CN112313394B - 涡轮桨叶，包括用于减少流经所述桨叶的气流中的涡流现象的无源系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于涡轮发动机涡轮的桨叶，包括叶片(34)和沿径向延伸该叶片的至少一个平台(39；41)，以及涉及一种用于减少涡流的系统，其包括至少一个回路(44；46)，所述回路包括一从在前缘上游的平台中形成的至少一个进气孔(48；51)延伸，直到在后缘上形成的至少一个排气狭槽(49；52)的导管(47；53)。

Description

涡轮桨叶，包括用于减少流经所述桨叶的气流中的涡流现象 的无源系统

技术领域

本发明涉及飞机涡轮发动机涡轮的领域，特别地涉及一种降低空气动力学损失的桨叶。

本发明具体适用于任何类型的涡轮发动机，例如涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机。

背景技术

在飞机涡轮发动机中，涡轮从在压缩机级中压缩并在燃烧室加热的气体回收能量，以将它们转化为机械能。

涡轮包括活动轮和固定喷嘴，所述活动轮和固定喷嘴沿涡轮发动机的轴向方向交替地布置，并且每个都承载多个桨叶。这些桨叶均匀地分布在承载它们的圆盘的圆周上，并且每个都包括一种叶片，所述叶片径向地延伸，同时在该叶片的径向内端和外端通过平台延伸。喷嘴被构造成使气流偏转，以便有效地供给随后的活动轮，所述随后的活动轮从穿越其的该气流回收能量，从而在其到涡轮发动机的风机以及压缩机的运动中使其再生。例如，从文献FR 3 034 129 A1中可以知晓这种涡轮机的设计示例。

在涡轮环境中，桨叶周围会发生多种物理流现象。通常观察到所谓的“次级”流，其通常以在桨叶平台的水平启动的涡流结构的形式出现。

实际上，在一排桨叶1(这里在图1中表示为定子2)的水平，来自上游的气流受到散布在两个相邻桨叶之间的、并从叶片的下表面3到上表面4定向的电势场P的综合影响，其中由前缘6感应的方向和速度的变化形成干扰。该电势场P足够大，从而以使在平台7水平的上游流的边界层偏转，随后出现涡流。在由桨叶两侧上的两个逆时针旋转的分支所表征的所谓“马蹄形”涡流Vh，桨叶之间限定的通道之间形成的高流速通道涡流Vp，以及遵循在叶片和平台之间的连接线的角涡流Vs之间进行区分。

这些次级流并不沿流经这些桨叶的气流的主流方向被定向，并且因此不会为车轮供能，导致效率损失以及涡轮发动机的煤油消耗量增加。

本发明的目的是提供一种桨叶结构，其能够移除一种由从桨叶上游的低空气传播速率所标记的边界层，从而极大地减少涡流结构。

发明内容

为此，本发明涉及一种例如涡轮喷气发动机的涡轮发动机的涡轮桨叶，其包括：

-叶片，其包括前缘和后缘并旨在浸没在从上游到下游从前缘到后缘循环的气流中；

-在所述叶片的端部结束的至少一个平台，该平台在其与叶片的接口处包括一种空气滑行面；

其特征在于，所述涡轮桨叶包括至少一个空气循环回路，所述空气循环回路包括：

-在前缘上游的区域中或在与叶片的上游半部对应的区域中，在滑行面水平形成的进气开口；

-通向前缘的排气开口；

-将进气开口连接到排气开口的内导管。

通过该方案，本发明因此允许通过在其中分离流经平台的边界层而限制在叶片周围发生的涡流现象，从而将其重新喷射到在后缘水平的射流内。

本发明还涉及一种因此限定的桨叶，其中，内导管形成一种包含至少一个起伏的线圈。

本发明还涉及一种因此限定的桨叶，其中，进气开口为孔，并且排气开口为狭缝。

本发明还涉及一种因此限定的桨叶，其中，内导管被构造成经由排气开口沿以下方向排出空气，所述方向为气流从后缘下游沿叶片的传播方向的10°内。

通过该结构，优化了配备有这种桨叶的涡轮机的整体效率。

本发明还涉及一种因此限定的桨叶，其中，内导管将多个进气开口连接到一个排气开口。

本发明还涉及一种因此限定的桨叶，其中，内导管将一个进气开口连接到多个排气开口。

本发明还涉及一种因此限定的桨叶，其包括径向内平台和径向外平台，并且包括在径向内平台水平的第一空气循环回路以及在径向外平台水平的第二空气循环回路。

本发明还涉及一种因此限定的桨叶，所述桨叶通过增材制造获得。

本发明还涉及一种用于飞机涡轮发动机的涡轮，其包括至少一个因此限定的桨叶，所述涡轮优选地为低压涡轮。

本发明还涉及一种用于飞机涡轮发动机的涡轮，其包括至少一个因此限定的桨叶，所实施涡轮发动机优选地为双体涡轮发动机。

附图说明

已经描述的图1是由在桨叶平台水平的边界层分离所引起的涡流流问题的图示；

图2是根据本发明的双流涡轮喷气发动机的轴向横截面示意图；

图3示出了根据本发明的涡轮发动机低压涡轮的示意性半视图；

图4是图3所示的涡轮的一部分的详细视图，其图示了涡流流问题；

图5是根据本发明的桨叶的透视图，其包括用于减少涡流的系统；

图6是根据本发明的一种替代实施例的桨叶的透视图，其包括用于减少涡流的系统；

图7是根据本发明的替代实施例的进气孔的扇形分布的详细视图。

具体实施方式

参见图2，图中显示一根据本发明优选实施例的飞机涡轮发动机11。其由一双流、双体涡轮喷气发动机组成。然而，它可由另一种类型的涡轮发动机，例如涡轮螺旋桨发动机组成，而不背离本发明的范围。

涡轮发动机11具有纵向中心轴AX，该涡轮发动机11的不同部件围绕该纵向中心轴AX延伸。从上游AM到下游AV沿通过该涡轮发动机的主气流方向15，它包括风机13、低压压缩机14、高压压缩机16、燃烧室17、高压涡轮18和低压涡轮19。

通常，在横过风机之后，空气被分成中心初级流21a以及围绕该初级流的次级流21b。初级流21a通过压缩机14、16、燃烧室17和涡轮机18、19流入初级气体循环路径22a。次级流21b就其本身而言流入由被机舱23围绕的发动机壳体所界定的次级气体循环路径22b。

图3显示低压涡轮19的一部分。然而，本发明也可以应用于高压涡轮18，而不背离本发明的范围。该低压涡轮19包括多个活动轮24，举例来说4个，由夹具26彼此固定在一起。这些活动轮24每个都包括一个具有旋转轴AX的圆盘27，其承载沿周向分布的一连串旋转桨叶28。在由两个连续的活动轮24形成的每对之间定位有喷嘴29，所述喷嘴29包括一环形排的固定桨叶31。这些固定桨叶31相对于在围绕低压涡轮19的外部涡轮壳体32上的轴AX安装在其径向外端，并通过固定箍扇区33安装在其径向内端。在操作中，初级流21a在由旋转叶片28和固定桨叶31横过的主路径22a中流动，所述旋转叶片28通过从中提取能量使初级流21a减速，所述固定桨叶31通过对主路径22a调平而使初级流21a加速。

以下，参见图4，其沿上游-下游方向详细地显示两个旋转桨叶28，在所述两个旋转桨叶28之间定位有固定桨叶31。固定桨叶31包括一沿径向方向AY延伸的叶片34。该叶片34包括不可见的下表面壁36和上表面壁，它们通过前缘37连接在叶片的上游区域AM中，并通过后缘38连接在叶片的下游区域AV中。而且，叶片34通过径向内平台39和径向外平台41在其径向端的任一侧上延伸。这些径向内平台和外平台分别包括沿径向方向AY彼此面对的下滑行面39a和上滑行面41a。这些滑行面39a和41a，在相关联平台和叶片之间的接口处，或者换句话说叶片从其延伸，共同地界定了主路径22a。

径向外平台41特别地包括上附接表面41b，用于将桨叶保持在外涡轮壳体32上的上突起43从所述上附接表面突出。

在操作中，沿主路径22a流动的初级流21a遵循总体传播方向G。该初级流的部分L与也被称为“边界层”的滑行面39a和41a邻接，并且由于与这些面之间的摩擦而以低传播速率标记。这些边界层以彼此滑动并遵循直线和平行运动的空气射流的形式呈现。可以观察到的是，在接近前缘37时，速度场和压力场受到干扰，并且射流消失，诱导对这部分流的无序特征，换句话说是涡流现象T，如图4中所示。

本发明的基本思想是移除定位在前缘上游的区域J中或定位在对应于叶片的上游半部的区域K中的边界层L，从而大大降低由其分离引起的涡流结构。该区域K由前缘37以及定位在叶片34的前缘和后缘38之间中途的假想线所界定。

在这方面，本发明的主要特征在于增加了一种用于减少形成桨叶31的一整体部分的涡流的系统。将描述一包括该系统的固定桨叶31，但需要注意的是，如将要描述的本发明可以应用于整排的喷嘴桨叶31，或者实际上仅适用于这些桨叶中的某些。该用于减少涡流的系统被认为在边界层变形并在区域J中碰到前缘37，或至少移动超出区域K之前使边界层转向，换句话说，当定子装配在涡轮发动机上时，在相对于相邻的固定桨叶限定的通道中传播超出桨叶31的上游半部。

参见图5，该系统包括与径向内平台39相关联的内部空气循环回路44，以及与径向外平台41相关联的外部空气循环回路46，这些内部和外部回路44和46为在桨叶中挖空的具有螺旋形状的体积。内部回路44包括一种在平台中从上游到下游然后在叶片34中延伸的内部内导管47。该内导管47连接一个在上滑行面39a的水平形成的内部进气开口48，其具有在后缘38的水平敞开的内部排气狭缝49。类似地，外导管46包括在下滑行面41a的水平并且在前缘37的上游形成的外部进气开口51，以及在后缘38的水平形成的外部排气狭缝52。在外孔51和外部狭缝52之间的流体连接由一种外部内导管53提供，其在径向外平台41中从上游到下游，然后在叶片34中延伸。图5中所示的内部和外部回路每个都具有一个在区域J中设置的进气孔，但需要理解的是，它们可以在区域K中形成，而不背离本发明的范围。

在以下的描述中，将沿上游–下游方向，换句话说从前缘到后缘，描述内部和外部回路44和46，并且特别地关于用箭头示意性地表示的其中流的传播方向，这由其形态所决定。

从内部孔48延伸，内导管47形成一种指向附接面39b，换句话说移动远离滑行面39a，并且与滑行面39a具有低倾斜度的内斜面54。该布置允许限制压头损失，所述压头损失容易限制经由内孔48被引导通过导管的空气流速。然后，该内导管47具有从相对的外平台41观察呈凹面形状的第一曲率C1，所述曲率C1朝叶片34径向地延伸，直到其在区域56的水平横过滑行面39a，并在该叶片内展开。最后，提供一种从外平台41观察呈凸面形状的第二曲率C2以校正气流，使得所述第二曲率C2基本沿在其下游附近表征的总体传播方向G通向后缘。允许存在某些程度的偏差，优选地相对于总体传播方向G具有10°的最大偏差。一系列曲率C1和C2的存在标志着内导管47的起伏，换句话说拐点，使其具有相同的卷曲特征。

如图5所示，在后缘下游附近的传播方向G表示流21a分别在下表面壁和上表面壁40的任一侧Gi和Ge上旁通的合成。如需要理解的，在后缘下游附近的该传播方向不同于在前缘上游附近所测量的传播方向。

在图5的示例中，内部和外部回路具有整体镜像形态，从叶片观察，外部回路46中循环的气流与内部回路44中传播的气流的行为相同。在外平台41内，外部导管53形成一种被提供从外孔51延伸并指向附接面41b的外斜面57，换句话说所述外斜面57移动远离滑行面41a。与内斜面54的方式相同，该外斜面57有利地具有相对于下滑行面41a的低倾斜度。外部导管53形成从相对的内平台39观察呈凹形的第一曲率C3，所述第一曲率C3朝从外斜面57延伸的下滑行面41a径向地延伸。然后，在形成从内平台39观察呈凸形的第二曲率C4之前，外部导管58在区域58的水平横过滑行面41a。该曲率C4被提供用于校正气流，直到通过基本沿后缘下游附近的总体传播方向G对其定向，优选地具有10°的最大偏差，其到达外部狭缝52。以与内部回路44的情况相同的方式，该系列的曲率C3和C4使外部导管53具有卷曲特征。

如果后缘处形成的压力低于前缘处的压力，则会出现流经进气孔48和51的自然进气现象。这方面意味着，内部和外部回路44和46可以自给，使用于减少涡流的系统具有一种与需要外部干预的所谓的“有源系统”相比具有明显优势的无源操作。

具体来说，本发明允许在固定桨叶31中分隔边界层L，允许最初流经平台39和41的第二现象出现的来源随后将其重新引入到初级流21a中的后缘38区域，其被耗尽。在此应该理解的是，基本沿传播方向G并且在初级流21a到达路径中的以下旋转桨叶28之前发生的空气的重新引入将因此完全地有助于该桨叶的旋转。通过该解决方案，涡轮效率上的附加增益很明显，初级流被全部地使用，而更少受到分散能量的寄生涡流的影响。

在图5所示的例子中，内部和外部回路具有类似的形态，其中导管连接在区域J中设置的进气孔以及沿轴向方向AX的叶片两侧的排气狭缝。然而，本发明可以考虑不同的布置，一旦允许其经由桨叶将最初在平台水平流动的空气重新输送到该路径中。

在这方面，根据本发明的替代实施例，如图6所示，一种回路可具有多个进气开口，这里以非限制性方式与在区域J中提供的内部回路44并且总共三个相关联。这些进气开口48a、48b和48c有利地以交错行分布在滑行面39a上，以有效地收集与该滑行面相邻的气流。内导管包括三个支路47a、47b和47c，每个都与进气孔相关联。进一步的特性包括沿后缘形成多个排气狭缝，所述排气狭缝在此以非限制性方式与外部回路46相关联，并表示为52a和52b。为此，外部导管53被分成两个通道53a和53b，每个都通向一个狭缝。还应该理解的是，可以在不背离本发明范围的情况下选择混合布置，可能地回路具有几个进气孔以及多个排气狭缝。还应该注意的是，这种桨叶可包括在单一平台水平的几个回路，而不背离本发明的范围，这些回路能够独立或连接在一起。类似地，本发明可以考虑在叶片34中交叉的内部回路和外部回路。最后，对于与一种回路相关联的多个进气开口，后者可以完全地分布在区域J中，完全地分布在区域K中，或者实际上一部分在区域J中并且另一部分在区域K中。对于后者的替代方案，本发明有利地考虑了如图7所示的以非限制性方式在内平台39水平的扇形布置，从而扫过边界层L的很大一部分，并且因此捕获最大的当前线路。

实际上，每个回路的形态和尺寸直接决定了由此输送的空气流速。在这方面，根据具体情况确定了这些参数，特别地关于叶片在路径中的预限定位置，以便趋向于最优化的系统。本发明可特别地考虑一种包括一个以上起伏的内导管，换句话说两个以上的曲率，特别地如果其涉及将该导管的形状调整为叶片和/或平台内的特定尺寸。

对于铸造制造，可以使用芯体实现这些回路。然而，由于内部和外部回路44和46的形状复杂性，本发明有利地考虑使用增材制造，从而以非限制性方式通过激光–粉末床金属熔合制造桨叶。优选地，这些叶片和平台制成为一体，并且具有界定回路的其被挖空体积。

在以上描述中，对于其作为固定定子桨叶31的整体部分，已经解释了用于减少涡流的系统。然而，应当注意的是，这种系统也可以应用于旋转桨叶，而不背离本发明的范围。这种旋转桨叶28包括一种通常以平台结束的叶片，流经该平台的边界层也会受到涡流现象的影响。

显然，对于进气孔和排气狭缝，本发明不限于这些具体描述，并且一旦它们分别形成在平台中形成的进气开口以及在叶片中设置的排气开口，则允许任何类型的形状。这些开口可具有例如椭圆形、矩形、三角形、平行六面体、圆锥形、棱柱形横截面，或本领域技术人员可考虑的任何其他形状。

Claims (10)

1.一种用于涡轮发动机的涡轮桨叶(31)，其包括：

-叶片(34)，所述叶片包括前缘(37)和后缘(38)，并且将浸没在从上游到下游从前缘到后缘循环的气流(21a)中；

-在所述叶片(34)的端部的至少一个平台(39；41)，所述平台在其与所述叶片(34)的接口处包括一空气滑行面(39a；41a)；

其特征在于，所述涡轮桨叶包括至少一个空气循环回路(44；46)，所述空气循环回路包括：

-在前缘上游的区域中或在与所述叶片(34)的上游半部对应的区域中，在所述平台(39；41)的空气滑行面(39a；41a)上形成的进气开口(48；51)；

-在所述叶片(34)的后缘(38)上形成的排气开口(49；52)；

-将进气开口(48，51)连接到排气开口(49，52)的内导管(47；53)。

2.根据权利要求1所述的桨叶(31)，其中，所述内导管(47；53)形成一包括至少一个起伏的线圈。

3.根据权利要求1所述的桨叶(31)，其中，所述进气开口为孔，所述排气开口为狭缝。

4.根据权利要求1所述的桨叶(31)，其中，所述内导管(47；53)被构造成经由排气开口(49；52)沿气流(21a)从所述后缘(38)下游沿所述叶片(34)的传播(G)的10°内的方向排出空气。

5.根据权利要求1所述的桨叶(31)，其中，所述内导管(47；53)将多个进气开口(48；51)连接到一个排气开口(49；52)。

6.根据权利要求1所述的桨叶(31)，其中，所述内导管(47；53)将一个进气开口(48；51)连接到多个排气开口(49；52)。

7.根据权利要求1所述的桨叶(31)，其包括径向内平台(39)和径向外平台(41)，并且包括在所述径向内平台(39)的水平的第一空气循环回路(44)以及在所述径向外平台(41)的水平的第二空气循环回路(46)。

8.根据权利要求1所述的桨叶(31)，所述桨叶通过增材制造获得。

9.一种用于飞机涡轮发动机的涡轮(18；19)，包括至少一个根据权利要求1所述的桨叶(31)。

10.一种飞机涡轮发动机(11)，包括至少一个根据权利要求9所述的涡轮(18；19)。

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