CN110612382A - 具有经改进的抗颤振性的带护罩的叶片 - Google Patents

Abstract

一种带叶片的转子系统(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)和在所述翼型件(16)的展向高度处附接到所述翼型件(16)的护罩(30)。所述行叶片(14)包括第一组(H)叶片(14)和第二组(L)叶片(14)。所述第一组(H)和第二组(L)叶片(14)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。所述第二组(L)叶片(14)与所述第一组(H)叶片(14)的区别在于所述护罩(30)的几何形状，所述几何形状是相应组(H、L)独有的，由此，所述第一组(H)和第二组(L)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)叶片(14)在所述周向行中按周期性方式交替，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护罩的叶片

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）的一行带护罩的叶片。

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30a的涡轮机叶片，而图2-3示出带有中跨护罩或缓冲器30b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，这降低了叶片颤振的趋势。

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护罩的叶片，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；以及护罩，其在翼型件的展向高度处附接到翼型件。在操作中，相邻叶片的护罩周向邻接。所述行叶片包括第一组叶片和第二组叶片。所述第一和第二组叶片中的翼型件围绕旋转轴线具有大致相同的横截面几何形状。第二组的叶片与第一组的叶片的区别在于护罩的几何形状，所述几何形状是相应组独有的，由此，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在所述周向行中按周期性方式交替，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，提供一种用于涡轮机中的一行叶片的叶片。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；以及护罩，其在翼型件的展向高度处附接到翼型件。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。第一和第二组叶片中的翼型件围绕旋转轴线具有大致相同的横截面几何形状。第二组的叶片与第一组的叶片的区别在于护罩的几何形状，所述几何形状是相应组独有的，由此，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在所述周向行中按周期性方式交替，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是带有尖端-护罩的常规叶片的轴向端部视图的示意性图示；

图5是根据本发明的示例性实施例的带有较薄尖端-护罩的失谐叶片的轴向端部视图的示意性图示；

图6是根据本发明的示例性实施例的一行叶片的轴向端部视图的示意性图示，其描绘两个厚的带尖端-护罩叶片之间的薄的带尖端-护罩叶片；

图7是根据本发明的示例性实施例的具有交替失谐缓冲器的一行叶片的轴向端部视图的示意性图示，其特征在于带有薄缓冲器的叶片在带有厚缓冲器的叶片之间；

图8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护罩的涡轮机叶片。然而，本文中的实施例仅是示例性的。可替代地，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护罩的几何形状，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。根据图4-7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L组叶片14中的翼型件16围绕旋转轴线22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的弦与旋转轴线22的角度跨越第一组H和第二组L叶片14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的区别在于护罩30的几何形状，所述几何形状是相应组H或L独有的。从而，第二组L中的叶片14的固有频率与第一组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可以在所述周向行中按周期性方式交替（即，按每一组的一个或更多个叶片的交替群组），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，术语“护罩”可以是指附接在叶片翼型件的尖端处的尖端-护罩，或者是指附接在叶片翼型件的中跨区域处的缓冲器。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，涡轮机叶片14包括沿着径向方向展向延伸的翼型件16。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中的对应成形的槽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护罩30。在图4的实施例中，护罩30是在翼型件16的径向外端处附接到翼型件尖端20的尖端-护罩30a。翼型件16具有从根部到尖端测量的径向长度r，而尖端-护罩30a具有径向厚度t。多个叶片14安装在转子盘12的圆周周围以形成叶片行。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，使得每一尖端-护罩30a的压力侧接触边缘42a邻接所述行中的邻近叶片14的尖端-护罩30a的吸力侧接触边缘44a以形成连续护罩环。邻近的尖端-护罩30a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。护罩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，可以针对叶片行中的一组叶片修改尖端-护罩30a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。

图5示出根据本发明的第一实施例的叶片行的失谐叶片（即，属于具有较低频率的第二组L）。出于图示目的，假定，叶片行中的常规叶片（即，属于具有较高频率的第一组H）具有与图4中描绘的相同几何形状。如图所示，失谐叶片14具有较薄的尖端-护罩30a，具有径向厚度t - ∆t，其中t是第一组H的叶片的尖端-护罩30a的径向厚度（参见图4），并且∆t是第一组H和第二组L的尖端护罩30a之间的径向厚度的差。较薄的尖端-护罩30a降低失谐叶片14的固有频率。可以通过将失谐叶片的翼型件16的径向长度相应地增加到r+ ∆t来补偿尖端-护罩30a的径向厚度的差∆t，如图5中所示。从而，对于特定行叶片，叶片的总长度r+t对于所有叶片14可以是相同的。

图6示出根据本发明构思的变型的带叶片的转子系统10的一部分，其描绘薄的带尖端-护罩（失谐）叶片在两个厚的带尖端-护罩（常规）叶片之间。如图所示，第二组L中的尖端-护罩30a相对于第一组H中的尖端-护罩30a具有较小平均径向厚度。如图所示，尖端-护罩30a在与翼型件尖端的附接点32处的径向厚度针对第一组H中的叶片为t，而尖端-护罩30a在与翼型件尖端的附接点32处的径向厚度针对第二组L中的叶片为t - ∆t。如图所示，第二组L中的翼型件16相对于第一组H中的翼型件16（其具有径向长度r）具有从根部部分18到翼型件尖端20的对应较大径向长度(r + ∆t )。从而，翼型件16的径向长度和相关联的护罩30a在与翼型件尖端20的附接点32处的径向厚度的总和(r + t)跨越第一和第二组叶片是恒定的。在所示出的实施例中，第一组H的护罩30a远离与相应翼型件尖端20的附接点32具有渐缩的径向厚度，使得周向相邻的尖端-护罩30a沿着接触边缘42a、44a的相同径向厚度邻接。

根据本发明的替代实施例，可以针对叶片行中的一组叶片修改中跨护罩或缓冲器30b的几何形状，使得所述组叶片失谐，相对于所述行中的其余叶片具有不同频率。带缓冲器的叶片的频率可能受到缓冲器的平均径向厚度和/或缓冲器沿着翼型件的跨度的位置的影响。因此，可以修改缓冲器的厚度和/或展向位置以改变叶片的频率。

图7示出根据示例性实施例的具有交替失谐缓冲器30b的带叶片的转子系统10的一部分。所述附图特征在于带有薄缓冲器的失谐叶片在带有厚缓冲器的常规叶片之间。如图所示，失谐叶片（属于第二组L）中的缓冲器30b具有比第一组H中的叶片的缓冲器30b更小的平均径向厚度。如图所示，第一组H中的缓冲器30b和第二组L中的缓冲器30b距翼型件尖端20以不同距离附接到相应翼型件16。从而，第一组H中的翼型件16的自由长度r_e1小于第二组L中的翼型件16的自由长度r_e2。翼型件16的自由长度被限定为翼型件尖端20和相关联的缓冲器30b的最近附接点34之间的径向距离。由于翼型件的交替自由长度，第二组L中的叶片14的频率将低于第一组H中的叶片14的频率。在所示出的实施例中，第一组H的缓冲器30b远离与相应翼型件尖端20的附接点34具有渐缩的径向厚度，使得周向相邻的缓冲器30b沿着接触边缘42b、44b的相同径向厚度邻接。如图所示，每一翼型件16从根部部分18到翼型件尖端20的径向长度跨越第一和第二组叶片是恒定的。

作为示例，为有效稳定颤振，可以修改护罩几何形状以实现高于制造公差的约1.5- 2 %的失谐。图8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%。在替代示例中，替代奇数并且甚至高频率和低频率叶片，一个或更多个高频率和低频率叶片的群组可以在叶片行中沿着周向方向按周期性方式交替，例如按包括HHLLHH、HHLHH等的形式。

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。高频率叶片H中的翼型件和低频率叶片L中的那些翼型件之间的唯一差别是翼型件的径向长度，其对于低频率（失谐）叶片L来说略长。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。失谐尖端-护罩和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 (13)

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(18)部分展向延伸到翼型件尖端(20)；以及

护罩(30)，其在所述翼型件(16)的展向高度处附接到所述翼型件(16)，

其中，在操作中，相邻叶片(14)的护罩(30)周向邻接，

其中，所述行叶片(14)包括第一组(H)叶片(14)和第二组(L)叶片(14)，所述第一组(H)和第二组(L)叶片(14)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，

其中，所述第二组(L)叶片(14)与所述第一组(H)叶片(14)的区别在于所述护罩(30)的几何形状，所述几何形状是相应组(H、L)独有的，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，并且

其中，所述第一组(H)和所述第二组(L)叶片(14)在所述周向行中按周期性方式交替，以便提供频率失谐来稳定所述叶片(14)的颤振。

2.根据权利要求1所述的带叶片的转子系统(10)，其中，所述护罩(30)是附接到所述翼型件尖端(20)的尖端-护罩(30a)。

3.根据权利要求2所述的带叶片的转子系统(10)，其中，所述第二组(L)叶片(14)中的所述护罩(30a)相对于所述第一组(H)叶片(14)中的所述护罩(30a)具有较小的平均径向厚度。

4.根据权利要求3所述的带叶片的转子系统(10)，其中，所述第二组(L)叶片(14)中的所述翼型件(16)相对于所述第一组(H)叶片(14)中的所述翼型件(16)具有从所述根部部分(18)到所述翼型件尖端(20)的对应的较大径向长度，使得翼型件(16)的径向长度和相关联的护罩(30a)在与所述翼型件尖端(20)的附接点(32)处的径向厚度的总和跨越所述第一组(H)和第二组(L)叶片(14)是恒定的。

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)叶片(14)的所述护罩(30a)远离与相应翼型件尖端(20)的所述附接点(32)具有渐缩的径向厚度，使得周向相邻的护罩(30a)沿着相同径向厚度邻接。

6.根据权利要求1所述的带叶片的转子系统(10)，其中，所述护罩(30)是附接在所述翼型件(16)的中跨处的缓冲器(30b)。

7.根据权利要求6所述的带叶片的转子系统(10)，其中，所述第二组(L)叶片(14)中的所述护罩(30b)具有比所述第一组(H)叶片(14)中的所述护罩(30b)更小的平均径向厚度。

8.根据权利要求7所述的带叶片的转子系统(10)，其中，所述第一组(H)叶片(14)中的所述护罩(30b)和所述第二组(L)叶片(14)中的所述护罩(30b)距所述翼型件尖端(20)以不同距离附接到相应的翼型件(16)，使得所述第一组(H)叶片(14)中的所述翼型件(16)的自由长度小于所述第二组(L)叶片(14)中的所述翼型件(16)的自由长度，

翼型件(16)的自由长度被限定为所述翼型件尖端(20)和相关联的护罩(30b)的最近附接点(34)之间的径向距离。

9.根据权利要求8所述的带叶片的转子系统(10)，其中，所述第一组(H)叶片(14)的所述护罩(30b)远离与相应的翼型件尖端(20)的所述附接点(34)具有渐缩的径向厚度，使得周向相邻的护罩(30b)沿着相同径向厚度邻接。

10.根据权利要求7所述的带叶片的转子系统(10)，其中，每一翼型件(16)从所述根部部分(18)到所述翼型件尖端(20)的径向长度跨越所述第一组(H)和第二组(L)叶片(14)是恒定的。

11. 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

护罩(30)，其在所述翼型件(16)的展向高度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，所述第一组(H)和第二组(L)叶片(14)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，

其中，所述第二组(L)叶片(14)与所述第一组(H)叶片(14)的区别在于所述护罩(30)的几何形状，所述几何形状是相应组(H、L)独有的，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，并且

其中，所述第一组(H)和所述第二组(L)叶片(14)在所述周向行中按周期性方式交替，以便提供频率失谐来稳定所述叶片(14)的颤振。

12.根据权利要求11所述的叶片(14)，其中，所述护罩(30)是附接到所述翼型件尖端(20)的尖端-护罩(30a)。

13.根据权利要求11所述的叶片(14)，其中，所述护罩(30)是附接在所述翼型件(16)的中跨处的缓冲器(30b)。