CN104583604B - 具有提供改进的空气动力和机械性能的叶型的涡轮机叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涡轮机叶片，包括沿径向轴线(Z‑Z)堆叠的多个叶片截面，每个叶片截面沿前缘和后缘之间的纵轴(X‑X)，和沿压力面与吸力面之间的切向轴(Y‑Y)延伸，叶片截面按纵向Xg和切向Yg分布定律分布；根据叶片自其根部延伸到其顶部的高度，该纵向Xg和切向Yg分布定律确定了叶片截面的各自重心相对于所述纵轴(X‑X)和切向轴(Y‑Y)的定位情况；其特征在于，所述每个纵向Xg和切向Yg分布定律都会在叶片高度的90％至100％之间改变斜坡方向。

Description

具有提供改进的空气动力和机械性能的叶型的涡轮机叶片
技术领域
本发明涉及涡轮机叶片领域，特别适用于涡轮机的高压压缩机或低压压缩机的风扇的金属叶片。
背景技术
涡轮机的叶片承受相当大的转速；因此，叶片的空气动力和机械性能对涡轮机的良好运行具有至关重要的作用。
为了通过改进叶片几何形状来提高叶片性能，人们已经提出了数种建议。
特别应该提到的是以本申请的申请人提交的专利文献FR 2908152，其中提出了沿叶片的高度改变叶片的几何形状。
更确切地说，该文献提出了一种改进了空气动力性能的叶片，根据描述，其提供了一种几何形状，该几何形状是一种相对较低和明显的腹部与在纵向和切线方向都非常明显的后掠的组合。
然而，尽管采用这种叶片空气动力性能会提高，但因为这种特定几何形状对其机械阻力的影响，更确切地说，这种几何形状对叶片某些共振模式的影响，使得叶片的运行易出问题。
发明内容
本发明旨在提出一种具有高空气动力和机械性能的叶片来克服这种情况。
为此，本发明提出了一种涡轮机叶片，一种涡轮机叶片，包括沿径向轴线堆叠的多个叶片截面，每个叶片截面沿前缘和后缘之间的纵轴，和沿压力面与吸力面之间的切向轴延伸，叶片截面按纵向Xg和切向Yg分布定律分布，根据叶片自其根部延伸到其顶部的高度，该纵向Xg和切向Yg分布定律确定了叶片截面的各自重心相对于所述纵轴和切向轴的定位情况；
其特征在于，在叶片高度H的90至100％之间的叶片顶部处：
-具有第一高度，纵向Xg分布定律从该高度处开始转弯朝向叶片的前缘，
-具有第二高度，切向Yg分布定律从该高度处开始转弯朝向叶片的吸力面。
或者，所述第一和第二高度位于叶片高度H的90％和95％之间。
根据特定实施例，所述第一和第二高度相等。
所述叶片通常采用金属材料制成。
本发明还涉及包括多个如上所述叶片的涡轮机风扇、低压压缩机或高压压缩机。
本发明进一步涉及一种包括多个如上所述叶片的涡轮机。
附图说明
通过如下说明，本发明的其它特性和优点会显现出来，如下说明仅用于示意说明，并非为限定性的，该说明必须结合附图阅读，附图如下：
-图1为根据现有技术的涡轮机风扇的局部纵向剖面图。
-图2和3为曲线图示例，分别示出了Xg和Yg分布定律在根据本发明的叶片的部分高度上的变化情况。
-图4和图5为曲线图示例，分别示出了Xg和Yg分布定律在根据本发明的叶片的高度上的变化情况。
-图6为曲线图，示出了相对于已知叶片，根据本发明的叶片所获得的效率(yield)增大的情况。
具体实施方式
图1所示为涡轮机的风扇2的局部部分，该涡轮机通常为航空领域使用的涡轮喷气发动机。
风扇2由多个叶片4组成，这些叶片有规律地间隔分布在以风扇2的纵轴X-X为中心的转子轮盘6(通常称之为轮毂)的周围。
每个叶片4通常包括叶型8、叶根10和叶片顶部12。叶根10安装在转子轮盘6上并通过平台14的中间部分连接到叶型8上，该平台14限定了流过风扇2的气流的范围。转子轮盘6沿箭头18所示方向围绕纵轴X-X被带动旋转。
叶片顶部12位于风扇的固定机箱内表面20的对面，该表面20也限定了气流16的范围，因此，气流就被限定在平台14和机匣的内表面20之间。
叶型8包括多个叶片截面22，这些叶片截面沿垂直于纵轴X-X的径向轴线Z-Z堆叠。叶片截面22设置在从纵轴X-X的径向距离逐渐增大的位置上。最终形成的堆叠构成了空气动力面，该空气动力面沿纵轴X-X在前缘24和后缘26之间延伸，沿风扇的切向轴Y-Y在压力面(与牵引力反向)和吸力面(与牵引力同侧)(图未示)之间延伸。
叶片具有高度H，该高度是沿径向轴线Z-Z自叶根10至叶片顶部12的测量高度。可以确定的是，在高度H的0％处的叶片截面对应于前缘24与气流的内侧气流之间的交叉点的半径，而在高度H的100％处的叶片截面对应于前缘24和气流的上部气流之间的交叉点的半径的点。
如此确定的风扇的纵轴X-X、切向轴Y-Y和径向轴Z-Z构成了一种直接正交三面体(direct orthonormal trihedron)。
该发明适用于涡轮机不同类型的动叶片；例如，风扇动叶片、高压压缩机(即气流流动方向上游的压缩机)的动叶片，和高压压缩机(即气流流动方向下游的压缩机)的动叶片。
图1为涡轮机风扇的局部示意图，其纯粹为了示意说明，特别是，该图定义了涡轮机的各种轴线。
实际上，应该清楚的是，除了风扇叶片之外，如下说明也适用于涡轮机的其它叶片，特别是低压压缩机和/或高压压缩机叶片。
图2和图3分别示出了Xg和Yg分布定律的曲线变化示例，所示为在根据本发明的叶片的一部分高度上的变化。
这两个曲线示出了纵向Xg和切向Yg分布定律的变化情况，该定律确定了构成叶片的堆叠的叶片截面的各自重心相对于纵轴X-X和切向轴Y-Y的定位情况。纵坐标轴表示比率h/H，式中H是以上确定的叶片总高度，而h为所述重心的高度，是自叶片的基部10处测量的高度。
如这些曲线图所示，本发明提出在叶片顶部(即，在构成顶部12的叶片上部的10％处)改变这些Xg和Yg分布定律的斜坡(slope)方向。
为此，自叶片基部开始，对于叶片高度H在90％至100％之间的高度，可以看到所述两个局部分布定律呈现一种钩形。
更常见的是，对于每一个Xg和Yg分布定律来讲，在叶片高度H的90％至100％之间，都有一个高度，这两个分布定律从该高度处开始减小。
这些高度通常在叶片高度H的90％至95％之间。
在叶片高度H的90％至100％之间的Xg分布定律开始减小的高度值，和在叶片高度H的90％至100％之间的Yg分布定律开始减小的高度值可以相同或不同。
纵向Xg和切向Yg分布定律通常包括在自基部开始的叶片高度H的90％至100％之间的高度值的范围上的沿斜坡方向的单个变化，该纵向Xg和切向Yg分布定律确定了构成叶片的堆叠起来的叶片截面的各自重心相对于纵轴X-X和切向轴Y-Y的定位情况。
因此，根据本发明的叶片带有一种叶型，在从叶片基部开始的叶片高度90％至100％之间，该叶型沿前缘24方向并朝吸力面延伸，为此，这种延伸相当于向前部并向叶片顶部的吸力面倾斜。
图3和图4分别示出了纵向Xg和切向Yg分布定律在叶片整个高度上的示例。
如同图2和图3所示那样，在叶片顶部，在这些Xg和Yg分布定律的斜坡方向出现变化，所述叶片顶部系指构成顶部12的叶片上部10％。在叶片顶部，这些Xg和Yg的斜面方向上的这种改变并不受Xg和Yg分布定律在叶片其余高度上的变化的影响。
图6曲线图示出了根据本发明的有关已知叶片所获得的叶片效率(yield)增大的情况。
所述效率是在叶片的上游和下游之间估算的，考虑到了上游和下游的压力和温度。该图示出了叶片上半部分的变化情况，即，是从H/2至H的高度范围，其中，H是叶片的总高度。
该图示出了三个曲线100、102和104，分别为根据本发明的叶片所获得的效率，根据现有技术在顶部没有转折(inflextion)的叶片所获得的效率，以及根据现有技术在顶部在其纵向分布定律Xg内带有转折的叶片所获得的效率。
从这个曲线图上可以看出，本发明可以增大叶片的上部分的效率。另外，还可看到，叶片顶部的改进使得在明显更宽的高度范围内的叶片de效率得到改善；叶片的几何形状改动10％，就会影响叶片的空气动力效率达50％以上。
此外，与现有技术的方案不同，本发明通过改进纵向Xg分布定律和切向Yg分布定律，可以提高叶片的机械强度。
实际上，纵向Xg分布定律的钩状可以减小叶片上的静态限制。此外，虽然根据纵向Xg分布定律的这种钩状会显著降低叶片特定工作模式的频率(此处为模式4)，但这种降低会由切向Yg分布定律的钩状来补偿，后者使得该同一工作方式频率的增加量与前述降低量大体相等。
Xg和Yg的钩状对其它特定工作模式的影响甚微。
因此，纵向Xg和切向Yg分布定律的这种改进，因为静态限制的减小，从而提高了机械性能，不会影响动态性能。
本发明特别适宜于金属材料制成的叶片，例如，适用于通常尺寸缩小至40到50英寸(即101.60cm至127cm)范围的叶片。

Claims (8)

1.一种涡轮机叶片，包括沿径向轴线(Z-Z)堆叠的多个叶片截面，每个叶片截面沿前缘和后缘之间的纵轴(X-X)，和沿压力面与吸力面之间的切向轴(Y-Y)延伸，叶片截面按纵向Xg和切向Yg分布定律分布；根据涡轮机叶片自其根部延伸到其顶部的高度，该纵向Xg和切向Yg分布定律确定了叶片截面的各自重心相对于所述纵轴(X-X)和切向轴(Y-Y)的定位情况；
其特征在于，在涡轮机叶片高度(H)的90％至100％之间的涡轮机叶片顶部处：
-具有第一高度，纵向Xg分布定律从该高度处开始转弯朝向涡轮机叶片的前缘，
-具有第二高度，切向Yg分布定律从该高度处开始转弯朝向涡轮机叶片的吸力面。
2.根据权利要求1所述的涡轮机叶片，其中，所述第一高度和第二高度在涡轮机叶片高度(H)的90％至95％之间。
3.根据权利要求1所述的涡轮机叶片，其中，所述第一高度和第二高度相等。
4.根据权利要求1至3任一项所述的涡轮机叶片，其中，所述涡轮机叶片采用一种金属材料制成。
5.一种涡轮机风扇，其特征在于，其包括多个根据权利要求1至4中任一项所述的涡轮机叶片。
6.一种涡轮机高压压缩机，其特征在于，其包括多个根据权利要求1至4中任一项所述的涡轮机叶片。
7.一种涡轮机低压压缩机，其特征在于，其包括多个根据权利要求1至4中任一项所述的涡轮机叶片。
8.一种涡轮机，其特征在于，其包括多个根据权利要求1至4中任一项所述的涡轮机叶片。
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