CN107191231B - 燃气涡轮发动机静叶片的非均匀叶片间隔及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于非均匀间隔叶片(15)的环列(11)，所述环列包括相邻叶片(15)的仅一个第一组(G1)和仅一个第二组(G2)，所述第一和第二组(G1，G2)中的相邻叶片(15)之间的第一和第二间隔(S1，S2)不相等，且所述第一间隔(S1)大于所述第二间隔(S2)。另提供包括仅三个相邻叶片(15)的第二组(G2)的实施例。第二间隔(S2)可比标称均匀间隔(S)小约25％‑35％，所述标称非均匀间隔(S)用作设计非均匀间隔静叶片(15)的间隔的设计参数。环列(11)可为扇形。燃气涡轮发动机部分可包括固定和/或可变非均匀间隔叶片(15)的一个或多个环或环列(11)。用于设计环列(11)的非均匀叶片间隔的方法包括确定标称均匀间隔(S)并从叶片(15)的标称均匀间隔(S)形成第一间隔(S1)和第二间隔(S2)。

Description

燃气涡轮发动机静叶片的非均匀叶片间隔及其设计方法
技术领域
本发明涉及翼型燃气涡轮发动机静叶片，尤其涉及非均匀叶片间隔。
背景技术
静叶片在飞行器燃气涡轮发动机压缩机和风扇，以及在一些涡轮设计中的使用非常广泛。非旋转的或固定的静叶片通常位于风扇、压缩机和涡轮的动叶片的下游或上游。这些叶片影响切向流分量进入或离开转子，可能增加流体的静压且可能将液流角(flowangle)设置为适合下游转子的水平。非旋转静叶片可能为具有可变角度或固定角度并无法相对于进气流改变其角度的可变静叶片。
叶片中的翼型具有与其相关的一系列激励频率。更具体而言，各翼型在空气流中生成尾流，以脉冲的形式作用于经过的翼型。静叶片尾流（脉冲）数量和压缩机转速的组合产生一种激励，该激励可能与动叶片的自然频率一致。强烈要求将大多数翼型自然频率保持在发动机的设计操作范围外。
非均匀叶片间隔(NUVS)设计已经开发用于减少诱发的动叶片振动。NUVS设计改变了发动机外壳周长周围的叶片间隔，以便避免动叶片和静叶片自然频率，或者减少这些频率下的动叶片共振响应振幅。更具体而言，在此类设计中，静叶片的数量在静叶片组件的一个或多个扇区中是不同的。尽管静叶片间隔在各扇区之间可能有所不同，但是各扇区内的静叶片保持彼此等距隔开，和/或设计有相等的节距。动叶片扇区之间叶片间隔或节距的变化有助于改变叶片尾流的频率，从而减少在相邻动叶片中诱发的振动响应。一些常规非均匀叶片间隔设计可产生压缩机性能和可操作性问题。一些常规非均匀叶片间隔设计可能需要大量的静叶片部分配置，引起相关制造和库存成本增加。
因此，需要具有非均匀叶片间隔压缩机设计，借此避免需要大量静叶片扇区配置和/或压缩机性能和可操作性问题。
发明内容
本申请的一个方面涉及一种用于燃气涡轮发动机的非均匀间隔叶片(15)环或环列(11)包括：第一组和第二组(G1, G2)，其中第一组和第二组包括在环或环列(11)中的所有叶片(15)；相邻叶片(15)的仅一个第一组(G1)和仅一个第二组(G2)；分别在第一和第二组(G1, G2)中的相邻叶片(15)之间的不相等的第一和第二间隔(S1, S2)，且第一间隔(S1)大于第二间隔(S2)。
第二组(G2)可包括仅三个相邻叶片(15)和叶片(15)的仅两个相邻对(17)，且第二间隔(S2)位于两个相邻对(17)中每个相邻对的每个叶片(15)之间。静叶片(15)的标称均匀间隔(S)可用作设计非均匀间隔静叶片(15)的间隔的设计参数，且第二间隔(S2)比标称均匀间隔(S)小约25%-35%。燃气涡轮发动机环或环列(11)可呈扇形。燃气涡轮发动机环或环列(11)可包括约9到14个扇区(36, 38)以及每个扇区(36, 38)约8到16个叶片(15)。
第二组(G2)可包括：两个或多个相邻叶片(15)，其包括一个或多个叶片(15)的相邻对(17)；以及第二间隔(S2)，其位于各自叶片(15)的一个或多个相邻对(17)的每一个之间。
本申请的另一个方面涉及一种燃气涡轮发动机组件(10)，其可包括：燃气涡轮发动机部分，所述燃气涡轮发动机部分包括一个或多个固定和/或可变非均匀间隔叶片(15)的环或环列(11)；第一组和第二组(G1, G2)，所述第一组和第二组包括每个所述一个或多个环或环列(11)中的所有叶片(15)；一个或多个环或环列(11)中每一个的相邻叶片(15)的仅一个第一组(G1)和仅一个第二组(G2)；分别在第一和第二组(G1, G2)中的相邻叶片(15)之间的不相等的第一和第二间隔(S1, S2)，且第一间隔(S1)大于第二间隔(S2)。
其中，所述燃气涡轮发动机组件进一步包括，所述第二组(G2)包括仅三个相邻叶片(15)和所述叶片(15)的仅两个相邻对(17)，且所述第二间隔(S2)位于两个相邻对(17)中每个相邻对的每个叶片(15)之间。
其中，所述燃气涡轮发动机组件进一步包括所述静叶片(15)的标称均匀间隔(S)，所述标称均匀间隔用作设计非均匀间隔静叶片(15)的间隔的设计参数，且所述第二间隔(S2)比所述标称均匀间隔(S)小约25%-35%。
其中，所述燃气涡轮发动机组件进一步包括所述用于燃气涡轮发动机的呈扇形环或环列 (11)。
其中，所述燃气涡轮发动机组件进一步包括，所述用于燃气涡轮发动机的环或环列(11)包括约9到14个扇区(36, 38)以及每个扇区约8到16个叶片(15)。本申请的又一个方面涉及一种用于为非均匀间隔燃气涡轮发动机叶片(15)的环或环列(11)设计非均匀叶片间隔的方法，包括确定360度标称均匀间隔S图案，展开标称均匀间隔叶片(15)的一个中间对(24)，以及将剩余叶片(26)移拢，其中，剩余叶片(26)全部以第一间隔(S1)均匀隔开，以在中间对(24)之间产生一个大间隙(33)或临时大间隔(S3)，并在所述一个大间隙(33)或临时大间隔(S3)中插入附加叶片(28)，以形成两个相等的相邻小间隙或间隔(32)，其中，第二间隔(S2)小于第一间隔(S1)。
其中，该方法进一步包括使所述第二间隔(S2)比所述标称均匀间隔(S)小约25%-35%。
其中，该方法进一步包括形成所述用于燃气涡轮发动机的呈扇形环或环列 (11)。
附图说明
图1为具有非均匀叶片间隔(NUVS)静叶片的燃气涡轮发动机高压压缩机的示意图。
图2为非均匀间隔静叶片列的轴向示意图。
图2A为图2所示的非均匀间隔静叶片列的轴向示意图的放大部分。
图3为可用在设计图2所示非均匀间隔静叶片列的方法中的等距或均匀隔开的静叶片间隔的轴向示意图。
图4为基于图3所示的并可用在设计图2中所述的非均匀间隔静叶片列的方法中的后续隔开静叶片间隔设计的轴向示意图。
图5为图2所示非均匀间隔静叶片列的扇形实施例的两个相邻扇区的部分的轴向示意图。
图6为图2所示的另一非均匀间隔静叶片的轴向示意图。
具体实施方式
图1所示为示例性燃气涡轮发动机高压压缩机18，其具有图2所示非均匀叶片间隔(NUVS)静叶片15的至少一个环或环列11。图中还示出了可能具有非均匀叶片间隔(NUVS)的入口可变静叶片16的环或环列13，其设置在压缩机18中，用于优化气流向下游D流动通过压缩机18的压缩机流道20进入可旋转叶片50第一和第二列47、48的方向。固定或可变静叶片15的环列11围绕纵向或轴向中心线轴12成轴对称。
高压压缩机18大体上围绕纵向或轴向中心线轴12成轴对称。可能具有非均匀叶片间隔(NUVS)的入口可变静叶片16的环或环列13设置在压缩机18中，用于优化气流向下游D流动通过压缩机18进入可旋转叶片50第一和第二行47、48的方向。尽管本发明公开的非均匀间隔静叶片15的示例性实施例针对于高压压缩机18，但是本发明公开的具有非均匀叶片间隔的类似静叶片15也可用于燃气涡轮发动机的其他压缩机部分以及风扇和涡轮部分。压缩机外壳61径向向外支撑包括静叶片15的静叶片组件56。
参考图1和图2，至少一个静叶片组件56或静叶片15环列11包括多个静叶片15。各静叶片15具有径向设置在外壳61和内环81之间的翼型31，所述内环由外壳61径向向内隔开。翼型31从翼型外端72沿着翼型的跨距SP向内延伸至翼型内端73。静叶片可为可变的或者具有如图1所示的改变其角度的能力。
为减少诱导的动叶片动振幅，可变静叶片组件56或静叶片15环列11中至少之一包括由叶片15第一和第二组G1、G2中对应的、不相等的、叶片15之间的第一和第二间隔S1、S2指示的非均匀叶片间隔，如图2和2A所示。如此处所示，示例性第一间隔S1大于示例性第二间隔S2。不相等的第一和第二间隔S1、S2为叶片15之间的圆形或线性距离。第一和第二组G1、G2中的相邻叶片具有分别位于其间的相同第一和第二间隔S1、S2。
S1、S2可沿着叶片15的相邻对17之间的弧C周向测量。弧C在一对相邻半径R之间延伸并分别穿过叶片15的相邻对17，所述相邻半径在轴向中心线轴12上具有共同原点19。S1、S2可从弧C与在轴向中心线轴12上具有共同原点19的所述相邻半径R对17之间的交叉点I进行线性测量。
叶片15之间的非均匀叶片间隔也可以是成角度的，以角度进行测量。非均匀叶片间隔可为不相等的第一和第二角度A1、A2所示，所述不相等的第一和第二角度分别在叶片15的第一和第二组G1、G2中的叶片15之间测量，如图2所示。半径R可沿着叶片15的中心线L，并且不相等的第一和第二角度A1、A2可在这些相邻半径R之间测量。
本发明中所示的、非均匀间隔静叶片15环列11中的非均匀叶片间隔的示例性实施例包括仅一个第一组G1和仅一个第二组G2。其中一组包括大间隔静叶片15，另一组包括小间隔静叶片15。图2所示的非均匀间隔静叶片15环列11的实施例示出了包括大间隔叶片15的单一第一组G1。图2也示出了包括小间隔叶片15的单一第二组G2。仅三个小间隔叶片15与叶片15之间的第二间隔S2狭窄地隔开。其他实施例可具有仅两个窄间隔叶片15，其间的第二间隔S2如图6所示。通常，非均匀间隔静叶片15的环列11包括由两个或多个窄间隔叶片15所构成的第二组G2，所述窄间隔叶片之间具有第二小或窄间隔S2。
在此类间隔设计中，一种方法可以360度的相等或均匀间隔S图案开始，如图3所示。均匀间隔S为标称间隔(nominal spacing)，它是用于设计非均匀间隔静叶片15的间隔的设计参数。图4示出了设计方法的后续步骤，其中图3中示出的隔开叶片15的临时对24被展开，其余叶片26全部以图2所示的第一间隔S1均匀地紧密隔开，从而产生一个大间隙33或者使隔开叶片15的临时对24之间具有临时大间隔S3。第一间隔S1在某种程度上小于标称或均匀间隔S。然后附加叶片28插入到所述一个大间隙33或临时大间隔S3中，以将其变成两个均等的小间隙或间隔32，表示为或示出为图2中由三个窄间隔的相邻叶片21形成的第二间隔S2。第二间隔S2大体上小于标称或均匀间隔S，并且在此处所示的实施例中，第二间隔S2约为标称或均匀间隔S的65%-75%。换言之，第二间隔S2约比标称或均匀间隔S小25%-35%。
具有非均匀叶片间隔的静叶片15的环或环列11可呈扇形，图示为由裂缝40隔开的第一和第二扇区36、38，如图5所示。在图5所示的非均匀间隔静叶片列的扇形实施例可包括若干个扇区以及每个扇区中的若干叶片15。此处所示的示例性实施例包括每燃气涡轮发动机压缩机级的9到14个扇区和每扇区的约8 - 16个叶片。
尽管本说明书中所描述内容视作本发明的优选和示例性实施例，但是所属领域中的技术人员可根据本说明书的教示显而易见地了解到本发明的其他修改，因此，由于所有该等修改均落在本发明的实际精神和范围内，因此也包括在随附权利要求书中。

Claims (20)

1.一种非均匀间隔叶片的燃气涡轮发动机静叶片环或环列，包括：
非均匀的周向隔开的多个叶片，在所述燃气涡轮发动机静叶片环或环列中的所有叶片形成相邻叶片的第一组和相邻叶片的第二组，其中，所述第一组具有位于所述第一组的相邻叶片之间的第一间隔和所述第二组具有位于所述第二组的相邻叶片之间的第二间隔，
所述多个叶片形成相邻叶片的仅一个第一组和相邻叶片的仅一个第二组，其中，在所述燃气涡轮发动机静叶片环或环列中的相邻叶片之间具有仅两个限定的第一间隔和第二间隔，
所述第一间隔大于所述第二间隔，
其中，在相邻叶片之间的不相等的第一间隔和第二间隔通过以下步骤限定：
确定360度标称均匀间隔S图案，
展开标称均匀间隔叶片的一个中间对并将剩余叶片移拢，其中，所述剩余叶片以所述第一间隔均匀隔开以在所述中间对之间产生一个大间隙或临时大间隔，并在所述一个大间隙或临时大间隔中插入附加叶片以形成两个相邻的相等窄间隙或间隔，所述两个相邻的相等窄间隙或间隔具有所述第二间隔，
其中，所述第一间隔和所述第二间隔均小于所述标称均匀间隔。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机静叶片环或环列，进一步包括，所述第二组包括仅三个相邻叶片和叶片的仅两个相邻对，且所述第二间隔位于所述两个相邻对中的每个相邻对中的每个叶片之间。
3.根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机静叶片环或环列，进一步包括所述叶片的标称均匀间隔，所述标称均匀间隔用作设计非均匀间隔静叶片的间隔的设计参数，且所述第二间隔比所述标称均匀间隔小25%-35%。
4.根据权利要求3所述的燃气涡轮发动机静叶片环或环列，进一步包括，所述燃气涡轮发动机静叶片环或环列被分成扇区。
5.根据权利要求4所述的燃气涡轮发动机静叶片环或环列，进一步包括，所述燃气涡轮发动机静叶片环或环列包括9到14个扇区以及每个扇区8到16个叶片。
6.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机静叶片环或环列，进一步包括，所述燃气涡轮发动机静叶片环或环列被分成扇区。
7.根据权利要求6所述的燃气涡轮发动机静叶片环或环列，进一步包括，所述燃气涡轮发动机静叶片环或环列包括9到14个扇区以及每个扇区8到16个叶片。
8.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机静叶片环或环列，进一步包括，所述第二组包括两个或更多个相邻叶片，所述两个或更多个相邻叶片包括叶片的一个或多个相邻对，且所述第二间隔位于各自所述叶片的所述一个或多个相邻对中的每个之间。
9.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机静叶片环或环列，进一步包括，所述燃气涡轮发动机的静叶片环或环列被分成扇区。
10.根据权利要求9所述的燃气涡轮发动机静叶片环或环列，进一步包括，所述燃气涡轮发动机静叶片环或环列包括9到14个扇区以及每个扇区8到16个叶片。
11.一种燃气涡轮发动机组件，包括：
燃气涡轮发动机部分，所述燃气涡轮发动机部分包括固定和/或可变非均匀间隔叶片的一个或多个静叶片环或环列，所述叶片被分成第一组和第二组，
所述第一组中的叶片在相邻叶片之间具有第一间隔和所述第二组中的叶片在相邻叶片之间具有第二间隔，
所述第一间隔与第二间隔不相等，使得所述第一间隔大于所述第二间隔，
其中，在相邻叶片之间的不相等的第一间隔和第二间隔通过以下步骤限定：
确定360度标称均匀间隔S图案，
展开标称均匀间隔叶片的一个中间对并将剩余叶片移拢，其中，所述剩余叶片以所述第一间隔均匀隔开以在所述中间对之间产生一个大间隙或临时大间隔，并在所述一个大间隙或临时大间隔中插入附加叶片以形成两个相邻的相等窄间隙或间隔，所述两个相邻的相等窄间隙或间隔具有所述第二间隔，
其中，所述第一间隔和所述第二间隔均小于所述标称均匀间隔。
12.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机组件，进一步包括，所述第二组包括仅三个相邻叶片和所述叶片的仅两个相邻对，且所述第二间隔位于所述两个相邻对中每个相邻对的每个叶片之间。
13.根据权利要求12所述的燃气涡轮发动机组件，进一步包括所述叶片的标称均匀间隔，所述标称均匀间隔用作用于设计非均匀间隔静叶片的间隔的设计参数，且所述第二间隔比所述标称均匀间隔小25%-35%。
14.根据权利要求13所述的燃气涡轮发动机组件，进一步包括，所述一个或多个静叶片环或环列被分成扇区。
15.根据权利要求14所述的燃气涡轮发动机组件，进一步包括，所述一个或多个静叶片环或环列包括9到14个扇区以及每个扇区8到16个叶片。
16.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机组件，进一步包括，所述一个或多个静叶片环或环列被分成扇区。
17.根据权利要求16所述的燃气涡轮发动机组件，进一步包括，所述一个或多个静叶片环或环列包括9到14个扇区以及每个扇区8到16个叶片。
18.一种用于设计对于非均匀间隔的燃气涡轮发动机静叶片的环或环列的非均匀叶片间隔的方法，所述方法包括：
确定360度标称均匀间隔S图案，
展开标称均匀间隔叶片的一个中间对并将剩余叶片移拢，其中，所述剩余叶片以第一间隔均匀隔开以在所述中间对之间产生一个大间隙或临时大间隔，并在所述一个大间隙或临时大间隔中插入附加叶片以形成两个相邻的相等窄间隙或间隔，所述两个相邻的相等窄间隙或间隔具有小于所述第一间隔的第二间隔，
其中，所述第一间隔和所述第二间隔均小于所述标称均匀间隔。
19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括，所述第二间隔比所述标称均匀间隔小25%-35%。
20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括，所述环或环列被分成扇区。
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