CN104822903B - 用于燃气涡轮机系统的翼型部阵列 - Google Patents

Abstract

一种用于燃气涡轮机系统的翼型部阵列，具有内部环形台和外部环形台，其围绕纵向轴线延伸并径向界定用于气流的环形通道；环形通道容纳多个翼型部，所述翼型部以基本上恒定的角间距布置并包括各自的中心部分和与台连接的各自端部；翼型部通过具有不同几何特征的两个系列的翼型部形成以便有意地改变本征频率并围绕纵向轴线布置成具有所有均沿着环形通道有规律地重复的序列；即使翼型部的外部几何形状改变，在中心部分中，相对于纵向轴线以任何给定半径截取的截面保持不变。

Description

用于燃气涡轮机系统的翼型部阵列

技术领域

本发明涉及用于燃气涡轮机系统的翼型部阵列。

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尽可能减小重量而提高性能的需要。终于，一方面这导致了翼型部阵列的结构承受较高的空气动力载荷，另一方面导致翼型部阵列的结构具有越来越小的厚度，并且因此不可避免地具有较低的刚度(抗挠刚度和抗扭刚度)。

已经发现，翼型部的降低的刚性已不可避免地导致了涡轮机的结构在某些功能条件下不稳定。具体地，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相同涡轮机级的翼型部之间的相互的气动作用，且随之而来的是触发振动，该振动对阵列施加应力，从而导致它们进入结构性临界条件，而且产生噪声发射。

因而被称为颤振的这种自感应气动弹性振动的现象会限定阵列设计中的限制条件。通常，能够将翼型部制成得更刚性以最小化该现象，但如以上说明的，不期望随之增加它们的重量。

作为有利的替代方法，已知在阵列的设计中改变翼型部的一部分的特性以便与轴向对称的标准配置不同。

换言之，每个阵列中的翼型部的几何形状和/或相对位置被确定成有意地使得第一组翼型部相对于第二组翼型部之间的临界振动模式的本征频率“失谐”或“不和谐”，并且使得第一组的翼型部与第二组的翼型部交替以形成阵列。

用这种方法，可发现不同类型的相邻翼型部之间的气动相互作用减小，从而致使整个阵列在振动方面更稳定。

在有意使本征频率失谐的翼型部的已知方案中，气动效率通常下降。事实上，通过改变关于第一组的翼型部和第二组的翼型部之间的高压力侧和低压力侧上和/或前夹角和后夹角上的几何结构，各种叶片间通道中的出口流状态(压力、气流方向等)相对于标准型轴向对称情况中设计的彻底改变。

美国专利US4097192描述了旨在减少颤振而不削弱气动效率的涡轮转子。在这种情况下，不改变翼型部之间的外部几何形状和间距，而是通过在第一组翼型部的径向端部中形成凹槽并用完全实心的叶片制造第二组翼型部来达到失谐。

在该转子中，上述径向端部必须是自由的并且因此它们未通过任何外部环形台彼此连接。然而，在一些应用中，转子具有与翼型部互相连接的外部环形台是适宜的或者甚至是必要的，这是美国专利US4097192不能有效采用的方案。

此外，用于移除材料的机械加工和在翼型部的一部分的径向端部处形成凹槽耗费额外的生产时间和成本。

美国专利US5667361公开了用于涡轮发动机的叶片的阵列，其中，每个叶片具有一对护罩，该护罩设置有与相邻叶片的护罩接触的边缘。相邻叶片的护罩角中的微小差异导致运行翼弦角中的相应差异，使得阵列失谐并且消除翼型部颤振。

已知方案的另一缺点在于单独生产具有不同几何特征的第一组翼型部和第二组翼型部需要专用的存储系统和处理系统以及不同的标识码。此外，在组装阶段，根据设计，提供将各个翼型部安装于正确位置中的多个参考和定位系统是适宜的。

发明内容

本发明的目的是制造用于燃气涡轮机系统的翼型部阵列，这相对于美国专利US4097192中公开的技术方案构成有效替代方法从而以相对简单和便宜的方式解决上述缺点。

根据本发明，提供了用于燃气涡轮机系统的翼型部阵列。

根据一个方面，提供了一种用于燃气涡轮机系统的翼型部阵列，所述阵列包括：a)内部环形台和外部环形台，所述内部环形台和所述外部环形台围绕纵向轴线延伸并径向界定用于气流的环形通道；b)多个翼型部，所述多个翼型部容纳于所述环形通道中，围绕所述纵向轴线以基本恒定的间距布置，并且所述多个翼型部包括：各自的中心部分；各自的外径向端部，每个外径向端部均限定将相应的所述中心部分与所述外部环形台结合的连接部分，以及各自的内径向端部，每个内径向端部均限定将相应的所述中心部分与所述内部环形台结合的连接部分；所述翼型部包括第一翼型部和第二翼型部，所述第一翼型部和所述第二翼型部分别沿第一方向和第二方向延伸，所述第一方向和所述第二方向相对于所述纵向轴线基本呈径向；所述第二翼型部具有至少一个与所述第一翼型部不同的几何特征，以便相对于所述第一翼型部的本征频率有意地改变所述第二翼型部的本征频率；所述第一翼型部和所述第二翼型部绕所述纵向轴线布置成具有沿着所述环形通道均有规律地重复的序列；在相对于所述纵向轴线以任何给定半径截取所述第一翼型部和所述第二翼型部的中心部分时，截面具有与气流的理论轨迹相对应的弯曲截面表面，所述中心部分的截面是相同的；所述第一方向和所述第二方向限定所述截面堆叠所沿的方向；其中，所述不同的几何特征由所述第二方向相对于所述第一方向的曲率和/或倾斜限定；所述第一方向和所述第二方向的不同的曲率和/或倾斜导致所述截面的平移，因而所述翼型部的一些区域在角间距中具有微小变化和/或在前缘之间以及在后缘之间沿轴向方向具有微小交错。

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是用于燃气涡轮机系统的第一翼型部阵列的简化正视图，其不是本发明的部分；

图2是图1第一阵列的区段的放大比例的立体图；

图3、3a和3b是图2中区段的翼型部的截面，是分别沿着图2的截面线III-III、IIIa-IIIa和IIIb-IIIb相对于阵列的中心以某些半径构成的；

图4和图5分别类似于图2和图3，并且示出了根据本发明原理提供的用于燃气涡轮机系统的第二翼型部阵列的区段；

图6类似于图2，并且以放大比例示出了图2的变形且为了清楚起见移去了部分，其不是本发明的部分；

图7至图10类似于图2和图3，并且示出了两个其他变形，其不是本发明的部分；以及

图11和图12也类似于图2和图3，并且示出了根据本发明原理提供的用于燃气涡轮机系统的第三翼型部阵列的区段。

具体实施方式

在图1中，参考标号1表示翼型部阵列，在示出的实例中所述翼型部阵列组成涡轮机级中的定子的部分，所述涡轮机级构成燃气涡轮机系统(未示出)的部分。

阵列1包括围绕轴线1a沿圆周方向并排地布置的多个区段2，该轴线1a与涡轮机级的轴线一致。

根据本发明的优选方面，区段2是相同的并且通过各个单片本体限定，所述单片本体中的每个例如通过在适宜的冲模中浇铸而制成单件。如图2所示，每个区段2包括至少两个翼型部5a和5b，所述翼型部具有总的来说彼此不同的外部形状，如在下文中将更好说明的。因此，在组装阶段中，每个区段2形成沿着定子的圆周重复的一种模件。在具体实例中，该模件总共包括六个翼型部。

每个模件或区段2进一步包括内部3和外部4，所述内部和外部围绕轴线1a延伸成类似圆的弧并沿圆周方向搁置抵靠和/或分别连接至相邻区段2的部分3和部分4，以便形成内部环形台3a和外部环形台4a(图1)，其通常由术语“端壁”表示。显然台3a和4a径向界定环形通道5(图1)，所述环形通道在涡轮机中引导气流并容纳翼型部5a和5b。

仍参考图2，翼型部5a和5b沿着各自的方向6a和6b(所述方向基本上相对于轴线1a为径向)延伸，所述翼型部可为弯曲的或直的，布置在相同的轴向位置中且沿台3a和4a具有恒定的间距，并且限定翼型部5a和5b的截面9a和9b堆叠的方向(图3)。通过具有与理论气流轨迹相对应的弯曲截面表面而获得这些截面。

通过各自的中心部分7a和7b以及各自的端部8a和8b构成翼型部5a和5b，所述端部限定了将中心部分7a和7b结合到台3a和4a的连接部分。一般由术语“中跨部”来表示中心部分7a和7b，并且按照惯例，中心部分沿径向具有翼型部5a和5b的高度的20％至80％范围内的延伸部。

根据本发明的一个方面，从图3a和3b也可见，在相对于轴线1a以任何给定半径截取中心部分7a和7b时，截面9a的轮廓在几何上(即在外形和尺寸上)与截面9b的轮廓相同。显而易见，截面9a和9b在径向上可变化，也就是可沿着方向6a和6b以逐渐并相互相同的方式在形状和/或尺寸方面可有变化。

在图2所示的实施方式中，方向6a和6b相同(在绕轴线1进行了等于间距的旋转之后)，即，它们具有相同的曲度，例如，两者都是直的，并且相对于与轴线1a正交的理想平面具有相同的倾斜度。因此，中心部分7a和7b沿圆周方向10以理想恒定距离布置并且不会轴向交错，即，它们具有沿圆周方向排列的各自的前缘和各自的后缘。

同时，两个端部8a中的至少一个不同于相应端部8b，如图3可见的。因此，阵列1包括至少两个系列或两组翼型部5a和5b，它们仅在外径向端和/或内径向端处在几何外部形状上不同。端部8b的截面9b比端部8a的截面9a宽(在相对于轴线1a的相同半径处)。换言之，在相对于轴线1a的任何给定半径处，端部8a处的截面9a具有完全在截面9b的周界或轮廓内延伸的周界或轮廓(在围绕轴线1a进行了等于方向6a和6b之间的间距的旋转之后)。因此，截面9a沿圆周方向10测量的尺寸D1(图3)，小于沿相同的方向10测量的截面9b的尺寸D2。此外，在端部8a处，高压力侧和低压力侧通过比端部8b处的相应半径Rb小的半径Ra连接至前缘和后缘。

优选地，当从高压力侧和低压力侧前进至台的表面时，端部9b限定复合圆角，即，具有可变曲率的半径。

根据本发明的另一方面，根据沿圆周方向有规律地重复的序列或图案布置翼型部5a和5b。在图2的具体实例中，通过单个翼型部5a和单个翼型部5b的交替限定该图案。

在图7和图8的变形中，通过一对翼型部5a和单个翼型部5b的交替限定图案。

在图9和图10的变形中，通过一组三个翼型部5a和一组三个翼型部5b的交替限定图案。显然，设计阶段中所选择的图案可不同于通过实例表示的图案。

端部8b相对于端部8a的不同宽度有意地使翼型部5a和5b的本征频率失谐，同时仍保持中心部分7a和7b不变从而获得通过设计确定的气动效率。

具体地，为了保持高气动效率，扰动通道5的中心处的气动状态的因数不起作用是重要的。通常，通道5的中心处的气流不会因二次流的影响和损耗而受到扰动，所述二次流在台3a和4a附近的边界层中形成且明显影响通道5的位于其径向端部处的区域。此外，在沿着中心部分7a和7b的每个给定半径(即，至少在通道5的径向尺寸的20％与80％之间)处，气流遇到相同入口角和出口角以及翼型部的高压力侧和低压力侧的相同轮廓，因此没有带来干扰。

同时，端部8b相对于端部8a的几何变化(形状和/或尺寸)仅适度地改变气动效率，如在已受由于二次流的其他损耗影响的区域中实现的。

图4和图5示出了区段13，在可能的情况下用针对区段2所用的相同的参考标号标明其组成部分，但用翼型部5c替代翼型部5b，该翼型部5c沿着具有与方向6a不同曲率的方向6c延伸。虽然如此，针对任何给定半径，甚至在端部8a和8c处，截面9a与截面9c相同。

换言之，在相对于轴线1a以任何半径截取翼型部5a和5c时，截面9a与相应截面9c相同，但由于曲率的原因，翼型部5a和5c的总体外部形状是不同的。如图5可见，方向6a和6c的不同曲率导致截面9c相对于图3的截面9b所示出的平移。因此，由于曲率的原因，翼型部5a和5c的一些区域在前缘之间和/或后缘之间将具有角间距的微小变化和/或在轴向方向上的微小交错。

图6示出了一种变形，其中阵列1构成转子的部件而不是定子的部件。具体地，对于每个翼型部5a和5b，阵列1包括固定在相应座部中的相关根部16，所述相应座部设置在毂17的圆周中。通过使至少两个翼型部在制成为单个件(图11)的区段中组合，在转子的示例中也可以应用上述组合式概念。

根据未示出的另一变形，阵列1包括翼型部5b和5c，不包括翼型部5a。

图11和图12示出了区段18，在可能的情况下用针对区段2和13所用的相同参考标号标明其组成部分。区段18与区段2和13不同之处基本上在于，区段18包括三个系列的翼型部，所述翼型部在序列或图案中彼此交替，在该示例中所述序列或图案也一直沿着通道5的圆周方向10有规律地重复。具体地，区段18包括与图2和图4所示相同的翼型部5a、与图2所示相同的翼型部5b以及与图4所示相同的翼型部5c。

因此，翼型部5a、5b和5c具有不同的外部几何形状，但所有的都包括各自的中心部分7a、7b和7c，所述中心部分以任何给定半径获得的截面均具有相同的轮廓。

更具体地，通过单个翼型部5a、单个翼型部5b和单个翼型部5c的交替限定序列或图案，但可与该实例不同。

根据未示出的另一变形，阵列包括与翼型部5a不同的一系列翼型部，所述一系列翼型部的不同之处在于它们增加了简单的肋部，所述肋部布置在高压力侧上，优选地布置在中心部分7a上，并基本上平行于与气体流路相切的平面。

该肋部使气流的流体动力条件在通道5的中央区基本上保持不变并且使阵列1的翼型部的本征频率失谐，因此趋向实现通过附图所示的实施方式获得的相同目的。

在设计阶段，虽然使中心部分7a、7b和7c的截面保持不变，但通过使临界振动模式的本征频率失谐，将翼型部5a、5b和5c的外部几何形状确定为减少相邻翼型部之间的气动相互作用。

因而从气动弹性的视点来看可以实现更大的稳定性。

同时，阵列的重量未增加或仅稍微增加，并且由于几何变化与翼型部的外部形状相关，因此可以插入台4a。

此外，翼型部5a、5b和5c的具体构造使得能够维持高水平的气动效率，因为通道5的中央区中的高压力侧和低压力侧的前夹角和后夹角以及轮廓没有改变，因为中心部分7a、7b和7c的截面沿着通道5的圆周是恒定的并且间距上的偏差相对小或不存在。具体地，从气动观点来看，翼型部5b尤其有利，这是因为前缘和后缘的角间距以及位置沿着整个圆周保持理想恒定。

此外，甚至当叶片间通道沿圆周方向具有相对小的尺寸时(即，当阵列具有大量翼型部时)，也可以没有任何问题地使用翼型部5b。

根据前述内容显而易见的是，在不偏离所附权利要求限定的保护范围的情况下能够对阵列1进行修改和变形。

具体地，阵列1的每个区段可包括与通过实例所示的不同数量的翼型部。

如上所述，失谐一般可应用于定子和转子并一般地可应用于压缩机和涡轮机。

此外，方向6a与6c之间的差异可不在于曲率，而是在于相对于与轴线1a正交的理想平面的倾斜度。

Claims (6)

1.一种用于燃气涡轮机系统的翼型部阵列，所述阵列包括：

a)内部环形台(3a)和外部环形台(4a)，所述内部环形台和所述外部环形台围绕纵向轴线(1a)延伸并径向界定用于气流的环形通道(5)；

b)多个翼型部，所述多个翼型部容纳于所述环形通道(5)中，围绕所述纵向轴线(1a)以基本恒定的间距布置，并且所述多个翼型部包括：

-各自的中心部分(7a、7c)，

-各自的外径向端部，每个外径向端部均限定将相应的所述中心部分与所述外部环形台(4a)结合的连接部分，以及

-各自的内径向端部，每个内径向端部均限定将相应的所述中心部分与所述内部环形台(3a)结合的连接部分；

所述翼型部包括第一翼型部(5a)和第二翼型部(5c)，所述第一翼型部和所述第二翼型部分别沿第一方向和第二方向(6a、6c)延伸，所述第一方向和所述第二方向相对于所述纵向轴线(1a)基本呈径向；所述第二翼型部(5c)具有至少一个与所述第一翼型部(5a)不同的几何特征，以便相对于所述第一翼型部(5a)的本征频率有意地改变所述第二翼型部(5c)的本征频率；所述第一翼型部和所述第二翼型部(5a、5c)绕所述纵向轴线(1a)布置成具有沿着所述环形通道(5)均有规律地重复的序列；

在相对于所述纵向轴线(1a)以任何给定半径截取所述第一翼型部和所述第二翼型部(5a、5c)的中心部分(7a、7c)时，截面具有与气流的理论轨迹相对应的弯曲截面表面，所述中心部分(7a、7c)的截面是相同的；所述第一方向和所述第二方向(6a、6c)限定所述截面堆叠所沿的方向；

其特征在于，所述不同的几何特征由所述第二方向(6c)相对于所述第一方向(6a)的曲率和/或倾斜限定；所述第一方向和所述第二方向(6a、6c)的不同的曲率和/或倾斜导致所述截面的平移，因而所述第一翼型部(5a)和所述第二翼型部(5c)的一些区域在前缘之间以及在后缘之间在角间距中具有微小变化和/或沿轴向方向具有微小交错。

2.根据权利要求1所述的阵列，其特征在于，所述中心部分(7a、7c)在所述阵列的径向方向上延伸的径向高度等于所述翼型部在所述阵列的径向方向上延伸的径向高度的至少60％。

3.根据权利要求1所述的阵列，其特征在于，所述阵列由多个区段(2；13；18)构成，所述区段均制成为单件且彼此相等；每个所述区段包括至少一个所述第一翼型部(5a)和至少一个所述第二翼型部(5c)。

4.根据权利要求1所述的阵列，其特征在于，所述翼型部包括第三翼型部(5b)，所述第三翼型部具有与所述第一翼型部和所述第二翼型部(5a、5c)不同的至少一个另一几何特征，以便有意地相对于所述第一翼型部和所述第二翼型部(5a、5c)的本征频率改变所述第三翼型部(5b)的本征频率。

5.根据权利要求4所述的阵列，其特征在于，所述第三翼型部(5b)的外部几何形状有意地不同于所述第一翼型部和所述第二翼型部(5a、5c)的外部几何形状，且不改变所述第一翼型部、所述第二翼型部和所述第三翼型部的所述中心部分相对于所述纵向轴线(1a)在任何给定半径处的截面。

6.根据权利要求4所述的阵列，其特征在于，所述第三翼型部具有肋部，所述肋部布置在压力侧上并平行于与气体流路相切的平面。