CN107075956B - 具有端盖的涡轮叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮发动机的涡轮叶片(1)，该涡轮叶片包括上表面(11)、下表面(12)、前缘(13)、后缘(14)以及位于其顶部处的凹槽状顶端(2)，其中所述凹槽状顶端(2)由缘边(2a)限定并包括与限定出凹槽状顶端(2)的缘边(2a)间隔开的至少一个内部肋(3)。本发明的特征在于，所述内部肋(3)成形为在凹槽状顶端的内部限定出腔(4)，漏流(5)在该腔(4)的内部的通过受到限制，其中上游开口(131)在前缘(13)处形成在缘边(2a)中，下游开口(141)在后缘(14)处形成在缘边(2a)中。

Description

具有端盖的涡轮叶片

技术领域

本发明涉及涡轮发动机的涡轮叶片。

发现本发明特别有利地应用于涡轮喷气发动机的燃烧室的出口处的高压涡轮的情况。

背景技术

通常，在叶片的尖端处的间隙设置在涡轮发动机的涡轮的叶片和所述转子在其中转动的环的内表面之间，这允许所述转子的旋转。由于转子的运动和叶片的下表面和上表面之间的压力差，在每个叶片的尖端和环的内表面之间的间隙处发生漏流。这些流以及它们在上表面处建立的旋涡是直接影响涡轮发动机的性能的许多空气动力学和气动热问题的来源。

在叶片的尖端和环的内表面之间的间隙通常被调节以减少这些流。然而，该间隙的减小增加了叶片和环的内表面之间的接触的风险且强烈限制了叶片的寿命；另外，该间隙的减小还导致叶片的尖端的温度升高，这也对叶片的寿命产生影响。

为了补偿该缺点，通常已知的是在叶片的顶部处提供凹槽状顶端，这使得能够限制叶片和环之间的接触表面。这些凹槽状顶端通常由缘边限定，该缘边界定出封闭的轮廓，为此，该缘边在叶片尖端处沿着上表面和下表面从前缘延伸到后缘。

具体地，已经提出了意在优化叶片的空气动力学和气动热性能的凹槽状顶端构造。

例如已知的是申请人递交的专利申请WO2009/115728，该专利申请提出了在其顶部处包括凹槽状顶端的叶片尖端的构造的示例。凹槽状顶端包括腔，形成导流板的壁定位在该腔中，所述壁未连接到限定出凹槽状顶端的缘边。

然而，到今天为止的现有技术中已知的方案证明是不胜任的，尤其对于新一代涡轮喷气发动机所需的性能而言。

发明内容

本发明的总体目标是增加涡轮叶片的空气动力学和气动热性能。

具体地，本发明提出一种位于叶片的顶部处的凹槽状顶端结构，该结构使得涡轮的效率能够增加。

这里，将注意到，在涡轮喷气发动机的情况下，涡轮的效率的增加直接反映涡轮喷气发动机本身的效率和比燃料消耗率。这是发现提出的方案有利地应用于涡轮喷气发动机的高压涡轮叶片的情况的原因。

具体地，根据一方面，本发明包括一种涡轮发动机的涡轮叶片，该涡轮叶片包括上表面、下表面、前缘和后缘以及位于其顶部处的凹槽状顶端，所述凹槽状顶端由缘边限定并包括与限定出所述凹槽状顶端的缘边间隔开的内部肋，其特征在于，所述内部肋形成为在凹槽状顶端内部界定出腔，漏流在腔内部的传输受到限制，上游开口在前缘处形成在缘边中，下游开口在后缘处形成在缘边中。

根据另一方面，内部肋包括上表面、下表面、前缘和后缘，内部肋的下表面以大致恒定的方式与叶片的上表面间隔开。

根据另外的方面，内部肋包括位于其前缘处的上游延伸部。

根据另外的方面，内部肋包括位于其后缘处的下游延伸部。

根据另外的方面，上游开口在下表面上和在上表面上的前缘的端部部分中形成在缘边中。

根据另一方面，下游开口只在下表面上形成在缘边中。

根据另外的方面，凹槽状顶端包括底部，腔通过凹槽状顶端的底部的被内部肋围绕的部分形成。

附图说明

通过阅读以下的且参照附图通过非限制性示例的方式给出的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将显现，在附图中：

·图1示出了叶轮的叶片的尖端的透视图，根据本发明的第一实施例的凹槽状顶端已被构造在该尖端上；

·图2示出了叶轮的叶片的尖端的透视图，根据本发明的第二实施例的凹槽状顶端已被构造在该尖端上；

·图3示出了叶轮的叶片的尖端的透视图，根据本发明的第三实施例的凹槽状顶端已被构造在该尖端上；

·图4示出了叶轮的叶片的尖端的透视图，根据本发明的第四实施例的凹槽状顶端已被构造在该尖端上；

·图5示出了根据本发明的第三实施例的叶片的俯视图；

·图6示出了根据本发明的第四实施例的叶片的俯视图；

·图7示出了根据本发明的第五实施例的叶片的俯视图；

·图8示出了根据本发明的第五实施例的叶片的俯视图，其详细说明了漏流相对于叶片的前缘的流动方向；

·图9示出了根据第一实施例的叶片的俯视图，其详细说明了上表面的结构；

·图10示出了涡轮的视图，在图10上示出了所述涡轮的轴线；

·图11示出了叶片的俯视图，在图11上示出了所述叶片的等分线；

·图12示出了根据一个实施例的叶片的截面图。

具体实施方式

涡轮喷气发动机的高压涡轮的叶片1在图1中示出且在下面描述。在涡轮喷气发动机中，涡轮包括盘，多个叶片1周向地安装在该盘上。该盘和叶片放置在位于燃烧室的下游的环的内部。涡轮叶片和环的尺寸设置为使得环和叶片之间的间隙受到限制。

这种叶片1具有空气动力学轮廓并具有凸状的上表面11和凹入的下表面12，上表面11和下表面12两者在一方面的形成前缘13的圆形上游边缘和在另一方面的后缘14之间延伸。

在叶片1的意在面对环的内表面的尖端处，叶片1具有由缘边2a限定的凹槽状顶端2，缘边2a通过沿着上表面11和下表面12从前缘13延伸到后缘14而与所述凹槽状顶端的底部2b邻接。根据一个变形，凹槽状顶端2的缘边2a包括至少一个部分，在所述至少一个部分上，缘边2a不会沿着上表面11、下表面12、前缘13或后缘14延伸，而是例如通过朝着叶片1的尖端的内部进入而将该缘边分开。实际上，缘边2a包括位于叶片1的尖端处的肋，该肋跟随叶片1的轮廓且可以是叶片1的所述轮廓的一部分或者可远离叶片1的所述轮廓。

上表面11包括定位成与叶片1的前缘13邻近的弯部110。上表面11包括通过弯部110分开的两个部分：

-前缘的端部部分111，其位于前缘13和弯部110之间；

-中央部分112，其位于弯部110的后面且通过前缘的端部部分111与前缘13分开。

内部肋3定位在所述凹槽状顶端2的内部，所述内部肋3具有与缘边2a相同的高度。

如图5所示且在下面描述的，该内部肋3自身从头到尾封闭，因此在凹槽状顶端2的内部形成腔4，以限制漏流5在所述腔4内的传输。然而，根据可能的变形，内部肋3可包括位于它的壁中的至少一个孔。限制漏流5的大部分在腔4的内部的传输的事实，使得能够提高叶片1的气动热性能同时通过漏流5限制腔4的变热。限制腔4的变热的事实使得能够在叶片1的尖端建立相对冷的区域，该相对冷的区域用于冷却叶片的整个尖端，因此用于增加叶片的寿命。更确切地，漏流5中只有能量最大的部分不被内部肋3阻止并流入腔4中。

腔4不与叶片冷却回路连通；实际上，腔4是凹槽状顶端2的底部2b的被内部肋3围绕的部分。因此，凹槽状顶端2仅包括单个平坦的底部2b，该底部2b的一部分被内部肋3围绕，因此形成腔4。因此，腔4的底部以与凹槽状顶端2的底部2b的未被内部肋3围绕的其余部分相同的高度位于叶片1上。

如图12中示出的，叶片1包括内部冷却回路6，内部冷却回路6通过位于叶片的内部、在凹槽状顶端2下面的腔形成，比漏流5冷的空气流在所述腔的内部循环。该内部冷却回路用于冷却凹槽状顶端2。凹槽状顶端2与内部冷却回路6隔开一材料厚度M。如图12中示出的，在叶片1的整个尖端上，材料厚度M是恒定的。

为了尽可能好地冷却叶片的尖端，材料厚度M必须尽可能地薄。此外，为了减少通过叶片1的旋转产生的离心力，优选的是减少所述叶片1的在其尖端处的质量。然而，材料厚度M的最小值是必需的，使得叶片1可抵抗在涡轮发动机的操作期间获得的极端温度和压力。因此，腔4由凹槽状顶端2的底部2b的被内部肋3围绕的部分形成的事实使得能够减少叶片1的尖端处的质量并有效地冷却整个凹槽状顶端2。另外，如图1至图7中的每幅图所示的，内部肋3具有空气动力学形状，或者换句话说，内部肋3具有涡轮叶片的形状，因此包括：

·凸状的上表面31，其定位为面对叶片1的上表面11；

·凹入的下表面32，其定位为面对叶片1的下表面12；

·前缘33，其定位为面对叶片1的前缘13，前缘33形成内部肋3的上游部分；

·后缘34，其定位为面对叶片1的后缘14，后缘34形成内部肋3的下游部分。

因此，漏流5中的、通过越过内部肋3的前缘33和下表面32流动而流入腔4中的能量最大的部分，压靠在内部肋3的上表面31上，因此允许获得更大的载荷力。

在一个变形中，根据该变形，内部肋3包括位于它的壁中的至少一个孔，该孔不可位于内部肋3的前缘33处，否则漏流5可在没有障碍物的情况下渗入腔4中。因此，优选地但不是限制，内部肋3包括位于它的后缘34处的孔。

内部肋3的上表面31以恒定的方式与叶片1的上表面11间隔开，内部肋3的下表面32也以恒定的方式与叶片1的下表面间隔开。因此，内部肋3具有与限定出凹槽状顶端2的缘边2a的形状类似的形状，腔4具有与凹槽状顶端2的形状类似的形状。

这种内部肋3使得能够获得压靠在所述内部肋3上的漏流5的载荷力的一部分。更确切地，在内部肋3的前缘33处，漏流5被分成两个不同的流51和52(图5至图7)，第一流51在肋1的上表面11和内部肋3的上表面31之间流动，第二流52在叶片1的下表面12和内部肋3的下表面32之间流动。在传输期间，第一流51沿着叶片1的上表面11压靠在缘边2a上，第二流52压靠在内部肋3的下表面31上，因此允许获得载荷力。漏流5的载荷力的这种获得使得能够增加叶片1的空气动力学性能。

如图5所示，漏流5具有大致垂直于前缘13的切线Δ13的方向。

根据一个变形实施例，如可在图3至图7中看见的，内部肋3可包括位于内部肋3的前缘33处的上游延伸部331，或位于内部肋3的后缘34处的下游延伸部341。上游延伸部331包括连接到内部肋3的前缘33的第一端和定位为面对叶片1的前缘13的第二端。类似地，下游延伸部341包括连接到内部肋3的后缘34的第一端和定位为面对叶片1的后缘14的第二端。

上游延伸部331和下游延伸部341是内部肋3的不参与界定腔4的部分。根据一个有利的变形，上游延伸部331和下游延伸部341的宽度大致等于内部肋3在上表面31、下表面32、前缘33和后缘34处的宽度。上游延伸部331和下游延伸部341通过使内部肋3的上游部分和下游部分更接近叶片1的前缘13和后缘14，而使内部肋3的上游部分和下游部分连续地延伸。

当内部肋3包括上游延伸部331时，在上游延伸部331的定位为面对叶片1的前缘13的端部处，漏流5被分成两个不同的流51和52。

上游延伸部331和下游延伸部341使得能够增加内部肋3的表面积，在第二流52在凹槽状顶端2中传输期间，第二流52压在内部肋3的表面积上。

根据另外的实施例，内部肋3可同时包括上游延伸部331和下游延伸部341。因此，上游延伸部331或下游延伸部341使得能够通过获得更大的载荷力来改善叶片1的空气动力学性能。

根据另外的变形实施例，如可在图2、图4、图6和图7中看见的，叶片1的尖端的界定出凹槽状顶端2的缘边2a包括位于前缘13的上游开口131以及位于后缘14的下游开口141。因此示出的实施例包括上游开口131和下游开口141，但是根据另外的变形，缘边2a可只包括上游开口131而不包括下游开口141，或者只包括下游开口141而不包括上游开口131。

上游开口131使得在一方面能够限制叶片1的在其尖端处的质量(考虑到叶片1的旋转速度，这是重要的)，在另一方面能够以受控的方式增加进入凹槽状顶端的漏流5的量，以通过叶片1增加载荷力的获得。优选地，上游开口131主要形成在缘边2a的位于叶片1的下表面11上的部分中。更确切地，上游开口131以位于上表面11的前缘的端部部分111上的方式形成在缘边2a上。

这种上游开口131使得能够将通过所述上游开口131进入的漏流5引导到位于叶片1的下表面12和内部肋3的下表面32之间的腔中和位于叶片1的上表面11和内部肋3的上表面31之间的腔中。通过这种上游开口131，通过所述上游开口131进入的漏流5大部分被引导到位于叶片1的下表面12和内部肋3的下表面32之间的腔中。因此，这种上游开口131使得能够通过增加第二流52的流速来增加载荷力的获得，以使漏流5更猛烈地压在肋3的下表面32上，且还通过增加第一流51的流速来增加载荷力的获得，以使漏流5更猛烈地压在叶片1的上表面11上。

优选的是，上游开口131在叶片1的下表面12上和前缘的端部部分111上形成在缘边2a中，其原因是考虑到漏流5相对于叶片1的前缘13的入射角：

-仅在叶片1的上表面11的前缘的端部部分111上形成在缘边2a中的上游开口131，将只允许漏流5被引导到位于叶片1的上表面11和内部肋3的上表面31之间的腔中；

-仅在下表面12上形成在缘边2a中的上游开口，将允许漏流5只被引导到位于叶片1的下表面12和内部肋3的下表面32之间的腔中。

下游开口141使得在一方面能够以与上游开口131类似的方式限制叶片1的在其尖端处的质量，在另一方面能够利于通过后缘14排放漏流5。因此，漏流5的适当排放使得能够限制由于漏流5在凹槽状顶端2中停滞导致的凹槽状顶端2的变热。优选地，下游开口141仅在上表面11上或叶片1的下表面12上形成在缘边2a中。在一个可能的优选实施例中，下游开口141在叶片1的下表面12上形成在缘边2a中。这种开口使得能够最优地排放漏流5并允许在叶片1的尖端和叶片1被设定为在其中旋转的环的内表面之间维持可接受的间隙。

根据另外的变形，如可在图4、图6和图7中看见的，内部肋3包括上游延伸部331或下游延伸部341，限定出凹槽状顶端2的缘边2a包括上游开口131或下游开口141。当然，可行的是，内部肋3包括上游延伸部331和下游延伸部341，缘边2a包括上游开口131和下游开口141。缘边2a包括上游开口131和下游开口141所依据的变形是在叶片1的空气动力学性能和气动热性能之间的有利的折中，其原因是这允许在一方面更大地限制叶片1的质量，在另一方面使漏流5在凹槽状顶端2的内部更好地循环，以获得更大的载荷力同时仍然限制叶片1的尖端的变热。

有利地，叶片1的前缘13和内部肋3的前缘33之间的距离介于叶片的轴向弦长的1％和25％之间。轴向弦长是叶片1的弦长在涡轮的Y轴线上的投影，涡轮的Y轴线在图10中示出。在内部肋3包括上游延伸部331的情况下，叶片1的前缘13和上游延伸部331的端部之间的距离介于叶片的轴向弦长的1％和25％之间。

此外，优选地，叶片1的后缘14和内部肋3的后缘34之间的距离介于叶片的轴向弦长的1％和25％之间。在内部肋3包括下游延伸部341的情况下，叶片1的后缘14和下游延伸部341的端部之间的距离介于叶片的轴向弦长的1％和25％之间。

根据有利的变形，叶片1的上表面11和内部肋3的上表面31之间的间距介于叶片的最大厚度E的1％和30％之间，优选地介于叶片的最大厚度E的15％和30％之间。这种间距使得能够确保渗入凹槽状顶端的漏流5的最大部分保持在叶片1的上表面11和内部肋3的上表面31之间。肋的最大厚度E是叶片1的下表面12和上表面11之间的最大距离，如图11所示，所述最大距离E与叶片的等分线S正交地测量。等分线S包括与叶片1的下表面12和上表面11等距的所有点。

根据优选的变形，叶片1的下表面12和内部肋3的下表面32之间的间距介于叶片的最大厚度E的1％和30％之间，优选地介于叶片的最大厚度E的15％和30％之间。这种间距使得能够确保渗入凹槽状顶端的漏流5的最大部分保持在叶片1的下表面12和内部肋3的下表面32之间。

根据有利的变形，腔4的表面介于凹槽状顶端2的总表面积的15％和40％之间，优选地介于凹槽状顶端2的总表面积的20％和30％之间，甚至更优选地为凹槽状顶端2的总表面积的25％。该特征使得能够确保漏流5在凹槽状顶端的内部良好地循环，以及限制凹槽状顶端2的明显大的表面积的变热。

Claims (10)

1.一种涡轮发动机的涡轮叶片(1)，所述涡轮叶片(1)包括上表面(11)、下表面(12)、前缘(13)、后缘(14)以及位于其顶部处的凹槽状顶端(2)，所述凹槽状顶端(2)由缘边(2a)限定并包括与限定出所述凹槽状顶端(2)的缘边(2a)间隔开的内部肋(3)，其特征在于，所述内部肋(3)形成为在所述凹槽状顶端的内部界定出腔(4)，漏流(5)在所述腔(4)的内部的传输受到限制，所述凹槽状顶端(2)包括底部(2b)，以及所述腔(4)通过所述凹槽状顶端(2)的底部(2b)的被所述内部肋(3)围绕的部分形成。

2.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述内部肋(3)包括上表面(31)、下表面(32)、前缘(33)和后缘(34)，所述内部肋(3)的下表面(32)以大致恒定的方式与所述叶片的下表面(12)间隔开，所述内部肋(3)的上表面(31)以大致恒定的方式与所述叶片(1)的上表面(11)间隔开。

3.根据权利要求2所述的叶片，其特征在于，所述内部肋(3)包括位于其前缘(33)处的上游延伸部(331)。

4.根据权利要求2或3所述的叶片，其特征在于，所述内部肋(3)包括位于其后缘(34)处的下游延伸部(341)。

5.根据权利要求1至3中一项所述的叶片，其特征在于，上游开口(131)在所述叶片的前缘(13)处形成在所述缘边(2a)中。

6.根据权利要求5所述的叶片，其特征在于，所述上游开口(131)在所述叶片的下表面(12)上和在所述叶片的上表面(11)的前缘的端部部分(111)上形成在所述缘边(2a)中。

7.根据权利要求1至3中一项所述的叶片，其特征在于，下游开口(141)在所述叶片的后缘(14)处形成在所述缘边(2a)中。

8.根据权利要求7所述的叶片，其特征在于，所述下游开口(141)只在所述叶片的下表面(12)上形成在所述缘边(2a)中。

9.一种涡轮盘，其特征在于，所述涡轮盘包括根据前述权利要求中一项所述的叶片(1)。

10.一种涡轮喷气发动机的高压涡轮，其特征在于，所述高压涡轮包括根据权利要求1至8中一项所述的叶片(1)。