CN105275500A - 作为切削工具的风扇叶尖 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于燃气涡轮发动机的翼型。所述翼型可包括第一侧以及与所述第一侧相对的第二侧。所述第一侧和所述第二侧可从前缘轴向延伸到后缘，并从底座径向延伸到叶尖。所述叶尖可包括所述第一侧与所述第二侧之间的倾斜表面。

Description

作为切削工具的风扇叶尖

技术领域

本发明大体涉及燃气涡轮发动机，更确切地说，涉及燃气涡轮发动机中的翼型。

背景技术

燃气涡轮发动机通常可包括风扇、压缩机、燃烧室以及涡轮机，其中环状流路轴向延伸穿过每一个。起初，由涡轮机提供动力的风扇将环境空气吸入发动机中。空气的一部分流过压缩机，并在压缩机中被压缩或加压。随后，燃烧室将压缩空气与燃料混合并点燃，从而生成热的燃烧气体。这些热燃烧气体随后从燃烧室流向涡轮机，在涡轮机中，通过使涡轮机的叶片旋转而从热气体中提取能量。来自风扇的另一部分气流用来产生向前的推力。

燃气涡轮发动机的风扇部分可包括从中心转子径向延伸的多片叶片。多片叶片可围绕转子周向间隔开，并且风扇壳体可围封转子和叶片。通常，风扇叶片的叶尖包括平行于风扇壳体并与之密封接触的平坦表面。已知，风扇叶片叶尖与风扇壳体之间的间隙距离减少可提高燃气涡轮发动机的效率。

为了进一步最小化间隙距离，风扇壳体可包括磨损密封件，该磨损密封件被设计成在操作期间当风扇叶片的叶尖对着涂层旋转时磨损。风扇叶片叶尖可进行处理以提高叶片叶尖的耐磨性，叶尖会摩擦磨损密封件。为了提高耐腐蚀性，风扇叶片的翼型表面可用耐腐蚀涂层（例如，聚氨酯）进行涂覆。

然而，在操作期间，因叶片叶尖摩擦磨损密封件而导致叶片叶尖过热，耐腐蚀涂层会使风扇叶片降解或脱落。这已确定是由以下因素的组合造成：摩擦产生过多的热量、磨损材料的低导热性以及叶片材料的高导热性。因此，需要一个解决方案来降低叶片叶尖与磨损密封件之间的摩擦发热，以便消除耐腐蚀涂层的降解。

发明内容

根据一项实施例，公开了一种用于燃气涡轮发动机的翼型。所述翼型可包括第一侧以及与所述第一侧相对的第二侧。所述第一侧和所述第二侧可从前缘轴向延伸到后缘，并从底座径向延伸到叶尖。所述叶尖可包括所述第一侧与所述第二侧之间的倾斜表面。

在一个改进方案中，所述倾斜表面可从所述第一侧下降到所述第二侧。

在另一改进方案中，所述倾斜表面可从所述第二侧下降到所述第一侧。

在另一改进方案中，所述倾斜表面可从中心下降到所述第一侧，并且所述叶尖可包括从所述中心下降到所述第二侧的第二倾斜表面。

在另一改进方案中，所述叶尖可进一步包括所述第一侧与所述第二侧之间的平坦表面。

在另一改进方案中，所述平坦表面可邻近所述第一侧，并且所述倾斜表面可从所述平坦表面下降到所述第二侧。

在另一改进方案中，所述平坦表面可邻近所述第二侧，并且所述倾斜表面可从所述平坦表面下降到所述第一侧。

在另一改进方案中，所述平坦表面可接近所述叶尖的中心，所述倾斜表面可从所述平坦表面下降到所述第一侧，并且所述叶尖可进一步包括从所述平坦表面下降到所述第二侧的第二倾斜表面。

在另一改进方案中，所述平坦表面的宽度可为至少2.54mm（0.1in）。

在另一改进方案中，所述倾斜表面的隙角可介于零到五度（0-5°）之间。

根据另一实施例，公开了一种燃气涡轮发动机。所述燃气涡轮发动机可包括：风扇部分、所述风扇部分下游的压缩机部分、所述压缩机部分下游的燃烧室部分，以及所述燃烧室部分下游的涡轮机部分。所述风扇部分、压缩机部分以及涡轮机部分中的至少一个可包括：转子、从所述转子径向延伸的多个翼型，以及围绕所述转子和所述多个翼型的外壳。所述多个翼型中的每个均可具有叶尖，所述叶尖包括面向所述外壳的平坦表面以及邻近所述平坦表面的倾斜表面。所述倾斜表面可倾斜远离所述外壳。

在一个改进方案中，所述翼型的所述叶尖的所述平坦表面与所述外壳可密封接触。

在另一改进方案中，所述翼型的所述叶尖的所述倾斜表面可在操作期间减少所述翼型与所述外壳之间的摩擦发热。

在另一改进方案中，所述外壳可包括位于所述外壳的内表面上的磨损密封件。

在另一改进方案中，每个所述翼型的所述叶尖上的所述平坦表面和所述倾斜表面可被设计成穿过所述外壳的所述磨损密封件。

在另一改进方案中，所述翼型的所述叶尖可进行处理以提高耐磨性。

在另一改进方案中，所述叶尖的所述平坦表面可邻近所述翼型的压力侧。

在另一改进方案中，所述平坦表面的宽度从所述翼型的前缘到后缘可不同。

根据另一实施例，公开一种用于减少翼型与燃气涡轮发动机的壳体之间的摩擦发热的方法。所述方法可包括：在所述翼型中的每个的叶尖上提供倾斜表面，所述倾斜表面倾斜远离所述壳体；以及使用所述倾斜表面来操作所述燃气涡轮机。

在一个改进方案中，所述方法可进一步包括提供与所述壳体密封接触的平坦表面，所述倾斜表面从所述平坦表面下降。

结合附图阅读以下具体实施方式，将更易于了解本发明的这些及其他方面和特征。尽管参考本发明的具体示例性实施例公开了各种特征，但应理解，在不脱离本发明的范围的情况下，通过本发明的各种示例性实施例，各种特征可彼此结合或单独使用。

附图简述

图1为根据本发明的一项实施例的燃气涡轮发动机的截面图；

图2为图1所示燃气涡轮发动机的风扇部分的截面图；

图3为根据本发明的一项实施例的多个翼型的透视图；

图4为图3所示翼型中的一个的截面图；

图5为根据本发明的另一实施例的翼型的截面图；

图6为根据本发明的另一实施例的翼型的截面图；

图7为根据本发明的另一实施例的翼型的截面图；

图8为根据本发明的另一实施例的翼型的截面图；

图9为根据本发明的另一实施例的翼型的截面图；以及

图10示出根据本发明的另一实施例的用于减少翼型与燃气涡轮发动机的外壳之间的摩擦发热的示例性过程。

尽管本发明可能有多种修改和替代结构，但下文将示出并详细描述本发明的某些说明性实施例。本发明并不限于所公开的具体实施例，而是包括各种修改、替代结构及其等效物。

具体实施方式

现在参考附图，具体参考图1，示出根据本发明的教示的示例性燃气涡轮发动机20。燃气涡轮发动机20通常可包括：风扇部分22，其将环境空气吸入发动机20中；压缩机部分24，空气在其中被加压；压缩机部分下游的燃烧室26，其将压缩空气与燃料混合并点燃，从而生成热燃烧气体；燃烧室26下游的涡轮机部分28，其用于从热燃烧气体中提取能量；以及轴向延伸穿过每一个的环状流路30。大体成圆柱形的发动机壳体32可环绕风扇部分22、压缩机部分24、燃烧室部分26以及涡轮机部分28。燃气涡轮发动机20可用在飞机上，用于产生推力或动力，或用于陆基操作，也用于产生动力。

现在转到图2到图4，继续参考图1，燃气涡轮发动机20的风扇部分22可包括转子34和从所述转子径向延伸的多个翼型36。多个翼型36可围绕转子34周向间隔开。发动机壳体32可包括风扇外壳38，所述风扇外壳围封风扇部分22并且围绕转子34和多个翼型36。在环绕多个翼型36的内表面40上，风扇外壳38可包括摩擦条或磨损密封件42，以最小化翼型36与风扇外壳38之间的间隙距离。此外，密封件42可被配置成在操作期间当翼型36对着密封件42旋转时磨损，从而防止翼型36磨耗。例如，密封件42可喷上磨损涂层或是制成的磨损密封件。

此外，翼型36可包括硬镀层44（例如，镀镍、镀铝氧化物等），以便提高翼型在对着磨损密封件42旋转时的耐磨性。例如，每个翼型36的叶尖46可进行处理以提高耐磨性，包括但不限于，阳极氧化、微弧氧化、阴极电弧沉积等。应理解，磨损密封件42也可应用到围绕压缩机部分24和/或涡轮机部分28的翼型的发动机壳体32，以及压缩机部分24和/或涡轮机部分28中的翼型也可包括硬镀层。此外，为了提高耐腐蚀性，翼型表面可用耐腐蚀涂层（例如，聚氨酯）进行涂覆。

如图3和图4中最佳地示出，每个翼型36均可包括第一侧48和相对的第二侧50，所述第一侧和第二侧从底座52径向延伸到叶尖46并且从前缘54轴向延伸到后缘56（前缘54的下游）。翼型36可具有弧度，其中第一侧48包括压力侧，而第二侧50包括吸入侧，但也有可能翼型36不具有弧度。翼型36可由铝、钛、复合材料等组成，但不限于此。应理解，翼型36可包括风扇部分22中的风扇叶片，以及燃气涡轮发动机20的压缩机部分24和/或涡轮机部分28中的转子叶片。

为了有效摩擦密封件42而不会因摩擦产生过多的热量，翼型36的叶尖46可被设计成对着密封件42的切削工具。例如，叶尖46可成斜面或凹槽。叶尖46可包括平坦表面58和倾斜表面60。面向风扇外壳38，叶尖46的平坦表面58可与磨损密封件42密封接触。尽管平坦表面58可大体平行于风扇外壳38的内表面40，但倾斜表面60可倾斜远离（例如，不平行于）风扇外壳38的内表面40上的磨损密封件42。

例如，平坦表面58可邻近翼型36的第一侧48或压力侧。沿着第一侧48，平坦表面58的宽度W从前缘54到后缘56可以相同或不同。在一个实例中，平坦表面58的宽度W从前缘54到后缘56可为至少2.54mm（0.1in）。然而，平坦表面58的宽度W也可大于或少于2.54mm（0.1in）。尽管平坦表面58可在翼型36的整个长度上从前缘54延伸到后缘56，但平坦表面58也可只在前缘54到后缘56之间部分延伸。例如，在接近前缘54和后缘56的地方，可能没有平坦表面。

倾斜表面60可从第一侧48上的平坦表面58以隙角α下降到翼型36的第二侧50或吸入侧。隙角α可介于零到五度（0-5°）之间，但其他角度当然是可能的。如此，叶尖46的平坦表面58可在操作期间对着密封件42磨损，而同时隙角α和叶尖46的倾斜表面60可允许密封件42中被磨损的材料排出。因此，隙角α和倾斜表面60可减少与密封件42接触的表面区域，从而减少翼型36与风扇外壳38或发动机壳体32之间的摩擦发热。

平坦表面58和倾斜表面60可布置成其他配置，而非图3和图4所示的那样。例如，平坦表面58可位于第一侧48与第二侧50之间的任何地方。如图5最佳地示出，平坦表面58可邻近翼型36的第二侧50或吸入侧，并且倾斜表面60可从第二侧50上的平坦表面58以隙角α下降到第一侧48。在另一实例中，平坦表面58可接近翼型36的中心62，如图6最佳地示出。倾斜表面60可从中心62中的平坦表面58以隙角α下降到第一侧48，而且叶尖46可包括第二倾斜表面64，所述第二倾斜表面从中心62中的平坦表面58以第二隙角β下降到翼型36的第二侧50。倾斜表面60的隙角α和第二倾斜表面64的隙角β可彼此相等，或者隙角α和β也可采用不同的角度。

如图7中最佳地示出，叶尖46可能并不包括平坦表面58，并且可只包括倾斜远离风扇外壳38或发动机壳体32的倾斜表面60，具体取决于叶尖46的强度和硬度。例如，倾斜表面60可直接从第一侧48以隙角α下降到第二侧50，其中叶尖46的顶端66位于第一侧48上。由于与风扇外壳38上的磨损密封件42或发动机壳体32密封接触，顶端66可在操作期间磨损密封件42，而同时倾斜表面60最小化叶尖46与密封件42之间的摩擦发热。顶端66可采用小圆角的形式，而非锐缘。

在图8最佳示出的另一实例中，顶端66可位于第二侧50上，并且倾斜表面60可直接从第二侧50以隙角α下降到第一侧48。或者，顶端66可位于翼型的中心62上，如图9最佳地示出，其中倾斜表面60从中心62以隙角α下降到第一侧48，并且第二倾斜表面64从中心62以隙角α下降到第二侧50。应理解，除了图3到图9中示出的那样，用于切削工具叶尖46的各种替代配置当然是可能的。例如，顶端66可采用小圆角的形式，而非锐缘。

此外，平坦表面58、倾斜表面60、64和/或顶端66可进行处理以提高耐磨性，包括但不限于，阳极氧化、微弧氧化、阴极电弧沉积等。在处理过程中，平坦表面58、倾斜表面60、64和/或顶端66可包括硬镀层（例如，耐腐蚀聚氨酯涂层、镀镍、镀铝氧化物等），以在叶尖46对着磨损密封件42旋转时增强其强度。

现在转到图10，继续参考图1到图9，示出了根据本发明的另一实施例的流程图，其概述了用于减少翼型36与燃气涡轮发动机20的壳体32之间的摩擦发热的方法70。在框72处，平坦表面58可设于每个翼型36的叶尖46上，与壳体32密封接触。在框74处，倾斜表面60可设于每个翼型36的叶尖46上。倾斜表面60可倾斜远离壳体32，例如，以隙角α。此外，倾斜表面60可从平坦表面58下降。例如，平坦表面58和/或倾斜表面60可采用铣削、机械加工以及其他切削工艺形成。

工业适用性

根据上述内容可以看出，本发明的教示可在任何数量不同的情形下应用于工业中，包括但不限于，燃气涡轮发动机。例如，此类发动机可在飞机上用于产生推力，或者用于陆地、海洋或飞机应用以产生动力。

本发明提供用于减少翼型与燃气涡轮发动机的壳体之间的摩擦发热的翼型设计和方法。通过将翼型的叶尖配置成对着发动机壳体的摩擦条或磨损密封件的切削工具，可大大减少摩擦发热。更具体地，叶尖可包括与涂层接触的平坦表面以及以一定的隙角倾斜远离发动机壳体的倾斜表面。

通过与涂层密封接触，叶尖的平坦表面可最小化翼型与壳体之间的间隙距离，从而优化燃料性能和发动机效率。此外，叶片叶尖的隙角和倾斜表面减少了与涂层接触的表面区域，并且允许摩擦条材料排出，进而在翼型对着摩擦条旋转时减少热量产生。通过降低翼型与壳体之间的热量产生，可减少或消除翼型叶尖上的耐腐蚀聚氨酯涂层的降解。此外，防止翼型叶尖上的耐腐蚀涂层脱落可节约成本，例如，在维护过程中。

尽管已经参考某些具体实施例给出并提供以上具体实施方式，但应理解，本发明的内容不应限于此类实施例，而是这些实施例仅用于启用和最佳模式目的。本发明的广度和精神比具体公开的实施例更宽，并且也包括所附权利要求书涵盖的所有实施例及等效物。

Claims (20)

1.一种用于燃气涡轮发动机的翼型，其包括：

第一侧；以及

与所述第一侧相对的第二侧，所述第一侧和所述第二侧从前缘轴向延伸到后缘并且从底座径向延伸到叶尖，所述叶尖包括所述第一侧与所述第二侧之间的倾斜表面。

2.根据权利要求1所述的翼型，其中所述倾斜表面从所述第一侧下降到所述第二侧。

3.根据权利要求1所述的翼型，其中所述倾斜表面从所述第二侧下降到所述第一侧。

4.根据权利要求1所述的翼型，其中所述倾斜表面从中心下降到所述第一侧，并且其中所述叶尖包括从所述中心下降到所述第二侧的第二倾斜表面。

5.根据权利要求1所述的翼型，其中所述叶尖进一步包括所述第一侧与所述第二侧之间的平坦表面。

6.根据权利要求5所述的翼型，其中所述平坦表面邻近所述第一侧，所述倾斜表面从所述平坦表面下降到所述第二侧。

7.根据权利要求5所述的翼型，其中所述平坦表面邻近所述第二侧，所述倾斜表面从所述平坦表面下降到所述第一侧。

8.根据权利要求5所述的翼型，其中所述平坦表面接近所述叶尖的中心，所述倾斜表面从所述平坦表面下降到所述第一侧，并且其中所述叶尖进一步包括从所述平坦表面下降到所述第二侧的第二倾斜表面。

9.根据权利要求5所述的翼型，其中所述平坦表面的宽度为至少2.54mm（0.1in）。

10.根据权利要求1所述的翼型，其中所述倾斜表面的隙角介于零到五度（0-5°）之间。

11.一种燃气涡轮发动机，其包括：

风扇部分；

所述风扇部分下游的压缩机部分；

所述压缩机部分下游的燃烧室部分；以及

所述燃烧室部分下游的涡轮机部分，所述风扇部分、压缩机部分以及涡轮机部分中的至少一个包括：

转子，

从所述转子径向延伸的多个翼型，以及

围绕所述转子和所述多个翼型的外壳，所述多个翼型中的每一个均具有叶尖，所述叶尖包括：

面向所述外壳的平坦表面，以及

邻近所述平坦表面的倾斜表面，所述倾斜表面倾斜远离所述外壳。

12.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机，其中所述翼型的所述叶尖的所述平坦表面与所述外壳密封接触。

13.根据权利要求12所述的燃气涡轮发动机，其中所述翼型的所述叶尖的所述倾斜表面在操作期间减少所述翼型与所述外壳之间的摩擦发热。

14.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机，其中所述外壳包括位于所述外壳的内表面上的磨损密封件。

15.根据权利要求15所述的燃气涡轮发动机，其中所述翼型中的每个的所述叶尖上的所述平坦表面和所述倾斜表面被设计成穿过所述外壳的所述磨损密封件。

16.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机，其中所述翼型的所述叶尖中的每个的所述平坦表面和所述倾斜表面进行处理以提高耐磨性。

17.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机，其中所述叶尖的所述平坦表面邻近所述翼型的压力侧。

18.根据权利要求17所述的燃气涡轮发动机，其中所述平坦表面的宽度从所述翼型的前缘到后缘不同。

19.一种用于减少翼型与燃气涡轮发动机的壳体之间的摩擦发热的方法，所述方法包括：

在所述翼型中的每个的叶尖上提供倾斜表面，所述倾斜表面倾斜远离所述壳体；以及使用所述倾斜表面来操作所述燃气涡轮发动机。

20.根据权利要求19所述的方法，其进一步包括提供与所述壳体密封接触的平坦表面，所述倾斜表面从所述平坦表面下降。