CN105473869A - 涡轮发动机引导叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于涡轮发动机的出口引导叶片(34)，该叶片具有沿着径向轴线Z堆叠的多个叶片部段(35)。在叶片在其总体高度的0至50％的范围内的底部上，每个区段的前缘(BA)在总体高度处的对应部段的前缘的前方，且最大厚度位于相对于前缘(BA)偏离翼弦的至少50％的位置处。

Description

涡轮发动机引导叶片
技术领域
本发明涉及一种涡轮发动机引导叶片、环形组的涡轮发动机引导叶片以及包括这样一组引导叶片的涡轮发动机。
背景技术
在图1中示出用于推进飞行器的旁通涡轮发动机1，在垂直平面的截面中含有其主轴线A。涡轮发动机包括外部壳体10，该外部壳体在空气流动方向上从上游至下游包含：风扇12；低压压缩机14；高压压缩机16；燃烧室18；高压涡轮机20；低压涡轮机22；以及排气锥管24。
内部壳体28围绕压缩机14和16、围绕燃烧室18并且围绕涡轮机20和22设置在外部壳体10内部。环形组的出口引导叶片30在风扇12下游在壳体28和10之间延伸，确切地说位于压缩机14和16的区域中。
在操作中，内部壳体28将由风扇12加速的空气流分成主要流Fp和次要流Fs，该主要流馈给压缩机14和16，而该次要流在壳体28和10之间流动并且因此在通过一组出口引导叶片30之间从发动机排出以提供其一部分推力。
出口引导叶片(OGV)包括多个叶片，这些叶片围绕由内部壳体28承载的环状件32设置成环。引导叶片用于对离开风扇的空气流进行整流。
为了使得出口引导叶片具有更佳的效能，这些出口引导叶片需要具有良好的空气动力学性能，并且具体地说这些出口引导叶片需要限制通过它们形成的环部时的损失。
此外，在空气流的作用下，引导叶片经受高的应力水平，由此尤其是导致叶片发生扭转和弯曲的现象。叶片扭转经受围绕其自身的堆叠轴线的变形。叶片弯曲经受围绕切线的变形，该切线切向于风扇的转动并且由此切向于环状件32。
这些扭转和弯曲性能通过扭弯耦合(TBC)参数来分析。叶片点处的扭弯耦合(TBC)参数是在该点处扭转幅值和弯曲幅值之间的比值。出口引导叶片的扭弯耦合(TBC)参数显示了它们在操作中发生浮动的趋势。从涡轮发动机的操作性的视角以及从该涡轮发动机的空气动力学性能的视角来看，这会是可接受的。
因此，重要的是确保空气动力学性能中效率增大不会使得扭弯耦合(TBC)参数相对于目标TBC参数退化，该目标TBC参数在计算涡轮发动机的尺寸的阶段期间进行确定。
发明内容
本发明试图提出一种引导叶片，该引导叶片不仅可以在增强空气动力学性能的情形下促使经过叶片的空气流具有良好的分布，而且避免这些叶片的性能与传统的叶片相比由于扭转和弯曲而退化。
本发明提供一种用于涡轮发动机的一组引导叶片的引导叶片，该引导叶片包括多个叶片部段，这些叶片部段沿着径向轴线Z在根部和梢端之间堆叠，该径向轴线限定叶片的高度方向，且每个叶片部段：
沿着纵向轴线X在前缘和尾缘之间延伸，并且沿着切向轴线Y在压力侧表面和抽吸侧表面之间延伸；
具有由从前缘延伸至尾缘的区段的长度所限定的翼弦；以及
具有由压力侧表面和抽吸侧表面之间的距离所限定的厚度，该厚度沿着翼弦改变；
通过商数x/Ht和z/Ht来对于叶片每个点沿着轴线X、Y和Z的坐标x、y和z限定无量纲坐标x'和z'，其中，Ht代表叶片的总体高度，叶片在其总体高度Ht处的前缘限定原点处的坐标x'＝0，且坐标x'从该原点朝向尾缘增大；
叶片的特征在于，在叶片的从z'＝0延伸至z'＝0.5的底部上，前缘的坐标x'是负的，且最大厚度位于相对于前缘偏离翼弦的至少50％的位置处。
因此，叶片的前缘在叶片的底部上向前突出，换言之，在该叶片的底部上，该前缘从其在叶片的径向外端的位置向上游延伸，该位置时测得叶片的总体高度的位置。如下文解释的那样，这使得空气流在叶片的整个高度上更佳地分布。同时，在底部上，各个叶片部段的最大厚度的区域远离前缘偏离，由此可限制叶片的扭转现象并且尤其是弯曲现象。
在其他变型中，叶片具有一个或多个一下特征：
对于坐标z'＝0的部段，坐标x'小于或等于-0.15；
在叶片从z'＝0至z'＝0.3的一部分上，坐标x'小于或等于-0.1；
在坐标z'增大的情形下、坐标x'在叶片的底部上持续地增大；
对于坐标z'＝0的部段而言，最大厚度位于相对于前缘偏离翼弦的至少60％的位置处；
在叶片的在z'＝0至z'＝0.15的范围内延伸的一部分上，该最大厚度位于相对于前缘偏离翼弦的至少60％的位置处；以及
叶片具有第一部分和第二部分，该第一部分靠近该叶片的根部，并且在该第一部分上最大厚度相对于翼弦的位置保持基本上恒定，而该第二部分延伸超出该第一部分至叶片的梢端，且在该第二部分上该最大厚度的位置朝向前缘行进。
附图说明
通过阅读了借助非限制示例示出的实施例的下文详细描述能良好地理解本发明并且本发明的优点能更佳地呈现。该描述参照附图，附图中：
图1如上所述是涡轮发动机的纵剖面的示意图；
图2是发动机的出口引导叶片的局部示意图；
图3是单个出口引导叶片的视图，示出叶片的各部段如何堆叠；
图4是叶片在其中一个部段中的剖视图；
图5是示出叶片的前缘的位置沿着其高度如何变化的曲线图；
图6示出针对叶片的不同部段沿着翼弦的厚度分布，既针对本发明的叶片(实线)又针对另一引导叶片(虚线)；
图7示出针对本发明的叶片、最大厚度相对于翼弦的位置如何沿着叶片的高度变化；
图8示出在行经叶片时的空气压力损失如何沿着叶片的高度变化，既针对本发明的叶片(实线)又针对另一引导叶片(虚线)；以及
图9示出对于总体高度的具有位于数值z'1和z'2之间的无量纲坐标z'的区段、扭弯耦合参数如何根据沿着叶片的高度偏离目标扭弯耦合参数，即针对本发明的叶片(实线)又针对两个其他叶片(虚线)。
具体实施方式
图2示出图1中示意地示出的涡轮发动机的环形组输出引导叶片30的一部分。该环形组包括多个叶片34，这些叶片经由它们的根部34A通过环形件32紧固于壳体28，并且经由它们的梢端34B紧固于壳体10(在该附图中未示出)。根部和梢端分别是叶片的径向内端和径向外端，叶片的空气动力学型面(翼型)在该径向内端和径向外端之间延伸。
图2示出X、Y、Z正交参考坐标系，其中，轴线X是平行于涡轮发动机的主轴线A的纵向轴线，且该主轴线是涡轮机的转动轴线，轴线Y是切向轴线，而轴线Z是限定叶片的高度方向的径向轴线。
每个叶片均具有前缘BA和尾缘BF并且还具有抽吸侧表面FE和压力侧表面FI，且该前缘和尾缘沿着轴线X隔开。
例如在图3中可以观察到，每个叶片34均由多个叶片部段35构成，这些叶片部段从根部34A至梢端34B沿着轴线Z堆叠。
图4的部段构成常数Z处平面中的其中一个部段。在该部段中，可以观察到叶片的翼弦C，该翼弦是在前缘BA和尾缘BF之间延伸的直线段。按照惯例，沿着该区段的行进沿着从前缘朝向尾缘行进的方向。在图4中，该叶片的厚度E标记在该部段的中间区域中。按照惯例，该厚度E是在压力侧表面FI和抽吸侧表面FE之间、位于由叶片的骨架S的点P所限定的叶片区段的位置处并且垂直于该骨架的距离，其中，该骨架是在压力侧表面FI和抽吸侧表面FE之间的中间线。因此，该厚度E在偏离前缘BA距离D的位置处测得。因此，限定为翼弦C的长度的百分比的最大厚度的位置由100×D/C所限定。
应理解的是，图2至4设置成便于理解引导叶片以及一组叶片的总体结构。这些附图并非必然示出对于本发明特定的、尤其是与前缘的位置以及与最大厚度的位置相关联的尺寸标准。
图5中示出的实线曲线是前缘的迹线，即该曲线示出该叶片的前缘的X位置沿着其高度(Z方向)如何变化。该曲线利用由x/Ht给出的沿着X轴线的坐标x'和由z/Ht给出的坐标z'绘制，即考虑前缘BA沿着X轴线的点的坐标x并且相对于叶片的总体高度Ht无量纲地表示，而该坐标z'即考虑前缘沿着轴线Z的点的坐标z并且相对于高度Ht无量纲地表示。原点处的坐标、即z＝0或者z'＝0由叶片的根部、即在环状件32的外周缘的水平处所限定。总体高度Ht从叶片的根部至梢端测得。原点处的坐标、即x'＝0限定为前缘在点z'＝1处、即在最大高度的点处的坐标x'。坐标x'随着沿着图2中轴线X朝向尾缘行进而增大。
可以观察到的是，叶片在其整个底部区域上向前突出。确切地说，坐标x'在叶片的高度的整个底半部上保持是负的，该底半部称为从根部34A向上延伸至整个高度Ht的50％的“底部”(z'＝0.5)。在所示的示例中，坐标x'在z'＝0.5处是约-0.07。
还可以观察到对于z'＝0，x'小于-0.15并且更确切地是约-0.175。此外，在底部的在z'＝0至z'＝0.3范围内延伸的整个部分上，坐标x'保持小于或等于-0.1。
在所示出的示例中，坐标x'从根部持续地增大，在最大高度的100％处减小并回复至零之前，在叶片的高度的约2/3处通过零值并且在总体高度的约80％至90％处到达最大正数值。
在由虚线曲线示出的变型中，能省略该最后的减小阶段，在该情形中，坐标x'从根部持续地增大以在最大高度的100％处到达零或者基本上零的数值。
图5的曲线的特征具体在于向前突出总体高度的高达50％。发明人已发现对于具有该向前突部的引导叶片而言，与具有直堆叠的传统叶片相比空气动力学损失受到限制，该直堆叠即前缘的坐标x'在其总体高度上基本上恒定的堆叠。
这可具体在图8中示出，图8绘制出空气动力学损失(沿着横轴)作为坐标z'(沿着纵轴)的函数的变化。该变化对于叶片的底部示出并且向上达z'＝0.5，首先针对具有该向前突部的叶片(实线)，其次针对具有直堆叠的叶片(虚线)。具体可以观察到的是，从总体高度的约8％(z'＝0.08)开始存在相当显著的改进，其在整个底部上平均具有1％至2％的量级。
为了优化具有该向前突部的叶片的性能，发明人已观察到有利地是使得最大厚度的位置在叶片的底部中朝向尾缘向后运动。这增强了叶片在扭转和弯曲方面的性能。以翼弦长度的百分比来确定各个部段的最大厚度的位置。
为此，图6示出最大厚度的位置如何根据高度改变。既对于本发明的叶片(实线)又对于具有类似向前突部但具有最大厚度的传统位置的叶片(虚线)而言，图6示出针对叶片厚度的变化、分别针对部段z'＝0、z'＝0.25、z'＝0.5、z'＝0.75和z'＝1的五个曲线。
可以观察到向上至总体高度的50％，最大厚度在本发明的叶片中与其他叶片(前缘和尾缘分别在翼弦的0％和100％处)相比朝向尾缘偏离。
图7示出针对z'＝0，最大厚度的位置大于翼弦的60％，并且更确切地是翼弦的约62％。上升至z'＝0.15或者实际上实践中上升至z'＝0.2，该最大厚度的位置基本上保持在大于翼弦的60％的数值处。在从z'＝0行进至z'＝0.15或者实际上z'＝0.20的该部分上，该最大厚度的位置基本上保持恒定，例如保持在翼弦的约5％的变化内。确切地说，上升至z'＝0.15，该最大厚度的位置保持在翼弦的60％和65％之间。
在延伸超出该第一部分、朝向叶片的梢端行进的第二部分上，最大厚度的位置在沿着叶片高度增大的情形下朝向前缘行进，这持续至梢端。在该第二部分上，该最大厚度的位置在z'增大的情形下逐渐地朝向前缘行进，并且确切地说在叶片的梢端处到达翼弦的约40％至45％(z'＝1)。
在图9中，沿着横轴绘制相对于目标扭弯耦合参数的偏差，同时沿纵轴绘制z'坐标。目标扭弯耦合参数是横轴的原点(数值0％)，且对于叶片的代表性部分、在z'坐标的数值z'1和z'2之间给出作为高度函数的、扭弯耦合参数相对于目标扭弯耦合参数的偏差的变化。
规则的虚线示出对于具有直堆叠的现有技术叶片、所观测的扭弯耦合参数相对于目标扭弯耦合参数的偏差的变化。该偏差是可接受的，因为该偏差在所考虑的整个部分上是负的。
如上所述，点划线示出针对上文定义的向前突出叶片的扭弯耦合参数的偏差，但不会改变最大厚度的位置，即对于叶片的每个部段在前缘和最大厚度位置之间保持与上述叶片相同的距离。可以观察到，该偏差在数值z'1和z”1之间是不可接受的，因为这些数值在该部分中变正：该扭弯耦合参数降级。
实线曲线示出扭弯耦合参数对于本发明的叶片的偏差，对于本发明的叶片，在该叶片的底部上(上升至z'＝0.5)，不仅该叶片的前缘向前突出，而且最大厚度的位置相对于前缘偏离翼弦的至少50％。可以观察到，对于该叶片，扭弯耦合参数的偏差再次是可接受的，因为该参数在所考虑的部分上保持负的。
对于位于叶片的根部和确切地对应于数值z'1和z'2之间的中间数值的数值z'r之间的数值z'1，可以观察到与所观测的扭弯耦合参数和目标扭弯耦合参数之间改进相对应的改进g。根据情况而定，该改进可以是扭弯耦合偏差的约10％。
图9涉及叶片高度的代表性部分，在该部分上遵守扭弯耦合标准被判定是重要的。参考数值z'r基本上对应于叶片的一半高度，该一半高度距紧固于内部壳体28的叶片根部以及叶片的紧固于外部壳体10的梢端最远。从z'1至z'2的代表性部分可例如覆盖叶片高度的10％至40％。
此外，发明人已经观察到，扭弯耦合偏差通过图9中实线示出的叶片具有与图8中实线所示出的空气动力学损失相同的变化。因此，通过将最大厚度的位置在叶片的底部(位于0至0.5范围内的z')上缩回翼弦的至少50％与致使前缘向前突出(x'坐标小于或等于0)进行组合，叶片设置成具有改进的空气动力学性能并且保留扭弯耦合标准。

Claims (9)

1.一种用于涡轮发动机(1)的一组引导叶片(30)的引导叶片(34)，所述引导叶片包括多个叶片部段(35)，所述叶片部段沿着径向轴线Z在根部(34A)和梢端(34B)之间堆叠，所述径向轴线限定所述叶片的高度方向，且每个叶片部段：
沿着纵向轴线X在前缘(BA)和尾缘(BF)之间延伸，并且沿着切向轴线Y在压力侧表面(FI)和抽吸侧表面(FE)之间延伸；
具有由从所述前缘(BA)延伸至所述尾缘(BF)的区段的长度所限定的翼弦(C)；以及
具有由所述压力侧表面和所述抽吸侧表面之间的距离所限定的厚度(E)，所述厚度沿着所述翼弦改变；
通过商数x/Ht和z/Ht来对于叶片的每个点沿着所述轴线X、Y和Z的坐标x、y和z限定无量纲坐标x'和z'，其中，Ht代表所述叶片的总体高度，所述叶片在其总体高度Ht处的前缘(BA)限定原点处的坐标x'＝0，且所述坐标x'从所述原点朝向所述尾缘增大；
所述叶片的特征在于，在所述叶片的从z'＝0延伸至z'＝0.5的底部上，所述前缘(BA)的坐标x'是负的，且所述最大厚度位于相对于所述前缘(BA)偏离所述翼弦(C)的至少50％的位置处。
2.如权利要求1所述的叶片，其特征在于，对于坐标z'＝0的部段，所述坐标x'小于或等于-0.15。
3.如权利要求1或2所述的叶片，其特征在于，在所述叶片的从z'＝0至z'＝0.3的一部分上，所述坐标x'小于或等于-0.1。
4.如权利要求1至3中任一项所述的叶片，其特征在于，在坐标z'增大的情形下、所述坐标x'在所述叶片的底部上持续地增大。
5.如权利要求1至4中任一项所述的叶片，其特征在于，对于坐标z'＝0的部段而言，所述最大厚度位于相对于所述前缘(BA)偏离所述翼弦的至少60％的位置处。
6.如权利要求5所述的叶片，其特征在于，在所述叶片的在z'＝0至z'＝0.15的范围内延伸的一部分上，所述最大厚度位于相对于所述前缘(BA)偏离所述翼弦的至少60％的位置处。
7.如权利要求1至6中任一项所述的叶片，其特征在于，所述叶片(34)具有第一部分和第二部分，所述第一部分靠近所述叶片的根部(34A)，并且在所述第一部分上所述最大厚度相对于所述翼弦(C)的位置保持基本上恒定，而所述第二部分延伸超出所述第一部分至所述叶片的梢端(34B)，且在所述第二部分上所述最大厚度的位置朝向所述前缘(BA)行进。
8.一种用于涡轮发动机的环形组的出口引导叶片，包括多个根据前述权利要求中任一项所述的叶片。
9.一种涡轮发动机，包括至少一个根据权利要求8所述的出口引导叶片组。
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