CN115151710B - 用于飞行器涡轮发动机的旋转叶片盘的包括具有优化的非恒定横截面的密封唇的叶片 - Google Patents

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Abstract

为了增加用于飞行器涡轮发动机的叶片密封唇的惯性，从而提高这种密封唇的使用寿命，该密封唇(48)的形状被设计成在其外表面(S2)中具有凹陷(98)，以及在其内表面(S1)上具有对应的凸起，该凹陷和凸起由在密封唇和叶片主体(40)之间的连接横截面(60)限定，并且在距密封唇的自由轴向端(62)一距离处形成。

Description

用于飞行器涡轮发动机的旋转叶片盘的包括具有优化的非恒 定横截面的密封唇的叶片
技术领域
本发明涉及用于飞行器涡轮发动机的旋转叶片盘的叶片，该叶片包括至少一个密封唇，该密封唇从叶片主体轴向地延伸突出，并且具有两个相对的圆周端以及自由轴向端，该自由轴向端的横截面由两个同心的圆形部分分别在内部和外部界定。
背景技术
在涡轮发动机中，在旋转叶片盘和定子结构之间的密封有时是通过密封唇和属于上文提及的定子结构的适用元件之间的配合来实施的，该定子结构紧邻旋转叶片盘的上游和下游布置，该密封唇从旋转叶片盘的每个叶片主体轴向地延伸突出。这种密封唇可以被布置在叶片根部和/或在叶片顶部，在叶片的上游侧和/或下游侧，从而能够限制来自主流路的空气泄漏。
在运转中，由于叶片盘的旋转，密封唇受到离心力，并且因此基本上受到弯曲应力。
在一些情况下，特别是在超高涵道比(UHBR)涡轮发动机(例如涵道比大约等于15)的高速低压涡轮的情况下，密封唇中的应力易于达到临界水平。
发明内容
本发明的目的特别是对于该问题提供简单、经济和有效的解决方案。
为此，本发明提出了一种用于飞行器涡轮发动机的旋转叶片盘的叶片，该叶片包括至少一个密封唇，该至少一个密封唇从叶片的主体轴向地延伸突出，并且具有两个相对的圆周端表面以及自由轴向端，其中，该自由轴向端的横截面由两个同心的圆形部分分别在内部和外部界定。
根据本发明，密封唇具有连接到叶片主体的连接横截面，该连接横截面由内部曲线和由外部曲线分别在内部和外部界定，内部曲线和外部曲线中的每个包括：
-相应的正中部分，该正中部分沿从叶片的顶部到叶片的根部的方向凸起；
-相应的第一中间部分，该第一中间部分从相应的正中部分朝向密封唇的圆周端表面中的第一圆周端表面连续延伸，并且沿从叶片的顶部到叶片的根部的方向凹陷，由此相应的第一拐点将相应的正中部分与相应的第一中间部分分开；
-相应的第二中间部分，该第二中间部分从相应的正中部分朝向密封唇的圆周端表面中的第二圆周端表面连续延伸，并且沿从叶片的顶部到叶片的根部的方向凹陷，由此相应的第二拐点将相应的正中部分与相应的第二中间部分分开；以及
-相应的第一端部分和相应的第二端部分，该第一端部分和第二端部分分别从相应的第一中间部分和相应的第二中间部分连续延伸，分别延伸到密封唇的圆周端表面中的第一圆周端表面和第二圆周端表面。
沿从叶片的顶部到叶片的根部的方向，内部曲线的每个部分被限定为面向外部曲线的对应的部分。
密封唇的横截面从连接到叶片主体的连接横截面到密封唇的自由轴向端是连续非恒定的。
根据本发明的密封唇的构造使得至少在靠近连接到叶片主体的连接横截面的区域中可以增加密封唇的惯性。
发明人确实发现，由已知类型的密封唇所承受的应力沿着连接到叶片主体的连接横截面和在该横截面附近最大，并且朝向这种密封唇的自由轴向端减小。
因此，根据本发明的密封唇能够更好地承受高应力，特别是在所谓的“高速”低压涡轮中。
本发明还具有与已知类型的构造相比不引起密封唇的质量显著增加的优点。
优选地，外部曲线通过位似变换形成内部曲线的图像。
优选地，对于内部曲线和外部曲线中的每个，相应的正中部分具有相应的极端部，该极端部沿从叶片的顶部到叶片的根部的方向相对于所讨论的曲线的相应的圆周端偏移一距离，该距离大于使内部曲线和外部曲线的相应的正中部分的相应的极端部分开的距离的一半，并且小于使内部曲线和外部曲线的相应的正中部分的相应的极端部分开的距离的1.5倍。
本发明还涉及一种用于飞行器涡轮发动机的可旋转叶片盘，该可旋转叶片盘包括一环形排的上述类型的叶片以及在叶片中的每个叶片中的两个同心的圆形部分，该叶片围绕旋转叶片盘的轴线分布，该圆形部分分别在内部和外部界定密封唇的自由轴向端的横截面，该圆形部分具有位于可旋转叶片盘的轴线上的共同的曲率中心。
优选地，对于叶片中的每个叶片，使外部曲线形成内部曲线的图像的位似变换是一种比例变换，其中，中心位于旋转叶片盘的轴线上。
优选地，对于叶片中的每个叶片，相应的第一端部分和第二端部分是具有位于旋转叶片盘的轴线上的共同的曲率中心的圆形部分。
优选地，叶片的相应的密封唇成对地以空气动力学连续性延伸。
本发明还涉及一种用于飞行器涡轮发动机的涡轮，该涡轮包括至少一个上述类型的旋转叶片盘。
本发明还涉及一种飞行器涡轮发动机，该飞行器涡轮发动机包括至少一个上述类型的旋转叶片盘。
在本发明的实施例中，涡轮包括高压芯部和低压芯部，并且低压芯部包括上述类型的涡轮。
附图说明
通过阅读以下通过非限制性示例的方式并且参照附图起草的详细描述，本发明将被更好地理解，并且其进一步的细节、优点和特征将显现，其中：
-图1是根据本发明的优选实施例的飞行器涡轮发动机的示意性轴向截面图。
-图2是图1中的涡轮发动机的低压涡轮的示意性局部轴向截面半视图，该低压涡轮包括根据本发明的优选实施例的具有叶片的旋转叶片盘；
-图3是叶片的示意性局部透视图，该叶片包括根据已知类型的构造的密封唇；
-图4是图3中的叶片的密封唇的自由端的示意性前视图，其中，不考虑密封唇的总体曲率；
-图5是图3中的叶片的示意性局部透视横截面图，该图示出了密封唇与叶片主体的连接部段；
-图6是图3中的叶片的密封唇在密封唇与叶片主体的连接部段的平面中的示意性截面图，其中，不考虑密封唇的总体曲率；
-图7是根据本发明的优选实施例的图2中的低压涡轮的旋转叶片盘的叶片的示意性局部透视图，该叶片包括布置在叶片的根部的密封唇；
-图8是图7中的叶片的密封唇的自由端的示意性前视图，其中，不考虑密封唇的总体曲率；
-图9是图7中的叶片的示意性局部透视横截面图，该图示出了密封唇与叶片主体的连接部段；
-图10是图7中的叶片的密封唇在密封唇与叶片主体的连接部段的平面中的示意性截面图，其中，不考虑密封唇的总体曲率。
在这些附图中，相同的附图标记可指示相同的或等效的元件。
具体实施方式
图1示出了飞行器涡轮发动机10，一般说来，该涡轮发动机包括风扇12，该风扇用于吸入空气流，该空气流在风扇的下游分成主流和次级流，在涡轮发动机的芯部中，主流在主流通道(在下文中被称为主流路PF)中流通，次级流在次级流通道(在下文中被称为次级流路SF)中绕过该芯部。
例如，涡轮发动机是双流双芯类型。因此，涡轮发动机的芯部一般说来包括低压压缩机14、高压压缩机16、燃烧室18、高压涡轮20和低压涡轮22。
高压压缩机和高压涡轮的各自的转子由被称为“高压轴”的转子轴连接，而低压压缩机和低压涡轮的各自的转子由被称为“低压轴”的转子轴连接。
涡轮发动机由围绕次级流路SF的机舱24整流。
转子轴绕涡轮发动机的轴线28可旋转地安装。
在整个描述中，轴向方向X是轴线28的方向。径向方向R在与轴线28正交并且穿过轴线的任意点上，圆周方向C在与径向方向R和轴线28正交的任意点上。横向平面是与轴线28正交的平面。术语“内”和“外”分别指元件相对于轴线28的相对接近和相对远离。最后，参照沿轴向方向X在涡轮发动机的主流路PF和次级流路SF中的气体流动的总体方向，限定了“上游”和“下游”方向。
图2示出了旋转叶片盘30和两个定子结构32和34，该两个定子结构分别布置在旋转叶片盘30的上游和紧邻下游。
例如，旋转叶片盘30被布置在低压涡轮22中，例如在低压涡轮22的入口处，在这种情况下，上文提及的两个定子结构32和34分别是涡轮间框架和导向叶片组件。
旋转叶片盘30包括一环形排叶片36，该一环形排叶片中的一个叶片在图2中可见。这些叶片36由盘38承载或与这种盘成一体。每个叶片36包括：主体40，该主体由根部42、顶部44以及翼型部46形成，根部在叶片的径向内端处，顶部例如为脚跟的形状，该顶部形成在叶片的径向外端处，该翼型部将根部42连接到顶部44。
设置密封装置是为了限制从主流路PF的空气泄漏，这将能够对涡轮发动机性能产生负面影响。
在主流路PF的径向内端处，这些密封装置包括：例如密封唇48，该密封唇在叶片的根部42处从每个叶片36的主体40朝向上游轴向地延伸；以及密封唇50，该密封唇也在叶片的根部42处从每个叶片36的主体40朝向下游轴向地延伸。密封唇48和密封唇50分别与由两个定子结构32和34分别承载的内密封环52和内密封环54配合。
在主流路PF的径向外端处，密封装置包括例如密封唇56，该密封唇从每个叶片36的主体40和从叶片的顶部44朝向上游轴向地延伸，并且与外密封环58配合。
图3至图6示出了根据已知构造的密封唇48的示例。
这种密封唇48从所讨论的叶片36的主体40轴向地延伸突出(图3)。换言之，密封唇48具有连接横截面60(图5和图6)以及自由轴向端62(图3和4)，连接横截面连接到叶片主体，由此密封唇48与叶片36的主体40连接。此外，密封唇48具有两个相对的圆周端表面64和66，每个圆周端表面在密封唇48的自由端62处将连接横截面60连接到叶片主体(图3)。
密封唇48通常具有厚度E(即，沿径向方向R的延伸)，该厚度从连接到叶片主体的连接横截面60到密封唇48的自由轴向端62减小。
不考虑该厚度的减小，密封唇48在其已知构造中具有从连接到叶片主体的连接横截面60直到密封唇48的自由轴向端62的恒定形状的横截面。
更具体地，在任何横截面平面上，密封唇48由两个圆形部分(分别为内圆形部分68和外圆形部分70)分别在内部和外部界定，内圆形部分和外圆形部分是同心的，并且其共同的曲率中心位于旋转叶片盘30的轴线上，该轴线与涡轮发动机的轴线28重合。应当注意，因此，外圆形部分70通过位似变换形成内圆形部分68的图像，该位似变换以位于涡轮发动机的轴线28上的点作为中心。
两个圆形部分68和70在其圆周端中的每个圆周端分别通过两个线段72和74彼此连接，该两个线段分别内接在密封唇48的两个相对的圆周端表面64和66中。
分别限定在密封唇48的任何横截面平面上的内圆形部分68的接合形成密封唇的内表面S1。类似地，分别限定在密封唇48的任何横截面平面上的外圆形部分70的接合形成密封唇的外表面S2。
线段72和74各自径向地延伸。因此，第一圆周端表面64内接在穿过涡轮发动机的轴线28的平面中，该第一圆周端表面由分别限定在密封唇48的任何横截面平面上的线段72的接合形成。类似地，第二圆周端表面66内接在也穿过涡轮发动机的轴线28的另一平面上，该第二圆周端表面由分别限定在密封唇48的任何横截面平面上的线段74的接合形成。
图4和图6分别示出了自由轴向端62和连接到叶片主体的连接横截面60，不考虑密封唇48的总体曲率，使得对应的横截面在这些图中以矩形的形式出现。
此外，如图3和图5所示，密封唇48的外表面S2由圆角75连接到叶片主体40。
图7至图10示出了根据本发明的优选实施例的密封唇48的示例，并且分别与图3至图6相似。
在图7至图10中的密封唇48与上面描述的已知类型的密封唇的不同之处在于，连接到叶片主体的连接横截面60在内部由内部曲线76界定并且在外部由外部曲线78(图9)界定，内部曲线和外部曲线各自包括相应的正中部分80、相应的第一中间部分82、相应的第二中间部分84、相应的第一端部分86和相应的第二端部分88(图10)，其特征在下文针对内部曲线76和外部曲线78中的任何一个被详细描述，并且对于内部曲线76和外部曲线78中的另一个也有效。
相应的正中部分80沿从叶片的顶部44到叶片的根部42的方向D凸起。方向D局部平行于径向方向R并且沿与径向方向相反的方向。换言之，正中部分80朝向叶片的根部42凸起。
相应的第一中间部分82从相应的正中部分80朝向密封唇的第一圆周端表面64连续延伸。相应的第一中间部分82沿从叶片的顶部44到叶片的根部42的方向D凹陷。因此，相应的第一拐点90将相应的正中部分80与相应的第一中间部分82分开。
相应的第二中间部分84从相应的正中部分80朝向密封唇的第二圆周端表面66连续延伸。相应的第二中间部分84沿从叶片的顶部44到叶片的根部42的方向D凹陷。因此，相应的第二拐点92将相应的正中部分80与相应的第二中间部分84分开。
相应的第一端部分86从相应的第一中间部分82连续延伸到所讨论的曲线的第一圆周端94，该第一圆周端限定在密封唇48的第一圆周端表面64中。
相应的第二端部分88从相应的第二中间部分84连续延伸到所讨论的曲线的第二圆周端96，该第一圆周端限定在密封唇48的第二圆周端表面66中。
因此，内部曲线76和外部曲线78中的每个具有周向地位于其圆周端94和96之间的相应的槽，并且槽的底部由相应的正中部分80限定。
此外，内部曲线76的上述部分中的每个限定为径向地面对，并且因此沿方向D面对外部曲线78的对应的部分。因此，内部曲线76和外部曲线78的相应的槽径向地对齐。
自由轴向端62由两个圆形部分界定，这两个圆形部分分别是内圆形部分68和外圆形部分70，类似于参照图3至图6所描述的圆形部分。
密封唇的横截面从连接到叶片主体的连接横截面60到密封唇48的自由轴向端62是连续非恒定的。换言之，密封唇48的内表面S1和外表面S2没有表面不连续性。
因此，在位于连接到叶片主体的连接横截面60和自由轴向端62之间的其他横截面平面中，密封唇48也由具有上文针对内部曲线76和外部曲线78所述的特征的内部曲线和外部曲线界定。
由于密封唇48的横截面的连续非恒定性质，因此由内部曲线和外部曲线中的每个的相应的正中部分80形成的槽的幅度在给定的横截面平面中特别小，因为该横截面平面远离连接到叶片主体的连接横截面60并且靠近自由轴向端62。
作为上述结果，密封唇48在其外表面S2中总体上具有槽98，在其内表面S1中具有凸台100(图7)。
在所示的实施例中，外部曲线78通过位似变换形成内部曲线76的图像，该位似变换以位于涡轮发动机的轴线28上的点作为中心。
此外，对于内部曲线76和外部曲线78中的每个，相应的正中部分80具有相应的极端部102、104，该极端部沿从叶片的顶部44到叶片的根部42的方向D，相对于所讨论的曲线的相应的圆周端94、96偏移距离L1，该距离大于使内部曲线76和外部曲线78的相应的正中部分80的相应的极端部102、104分开的距离L2的一半，并且小于上文提及的距离L2的1.5倍。距离L2对应于密封唇48在槽的底部处的厚度，该槽由外部曲线78的相应的正中部分80限定。
在所示的实施例中，对于内部曲线76和外部曲线78中的每个，相应的第一端部分86和第二端部分88是具有位于涡轮发动机的轴线28上的共同的曲率中心的圆形部分。
图10中，不考虑密封唇48的总体曲率，使得相应的端部分86、88在该图中以直线的形式出现。
相应的第一端部分86和第二端部分88的这种构造使得叶片36的相应的密封唇48能够成对地以空气动力学连续性延伸。换言之，密封唇48的每个第一圆周端表面64与连续的密封唇48的第二圆周端表面66沿周向对齐延伸。
这样，叶片36的相应的密封唇48的相应的内表面S1的组大致形成围绕涡轮发动机的轴线28的空气动力学上连续的外壳。这同样适用于外表面S2的组。换言之，因此密封唇48成对地以空气动力学连续性延伸。
上文关于叶片根部密封唇描述的具体特征显然对于叶片顶部密封唇也是有效的。
一般说来，根据本发明的密封唇48的构造使得至少在靠近连接到对应的叶片主体40的连接区域的区域中可以增加密封唇的惯性。
发明人确实发现，由已知类型的密封唇所承受的应力沿着连接到叶片主体的连接横截面和在该横截面附近最大，并且朝向这种密封唇的自由轴向端减小。
因此，对于叶片根部密封唇，模拟表明，本发明使得在外表面S2中的冯·米塞斯(Von Mises)应力可以减少17％，以及在内表面S1中的冯·米塞斯(Von Mises)应力可以减少27％。
因此，根据本发明的密封唇能够特别是在所谓的“高速”低压涡轮中，更好地承受高应力，并且因此具有更长的使用寿命。
本发明还具有与已知类型的构造相比不引起密封唇的质量显著增加的优点。

Claims (10)

1.用于飞行器涡轮发动机的旋转叶片盘(30)的叶片(36)，所述叶片包括至少一个密封唇(48)，所述至少一个密封唇从所述叶片的主体(40)轴向地延伸突出，并且具有两个相对的圆周端表面(64，66)以及一个自由轴向端(62)，其中，所述自由轴向端的横截面由两个同心的圆形部分(68，70)分别在内部和外部界定，
其特征在于，所述密封唇具有连接到所述叶片的主体(40)的连接横截面(60)，所述连接横截面由内部曲线(76)和外部曲线(78)分别在内部和外部界定，所述内部曲线(76)和所述外部曲线(78)中的每个包括：
-相应的正中部分(80)，所述正中部分沿从所述叶片的顶部(44)到所述叶片的根部(42)的方向(D)凸起；
-相应的第一中间部分(82)，所述第一中间部分从相应的所述正中部分(80)朝向所述密封唇的圆周端表面中的第一圆周端表面(64)连续延伸，并且沿从所述叶片的所述顶部到所述叶片的所述根部的所述方向(D)凹陷，由此相应的第一拐点(90)将相应的所述正中部分(80)与相应的所述第一中间部分(82)分开；
-相应的第二中间部分(84)，所述第二中间部分从相应的所述正中部分(80)朝向所述密封唇的圆周端表面中的第二圆周端表面(66)连续延伸，并且沿从所述叶片的所述顶部到所述叶片的所述根部的所述方向(D)凹陷，由此相应的第二拐点(92)将相应的所述正中部分(80)与相应的所述第二中间部分(84)分开；以及
-相应的第一端部分(86)和相应的第二端部分(88)，所述第一端部分和所述第二端部分分别从相应的所述第一中间部分(82)和相应的所述第二中间部分(84)连续延伸，分别延伸到所述密封唇的圆周端表面中的所述第一圆周端表面和所述第二圆周端表面(64，66)；
沿从所述叶片的所述顶部到所述叶片的所述根部的所述方向(D)，所述内部曲线(76)的每个部分被限定为面向所述外部曲线(78)的对应的部分；以及
所述密封唇的横截面从连接到所述叶片的主体(40)的所述连接横截面(60)到所述密封唇的所述自由轴向端(62)是连续非恒定的。
2.根据权利要求1所述的叶片，其中，所述外部曲线(78)通过位似变换形成所述内部曲线(76)的图像。
3.根据权利要求1或2所述的叶片，其中，对于所述内部曲线(76)和所述外部曲线(78)中的每个，相应的所述正中部分(80)具有相应的极端部(102，104)，所述极端部沿从所述叶片的所述顶部到所述叶片的所述根部的所述方向(D)，相对于所讨论的曲线的相应的所述圆周端(94，96)偏移一距离(L1)，所述距离大于使所述内部曲线(76)和所述外部曲线(78)的相应的所述正中部分(80)的相应的所述极端部(102，104)分开的距离(L2)的一半，并且小于使所述内部曲线(76)和所述外部曲线(78)的相应的所述正中部分(80)的相应的所述极端部(102，104)分开的所述距离(L2)的1.5倍。
4.用于飞行器涡轮发动机的旋转叶片盘(30)，所述旋转叶片盘包括一环形排的根据权利要求1至3中任一项所述的叶片(36)以及在所述叶片中的每个叶片中的所述两个同心的圆形部分(68，70)，所述叶片围绕所述旋转叶片盘的轴线分布，所述圆形部分分别在内部和外部界定所述密封唇的所述自由轴向端(62)的横截面，所述圆形部分具有位于所述旋转叶片盘的所述轴线上的共同的曲率中心。
5.根据权利要求4所述的旋转叶片盘，其中，对于所述叶片(36)中的每个叶片，使所述外部曲线(78)形成所述内部曲线(76)的图像的位似变换是一种比例变换，其中，所述中心位于所述旋转叶片盘的所述轴线上。
6.根据权利要求4或5所述的旋转叶片盘，其中，对于所述叶片中的每个叶片(36)，相应的所述第一端部分和所述第二端部分(86，88)是具有位于所述旋转叶片盘的所述轴线上的共同的曲率中心的圆形部分。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的旋转叶片盘，其中，所述叶片(36)的相应的所述密封唇(48)成对地以空气动力学连续性延伸。
8.用于飞行器涡轮发动机的涡轮(22)，所述涡轮包括至少一个根据权利要求4至7中任一项所述的旋转叶片盘(30)。
9.用于飞行器的涡轮发动机(10)，所述涡轮发动机包括至少一个根据权利要求4至7中任一项所述的旋转叶片盘(30)。
10.根据权利要求9所述的涡轮发动机，所述涡轮发动机包括高压芯部和低压芯部，其中，所述低压芯部包括根据权利要求8所述的涡轮(22)。
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