

5.根据权利要求2所述的用于空气涡轮起动机的导叶轮廓剖面，其中，所述主区域由以期望系数按比例决定的表VII限定。

6.根据权利要求2所述的用于空气涡轮起动机的导叶轮廓剖面，其中，所述外侧区域由以期望系数按比例决定的表VIII限定。

7.根据权利要求2所述的用于空气涡轮起动机的导叶轮廓剖面，其中，所述顶部区域由以期望系数按比例决定的表IX限定。

8.根据权利要求2所述的用于空气涡轮起动机的导叶轮廓剖面，其中，所述根部区域由以期望系数按比例决定的表V限定，所述内侧区域由以期望系数按比例决定的表VI限定，所述主区域由以期望系数按比例决定的表VII限定，所述外侧区域由以期望系数按比例决定的表VIII限定，以及所述顶部区域由以期望系数按比例决定的表IV限定。

9.一种涡轮机喷嘴，包括：

中心圆顶形状，其具有以径向方式从其延伸的多个涡轮机导叶，所述多个涡轮机导叶的每一个从所述中心圆顶形状延伸以通过前缘和后缘限定翼型轮廓剖面，所述翼型轮廓剖面由一组X坐标和Z坐标来限定，所述X坐标和Z坐标限定在由期望系数按比例决定的表V、表VI、表VII、表VIII或表IX的任一个中，所述X坐标是切线方向，并且所述Z坐标是在翼型根部和翼型顶部之间的径向方向。

10.根据权利要求9所述的涡轮机喷嘴，其中，所述中心圆顶形状的剖面由以期望系数按比例决定的表X来限定，所述中心圆顶形状的剖面包括由一组Y坐标和Z坐标限定的所述中心圆顶形状的中心线，其中，所述Y坐标是轴向方向。

11.一种涡轮机入口外壳组件，包括：

入口外壳；以及

中心圆顶形状，其具有以径向方式从其延伸的多个涡轮机导叶，所述多个涡轮机导叶的每一个从所述中心圆顶形状朝向所述入口外壳延伸以限定入口流道。

12.根据权利要求11所述的涡轮机入口外壳组件，其中，所述多个涡轮机导叶的每一个通过前缘和后缘限定了翼型轮廓剖面，所述翼型轮廓剖面由一组X坐标和Z坐标来限定，所述X坐标和Z坐标限定在由期望系数按比例决定的表V、表VI、表VII、表VIII或表IX的任一个中，所述X坐标是切线方向，以及所述Z坐标是在翼型根部和翼型顶部之间的径向方向。

13.根据权利要求9所述的涡轮机入口外壳组件，其中，所述翼型包括：

根部区域；

内侧区域，其位于所述根部区域的外侧；

主区域，其位于所述内侧区域的外侧；

外侧区域，其位于所述内侧区域的外侧；以及

项部区域，其位于所述外侧区域的外侧。

14.根据权利要求13所述的涡轮机入口外壳组件，其中，所述根部区域由以期望系数按比例决定的表V限定，所述内侧区域由以期望系数按比例决定的表VI限定，所述主区域由以期望系数按比例决定的表VII限定，所述外侧区域由以期望系数按比例决定的表VIII限定，以及所述项部区域由以期望系数按比例决定的表IV限定。

15.一种空气涡轮起动机，其包括：

涡轮机转子；以及

涡轮机喷嘴，其位于所述涡轮机转子的上游，所述涡轮机喷嘴包括中心圆顶形状，所述中心圆顶形状具有以径向方式从其延伸的多个涡轮机导叶，所述多个涡轮机导叶的每一个从所述中心圆顶形状延伸以通过前缘和后缘限定翼型轮廓剖面，所述翼型轮廓剖面由一组X坐标和Z坐标来限定，所述X坐标和Z坐标限定在由期望系数按比例决定的表V、表VI、表VII、表VIII或表IX的任一个中，所述X坐标是切线方向，并且所述Z坐标是在翼型根部和翼型顶部之间的径向方向。

16.一种组装空气涡轮起动机的方法，其包括：

固定涡轮机喷嘴，所述涡轮机喷嘴包括中心圆顶形状，所述中心圆顶形状具有以径向方式从其延伸进入入口外壳的多个涡轮机导叶，所述多个涡轮机导叶的每一个从所述中心圆顶形状朝向所述入口外壳延伸以限定入口流道，所述入口外壳至少部分地围绕涡轮机转子，所述入口外壳限定了与所述涡轮机转子连通的入口流道的外流道曲线，所述外流道曲线至少部分地由横截面中的多个弓形表面限定，所述喷嘴限定了与涡轮机转子连通的入口流道的内流道曲线，所述内流道曲线至少部分地由中心圆顶形状限定。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述多个涡轮机导叶的每一个通过前缘和后缘限定了翼型轮廓剖面，所述翼型轮廓剖面由一组X坐标和Z坐标来限定，所述X坐标和Z坐标限定在由期望系数按比例决定的表V、表VI、表VII、表VIII或表IX的任一个中，所述X坐标是切线方向，并且所述Z坐标是在翼型根部和翼型顶部之间的径向方向。

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