CN104024579B - 用于航空器发动机的燃气涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

一种用于航空器发动机的燃气涡轮机定子，具有叶片阵列，叶片阵列具有由一系列的第一叶片和一系列的第二叶片构成的多个叶片，第一叶片和第二叶片具有不同的几何形状；阵列由多个扇区部限定，每个扇区部包括内部分、外部分、至少一个第一叶片以及至少一个第二叶片，并且每个扇区部由一体地制成的本体限定；对于定子的整个圆周来说，单个第一叶片与单个第二叶片交替。

Description

用于航空器发动机的燃气涡轮发动机

技术领域

本发明涉及一种用于航空器（飞机，aircraft）发动机的燃气涡轮机定子。

背景技术

在用于航空器发动机的燃气涡轮机的领域中，长期以来认识到对通过减小重量而尽可能提高性能的需要。终于，一方面，这导致了定子的结构越来越多地承受应力（即，叶片上的高流体动力载荷），并且另一方面，导致了定子的结构具有越来越小的厚度轮廓，并因此不可避免地具有较低的刚度（挠曲刚度和抗扭刚度）。

已经发现，定子叶片阵列的降低的刚性已不可避免地导致了涡轮机的结构在一定的功能条件下不稳定。

已可通过实验证明，这种不稳定性是由于对气动弹性现象的明显敏感性，所述气动弹性现象源自于一级叶片之间的相互的气动干扰、且随之而来的是触发运动或振动状态（被称为“颤振（flutter）”）。该颤振对叶片施加应力，导致它们进入结构性临界条件，并且产生噪声发射。

由于这些问题，定子叶片阵列被局部地增强或者被制造得更刚性，但是不可避免地以重量的增加为代价，并且在任何情况下，几何形状/构造的可接受性妥协于空气动力性能方面，并且因此妥协于效率方面。

专利申请EP-A-2075413（与权利要求1的前序部分相对应）教导了优化定子阵列的翼型（aerofoil，机翼）。特别地，该阵列包括可彼此不同的翼型。但是，EP-A-2075413中提出的解决方案对于零件组装不是很理想，因为这些部件数量众多、并且彼此不同。换句话说，由于各自被制造得具有不同的几何特征，所以这些部件需要专用的存储和处理系统以及不同的识别码。另外，在组装步骤中，可取的是提供适当的参考和定位系统以如通过设计所设定地，将各个翼型安装在正确的位置中。

此外，在EP-A-2075413中，从颤振稳定化的观点来看，翼型沿圆周方向的特定类型的交替不是最优的，因为它在叶片阵列中产生明显的不对称性。

发明内容

本发明的目的是提供一种定子，其具有使得能够以简单和廉价的方式解决上述问题的结构性特征。

根据本发明，提供了用于航空器发动机的燃气涡轮机定子，所述定子包括叶片阵列，所述叶片阵列包括由一系列的第一叶片和一系列的第二叶片构成的多个叶片，所述第一叶片具有与所述第二叶片不同的几何形状。其中，所述第一叶片和所述第二叶片被布置成对于所述定子的整个圆周来说单个第一叶片与单个第二叶片交替。所述叶片阵列由多个扇区部限定，每个扇区部包括：内弯曲部分，紧邻相邻扇区部的内弯曲部分以便形成内环形端壁；外弯曲部分，紧邻相邻扇区部的外弯曲部分以便形成外环形端壁；所述第一叶片中的至少一个以及所述第二叶片中的至少一个。每个所述扇区部由一体地制成的本体限定。

附图说明

现在将参考附图描述本发明，附图中示出了一些非限制性实施例，其中：

图1示意性地且基本上以块的方式示出了装备有根据本发明原理制成的多个叶片扇区部的燃气涡轮机的定子；

图2和3分别以更大比例示出了图1中定子的叶片扇区部的第一优选实施例的透视图以及沿图2的线III-III截取的截面视图；

图3a和3b类似于图3，并且分别示出了沿图2的线IIIa-IIIa和线IIIb-IIIb截取的截面视图。

图4和5类似于图2和3，并且分别以更大的比例示出了图1中定子的叶片扇区部的第二优选实施例的透视图以及沿图4的线V-V截取的截面视图；以及

图6和7类似于图2和3，并且分别以更大的比例示出了图1中定子的叶片扇区部的第三优选实施例的透视图以及沿图6的线VII-VII截取的截面视图。

具体实施方式

在图1中，标号1作为整体表示用于航空器发动机的燃气涡轮机级（未示出）的定子（部分地示出）。

定子1包括由彼此相邻地布置的多个定子叶片扇区部2形成的阵列或环1b，所述多个定子叶片扇区部相对于阵列1b的轴线1a同轴，并且每个定子叶片扇区部均包括内弯曲部分3、外弯曲部分4和至少两个中间径向叶片5，所述至少两个中间径向叶片在一端处整体地连接于内弯曲部分3、并且在其另一端处整体地连接于外弯曲部分4，以便与部分3和4一起形成一体地制成的整体式扇区部2。

部分3和部分4围绕轴线1a像圆的圆弧那样地延伸，并且如上所述地分别在圆周方向上搁置抵靠和/或连接于相邻扇区部2的部分3和4：综合起来，部分3由此形成内环形端壁3a，并且部分4由此形成外环形端壁4a（图1）。明显的是，端壁3a和4a在它们之间径向地界定一环形通道，该环形通道引导涡轮机中的气体流动并且容纳叶片5。

具体参照图2和3，每个扇区部2包括两个系列的叶片5，并且具体地，包括3个叶片5a和3个叶片5b，所述两个系列的叶片在几何形状和尺寸方面彼此不同并且一个系列的叶片与另一个系列的叶片交替布置。可替换地，根据未示出的变型，每个叶片扇区部2仅包括一个叶片5a和仅一个叶片5b。

叶片5a和5b中的每一个均具有其自己的径向母线，表示为6a和6b。在图2中所示的特定实例中，母线6a和6b至少部分地弯曲并且彼此不同。可替换地，根据未示出的变型，母线6a和6b是直线、或者与通过实例表示的那些母线不同地弯曲。

仍参照图2、3、3a和3b，叶片5a和5b彼此不同并且至少部分地弯曲；在所描述的具体实例中，它们具有各自弯曲的中间段以及各自基本上平直的端部段8a和8b，所述弯曲的中间段被表示为7a和7b并且具有彼此不同的曲率，所述基本上平直的端部段布置在各自的弯曲段的相对端上并且从各自的弯曲部分3和4延伸。

参照图3，叶片5a和5b具有各自的横截面部分9a和9b，所述横截面部分在形状或几何形状方面以及在尺寸方面均彼此不同；叶片5a在径向方向上（即，从部分3朝向部分4延伸的方向上）具有基本上恒定尺寸的截面部分9a，而叶片5b具有可变的截面部分9b，所述可变的截面部分总是在径向方向上适当地以不间断的方式改变，如可从图3、3a和3b中示出的截面清楚地看到的。特别地，叶片5b中在接近部分3和4处的截面部分9a具有最大尺寸（图3），在径向延伸部的大约一半处的截面部分9a具有最小尺寸（图3b），并且在其余部分中具有中间截面部分9a（图3a）。仍参照图3，最大尺寸的截面部分9a中的每一个均具有沿圆周线10测得的尺寸D1（图3），该尺寸D1比在相同方向上测得的截面部分9b的尺寸D2小得多，并且特别地，该尺寸D1等于或小于尺寸D2的一半。不仅如此，而且最大尺寸的截面部分9a中的每一个均具有一周边，该周边的形状和外部尺寸形成为使得其完全在截面部分9b中的每一个的周边内延伸。另外，仍参照图3，叶片5a具有相对端部，所述相对端部的曲率半径Ra比叶片5b的端部的曲率半径Rb小得多，如在图3中清楚地可见的。

图4和5示出了叶片扇区部13，其类似于叶片扇区部2，并且其与叶片扇区部2的不同仅在于这样的事实：即，母线6b的曲率比母线6a大，并且最大尺寸的截面部分9b在轴向方向上的表面和延伸部比截面部分9a的表面和延伸部小。

此外，尺寸D1和D2基本上相当，如在图5中可以看到的。

图6和7示出了叶片扇区部14，其与叶片扇区部13的不同仅在于这样的事实：即，母线6a和6b具有不同的曲率，并且特别地，该曲率小于扇区部13的母线6a和6b的曲率。

已可通过实验观察到，在同一整体式叶片扇区部上使用不同系列的叶片、特别地使用几何形状和尺寸彼此不同的或沿内部部分和外部部分布置在不同的相对位置中的叶片使得能够形成这样的叶片扇区部，即，该叶片扇区部在任何功能或负载条件下均气动弹性地稳定，并且同时是极轻的。

上述结果是由于这样的事实，即，在所描述的定子扇区部2、13和14中，同一扇区部的叶片中的每一个正是通过具有不同的母线、截面部分（并且在一般情况下，具有与该扇区部的其它叶片不同的几何形状）和/或通过相对于其它叶片被布置在某一位置中而弹性地变形并且以其自己的方式且以其自己的频率振动或颤振，所述振动或颤振与构成同一扇区部的一部分的其它系列的叶片的振动或颤振的模式不同。

特别地，在设计阶段中，同一扇区部的叶片的几何形状和相对布局被确定为使得不同叶片之间的气动相互作用被减小到相互地彼此抵消、使得相关的扇区部稳定的点。换句话说，几何形状和相对布局被确定成使每个叶片的临界振动模式的频率“失谐（detune，失调）”，即，从而减少由相邻的叶片所造成的气动迭代（aerodynamiciteration）。

通过将扇区部制成单件式（每个扇区部均包括至少一个叶片5a和至少一个叶片5b），可制造全部相同的扇区部，并因此可生产一种在组件级中沿定子的圆周重复的模块。

此外，单个叶片5a与单个叶片5b沿定子1的整个圆周的交替使得能够将阵列1b的不对称性减少到最小，从而优化了颤振稳定性。

通过上面的描述，显然的是，在不脱离独立权利要求中所限定的保护范围的情况下，可以对所描述的定子1进行修改和变化。特别地，母线6a和6b可以具有与通过实例描述的那些母线不同的路径，而所有或一部分叶片扇区部可包括多个叶片5，所述多个叶片不同于所描述的那样、但是总是为偶数个（如图示的实例中那样），以便获得这样的扇区部，即，该扇区部具有叶片5a和5b的交替并且沿定子1的圆周均匀地重复。

最后，当母线6a和6b是直线时，它们可以具有彼此不同的径向倾斜度。

Claims (11)

1.一种用于航空器发动机的燃气涡轮机定子(1)，所述定子包括叶片阵列(1b)，所述叶片阵列包括由一系列的第一叶片(5a)和一系列的第二叶片(5b)构成的多个叶片，所述第一叶片(5a)具有与所述第二叶片(5b)不同的几何形状；

其特征在于：

a)所述第一叶片和所述第二叶片被布置成对于所述定子(1)的整个圆周来说单个第一叶片(5a)与单个第二叶片(5b)交替；

b)所述叶片阵列由多个扇区部(2；13；14)限定，每个扇区部包括：

i)内弯曲部分(3)，紧邻相邻扇区部的内弯曲部分以便形成内环形端壁(3a)；

ii)外弯曲部分(4)，紧邻相邻扇区部的外弯曲部分以便形成外环形端壁(4a)；

iii)所述第一叶片(5a)中的至少一个以及所述第二叶片(5b)中的至少一个；

c)每个所述扇区部(2；13；14)由一体地制成的本体限定。

2.根据权利要求1所述的定子，其特征在于，所述第一叶片(5a)和所述第二叶片(5b)具有各自的第一径向母线和第二径向母线，所述第一径向母线和所述第二径向母线彼此不同。

3.根据权利要求2所述的定子，其特征在于，所述第一径向母线和所述第二径向母线分别包括至少一个第一弯曲段和至少一个第二弯曲段；所述第一弯曲段和所述第二弯曲段具有彼此不同的曲率。

4.根据权利要求3所述的定子，其特征在于，所述第一弯曲段和所述第二弯曲段是中间段。

5.根据权利要求4所述的定子，其特征在于，所述第一径向母线和所述第二径向母线分别进一步包括布置在所述第一弯曲段和所述第二弯曲段中的相应一个的相对端部上的第一平直的段和第二平直的段。

6.根据权利要求5所述的定子，其特征在于，所述第一平直的段和所述第二平直的段从所述内弯曲部分(3)和所述外弯曲部分(4)延伸。

7.根据权利要求1所述的定子，其特征在于，所述第一叶片和所述第二叶片分别具有第一截面部分和第二截面部分，所述第一截面部分和所述第二截面部分的几何形状或尺寸彼此不同。

8.根据权利要求7所述的定子，其特征在于，所述第一截面部分和所述第二截面部分具有沿共同的圆周方向测得的彼此不同的各自的尺寸。

9.根据权利要求1所述的定子，其特征在于，至少所述第二叶片在径向方向上具有可变的截面部分。

10.根据权利要求9所述的定子，其特征在于，至少所述第二叶片在靠近所述内弯曲部分(3)和所述外弯曲部分(4)处具有最大尺寸的截面部分。

11.根据权利要求8所述的定子，其特征在于，所述第一截面部分中的每一个的周边形成为使得它能够内切于所述第二截面部分中的每一个的相应周边中。