CN105937506A - 用于轴流式涡轮机的复合压缩机叶片 - Google Patents

用于轴流式涡轮机的复合压缩机叶片 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于轴流式涡轮机的低压压缩机的复合叶片(26)。叶片(26)包括平台(30)和具有前缘(38)和后缘(40)的空气动力翼片(34)。翼片(34)延伸进入涡轮机的一次流。翼片(34)包括从前缘(38)延伸到后缘(40)的主体(36)和翼片前缘的加强件(42)。加强件(42)包括加强板(70)，其从前缘(38)延伸到后缘(40)且以加强它的方式布置在主体(36)的厚度上。另外，加强件包括形成前缘(38)的壳(46)且其与板(70)是一体的。板(70)是钛板，并且主体(36)包括复合材料，所述复合材料具有填充纤维的有机基质。该结构在减轻叶片(26)的同时提高了刚性和抗腐蚀性。

Description

用于轴流式涡轮机的复合压缩机叶片
技术领域
本发明涉及用于航空器的涡轮机叶片领域。更具体的，本发明涉及具有加强结构的复合叶片。本发明也涉及具有根据本发明的叶片的轴流式涡轮机。
背景技术
轴流式涡轮机的压缩机和涡轮各自包括多个环形排的转子叶片。后者使得空气环形流动的加速、减速、整流或甚至偏转成为可能。这些动作使得压缩气流，或从中回收驱动能量成为可能。叶片必须在重量上是轻的以减少涡轮机的质量，特别是在航空学领域。轻量化也同义于减少转子的惯性。
叶片质量的优化必须遵守关于机械强度和热阻的规范。叶片必须抵抗振动和到涡轮机内的可能摄入。另外，转子叶片会遭受离心力。为制造满足上述要求的定制叶片，已知的是设计装有加强件的叶片。
文献EP 1 450 006 A1公开了一种航空器涡扇发动机的压缩机叶片。该叶片呈现有主体和用于其前缘的加强件。主体由填充了纤维的复合材料制成，而加强件由金属制成。所应用的加强件部分地固定在叶片中，其允许叶片在它的前缘区域受到保护免于腐蚀。虽然如此，这类叶片的冲击阻力和整体刚性仍受限制。外表面上存在的外壳使得叶片更重了。
发明内容
技术问题
本发明的目的是解决现有技术中造成的至少一个问题。更具体地，本发明的目的是提高涡轮机叶片的刚性。本发明的目的也在于优化涡轮机叶片的阻力、质量、成本和几何形状。
技术解决方案
总体上，本发明提出一种具有加强层或板的叶片，具有两个块或主体部分，在板的任一侧，形成叶片的后缘和前缘的层通过在所述后一个边缘上加厚来实现，块形成叶片的内拱表面和外拱表面。
本发明的主题是用于涡轮机的复合叶片，特别是用于轴流式涡轮机的压缩机，该叶片包括意图径向地延伸进入涡轮机流的翼片，翼片包括前缘、后缘和布置在前缘与后缘之间的主体，其特征在于前缘的加强件包括从前缘到后缘延伸的加强板，并且其被布置在主体的厚度中以穿过主体。
根据本发明的一个有利的实施例，翼片包括内拱表面和外拱表面，它们从前缘延伸到后缘，板在内拱表面和外拱表面的大部分上延展，优选地在叶片的基本上整个内拱表面和整个外拱表面上延展，主体可能至少部分地形成翼片的内拱表面和/或外拱表面。
根据本发明的一个有利的实施例，加强件包括形成叶片前缘的上游部分，特别是保护壳，板和所述上游部分被连接，板和所述上游部分优选地由相同的材料制成。
根据本发明的一个有利的实施例，上游部分形成厚度大部分恒定的材料层，板可能地比主体更进一步向下游延伸。
根据本发明的一个有利的实施例，板包括颗粒状材料，加强件优选地通过添加制造制成，所述制造可能是粉基的。
根据本发明的一个有利的实施例，板是金属的，可能地包括钛，并且主体是聚合物材料制成，可能地填充有纤维。
根据本发明的一个有利的实施例，加强件形成至少部分地布置在主体中的插入件，板将主体分隔为两部分，加强件包括在板中形成的孔，主体的部分优选地经由孔展现出材料的连续性。
根据本发明的一个有利的实施例，主体覆盖了板的两个面，优选的覆盖了板每个面的大部分表面。
根据本发明的一个有利的实施例，板是分隔主体的板，并且所述板在叶片前缘的整个径向高度上和/或在后缘的整个径向高度上延伸。
根据本发明的一个有利的实施例，主体呈现具有翼型中弧线(meancamber lines)的空气动力学径向叠层，至少一个或每个翼型中弧线被布置在板的厚度上，和/或至少一个或每个翼型中弧线平行于板。
根据本发明的一个有利的实施例，叶片包括径向界定加强件的锁定平台，平台和加强件由相同的材料制成，平台可能包括具有边缘的片，以便在平台内部界定空间。
根据本发明的一个有利的实施例，叶片包括锁定突片，其可径向布置在锁定平台的另一侧上，锁定突片径向地延伸板且包括意图与内部定子护罩相互作用的锁定装置，诸如锁定孔。
根据本发明的一个有利的实施例，平台包括作为平台的片上的附加材料厚度且一直延伸到板区域的加强肋，和/或加强平台的三维空间框架结构，和/或用于焊接到支撑件上的实心块。
根据本发明的一个有利的实施例，平台包括板的延伸部，平台的片将板与延伸部分离，延伸部被片的边缘围绕，平台可能地包括连接到板的延伸部上的锁定销，或锁定销位于沿径向离板的延伸部的一定距离的地方。
根据本发明的一个有利的实施例，主体匹配于板的面的每个表面，可能地在板的面的所有表面上。
根据本发明的一个有利的实施例，板展示了基本上恒定的厚度，在大部分或基本上整个的厚度上。
根据本发明的一个有利的实施例，板形成叶片的后缘，可能在其整个径向高度上。
根据本发明的一个有利的实施例，板是拱形的，和/或扭曲的，和/或弯曲的。
根据本发明的一个有利的实施例，板的厚度小于叶片的翼片平均厚度的一半。
根据本发明的一个有利的实施例，板的厚度和/或壳的厚度小于或等于1mm，优选地小于或等于0.50mm，且更优选地小于或等于0.25mm，如果可能小于或等于0.10mm。
根据本发明的一个有利的实施例，主体的数个部分形成内拱表面和外拱表面的大部分。
根据本发明的一个有利的实施例，加强件的上游部分的最大厚度大于或等于主体或主体的数个部分中的一个的平均厚度。
根据本发明的一个有利的实施例，加强件和主体形成固体材料块。
根据本发明的一个有利的实施例，加强件，特别是其上游部分和/或壳，从叶片的内拱表面和外拱表面延伸。
根据本发明的一个优选实施例，板的至少一个或每个表面是大体上光滑的。
根据本发明的一个有利的实施例，加强件和主体由两种不同的材料制造，主体的材料优选地展示为密度比加强件的材料的低，且更优选的至少低两倍密度。
本发明还具有的主题是一种涡轮机，其包括至少一个叶片，特征在于该至少一个叶片是根据本发明的，所述叶片优选地是用于低压压缩机整流器的叶片。
有益效果
本发明使得提高叶片的刚性成为可能得益于加强件板的存在。其存在使得能够形成具有以不同材料的复合叶片，以便提供刚度和轻便两者。叶片的空气动力外形因此在流体流动作用下较少成为拱形或成为平的。板和主体可由两种不同的材料制造这样以阻尼振动。
前缘的处理限制了腐蚀，当然，但其也通过形成加强件角度以防止朝向内拱或外拱的弯曲来使得板硬化成为可能。相反地，板防止上游部分朝向下游部分变形。板和上游部分因此相互的加强。它们的垂直连接优化了该加强件。加强以一种结构方式作为内部强化构件。
另外使得板变轻，板的孔增加了主体的内聚因为其穿过了这些孔。孔的排列使得能够通过设置加强区域以保持板的刚性。
附图说明
图1描绘了根据本发明的一种轴流式涡轮机。
图2是用于根据本发明的涡轮机的压缩机图示。
图3显示了根据本发明的叶片。
图4显示了用于根据本发明叶片的平台。
图5根据本发明描画了叶片标记在图3中的轴线5-5的截面。
具体实施方式
在随后的描述中，内部或内侧以及外部或外侧的表述指的是相对于轴流式涡轮机旋转轴的位置。轴向方向对应于沿着涡轮机旋转轴的方向。
图1以一种简化的方式描绘了一种轴流式涡轮机。在该特别的情况下，发动机是涡扇发动机。涡扇发动机2包括称为低压压缩机4的第一压缩级、称为高压压缩机6的第二压缩级、燃烧室8和一级或多级的涡轮10。在运行时，通过中心轴传递到转子12的涡轮10的机械动力使两个压缩机4和6运转。后者包括与多排定子叶片关联的多排转子叶片。转子关于其旋转轴14的旋转由此使得能够产生空气流动，并逐渐压缩后者直到其到达燃烧室8的入口。齿轮减速机构可被用于增加传递到压缩机的旋转速度。
一般地称为风扇或鼓风机的进口风扇16耦合到转子12上且产生空气流动，所述空气流动被分成一次流18和二次流20，所述一次流18经过涡轮机的前述多个级，而所述二次流20经过沿着机器的环状导管(部分显示)直到在涡轮的出口处与一次流汇合。二次流可被加速以产生推动作用。一次流18和二次流20是环形流动的，且它们行进通过涡轮机壳体。为此目的，壳体呈现有圆柱形壁或护罩，所述护罩可以是内部的和外部的。
图2是例如描述在图1中的轴流式涡轮机的压缩机的横截面视图。压缩机可以是低压压缩机4。一次流18和二次流20的分隔唇22在那里可被观察到。转子12包括多排转子叶片24，在该特别的情况下是三排。
压缩机4包括多个整流器，在该特别的情况下是四个，其中的每一个包括定子叶片26的环形排。整流器关联于风扇或关联于转子叶片24的排以整流空气流动，从而将流动速率转换为静态压力。
定子叶片26从外部壳体28基本上径向地延伸，且它们在其锁定平台30的帮助下被锁定在就位，所述壳体28的外壁挤压的。为了该目的，锁定平台30可包括锁定销32或意图焊接到壳体28或外护罩上的质量块。锁定销32可通过锁定螺栓或螺母连接
图3示出了根据本发明的叶片，例如图2中示出的压缩机的叶片。叶片是从侧面观察的，在圆周方向上。在此被描述的叶片是定子叶片26，尽管它也可以是转子叶片，例如焊接到鼓轮上的。叶片可以是涡轮叶片。
叶片26包括意图径向延伸进入涡轮机的一次环流18中的翼片34。翼片34包括具有前缘38和后缘40的主体36、内拱表面和外拱表面，这些表面从前缘38延伸到后缘40。内拱表面向内弯曲以偏转流18，从而使其速度加快或减慢。
翼片34另包括至少部分地布置在主体36中以加强它的加强件42。为该目的，加强件42展现有板70，其通过上游到下游穿过主体36而插入其厚度中。板70从叶片26的前缘38延伸到后缘40，例如在叶片的翼片34的整个径向高度上。板70可以垂直地在叶片26的整个内拱表面和整个外拱表面上延伸。板70可以包括分布在它表面上的孔44。孔44横穿通过主体36以提高板和主体之间的结合。
上游，加强件42可以包括形成前缘38的上游部分46。上游部分46被延伸到下游通过板70。板70可以形成叶片的后缘40，且可以进一步向下游延伸超过主体36。加强件42可以由相同的材料制成。
叶片26可以包括锁定平台30，例如以片的形式。平台30径向地界定翼片34且允许一次流18被径向地界定。平台30可以由一个或多个锁定销32延伸。
叶片26可展现锁定突片48，可能地具有锁定装置50。突片48可允许护罩在此锚定，例如内护罩基本上通过它相关联的叶片排26附接到涡轮机的定子上。突片48可展现有孔50，以允许保持装置插入于此，例如保持盘、皮带。
加强件42可以由粒状材料制成，其有利的是整体的，例如由相同的材料制成。加强件42可能烧结制成，或根据添加制造过程分层制成，以提高机械强度，同时提供相当的设计自由和关于材料的均相性。加强件42也可通过元件的焊接或铸造生产。叶片26可以将树脂过模制到加强件42是以便该点处形成主体而制造。
加强件42可以由例如钛粉的金属粉状材料制成以提供冲击弹性。其也可以由陶瓷制成以增加刚性和温度耐受性。主体36可包括聚合物材料，例如具有填充纤维的有机基质的复合材料，和/或陶瓷材料，和/或金属材料。主体36可包括PEI，或PEEK。
图4展示了图3中所展示的叶片26的平台30，平台30被从外部展示。翼片被通过其内拱表面52和其外拱表面54展示，它们由虚线标记。
平台包括具有边缘56的片。边缘56形成围绕片的周边突出的部分。其在片30中围绕中空空间，所述空间的一侧通过片界定。平台30可包括板和/或上游部分的被布置中空空间中的径向延伸部58，平台30的片被插入在板与延伸部58之间。该延伸部58提供了在加强件与平台30之间的连接处加强叶片26的过剩材料。
平台30可包括在它的中空区域中的加强结构。该结构可包括肋60和/或三维空间框架62。该空间框架62可包括定向在至少三个方向上的棒以形成三维参照标记。肋60，类似于空间框架62，可从径向延伸部58朝向平台30的边缘56延伸，且它们可与锁定销32接触。加强结构可延伸进入平台30的整个中空空间。
特定肋60可从前缘38和/或从后缘40上延伸以通过径向延伸部58连接平台30的上游边缘56和下游边缘56。
图5描画了叶片在记号于图3中的轴线5-5上的截面。截面被朝向外部观察，平台30的片64是可见的。叶片26的翼片34包括空气动力轮廓的径向叠层，和关于当前附图描述的性质可在叶片26的大部分空气动力轮廓上观察到，或在叶片的大体上所有的空气动力轮廓上观察到。内拱52是凹入的，而外拱54是凸出的。翼型中弧线66是弯曲的。
在给定的叶片轮廓上，表述翼型中弧线66可被用于表示通过位于外拱54与内拱52之间与该线垂直测量的中间的点形成的线。叶片26的轮廓甚至可在圆68的帮助下被展示，所述圆与叶片轮廓内切，且与内拱52和外拱54相切。通过所有的圆68的圆心的线可被认为是翼型中弧线66。
上游部分46可朝向叶片26的内拱52和外拱54延伸。其厚度可等于翼片的最大厚度。上游部分46可以是在翼片的前缘部分38上的表面部分，例如电镀。上游部分46可以是壳46其形成抵抗腐蚀和抵抗摄入的罩。上游部分46可覆盖主体36，可能覆盖其每个部分。上游部分46甚至可以是在板70的上游边缘上的形成增厚部、珠子的金属杆。
上游部分46可形成一个角度或诸如半管的槽。上游部分46可覆盖板70的两个面。其界定一个区域其中在板70附接到上游部分46垂直于前缘38。主体36的材料可被封装在板70和上游部分46的翼片之间。
板70在主体36的部分之间形成中间层。它与主体36接触。它可以将主体36分隔为两个大体相等的部分。对于叶片26的至少一个轮廓的大部分长度，板70展现了其中主体部分的厚度相等的区域。翼型中弧线66可被布置在板70的厚度中，可能是在中间。板70的面可能平行于翼型中弧线66。选择性地，前述特性可在板70的大部分长度或整个长度上被观察到。
板70可展现出恒定的厚度，可能在其大体整个表面上。板的厚度可以包含在0.05mm至2.00mm之间，优选地包含在0.10mm至0.50mm之间。板70可展现出被主体36覆盖的恒定厚度。它的围绕孔的干净表面可大体上是光滑和/或平坦的。它可以形成翘曲和/或扭转，和/或局部弯曲的板。它的内拱和外拱表面匹配主体36的部分。

Claims (15)

1.用于涡轮机(2)的复合叶片(24；26)，特别是用于轴流式涡轮机(2)的压缩机(4；6)，所述叶片(24；26)包括：
-翼片(34)，意图径向地延伸进入所述涡轮机(2)的流(18)，所述翼片(34)包括前缘(38)、后缘(40)和位于所述前缘(38)与后缘(40)之间的主体(36)；和
-加强件(42)，形成所述翼片的前缘(38)，
其特征在于
所述前缘的加强件(42)包括加强板(70)，其从所述前缘(38)延伸到后缘(40)，并且被布置在所述主体(36)的厚度中以穿过其中。
2.根据权利要求1所述的叶片(24；26)，其特征在于，所述翼片(34)包括内拱表面(52)和外拱表面(54)，它们从所述前缘(38)延伸到后缘(40)，所述板(70)在所述叶片(24；26)的内拱表面(52)和外拱表面(54)的大部分上延展，优选地在所述叶片(24；26)的基本上整个内拱表面(52)和整个外拱表面(54)上延展，所述主体可能至少部分地形成所述翼片的内拱表面和/或外拱表面。
3.根据权利要求1至2中的一项所述的叶片(24；26)，其特征在于，所述加强件(42)包括形成所述叶片(24；26)的前缘(38)的上游部分(46)，特别是保护壳(46)，所述板(70)和所述上游部分(46)被连接，所述板(70)和所述上游部分(46)优选地由相同的材料制成。
4.根据权利要求3所述的叶片(24；26)，其特征在于，所述上游部分(46)形成厚度大部分恒定的材料层，所述板(70)可能比所述主体(36)更进一步向下游延伸。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的叶片(24；26)，其特征在于，所述板(70)包括颗粒状材料，所述加强件(42)优选地通过添加制造制成，所述制造可能是粉基的。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的叶片(24；26)，其特征在于，所述板(70)是金属的，并且可包括钛，并且所述主体(36)是聚合物材料制成的，所述聚合物材料可能地填充纤维。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的叶片(24；26)，其特征在于，所述加强件(42)形成至少部分地布置在所述主体(36)中的插入件，所述板(70)将主体(36)分隔为两部分，所述加强件(42)包括在板(70)中形成的孔(44)，所述主体(36)的部分优选地经由孔(44)展现出材料的连续性。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的叶片(24；26)，其特征在于，所述主体(36)覆盖所述板(70)的两个面，优选地覆盖在所述板(70)每个面的大部分表面上。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的叶片(24；26)，其特征在于，所述板(70)是分隔所述主体(36)的板，且所述板(70)在所述叶片的前缘(38)的整个径向高度上和/或在所述后缘(40)的整个径向高度上延伸。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的叶片(24；26)，其特征在于，所述主体(36)呈现具有翼型中弧线(66)的空气动力学径向叠层，至少一个或每个翼型中弧线(66)被布置在所述板(70)的厚度中，和/或至少一个或每个翼型中弧线(66)平行于所述板(70)。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的叶片(24；26)，其特征在于，它包括径向界定所述加强件(42)的锁定平台(30)，所述平台(30)和加强件(42)由相同的材料制成，所述平台(30)可能包括具有边缘(56)的片，以便在所述平台(30)内部中界定空间。
12.根据权利要求1至11中的任一项所述的叶片(24；26)，其特征在于，它包括锁定突片(48)，其可能径向布置在所述锁定平台(30)的另一侧上，所述锁定突片(48)径向地延伸板(70)且包括意图与内部定子护罩相互作用的锁定装置(50)，诸如锁定孔。
13.根据权利要求12的叶片(24；26)，其特征在于，所述平台(70)包括作为平台(30)的片上的附加材料厚度且一直延伸到板(70)的区域的加强肋(60)，和/或加强所述平台的三维空间框架结构(62)，和/或用于焊接到支撑件上的实心块。
14.根据权利要求12至13中的任一项所述的叶片(24；26)，其特征在于，所述平台(30)包括所述板(70)的延伸部(58)，所述平台的片将板(70)从所述延伸部(58)分离，所述延伸部(58)由片的边缘(56)围绕，所述平台(30)可能包括连接到所述板(70)的延伸部(58)上的锁定销(32)，或者所述锁定销(32)位于沿径向离所述板的延伸部一定距离的地方。
15.包括至少一个叶片(24；26)的涡轮机(2)，其特征在于，所述至少一个叶片(24；26)是根据权利要求1至14中的任一项所述的，所述叶片(26)优选地是用于低压压缩机(4)的整流器的叶片。
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