CN113891983A - 设置有用于易碎段脆化的凹部的涡轮叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涡轮发动机的涡轮叶片，该涡轮叶片包括片部(11)和根部(12)，根部包括具有带曲线轮廓的侧翼的支柱(13)，所述支柱包括易碎区，如果大于阈值的径向力、特别是在涡轮的超速状态期间的离心力施加在叶片上，易碎区适于经受支柱的破裂。易碎区包括形成在支柱的侧翼中的至少一个上的至少一个椭圆形易碎凹部(17)，所述椭圆形凹部沿纵向轴线(X‑X')在支柱的轴向方向上延伸，该纵向轴线平行于最小截面平面(P)或包含在该最小截面平面中，该最小截面平面包含支柱的最小截面。

Description

设置有用于易碎段脆化的凹部的涡轮叶片
技术领域
本发明涉及一种涡轮发动机的涡轮叶片(turbine vane)，尤其是涡轮叶片支柱(stilt)布置。叶片的支柱是支承叶片的片部的部件，该支柱在称为“枞树根部(fir-treeroot)”的下附接部与叶片平台之间径向延伸。
更具体地，本发明涉及自由涡轮涡轮发动机(free-turbine turbine engine)的涡轮叶片。
本发明还涉及一种包括这种叶片的涡轮发动机。
背景技术
通常，如图1所示，自由涡轮涡轮发动机包括气体发生器1，该气体发生器包括至少一个压缩机(该压缩机包括一个或多个压缩级2)、燃烧腔室3和涡轮，来自燃烧腔室的加压热气体在该涡轮中膨胀，且气体的动能和热能被转换成机械能以旋转连接涡轮和压缩机的轴，从而也致动压缩机。包括一个或多个涡轮级的、被称为自由涡轮的涡轮4设置在气体发生器1的涡轮的下游，并且与其机械分离。自由涡轮4由来自气体发生器1的气体旋转。
在自由涡轮涡轮发动机(该自由涡轮涡轮发动机例如，但不仅限于，在直升机推进单元中使用)中，自由涡轮在机械上独立于直升机旋翼，减速齿轮介于轴系与主旋翼之间。
在动力传输线发生破裂的情况下，例如在轴系或连接到减速齿轮的传输线破裂的情况下，由于施加在涡轮叶片上的阻力矩消失，涡轮可能会发现其自身处于超速情况。
这种超速情况可能是特别危险的，导致支承涡轮的级的叶片的至少一个旋转盘在离心力的作用下破裂，并触发极高能量碎片的释放，这些极高能量碎片无法由设置在发动机上的装甲(armour)容纳。
因此，有必要提供防止涡轮超速的保护系统。
在现有技术中，已经提出了称为“片部脱落(blade-shedding)”的超速保护系统，该系统涉及在叶片中形成易碎区，使得它们在预定旋转速度下破裂，防止将由离心力引起的任何盘破裂的风险。在这方面，可以参考GB881,850，它描述了一种用于驱动附件的涡轮，其中在叶片的片部的基部处钻孔。
因此，在超速风险的情况下，在叶片破裂后，以及失去其空气动力学配置(aerodynamic profile)的涡轮自然减速，并且可以停止旋转。自由涡轮减速以返回到可接受的速度，以这种方式防止由离心力引起的盘破裂的风险。
在这方面，已经提出对涡轮叶片根部的前缘进行机加工，以调整叶片颈部的截面，使得其在所需的速度下破裂，同时在叶片的枞树根部与盘的接收枞树根部的相应接收器之间保持足够的接触长度，以确保叶片在盘上的附接的机械强度。
在图2和图3中，示出了设有易碎段的叶片，该易碎段旨在破裂以防止超速。
可以看出，叶片的支柱4在枞树根部6与形成叶片的空气动力学配置5或片部的基部的平台之间延伸，该支柱包括凹入前缘7，用于在支柱中形成最小截面的易碎区，该易碎区适于使叶片能够从保护阈值速度脱离盘。
在图4中，示出了在热机械力作用下施用在叶片支柱中的径向应力。可以看出，产生局部减小支柱截面的凹入前缘7导致在减小的截面的角处、在前缘上出现最大应力区Z。最大应力的这种增加伴随着由于空气动力学配置相对于支柱颈部的未对准而出现额外力矩。
已经观察到，这个最大应力决定了叶片的疲劳寿命，使得在前缘中产生这个凹入区以使叶片局部变脆需要相对复杂的设计工作，以便限定支柱从其破裂的阈值，同时限制对叶片的疲劳寿命有害的最大应力的增加。
此外，使用具有增加的强度的材料来制造叶片导致针对相同的易碎段，支柱破裂的阈值速度的增加。
在叶片的前缘中产生尺寸增加的凹入区，以局部减小叶片支柱的截面，将不可能以抑制的方式、在不增加支柱上的最小截面上的最大应力的情况下减小支柱的破裂极限速度，并且因此减小叶片的疲劳寿命。因此，希望当使用高强度材料制造叶片时、能够降低支柱的破裂速度。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种涡轮叶片，该涡轮叶片设置有用于设定叶片破裂速度值而不增加叶片中的最大应力的易碎段。
因此，本发明涉及一种涡轮叶片，该涡轮叶片包括片部(blade)和根部(root)，根部包括具有带曲线轮廓的侧翼(lateral flank)的支柱，所述支柱包括易碎区，如果大于阈值的径向力、特别是在涡轮的超速状态期间的离心力施加在叶片上，该易碎区适于经受支柱的破裂。
易碎区包括形成在支柱的侧翼中的至少一个上的至少一个椭圆形易碎凹部，所述椭圆形凹部沿着纵向轴线在支柱的轴向方向上延伸，纵向轴线平行于最小截面平面或包含在最小截面平面中，其中支柱的最小截面位于最小截面平面内。
因此，该凹部通过增加施加在支柱的颈部中的平均应力而有助于使支柱的易碎段变脆，而不会显著增加在热机械力作用下局部产生的最大应力。因此，这有助于优化叶片破裂的极限速度的设定。
有利地，叶片安装在盘上，椭圆形凹部或各椭圆形凹部的纵向轴线包括在易碎性平面中，该易碎性平面位于距盘的旋转轴线的距离在h+0.06h与h-0.06h之间、优选在h+0.04h与h-0.04h之间的位置处，h是旋转轴线与最小截面平面(P)之间的距离，易碎性平面和最小截面平面彼此平行并平行于旋转轴线。
根据另一特征，支柱的易碎区由支柱的凹入区形成，该凹入区形成在支柱的前面和至少一个侧翼上，椭圆形凹部的最深区与支柱的最小截面平面相交。
例如，考虑到在凹部的最深点处，椭圆形凹部的最大深度在支柱的宽度的9％与35％之间，优选在支柱的宽度的10％与25％之间。
在一实施方案中，椭圆形凹部的最大深度在凹部的长度的10％与25％之间，优选地在凹部的长度的14％与20％之间。
在一实施方案，其中支柱的各侧翼包括椭圆形易碎凹部，凹部的质心(barycentre)与叶片的重心G在最小截面平面上的投影之间的距离在支柱的轴向长度的0％与20％之间，优选地在支柱的宽度的0％与15％之间。
有利地，椭圆形凹部具有曲线截面。
优选地，椭圆形凹部具有呈圆弧的截面。
本发明还涉及一种涡轮发动机涡轮，该涡轮包括转子，该转子包括至少一个盘和安装在该盘上的涡轮叶片集，各叶片都是如上所定义的叶片。
有利地，各叶片的椭圆形凹部或各椭圆形凹部的纵向轴线包括在易碎性平面中，该易碎性平面位于距盘的旋转轴线的距离在h+0.06h与h-0.06h之间、优选在h+0.04h与h-0.04h之间的位置处，h是盘的旋转轴线与最小截面平面之间的距离，易碎性平面和最小截面平面彼此平行并平行于所述旋转轴线。
通过阅读以下仅作为示例给出的描述，本发明的其它目的、特征和优点将变得显而易见。
附图说明
[图1]，上面已经提到，示出了根据现有技术的自由涡轮燃气涡轮的总体结构；
[图2]
[图3]，如上所述，分别是根据现有技术的叶片的前视图和立体图；
[图4]上面已经提到，示出了施加在图2和图3中的叶片支柱上的应力场；
[图5]
[图6]分别是根据本申请的叶片的前视图和立体图；
[图7]是图6的叶片的放大比例的详细视图；
[图8]是图5和图6的叶片的支柱在凹部的最深处的截面图；
[图9]示出了安装在转子盘上的图5和图6的叶片；
[图10]是图8的立体图；和
[图11]示出了施加在图5和图6中的叶片支柱上的应力场。
具体实施方式
在图5和图6中，示出了由总的附图标记10表示的涡轮发动机叶片，特别是自由涡轮叶片。
该叶片10包括片部11、枞树根部12、支柱13和平台14，该枞树根部旨在通过将根部12接合到在盘中形成的相应形状的壳体(也称为“接收器(receptacle)”)中而将叶片紧固到转子风险部上，支柱延伸枞树根部12。
枞树根部沿纵向轴线延伸，以本身已知的方式，纵向轴线可以与涡轮盘的旋转轴线A-A'形成角度，以增加枞树根部与盘之间的接触长度。一旦将叶片安装在盘上，枞树根部的轴线沿着盘中相应接收器的方向延伸。自由涡轮盘的接收器可设置成在盘的切平面中、相对于盘的轴向方向或多或少倾斜。换句话说，在盘的切平面中，在接收器的方向与盘的轴线之间形成角度。
可以看出，支柱13具有曲线形状。
在支柱的前面上、在叶片前缘的一侧上，支柱包括凹入形状15和也是凹入的侧翼16，以局部减小支柱的截面，以在支柱中限定易碎区。
叶片10还包括椭圆形的凹部17，即纵向尺寸大于其横向尺寸，凹部17形成在支柱13的侧翼中。每个凹部17沿着平行于或基本平行于枞树根部的纵向轴线X-X'延伸。因此，每个凹部的轴线X-X'可以像枞树根部的轴线一样与涡轮盘的旋转轴线A-A'形成角度，如图9所示。
每个凹部形成局部减小支柱颈部的截面的凹穴(pocket)，以便使支柱的易碎区域变脆，并设定片部从盘分离的超速极限速度。
例如，如图所示，支柱的每个侧翼包括至少一个凹部。本文每个侧翼包括凹部，支柱包括对称形成的一对凹部。
如图7所示，每个凹部包括被认为垂直于腔的纵向轴线的凹入截面，优选地是没有边缘的圆形截面。凹部的半径R优选地在凹部的长度的10％与25％之间，有利地在凹部的长度的14％与20％之间。
凹部的深度例如可以对应于凹部的半径，考虑在凹部的最深点处(图8)，凹部的深度有利地在支柱的最小宽度lmin的9％与35％之间。凹部的深度优选在支柱的宽度lmin的10％与25％之间。
参考图9，图9显示了安装在盘D的一部分上的叶片，每个凹部形成在支柱的侧翼的凹入表面中，并平行于纵向平面P延伸，纵向平面P与叶片颈部的最小宽度重合。
考虑到涡轮盘的旋转轴线A-A'与平面P之间的距离h，每个凹部的轴线X-X'包含在平面(以下称为易碎性平面)中，该平面与平面P重合，或者是平行于平面P且位于平面P的稍上方或上方。更具体地，易碎性平面位于距盘的旋转轴线A-A'的距离在h-0.06h与h+0.06h之间、优选地在h-0.0 4h与h+0.04h之间的位置处。此外，如果支柱包括一对对称形成的凹部，则易碎性平面包括两个凹部的两个各自的轴线X-X'。
此外，如图10所示，图10图示了凹部的最深点处的立体图和截面图，所有凹部的质心B与叶片的重心G在截面上的径向投影之间的距离d在支柱的最小截面的点处支柱的轴向长度L的0％与20％之间、优选地在长度L的0％与15％之间。沿平行于枞树根部的轴线的方向测量轴向长度L，该轴线可以有利地与涡轮盘的旋转轴线A-A'形成角度。该角度例如在5°与20°之间。
凹部的长度例如为枞树根部在最小截面的点处的总长度的约40％，并且凹部的深度为颈部宽度的约20％。
支柱的每个侧翼可以包括任意数量的凹部，以便局部地减小支柱的截面并因此设定叶片的极限旋转速度。
如上所述，凹部没有锐角，从而在前缘侧上、不会引起比由前表面中形成的凹入形状引起的应力更高的应力集中。
这些凹部可以通过增加施加在支柱颈部中的平均应力来设定叶片的破裂速度，而不会显著增加在对叶片寿命有害的热机械力作用下引起的最大应力。
实际上，如图11所示，图11图示了在热机械力作用下施加在叶片中的径向应力场，将凹部引入支柱的易碎区中不会导致最大应力的显著增加，该应力仍然集中在叶片前缘的凹入边缘的Z'区。例如，在图11所示的情况下，将椭圆形凹部引入支柱的两个侧翼中的每一个中，局部最大应力仅增加了1％。

Claims (9)

1.一种涡轮发动机的涡轮叶片(10)，所述涡轮叶片包括片部(11)和根部(12)，所述根部包括具有带曲线轮廓的侧翼的支柱(13)，所述支柱包括易碎区，如果大于阈值的径向力、特别是在所述涡轮的超速状态期间的离心力施加在所述叶片上，所述易碎区适于经受所述支柱的破裂，所述涡轮叶片的特征在于，所述易碎区包括形成在所述支柱的所述侧翼中的至少一个上的至少一个椭圆形易碎凹部(17)，所述椭圆形凹部沿纵向轴线(X-X')在所述支柱的轴向方向上延伸，所述纵向轴线平行于最小截面平面(P)或包含在最小截面平面(P)中，其中所述支柱的最小截面位于所述最小截面平面(P)中，所述支柱(13)的所述易碎区由所述支柱的凹入区(15)形成，所述凹入区形成在所述支柱的前面上和至少一个所述侧翼上，所述椭圆形凹部(17)的最深区与所述支柱的所述最小截面平面(P)相交。
2.根据权利要求1所述的叶片，所述叶片安装在涡轮发动机转子盘(D)上，其中，所述椭圆形凹部(17)或各所述椭圆形凹部(17)的所述纵向轴线(X-X')包括在易碎性平面中，所述易碎性平面位于距所述盘(D)的旋转轴线(A-A')的距离在h+0.06h与h-0.06h之间、优选在h+0.04h与h-0.04h之间的位置处，h是所述旋转轴线(A-A')与所述最小截面平面(P)之间的距离，所述易碎性平面和所述最小截面平面(P)彼此平行并平行于所述旋转轴线(A-A')。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的叶片，其中，考虑到在所述凹部的最深点处，所述椭圆形凹部(17)的最大深度(R)在所述支柱的宽度(lmin)的9％与35％之间，优选在所述支柱的宽度(lmin)的10％与25％之间。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的叶片，其中，所述椭圆形凹部(17)的最大深度(R)在所述凹部的长度的10％与25％之间，优选地在所述凹部的长度的14％与20％之间。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的叶片，其中，所述支柱的各所述侧翼包括椭圆形易碎凹部(17)，并且其中所述凹部的质心(B)与所述叶片的重心G在所述最小截面平面(P)上的投影之间的距离在所述支柱的轴向长度(L)的0％与20％之间，优选地在所述支柱的长度的0％到15％之间。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的叶片，其中，所述椭圆形凹部(17)具有曲线截面。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的叶片，其中，所述椭圆形凹部(17)具有呈圆弧的截面。
8.一种涡轮发动机涡轮，所述涡轮包括转子，所述转子包括至少一个盘和安装在所述盘上的涡轮叶片集，其特征在于，各所述叶片是根据权利要求1至7中任一项所述的叶片(10)。
9.根据权利要求8所述的涡轮，其中，各所述叶片的所述椭圆形凹部(17)或各所述椭圆形凹部(17)的所述纵向轴线(X-X')包括在易碎性平面中，所述易碎性平面位于距所述盘(D)的旋转轴线(A-A')的距离在h+0.06h与h-0.06h之间、优选在h+0.04h与h-0.04h之间的位置处，h是所述盘的所述旋转轴线(A-A')与所述最小截面平面(P)之间的距离，所述易碎性平面和所述最小截面平面(P)彼此平行并平行于所述旋转轴线(A-A')。
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