CN104081005A - 一种涡轮喷气发动机的风扇叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涡轮喷气发动机的叶片。在位于从叶片根部朝向叶片顶端测量的叶片总径向高度的60％至90％范围内的径向高度上的叶片部分中，所述叶片的前缘呈现大于或等于+28°的掠角，并且在位于叶片径向高度的20％至90％范围内的叶片部分中的最小掠角的径向高度(Hmin)上测量的最小掠角与在比所述最小掠角的径向高度高10％的径向高度(Hmin+10)上测量的掠角之间，前缘的掠角呈现小于10°的差值(δ1)。

Description

一种涡轮喷气发动机的风扇叶片
背景技术
本发明涉及一种用于涡轮喷气发动机风扇的叶片的一般领域。本发明更具体涉及叶片的形状。
涡轮喷气发动机的风扇叶片的制造需要满足各种多学科标准。设计风扇叶片使保证其具有好的机械强度的同时优化其效率和其推力(特别是在高速下的流量)，特别是在叶片承受的机械压力最严重的高速旋转下。风扇叶片的设计还必须符合在现有标准中所述的各个操作点下限定的噪声指标。
大量风扇叶片的形状已经被提出。为了提高叶片的空气动力性能并且为了减少由风扇产生的噪声，他们通常的特点是用于他们轮廓前缘的堆叠关系以及前缘掠角的变化。举例来说，EP1452741公开出版物已经提及到的，其描述了一种用于涡轮喷气发动机的风扇或压缩气机的特别的掠形叶片形状。
发明内容
本发明的目的是提出一种风扇叶片形状，与现有技术相比，该风扇叶片形状能够获得相当大的空气动力的改进，特别是在比流量(specific flow rate)方面改进，并且还在机械及声学上改进。
根据本发明，这个目的通过具有根部、顶端、前缘和后缘的涡轮喷气发动机的风扇获得，其中，在位于叶片总径向高度的60％至90％范围内的径向高度上的叶片部分中，所述前缘呈现大于或等于+28°的掠角，所述叶片总径向高度从所述叶片的所述根部朝向所述叶片的所述顶端测量出；并且在位于叶片径向高度的20％至90％范围内的叶片部分中的最小掠角的径向高度上测量的最小掠角与在比所述最小掠角的径向高度高10％的径向高度上测量的掠角之间，所述前缘的掠角呈现小于10°的差值。
用于前缘的后掠，至少+28°的值使得叶片获得对于发动机具有足够操作性的大于210千克/每秒/每平方米(kg/s/m2)的最大比流量，即限制了不依赖于各种装置(可调节距、喷嘴…)的轮廓迎角的增加。其在大于叶片总径向高度的60％的位置根据需求而进行应用，以适应叶片承受的压力和声学约束。用于减少标称操作(nominal operation)(在毂通道以及叶片与盘之间的长期接触界面下的叶片区的寿命)中的压力而所需的机械平衡以及在极端情况(能够承受吸入较重的鸟类、等级高的振动)下加上防止弦在顶端减少太多的可操作性约束，在叶片的整个高度，甚至更多地在主要存在压力的超过底部50％处限制可能的重心振动振幅。
将前缘的这种后掠定位在小于叶片总径向高度的90％的径向高度上有助于避免在相对于下段的顶端段(即，接近围绕风扇的壳体的段)上具有过多的后掠，以确保对叶片的空气动力稳定性。
而且，在位于叶片径向高度的20％至90％范围内的叶片部分中的最小掠角的径向高度上测量的最小掠角与比最小掠角的径向高度高10％的径向高度上测量的掠角之间，对于前缘，掠角差值以10°的限制有助于通过在小于最大推力的操作点的叶片尾流中显著地减少湍流的传播来提高叶片的声学信号。因而，只考虑二次流的特性(流量、效率和声音方面)(其中，二次流典型地位于叶片的径向高度的20％至100％的范围内)。
这使得叶片具有提高的空气动力特性，同时从机械和声学方面保留了稳健性。
在位于0％至50％的范围内的叶片下部中，所述前缘可以呈现负掠角(即，前掠)。在这种情况下，在后掠转换径向高度与比向后掠转换径向高度高10％的径向高度上测量的掠角之间，前缘掠角差值优选为小于10°，所述后掠转换径向高度与掠形(sweep)变为后掠时的前缘的点相对应且直接位于最小掠角的高度的上方。
在有利的实施方式中，在位于最小纵向横坐标点上方的叶片段重心的最大纵向横坐标值和与最小纵向横坐标点相对应的叶片段重心的纵向横坐标值之间的差值小于或等于在叶片根部测量的叶片轴向弦的20％。这种实施方式的优点是限制叶片力矩且平衡力矩，特别是用以在叶片的根部限制机翼的弯曲力矩。
本发明还提供了包括多个如上所述叶片的涡轮喷气发动机风扇和涡轮喷气发动机。
附图说明
本发明的其他特征和优点从以下结合附图的说明中变得显而易见，所述附图显示的实施方式不具有限制特性。在附图中，
图1是具有本发明的叶片的涡轮喷气发动机的风扇沿纵切面的局部视图；
图2是显示如何定义掠角的图；
图3显示了根据本发明的叶片前缘掠角的轮廓；以及
图4是在穿过根据本发明的叶片段重心的线的子午面上的投影。
具体实施方式
本发明应用于任意一种涡轮喷气发动机的风扇叶片，例如图1中所示的叶片。这个附图显示了具有多个本发明的叶片4的涡轮喷气发动机的风扇2的局部，所述叶片4彼此间围绕涡轮喷气发动机的纵轴线X-X等间隔，所述轴线X-X的方向为沿穿过风扇的气流的方向。
每个叶片4通过根部6固定于盘(或毂)8，该盘(或毂)8围绕涡轮喷气发动机的纵轴线X-X沿箭头F的方向旋转驱动。每个叶片还可以具有平台10，该平台10形成限定用于穿过风扇的冷气流12的流动通道的内壁的一部分。围绕风扇的壳体的壁14形成了限定所述相同流动通道外侧的外壁。
在以下说明中，对于每个叶片4，径向轴线Z-Z限定为垂直于纵轴线X-X并且穿过叶片段的重心，在此，叶片与用于冷气流的流动通道的内壁相交。切向轴线Y-Y(图中未显示)与轴线X-X和轴线Z-Z一起形成右手直角参考系。
如图1中所示，每个叶片4具有多个叶片截面16，在此叶片与垂直于径向轴线Z-Z的平面相截交并且这些截面的重心沿重心Cg的线堆叠。
每个叶片4还径向地限定在根部18和顶端20之间，并且纵向地限定在前缘22和后缘24之间。叶片还从其根部18扭向其顶端20，以在叶片运转中压缩穿过风扇的冷气流12。
在以下说明中，等于0％的叶片的最小径向高度定义为与叶片前缘和限定用于冷气流的流动通道内侧的内壁相交的点相对应，并且等于100％的叶片的最大径向高度定义为与前缘线径向距离轴线最远的点相对应。
根据本发明，在位于如从叶片根部朝向叶片顶端测量的叶片总径向高度的60％至90％范围内的径向高度上的叶片部分中，叶片的前缘呈现大于或等于+28°的掠角。
如图2所示，掠角是指角度α，该角度α形成在介于前缘的切线T和垂直于相对速度矢量的线W之间叶片4的前缘22的点上，所述线W位于包括切线T和相对速度矢量的平面P中。所述角度在平面P中进行测量。当形成在矢量(朝向增加半径的切线方向)和矢量(朝向增加半径的方向)之间的角度α为正时(如图2所示)，前缘被称为后掠。相反地，当角度α为负时，称为前缘前掠。
这种定义遵从且与由LeroyH.Smith和HsuanYeh公开的名称为“在轴向流动的涡轮机中的掠形和二面角效果(Sweep and dihedral effects inaxial-flow turbomachinery)”(在1963年9月的基础工程期刊(Journal of basic Engineering)中公开出版-401页)的定义一致。在本申请中给出的所有值按照前述出版物中详细表示出的公式而进行计算。
图3中显示的线26给出了按照根据本发明的叶片前缘的掠角按照沿叶片的径向高度如何改变的例子。
在本实施方式中，对于70％到80％的范围内的径向高度，叶片的前缘以接近+30°的值后掠(即，其具有正掠角)。
根据本发明，在位于最小掠角的径向高度Hmin上的掠角与在比最小掠角的径向高度高10％的径向高度Hmin+10上测量的掠角之间，前缘的掠角中的差值δ1小于10°(按绝对值)，所述最小掠角的径向高度Hmin与掠角的最小值相对应并且位于在叶片的径向高度的20％和90％之间延伸的叶片部分中。
术语“径向高度Hmin最小掠角”在此用于表示叶片前缘的径向高度，在该径向高度，掠角的值最小。在图3的实施方式中，这个最小掠角的径向高度Hmin是位于叶片的总径向高度的大约40％(在那点的掠角是-3°，这是在20％和90％之间延伸的叶片的整个部分的最小掠角)。
根据图3的实施方式，掠角中的差值δ1按照绝对值为接近5°(在Hmin的掠角：-3°，在Hmin+10的掠角：+2°)。
叶片的前缘还可以在位于0％到50％范围内的叶片下部中呈现前掠(即，负掠角)。在图3的实施方式中，前缘的掠角因而对于位于15％到45％范围内的径向高度是负的。更准确地，掠角在叶片的最小径向高度(0％)和大约15％的径向高度之间初始为正值，然后变成负，直到45％的径向高度，并且从那点又变回正值。
在这种情况下，在后掠转换径向高度H-和在径向高度H+测量的掠角之间，前缘的掠角差值δ2小于10°(按照绝对值)，所述后掠转换径向高度H-与掠形变为后掠时的前缘点相对应并且直接位于最小掠角的高度Hmin的上方，所述径向高度H+比向后掠转换径向高度高10％。
术语“后掠转换径向高度H-”在此用于表示叶片前缘的径向高度，在该径向高度掠角从负值变为正值。在图3的实施方式中，这种后掠转换径向高度H-位于叶片总径向高度的45％左右。
根据图3的实施方式，掠角差值δ2具有大约7°的绝对值(掠角值在H-：0°；在比H-高10％测量的径向高度H+的掠角：+7°)。
图4显示了根据本发明的叶片截面重心的线的子午面上的投影。所述线将每个叶片截面的重心的纵向横坐标值连接在一起。
在图4中本发明的优选布置中，在位于最小纵向横坐标点上方的叶片截面重心Xg+的最大纵向横坐标值和与最小纵向横坐标点相对应的叶片截面重心Xg-的纵向横坐标值之间，沿以气流方向定向的驱动轴线X-X的差值δXg小于或等于在叶片根部截面测量的叶片轴向弦的20％(按照绝对值)，所述根部截面通过在叶片和通道的内壁之间的截交而限定。
所使用的叶片的“弦”是指将前缘的点和后缘的点连接在一起的直线。这个弦沿驱动轴线X-X的轴向投影是轴向弦。
在叶片根部测量的叶片的轴向弦的值取决于发动机的尺寸。举例来说，可以是大约300毫米(mm)。在这种情况下，差值可以例如为大约45mm，这比在其根部测量的叶片的轴向弦的20％小得多。

Claims (5)

1.一种涡轮喷气发动机的叶片(4)，该涡轮喷气发动机的叶片(4)具有根部(6)、顶端(20)、前缘(22)和后缘(24)，所述叶片的特征在于，
在位于所述叶片总径向高度的60％至90％范围内的径向高度上的叶片部分中，所述前缘呈现大于或等于+28°的掠角，所述叶片总径向高度从所述叶片的所述根部朝向所述叶片的所述顶端测量出；并且，
在位于叶片径向高度的20％至90％范围内的叶片部分中的最小掠角的径向高度(Hmin)上测量的最小掠角与在比所述最小掠角的径向高度高10％的径向高度(Hmin+10)上测量的掠角之间，所述前缘的掠角呈现小于10°的差值(δ1)。
2.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述前缘在位于0％至50％范围内的叶片下部中呈现负掠角，在后掠转换径向高度(H-)与在所述比后掠转换径向高度高10％的径向高度(H+)上测量的掠角之间，所述前缘的掠角的差值(δ2)小于10°，所述后掠转换径向高度(H-)与掠形变为后掠时的前缘点相对应且直接位于所述最小掠角的高度的上方。
3.根据权利要求1或2所述的叶片，其特征在于，在位于最小纵向横坐标点上方的叶片截面重心的最大纵向横坐标值和与最小纵向横坐标点相对应的叶片截面重心的纵向横坐标值之间的差值，小于或等于在所述叶片的根部测量的叶片的轴向弦的20％。
4.一种涡轮喷气发动机的风扇(2)，其特征在于，所述涡轮喷气发动机的风扇(2)包括多个根据权利要求1至3中任一项所述的叶片(4)。
5.一种涡轮喷气发动机，其特征在于，所述涡轮喷气发动机包括多个根据权利要求1至3中任一项所述的叶片。
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