CN112983885B - 用于燃气涡轮发动机的风扇的分流器和转子翼型件的围带 - Google Patents

用于燃气涡轮发动机的风扇的分流器和转子翼型件的围带 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于燃气涡轮发动机的风扇的分流器和转子翼型件的围带，具体而言提供了一种用于燃气涡轮发动机的风扇。该风扇包括：转子，其包括至少一个转子级，该转子级具有限定流路表面的可旋转盘和从流路表面向外延伸的转子翼型件的阵列；分流器翼型件的阵列，其从流路表面向外延伸，其中分流器翼型件和转子翼型件以顺序布置设置；以及围带，其在转子翼型件和分流器翼型件之间延伸。

Description

用于燃气涡轮发动机的风扇的分流器和转子翼型件的围带
技术领域
本主题总体上涉及燃气涡轮发动机，或者更具体地涉及具有风扇组件和用于分流器翼型件和转子翼型件的围带的燃气涡轮发动机。
背景技术
燃气涡轮发动机通常包括布置成彼此流动连通的风扇和核心。另外，燃气涡轮发动机的核心通常按串联流动顺序包括压缩机区段、燃烧区段、涡轮区段和排气区段。在操作中，空气从风扇提供到压缩机区段的入口，在那里一个或多个轴流式压缩机逐渐地压缩空气，直到空气到达燃烧区段。燃料与压缩空气混合，并且在燃烧区段内燃烧，以提供燃烧气体。燃烧气体被从燃烧区段导引到涡轮区段。通过涡轮区段的燃烧气体流驱动涡轮区段，并且然后被导引通过排气区段，例如通向大气环境。
希望在比目前可能的更宽的操作范围内改善燃气涡轮发动机性能，例如涡轮风扇发动机性能。涡轮风扇发动机中的多级风扇可能相对复杂、沉重，并且需要风扇模块中的额外运动部件。因此，希望改善转子空气动力学性能并减轻这种风扇的重量。
发明内容
本发明的方面和优点将在下面的描述中部分地阐述，或者可从描述中显而易见，或者可通过本发明的实践获知。
在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种用于燃气涡轮发动机的风扇。该风扇包括：转子，其包括至少一个转子级，该转子级具有限定流路表面的可旋转盘和从流路表面向外延伸的转子翼型件的阵列；分流器翼型件的阵列，其从流路表面向外延伸，其中分流器翼型件和转子翼型件以顺序布置设置；以及围带，其在转子翼型件和分流器翼型件之间延伸。
在某些示例性实施例中，围带在转子翼型件中的每一个的尖端的径向内侧和转子翼型件中的每一个的根部的径向外侧的位置处连接到转子翼型件。
在某些示例性实施例中，围带在分流器翼型件中的每一个的尖端的径向内侧和分流器翼型件中的每一个的根部的径向外侧的位置处连接到分流器翼型件。
在某些示例性实施例中，围带连接到分流器翼型件中的每一个的尖端的一部分。
在某些示例性实施例中，围带的第一部分在第一分流器翼型件的尖端的径向内侧和第一分流器翼型件的根部的径向外侧的位置处连接到第一分流器翼型件，并且其中，围带的第二部分在第二分流器翼型件的尖端处连接到第二分流器翼型件。
在某些示例性实施例中，围带的第三部分相对于第三分流器翼型件设置在邻近第三分流器翼型件的尖端的位置处。
在某些示例性实施例中，围带包括多个连结的围带区段。
在某些示例性实施例中，分流器翼型件的翼弦尺寸小于转子翼型件的翼弦尺寸。
在某些示例性实施例中，分流器翼型件的翼展尺寸小于转子翼型件的翼展尺寸。
在某些示例性实施例中，分流器翼型件和转子翼型件以交错和交替的布置设置。
在某些示例性实施例中，每个分流器翼型件大致位于两个相邻转子翼型件之间的中间。
在本公开的另一个示例性实施例中，提供了一种燃气涡轮发动机，其包括能够操作以产生燃烧气体流的涡轮机核心和构造成从燃烧气体提取能量以驱动风扇的涡轮。该风扇包括：转子，其包括至少一个转子级，该转子级具有限定流路表面的可旋转盘和从流路表面向外延伸的转子翼型件的阵列；分流器翼型件的阵列，其从流路表面向外延伸，其中分流器翼型件和转子翼型件以顺序布置设置；以及围带，其在转子翼型件和分流器翼型件之间延伸。
在某些示例性实施例中，围带在转子翼型件中的每一个的尖端的径向内侧和转子翼型件中的每一个的根部的径向外侧的位置处连接到转子翼型件。
在某些示例性实施例中，围带在分流器翼型件中的每一个的尖端的径向内侧和分流器翼型件中的每一个的根部的径向外侧的位置处连接到分流器翼型件。
在某些示例性实施例中，围带连接到分流器翼型件中的每一个的尖端的一部分。
在某些示例性实施例中，围带的第一部分在第一分流器翼型件的尖端的径向内侧和第一分流器翼型件的根部的径向外侧的位置处连接到第一分流器翼型件，并且其中，围带的第二部分在第二分流器翼型件的尖端处连接到第二分流器翼型件。
在某些示例性实施例中，围带的第三部分相对于第三分流器翼型件设置在邻近第三分流器翼型件的尖端的位置处。
在某些示例性实施例中，围带包括多个连结的围带区段。
在某些示例性实施例中，分流器翼型件的翼弦尺寸小于转子翼型件的翼弦尺寸。
在某些示例性实施例中，分流器翼型件的翼展尺寸小于转子翼型件的翼展尺寸。
技术方案1. 一种用于燃气涡轮发动机的风扇，所述风扇包括：
转子，其包括至少一个转子级，所述至少一个转子级包括限定流路表面的可旋转盘和从所述流路表面向外延伸的转子翼型件的阵列；
分流器翼型件的阵列，其从所述流路表面向外延伸，其中，所述分流器翼型件和所述转子翼型件以顺序布置设置；以及
围带，其在所述转子翼型件和所述分流器翼型件之间延伸。
技术方案2. 根据任意前述技术方案所述的风扇，其特征在于，所述围带在所述转子翼型件中的每一个的尖端的径向内侧和所述转子翼型件中的每一个的根部的径向外侧的位置处连接到所述转子翼型件。
技术方案3. 根据任意前述技术方案所述的风扇，其特征在于，所述围带在所述分流器翼型件中的每一个的尖端的径向内侧和所述分流器翼型件中的每一个的根部的径向外侧的位置处连接到所述分流器翼型件。
技术方案4. 根据任意前述技术方案所述的风扇，其特征在于，所述围带连接到所述分流器翼型件中的每一个的尖端的一部分。
技术方案5. 根据任意前述技术方案所述的风扇，其特征在于，所述围带的第一部分在第一分流器翼型件的尖端的径向内侧和所述第一分流器翼型件的根部的径向外侧的位置处连接到所述第一分流器翼型件，并且其中，所述围带的第二部分在第二分流器翼型件的尖端处连接到所述第二分流器翼型件。
技术方案6. 根据任意前述技术方案所述的风扇，其特征在于，所述围带的第三部分相对于第三分流器翼型件设置在邻近所述第三分流器翼型件的尖端的位置处。
技术方案7. 根据任意前述技术方案所述的风扇，其特征在于，所述围带包括多个连结的围带区段。
技术方案8. 根据任意前述技术方案所述的风扇，其特征在于，所述分流器翼型件的翼弦尺寸小于所述转子翼型件的翼弦尺寸。
技术方案9. 根据任意前述技术方案所述的风扇，其特征在于，所述分流器翼型件的翼展尺寸小于所述转子翼型件的翼展尺寸。
技术方案10. 根据任意前述技术方案所述的风扇，其特征在于，所述分流器翼型件和所述转子翼型件以交错和交替的布置设置。
技术方案11. 根据任意前述技术方案所述的风扇，其特征在于，每个分流器翼型件大致位于两个相邻转子翼型件之间的中间。
技术方案12. 一种燃气涡轮发动机，包括：
涡轮机核心，其能够操作以产生燃烧气体流；
涡轮，其被构造成从所述燃烧气体提取能量以驱动风扇，其中，所述风扇包括：
转子，其包括至少一个转子级，所述至少一个转子级包括限定流路表面的可旋转盘和从所述流路表面向外延伸的转子翼型件的阵列；
分流器翼型件的阵列，其从所述流路表面向外延伸，其中，所述分流器翼型件和所述转子翼型件以顺序布置设置；以及
围带，其在所述转子翼型件和所述分流器翼型件之间延伸。
技术方案13. 根据任意前述技术方案所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述围带在所述转子翼型件中的每一个的尖端的径向内侧和所述转子翼型件中的每一个的根部的径向外侧的位置处连接到所述转子翼型件。
技术方案14. 根据任意前述技术方案所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述围带在所述分流器翼型件中的每一个的尖端的径向内侧和所述分流器翼型件中的每一个的根部的径向外侧的位置处连接到所述分流器翼型件。
技术方案15. 根据任意前述技术方案所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述围带连接到所述分流器翼型件中的每一个的尖端的一部分。
技术方案16. 根据任意前述技术方案所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述围带的第一部分在第一分流器翼型件的尖端的径向内侧和所述第一分流器翼型件的根部的径向外侧的位置处连接到所述第一分流器翼型件，并且其中，所述围带的第二部分在第二分流器翼型件的尖端处连接到所述第二分流器翼型件。
技术方案17. 根据任意前述技术方案所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述围带的第三部分相对于第三分流器翼型件设置在邻近所述第三分流器翼型件的尖端的位置处。
技术方案18. 根据任意前述技术方案所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述围带包括多个连结的围带区段。
技术方案19. 根据任意前述技术方案所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述分流器翼型件的翼弦尺寸小于所述转子翼型件的翼弦尺寸。
技术方案20. 根据任意前述技术方案所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述分流器翼型件的翼展尺寸小于所述转子翼型件的翼展尺寸。
参考以下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。并入并构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整且能够实现的公开内容，包括其最佳模式，在附图中：
图1是根据本公开的示例性实施例的示例性燃气涡轮发动机的示意性剖视图。
图2是根据本公开的示例性实施例的包括围带的风扇转子的一部分的第一透视图。
图3是根据本公开的示例性实施例的包括围带的风扇转子的一部分的第二透视图。
图4是根据本公开的示例性实施例的风扇转子的转子翼型件的正视图。
图5是根据本公开的示例性实施例的风扇转子的分流器翼型件的正视图。
图6是根据本公开的示例性实施例的风扇转子的详细正视图，该风扇转子包括在转子翼型件和分流器翼型件之间延伸的围带。
图7是根据本公开的示例性实施例的风扇转子的详细俯视图，该风扇转子包括在转子翼型件和分流器翼型件之间延伸的围带。
图8是根据本公开的示例性实施例的风扇转子的一部分的详细正视图，该风扇转子包括在转子翼型件和分流器翼型件之间延伸的围带。
图9是根据本公开的示例性实施例的风扇转子的一部分的详细俯视图，该风扇转子包括在转子翼型件和分流器翼型件之间延伸的围带。
图10是根据本公开的示例性实施例的风扇转子的一部分的透视图，该风扇转子包括连接到转子翼型件的围带。
图11是根据本公开的另一个示例性实施例的风扇转子的一部分的透视图，该风扇转子包括在转子翼型件和分流器翼型件之间延伸的围带。
图12是根据本公开的另一个示例性实施例的风扇转子的一部分的透视图，该风扇转子包括在转子翼型件和分流器翼型件之间延伸的围带。
图13是根据本公开的另一个示例性实施例的风扇转子的一部分的透视图，该风扇转子包括在转子翼型件和分流器翼型件之间延伸的围带。
图14是根据本公开的另一个示例性实施例的风扇转子的一部分的正视图，该风扇转子包括在转子翼型件和分流器翼型件之间延伸的围带。
图15是根据本公开的另一个示例性实施例的风扇转子的一部分的正视图，该风扇转子包括在转子翼型件和分流器翼型件之间延伸的围带。
图16是根据本公开的另一个示例性实施例的风扇转子的一部分的透视图，该风扇转子包括在转子翼型件和分流器翼型件之间延伸的围带。
贯穿若干视图，对应的附图标记表示对应的部件。本文所阐述的范例示出了本公开的示例性实施例，并且这些范例不应被解释为以任何方式限制本公开的范围。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的当前实施例，其一个或多个示例在附图中示出。详细描述使用数字和字母标记来指代附图中的特征。附图和描述中相同或相似的标记用于指代本发明的相同或相似的部分。
提供以下描述是为了使本领域技术人员能够制造和使用设想用于实现本发明的所描述的实施例。然而，对于本领域技术人员来说，各种修改、等同物、变型和备选方案将仍然是显而易见的。任何和所有这样的修改、变型、等同物和备选方案都旨在落入本发明的精神和范围内。
出于以下描述的目的，术语“上”、“下”、“右”、“左”、“竖直”、“水平”、“顶部”、“底部”、“横向”、“纵向”及其派生词应如其在附图中定向那样与本发明相关。然而，应当理解，本发明可采取各种替代变型，除非明确指定相反。还应当理解，附图中示出的以及以下说明书中描述的具体设备仅仅是本发明的示例性实施例。因此，与本文公开的实施例相关的具体尺寸和其它物理特性不应被视为限制性的。
如本文所用，术语“第一”、“第二”和“第三”能够互换地使用，以将一个部件与另一个部件区分开来，并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。
术语“前”和“后”是指燃气涡轮发动机内的相对位置，其中前是指更靠近发动机入口的位置，并且后是指更靠近发动机喷嘴或排气口的位置。
术语“上游”和“下游”是指相对于流体路径中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体流出的方向，且“下游”是指流体流向的方向。
单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代，除非上下文另有明确规定。
如在整个说明书和权利要求书中所使用的，近似语言用于修饰任何定量表示，在不导致与其相关的基本功能改变的情况下可容许该定量表示变化。因此，由诸如“约”、“大约”和“基本上”的一个或多个术语修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可对应于用于测量值的仪器的精度，或者用于构造或制造部件和/或系统的方法或机器的精度。例如，近似语言可指在10%的裕度内。这里以及整个说明书和权利要求书中，范围限制被组合和互换，这样的范围被标识并包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另有指示。
这里以及整个说明书和权利要求书中，范围限制被组合和互换，这样的范围被标识并包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另有指示。例如，本文公开的所有范围都包括端点，并且端点能够彼此独立地组合。
如本文所述和所示，本公开的多级风扇分流转子包括转子翼型件的阵列、分流器翼型件的阵列以及在转子翼型件和分流器翼型件之间延伸的围带。本公开的围带改善了转子空气动力学性能，并且同时减轻了风扇设计的重量。例如，本公开的围带改善了转子性能(例如，部分叶尖围带赋予拐角间隙流动益处)，并且通过使用围带来设定模态频率降低了对频率分布的全翼型件毂厚度要求，从而改善性能、毂压力比、重量和对间隙的敏感性。
使用本公开的围带将分流器翼型件与转子翼型件协同地结合解决了上述技术问题，并且能够(1)实现重量减轻的设计，(2)通过实现更薄的翼型件和更激进的转子前缘前掠水平而改善空气动力学性能和失速范围，(3)消除作为总压力损失的另一来源的分流器叶片尖端涡流，从而进一步改善分流转子空气动力学性能，(4)通过分流转子翼型件数量的减少降低对转子叶尖间隙的敏感性，和/或(5)在风扇毂气流进入核心发动机高压压缩机入口之前，将风扇毂气流增压到更高的总压力水平，从而有助于提高循环操作压力比。
现在参考附图，其中在所有附图中相同的数字表示相同的元件，图1是根据本公开的示例性实施例的燃气涡轮发动机的示意性剖视图。更具体地，对于图1的实施例，燃气涡轮发动机是大涵道比涡轮风扇喷气发动机10，在本文中称为“涡轮风扇发动机10”。如图1所示，涡轮风扇发动机10限定了轴向方向A(平行于提供用于参考的纵向中心线或轴线12延伸)和径向方向R。通常，涡轮风扇10包括风扇区段14和设置在风扇区段14下游的涡轮机16。
所描绘的示例性涡轮机16通常包括限定环形入口20的基本上管状的外部壳体18。外部壳体18以串联流动关系包围：压缩机区段，该压缩机区段包括增压或低压(LP)压缩机22和高压(HP)压缩机24；燃烧区段26；涡轮区段，该涡轮区段包括高压(HP)涡轮28和低压(LP)涡轮30；和喷射排气喷嘴区段32。高压(HP)轴或转轴34驱动地将HP涡轮28连接到HP压缩机24。低压(LP)轴或转轴36驱动地将LP涡轮30连接到LP压缩机22。另外，压缩机区段、燃烧区段26和涡轮区段一起至少部分地限定了延伸穿过其中的核心空气流路37。
对于所描绘的实施例，风扇区段14包括可变桨距风扇38，该可变桨距风扇38具有以间隔开的方式联接到盘42的多个风扇叶片40。如所描绘，风扇叶片40大体上沿着径向方向R从盘42向外延伸。由于风扇叶片40可操作地联接到合适的致动构件44，每个风扇叶片40能够相对于盘42围绕变桨轴线P旋转，该致动构件44被构造成共同一致地改变风扇叶片40的桨距。风扇叶片40、盘42和致动构件44能够一起通过LP轴36跨过动力齿轮箱46围绕纵向轴线12旋转。动力齿轮箱46包括多个齿轮，用于将LP轴36的旋转速度降低到更高效的风扇旋转速度。
仍然参考图1的示例性实施例，盘42被可旋转的前机舱48覆盖，前机舱48空气动力学地成轮廓以促进气流通过多个风扇叶片40。另外，示例性风扇部段14包括环形风扇壳体或外机舱50，其周向地围绕风扇38和/或涡轮机16的至少一部分。对于所描绘的实施例，机舱50相对于涡轮机16由多个周向间隔开的出口导向静叶52支撑。另外，机舱50的下游区段54在涡轮机16的外部部分上延伸，以便在两者间限定旁路气流通道56。
在涡轮风扇发动机10的操作期间，一定体积的空气58通过机舱50和/或风扇区段14的相关入口60进入涡轮风扇10。随着该体积的空气58经过风扇叶片40，如箭头62所示的空气58的第一部分被引导或导引到旁路气流通道56中，而如箭头64所示的空气58的第二部分被引导或导引到LP压缩机22中。第一部分空气62和第二部分空气64之间的比率通常被称为涵道比。第二部分空气64的压力随后随着其被导引通过高压(HP)压缩机24并进入燃烧区段26而增加，在燃烧区段26中，空气64与燃料混合并燃烧以提供燃烧气体66。
燃烧气体66被导引通过HP涡轮28，在HP涡轮28中，来自燃烧气体66的热能和/或动能的一部分经由联接到外部壳体18的HP涡轮定子静叶68和联接到HP轴或转轴34的HP涡轮转子叶片70的连续级被提取，由此导致HP轴或转轴34旋转，从而支持HP压缩机24的操作。燃烧气体66然后被导引通过LP涡轮30，在LP涡轮30中，来自燃烧气体66的热能和动能的第二部分经由联接到外部壳体18的LP涡轮定子静叶72和联接到LP轴或转轴36的LP涡轮转子叶片74的连续级被提取，由此导致LP轴或转轴36旋转，从而支持LP压缩机22的操作和/或风扇38的旋转。
燃烧气体66随后被导引通过涡轮机16的喷射排气喷嘴区段32，以提供推进推力。同时，随着第一部分空气62在从涡轮风扇10的风扇喷嘴排气区段76排出之前被导引通过旁路气流通道56，第一部分空气62的压力显著增加，这也提供了推进推力。HP涡轮28、LP涡轮30和喷射排气喷嘴区段32至少部分地限定了热气体路径78，用于导引燃烧气体66通过涡轮机16。
在本公开的示例性实施例中，风扇14可包括多个转子级，多个转子级中的每一个包括安装到具有可旋转盘87的转子81的一排风扇叶片或转子翼型件83(图2和图3)。风扇14还可包括至少一个定子级，该定子级包括一排静止的或定子翼型件，该翼型件用于转动通过其中的气流。如本文所用，术语“风扇”是指具有转子的涡轮发动机中的任何装置，该转子具有能够操作以产生流体流的翼型件。
可以设想，本发明的原理同样适用于多级风扇、单级风扇和其它风扇构型；以及小涵道比涡轮风扇发动机、大涵道比涡轮风扇发动机和其它发动机构型。
然而，应当理解，图1中描绘的示例性涡轮风扇发动机10仅作为示例，并且在其他示例性实施例中，涡轮风扇发动机10可具有任何其他合适的构型。例如，在其它示例性实施例中，涡轮风扇发动机10可为直接驱动涡轮风扇发动机(即，不包括动力齿轮箱46)，可包括固定桨距风扇38等。附加地或备选地，本公开的各方面可结合到任何其它合适的燃气涡轮发动机中，诸如涡轮轴发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮喷气发动机、用于发电的陆基燃气涡轮发动机、航改燃气涡轮发动机等。
图2至图13示出了本公开的示例性实施例。参考图2至图5和图14至图16，在示例性实施例中，示出了本公开的示例性转子级80的一部分，其适于结合到发动机10的风扇14中。风扇14可包括多个转子级，多个转子级中的每一个包括安装到具有可旋转盘87的转子81的一排风扇叶片或转子翼型件83。风扇14的转子级80包括多级风扇分流转子，该多级风扇分流转子具有转子翼型件83的阵列、分流器翼型件144的阵列以及在转子翼型件83和分流器翼型件144之间延伸的围带200，如下面更详细描述的。在至少某些示例性实施例中，图2至图3中描绘的示例性多级风扇分流转子可结合到例如上文参照图1描述的示例性发动机10中。
本公开的围带200改善了转子空气动力学性能，并且同时减轻了风扇设计的重量。例如，本公开的围带200改善了转子性能(例如，部分叶尖围带赋予拐角间隙流动益处)，并且通过使用围带200来设定模态频率降低了对频率分布的全翼型件毂厚度要求，从而改善性能、毂压力比、重量和对间隙的敏感性。
使用围带200将分流器翼型件144与转子翼型件83协同地结合解决了上述技术问题，并且能够(1)实现重量减轻的设计，(2)通过实现更薄的翼型件和更激进的转子前缘前掠水平而改善空气动力学性能和失速范围，(3)消除作为总压力损失的另一来源的分流器叶片尖端涡流，从而进一步改善分流转子空气动力学性能，(4)通过分流转子翼型件数量的减少降低对转子叶尖间隙的敏感性，和/或(5)在风扇毂气流进入核心发动机高压压缩机入口之前，将风扇毂气流增压到更高的总压力水平，从而有助于提高循环操作压力比。
本公开的围带200在转子翼型件83和分流器翼型件144之间延伸并连接转子翼型件83和分流器翼型件144。以这种方式，围带200能够在主叶片或翼型件83的毂区域中实现较低的最大厚度-翼弦比，这既减轻了“叶片盘”或“叶盘”的重量，又改善了主叶片或翼型件83的空气动力学性能。围带200还通过去除没有围带200时存在的尖端涡流来改善分流器叶片或翼型件的性能。在示例性实施例中，本公开的翼型件性能可包括大约60度至大约65度的转子尖端交错角。在示例性实施例中，本公开的翼型件性能可包括大约0.3至大约0.6的流量系数。在一个实施例中，本公开的翼型件性能可包括大约19英寸至大约22英寸的尖端半径。在示例性实施例中，本公开的翼型件性能可包括大约1400英尺/秒至大约1650英尺/秒的尖端速度。
参考图2至图5和图14至图16，在一个实施例中，风扇14的示例性转子级80可包括多个转子级，多个转子级中的每一个包括安装到具有可旋转盘87的转子81的一排风扇叶片或转子翼型件83。风扇14还可包括至少一个定子级，该定子级包括一排静止的或定子翼型件，该翼型件用于转动通过其中的气流。
转子81限定了环形流路表面82，其一部分在图2中示出。参考图2和图6，在一个实施例中，流路表面82可具有轴对称表面轮廓。参考图14，在其它实施例中，流路表面可具有非轴对称表面轮廓182。例如，参考图14，非轴对称表面轮廓可在每对相邻的转子翼型件83之间成轮廓有凹曲线或“扇形部”184。为了进行比较，图14中的虚线示出了假想的轴对称圆柱形表面，其半径穿过转子翼型件83的根部84。可看出，非轴对称流路表面182的弯曲在转子翼型件83的根部84处具有其最大半径(或扇形部184的最小径向深度“d”)，并且在相邻转子翼型件83之间大约中间的位置处(例如在分流器翼型件144的根部154处)具有其最小半径(或扇形部184的最大径向深度“d”)。
在稳态或瞬态操作中，这种扇形构型(图14)有效地减小了沿着流路表面182在转子81的边沿96上的翼型件毂交点处的机械和热环向应力集中的幅度。这有助于实现盘87和转子81的可接受的长部件寿命的目标。
参考图2、图3、图6、图7和图14至图16，转子81包括从流路表面82向外延伸的多个转子翼型件83或转子翼型件83的阵列。每个风扇叶片或转子翼型件83从在流路表面82处的根部84延伸到尖端86，并且包括在前缘92和后缘94处接合到凸形吸力侧90的凹形压力侧88。参考图4，每个转子翼型件83具有：翼展或翼展尺寸“S1”，其被定义为从根部84到尖端86的径向距离；和翼弦或翼弦尺寸“C1”，其被定义为连接前缘92和后缘94的假想直线的长度。根据转子翼型件83的具体设计，其翼弦C1在沿着翼展S1的不同位置处可不同。在一个实施例中，相关的测量值是在转子翼型件83的根部84处的翼弦C1。
参考图2、图3、图6、图7和图14至图16，在一个实施例中，转子翼型件83围绕流路表面82的外围均匀地间隔开。参考图15，在一个实施例中，相邻转子翼型件83之间的平均周向间距“s”被定义为s=2πr/Z，其中“r”是转子翼型件83的指定半径(例如在根部84处)，并且“Z”是转子翼型件83的数量。一个被称为“实度(solidity)”的无量纲参数被定义为c/s，其中“c”等于如上所述的叶片翼弦。在本公开的实施例中，转子翼型件83可具有显著大于现有技术中预期的间距的间距，导致叶片实度显著小于现有技术中预期的实度。这种减小的实度可最小化风扇14的效率损失，并且这种减小的叶片实度还可具有通过最小化给定转子中使用的风扇翼型件的总数来减轻重量和简化制造的效果。
叶片实度降低的空气动力学上不利的副作用是增加相邻转子翼型件83之间的转子通道流动面积。转子通道流动面积的这种增加增大了空气动力载荷水平，并进而倾向于在转子翼型件83的吸力侧90上、在靠近根部84的内侧部分处引起不期望的流动分离，也称为“毂流动分离”。
为了减少或防止毂流动分离，转子级80可设置有分流器，或者处于“分流”构型。参考图2、图3、图6、图7和图14至图16，多个分流器叶片或翼型件144或分流器叶片或翼型件144的阵列从流路表面82向外延伸。在示例性实施例中，在每对相邻的转子翼型件83之间设置一个分流器翼型件144。例如，每个分流器翼型件144可位于两个相邻转子翼型件83之间的大约中间位置。在一些实施例中，分流器翼型件144和转子翼型件83以顺序布置设置。在一些示例性实施例中，分流器翼型件144和转子翼型件83以交错和交替的布置设置。可以设想，分流器翼型件144和转子翼型件83可针对各种不同的应用布置成其它顺序的构型。
参考图2、图3、图6、图7和图14至图16，在周向方向上，分流器翼型件144可在两个相邻转子翼型件83之间位于中途或周向地偏置。换句话说，转子翼型件83和分流器翼型件144围绕流路表面82的外围交替。
参考图2、图3、图5和图14至图16，每个分流器翼型件144从在流路表面82处的根部154延伸到尖端156，并且包括在前缘162和后缘164处接合到凸形吸力侧160的凹形压力侧158。参考图5，在一个实施例中，每个分流器翼型件144具有：翼展或翼展尺寸“S2”，其被定义为从根部154到尖端156的径向距离；和翼弦或翼弦尺寸“C2”，其被定义为连接前缘162和后缘164的假想直线的长度。根据分流器翼型件144的具体设计，其翼弦C2在沿着翼展S2的不同位置处可不同。在一个实施例中，相关的测量值是在分流器翼型件144的根部154处的翼弦C2。
参考图4和图5，在示例性实施例中，分流器翼型件144的翼弦尺寸C2小于转子翼型件83的翼弦尺寸C1。此外，在示例性实施例中，分流器翼型件144的翼展尺寸S2小于转子翼型件83的翼展尺寸S1。例如，在一些实施例中，分流器翼型件144的翼展S2和/或翼弦C2可比转子翼型件83的相应翼展S1和翼弦C1小一些分数。这些可被称为“部分翼展”和/或“部分翼弦”分流器翼型件。例如，在一些实施例中，翼展S2可等于或小于翼展S1。在一些实施例中，为了减少摩擦损失，翼展S2是翼展S1的50%或更小。在其它实施例中，为了最小的摩擦损失，翼展S2是翼展S1的30%或更小。在一些示例性实施例中，翼弦C2可等于或小于翼弦C1。在其它示例性实施例中，对于最小的摩擦损失，翼弦C2是翼弦C1的80%或更小。在一个实施例中，分流器翼型件144的翼弦C2的长度是转子翼型件83的翼弦C1的长度的大约25%至大约75%。在一个实施例中，分流器翼型件144的翼展S2的高度是转子翼型件83的翼展S1的大约20%至大约50%。
分流器翼型件144用于局部增加转子级80的毂实度，从而防止来自转子翼型件83的上述流动分离。通过简单地增加转子翼型件83的数量，并因此减小叶片到叶片的间距，可获得类似的效果。然而，这具有增加空气动力学表面积摩擦损失的不期望的副作用，这将表现为空气动力学效率降低和转子重量增加。因此，可选择分流器翼型件144的尺寸和它们的位置，以防止流动分离，同时最小化它们的表面积。
参考图7、图9和图16，在一个实施例中，分流器翼型件144被定位成使得它们的后缘164相对于转子81处于与转子翼型件83的后缘94大致相同的轴向位置处。可以设想，分流器翼型件144和转子翼型件83可针对各种不同的应用布置成其它构型。
有利地，参考图2、图3和图6至图16，本公开的风扇转子81包括在转子翼型件83和分流器翼型件144之间延伸的围带200。以这种方式，本公开的围带200改善了转子空气动力学性能，并且同时减轻了风扇设计的重量。例如，本公开的围带200改善了转子性能(例如，部分叶尖围带赋予拐角间隙流动益处)，并且通过使用围带200来设定模态频率降低了对频率分布的全翼型件毂厚度要求，从而改善性能、毂压力比、重量和对间隙的敏感性。
使用围带200将分流器翼型件144与转子翼型件83协同地结合解决了上述技术问题，并且能够(1)实现重量减轻的设计，(2)通过实现更薄的翼型件和更激进的转子前缘前掠水平而改善空气动力学性能和失速范围，(3)消除作为总压力损失的另一来源的分流器叶片尖端涡流，从而进一步改善分流转子空气动力学性能，(4)通过分流转子翼型件数量的减少降低对转子叶尖间隙的敏感性，和/或(5)在风扇毂气流进入核心发动机高压压缩机入口之前，将风扇毂气流增压到更高的总压力水平，从而有助于提高循环操作压力比。
在示例性实施例中，本公开的围带200在转子翼型件83和分流器翼型件144之间延伸并连接转子翼型件83和分流器翼型件144。以这种方式，围带200能够在主叶片或翼型件83的毂区域中实现较低的最大厚度-翼弦比，这既减轻了“叶片盘”或“叶盘”的重量，又改善了主叶片或翼型件83的空气动力学性能。围带200还通过去除没有围带200时存在的尖端涡流来改善分流器叶片或翼型件的性能。
参考图2至图3和图6至图10，在示例性实施例中，本公开的围带200包括前缘212、后缘214、在前缘212和后缘214之间延伸的围带上表面216、以及在前缘212和后缘214之间延伸的相对的围带下表面218。围带上表面216和围带下表面218提供了用于引导和控制流体流动的翼型件表面。
参考图2至图3和图6至图10，在一个实施例中，围带200在转子翼型件83和分流器翼型件144之间延伸并连接转子翼型件83和分流器翼型件144。例如，围带200在转子翼型件83中的每一个的尖端86的径向内侧和转子翼型件83中的每一个的根部84的径向外侧的位置处连接到转子翼型件83。此外，在该实施例中，围带200连接到分流器翼型件144中的每一个的尖端156的一部分。
在示例性实施例中，通过将分流器翼型件144结合在本文公开的围带200下方，本公开的系统能够在沿核心向下行进进入高压压缩机之前对风扇毂流进行增压；减少和/或消除分流器尖端涡流(另一个损失源)，从而改善分流器性能；改善转子空气动力学性能；并且同时减轻重量。
参考图2、图3、图6和图7，在示例性实施例中，围带200包括多个连结的围带区段。例如，围带200可包括第一围带区段202和第二围带区段204。
参考图11，在另一个示例性实施例中，围带200在转子翼型件83和分流器翼型件144之间延伸并连接转子翼型件83和分流器翼型件144。例如，围带200在转子翼型件83中的每一个的尖端86(图4)的径向内侧和转子翼型件83中的每一个的根部84(图4)的径向外侧的位置处连接到转子翼型件83。此外，在该实施例中，围带200在分流器翼型件144中的每一个的尖端156(图5)的径向内侧和分流器翼型件144中的每一个的根部154(图5)的径向外侧的位置处连接到分流器翼型件144。在图11所示的实施例中，围带向分流器翼型件144的尖端156的内侧延伸。可以设想，在其它实施例中，对于其它期望的应用，围带200可从分流器翼型件144的尖端156朝向分流器翼型件144的根部154进一步向内延伸。
参考图13，在另一个示例性实施例中，围带200在转子翼型件83和分流器翼型件144之间延伸并连接转子翼型件83和分流器翼型件144。例如，围带200在转子翼型件83中的每一个的尖端86的径向内侧和转子翼型件83中的每一个的根部84的径向外侧的位置处连接到转子翼型件83。此外，在其它示例性实施例中，围带200的不同部分可连接到相应的分流器翼型件144的不同部分。例如，围带200的第一部分206可在第一构型中连接到第一分流器翼型件170，例如，在第一分流器翼型件170的尖端156的径向内侧和第一分流器翼型件170的根部154的径向外侧的位置处，如图11所示。此外，在示例性实施例中，围带200的第二部分208可在第二构型中连接到第二分流器翼型件172，例如在第二分流器翼型件172的尖端156处，如图2至图3和图6至图7所示。换句话说，围带200的不同区段可连接到不同部分和/或以不同构型与相应的分流器翼型件144、170、172连接。参考图12和图13，在一些实施例中，围带200的第三部分210可处于第三构型，例如，围带200可相对于第三分流器翼型件174设置在邻近第三分流器翼型件174的尖端156的位置处。
在示例性实施例中，风扇14的转子81的部件(例如盘87、转子翼型件83和分流器翼型件144)可由能够承受操作中的预期应力和环境条件的任何材料构成。已知合适合金的非限制性示例包括铁合金、镍合金和钛合金。在一些实施例中，盘87、转子翼型件83和分流器翼型件144被描绘为一体的、整体的或单一的整体。这种类型的结构可被称为“叶片盘”或“叶盘”。本发明的原理同样适用于由独立部件构建成的转子。
本发明的另外的方面由以下条款的主题提供：
1. 一种用于燃气涡轮发动机的风扇，该风扇包括：转子，其包括至少一个转子级，该转子级包括限定流路表面的可旋转盘和从流路表面向外延伸的转子翼型件的阵列；分流器翼型件的阵列，其从流路表面向外延伸，其中分流器翼型件和转子翼型件以顺序布置设置；以及围带，其在转子翼型件和分流器翼型件之间延伸。
2. 根据前述条款中任一项所述的风扇，其中，围带在转子翼型件中的每一个的尖端的径向内侧和转子翼型件中的每一个的根部的径向外侧的位置处连接到转子翼型件。
3. 根据前述条款中任一项所述的风扇，其中，围带在分流器翼型件中的每一个的尖端的径向内侧和分流器翼型件中的每一个的根部的径向外侧的位置处连接到分流器翼型件。
4. 根据前述条款中任一项所述的风扇，其中，围带连接到分流器翼型件中的每一个的尖端的一部分。
5. 根据前述条款中任一项所述的风扇，其中，围带的第一部分在第一分流器翼型件的尖端的径向内侧和第一分流器翼型件的根部的径向外侧的位置处连接到第一分流器翼型件，并且其中，围带的第二部分在第二分流器翼型件的尖端处连接到第二分流器翼型件。
6. 根据前述条款中任一项所述的风扇，其中，围带的第三部分相对于第三分流器翼型件设置在邻近第三分流器翼型件的尖端的位置处。
7. 根据前述条款中任一项所述的风扇，其中，围带包括多个连结的围带区段。
8. 根据前述条款中任一项所述的风扇，其中，分流器翼型件的翼弦尺寸小于转子翼型件的翼弦尺寸。
9. 根据前述条款中任一项所述的风扇，其中，分流器翼型件的翼展尺寸小于转子翼型件的翼展尺寸。
10. 根据前述条款中任一项所述的风扇，其中，分流器翼型件和转子翼型件以交错和交替的布置设置。
11. 根据前述条款中任一项所述的风扇，其中，每个分流器翼型件大致位于两个相邻转子翼型件之间的中间。
12. 一种燃气涡轮发动机，包括：涡轮机核心，其能够操作以产生燃烧气体流；涡轮，其被构造成从燃烧气体提取能量以驱动风扇，其中，该风扇包括：转子，其包括至少一个转子级，该转子级包括限定流路表面的可旋转盘和从流路表面向外延伸的转子翼型件的阵列；分流器翼型件的阵列，其从流路表面向外延伸，其中分流器翼型件和转子翼型件以顺序布置设置；以及围带，其在转子翼型件和分流器翼型件之间延伸。
13. 根据前述条款中任一项所述的燃气涡轮发动机，其中，围带在转子翼型件中的每一个的尖端的径向内侧和转子翼型件中的每一个的根部的径向外侧的位置处连接到转子翼型件。
14. 根据前述条款中任一项所述的燃气涡轮发动机，其中，围带在分流器翼型件中的每一个的尖端的径向内侧和分流器翼型件中的每一个的根部的径向外侧的位置处连接到分流器翼型件。
15. 根据前述条款中任一项所述的燃气涡轮发动机，其中，围带连接到分流器翼型件中的每一个的尖端的一部分。
16. 根据前述条款中任一项所述的燃气涡轮发动机，其中，围带的第一部分在第一分流器翼型件的尖端的径向内侧和第一分流器翼型件的根部的径向外侧的位置处连接到第一分流器翼型件，并且其中，围带的第二部分在第二分流器翼型件的尖端处连接到第二分流器翼型件。
17. 根据前述条款中任一项所述的燃气涡轮发动机，其中，围带的第三部分相对于第三分流器翼型件设置在邻近第三分流器翼型件的尖端的位置处。
18. 根据前述条款中任一项所述的燃气涡轮发动机，其中，围带包括多个连结的围带区段。
19. 根据前述条款中任一项所述的燃气涡轮发动机，其中，分流器翼型件的翼弦尺寸小于转子翼型件的翼弦尺寸。
20. 根据前述条款中任一项所述的燃气涡轮发动机，其中，分流器翼型件的翼展尺寸小于转子翼型件的翼展尺寸。
本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何并入的方法。本发明的可专利性范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例包括不异于权利要求书的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言具有非实质性差异的等效结构要素，则这些其它示例旨在处于权利要求书的范围内。
虽然本公开已经被描述为具有示例性设计，但是本公开可在本公开的精神和范围内进一步修改。因此，本申请旨在涵盖使用本公开的一般原理的本公开的任何变型、用途或改编。此外，本申请旨在涵盖在本公开所属领域的已知或习惯实践范围内并且落入所附权利要求书的限制内的对本公开的这种偏离。

Claims (21)

1.一种用于燃气涡轮发动机的风扇，所述风扇包括：
转子，其包括至少一个转子级，所述至少一个转子级包括限定流路表面的可旋转盘、从所述流路表面向外延伸的转子翼型件的阵列，以及转子翼型件的阵列中的每个转子翼型件具有转子翼展尺寸并且是不间断的以提供沿预定方向的第一气流流；
分流器翼型件的阵列，其从所述流路表面向外延伸，其中，所述分流器翼型件、所述转子翼型件以顺序布置设置，以及分流器翼型件的阵列中的每个分流器翼型件具有尖端和分流器翼展尺寸并且是不间断的以提供沿预定方向的第二气流流，所述第二气流流有助于所述第一气流流，所述分流器翼展尺寸小于所述转子翼展尺寸；以及
围带，其在所述转子翼型件和所述分流器翼型件之间延伸，所述围带相对于所述尖端定位，以抵消尖端处进入第二气流流的空气动力学涡流泄漏压力损失。
2.根据权利要求1所述的风扇，其特征在于，所述围带在所述转子翼型件中的每一个的尖端的径向内侧和所述转子翼型件中的每一个的根部的径向外侧的位置处连接到所述转子翼型件。
3.根据权利要求2所述的风扇，其特征在于，所述围带在所述分流器翼型件中的每一个的所述尖端的径向内侧和所述分流器翼型件中的每一个的根部的径向外侧的位置处连接到所述分流器翼型件。
4.根据权利要求2所述的风扇，其特征在于，所述围带连接到所述分流器翼型件中的每一个的所述尖端的一部分。
5.根据权利要求2所述的风扇，其特征在于，所述围带的第一部分在第一分流器翼型件的所述尖端的径向内侧和所述第一分流器翼型件的根部的径向外侧的位置处连接到所述第一分流器翼型件，并且其中，所述围带的第二部分在第二分流器翼型件的所述尖端处连接到所述第二分流器翼型件。
6.根据权利要求5所述的风扇，其特征在于，所述围带的第三部分相对于第三分流器翼型件设置在邻近所述第三分流器翼型件的所述尖端的位置处。
7.根据权利要求1所述的风扇，其特征在于，所述围带包括多个连结的围带区段。
8.根据权利要求1所述的风扇，其特征在于，所述分流器翼型件的翼弦尺寸小于所述转子翼型件的翼弦尺寸。
9.根据权利要求1所述的风扇，其特征在于，所述分流器翼型件和所述转子翼型件以交错和交替的布置设置。
10.根据权利要求1所述的风扇，其特征在于，每个分流器翼型件大致位于两个相邻转子翼型件之间的中间。
11.根据权利要求1所述的风扇，其特征在于，其中转子翼型件的阵列中的每个转子翼型件和分流器翼型件的阵列中的每个分流器翼型件是单个、连续和不间断的叶片。
12.一种用于燃气涡轮发动机的风扇，所述风扇包括：
转子，其包括至少一个转子级，所述至少一个转子级包括限定流路表面的可旋转盘、从所述流路表面向外延伸的转子翼型件的阵列；
分流器翼型件的阵列，其从所述流路表面向外延伸，其中，所述分流器翼型件、所述转子翼型件以顺序布置设置；以及
围带，其在所述转子翼型件和所述分流器翼型件之间延伸；
其中所述围带在所述转子翼型件中的每一个的尖端的径向内侧和所述转子翼型件中的每一个的根部的径向外侧的位置处连接到所述转子翼型件；以及
其中所述围带的第一部分在第一分流器翼型件的所述尖端的径向内侧和所述第一分流器翼型件的根部的径向外侧的位置处连接到所述第一分流器翼型件，并且其中，所述围带的第二部分在第二分流器翼型件的所述尖端处连接到所述第二分流器翼型件。
13.根据权利要求12所述的风扇，其特征在于，转子翼型件的阵列中的每个转子翼型件和分流器翼型件的阵列中的每个分流器翼型件是单个、连续和不间断的叶片。
14.一种燃气涡轮发动机，包括：
涡轮机核心，其能够操作以产生燃烧气体流；
涡轮，其被构造成从所述燃烧气体提取能量以驱动风扇，其中，所述风扇包括：
转子，其包括至少一个转子级，所述至少一个转子级包括限定流路表面的可旋转盘、从所述流路表面向外延伸的转子翼型件的阵列，以及转子翼型件的阵列中的每个转子翼型件具有转子翼展尺寸并且是不间断的以提供沿预定方向的第一气流流；
分流器翼型件的阵列，其从所述流路表面向外延伸，其中，所述分流器翼型件和所述转子翼型件以顺序布置设置，以及分流器翼型件的阵列中的每个分流器翼型件具有尖端和分流器翼展尺寸并且是不间断的以提供沿预定方向的第二气流流，所述第二气流流有助于所述第一气流流，所述分流器翼展尺寸小于所述转子翼展尺寸；以及
围带，其在所述转子翼型件和所述分流器翼型件之间延伸，所述围带相对于所述尖端定位，以抵消尖端处进入第二气流流的空气动力学涡流泄漏压力损失。
15.根据权利要求14所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述围带在所述转子翼型件中的每一个的尖端的径向内侧和所述转子翼型件中的每一个的根部的径向外侧的位置处连接到所述转子翼型件。
16.根据权利要求15所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述围带在所述分流器翼型件中的每一个的所述尖端的径向内侧和所述分流器翼型件中的每一个的根部的径向外侧的位置处连接到所述分流器翼型件。
17.根据权利要求15所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述围带连接到所述分流器翼型件中的每一个的所述尖端的一部分。
18.根据权利要求15所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述围带的第一部分在第一分流器翼型件的所述尖端的径向内侧和所述第一分流器翼型件的根部的径向外侧的位置处连接到所述第一分流器翼型件，并且其中，所述围带的第二部分在第二分流器翼型件的所述尖端处连接到所述第二分流器翼型件。
19.根据权利要求18所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述围带的第三部分相对于第三分流器翼型件设置在邻近所述第三分流器翼型件的所述尖端的位置处。
20.根据权利要求14所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述围带包括多个连结的围带区段。
21.根据权利要求14所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述分流器翼型件的翼弦尺寸小于所述转子翼型件的翼弦尺寸。
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