CN110382824B - 具有经改进的抗颤振性的带缓冲器的叶片 - Google Patents

具有经改进的抗颤振性的带缓冲器的叶片 Download PDF

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CN110382824B CN201880018114.5A CN201880018114A CN110382824B CN 110382824 B CN110382824 B CN 110382824B CN 201880018114 A CN201880018114 A CN 201880018114A CN 110382824 B CN110382824 B CN 110382824B
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Abstract

一种用于涡轮机的带叶片的转子系统(10)包括安装在转子盘(12)上的一行叶片(14)。每一叶片(14)包括带有中跨缓冲器(30)的翼型件(16)。所述行叶片(14)包括第一组(H)和第二组(L)叶片(14)。所述第二组(L)叶片(14)与所述第一组(H)叶片(14)的区别在于所述缓冲器(30)的几何形状，所述几何形状是相应组(H、L)独有的。特别地，所述第二组(L)的所述缓冲器(30)在与所述第一组(H)的所述缓冲器(30)不同的展向高度处附接到相应翼型件(16)。从而，所述第二组(L)中的叶片(14)的固有频率与所述第一组(H)中的叶片(14)的固有频率相差预先确定的量。所述第一组(H)和所述第二组(L)的叶片(14)交替地定位在所述行叶片(14)中，以提供频率失谐来稳定所述叶片(14)的颤振。

Description

具有经改进的抗颤振性的带缓冲器的叶片
技术领域
本发明涉及涡轮机中的旋转叶片，并且特别地，涉及针对经改进的抗颤振性具有交替频率失谐（frequency mistuning）的一行带缓冲器的叶片。
背景技术
涡轮机（例如燃气涡轮发动机）沿着燃气涡轮发动机的涡轮机区段中的热气体路径包括流动引导元件的多个级。每一涡轮机级包括沿着涡轮机区段的轴向方向布置的一行周向静止导叶和一行周向旋转叶片。每一行叶片可以安装在相应的转子盘上，其中所述叶片从转子盘径向向外延伸到热气体路径中。叶片包括翼型件，所述翼型件沿着径向方向从翼型件的根部部分展向延伸到尖端。
每一级处的典型涡轮机叶片被设计成在空气动力学和机械上相同。这些相同的叶片共同组装到转子盘中以形成带叶片的转子系统。在发动机操作期间，所述带叶片的转子系统按系统模式振动。此振动在大型叶片中（例如在低压涡轮机级中）可能更严重。所述模式中阻尼的重要来源是来自当叶片振动时作用在叶片上的气动力。在某些情况下，某些模式中的气动阻尼可能变成负的，这可能导致叶片颤振。当此情况发生时，系统的振动响应往往呈指数增长，直到叶片达到极限循环或断裂。即使叶片实现极限循环，其振幅也仍可足够大到致使叶片因高循环疲劳而失效。
为了提高叶片的固有频率并降低叶片颤振的趋势，叶片可以设置有尖端-护罩或缓冲器。缓冲器和尖端-护罩之间的差别在于尖端-护罩安置在翼型件的尖端上方，而缓冲器通常远离尖端安置，通常附接在翼型件的中跨（mid-span）处。图1示出带有尖端-护罩90的涡轮机叶片，而图2-3示出带有中跨护罩或缓冲器30的涡轮机叶片。尖端-护罩和缓冲器两者的工作原理相同：翼型件通常通过预扭转安装在转子盘上。在发动机操作期间，翼型件往往因离心力而解开。附接到翼型件的尖端-护罩或缓冲器因叶片的旋转而与相邻尖端-护罩或缓冲器接触以在叶片达到特定旋转速度时形成环。所述环提供致使叶片的频率提高的约束，这降低叶片颤振的趋势。
然而，仍然存在改进空间以更好地解决叶片振动的问题。
发明内容
简言之，本发明的方面涉及带缓冲器的叶片，其针对经改进的抗颤振性具有交替频率失谐。
根据本发明的第一方面，提供一种用于涡轮机的带叶片的转子系统。所述带叶片的转子系统包括安装在转子盘上的一行周向叶片。每一叶片包括：翼型件，其沿着径向方向从根部部分展向延伸到翼型件尖端；以及周向延伸的缓冲器，其在所述翼型件的中跨区域处附接到翼型件。在操作中，相邻叶片的缓冲器周向邻接。所述行叶片包括第一组叶片和第二组叶片。第二组的叶片与第一组的叶片的区别在于缓冲器的几何形状，所述几何形状是相应组独有的，其中：第二组的缓冲器在与第一组的缓冲器不同的展向高度处附接到相应翼型件。从而，第二组中的叶片的固有频率与第一组中的叶片的固有频率相差预先确定的量。第一组和第二组的叶片交替地定位在所述行叶片中，以提供频率失谐来稳定叶片的颤振。
根据本发明的第二方面，针对涡轮机中的一行叶片提供一种叶片。所述叶片包括：翼型件，其沿着径向方向从根部部分展向延伸到翼型件尖端；以及周向延伸的缓冲器，其在所述翼型件的中跨区域处附接到翼型件。叶片被设计成与所述行中的第一组叶片或第二组叶片相同。第二组的叶片与第一组的叶片的区别在于缓冲器的几何形状，所述几何形状是相应组独有的，其中：第二组的缓冲器在与第一组的缓冲器不同的展向高度处附接到相应翼型件。从而，第二组中的叶片的固有频率与第一组中的叶片的固有频率相差预先确定的量。第一组和第二组的叶片交替地定位在所述行叶片中，以提供频率失谐来稳定叶片的颤振。
附图说明
借助于附图更详细地示出本发明。附图示出优选构造，并且并不限制本发明的范围。
图1示出带有尖端-护罩的一行旋转叶片；
图2示出带有缓冲器的一行旋转叶片；
图3是单独的叶片的透视图，其中缓冲器附接到叶片翼型件的中跨；
图4是根据本发明的示例性实施例的具有交替失谐缓冲器的带叶片的转子系统的轴向端部视图的示意性图示；
图5是根据本发明的另一示例性实施例的具有交替失谐缓冲器的带叶片的转子系统的轴向端部视图的示意性图示；并且
图6以图形方式示出一行涡轮机叶片中的交替失谐。
具体实施方式
在优选实施例的以下具体实施方式中，参考形成其一部分的附图，并且以图示且非限制性方式示出其中可以实践本发明的具体实施例。应理解，可以利用其它实施例，并且可以在不背离本发明的精神和范围的情况下作出改变。
在附图中，方向A表示平行于涡轮发动机的轴线的轴向方向，而方向R和C分别表示相对于涡轮发动机的所述轴线的径向方向和周向方向。
本发明的所示出的实施例涉及燃气涡轮发动机的涡轮机区段中的带缓冲器的涡轮机叶片。然而，本文中的实施例仅是示例性的。或者，例如且不限于，本发明的方面可以在航空燃气涡轮发动机的压缩机区段的入口处并入风扇叶片中。
已经发现，交替频率失谐可能导致系统模式失真，使得所产生的新的失谐系统模式是稳定的，即，其全部具有正气动阻尼。因此，期望能够设计具有一定量的预先确定的交替失谐的叶片。可以通过使所述叶片行中的叶片沿周向方向按周期性方式在高频率和低频率之间交替而在所述叶片中实现交替失谐。到目前为止，已经通过修改叶片行中的交替叶片中的翼型件的质量和/或几何形状来实现叶片的交替失谐。
本发明的实施例基于以下原理：针对叶片行中的一组叶片修改缓冲器的几何形状，使得所述组叶片失谐，相对于所述叶片行中的其余叶片具有不同频率。修改缓冲器几何形状可能涉及修改缓冲器的径向（展向）位置。根据图4-5中描绘的所示出的实施例，安装在转子盘12上的一行周向叶片14可以包括第一组H叶片14和第二组L叶片14。第一组H和第二组L叶片14中的翼型件16围绕旋转轴线22可以具有基本上相同的横截面几何形状。即，翼型件的横截面形状以及翼型件弦与旋转轴线22的角度跨越第一组H和第二组L叶片14可以基本上是恒定的。此外，在所示出的实施例的上下文中，可以假定，所述叶片行的每一叶片14具有基本上相同的枞树附件（叶片根部）用于将叶片14安装在转子盘12上。第二组L的叶片14与第一组H的叶片14的区别在于缓冲器30的几何形状，所述几何形状是相应组H或L独有的。特别地，第二组L的缓冲器30在与第一组H的缓冲器30不同的展向或径向高度处附接到相应的翼型件16，这可以改变翼型件16从缓冲器附接点34到翼型件尖端20的自由长度。从而，所述第二组L中的叶片14的固有频率与所述第一组H中的叶片14的固有频率相差预先确定的量。在所示出的示例中，第二组L中的叶片14失谐，具有比第一组H的叶片14更低的频率。第一组H和第二组L的叶片14可以交替布置在所述叶片行中，以提供频率失谐来稳定叶片14的颤振。
在本说明书的上下文中，缓冲器被理解成附接在叶片翼型件的中跨区域处的护罩。中跨区域可以理解成位于翼型件的根部和尖端之间的任何区域。在示例性实施例中，从根部测量，中跨缓冲器可以位于翼型件的跨度的40-70%之间。
现在参考图4，根据本发明的一个实施例示出带叶片的转子系统10的一部分。带叶片的转子系统10包括安装在转子盘12上的一行周向叶片14。每一叶片14包括翼型件16，其沿着径向方向从根部部分18展向延伸到翼型件尖端20。如本领域技术人员所已知的，翼型件16可以包括大致凹的压力侧2和大致凸的吸力侧4，其在前缘6和后缘（未示出）处连结。翼型件16的径向内端在平台24处联接到根部18。在所示出的实施例中，根部18具有枞树形状，其装配到转子盘12中的相应成形的槽26中。为了提高叶片固有频率并降低颤振的趋势，叶片14可以设置有周向延伸的缓冲器30，其在翼型件16的中跨区域处附接到翼型件16。叶片行中的相邻叶片14的平台24彼此邻接以针对热气体形成内部流动路径边界，并且翼型件16跨越所述流动路径径向向外延伸。
每一缓冲器30包括从相应翼型件16的压力侧2延伸到压力侧缓冲器边缘42的压力侧缓冲器部分30a，以及从相应翼型件16的吸力侧4延伸到吸力侧缓冲器边缘44的吸力侧缓冲器部分30b。每一叶片翼型件16可以围绕其展向轴线扭转。在发动机操作期间，叶片14围绕旋转轴线22旋转，由此，离心力和气动力解开叶片行中的每一叶片翼型件16，使得每一缓冲器30的压力侧缓冲器边缘42邻接邻近的缓冲器30的吸力侧缓冲器边缘44，以形成环。邻近的缓冲器30之间的邻接接触帮助限制叶片的解开并且在操作期间建立叶片的精确取向。所述缓冲器环提供致使叶片的频率提高的约束，这降低叶片颤振的趋势。
根据所示出的实施例，可以针对所述叶片行中的一组L叶片修改缓冲器30的几何形状，使得所述组叶片L相对于所述叶片行中的其余叶片H失谐。在此实施例中，这通过相对于第一组H中的叶片14针对第二组L中的叶片14将翼型件16和缓冲器30的附接点34的位置移动到径向较低高度来实现。如图所示，第一组H的每一叶片14在任一侧上相邻于第二组L的邻近叶片14。相邻叶片14之间的附接点34的位置的偏移被描绘为∆r。因此，第二组L中的翼型件16的自由长度re2大于第一组H中的翼型件16的自由长度re1。翼型件16的自由长度可以被限定为翼型件尖端20和翼型件16与相关联的缓冲器30的附接点34之间的径向距离。由于相邻翼型件16的自由长度的差，第二组L中的叶片14具有比第一组H中的叶片14稍低的频率。从根部到翼型件尖端的总径向高度r对于每一翼型件16跨越第一和第二组叶片通常是恒定的。
在优选实施例中，所述行叶片的相邻叶片14的缓冲器30交会在恒定径向高度rr处。这可以通过相对于径向方向以交替取向设计相邻的缓冲器30来实现。在所示出的实施例中，第二组L中的缓冲器30的压力侧缓冲器部分30a和吸力侧缓冲器部分30b与第一组H中的缓冲器30的压力侧缓冲器部分30a和吸力侧缓冲器部分30b不同地取向。特别地，第一组H中的每一缓冲器30的压力侧缓冲器部分30a和吸力侧缓冲器部分30b从附接点34朝向相应缓冲器边缘42、44径向向内延伸。对应地，第二组L中的每一缓冲器30的压力侧缓冲器部分30a和吸力侧缓冲器部分30b从附接点34朝向相应缓冲器边缘42、44径向向外延伸。
在图4中示出的实施例中，压力侧和吸力侧缓冲器部分30a、30b笔直地取向，径向向内或向外指向。即，第一组H中的每一缓冲器30的压力侧缓冲器部分30a和吸力侧缓冲器部分30b沿着线性轮廓从附接点34径向向内延伸。对应地，第二组L中的每一缓冲器30的压力侧缓冲器部分30a和吸力侧缓冲器部分30b沿着线性轮廓从附接点34径向向外延伸。然而，以上构造是示例性的，并且可以考虑其它缓冲器几何形状。例如，在图5中所示的替代性实施例中，缓冲器30可以具有径向向外或径向向内延伸的弯曲轮廓。如在此示例中所示，第一组H中的每一缓冲器30的压力侧缓冲器部分30a和吸力侧缓冲器部分30b从附接点34径向向内弯曲。对应地，第二组L中的每一缓冲器30的压力侧缓冲器部分30a和吸力侧缓冲器部分30b从附接点34径向向外弯曲。在所示出的实施例中的每一者中，第一组H和第二组L中的缓冲器30可以具有相同的平均径向厚度。
作为示例，为有效稳定颤振，可以修改缓冲器几何形状以实现高于制造公差的约1.5 - 2 %的失谐。图6以图形方式示出一行40个涡轮机叶片中的交替失谐。在本文中，奇数叶片具有250Hz的频率，而偶数叶片具有255 Hz的频率。在此示例中，叶片频率的差为5 Hz。因此，偶数叶片的频率比奇数叶片的频率多2%，即，失谐量为2%。
如上文示出，翼型件围绕旋转轴线的横截面几何形状对于高频率叶片H和低频率叶片L两者来说基本上是相同的。这使得更容易将翼型件设计成具有最佳空气动力学效率，因为必须考虑均匀翼型件几何形状。此外，所示出的实施例使得可以针对具有中空翼型件（例如，包含内部冷却通道）的叶片采用交替失谐。中空翼型件的设计比实心翼型件的设计更受限制。失谐缓冲器的使用提供如下可能性：针对此类中空叶片实现交替失谐，而不危害空气动力学效率。
虽然已经详细描述了具体实施例，但是本领域普通技术人员将了解，可以根据本公开的总体教示开发对那些细节的各种修改和替代方案。因此，所公开的特定布置旨在仅是说明性的并且并不限制本发明的范围，本发明的范围将由所附权利要求的全部广度及其任何和所有等效内容给出。

Claims (14)

1.一种用于涡轮机的带叶片的转子系统(10)，其包括：
安装在转子盘(12)上的一行周向叶片(14)，每一叶片(14)包括：
翼型件(16)，其沿着径向方向从根部部分(18)展向延伸到翼型件尖端(20)；以及
周向延伸的缓冲器(30)，其在所述翼型件(16)的中跨区域处附接到所述翼型件(16)，
其中，在操作中，相邻叶片(14)的缓冲器(30)周向邻接，
其中，所述行周向叶片(14)包括第一组(H)叶片(14)和第二组(L)叶片(14)，其中，所述第二组(L)叶片(14)与所述第一组(H)叶片(14)的区别在于所述缓冲器(30)的几何形状，所述几何形状是相应组(H、L)独有的，其中：
所述第二组(L)的所述缓冲器(30)在与所述第一组(H)的所述缓冲器(30)不同的展向高度处附接到相应的翼型件(16)，由此，所述第二组(L)中的叶片(14)的固有频率与所述第一组(H)中的叶片(14)的固有频率相差预先确定的量，
其中，所述第一组(H)和所述第二组(L)的叶片(14)交替地定位在所述行周向叶片(14)中，以便提供频率失谐来稳定所述叶片(14)的颤振，
其中，所述第二组(L)中的所述翼型件(16)的自由长度(re2)大于所述第一组(H)中的所述翼型件(16)的自由长度(re1)，
翼型件(16)的自由长度(re1, re2)被限定为所述翼型件尖端(20)和所述翼型件(16)与相关联的缓冲器(30)的附接点(34)之间的径向距离。
2.根据权利要求1所述的带叶片的转子系统(10)，其中，所述第一组(H)和第二组(L)中的所述翼型件(16)围绕旋转轴线(22)具有大致相同的横截面几何形状。
3.根据权利要求1所述的带叶片的转子系统(10)，其中，每一缓冲器(30)包括从相应翼型件(16)的压力侧(2)延伸的压力侧缓冲器部分(30a)和从相应翼型件(16)的吸力侧(4)延伸的吸力侧缓冲器部分(30b)，
其中，所述第二组(L)中的所述缓冲器(30)的所述压力侧缓冲器部分(30a)和所述吸力侧缓冲器部分(30b)与所述第一组(H)中的所述缓冲器(30)的所述压力侧缓冲器部分(30a)和所述吸力侧缓冲器部分(30b)不同地取向，使得所述行周向叶片的相邻叶片(14)的缓冲器(30)交会在恒定径向高度(rr)处。
4.根据权利要求3所述的带叶片的转子系统(10)，其中
所述第一组(H)中的每一缓冲器(30)的所述压力侧缓冲器部分(30a)和所述吸力侧缓冲器部分(30b)从所述附接点(34)径向向内延伸，并且
所述第二组(L)中的每一缓冲器(30)的所述压力侧缓冲器部分(30a)和所述吸力侧缓冲器部分(30b)从所述附接点(34)径向向外延伸。
5.根据权利要求4所述的带叶片的转子系统(10)，其中，所述第一组(H)和第二组(L)中的每一者中的每一缓冲器(30)的所述压力侧缓冲器部分(30a)和所述吸力侧缓冲器部分(30b)沿着线性轮廓从所述附接点(34)径向向内或向外延伸。
6.根据权利要求4所述的带叶片的转子系统(10)，其中
所述第一组(H)中的每一缓冲器(30)的所述压力侧缓冲器部分(30a)和所述吸力侧缓冲器部分(30b)从所述附接点(34)径向向内弯曲，并且
所述第二组(L)中的每一缓冲器(30)的所述压力侧缓冲器部分(30a)和所述吸力侧缓冲器部分(30b)从所述附接点(34)径向向外弯曲。
7.根据权利要求1所述的带叶片的转子系统(10)，其中，所述第一组(H)和所述第二组(L)中的所述缓冲器(30)具有相同的平均径向厚度。
8.一种用于涡轮机中的一行叶片的叶片(14)，所述叶片(14)包括：
翼型件(16)，其沿着径向方向从根部部分(18)展向延伸到翼型件尖端(20)；以及
周向延伸的缓冲器(30)，其在所述翼型件的中跨区域处附接到所述翼型件(16)，
其中，所述叶片(14)被设计成与所述行中的第一组(H)叶片(14)或第二组(L)叶片(14)相同，
其中，所述第二组(L)叶片(14)与所述第一组(H)叶片(14)的区别在于所述缓冲器(30)的几何形状，所述几何形状是相应组(H、L)独有的，其中：
所述第二组(L)的所述缓冲器(30)在与所述第一组(H)的所述缓冲器(30)不同的展向高度处附接到相应翼型件(16)，由此，所述第二组(L)中的叶片(14)的固有频率与所述第一组(H)中的叶片(14)的固有频率相差预先确定的量，
其中，所述第一组(H)和所述第二组(L)的叶片(14)交替地定位在所述行叶片(14)中，以便提供频率失谐来稳定所述叶片(14)的颤振，
其中，所述第二组(L)中的所述翼型件(16)的自由长度(re2)大于所述第一组(H)中的所述翼型件(16)的自由长度(re1)，
翼型件(16)的自由长度(re1, re2)被限定为所述翼型件尖端(20)和所述翼型件(16)与相关联的缓冲器(30)的附接点(34)之间的径向距离。
9.根据权利要求8所述的叶片(14)，其中，所述缓冲器(30)包括从所述翼型件(16)的压力侧(2)延伸的压力侧缓冲器部分(30a)和从所述翼型件(16)的吸力侧(4)延伸的吸力侧缓冲器部分(30b)，并且
其中，所述缓冲器的所述压力侧缓冲器部分(30a)和所述吸力侧缓冲器部分(30b)从所述翼型件(16)到所述缓冲器(30)的附接点(34)径向向外延伸。
10.根据权利要求9所述的叶片(14)，其中，所述缓冲器(30)的所述压力侧缓冲器部分(30a)和所述吸力侧缓冲器部分(30b)沿着笔直的轮廓从所述附接点(34)径向向外延伸。
11.根据权利要求9所述的叶片(14)，其中，所述缓冲器(30)的所述压力侧缓冲器部分(30a)和所述吸力侧缓冲器部分(30b)从所述附接点(34)向外弯曲。
12.根据权利要求8所述的叶片(14)，其中，所述缓冲器(30)包括从所述翼型件(16)的压力侧(2)延伸的压力侧缓冲器部分(30a)和从所述翼型件(16)的吸力侧(4)延伸的吸力侧缓冲器部分(30b)，并且
其中，所述缓冲器(30)的所述压力侧缓冲器部分(30a)和所述吸力侧缓冲器部分(30b)从所述翼型件(16)到所述缓冲器(30)的附接点(34)径向向内延伸。
13.根据权利要求12所述的叶片(14)，其中，所述缓冲器(30)的所述压力侧缓冲器部分(30a)和所述吸力侧缓冲器部分(30b)沿着笔直的轮廓从所述附接点(34)径向向内延伸。
14.根据权利要求12所述的叶片(14)，其中，所述缓冲器(30)的所述压力侧缓冲器部分(30a)和所述吸力侧缓冲器部分(30b)从所述附接点(34)向内弯曲。
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