CN110778367B - 带有肋的叶片节段 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及带有肋的叶片节段。公开了一种用于燃气涡轮发动机的叶片节段。该叶片节段包括从内端径向延伸到外端的叶片。该叶片具有前缘、后缘和从前缘延伸到后缘的弦。平台围绕中心轴线周向延伸。该平台具有面向中心轴线的内部面和相对的外部面。该平台的内部面连接到该叶片的外端。肋远离该外部面突出并具有沿该外部面延伸的长度段。

Description

带有肋的叶片节段
技术领域
本申请总体上涉及燃气涡轮发动机，并且更具体而言，涉及叶片节段(vanesegment)和制造用于燃气涡轮发动机的叶片节段的方法。
背景技术
分段式叶片设计通常用于燃气涡轮发动机的高压和低压涡轮中，这是因为在这些位置处，气体路径的高温使得难以使用叶片环设计。分段式叶片设计的叶片节段经受高振动应力引起的疲劳应力，该疲劳应力随着时间的推移引起裂纹。存在对改进的需求。
发明内容
根据一个方面，提供了一种用于具有中心轴线的燃气涡轮发动机的叶片节段，所述叶片节段包括：相对于所述中心轴线从内端径向延伸到外端的叶片，所述叶片具有前缘、后缘和从所述前缘延伸到所述后缘的弦，所述叶片相对于所述中心轴线不旋转；围绕所述燃气涡轮发动机的中心轴线周向延伸的平台，所述平台具有面向所述中心轴线的内部面和相对的外部面，所述平台的所述内部面连接到所述叶片的所述外端；以及肋，其远离所述外部面突出，并且具有沿所述外部面延伸的长度段(length)，所述长度段中的至少一个以与所述弦的投影中相对应的一个相交的方式来定向。
根据另一方面，提供了一种燃气涡轮发动机，其包括涡轮部段，所述涡轮部段包括沿中心轴线交替设置的定子和转子，所述定子中的至少一个具有围绕所述中心轴线周向分布的叶片节段，所述叶片节段具有：相对于所述中心轴线从内端径向延伸到外端的叶片，所述叶片具有前缘、后缘和从所述前缘延伸到所述后缘的弦；围绕所述中心轴线周向延伸并且固定到壳体的平台，所述平台具有面向所述中心轴线的内部面和相对的外部面，所述平台的所述内部面连接到所述叶片的所述外端；以及肋，其远离所述外部面突出，并且具有沿所述外部面延伸的长度段，所述长度段中的至少一个以与所述弦的投影中相对应的一个相交的方式来定向。
根据又一方面，提供了一种制造叶片节段的方法，其包括：创建具有弯曲形状的平台，用于围绕轴线周向延伸；在所述平台的外部面上创建肋，所述肋从所述外部面并且远离所述轴线延伸；创建叶片，其具有连接到所述平台的内部面的外端，所述叶片与所述肋对准，使得所述叶片的弦的投影与所述肋的长度段相交。
附图说明
现在参照附图，其中：
图1是燃气涡轮发动机的示意性横截面图；
图2是图1的燃气涡轮发动机的叶片节段的示意性立体图；以及
图3是图2的叶片节段的示意性俯视图。
具体实施方式
图1图示了优选地设置成用于亚音速飞行中的类型的燃气涡轮发动机10，其通常包括顺次流连通的以下部件：通过其来推进环境空气的风扇12；用于加压该空气的压缩机部段14；燃烧器16，压缩空气在其中与燃料混合并被点燃以产生热燃烧气体的环形流；以及用于从燃烧气体中提取能量的涡轮部段18。风扇12、压缩机部段14和涡轮部段18绕燃气涡轮发动机10的中心轴线11旋转。
涡轮部段18包括高压涡轮18a和低压涡轮18b，其每一个都具有沿中心轴线11交替设置的定子20(图2)和转子。所述转子包括轮叶(blade，或为“动叶”)，而所述定子包括叶片(vane，或为“静叶”)22(图2)。这些轮叶和叶片22围绕中心轴线11周向分布。在本文中，表述“叶片”专用于定子的一部分。根据定义，定子在其于发动机运转期间不绕中心轴线11旋转的意义上是旋转静止的。因此，定子20的叶片22相对于中心轴线11不旋转。在本文中要理解的是，表述“不旋转”应被解释为允许绕中心轴线11的一定程度的旋转运动，该旋转运动可归因于定子与燃气涡轮发动机10的其上固定有定子20的壳体19之间存在的游隙。
对于定子，通常使用两种类型的设计：分段式叶片设计和叶片环设计。在叶片环设计中，定子是包括所有叶片的单体件。在分段式叶片设计中，定子包括各自包括至少一个叶片的多个叶片节段，这些叶片节段围绕中心轴线周向设置以形成定子。
现在参照图2，定子20的叶片节段大体以20a示出。叶片节段20a可以是压缩机部段14、高压涡轮18a或低压涡轮18b的定子的一部分。
叶片节段20a包括叶片22，其相对于中心轴线11从内端22a径向延伸到外端22b。如图所示，内端22a连接到径向内部平台24，并且外端22b连接到径向外部平台26。更具体而言，径向外部平台26具有面向中心轴线11的内部面26a和背离中心轴线11的相对的外部面26b。叶片22的外端22b连接到径向外部平台26的内部面26a。
叶片22具有前缘22c、后缘22d和从前缘22c延伸到后缘22d的弦C。更具体而言，每个叶片22都由翼型部段构成，该翼型部段设置成沿翼展方向从其内端22a到其外端22b。每个翼型部段都具有前缘、后缘，并且延伸的弦具有从前缘到后缘的直线。因此，叶片22的前缘22c和后缘22d是从径向内部平台24延伸到径向外部平台26的线，该线可以是弯曲的。
径向外部平台26围绕燃气涡轮发动机10的中心轴线11周向延伸。当定子20包括多于一个叶片节段20a时，每个叶片节段20a都相对于中心轴线11沿定子20的整个周界的一部分延伸。在一个特定实施例中，定子20仅包括一个叶片节段20a，该叶片节段20a沿定子20的整个周界周向延伸。
已经观察到，围绕定子20的叶片节段20a的叶片22循环的高速流以及转子和轴的不平衡在激发固有共振频率的情况下可引起高振动应力。该应力的后果在于它会引起疲劳问题。更具体而言，在长时间使用之后，由于高周疲劳而在叶片节段20a内形成裂纹。这是不期望的，因为其缩短了叶片节段20a的寿命。
为了克服这个问题，应增加叶片节段20a的刚度，以避免固有共振频率的激发。然而，增加刚度通常与叶片节段20a的重量增加相关，并且因此，与燃气涡轮发动机10的总效率损失相关。因此，要在刚度和重量之间进行折衷。
现在参照图2至图3，叶片节段20a还包括处于径向外部平台26的外部面26b处的格状结构30。径向外部平台26包括前轨26c和后轨26d，二者可固定到燃气涡轮发动机10的壳体19。格状结构30相对于中心轴线11轴向定位在前轨26c和后轨26d之间。
在所示实施例中，格状结构30包括肋32、加强件34、前轴向肋36、后轴向肋38和端肋40。肋32、加强件34、前轴向肋36和后轴向肋38以及端肋40中的每一个都远离径向外部平台26的外部面26b突出。本文下面更详细地描述这些部分中的每一个。
更具体地参照图3，肋32具有沿径向外部平台26的外部面26b延伸的长度段L1。在图3上，图示了叶片22和弦C的投影22'、C'，以示出它们相对于肋32的相对位置。所示的叶片投影22'对应于位于叶片22的外端22b处的叶片22的翼型部段的投影。叶片投影22'通过如下方式获得，即：将叶片22的外端22b相对于中心轴线11沿径向方向R并且在径向外部平台26的外部面26b上投影。由于外部面26b可以是弯曲表面，因此投影22'、C'可类似地弯曲，以匹配径向外部平台的外部面26b的形状。
如图所示，长度段L1中的至少一个以与弦投影C'中相对应的一个相交的方式来定向。在所示实施例中，长度段L1中的所述至少一个与弦投影C'中相对应的一个垂直相交。在一个特定实施例中，使肋32的长度段L1与弦投影C'相交允许增加径向外部平台26的刚度，使得其固有振动频率高于已知的由于机械和空气动力源引起的受迫振动频率，并且因此，允许减小产生于叶片节段20a的动态应力。更具体而言，肋32垂直于叶片22可允许叶片节段20a的共振频率变得高于燃气涡轮发动机10的主轴的共振频率，而仅具有有限的附加重量。在一个特定实施例中，所公开的肋32增加了叶片节段20a相对于中心轴线11的轴向和切向(或周向)刚度二者。
在所描绘的实施例中，肋32的长度段L1中的每一个都与弦投影C'中相应的一个相交。更具体而言，并且根据所描绘的实施例，肋32的长度段L1中的每一个都与弦投影C'中的两个相邻弦投影相交。
在所示实施例中，弦投影C'中的两个相邻弦投影中的每一个与肋32的长度段L1中的一个相交。更具体而言，弦投影C'中的该两个相邻弦投影中的一个与长度段L1中靠近其前缘22c的一个相交，并且弦投影C'中的该两个相邻弦投影中的另一个与长度段L1中靠近其后缘22d的一个相交。
由于已经描述了肋32，因此本文下面描述加强件34。如肋32一样，加强件34远离径向外部平台26的外部面26b突出，并且具有沿外部面26b延伸的加强件长度段L2。在所描绘的实施例中，加强件长度段L2基本上平行于弦投影C'定向。在一个特定实施例中，加强件34允许进一步增加叶片节段20a的轴向刚度。
在所示实施例中，加强件长度段L2不与弦投影C'相交。加强件长度段L2可等于肋32的长度段L1。在所示实施例中，加强件34与肋32在它们相应的中心处垂直相交。如图所示，加强件34和肋32的协作限定了围绕中心轴线11周向分布的一系列方形腔42。
现在描述前轴向肋36和后轴向肋38。在所示实施例中，前轴向肋36和后轴向肋38相对于中心轴线11轴向延伸。前轴向肋36相对于中心轴线11沿轴向方向A从前轨26c朝向后轨26d延伸，并且后轴向肋38沿轴向方向从后轨26d朝向前轨26c延伸。在所示实施例中，前轴向肋36和后轴向肋38中的每一个连接到肋32中相应的一个的端部。更具体而言，并且根据所描绘的实施例，前轴向肋36中的每一个都经由肋32中相应的一个连接到后轴向肋38中相应的一个。
在所描绘的实施例中，前轴向肋36和后轴向肋38中的每一个连接到加强件34中相应的一个的端部。更具体而言，并且根据所描绘的实施例，前轴向肋36中的每一个都经由加强件34中相应的一个连接到后轴向肋38中相应的一个。后轴向肋38和前轴向肋36可加强上部平台和支撑凸耳之间的轴向载荷路径。
如图2上更清楚地示出的，一些后部轴向肋具有相对于中心轴线11并且从外部面26b延伸到其末梢的径向高度H，该径向高度H大于其他后轴向肋38的径向高度。在该实施例中，这些较高的轴向肋38a也被用作防旋转特征。
返回参照图3，端肋40位于径向外部平台26的外部面26b处，并且远离该外部面26b并远离中心轴线11突出。端肋40位于叶片节段径向外部平台26的周向末端处，并且有助于增加轴向刚度以及加强前支撑件和后支撑件之间的载荷路径。如图所示，端肋40具有相对于中心轴线11从前轨26c轴向延伸到后轨26d的长度段L3以及相对于中心轴线11周向延伸的宽度段W。端肋40的宽度段W大于肋32、前轴向肋36和后轴向肋38以及加强件34中的任何一个的宽度段。
在已经阐述了叶片节段20a的情况下，现在描述制造叶片节段20a的方法。为了制造叶片节段20a，径向外部平台26被创建为具有弯曲的形状，以便围绕中心轴线11周向延伸。肋32创建在径向外部平台26的外部面26b上。肋32从外部面26b并且远离轴线11延伸。叶片22创建有外端22b，其连接到径向外部平台26的内部面26a。叶片22与肋32对准，使得叶片22的弦的投影C'与肋32的长度段L1相交。
在所描绘的实施例中，创建叶片22包括将叶片22创建成使得叶片22的弦的投影C'与肋32的长度段L1垂直相交。在所示实施例中，该方法还包括创建加强件34、前轴向肋36、后轴向肋38和端肋40。
在一个特定实施例中，肋32相对于中心轴线11在轴向和周向方向二者上加强叶片节段20a，以便增加有效性，这是因为叶片22的迎角在悬臂模式中引起轴向和切向运动的耦合。这可允许在其中温度低于高压涡轮18a中的温度的低压涡轮18b中结合分段式叶片设计。这可允许最小化末梢空隙并提高涡轮效率。
上面的描述意在仅是示例性的，并且本领域技术人员将认识到，可以在不脱离所公开的本发明的范围的情况下对所描述的实施例进行改变。根据对本公开的回顾，落入本发明范围内的其他修改对于本领域技术人员将是显而易见的，并且这些修改旨在落入所附权利要求内。

Claims (17)

1.一种用于燃气涡轮发动机的叶片节段，所述叶片节段包括：
相对于中心轴线径向延伸的叶片，所述叶片相对于所述中心轴线从内端径向延伸到外端，所述叶片具有前缘、后缘和从所述前缘延伸到所述后缘的弦，所述叶片相对于所述中心轴线不旋转；
相对于所述中心轴线周向延伸的平台，所述平台具有径向内部面和相对的外部面，所述平台的所述内部面连接到所述叶片的所述外端；以及
肋，其远离所述外部面突出，并且具有沿所述外部面延伸的长度段，所述肋中的至少一个与所述弦在径向外部的平台的外部面上的投影中相对应的一个相交，所述肋的延伸方向是至少部分朝向轴向延伸，所述弦的投影中的两个相邻投影中的一个与所述肋中邻近所述弦的投影中的两个相邻投影中的一个的前缘的相对应的肋相交，所述弦的投影中的两个相邻投影中的另一个与所述肋中邻近所述弦的投影中的两个相邻投影中的另一个的后缘的相对应的肋相交。
2.根据权利要求1所述的叶片节段，其中，所述肋中的所述至少一个与所述弦的所述投影中的所述相对应的一个垂直相交。
3.根据权利要求1所述的叶片节段，其中，所述肋中的每一个与所述弦的所述投影中相应的一个相交。
4.根据权利要求1所述的叶片节段，其中，所述肋中的每一个与所述弦的所述投影中的两个相邻投影相交。
5.根据权利要求1所述的叶片节段，还包括加强件，所述加强件远离所述外部面突出并且具有沿所述外部面延伸的长度段，所述加强件的所述长度段与所述肋的长度段相交。
6.根据权利要求5所述的叶片节段，其中，所述加强件的所述长度段中的至少一个不与所述弦的所述投影相交。
7.根据权利要求1所述的叶片节段，还包括加强件，所述加强件远离所述外部面突出并且具有沿所述外部面延伸的长度段，所述加强件与所述肋垂直相交。
8.根据权利要求1所述的叶片节段，其中，所述平台包括相对于所述中心轴线轴向限定的前轨和后轨，所述前轨和所述后轨构造成固定到所述燃气涡轮发动机的壳体，所述外部面在所述前轨和所述后轨之间延伸，所述叶片节段还包括前轴向肋和后轴向肋，所述肋中的每一个从所述前轴向肋中相应的一个延伸到所述后轴向肋中相应的一个。
9.根据权利要求1所述的叶片节段，所述叶片节段还包括：
前轴向肋和后轴向肋，所述肋中的每一个从所述前轴向肋中相应的一个延伸到所述后轴向肋中相应的一个。
10.根据权利要求9所述的叶片节段，其中，所述肋中的至少一个与所述弦的投影中相对应的一个垂直相交。
11.一种燃气涡轮发动机，包括涡轮部段，所述涡轮部段包括沿中心轴线交替设置的定子和转子，所述定子中的至少一个具有围绕所述中心轴线周向分布的根据权利要求1所述的叶片节段，所述叶片节段还具有：加强件，其远离所述外部面突出并且具有沿所述外部面延伸的长度段，所述加强件的所述长度段平行于所述弦的所述投影定向，所述加强件的所述长度段不与所述弦的所述投影相交。
12.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机，其中，所述肋的所述长度段中的所述至少一个与所述弦的所述投影中的所述相对应的一个垂直相交。
13.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机，其中，所述肋的所述长度段中的每一个与所述弦的所述投影中相应的一个相交。
14.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机，其中，所述肋的所述长度段中的每一个与所述弦的所述投影中的两个相邻投影相交。
15.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机，其中，所述弦的所述投影中的两个相邻投影中的一个与所述肋的所述长度段中邻近所述弦的投影中的两个相邻投影中的一个的前缘的相应长度段相交，所述弦的所述投影中的所述两个相邻投影中的另一个与所述肋的所述长度段中邻近所述弦的所述投影中的所述两个相邻投影中的另一个的后缘的相应长度段相交。
16.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机，其中，所述加强件与所述肋垂直相交。
17.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机，其中，所述平台包括固定到所述燃气涡轮发动机的壳体的前轨和后轨，所述外部面在所述前轨和所述后轨之间延伸，所述叶片节段还包括前轴向肋和后轴向肋，所述肋中的每一个从所述前轴向肋中相应的一个延伸到所述后轴向肋中相应的一个。
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