CN103958833A - 一种特别用于整体式叶片盘的涡轮发动机叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涡轮发动机叶片。该涡轮发动机叶片包括翼面，该翼面在前缘和后缘之间轴向延伸，并在底端和顶端之间径向延伸。翼面的前缘具有掠角，该掠角为正值；并且，该掠角从底端到翼面的第一径向高度(h1)连续增大，从翼面的该第一径向高度到顶端连续减小，其中，该第一径向高度(h1位于从底端到顶端测量的翼面的总径向高度的20％到40％的范围内。

Description

一种特别用于整体式叶片盘的涡轮发动机叶片
背景技术
本发明涉及用于涡轮发动机的整体式叶片盘的一般领域，特别涉及该盘中包括的叶片的外形。
涡轮发动机的整体式叶片盘(也叫“整体叶盘”)指定一个转子，在该转子中，叶片和装有叶片的盘是在单个均匀金属块中用机器直接制造的，以便形成一个单件。这种盘通常用于形成涡轮发动机的各种压缩机级，特别用于形成双轴旁路型航空涡轮喷气飞机的高压压缩机。
整体叶盘的叶片的设计需要满足空气动力学性能和特殊环境中机械强度两方面的需求。当这种叶片呈现相对较小的径向翼面高度时，会产生叫作二次流的高振幅空气动力学现象。这些二次流致使叶片的空气动力学性能降低。由于“颠簸(plunging)”型流动通道的存在，即，通道向涡轮喷气飞机的旋转轴倾斜，也使气动流状态难于控制。
发明内容
因此，一种能带有翼面外形的整体叶盘的叶片是可以满足需要的，这样就可能在二次流上达到好的控制，并且可能顾及到位于“颠簸”通道中的叶片。
为了达到这个目的，本发明提供一种涡轮发动机叶片，该涡轮发动机叶片包括翼面，该翼面在前缘和后缘之间轴向延伸，并在底端和顶端之间径向延伸。其中，根据本发明，所述翼面的所述前缘具有掠角，该掠角是正值，并且，该掠角从所述底端到所述翼面的第一径向高度上是连续增大的，所述掠角从所述翼面的这个第一径向高度到所述顶端是连续减小的；其中，所述第一径向高度位于从所述底端到所述顶端测量的所述翼面的总径向高度的20％到40％的范围内。
特别地，这种翼面外形可以获得一种流体流量分布，比起中间高度带，该流量分布更倾向于靠近底端的翼面带。而且，流动速度在靠近流动通道的顶端部分被吸入。这样就优化了流体流量在流动通道的全部高度上的分布，因此，提高了叶片的气动效率，并有助于控制二次流。
优选地，所述翼面的所述前缘的所述掠角从所述翼面的第二径向高度起成为负值，其中，所述第二径向高度位于所述翼面的所述总径向高度的60％到80％的范围内。
还优选地，所述翼面的所述前缘的所述掠角在所述翼面的所述顶端小于-45°。
根据有益的规定，所述翼面的所述前缘具有上反角(dihedral angle)，该上反角从所述底端到所述顶端总的来说是增大的。所述翼面的所述前缘的该上反角可以位于所述底端的最小值和所述顶端的最大值之间；其中，所述最小值位于-25°到-5°范围内，所述最大值位于+5°到+25°范围内。优选地，所述翼面的所述前缘的该上反角位于从所述底端的-15°到所述顶端的+15°的范围内。
此外，有益地，所述翼面的所述前缘的所述上反角在所述底端和所述翼面的所述第一径向高度之间为负值；在所述翼面的第三径向高度和所述顶端之间为正值，其中，所述第三径向高度位于所述翼面的所述总径向高度的40％到60％的范围内。存在这种上反角能够给所述翼面的低的部分提供入射保护(incidence protection)(据说所述前缘“关闭住了(closed)”)，其中，所述翼面的低的部分与可接受的静应力带相关。
有益地，所述翼面的所述第三径向高度位于所述翼面的所述总径向高度的50％处。这样就最佳地定向了由叶栅给流体施加的力(反之亦然)，以确保可接受的翼面中的静应力及其一致的气动效率分布。
优选地，所述翼面的所述第一径向高度位于所述翼面的所述总径向高度的30％处。
本发明还提供一种用于涡轮发动机的整体式叶片盘，该涡轮发动机具有多个如上所述的叶片。本发明还提供一种涡轮发动机，该涡轮发动机具有至少一个该整体式叶片盘。
附图说明
本发明的其他特点和优点在下文参考附图进行描述。附图示出了不具有限制性的实施方式。在附图中：
图1是具有本发明的叶片的整体式叶片盘的局部透视图；
图2示出根据本发明的叶片的翼面的前缘的掠角的曲线图；以及
图3示出根据本发明的叶片的翼面的前缘的上反角的曲线图。
具体实施方式
本发明应用于任意的涡轮发动机叶片。
本发明尤其涉及用于涡轮发动机的整体式叶片盘的叶片，但并不唯一用于此；例如，该整体式叶片盘为如图1所示的涡轮喷气飞机中的高压压缩机的下游级的盘10。该盘的叶片20具有小径向高度的翼面，例如，25毫米(mm)的高度，并且将它们位于“颠簸”流动通道中，即，向涡轮喷气飞机的旋转轴倾斜的通道。
在现有的方法中，每个叶片20包括翼面22，该翼面22在前缘24和后缘26之间轴向延伸(即，沿着涡轮喷气飞机的纵轴X-X)，并在底端28和顶端30之间径向延伸(即，沿着垂直于纵轴X-X的径向轴Z-Z)。
根据本发明，叶片翼面的前缘24具有掠角，该掠角是正值，并且，该掠角从底端28到第一径向高度h1连续增大，从该翼面的第一径向高度h1到顶端30连续减小；其中，第一径向高度h1位于沿着翼面从底端到顶端测量的翼面的总径向高度的20％到40％的范围内。
通过定义，翼面的最小径向高度等于0％，对应于翼面前缘和叶片盘之间的交叉点，其界定了穿过压缩机级的空气流的流动通道的内部。同样，翼面的最大径向高度等于100％，对应于前缘线在其径向的最高点的点。
此外，掠角是前缘的切线与和与相对速度矢量垂直的线在叶片的前缘的一点上形成的锐角。当掠角是正值时，也就是说前缘呈现向后弯曲(后掠角)。反之，负的掠角表示前缘呈现向前弯曲(前掠角)。
掠角更精确的定义特别在由勒罗伊·H(Leroy H)、史密斯(Smith)和叶宣(HsuanYeh)发表的“在轴向流动的涡轮机械中的掠角和上反角的影响(Sweep and dihedraleffects in axial-flow turbomachinery)”中提出(1963年9月发表于《基础工程期刊(theJournal of Basic Engineering)》第401页)。
根据本发明的叶片的翼面的前缘的掠角由图2中的曲线100示出。如曲线100所示，从底端(对应于0％的翼面高度)一直到翼面的第一径向高度h1，掠角是正值(向后弯曲)，并且连续增大；其中，第一径向高度h1位于从底端到顶端测量的翼面的总径向高度的20％到40％的范围内，优选地，等于30％。而且，该掠角从翼面的该第一径向高度h1到顶端(对应于100％的翼面高度)连续减小。
在此应用的术语“连续”，其含义为掠角的增大(或者在另一种情况下可以是减小)在定义前缘的这些部分的两个径向高度之间不会间断。详细地说就是，前缘的这些部分并不意味着掠角的任何的增大(或者在另一种情况下可以是减小)。
优选地，翼面的前缘的掠角从翼面的第二径向高度h2起成为负值，其中，第二径向高度h2位于翼面的总径向高度的60％到80％的范围内(在图2所示的实施例中，h2＝60％)。
还优选地，翼面的前缘的掠角在翼面的顶端小于-45°(在图2所示的实施例中，在翼面径向高度的100％，对应于翼面顶端，掠角大约是-49°)。
翼面的前缘的掠角的这样的关系，以及以上描述的详细特点主要有助于分配流体在通道的全部高度上的流量，并有助于叶片顶端的径向空隙的开口处的气动稳定性(该开口随着发动机的老化而趋于扩大)。
此外，该叶片可能有附加的有益效果，该附加的有益效果由其翼面的前缘的上反角的关系来详细说明。
前缘的上反角是前缘的切线与包含叶片旋转轴线的平面在叶片的前缘的一点上形成的角。负值的上反角意思是叶片前缘上的该点的切线指向叶片的旋转方向。相反地，正值的上反角意思是叶片前缘上的该点的切线指向叶片的旋转方向的反方向。上反角更精确的定义同样在上述由勒罗伊·H(Leroy H)、史密斯(Smith)和叶宣(Hsuan Yeh)发表的文章中提出。
根据本发明的叶片的翼面的前缘的上反角由图3中的曲线200示出。如曲线200所示，该上反角从底端到顶端总的来说是增大的。在图3的实施方式中，从底端的值-15°(对应于翼面径向高度的0％)一直到顶端的值+13°(对应于翼面径向高度的100％)。
相比较“连续”地增加来说，“总的来说”增加的上反角在位于翼面的底端和顶端之间的前缘的某些部分上可能会呈现出一些减小。
优选地，翼面的前缘的上反角位于底端的最小值Vmin和顶端的最大值Vmax之间，其中，最小值位于-25°到-5°范围内，最大值位于+5°到+25°范围内。优选地，翼面的前缘的上反角位于从底端的-15°到顶端的+15°的范围内。
此外，有益地，翼面的前缘的上反角在底端和翼面的第一径向高度h1之间为负值，其中，第一径向高度h1位于翼面的总径向高度的20％到40％的范围内，优选等于30％。同样，优选地，翼面的前缘的上反角在翼面的第三径向高度h3和翼面的顶端之间为正值。其中，第三径向高度h3位于翼面的总径向高度的40％到60％的范围内，优选地，等于50％。

Claims (11)

1.一种涡轮发动机叶片(20)，该涡轮发动机叶片(20)包括翼面(22)，该翼面(22)在前缘(24)和后缘(26)之间轴向延伸，并在底端(28)和顶端(30)之间径向延伸，其特征在于，所述翼面的所述前缘具有掠角，该掠角为正值，并且，该掠角从所述底端到所述翼面的第一径向高度(h1)连续增大，从所述翼面的所述第一径向高度到所述顶端连续减小，其中，所述第一径向高度(h1)位于从所述底端到所述顶端测量的所述翼面的总径向高度的20％到40％的范围内。
2.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述翼面的所述前缘的所述掠角从所述翼面的第二径向高度(h2)起为负值，其中，所述第二径向高度(h2)位于所述翼面的所述总径向高度的60％到80％的范围内。
3.根据权利要求1或2所述的叶片，其特征在于，所述翼面的所述前缘的所述掠角在所述翼面的所述顶端小于-45°。
4.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的叶片，其特征在于，所述翼面的所述前缘具有上反角，该上反角从所述底端到所述顶端总的来说是增大的。
5.根据权利要求4所述的叶片，其特征在于，所述翼面的所述前缘的所述上反角位于所述底端的最小值(Vmin)和所述顶端的最大值(Vmax)之间，其中，所述最小值(Vmin)位于-25°到-5°范围内，所述最大值(Vmax)位于+5°到+25°范围内。
6.根据权利要求5所述的叶片，其特征在于，所述翼面的所述前缘的所述上反角位于从所述底端的-15°到所述顶端的+15°的范围内。
7.根据权利要求4-6中任一权利要求所述的叶片，其特征在于，所述翼面的所述前缘的所述上反角在所述底端和所述翼面的所述第一径向高度之间为负值，在所述翼面的第三径向高度(h3)和所述顶端之间为正值，其中，所述第三径向高度(h3)位于所述翼面的所述总径向高度的40％到60％的范围内。
8.根据权利要求7所述的叶片，其特征在于，所述翼面的所述第三径向高度位于所述翼面的所述总径向高度的50％处。
9.根据权利要求1-8中任一权利要求所述的叶片，其特征在于，所述翼面的所述第一径向高度位于所述翼面的所述总径向高度的30％处。
10.一种用于涡轮发动机的整体式叶片盘，其特征在于，该整体式叶片盘上有多个根据权利要求1-9中任一权利要求所述的叶片。
11.一种涡轮发动机，其特征在于，该涡轮发动机包括至少一个根据权利要求10所述的整体式叶片盘。
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