CN107269317A - 轴流式涡轮发动机压缩机的除冰叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及飞机涡轮喷气机的低压压缩机叶片(26)。叶片(26)包括前边缘(35)；后边缘(36)；下表面和上表面，其从前边缘(35)延伸到后边缘(36)。为了应对冰的存在和形成，叶片(26)设置有具有热敏电阻的电除冰装置(30)。热敏电阻形成适用于为叶片(26)除冰的电加热轨道。本发明还提出用于制造涡轮发动机叶片(26)的方法。

Description

轴流式涡轮发动机压缩机的除冰叶片
技术领域
本发明涉及涡轮发动机叶片电除冰领域。本发明还涉及涡轮发动机压缩机，和如飞机涡轮喷气机或飞机涡轮螺桨发动机这样的涡轮发动机。本发明还提出一种用于这种具有电除冰装置的涡轮发动机叶片的方法。
背景技术
涡轮喷气机在其操作期间经历结冰现象。低温与空气中存在的湿度相结合会促使在内部操作表面上形成冰。当然，这种冰给涡轮喷气机增加重量，但是重要的是，这会影响其正常的操作，因为冰改变了对核心流动进行引导的表面轮廓。由此影响总体性能。
而且，通过在支撑冰的表面上逐渐积累，冰的厚度会增加。随着发展会造成有潜在危险的冰块。实际上，在它们分离的情况下，将其吸入的压缩机会恶化。具体说，与它们撞击的转子叶片会被损坏；和很可能被破坏。
为了应对冰的存在和外形的影响，压缩机叶片设置有电加热装置。通过为这些装置供电，它们通过焦尔效应对叶片加热。供电足以将可能存在的冰熔化，或削弱其外形的影响。
由此，文件GB672658 A公开了一种用于涡轮发动机压缩机的叶片，其包括电加热元件。叶片具体包括电绝缘材料板件，在其上，电阻线缠绕在表面处。加热元件连接到供电器。在结冰的情况，电流经过加热元件的电阻线且在叶片中产生热量。这允许形成在表面处的冰熔化并去除。该除冰系统虽然有效但是仍很复杂。除了体积庞大外，其成本也很高。而且，其精度仍不尽人意。
发明内容
技术问题
本发明的目的是解决现有技术存在的问题中的至少一个。更确切地说，本发明的目的是简化涡轮发动机叶片的除冰。本发明的另一目的是提出一种方案，其是紧凑的、经济的、鲁棒的且利于安装在轴流式涡轮发动机叶片上。
技术方案
本发明的主题是涡轮发动机叶片，尤其是轴流式涡轮发动机的定子叶片，叶片包括：前边缘；后边缘；下表面和上表面，其从前边缘延伸到后边缘；和电除冰装置；其特征在于，除冰装置包括热敏电阻，形成适于为叶片除冰的电加热轨道。
根据本发明的有利实施例，热敏电阻布置在叶片的上表面和/或下表面上。
根据本发明的有利实施例，热敏电阻装在上表面和下表面之间的叶片厚度部分中。
根据本发明的有利实施例，热敏电阻具有正温度系数或负温度系数。
根据本发明的有利实施例，热敏电阻沿叶片的前边缘和/或后边缘行进。
根据本发明的有利实施例，热敏电阻与叶片的前边缘和/或后边缘相距一距离。
根据本发明的有利实施例，热敏电阻在叶片的大部分高度上延伸和/或在叶片的大部分弦部上延伸。
根据本发明的有利实施例，热敏电阻形成紧密跟随叶片的上表面和/或下表面的导电带状物或线缆。
根据本发明的有利实施例，热敏电阻形成线圈，其被放入一区域中，所述区域占据叶片的下表面或/和上表面的大部分。
根据本发明的有利实施例，叶片包括固定平台，除冰装置经过所述固定平台，可能地热敏电阻经过所述固定平台或保持与所述固定平台相距一距离。
根据本发明的有利实施例，热敏电阻的电阻在其温度从0℃变化到-50℃时变化至少1％、至少3％或3％、至少5％或5％、至少10％或10％、至少30％或30％、至少80％或80％。
根据本发明的有利实施例，热敏电阻沿叶片的高度布置在边缘处。
根据本发明的有利实施例，热敏电阻将叶片的根部和末端连结，和/或从固定平台开始。
根据本发明的有利实施例，热敏电阻包括大致平行于叶片前边缘和/或后边缘部分。
根据本发明的有利实施例，线圈形成从前边缘延伸到后边缘或从叶片的根部延伸到末端的槽道。
根据本发明的有利实施例，热敏电阻形成导电轨道。
根据本发明的有利实施例，在25℃，热敏电阻具有的电阻大于或等于1Ω/m，或10Ω/m，或100Ω/m。
根据本发明的有利实施例，热敏电阻形成叶片的外表面。
根据本发明的有利实施例，叶片的目的是布置在涡轮发动机的流动中，热敏电阻配置为例如接触所述流动。
根据本发明的有利实施例，热敏电阻的长度大于叶片的高度，和/或叶片的长度。叶片的高度可等于前边缘的高度。
本发明的另一主题是涡轮发动机压缩机，尤其是轴流式涡轮发动机的低压压缩机，该压缩机包括叶片，其特征在于叶片是根据本发明的叶片，可能地，所述叶片在压缩机的入口处布置为成环形排的叶片。
本发明的另一主题是涡轮发动机，尤其是飞机涡轮喷气机，涡轮发动机包括叶片和/或压缩机，其特征在于叶片是根据的本发明叶片，和/或压缩机是根据本发明的压缩机。
根据本发明的有利实施例，除冰装置配置为通过热敏电阻测量叶片的温度。
根据本发明的有利实施例，通过为除冰装置提供第一电流，除冰装置适用于测量热敏电阻的温度，且通过为热敏电阻提供大于第一电流的第二电流而为叶片除冰。
根据本发明的有利实施例，除冰装置包括供电器，其用于为热敏电阻供电，使得其通过焦耳效应而被加热。
根据本发明的有利实施例，除冰装置配置为通过测量热敏电阻的电阻而估计叶片的温度。
根据本发明的有利实施例，第二电流至少比第一电流大50％；或第二电流比第一电流至少大两倍或至少大五倍或至少大十倍或至少大三十倍。
通常，本发明的每一个主题的有利实施例也可应用于本发明的其他主题。尽可能低，本发明的每一个主题可与其他主题组合。
本发明的另一主题是制造具有电除冰装置的涡轮发动机叶片的方法，方法包括以下步骤：(a)提供或制造叶片；(b)制造除冰装置；(c)将除冰装置固定在叶片上；其特征在于，除冰装置包括适用于为叶片除冰的热敏电阻，且在于，在制造步骤(b)期间，通过印刷制造热敏电阻；可能地，在固定步骤(c)结束时，叶片是根据本发明的叶片。
根据本发明的有利实施例，在用于提供或制造叶片的步骤(a)期间，通过基于粉末的增材制造来制造叶片。
根据本发明的有利实施例，在固定步骤(c)期间，热敏电阻被卡在叶片上。
提供的优点
因为使用热敏电阻允许用作电加热导体和温度传感器，所以本发明是有利的。结果，单个固定操作允许为叶片添加这两个功能。制造成本和制造时间减少。
本发明是准确且有效的。尽可能接近地测量叶片温度，且尽可能接近地提供必要的热量。热敏电阻因此适用于在直接被冰影响的面提供双重功能。
本发明可以用于使得除冰装置自动化。使用负系数(NTC)热敏电阻，可以在温度减小时增加其电阻，使得在同样供电的情况下，通过焦耳效应获得的热量可增加。控制器件可随后被简化且可被去除。
根据另一方法，可考虑，冰层提供了一种热绝缘。结果，在温度由于海拔高度而降低但是通过热敏电阻测量的温度未相应降低时，必须提供更多热量。在这种情况下，正系数(PTC)热敏电阻可以以自控的目的使用。
附图说明
图1显示了根据本发明的轴流式涡轮发动机。
图2是根据本发明的涡轮发动机的压缩机的图。
图3示出了根据本发明的叶片和除冰装置。
图4是沿根据本发明的图3中的轴线4-4绘制的叶片截面。
图5显示了具有根据本发明的除冰装置的涡轮发动机叶片制造方法的图。
具体实施方式
在以下描述中，术语“内部”和“外部”是相对于轴流式涡轮发动机的旋转轴线的定位。轴向方向对应于沿涡轮发动机的旋转轴线的方向。径向方向垂直于旋转轴线。上游和下游参考涡轮发动机中流动的主要流动方向而言的。
图1以简化的方式显示了轴流式涡轮发动机。在该具体情况下，其是涡轮风扇发动机。涡轮喷气机2包括被称为低压压缩机5的第一压缩级、被称为高压压缩机6的第二压缩级、燃烧室8和一级或多级涡轮机10。在操作期间，经由中心轴传递到转子12的涡轮机10的机械功率使得两个压缩机5和6运动。后者包括与成排的定子叶片相关的几排转子叶片。转子绕其旋转轴线14的旋转由此允许产生空气流动，且后者逐渐在燃烧室8的入口处被压缩。
通常被称为风扇或风机16的进气通风机联接到转子12且产生空气流，所述空气流被分为经过上述各级涡轮发动机的核心流动18，和沿发动机经过环形管道(部分地示出)以随后在涡轮机出口处与核心流动再次汇合的次流动20。次流动20可被加速，例如以产生允许飞机飞起的反推力。
图2是例如图1的轴流式涡轮发动机的压缩机5的截面图。压缩机可以是低压压缩机5。从中可以看到风扇16的一部分和用于核心流动18和次流动20的分流器22。转子12包括几排转子叶片24，在该情况下是三排。
低压压缩机5包括几个定子，在该情况下是四个，其每一个包含一排定子叶片26。定子与风扇16相关或与一排转子叶片相关，用于修正空气流动18，例如将流动速度转换为静态压力。
有利地，同一排的叶片(24；26)是相同的。可选地，叶片之间的间距可局部性改变，如其角度方位(angular orientation)那样。一些叶片可以与该排叶片的其余叶片不同。
定子叶片26可包括固定平台28，允许它们安装在支撑壳体上，或安装到分流器22，或安装到接合在分流器22中的外部遮罩。定子叶片26主要径向地从压缩机的外壳体延伸，且可与之固定且使用从固定平台28而来的轴固定不动。
在入口处，压缩机5具有成环形排的定子叶片26，即上游定子。因为后者受到结冰现象的影响，所以提供一种除冰装置30。除冰装置30与控制单元32组合在一起，所述控制单元为一个或多个热敏电阻34供电，所述一个或多个热敏电阻与压缩机处的一排定子叶片26中的至少一个叶片或更多叶片或每一个叶片相关。入口排是在压缩机上游的第一排。
图3示出了定子叶片26和除冰装置30。定子叶片26可对应于针对图1和2所述的定子叶片中之一。固定平台28可见。虽然本发明是针对定子叶片开发的，但是其也可适用于转子叶片。
定子叶片26包括沿叶片26的高度延伸的前边缘35和后边缘36。下表面和上表面从前边缘35延伸到叶片26的后边缘36。它们将叶片26的末端38和根部40连结。这些表面目的是经过核心流动18并将其偏转，以便使其呈轴向。下表面或上表面中之一接收热敏电阻34。后者在被电流供电时形成电加热轨道(track)。供电和热敏电阻34的电阻被配置为允许对叶片26除冰，尤其是针对涡轮喷气机的操作温度，无论是在地面或是在高空。
热敏电阻34可形成线圈。线圈装在区域42中，所述区域占据叶片26的下表面或上表面的大部分。线圈形成槽道44，其占据接收热敏电阻34的面的大部分。槽道44可呈现出沿叶片26的弦部或沿其高度布置的主要延伸形式。
热敏电阻34是电导体或可以是半导体。其形成带状物或线缆。热敏电阻34基本上在叶片26的整个高度上和/或基本上在叶片26的整个弦部上延伸。其沿前边缘和后边缘行进。部分46(例如径向部分)可沿叶片26的前边缘35和/或后边缘36行进。然而，该部分46保持与前边缘相距一距离，以便受到保护。条带(strip)将热敏电阻34从前边缘35和从后边缘36分离。在这种情况下，吸收(ingestion)和磨损现象不会给热敏电阻造成很大损害。装置的寿命得以延长。
热敏电阻可具有负温度系数(NTC)。NTC热敏电阻可包括过渡金属的氧化物；例如，氧化锰、氧化钴、氧化铜、或氧化镍。NTC热敏电阻还可包括这些过渡金属氧化物的组合。替换地，热敏电阻可具有正温度系数(PTC)。PTC热敏电阻可包括钛酸盐钡或聚合物合金。例如，其可包括在FR2921194A1中所述的一种或多种材料。
虽然形成了单个叶片26，但是可想到将并行或串行的几个叶片连接，使得其各自的热敏电阻也并行或串行连接。几个热敏电阻叶片可连接到同一控制单元32。
图4显示了图3所示的叶片26的一部分，该部分是沿轴线4-4得到的。绘制旋转轴线14作为方位标记。
热敏电阻34位于上表面48上。该位置是有益的，因为其被保护而不会受到核心流动18带来的侵蚀。在所述的叶片26的轮廓上，热敏电阻34被保持与前边缘35和后边缘36相距一定距离，但是其可接触这些边缘(35；36)中之一，例如后边缘36。
热敏电阻34覆盖叶片26的上表面。其至少部分地形成与核心流动18接触的外表面。另外或替换地，热敏电阻34可单独覆盖下表面50，或替代地分别覆盖下表面50、上表面48。
根据本发明的替换例，热敏电阻可处于叶片的芯部，例如在沿叶片厚度的中间部分。其可嵌入在叶片的材料中，且在下表面和上表面之间。该替换例也可以与如上所述的方案组合。
图5是用于制造具有根据本发明的除冰装置的叶片的方法示意图。叶片可以是针对图1-4所述的那些。
该方法可包括以下步骤，可以以以下顺序执行：
(a)提供或制造(100)叶片；
(b)制造(102)除冰装置；
(c)将除冰装置固定(104)到叶片。
在提供或制造(100)的步骤(a)期间，通过基于粉末的增材制造(additivemanufacturing)来制造叶片。粉末可以是钛粉末。制造工艺可使用电子束。根据替换例，可通过铸造或从固体切割来制造叶片。
在制造(102)步骤(b)期间，通过印刷技术来制造热敏电阻。使用具有热敏电阻性能的导电墨水。其被用在基板上，所述基板随后被抵靠叶片施加。基板可选地在应用之后移除。然而，可使用任何其他手段来制造热敏电阻。
在固定(104)步骤(c)期间，热敏电阻被卡在叶片上。然而，热敏电阻可通过嵌入在其厚度部分中而连接到叶片。

Claims (17)

1.一种涡轮发动机(2)的叶片(26)，尤其轴流式涡轮发动机(2)的定子叶片(26)，该叶片(26)包括：
前边缘(35)；
后边缘(36)；
下表面(50)和上表面(48)，它们从前边缘(35)延伸到后边缘(36)；和
电除冰装置(30)；
其特征在于
该除冰装置(30)包括热敏电阻(34)，所述热敏电阻形成适于为叶片(26)除冰的电加热轨道。
2.如根据权利要求1所述的叶片(26)，其特征在于热敏电阻(34)布置在叶片(26)的上表面(48)上和/或下表面(50)上。
3.如权利要求1-2中之一所述的叶片(26)，其特征在于热敏电阻(34)装在上表面(48)和下表面(50)之间的叶片(26)的厚度部分中。
4.如权利要求1-3中之一所述的叶片(26)，其特征在于热敏电阻(34)具有正温度系数或负温度系数。
5.如权利要求1-4中之一所述的叶片(26)，其特征在于热敏电阻(34)沿叶片(26)的前边缘(35)和/或后边缘(36)行进。
6.如权利要求1-5中之一所述的叶片(26)，其特征在于热敏电阻(34)与叶片(26)的前边缘(35)和/或后边缘(36)相距一距离。
7.如权利要求1-6中之一所述的叶片(26)，其特征在于热敏电阻(34)在叶片(26)的大部分高度上延伸和/或在叶片(26)的大部分弦部上延伸。
8.如权利要求1-7中之一所述的叶片(26)，其特征在于热敏电阻(34)紧密跟随叶片(26)的上表面(48)和/或下表面(50)形成导电带状物或线缆。
9.如权利要求1-8中之一所述的叶片(26)，其特征在于热敏电阻(34)形成线圈，其被放入一区域(42)中，所述区域占据叶片(26)的下表面(50)或/和上表面(48)的大部分。
10.如权利要求1-9中之一所述的叶片(26)，其特征在于其包括固定平台(28)，除冰装置(30)经过所述固定平台(28)，可能地，热敏电阻(34)经过所述固定平台(28)或保持与所述固定平台(28)相距一距离。
11.一种涡轮发动机(2)的压缩机(5)，尤其是轴流式涡轮发动机(2)的低压压缩机(5)，该压缩机(5)包括叶片(26)，其特征在于该叶片(26)是根据权利要求1-10中任一项所述的叶片，可能地，所述叶片(26)在压缩机(5)的入口处布置为成环形排的叶片(26)。
12.一种涡轮发动机(2)，尤其是飞机涡轮喷气机，该涡轮发动机(2)包括叶片(26)和/或压缩机(5)，其特征在于叶片(26)是根据权利要求1-10中任一项所述的叶片，和/或压缩机是根据权利要求11所述的压缩机。
13.如权利要求12所述的涡轮发动机(2)，其特征在于除冰装置(30)配置为通过热敏电阻(34)测量叶片(26)的温度。
14.如权利要求12-13中任一项所述的涡轮发动机(2)，其特征在于通过为除冰装置提供第一电流，除冰装置(30)适用于测量热敏电阻(34)的温度，且通过为热敏电阻(34)提供大于第一电流的第二电流而为叶片(26)除冰。
15.一种制造具有电除冰装置(30)的涡轮发动机(2)的叶片(26)的方法，该方法包括以下步骤：
(a)提供或制造(100)叶片(26)；
(b)制造(102)除冰装置(30)；
(c)将除冰装置(30)固定(104)在叶片(26)上；
其特征在于
除冰装置(30)包括适用于为叶片(26)除冰的热敏电阻(34)，且在于，在制造(102)步骤(b)期间，通过印刷技术制造热敏电阻(34)；可能地，在固定(104)步骤(c)结束时，叶片(26)是根据权利要求1-10中任一项所述的叶片。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，在用于提供或制造(100)叶片的步骤(a)期间，通过基于粉末的增材制造来制造叶片(26)。
17.如权利要求15-16中任一项所述的方法，其特征在于，在固定(104)步骤(c)期间，热敏电阻(34)被卡在叶片(26)上。
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