CN108869396B - 压缩机翼型部件 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于燃气涡轮发动机的压缩机的翼型部件。在使用中，所述翼型部件在限定所述压缩机的气体环形区的径向内端壁与径向外端壁之间延伸。所述翼型部件具有前边缘、后边缘、受压面和抽吸表面，由此横向于径向方向贯穿所述翼型部件的连续横截面提供相应翼型区段。所述翼型部件的外部形状由所述翼型区段在通过每个翼型区段公共的参考点的叠加轴上的叠加限定。所述翼型部件具有由所述叠加轴突出到垂直于发动机轴的平面上从而以与周向方向5°到25°的角度与所述端壁中的第一端壁相交而产生的倾斜，因此所述受压面面向所述第一端壁。随着沿所述叠加轴与所述第一端壁的距离增大，所述叠加轴经历拐点，因此所述受压面具有邻近于所述第一端壁的凸面形状。

Description

压缩机翼型部件
本公开涉及一种用于燃气涡轮发动机的压缩机的翼型部件。
燃气涡轮发动机的每个翼型部件（即转子叶片或定子轮叶）具有前边缘、后边缘、受压面和抽吸表面，由此横向于径向方向贯穿此类翼型部件的横截面提供相应翼型区段。通常翼型部件的前边缘和后边缘不是直线。
翼型部件的几何特征可以由翼型区段的叠加限定。例如，翼型部件的“倾斜”和“扫动”参考通过每个翼型区段的公共点（所述公共点可以是翼型区段的前边缘、后边缘或质心）的叠加轴的轨迹来限定。“倾斜”是相对于叠加轴在端壁处的位置，叠加轴在周向方向上（原点是涡轮轴）随着与端壁的距离渐远的位移。类似地，“扫动”是叠加轴相对于其在端壁处的位置随着与端壁的距离渐远的上游或下游位移。翼型区段的“弦”是连接所述区段处的前边缘和后边缘的直线，并且翼型区段的“弦长”是所述线的长度。
图1示意性地示出了从燃气涡轮发动机压缩机的翼型部件的受压面侧面看的视图，所述部件的前边缘在左边且后边缘在右边。叠置在受压面上的是所述表面上的横向压力梯度
Figure DEST_PATH_IMAGE001
的等值线，其中P是静压且n是在受压面上定向相距底部端壁的距离（由此在具有平行端壁的轴向压缩机中，
Figure 415859DEST_PATH_IMAGE001
是
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，其中r是径向方向）。图1中还示出在受压面的所选矩形部分上的流线，以及所述部分的边界层的n和s方向上的速度分量（s是在垂直于n的方向上在受压面上的距离）。
边界层的低动量层有可能在横向方向上流出自由流方向的平面，这种流动的速率受压力梯度
Figure 395317DEST_PATH_IMAGE001
控制。在图1中，此横向流动的强度由翼型部件的受压面上的箭头的相对大小指示。
Figure 175054DEST_PATH_IMAGE001
的强度可以受翼型部件的翼型区段的叠加控制。更大的倾斜或扫动会增大
Figure 570263DEST_PATH_IMAGE001
并且驱动更多的横向边界层流动。
因此，ASME论文GT2015-43322解释说，增大的
Figure 384635DEST_PATH_IMAGE001
会减小翼型部件的拐角流区域的流线曲率。通过防止或延迟开角分离的开始，这种减小又减少损失并提高稳定性。此效应在图2中示出，图2示出了邻近于(a)具有6°倾斜的翼型部件和(b)具有34°倾斜的翼型部件的受压面上的端壁的计算流体动力学（CFD）流线。
然而，增大的
Figure 518682DEST_PATH_IMAGE001
还增加跨中区域的流线收缩。这种收缩降低叶片边界层，增加型面损失，并触发后边缘分离的开始。此效应在图3中示出，图3示出了(a)具有6°倾斜的翼型部件和(b)具有34°倾斜的翼型部件的受压面上跨中区域处的CFD流线。
图4示出了常规的“圆形”、“抛物线”和“末端叠加”的倾斜或扫动叠加轴型面。此类叠加轴型面驱动边界层朝向跨中区域的横向流动，如由图4的型面上叠置的箭头示意性地示出。具体来说，当应用抛物线或圆形型面时，朝向整个跨度上的中间驱动此流动。横向流动的幅度与叠加型面的梯度成正比。
因此，有可能将拐角流的性能与跨中区域的性能交换，而末端叠加尤其能实现这两个流动区域的一些分离。然而，最初存在于跨中区域的流动问题无法通过常规叠加来改进。
在第一方面，本发明提供一种用于燃气涡轮发动机的压缩机的翼型部件，在使用中，所述翼型部件在限定压缩机的气体环形区的径向内端壁与径向外端壁之间延伸；
其中所述翼型部件具有前边缘、后边缘、受压面和抽吸表面，由此横向于径向方向贯穿所述翼型部件的连续横截面提供相应翼型区段，并且其中所述翼型部件的外部形状由翼型区段在通过每个翼型区段公共的参考点的叠加轴上的叠加限定；
其中所述翼型部件具有由叠加轴投影到垂直于发动机轴的平面上从而以与周向方向5°到25°的角度与端壁中的第一端壁相交而产生的倾斜，因此受压面面向第一端壁；并且
其中随着沿叠加轴与第一端壁的距离增大，叠加轴经历转折点，因此受压面具有邻近于第一端壁的凸面形状。
为免生疑问，用“转折点”表示数量上的局部最大值或最小值。因此，在转折点处，数量的梯度为零。从转折点处的位置开始，数量在两个方向上增加（对于局部最小值）或在两个方向上减少（对于局部最大值）。
通过以此方式形成翼型部件，可以改进流动的跨中区域和端壁区域的分离。还可能更好地利用端壁区域使拐角分离稳定，以在部件的表面重新分布低动量的横向流动。例如，有可能调整跨度上的每个位置处的横向流动数量。
如果叠加轴被限制在垂直于发动机轴的单个平面，那么叠加轴投影到所述垂直平面就简单地是叠加轴的轨迹。然而，一般来说，叠加轴可能不会被限制在垂直于发动机轴的单个平面，因此叠加轴产生扫动以及倾斜。
在第二方面，本发明提供一种具有一排周向的根据前述权利要求中任一权利要求所述的翼型部件的燃气涡轮发动机的压缩机，所述翼型部件在限定所述压缩机的气体环形区的径向内端壁与径向外端壁之间延伸。
在第三方面，本发明提供一种具有第二方面的压缩机的燃气涡轮发动机。
现将阐述本公开的任选的特征。这些特征可单独应用，或者与本公开的任何方面结合应用。
翼型部件可以是转子叶片或定子轮叶。
公共参考点可以是例如每个翼型区段的前边缘、后边缘或质心。
叠加轴的投影可以按与周向方向10°到20°的角度与第一端壁相交。
转折点可以在距第一端壁超过0.05R的径向距离处，并且优选地超过0.1R，其中R是端壁之间的径向距离。
转折点可以在距第一端壁小于0.3R的径向距离处，并且优选地小于0.2R，其中R是端壁之间的径向距离。
翼型部件可以具有由叠加轴的投影从而以与周向方向5°到25°的角度与端壁中的第二端壁相交而产生的进一步倾斜，因此受压面面向第二端壁。随着沿叠加轴与第二端壁的距离增大，叠加轴接着可经历又一转折点，因此受压面具有邻近于第二端壁的凸面形状。当翼型部件具有第一和又一（即第二）转折点时，这在叠加轴中产生在第一转折点与第二转折点之间的第三转折点，所述第三转折点与第一和第二转折点截然相反。叠加轴的投影可以按与周向方向10°到20°的角度与第二端壁相交。又一转折点可以在距第二端壁超过0.05R的径向距离处，并且优选地超过0.1R，其中R是端壁之间的径向距离。又一转折点可以在距第二端壁小于0.3R的径向距离处，并且优选地小于0.2R，其中R是端壁之间的径向距离。
现将参考附图通过实例描述本公开的实施例，其中：
图1示意性地示出了从燃气涡轮发动机压缩机的翼型部件的受压面侧面看的视图；
图2示出了邻近于(a)具有6°倾斜的翼型部件和(b)具有34°倾斜的翼型部件的受压面上的端壁的CFD流线；
图3示出了(a)具有6°倾斜的翼型部件和(b)具有34°倾斜的翼型部件的受压面上跨中区域处的CFD流线；
图4示出了常规的“圆形”、“抛物线”和“末端叠加”的倾斜或扫动叠加轴；
图5示出了贯穿函道式风扇燃气涡轮发动机的纵向横截面图；
图6示出了“屈折”的叠加轴型面；
图7示出了(a)具有抛物线叠加型面的遮蔽定子轮叶的抽吸表面在顶部从前边缘看的视图和在底部从后边缘看的视图，以及(b)具有屈折叠加型面的改良版定子轮叶的抽吸表面在顶部从前边缘看的视图和在底部从后边缘看的视图；
图8示出了对于(a)图7的抛物线轮叶和(b)图7的屈折轮叶在发动机设计点处的抽吸表面流线；
图9示出了对于(a)图7的抛物线轮叶和(b)图7的屈折轮叶在发动机的接近失速操作状态下的抽吸表面流线；以及
图10示出了对于具有常规抛物线叠加型面的定子轮叶和具有屈折叠加型面的定子轮叶这两种遮蔽定子轮叶的损失系数的径向分布。
参考图5，函道式风扇燃气涡轮发动机概括地以10指示并且具有主要的旋转轴X-X。按轴向流顺序排列，所述发动机包括进气口11、推进风扇12、中压压缩机13、高压压缩机14、燃烧设备15、高压涡轮机16、中压涡轮机17、低压涡轮机18以及核心发动机排气喷嘴19。短舱21总体包围发动机10并且限定进气口11、旁路管道22和旁路排气喷嘴23。
在操作期间，进入进气口11的空气通过风扇12加速以产生两个空气流：第一空气流A进入中压压缩机13，第二空气流B通过旁路管道22以提供推力。中压压缩机13压缩导入到其中的空气流A，之后再将所述空气递送到高压压缩机14，在所述高压压缩机处进行进一步压缩。
将从高压压缩机14排放的压缩空气导入到燃烧设备15中，在所述燃烧设备处混合所述压缩空气与燃料并且燃烧混合物。所得的热燃烧产品接着膨胀通过并且由此驱动高压涡轮机16、中压涡轮机17和低压涡轮机18，之后通过喷嘴19排放以提供额外的推力。高压涡轮机、中压涡轮机和低压涡轮机分别通过合适的互连轴驱动高压压缩机14、中压压缩机13和风扇12。
本公开可以应用于的其它燃气涡轮发动机可以具有替代配置。借助于实例，此类发动机可以具有替代数量的互连轴（例如两个）和/或替代数量的压缩机和/或涡轮机。此外，发动机可以包括在传动系统中设置的从涡轮机到压缩机和/或风扇的齿轮箱。
中压压缩机13和高压压缩机14提供一系列压缩机级，每个压缩机级由一排周向转子叶片和相邻的一排周向定子轮叶组成。这些叶片和轮叶是可以受益于“屈折”叠加轴型面的翼型部件，即其中任何指定排的每个叶片或轮叶具有叠加轴，所述叠加轴投影到垂直于发动机轴的平面上从而以与周向方向5°到25°（优选地10°到20°）的角度与压缩机的径向内端壁和径向外端壁中的至少一个相交，因此其受压面面向所述端壁，并且随着沿叠加轴与所述端壁的距离增大，叠加轴的投影经历转折点，因此其受压面具有邻近于所述壁的凸面形状。图6示出了这种类型的屈折叠加轴型面，其中在两个端壁处存在转折点和凸面形状，所述型面是叠加轴投影到垂直于发动机轴的平面上。叠置在型面上的箭头示出型面所驱动的边界层横向流动的方向。
借助于屈折叠加轴型面，有可能调整跨度上的每个位置处的横向流动数量。在图6的型面中，适于遮蔽定子轮叶的设计，朝向约15%和85%跨度处的位置驱动流动。
使用屈折叠加型面至少有三个优势：
1. 接近端壁处，以较高速率朝向跨中区域驱动流动。这减小了流线曲率并且改进了拐角流动。
2. 在跨中区域处，朝向端壁向外驱动流动。这消除了拐角分离的阻滞，形成零流线收缩，这是叶片边界层流动的最佳状态。
3. 接近轮叶表面的低动量顺流方向流动集中在描述拐角分离的两条分离线或“剥离线”（见图8(b)）处。这里通过轮叶边界层的这两部分的碰撞将轮叶拉到自由流中。这能稳定高倾角的轮叶的操作。
屈折叠加轴型面可以在转子叶片和/或定子轮叶上使用。另外或替代地，其可以在遮蔽或非遮蔽配置中使用。其不需要对称，而是可以在仅一端处应用于翼型部件，所述一端可以是具有叶尖间隙的一端或者固定端。
当屈折叠加轴型面在两端处具有转折点时，这产生在跨中区域处截然相反的第三转折点。如图6所示，跨中偏移可以到连接叠加轴型面与端壁的相交点的线（图6中的虚线）的另一侧。替代地，跨中偏移可以到这条线的同一侧。换句话说，取决于第三转折点的最大值或最小值的幅度，跨中区段的位移在周向方向上可以为正或负。
图7示出了(a)具有抛物线叠加型面的遮蔽定子轮叶的抽吸表面在顶部从前边缘看的视图和在底部从后边缘看的视图，以及(b)具有屈折叠加型面的改良版定子轮叶的抽吸表面在顶部从前边缘看的视图和在底部从后边缘看的视图。
图8示出了对于(a)图7的抛物线轮叶和(b)图7的屈折轮叶在发动机设计点处的抽吸表面流线。屈折型面减少了拐角和抽吸表面损失。图9示出了对于(a)图7的抛物线轮叶和(b)图7的屈折轮叶在发动机的接近失速操作状态下的抽吸表面流线。屈折型面提高了拐角和抽吸表面的稳定性。
图10示出了对于具有常规抛物线叠加型面的定子轮叶和具有屈折叠加型面的定子轮叶这两种遮蔽定子轮叶的损失系数的径向分布。根据遮蔽定子轮叶的出口处的停滞压力的混合值计算出损失系数。可见屈折型面保持与抛物线叠加型面相同的端壁损失值，但是能够明显减小跨中型面损失。通过将流线收缩减少到零来实现这一益处。
虽然本发明已结合上文所述的示例性实施例加以描述，但是当给出本公开时，所属领域的技术人员将清楚许多等效修改和变化形式。因此，上文阐述的本发明示例性实施例被认为是说明性的而不是非限制性的。可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对所述实施例作出各种改变。
上文引用的所有参考以引用的方式并入本文中。

Claims (9)

1.一种燃气涡轮发动机（10）的压缩机（13、14），具有一排周向的翼型部件，在使用中，每个翼型部件在限定所述压缩机的气体环形区的径向内端壁与径向外端壁之间延伸；
其中，所述翼型部件具有前边缘、后边缘、受压表面和抽吸表面，由此横向于径向方向贯穿所述翼型部件的连续横截面提供相应翼型区段，并且其中，所述翼型部件的外部形状由所述翼型区段在通过每个翼型区段公共的参考点的叠加轴上的叠加限定；
其中，所述翼型部件具有由所述叠加轴投影到垂直于发动机轴的平面上从而以与周向方向5°到25°的角度与第一端壁相交而产生的倾斜，因此所述受压表面面向所述第一端壁，所述第一端壁是限定所述气体环形区的径向内端壁和径向外端壁中的一个；并且
其中，随着沿所述叠加轴与所述第一端壁的距离增大，所述叠加轴经历转折点，因此所述受压表面具有邻近于所述第一端壁的凸面形状。
2.根据权利要求1所述的压缩机，其中，所述叠加轴的所述投影以与所述周向方向10°到20°的角度与所述第一端壁相交。
3.根据权利要求1所述的压缩机，其中，所述转折点在距所述第一端壁超过0.05R的径向距离处，其中R是所述端壁之间的径向距离。
4.根据权利要求1所述的压缩机，其中，所述转折点在距所述第一端壁小于0.3R的径向距离处，其中R是所述端壁之间的所述径向距离。
5.根据权利要求1所述的压缩机，其中，所述翼型部件具有由所述叠加轴的所述投影从而以与所述周向方向5°到25°的角度与第二端壁相交而产生的进一步倾斜，因此所述受压表面面向所述第二端壁，所述第二端壁是限定所述气体环形区的径向内端壁和径向外端壁中的另一个；并且
其中，随着沿所述叠加轴与所述第二端壁的距离增大，所述叠加轴经历又一转折点，因此所述受压表面具有邻近于所述第二端壁的凸面形状。
6.根据权利要求5所述的压缩机，其中，所述叠加轴的所述投影以与所述周向方向10°到20°的角度与所述第二端壁相交。
7.根据权利要求5所述的压缩机，其中，所述又一转折点在距所述第二端壁超过0.05R的径向距离处，其中R是所述端壁之间的径向距离。
8.根据权利要求5所述的压缩机，其中，所述又一转折点在距所述第二端壁小于0.3R的径向距离处，其中R是所述端壁之间的所述径向距离。
9.一种燃气涡轮发动机，具有根据前述权利要求中任一项所述的压缩机。
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