CN108138574B - 涡轮机转子叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涡轮机转子叶片的领域并且显著地涉及包括叶片根部和叶片梢端和至少一个中间段(112a)以及远侧段(112b)的涡轮机转子叶片，叶片根部和叶片梢端由叶片高度(h)隔开，该至少一个中间段具有负切向斜率，而该远侧段位于中间段(112a)和叶片梢端之间、具有正切向斜率，其中，远侧段(112b)延伸超过所述叶片高度(h)的至多30％。

Description

涡轮机转子叶片

技术领域

本发明涉及涡轮机叶片或翼片的领域，并且具体涉及涡轮机转子叶片的领域。

背景技术

在本上下文中使用术语“涡轮机”以表示其中能量可在流体流和至少一组叶片之间传递的任何机器，诸如例如：压缩机、泵、涡轮机或实际上是其中至少两个的组合。在以下描述中，术语“上游”和“下游”是相对于经过该涡轮机的流体的正常流动方向定义的。

这种涡轮机可包括多级，每级通常包括两组叶片和翼片，具体是一组运动叶片和一组引导翼片。每组叶片或翼片包括沿横向方向从彼此偏移的多个叶片或翼片。通常，这种叶片或翼片设置为径向围绕中心轴线A。因此，当它是一组运动叶片时，这组形成转子，或当它是一组引导翼片时形成定子。每个叶片或翼片相对于中心轴线A的近端通常被称作它的根部，而远端通常被称作它的梢端。根部与梢端之间的距离被称作“高度”。在它的根部与梢端之间，叶片或翼片由基本上垂直于径向轴线Z的空气动力学型面的堆叠构成。在本上下文中使用术语“基本上垂直”以表示每个型面的平面可具有相对于径向轴线Z近似90°的角度、例如位于60°至120°的范围中。

叶片的几何形状是主要设计工作的目标，从而优化叶片的空气动力学性能，由此提升旋转组件的效率，旋转组件形成诸如压缩机、风机或涡轮机的一部分。因此，空气动力学工程师提出从空气动力学角度来看优化了的用于堆叠空气动力学型面的关系。

然而，从机械角度来看这种堆叠关系不一定是优化的，甚至是不可接受的。例如，在已经提出的从空气动力学角度来看特别有效的堆叠关系中，大部分叶片相对于其余叶片悬臂伸出。这种大的悬臂伸出质量于是对于由转子的转动产生的离心力高度敏感，并且导致翼面(airfoil)的高部显著的弯曲，由此导致翼面中部中大的机械应力，其中在“红线”飞行点、即紧急飞行点处静态应力过高。在这种情况下，这种叶片仅具有非常小的动态裕度，并且在冲击的情况下或在旋转组件涌振的情况下它们承受疲劳很差。

相反地，机械工程师已提出了从机械角度来看优化的其它堆叠关系，但它们由于其空气动力学性能不足而未被接受。

因此，存在对于从良好的空气动力学特性和良好的机械特性两方面获益的叶片的真实需要。

发明内容

本说明书涉及包括由叶片高度隔开的叶片根部和叶片梢端和至少一个中间段以及远侧段的涡轮机转子叶片，该至少一个中间段具有负切向斜率，而该远侧段位于中间段与叶片头部之间并且当远侧段延伸超过所述叶片高度的至多30％时具有正切向斜率。

这种构造使得能够极大地减小叶片悬臂伸出的质量，并且由此减小叶片的高部的弯曲和同时减小静态应力的水平，而保持良好的空气动力学特性。

此外，如以这种方式实现的机械强度的提高使得能够减轻叶片的结构，并且具体是减小它的厚度，由此提高它的空气动力学性能。

同样，该堆叠关系留下了关于叶片沿轴向方向的几何形状的设计自由，由此使得能够沿该方向自由地优化叶片，从而根据具体要求优化其空气动力学和/或机械特性。

在某些实施例中，所述远侧段直接与所述叶片梢端相邻。

在某些实施例中，所述远侧段直接与所述中间段相邻。

在某些实施例中，所述中间段与所述远侧段的结合部位于距叶片根部75％至80％的叶片高度的范围中的高度。

在某些实施例中，所述远侧段延伸超过至多25％的叶片高度。这进一步减小了悬臂伸出的质量。

在某些实施例中，所述远侧段延伸超过叶片高度的至少5％。

在某些实施例中，所述远侧段延伸超过叶片高度的至少15％。

在某些实施例中，经过叶片的每个切向部段的重心的线到径向平面上的投影是γ形的。根据其沿着叶片的位置绘制叶片的每个部段的重心的切向坐标(已知为yG)的曲线因此具有基本上直线的上升段，赋予叶片的下部增加的刚度和仅留下较小的重量悬臂伸出的近乎水平(subhorizontal)的部段。此外，在叶片的中间段和远侧段之间的接界处显著的曲率用于打断叶片的高部和低部之间的力路径，由此用于减小由于叶片的高部中的弯曲而在叶片的低部中产生的应力的量值。

在某些实施例中，经过叶片的每个切向部段的重心的线到径向平面上的投影在叶片的中间段中具有基本上直线的部段。换言之，根据位置绘制切向坐标yG的曲线具有在该部段中基本上为零的二阶导数。这导致叶片的中间段中更大的刚度，由此强化它的机械强度。

在某些实施例中，所述基本上直线的部段延伸超过叶片高度的至少30％、较佳地超过叶片高度的至少40％、更佳地延伸超过叶片高度的至少50％。

在某些实施例中，所述基本上直线的部段至少延伸到位于距叶片根部50％、较佳地55％、较佳地60％、更佳地65％的叶片高度的高度处。

在某些实施例中，所述基本上直线的部段至少从位于距叶片根部至多30％、较佳地至多20％的叶片高度的高度处延伸。

在某些实施例中，首先位于叶片梢端和其次位于中间段和远侧段之间的接界处的叶片部段的重心的切向坐标之间的差异大于首先位于叶片根部和其次位于中间段与远侧段之间的接界处的叶片部段的重心的切向坐标之间的差异的150％、较佳地是大于180％。这种叶片在叶片梢端处具有大量的扫掠，并且受益于良好的航空特性和机械特性，具体是在静态应力方面。

在其它实施例中，首先位于叶片梢端和其次位于中间段与远侧段之间的接界处的叶片部段的重心的切向坐标之间的差异在于首先位于叶片根部处和其次位于中间段与远侧段之间的接界处的叶片部段的重心的切向坐标之间的差异的100％至150％的范围中、较佳地在110％到140％的范围中。这种叶片在叶片梢端处具有的扫掠不如前述情况中的扫掠显著，由此使得更易于集成在涡轮机模块中，同时保持良好的航空特性和机械特性。具体地，这使得能够增加转子的叶片的梢端和位于上游的定子的翼片的梢端之间的距离。

在某些实施例中，叶片的厚度在所有点处都小于叶片高度的8％，并且较佳地是小于6％。该减小的厚度提供给叶片良好的空气动力学特性。

在某些实施例中，远侧段的厚度小于5％的叶片高度，较佳地是小于3％的叶片高度。

本说明书也提出具有多个根据上述实施例中的任何实施例的叶片的单件式叶片盘。这种单件式叶片盘具有稳固性和简单的优点。然而，本说明书的叶片可替代地是单独固定的叶片，例如具有在叶片根部之下的杉树形紧固件构件。

本说明书也提出具有多个根据上述实施例中的任何实施例的叶片的转子。

本说明书也提出具有根据上述实施例中的任一个的盘或转子的涡轮机。

在阅读对所提出的叶片的实施例的以下详细描述时，上述特征和优点及其它显而易见。具体描述参照附图。

附图说明

在阅读对于作为非限制性示例示出的实施例的以下详细描述时，可更好地理解本发明，并且其优点变得更清楚。描述涉及附图，其中：

·图1是涡轮机的示意纵剖图；

·图2A是涡轮机转子的示意立体图；

·图2B是图2A转子的细节的示意立体图；

·图2C是在图2B所示的平面IIC-IIC上的图2A转子的叶片之一的剖视图；

·图3A示出向前扫掠的转子叶片；

·图3B示出向后扫掠的转子叶片；

·图3C示出具有负切向斜率的转子叶片；

·图3D示出具有正切向斜率的转子叶片；

·图4示出了本发明的示例叶片；

·图5是示出本发明的第一叶片的切向斜率在根部与梢端之间的变化的图；

·图6是示出本发明的第二叶片的切向斜率在根部与梢端之间的变化的图；

·图7是示出现有技术叶片的切向斜率在根部与梢端之间的变化的图；

·图8A至图8B示出第一示例叶片的静态应力水平；

·图9A至图9B示出第二示例叶片的静态应力水平；

·图10A至10B示出传统的现有技术叶片的静态应力水平。

具体实施方式

图1示出涡轮机并且更具体地是旁通轴向涡轮喷气机1的说明性示例。所示涡轮喷气机1具有风扇2、低压压缩机3、高压压缩机4、燃烧室5、高压涡轮6和低压涡轮7。风扇2和低压压缩机3由第一传动轴9连接到高压涡轮7，而高压压缩机4和高压涡轮6由第二传动轴10连接在一起。在运行中，由高压压缩机3和低压压缩机4压缩的空气流馈送燃烧室5中的燃烧，并且燃烧气体的膨胀驱动高压涡轮6和低压涡轮7。涡轮6和7由此借助轴9和10驱动风扇2和压缩机3。由风扇2推动的空气和经由涡轮机6和7下游的推进喷嘴(未示出)离开涡轮喷气机1的燃烧气体一起施加反作用推力在涡轮喷气机1上，并且经由涡轮喷气机施加反作用推力在诸如飞机(未示出)的交通工具上。

涡轮喷气机1的每个压缩机3、4和每个涡轮6、7包括多级，每级由静止的成组翼片或定子和转动的成组叶片或转子构成。图2A中示意地示出轴向压缩机转子11。转子11具有设置为径向地围绕转子11的转动轴线A的多个叶片12，该轴线基本上平行于经过涡轮喷气机1的工作流体的一般流动方向。叶片12可集成为转子11中的单个部件，由此形成单件式叶片盘，否则它们可分别制成并且由技术现状中通常已知的、诸如杉树紧固件(fir-treefasterners)的紧固装置连结到转子。

如在图2B中更详细示出的，每个叶片12具有三维的参照框架，三维参照框架具有正交的三条轴线X、Y和Z。轴线X平行于转子11的转动轴线A，轴线Y与叶片12围绕转动轴线A转动的方向R相切，而轴线Z是沿与转动轴线A相交的方向的径向轴线。每个叶片12包括沿径向轴线Z的方向由叶片高度h间隔开的叶片根部13和叶片梢端14。在叶片根部13和叶片梢端14之间，叶片12具有在垂直于径向轴线Z的平面中的空气动力学型面15的堆叠，形成沿上游方向的前缘16、沿下游方向的后缘17、吸力侧18和压力侧19。在压缩机或风机转子中，在正常操作中转动方向R是使得每个叶片12朝向它的压力侧19运动。

图2C中示出叶片12的一个这种型面15。每个型面15具有前缘16和后缘17之间的弦C和定义为型面15的几何质心的重心CG。在涡轮机叶片或翼片的领域中，经过连续的型面15的重心CG的线相对于径向轴线Z的斜率用于限定叶片或翼片12的扫掠和切向斜率。由此，如图3A所示，当朝向梢端14行进时，该线20沿上游方向在XZ平面中以倾斜角度-i倾斜，叶片12具有向前扫掠。相反地，如图3B所示，当该线20沿下游方向在同一平面中以倾斜角度i倾斜时，叶片12具有向后扫掠。以类似的方式，由线20在YZ平面中相对于径向轴线Z的倾斜角度来定义切向斜率。因此，当朝向梢端14行进时，线20朝向吸力侧18倾斜(并且因此沿与转子的转动方向R相反的方向倾斜)，叶片12以切向倾斜角度-j倾斜，该倾斜角度如图3C所示是负的。相反地，当该倾斜角度朝向压力侧19(并且因此沿转子的转动方向R)时，叶片12以倾斜角度j倾斜，如图3D所示，该倾斜角度j是正的。除了扫掠和切向斜率，涡轮机叶片或翼片一般具有复杂的形状、具有其中迎角、弯角、厚度和弦C也可沿着轴线Z变化的型面15。

图4示出本发明的第一实施例中的叶片或翼片112，其使得该缺陷对于向前扫掠的叶片或翼片能够被减少。该叶片112也具有叶片根部113、叶片梢端114、前缘117、后缘116、压力侧118和吸力侧119，并且它也由在叶片根部113和叶片梢端114之间的叶片高度h之上的空气动力学轮廓115的堆叠构成。

图5示出该叶片112的yG关系、即重心CG的切向坐标yG沿着径向轴线Z变化的方式。在图5中，yG横坐标轴以毫米分度。该曲线的倾斜角度、即yG的一阶导数与叶片的切向斜率相对应：因此当曲线向左行进即yG是负的时，叶片的相对应的部分具有负切向斜率，而当曲线向右行进即yG是正的时，叶片的相对应的部分具有正切向斜率。该曲线的曲率、即yG的二阶导数与叶片沿切向方向的曲率相对应。

在该图中可以看出，该叶片112具有带有负切向斜率的中间段112a，该中间段占据约70％的叶片高度h直至与约75％的叶片高度h相对应的尺寸。叶片112也具有带有正切向斜率的远侧段112b，远侧段112b在中间段112a和叶片梢端114之间延伸，并且因此占据约25％的叶片高度h。

还可看出，中间段112a具有几乎在与15％的叶片高度h相对应的尺寸和与70％的叶片高度h相对应的尺寸之间延伸的基本上直线的部段122a。远侧段112b也具有几乎从与90％的叶片高度h相对应的尺寸延伸到叶片梢端114的基本上直线的部段122b。yG的曲线因此是γ形的。叶片的曲率然后集中在叶片的受限区域122c中、主要在与70％的叶片高度h相对应的尺寸和与90％的叶片高度h相对应的尺寸之间：因此yG的曲线在小于20％的叶片高度h中转过90°以上，由此有助于使作用在叶片112的中间段112a上和远侧段112b上的力解耦。

还可看出，远侧段112b从正yG侧强力延伸以到达在叶片梢端约4mm处、即以绝对值与在中间段112a和远侧段112b之间的接界处的负yG侧上所到达的坐标几乎一样。

图8A和图8B是用于计算机械应力的软件的截屏：它们分别示出在第一示例的叶片的吸力侧和压力侧上的静态应力水平。为了比较，图10A和图10B分别示出在参考现有技术叶片的吸力侧和压力侧上的静态应力水平，对于该参考现有技术叶片如图8所示的堆叠关系yG是S形的。

由此可看出，在第一示例叶片的吸力侧处的最大应力水平是401兆帕斯卡(MPa)，而对于参考叶片该最大水平是542Mpa，即下降了26％。在压力侧上，与参考叶片的457MPa相比，第一示例的叶片的最大应力水平是368Mpa，即下降了19％。

图6示出第二示例叶片的yG关系。在该图中可看出，第二叶片具有基本上相同的γ形，除了它的远侧段212b不如第一示例中延伸得远，到达在叶片梢端处约1.5mm、即绝对值上是以在中间段212a和远侧段212b之间的交界处的负yG所到达的坐标的约30％。

除此以外，可以看出存在具有负切向斜率的中间段212a和具有正切向斜率的远侧段212b，中间段212a占据约70％的叶片高度h到与约75％的叶片高度h相对应的尺寸，而远侧段212b在中间段212a与叶片梢端之间延伸，并且由此占据约25％的叶片高度h。

中间段212a也具有几乎在与15％的叶片高度h相对应的尺寸和与70％的叶片高度h相对应的尺寸之间延伸的基本上直线的部段222a。远侧段212b也具有几乎从与90％的叶片高度h相对应的尺寸延伸到叶片梢端114的基本上直线的部段222b。叶片的曲率然后集中在叶片的受限区域222c中、主要在与70％的叶片高度h相对应的尺寸和与90％的叶片高度h相对应的尺寸之间：因此yG的曲线在小于20％的叶片高度h中转过90°以上，由此有助于使作用在叶片112的中间段112a上和远侧段112b上的力解耦。

图9A和9B再次是更多用于计算机械应力的软件的截屏：它们分别示出在第二示例的叶片的吸力侧和压力侧上的静态应力水平。

由此可看出，在第二示例叶片的吸力侧处的最大应力水平是401MPa，而对于参考叶片该最大水平是542Mpa，即下降了26％。在吸力侧上，与参考叶片的457MPa相比，第一示例的叶片的最大应力水平是331Mpa，即下降了28％。

在本说明书中所描述的实施例是当作非限制性说明给出的，并且考虑到本说明书，本领域人员可容易地修改这些实施例或想到其它实施例，而保持在本发明的范围中。

此外，这些实施例的各种特征可单独使用或它们可彼此组合使用。当它们组合时，这些特征可如上所述或以其它方式组合，本发明不限于在本说明书中所描述的具体组合。具体地，除非相反地指明，参照任一实施例所描述的任何特征可以同样的方式应用到任何其它实施例。

Claims (15)

1.一种涡轮机转子叶片，所述涡轮机转子叶片包括由叶片高度(h)间隔开的叶片根部(113)和叶片梢端(114)、具有负切向斜率的至少一个中间段(112a)和位于所述中间段(112a)和所述叶片梢端(114)之间并且具有正切向斜率的远侧段(112b)；

其中，所述远侧段(112b)延伸超过所述叶片高度(h)的至多30％；并且

其中，经过所述叶片(112)的每个切向部段(115)的重心的线到径向平面上的投影在所述叶片的所述中间段(112a)中具有基本上直线的部段(122a)，并且所述基本上直线的部段(122a)延伸超过所述叶片高度(h)的至少40％。

2.如权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述远侧段(112b)直接与所述叶片梢端(114)相邻，并且

其中，所述远侧段(112b)与所述中间段(112a)直接相邻。

3.如权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述远侧段(112b)延伸超过所述叶片高度(h)的至多25％。

4.如权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述远侧段(112b)延伸超过所述叶片高度(h)的至少5％。

5.如权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述基本上直线的部段(122a )至少延伸到位于距所述叶片根部(113)50％的所述叶片高度(h)处。

6.如权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述基本上直线的部段(122a)从位于距所述叶片根部(113)至多30％的所述叶片高度(h)处延伸。

7.如权利要求1所述的叶片，其特征在于，经过所述叶片(112)的每个所述切向部段(115)的重心的线到径向平面上的投影在所述叶片的所述远侧段(112b)中具有第二部段(122b)，所述第二部段(122b)是基本上直线的。

8.如权利要求7所述的叶片，其特征在于，所述第二部段(122b)从位于距所述叶片根部(113)至多90％的所述叶片高度(h)的高度处延伸。

9.如权利要求7所述的叶片，其特征在于，所述第二部段(122b)是近乎水平的。

10.如权利要求7所述的叶片，其特征在于，经过所述叶片(112)的每个所述切向部段(115)的重心的线到径向平面上的投影在小于所述叶片高度(h)的20％中转过90°以上。

11.如权利要求1所述的叶片，其特征在于，首先位于所述叶片梢端和其次位于所述中间段(212a)与所述远侧段(212b)之间的接界处的叶片部段的重心的切向坐标(yG)之间的差异在于首先位于所述叶片根部处和其次位于所述中间段(212a)与所述远侧段(212b)之间的接界处的叶片部段的重心的切向坐标(yG)之间的差异的100％至150％的范围中。

12.如权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述叶片(112)的厚度在所有点处小于所述叶片高度(h)的8％。

13.一种包括多个如权利要求1至12中的任一项所述的叶片(112)的单件式叶片盘。

14.一种具有多个如权利要求1至12中的任一项所述的叶片(112)的转子。

15.一种包括如权利要求13所述的盘或如权利要求14所述的转子的涡轮机。

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