CN113260770B - 具有高颤振裕度的有最大翘曲定律的涡轮机叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮机转子叶片，该涡轮机转子叶片包括在叶片根部和叶片头部之间沿轴线堆叠的多个叶片截面，叶片根部和叶片头部在叶片根部和叶片尖端之间限定出叶片的高度，每个叶片截面包括弦和最大翘曲，最大翘曲由垂直于弦线并且连接弦线的一点和翘曲线的一点的段的最大长度限定，翘曲线由在截面内的所有与拱背和拱腹等距离的点形成，并验证了：在叶片中间高度处最大翘曲与弦之间的比以及在叶片头部处最大翘曲与弦之间的比介于叶片根部处最大翘曲与弦之间的比的25％至40％。

Description

具有高颤振裕度的有最大翘曲定律的涡轮机叶片

技术领域

本发明涉及涡轮机叶片领域，更具体地涉及涡轮机转子叶片领域。

本发明特别地旨在用于涡轮喷气发动机或涡轮机内的风扇。

背景技术

涡轮机包括至少一个叶片装置，例如风扇，该叶片装置包括多个叶片，该多个叶片围绕中心轴线径向地布置，例如围绕盘径向地布置。

这种类型的叶片装置形成转子(当该叶片装置是可移动的叶片装置或带有叶片的盘)或定子。

叶片可以被认为是相对于连续的环的突出部。两个相邻的叶片和环限定了气流通道。

每个叶片相对于中心轴线的近侧端部通常被称为叶片根部。特别地，叶根在此被认为是叶片的位于环上的部分。

远侧端部通常被称为叶片尖端。叶片根部与叶片尖端之间的距离称为叶片高度。

在叶片根部和叶片尖端之间，叶片理论上可以由垂直于径向轴线Z的截面或空气动力学剖面的堆叠来表示。

对于生产来说，叶片是复杂部件，因为这同时涉及叶片装置和涡轮机的空气动力学方面、机械方面和声学方面。

叶片和叶片装置的设计必须同时考虑空气动力学性能、机械阻力、以及质量、噪音和成本的降低。

设计必须保证叶片和叶片所附接的盘的最短寿命。

设计必须保证叶片装置的最小振动抗力(即足够的抗振性)或可接受的振动水平以确保机械抗力。

叶片装置必须能够抵抗异物吸入以及抵抗叶片的丢失，即叶片装置能够抵抗叶片部分或全部脱离盘的情况。

在设计叶片和叶片装置期间，必须考虑到颤振现象。

颤振是由于空气相对于叶片结构和叶片装置结构的相对运动而产生的空气动力学耦合。颤振是一种自维持现象，固体结构的改变会改变流体的流动，而流体的流动的改变会在固体结构上产生力。颤振可以迅速放大并导致风扇的叶片破裂，甚至损坏发动机。

颤振与结构设计强烈相关，因此一旦在风扇运行中检测到颤振现象，就难以消除甚至限制颤振现象。

因此，仍有可能禁止某些运行区以限制与颤振有关的风险，但这必然会降低风扇可以运行所处的飞行条件。

文献US 2018/0100399 A1提出了一种在考虑颤振现象的同时对涡轮转子叶片进行造型的方法。

因此，需要如下叶片和叶片装置：其中，出现颤振的运行区尽可能远离标称运行区，即需要具有最大可能的颤振裕度的叶片和叶片装置。

发明内容

本发明的总体目的是减轻现有技术的叶片和风扇的缺点。

特别地，本发明的目的是提出一种用于增加颤振裕度的解决方案。

还有另一个目的是提出一种用于在不增加叶片质量的情况下增加颤振裕度的解决方案。

在本发明的范围内，通过包括前缘、后缘、受压侧和吸入侧的涡轮机转子叶片来实现该目的，其中：

-在叶片的中间高度处的最大翘曲与弦之间的比介于在叶片根部处的最大翘曲与弦之间的比的25％至40％，

-在叶片尖端处的最大翘曲与弦之间的比介于在叶片根部处的最大翘曲与弦之间的比的25％至40％。

有利地，这种类型的装置由单独采取或组合采用的以下不同特征来完成：

-在叶片的中间高度处的最大翘曲与弦之间的比介于在叶片根部处的最大翘曲与弦之间的比的30％至35％之间，并且优选地达到在叶片根部处的最大翘曲与弦之间的比的大约三分之一，

-在叶片尖端处的最大翘曲与弦之间的所述比介于在叶片根部处的最大翘曲与弦之间的比的30％至35％之间，并且优选地达到在叶片根部处的最大翘曲与弦之间的比的大约三分之一，

-在叶片根部处的最大翘曲与弦之间的比介于10％至20％之间，并且优选地介于14％至17％之间，

-在叶片的中间高度处的最大翘曲与弦之间的比介于4％至7％之间，优选地介于4.7％至5.7％之间，

-叶片的每个截面的最大翘曲与弦之间的比根据高度的变化介于以下两者之间：

-第一函数，该第一函数由以下两者限定

ο第一线段，第一线段由在叶片根部处的最大翘曲与弦之间的等于14％的比和在叶片的中间高度处的最大翘曲与弦之间的等于4.7％的比限定，以及

ο第二线段，第二线段由在叶片中间高度处的最大翘曲与弦之间的等于4.7％的比和在叶片尖端处的最大翘曲与弦之间的等于4.7％的比限定，以及

-第二函数，该第二函数由以下两者限定

ο第三线段，第三线段由在叶片根部处的最大翘曲与弦之间的等于17％的比和在叶片的中间高度处的最大翘曲与弦之间的等于5.7％的比限定，以及

ο第四线段，第四线段由在叶片的中间高度处的最大翘曲与弦之间等于5.7％的比和在叶片尖端处的最大翘曲与弦之间的等于5.7％的比限定。

-最大翘曲与弦之间的比根据高度的变化是由两条线段限定的函数，这两条线段一方面在叶片根部与中间高度之间，另一方面在中间高度与叶片尖端之间，

-叶片的截面的最大翘曲与弦之间的所述比随着截面的高度从叶片根部增加到叶片中间高度而减小，然后最大翘曲与弦之间的比在叶片中间高度和叶片尖端之间保持为准恒定值，

本发明还涉及一种涡轮机风扇，该涡轮机风扇包括多个如上文所述的转子叶片。

本发明还涉及一种涡轮机，该涡轮机包括该类型的风扇。

附图说明

通过以下仅是说明性和非限制性的，并且必须参照附图来阅读的描述，本发明的其它特征和优点也将被展现，在附图中：

图1是涡轮机的示意性纵向截面。

图2是涡轮机风扇转子的示意性透视图。

图3是图2的转子的细节的示意性透视图。

图4示意性地示出了叶片的截面。

图5是示出了根据本发明的最大翘曲与叶片弦之比在叶片根部和叶片尖端之间的演变的图。

图6示意性地示出了与本发明实施例一致的风扇的运行线和根据现有技术的风扇的运行线。

具体实施方式

涡轮机-总体介绍

参照图1，示意性地示出了涡轮机，更具体地是轴向流动的双流涡轮喷气发动机1。所示的涡轮喷气发动机1包括风扇2、低压压缩机3、高压压缩机4、燃烧室5、高压涡轮6和低压涡轮7。

风扇2和低压压缩机3通过第一传动轴9连接到低压涡轮7，而高压压缩机4和高压涡轮6通过第二传动轴10连接。

在运行期间，由低压压缩机3和高压压缩机4压缩的空气流供给燃烧室5中的燃烧，燃烧气体的膨胀驱动高压涡轮机6和低压涡轮机7。因此，涡轮机6、7通过轴9和10驱动风扇2和压缩机3、4。由风扇2推动的空气和燃烧气体在涡轮喷气发动机1上施加反作用推力并通过涡轮喷气发动机在运载装置或例如为飞机的机器(未示出)上施加反作用推力，燃烧气体穿过涡轮机6、7下游的推进喷嘴(未示出)离开涡轮喷气发动机1。

涡轮喷气发动机1的每个压缩机3、4和每个涡轮6、7包括多个级，每个级由固定的叶片装置或定子以及旋转的叶片装置或转子形成。

参照图2，示意性地示出了涡轮机风扇转子11。转子11包括多个叶片12，该多个叶片12围绕转子11的旋转轴线A径向地布置，该旋转轴线基本平行于穿过涡轮喷气发动机1的工作流体的大致流动方向。

叶片12可由与转子的其余部分不同的部分组成，并通过现有技术中公知的附接装置(例如销钉紧固件或采油树状的附接件)施加到转子上。

参照图3，提供了图2的转子的一个细节的示意性透视图。每个叶片12具有一空间参考系统，该空间参考系统具有三个正交的轴线X、Y和Z。

X轴线与转子11的旋转轴线A平行，轴线Y与叶片12围绕旋转轴线A的旋转方向R相切，并且轴线Z是在横向于旋转轴线A的方向上的径向轴线。

每个叶片12包括叶片根部13和叶片尖端14，叶片根部13和叶片尖端14在径向轴线Z的方向上被叶片高度h分开。

在叶片根部13和叶片尖端14之间，叶片12理论上可以由在垂直于径向轴线Z的平面内的截面或空气动力学剖面15的堆叠来表示。

涡轮机转子叶片可描述为包括在叶片根部和叶片尖端之间沿轴线Z堆叠的多个截面，叶片根部和叶片尖端在叶片根部和叶片尖端之间限定出叶片的高度h。这种类型的平面P如图3和图4所示。

叶片12包括沿上游方向的前缘16、沿下游方向的后缘17、吸入侧18和受压侧19。

每个叶片截面可以描述为包括前缘和后缘。

在压缩机或风扇转子中，正常运行中的旋转方向R使得每个叶片12在其受压侧19的方向上移动。

图4中示意性地示出了具有弦线25和翘曲线27的叶片截面15。

弦线25是在该截面15中连接前缘16和后缘17的段，即线段。

在本文中，术语“弦”单独用来表示与弦线相对应的段的长度，即这两点之间的最大距离。

翘曲线27是等于在所述截面15中的吸入侧曲线18和受压侧曲线19的平均的曲线。更准确地说，翘曲线由所有与吸入侧18和受压侧19等距离的点形成。吸入侧的(或受压侧的)特定点的距离在此定义为该特定点与吸入侧(或受压侧)的点之间的最小距离。

另外在图4中用双箭头示出了：

-截面在垂直于弦线的方向上的最大厚度26(吸入侧18和受压侧19之间的最大距离)，

-在弦25和翘曲线27之间的最大距离或最大翘曲28；最大翘曲对应于垂直于弦线并连接弦线的点和翘曲线的点的段的最大长度；

-叶片截面的重心CG，该重心是叶片截面的质量重心。重心的位置在截面的平面中相对于轴线Z被限定、即通过在所述截面中沿着轴线X和Y的坐标来限定。

最大翘曲定律

叶片的最大翘曲根据如下截面高度而变化，该截面高度对应于叶片高度内的最大翘曲。

发明人已经注意到，最大翘曲定律使得有更好的颤振裕度。

当满足下列关系时，情况尤其如此：

-最大翘曲与中间高度的叶片弦之间的比介于叶片根部处的最大翘曲与弦之间的比的25％至40％，

-叶片尖端处的最大翘曲与弦之间的比介于叶片根部处的最大翘曲与弦之间的比的25％至40％。

如果在叶片的中间高度处的最大翘曲与弦之间的比介于在叶片根部处的最大翘曲与弦之间的比的30％至35％之间，并且优选地达到在叶片根部处的最大翘曲与弦之间的比的大约三分之一，则也获得更好的裕度。在此，大约三分之一表示等于三分之一加或减百分之一。

同样地，在叶片尖端处的最大翘曲与弦之间的比可介于在叶片根部处的最大翘曲与弦之间的比的30％至35％之间，并且优选地达到在叶片根部处的最大翘曲与弦之间的比的大约三分之一。

更准确地说，最大翘曲定律可以验证同样有助于增加颤振裕度的其他特征，例如：

在叶片根部处的最大翘曲与弦之间的比介于10％至20％之间，并且优选地介于14％至17％之间。

在叶片中间高度处的最大翘曲与弦之间的比介于4％至7％之间，优选地介于4.7％至5.7％之间

在叶片尖端处的最大翘曲与弦之间的比介于4％至7％之间，优选地介于4.7％至5.7％之间。

特别地，这些特征使得能够获得最大翘曲与弦之间的比的演变，使得最大翘曲与弦之间的比从叶片根部到叶片中间高度显著地减小，然后最大翘曲与弦之间的比在叶片中间高度与叶片尖端之间为准恒定值。

作为变型，叶片还可以验证以界限形式提出的最大翘曲定律：

在高度的0％处的最大翘曲与弦之间的比介于值r至s之间。

在高度的50％处的最大翘曲与弦之间的比介于值t至u之间。

在高度的100％处的最大翘曲与弦之间的比介于值v至w之间。

在图5的曲线图中示出了这一意义上的最大翘曲定律，其中最大翘曲与弦之间的比的值以横坐标示出，而叶片截面的高度以纵坐标示出，0％对应于在叶片根部处的参照，100％对应于叶片尖端。高度值的50％位于叶片的中间高度区域。在本文中，叶片的中间高度区域对应于介于叶片的高度的45％至高度的55％之间的高度区间。

在图5中，叶片的最大翘曲定律由曲线图上的实线中的曲线30表示。曲线30是作为高度的函数的、最大翘曲与弦之间的比根据高度的变化的图形表示。

在图5中，最大翘曲与弦之间的比的六个极限r、s、t、u、v和w被置于横坐标轴线上，与这些比相对应的是，相关高度的不同百分比被置于纵坐标轴线上。

r可介于17％至20％之间，并且优选地介于17％至18％之间；

s可介于10％至14％之间，并且优选地介于13％至14％之间；

t可介于5.7％至7％之间，并且优选地介于5.7％至6％之间；

u可介于4％至4.7％之间，并且优选地介于4.5％至4.7％之间；

v可介于5.7％至7％之间，并且优选地介于5.7％至6％之间；

w可介于4％至4.7％之间，并且优选地介于4.5％至4.7％之间。

以实线表示的曲线30介于两个极限曲线31和32之间，这两个极限曲线是两个分段仿射曲线(由多个线条部分或段弯曲形成)。

曲线31(以虚线表示)在这种情况下由两条射线限定：

-在与高度的0％处弦值等于r对应的点和高度的50％处弦值等于t的点之间延伸的一条射线，

-在高度的50％处弦值等于t的所述点和与高度的100％处弦值等于v对应的点之间延伸的另一条射线。

曲线32(以简单点线表示)由如下射线限定

-在高度的0％处弦值等于s的点和与高度的50％处弦值等于u对应的点之间延伸的射线，

-在与高度的50％处弦值等于u对应的所述点和高度的100％处弦值等于w的点之间延伸的射线。

两条曲线31、32之间的空间限定出了通道，对应于最大翘曲定律的图形位于该通道中。

所提出的最大翘曲定律对应于叶片，该叶片的形状在其上部部分接近平板的形状。这种类型的特征使得能够增加颤振裕度。

根据更一般的变型，最大翘曲定律可以验证也有助于增加颤振裕度的其他特征。例如，叶片的取决于叶片高度的最大翘曲定律可以对应于：叶片的每个截面的最大翘曲与弦之间的比根据高度的变化，并且该最大翘曲定律可以介于以下两者之间：

-第一函数，该第一函数由如下两者限定

ο第一线段，第一线段由在叶片根部处的最大翘曲与弦之间的比(等于14％)和在叶片中间高度处的最大翘曲与弦之间的比(等于4.7％)限定，以及

ο第二线段，第二线段由在叶片中间高度处的最大翘曲与弦之间的比(等于4.7％)和在叶片尖端处的最大翘曲与弦之间的比(等于4.7％)限定，以及

-第二函数，该第二函数由如下两者限定

ο第三线段，第三线段由在叶片根部处的最大翘曲与弦之间的比(等于17％)和在叶片中间高度处的最大翘曲与弦之间的比(等于5.7％)限定，以及

ο第四线段，第四线段由在叶片中间高度处的最大翘曲与弦之间的比(等于5.7％)和在叶片尖端处的最大翘曲与弦之间的比(等于5.7％)限定。

曲线30是最大翘曲和弦之间的比根据高度的变化的图形表示，曲线30介于刚刚限定的函数的两个图形表示之间。

更准确地说，对应于最大翘曲定律的图形可以沿着如下两条线段变化：这两条线段一方面是在叶片的根部和中间高度之间，另一方面是在中间高度和叶片尖端之间的。

等效地，最大翘曲与弦之间的比根据高度的变化可以是由如下两条线段限定的函数：这两条线段一方面在叶片的根部与中间高度之间，另一方面在中间高度与叶片尖端之间。

该图形还可以对应于叶片截面的如下最大翘曲与弦之间的比：该最大翘曲与弦之间的比随着截面高度的增加而减小。

特别地，该图形可以对应于叶片截面的如下最大翘曲与弦之间的比：当截面高度从叶片根部增加到叶片中间高度时，该最大翘曲与弦之间的比显著减小，然后在叶片的中间高度和叶片尖端之间保持准恒定值。

涡轮机风扇的运行线

参照图6，风扇的运行线示意性地示出作为流量的函数的压缩比。

曲线A1、A2、A3、A4和A5对应于五个发动机速度(即发动机的五个旋转速度)，该发动机包含现有技术中的风扇和叶片。在给定的速度下，飞行条件在曲线或发动机的运行点上施加位置，即一对流量和压缩比的值。理想地，发动机的运行点位于曲线C的附近，曲线C是标称运行曲线。

根据同一现有技术，曲线A10体现了颤振区的边界。位于曲线A1、A2、A3、A4或A5上以及曲线A10左侧的发动机运行点对应于大的颤振现象。

颤振裕度可以定义为曲线C和曲线A10之间的距离A11。

曲线B10体现了相应的发动机颤振区的边界。颤振裕度可以定义为曲线B10和曲线C(即标称运行曲线)之间的距离B11。

距离B11大于距离A11，该颤振裕度相对于先前的颤振裕度增加。

所提出的最大翘曲定律对应于叶片，该叶片的形状在其上部部分接近平板的形状。

平板与包括强弯曲部件和小扭转部件的运动相关联。

本发明提供的优点是在不降低叶片的机械性能或叶片的空气动力学性能的情况下增加颤振裕度。特别地，在不需要增加叶片的质量的情况下可以减少弯曲扭转耦合。

Claims (16)

1.一种涡轮机转子叶片，所述涡轮机转子叶片包括在叶片根部和叶片尖端之间沿轴线Z堆叠的多个叶片截面，所述叶片根部和所述叶片尖端在所述叶片根部和所述叶片尖端之间限定出所述叶片的高度，每个叶片截面包括前缘、后缘、受压侧(19)和吸入侧(18)、弦(25)以及最大翘曲(28)，所述弦由弦线的长度限定，所述弦线是连接所述前缘和所述后缘的段，所述最大翘曲由垂直于所述弦线并且连接所述弦线的一点和翘曲线的一点的段的最大长度限定，所述翘曲线由在所述截面内的所有与所述吸入侧(18)和所述受压侧(19)等距离的点形成，其特征在于：

-在所述叶片的中间高度处的最大翘曲与弦之间的比介于在所述叶片根部处的最大翘曲与弦之间的比的25％至40％，

-在叶片尖端处的最大翘曲与弦之间的比介于在所述叶片根部处的最大翘曲与弦之间的比的25％至40％。

2.根据权利要求1所述的涡轮机转子叶片，其中，在所述叶片的中间高度处的最大翘曲与弦之间的比介于在所述叶片根部处的最大翘曲与弦之间的比的30％至35％之间。

3.根据权利要求1或2所述的涡轮机转子叶片，其中，在叶片尖端处的最大翘曲与弦之间的比介于在所述叶片根部处的最大翘曲与弦之间的比的30％至35％之间。

4.根据权利要求1或2所述的涡轮机转子叶片，其中，在所述叶片根部处的最大翘曲与弦之间的比介于10％至20％之间。

5.根据权利要求1或2所述的涡轮机转子叶片，其中，在所述叶片的中间高度处的最大翘曲与弦之间的比介于4％至7％之间。

6.根据权利要求1或2所述的涡轮机转子叶片，其中，在叶片尖端处的最大翘曲与弦之间的比介于4％至7％之间。

7.根据权利要求1或2所述的涡轮机转子叶片，其中，所述叶片的每个截面的最大翘曲与弦之间的比根据高度的变化介于以下两者之间：

-第一分段仿射函数，所述第一分段仿射函数由以下两者限定：

·第一线段，所述第一线段由在所述叶片根部处的最大翘曲与弦之间的等于14％的比和在所述叶片的中间高度处的最大翘曲与弦之间的等于4.7％的比限定，以及

·第二线段，所述第二线段由在所述叶片的中间高度处的最大翘曲与弦之间的等于4.7％的比和在所述叶片尖端处的最大翘曲与弦之间的等于4.7％的比限定，以及

-第二分段仿射函数，所述第二分段仿射函数由以下两者限定：

·第三线段，所述第三线段由在所述叶片根部处的最大翘曲与弦之间的等于17％的比和在所述叶片的中间高度处的最大翘曲与弦之间的等于5.7％的比限定，以及

·第四线段，所述第四线段由在所述叶片的中间高度处的最大翘曲与弦之间的等于5.7％的比和在所述叶片尖端处的最大翘曲与弦之间的等于5.7％的比限定。

8.根据权利要求1或2所述的涡轮机转子叶片，其中，所述最大翘曲与所述弦之间的比根据高度的变化是由两条线段限定的分段仿射函数，所述两条线段一方面在所述叶片的中间高度与所述叶片根部之间，另一方面在所述叶片的中间高度与所述叶片尖端之间。

9.根据权利要求1或2所述的涡轮机转子叶片，其中，所述叶片的截面的最大翘曲与弦之间的比随着所述截面的高度从所述叶片根部增加到所述叶片的中间高度而减小，然后最大翘曲与弦之间的比在所述叶片的中间高度和所述叶片尖端之间保持为准恒定值。

10.根据权利要求2所述的涡轮机转子叶片，其中，在所述叶片的中间高度处的最大翘曲与弦之间的比达到在所述叶片根部处的最大翘曲与弦之间的比的三分之一的量级。

11.根据权利要求3所述的涡轮机转子叶片，其中，在叶片尖端处的最大翘曲与弦之间的比达到在所述叶片根部处的最大翘曲与弦之间的比的三分之一的量级。

12.根据权利要求4所述的涡轮机转子叶片，其中，在所述叶片根部处的最大翘曲与弦之间的比介于14％至17％之间。

13.根据权利要求5所述的涡轮机转子叶片，其中，在所述叶片的中间高度处的最大翘曲与弦之间的比介于4.7％至5.7％之间。

14.根据权利要求6所述的涡轮机转子叶片，其中，在叶片尖端处的最大翘曲与弦之间的比介于4.7％至5.7％之间。

15.一种涡轮机风扇，所述涡轮机风扇包括多个根据权利要求1至14中任一项所述的转子叶片。

16.一种涡轮机，其特征在于，所述涡轮机包括根据权利要求15所述的风扇。

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