CN110700897A - 用于气体涡轮引擎的叶片 - Google Patents

Abstract

本公开题为“用于气体涡轮引擎的叶片”。公开了一种用于气体涡轮引擎的叶片，该叶片包括具有不对称凸角的叶根。

Description

用于气体涡轮引擎的叶片

技术领域

本公开涉及用于气体涡轮引擎的叶片。

背景技术

在气体涡轮引擎中，叶片通常安装在气体涡轮引擎的（转子）盘状件上并通常从盘状件径向地延伸。该盘状件通常固定到气体涡轮引擎的轴，以允许该盘状件（及其叶片）围绕气体涡轮引擎的主旋转轴线旋转。

在传统的叶片盘状件布置结构中，一系列周向布置的叶片安装到转子盘状件上。这通常通过为叶片提供叶根来实现，该叶根装配在盘状件中设置的狭槽内。叶根和狭槽具有配合的形状，以便适当地传递力。例如，叶根通常包括称为“垫层侧面”的接触表面，该接触表面成角度以便接合盘状件中设置的狭槽的对应表面，以保持叶片抵抗在操作过程中通过盘状件的旋转向外作用在叶片上的离心力。

叶根通常包括下部（径向向内面对）表面，该下部表面限定叶根的基部以及在叶根的横向方向上横跨基部延伸的一对凸角。凸角中的每个凸角从叶根的基部向下延伸并沿着叶根的基部形成突出部。每个叶根凸角具有恒定的纵向范围，使得其关于中平面对称，该中平面平分根部并平行于叶根的纵向方向和叶根所配合的狭槽。该对叶根凸角也关于中平面对称，该中平面平分根部并垂直于叶根的纵向方向和叶根所配合的狭槽。

虽然这种布置结构可能令人满意，但期望提供改进的布置结构。

发明内容

根据本公开的一个方面，提供了用于气体涡轮引擎的叶片，该叶片包括具有不对称凸角的叶根。该凸角的外部几何形状和/或一般形状可以是不对称的。

申请人已经认识到，在使用中，叶根上的载荷分布通常是不一致或不对称的，并且利用不对称叶根凸角可允许凸角的外部几何形状（或形状）适用于叶根上的特定载荷条件。例如，凸角的承受更高力的区域或侧可被设计成具有比凸角的承受更小力的区域或侧更大的纵向范围。与传统的对称根部凸角相比，这可允许选择最佳形状，其可允许在质量很少或没有增加的所关注区域（例如，叶根的垫层侧面）的应力减小。由于叶片上的质量没有增加，所以盘状件的整体寿命和完整性不受到损害，但是根部应力会降低。此外，不对称的根部凸角不需要任何附加的加工操作（与对称凸角的传统加工操作相比），以使得可提供改进的叶根并同时保持制造的容易性和成本。

叶片可包括机翼部分、平台和叶根。机翼部分可从平台径向地向外延伸。叶根可从平台径向向内延伸。

叶根可被构造用于沿着纵向方向插入狭槽内。凸角可关于平分叶根的第一中平面不对称。纵向方向和第一中平面可彼此平行，或者纵向方向可包含在第一中平面内。

纵向方向可以是在使用中叶根装配到的狭槽的纵向方向。纵向方向可平行于引擎轴线或者可与引擎轴线成一角度，例如，与引擎轴线成最高至30度，例如20度的角度。这可能是叶根（和狭槽）是“轴向型”叶根的情况。狭槽的纵向方向可替代地（实质上）垂直于引擎轴线。这可能是叶根（和狭槽）是“周向型”叶根的情况。

凸角可在第一中平面的相反侧上具有第一对应区域和第二对应区域。第一区域可被构造用于承受比第二区域更大的应力。第一区域的纵向范围可大于第二区域的纵向范围。“对应区域”是指其位于相同的位置但位于第一中平面的相反侧（即，在镜像位置处）。纵向范围可以是当在叶根（或对应的狭槽）的纵向方向测量时，凸角的前面（或边缘）与凸角的后面（或边缘）之间的材料范围（以距离表示）的量度。对应区域中的每个区域可仅包括单个点或者包括多个点，并且在后一种情况下，纵向范围可以是该区域内多个点的平均纵向范围。

叶根可具有平行侧，该平行侧均与叶根的纵向方向平行。

凸角可沿着与纵向方向交叉的横向方向伸长。凸角可沿着横向方向具有可变的纵向范围。

凸角的纵向范围可沿着横向方向渐缩。

形成凸角的材料的质量分布沿着横向方向可以是不均匀的。

凸角可具有前面和后面，该前面沿着与纵向方向交叉的第一线性横向方向伸长，后面沿着与纵向方向交叉的第二线性横向方向伸长。第一线性横向方向和第二线性横向方向可位于共同的平面中并且可以是不平行的。

叶根可具有一对不对称凸角。该不对称凸角可以是相似的。该不对称凸角中的每个凸角可具有本文所述的任何特征。

该对不对称凸角可包括前凸角和后凸角。前凸角的第一线性横向方向可与后凸角的第二线性横向方向平行。前凸角的第二线性横向方向可与后凸角的第一线性横向方向平行。

前凸角的第一线性横向方向和后凸角的第二线性横向方向可各自垂直于纵向方向。前凸角的第二线性横向方向和后凸角的第一线性横向方向可各自相对于垂直于纵向方向的横向方向倾斜。

凸角可沿着相对的横向方向渐缩。该布置结构可改善根部的平衡。

后凸角可沿着从对应于叶片的压力侧的第一端部到对应于叶片的吸力侧的第二端部的方向渐缩。前凸角可沿着从叶片的第二端部到叶片的第一端部的方向渐缩。

叶根可包括一对凸角，该对凸角关于沿着垂直于纵向方向的横向方向的任何平面不对称。例如，该对凸角可关于平分叶根并垂直于且包含纵向方向的第二中平面不对称。

该叶片可以是压缩机叶片、涡轮叶片或风扇叶片。

根据本公开的另一方面，提供了转子盘状件组件，该转子盘状件组件包括盘状件和根据本文任何陈述的一个或多个叶片。

根据本公开的另一方面，提供了气体涡轮引擎，该气体涡轮引擎包括根据本文任何陈述的叶片。

本领域的技术人员将理解，除非相互排斥，否则关于任何一个上述方面描述的特征如作适当变动，可以应用于任何其他方面。此外，除非相互排斥，否则本文中描述的任何特征可以应用于任何方面以及/或者与本文中描述的任何其他特征组合。

附图说明

现在将参考附图以举例的方式来描述实施方案，其中：

图1是气体涡轮引擎的截面侧视图；

图2示意性地示出了根据先前考虑的布置结构的气体涡轮引擎的压缩机组件的一部分；

图3示出了根据先前考虑的布置结构的具有对称凸角的叶根的两个示意性视图；

图4示出了根据本公开的实施方案的具有不对称根部凸角的叶片的两个示意性视图；并且

图5示意性地示出了根据本公开的叶片的两个透视图。

具体实施方式

图1示出了具有主旋转轴线9的气体涡轮引擎10。引擎10包括进气口12和推进式风扇23，该推进式风扇产生两股气流：核心气流A和旁路气流B。气体涡轮引擎10包括接收核心气流A的核心11。引擎核心11以轴流式串联包括低压压缩机14、高压压缩机15、燃烧设备16、高压涡轮17、低压涡轮19和核心排气喷嘴20。短舱21围绕气体涡轮引擎10并限定旁路管道22和旁路排气喷嘴18。旁路气流B流过旁路管道22。风扇23经由轴26和周转齿轮箱30附接到低压涡轮19并由该低压涡轮驱动。

在使用中，核心气流A由低压压缩机14加速和压缩，并被引导至高压压缩机15中以进行进一步的压缩。从高压压缩机15排出的压缩空气被引导至燃烧设备16中，在该燃烧设备中压缩空气与燃料混合，并且混合物被燃烧。然后，所得的热燃烧产物在通过喷嘴20排出之前通过高压涡轮机和低压涡轮机17、19膨胀，从而驱动高压涡轮机和低压涡轮机17、19以提供一些推进推力。高压涡轮17通过合适的互连轴27来驱动高压压缩机15。风扇23通常提供大部分推进推力。周转齿轮箱30是减速齿轮箱。

需注意，本文中使用的术语“低压涡轮”和“低压压缩机”可分别表示最低压力涡轮级和最低压力压缩机级（即，不包括风扇23），和/或通过在引擎中具有最低旋转速度的互连轴26（即，不包括驱动风扇23的齿轮箱输出轴）连接在一起的涡轮级和压缩机级。在一些文献中，本文中提到的“低压涡轮”和“低压压缩机”可被另选地称为“中压涡轮”和“中压压缩机”。在使用此类另选命名的情况下，风扇23可被称为第一或最低压力的压缩级。

本公开可应用的其他气体涡轮引擎可具有另选配置。例如，此类引擎可具有另选数量的压缩机和/或涡轮和/或另选数量的互连轴。以另外的示例的方式，图1中所示的气体涡轮引擎具有分流喷嘴20、22，这意味着穿过旁路管道22的流具有自己的喷嘴，该喷嘴与核心引擎喷嘴20分开并径向地在该核心引擎喷嘴的外部。然而，这不是限制性的，并且本公开的任何方面也可应用于如下引擎，在该引擎中，穿过旁路管道22的流和穿过核心11的流在可被称为混流喷嘴的单个喷嘴之前（或上游）混合或组合。一个或两个喷嘴（无论是混合的还是分流的）可具有固定的或可变的面积。虽然所描述的示例涉及涡轮风扇引擎，但是本公开可应用于例如任何类型的气体涡轮引擎，诸如开放式转子（其中风扇级未被短舱围绕）或例如涡轮螺旋桨引擎。在一些布置结构中，气体涡轮引擎10可不包括齿轮箱30。

气体涡轮引擎10的几何形状及其部件由传统的轴线系统限定，包括轴向方向（与旋转轴线9对准）、径向方向（在图1中从下到上的方向）和周向方向（垂直于图1视图中的页面）。轴向、径向和周向相互垂直。

压力压缩机中的每个压力压缩机包括多个周向布置且径向延伸的压缩机叶片，该压缩机叶片附接到压缩机盘状件形式的一个或多个转子。每个压缩机具有至少一个盘状件，但可适当地具有两个或更多个盘状件。类似地，每个涡轮包括多个周向布置且径向延伸的涡轮叶片，该涡轮叶片布置在一个或多个涡轮盘状件内。每个涡轮具有至少一个盘状件，但可适当地具有两个或更多个盘状件。

参见图2，其示出了先前考虑的布置结构的正视图，压缩机叶片1包括机翼部分2、平台3和根部4。叶片1通常径向延伸，机翼部分2从平台3径向向外延伸，并且叶根4从平台3径向向内延伸。如图所示，压缩机叶片1通过定位叶根4并将其固定在设置在压缩机盘状件6内的狭槽5内而附接到压缩机盘状件6。叶根4被构造用于沿着狭槽5的纵向方向25插入狭槽5内。叶根4可以是“轴向型”叶根4，其中纵向方向25与引擎的主旋转轴线9（未示出）平行或者成小于45度的角度。

狭槽5的形状设定为为接收叶片1的根部4，并且根部4接合狭槽5。可以理解，在使用过程中，力经由叶根4的接触表面7在根部4和狭槽5之间传递。具体地讲，在使用过程中，叶片1将由于盘状件6的旋转而承受径向向外作用在叶片1上的离心力，但将由于叶根4的接触表面7和狭槽5之间的接合而保持在盘状件6上。

叶根4在狭槽5内的运动受到一对凸角8的限制（例如，当引擎未使用或处于低旋转速度时），该对凸角从叶根4的基部（未示出）突出到靠近狭槽5的底部的位置。凸角8可延伸到靠近狭槽5的内表面的位置，以封闭叶根4和狭槽5之间的间隙从而形成密封，该密封防止狭槽5和叶根4之间的空气泄漏。每个凸角被构造用于接合狭槽的径向向内表面，在使用中，叶根装配到狭槽，以将叶片保持在狭槽上。

图3示出了先前考虑的叶片1的两个示意图，第一侧视图（图3顶部）和第二底部透视图（图3底部）。从图3中可以看出，叶片1包括叶根4，该叶根具有限定叶根4的下表面的基部31和从其延伸的一对凸角8。该对中的每个凸角8在大致相同的横向方向上彼此平行地延伸，并且该对凸角8径向突出的距离将通常取决于在使用中叶片4装配到的狭槽5的深度。

凸角8通常关于两个中平面对称。首先，每个凸角8本身关于第一中平面对称，该第一中平面平分根部4并平行于纵向方向25。例如，每个凸角8的纵向范围32沿着叶根4的横向方向是恒定的。其次，该对凸角8一起关于第二中平面对称，该第二中平面平分根部4的基部31并垂直于纵向方向25。

本发明的叶片与上文关于图2和图3所描述的先前考虑的布置结构的不同之处在于叶根凸角46、47是不对称的。现在将关于图4和图5讨论这一点。

图4示意性地示出了图4顶部的叶片41的第一侧视图和图4底部的叶片41的第二底部透视图。图5示意性地示出了图4的叶片41的两个透视图。

可以看出，叶片41包括机翼42、平台43和叶根44。根部44从平台43径向向内延伸并被构造用于沿着狭槽的纵向方向413插入狭槽内。叶片具有平行侧，该平行侧各自与纵向方向413对准，用于将叶片41插入狭槽中。根部44包括限定叶根44的径向向内表面的基部45和沿着与纵向方向413交叉的横向方向伸长的一对凸角。该对凸角46、47包括位于基部45的轴向向前边缘处的前凸角46和位于基部45的轴向向后边缘处的后凸角47。该对中的每个凸角46、47包括沿着与纵向方向413交叉的第一线性横向方向伸长的前面461、472和沿着与纵向方向413交叉的第二线性横向方向伸长的后面462、471。该布置结构中的前面和后面垂直于基部45的表面（尽管这不是必需的）。每个凸角被构造用于接合狭槽的径向向内表面，在使用中，叶根装配到狭槽中，以限制叶片在狭槽内的运动。因此，该对凸角46、47从基部45延伸的距离将取决于在使用中叶根44装配到狭槽中的深度。

可以看出，前凸角46和后凸角47各自关于平分叶根44的第一中平面414不对称。纵向方向413和第一中平面414彼此平行，并且纵向方向413包含在第一中平面414内。在该实施方案中，叶根44为“轴向型”叶根，使得第一中平面414平行于并包含引擎轴线，或者与其成非垂直角度。第一中平面414平分叶根44，使得沿着法线从第一中平面414到叶根44的最远边缘（即，到叶根44的外部边缘处的平行侧）的距离在第一中平面414的两侧是相同的。

每个凸角46、47是不对称的，因为一般的整体形状（即一般的外部轮廓）是不对称的。在这种布置结构中，这通过沿着横向方向（关于第一中平面414与纵向方向413交叉）提供不均匀质量分布的形成凸角46、47的材料来实现。这可允许叶根凸角46、47的几何形状更适合于其承受的力。因此，与传统的对称叶根凸角的质量相比，这可允许选择最佳形状，其可允许在质量很少或没有增加的所关注区域的应力减小。由于叶片上的质量没有增加，所以盘状件的整体寿命和完整性不会受到损害，但是根部应力会降低。

凸角46、47的外部轮廓是不对称的。具体地讲，凸角46、47是不对称的，因为第一线性横向方向和第二线性横向方向位于共同的平面中并且是不平行的。此外，凸角46、47具有关于第一中平面414不对称的宽度。也就是说，沿着叶根44和狭槽5的纵向方向413测量的每个凸角46、47的纵向范围沿着叶根和狭槽的横向方向不对称变化，该横向方向垂直于纵向方向413并与其交叉。以这种方式，在中平面414的第一侧上距离第一中平面414第一距离处的给定（并且在这种情况下，每个）凸角的纵向范围大于在中平面414的第二相反侧上距离第一中平面414相同距离处的凸角的纵向范围。例如，凸角46、47在第一中平面414的第一远侧端部处的纵向范围大于（例如，四倍于）凸角46、47在中平面414的另一个第二远侧端部处的纵向范围。

在使用中，将凸角46、47设计成不对称的允许凸角46、47（和叶根44）中承受较大力的那些部分具有大于凸角46、47中承受较小力的那些部分的对应的纵向范围。

对于前凸角46，已经发现，相较于与机翼42的压力表面侧411对应的侧，凸角46的与机翼42的吸力表面侧412对应的侧上的来自机翼42和叶根44的质量的载荷更大，并且因此凸角46的几何形状被设计成适应这种情况。具体地讲，对应于凸角46的吸力表面侧412上的高应力区域或点的纵向范围415大于对应于凸角46的相反的压力表面侧411（镜像相反侧）上的低应力区域或点的纵向范围，以便支撑更高的载荷。对应于高应力区域的纵向范围415可与凸角46的对应于低应力区域的纵向范围49差四倍。当然，可选择其他合适的值，取决于环境和承受的载荷力。

对于后凸角47，已经发现，相较于与机翼42的吸力表面侧412对应的侧，凸角47的与机翼42的压力表面侧411对应的侧上的来自机翼42和叶根44的质量的载荷更大，并且因此凸角47的几何形状被设计成适应这种情况。具体地讲，对应于凸角47的压力表面侧411上的高应力区域或点的纵向范围410大于对应于凸角47的相反的吸力表面侧412（镜像相反侧）上的低应力区域或点的纵向范围416，以便支撑更高的载荷。对应于高应力区域的纵向范围410可与凸角47的对应于低应力区域的纵向范围416差四倍。当然，可选择其他合适的值，取决于环境和承受的载荷力。

在图4和图5的布置结构中，每个凸角46、47可被认为是“倾斜的”，因为对于每个凸角46、47，前面461、472相对于后面462、471以某个角度设置，以使得前面和后面在凸角的第一远侧端部处发散，并在凸角的第二远侧端部处会聚。也就是说，凸角46、47在叶根44的横向方向上的纵向范围逐渐增大（或减小）。在图4和图5的布置结构中，凸角46、47沿着相对的横向方向渐缩。应当理解，在所有这些布置结构中，渐缩具有产生不对称凸角的效果。应当理解，渐缩的程度和纵向范围的精确变化将取决于具体应用和预期的载荷条件。还应理解，纵向范围还可以其他形式变化，诸如以逐步方式变化，或者（例如每个）凸角的前面或后面可存在曲率，或两者。

虽然上文已经关于该对凸角46、47的各个凸角描述了不对称性，但在图4和图5中可以看出，该对凸角46、47关于任何平面一起不对称，包括平分叶根、沿着垂直于纵向方向413的横向方向延伸的第二中平面48。

从图4和图5中可以看出，在第二中平面48的第一侧上的位置处的凸角的纵向范围49不同于在第二中平面48的第二相反侧上的对应位置处（即，镜像位置处）的凸角的纵向范围410。这是通过前凸角46的前面461的第一线性横向方向与后凸角47的后面471的第二线性横向方向平行来实现的。前凸角46的第一线性横向方向和后凸角47的第二线性横向方向各自垂直于纵向方向413。前凸角46的后面462的第二线性横向方向与后凸角47的前面472的第一线性横向方向平行。前凸角46的第二线性横向方向和后凸角47的第一线性横向方向各自相对于垂直于纵向方向413的横向方向倾斜。

通过提供具有与后凸角47的第一线性横向方向平行的第二线性横向方向的前凸角46，可缩短制造时间。这是因为当加工前凸角46的后面462和后凸角47的前面472时，用于操纵制造工具的控制变化的数量将减少，从而缩短制造时间。这与假设布置结构形成对比，在假设布置结构中，使用更复杂的形状来提供类似的应力益处。

尽管描述涉及一对凸角的每个凸角是不对称的，但这不是必需的。一对凸角中的仅一个凸角可能是不对称的。此外，叶根可具有任何数量的凸角，并且这些凸角中的一者或多者或者全部是不对称的。

此外，应当理解，尽管前凸角46被描述为具有与后凸角47的第一线性横向方向平行的第二线性横向方向以辅助制造，但这不是必需的。如果需要，前凸角46的第二线性横向方向和后凸角47的第一线性横向方向可被设置成相对于彼此成某一角度，并且这可取决于叶片上的具体载荷状况。

还应理解，尽管该对凸角46、47被描述成关于平分叶根并垂直于狭槽的纵向方向413的第二中平面不对称，但在另选实施方案中，该对凸角可以是对称的。例如，对于具体载荷状况，可能是（并且在实施方案中是）前凸角46和后凸角47的纵向范围沿着同样相同的横向方向渐缩的情况。

尽管在图4和图5中示出了凸角46、47从叶根44的基部45垂直延伸，但这不是必需的。如果合适，凸角可相对于基部45以任何合适的角度延伸。

已经描述了凸角是压缩机叶片的凸角。然而，应当理解，任何合适的叶片（例如涡轮叶片）可设置有不对称叶根凸角。

应当理解，本发明不限于上述实施方案，并且在不脱离本文中描述的概念的情况下可进行各种修改和改进。除非相互排斥，否则任何特征可以单独使用或与任何其他特征组合使用，并且本公开扩展到并包括本文中描述的一个或多个特征的所有组合和子组合。

Claims (15)

1. 一种用于气体涡轮引擎的叶片(41)，所述叶片包括具有不对称凸角(46, 47)的叶根(44)。

2. 根据权利要求1所述的叶片(41)，其中所述叶根被构造用于沿着纵向方向(413)插入狭槽中，并且其中所述凸角(46, 47)关于平分所述叶根(44)的第一中平面(414)不对称，其中所述纵向方向(413)和所述第一中平面(414)彼此平行或者所述纵向方向(413)被包含在所述第一中平面(414)内。

3.根据权利要求2所述的叶片(41)，其中：

所述凸角(46, 47)在所述第一中平面(414)的相反侧上具有第一对应区域和第二对应区域；

所述第一区域被构造用于承受比所述第二区域更大的应力；并且

所述第一区域的纵向范围(49, 410, 415, 416)大于所述第二区域的纵向范围。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的叶片(41)，其中所述叶根(44)具有平行侧，所述平行侧均与所述叶根的纵向方向(413)平行。

5. 根据权利要求2至4中任一项所述的叶片(41)，其中所述凸角(46, 47)沿着与所述纵向方向(413, 414)交叉的横向方向伸长，并且其中所述凸角沿着所述横向方向具有可变的纵向范围。

6. 根据权利要求5所述的叶片(41)，其中所述凸角(46, 47)的所述纵向范围沿着所述横向方向渐缩。

7. 根据权利要求2至6中任一项所述的叶片(41)，其中形成所述凸角(46, 47)的材料的质量分布沿着所述横向方向是不均匀的。

8. 根据权利要求5至7中任一项所述的叶片(41)，其中所述凸角(46, 47)具有沿着与所述纵向方向(413)交叉的第一线性横向方向伸长的前面(461, 472)以及沿着与所述纵向方向交叉的第二线性横向方向伸长的后面(462, 471)，其中所述第一线性横向方向和所述第二线性横向方向位于共同的平面中并且是不平行的。

9. 根据前述权利要求中任一项所述的叶片(41)，其中所述叶根(44)具有一对不对称凸角(46, 47)。

10. 根据权利要求9所述的叶片(41)，其中所述一对不对称凸角(46, 47)包括前凸角(46)和后凸角(47)；

其中所述前凸角(46)的所述第一线性横向方向与所述后凸角(47)的所述第二线性横向方向平行；并且

其中所述前凸角(46)的所述第二线性横向方向与所述后凸角(47)的所述第一线性横向方向平行。

11. 根据权利要求10所述的叶片(41)，其中：

所述前凸角(46)的所述第一线性横向方向和所述后凸角(47)的所述第二线性横向方向各自垂直于所述纵向方向(413)；并且

所述前凸角(46)的所述第二线性横向方向和所述后凸角(47)的所述第一线性横向方向各自相对于垂直于所述纵向方向(413)的横向方向倾斜。

12. 根据权利要求9至11中任一项所述的叶片(41)，其中所述凸角(46, 47)沿着相对的横向方向渐缩。

13. 根据权利要求12所述的叶片(41)，其中：

所述后凸角(47)沿着从对应于所述叶片的压力侧(411)的第一端部到对应于所述叶片的吸力侧(412)的第二端部的方向渐缩；并且

所述前凸角(46)沿着从所述叶片的所述第二端部到所述叶片的所述第一端部的方向渐缩。

14. 根据前述权利要求中任一项所述的叶片(41)，其中所述叶根(44)包括一对凸角(46, 47)，所述一对凸角关于沿着垂直于所述纵向方向(413)的横向方向的任何平面(48)不对称。

15.一种气体涡轮引擎，所述气体涡轮引擎包括根据前述权利要求中任一项所述的叶片(41)。

Images