CN1311144C - 双弯曲压气机叶型 - Google Patents

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Abstract

一种压气机(12)包括压力和负压侧(18，20)，自叶根(22)延伸至叶顶(24)，并在前、后缘(26，28)之间延伸。横截面具有各自的弦和弧线。截面的重心(34)沿一双弯重叠轴线对齐，以改善性能。

Description

双弯曲压气机叶型
发明领域
本发明总的涉及燃气透平发动机，更具体地涉及其中的压气机或风扇。
背景技术
在涡扇航空器燃气透平发动机中，在运转期间空气在风扇和压气机中受压缩。该风扇空气被用来推动在飞行中的航空器。经压气机引导的空气在燃烧器内与燃料混合并点燃，以产生热燃气，流经透平级，透平级从中吸取能量，为风扇和压气机提供动力。
一般的涡扇发动机包括一多级轴流式压气机，它对空气增压，随后产生高压燃烧空气。该压缩空气当被压缩时扩散和减速。因此，压气机叶型须被设计成能减少不希望的气流分离，这种气流分离会有害的影响气流分离区和效率。
相反地，燃烧气体经透平级被加速，而透平叶片具有各种各样的空气动力学结构，以使能量提取具有最高的效率。
压气机中的基本原则是压缩空气的效率，在从起飞、巡航和着落操作的整个飞行包络范围内，具有充分的气流分离区。
然而，压气机效率和气流分离区通常存在相反的关系，提高效率一般相应于气流分离区缩小。气流分离区和效率的相互矛盾的要求在高性能军用发动机应用场合中是特别需要的，高性能军用发动机一般要求以牺牲压气机效率来换取高的气流分离区范围，这和要求不高的商业适用场合相反。
压气机叶型效率的最高化主要受沿叶型压力和负压侧的速度分布最佳化的影响。然而，在常规的压气机结构中，效率一般受合适的失速区要求的限制。效率的任何进一步增加一般会导致失速区的缩小，而相反，失速区的进一步增大会导致效率的下降。
一般，使对应于给定级的叶型湿表面积最小以相应减小叶型阻力来获得高效率。这通常是通过减小转子盘周围的叶型的实度或密度或增加叶型的翼展和弦长之展弦比达到的。
对于给定的转子速度，效率增加会缩小失速区。为得到高失速区，除了在低于最佳攻角下设计叶型外，可采用比最佳实度高的值和/或比最佳展弦比低的值。
通过增加转子速度也可提高失速区，但由于提高了空气流的马赫数，它增加了叶型的阻力这又降低了效率。
而且，压气机叶片经受受空气动力学设计影响的离心应力。为得到有效的叶片寿命，必须限制峰值应力，而这又限制了获得最佳空气动力学性能的能力。
因此，一般的压气机设计须包含一个兼顾效率和失速区的折衷方案，它还受可允许的离心应力的影响。
发明概述
因此，本发明的目的在于进一步改善压气机效率并提高失速区，同时限制离心应力，以改进燃气透平压气机的性能。
按照本发明的一个方面，提供一种压气机转子盘的叶型，具有轴向，切向和径向垂直轴线，包括：自叶根到叶尖径向延伸并在前、后缘之间轴向延伸的压力侧和负压侧；横截面，具有在所述前、后缘之间延伸的各自的弦和弧线，以及与双弯重叠轴线对齐的重心；所述重叠轴线具有两包含一切向重叠轴线和一轴向重叠轴线的垂直分量，所述切向重叠轴线包含一具有一个自根部向压力侧的最初向旋转方向偏曲的第一弯曲；一连结所述第一弯曲并在邻近叶尖处向所述负压级逆旋转方向偏曲的第二弯曲；邻近所述叶根的所述截面的安装角改变，以使在该处的所述负压侧弯曲而减少气流分离。
按照本发明的另一个方面，提供一种压气机转子盘的叶型，具有轴向，切向和径向垂直轴线，包括：自叶根到叶尖径向延伸并在前、后缘之间轴向延伸的压力侧和负压侧；横截面，具有在所述前、后缘之间延伸的各自的弦和弧线，以及与一双弯重叠轴线对齐的重心；所述负压侧在邻近所述叶根处沿所述后缘弯曲，以减少该处的气流分离；其中，所述重叠轴线具有两包含一切向重叠轴线和一轴向重叠轴线的垂直分量，所述切向重叠轴线是双弯曲的，以便在叶根处沿所述后缘使所述负压侧弯曲，所述轴向重叠轴线有一在所述叶共处向所述前缘向前倾斜的单弯，以便自所述叶根至叶尖沿所述前、后缘限定空气动力后掠。
按照本发明的再一个方面，提供一种压气机转子叶型，包括一双弯切向重叠轴线和一与其垂直的单弯轴向重叠轴线以及一个邻近叶根沿后缘弯曲以减少气流在该处分离的负压侧，所述切向重叠轴线包含一具有一个自根部向压力侧的最初向旋转方向偏曲的第一弯曲；一连结所述第一弯曲并在邻近叶尖处向所述负压级逆旋转方向偏曲的第二弯曲；邻近所述叶根的所述截面的安装角改变，以使在该处的所述负压侧弯曲而减少气流分离。
附图简述
在连同附图一起所作的下列详细说明中，按照优先和示例性实施例更加详尽地说明了本发明及其其它的目的和优点。
图1是按照本发明的示例性实施例的具有弯曲叶型的一部分燃气透平压气机转子级的等角投影图，这些叶型自整体转子盘径向向外延伸；
图2是大致沿2-2线所取的在切向和径向平面内的图1所示叶型中的一个叶型的后视等角投影图；
图3是大致沿3-3线所取的在轴向和径向平面内沿圆周伸出的图1所示的叶型中的一个的侧视图；
图4是沿4-4线所取的图3中所示的叶型的顶视图；
图5是图4中所示的示例性双弯切向重叠叶型轴线的曲线图。
优选实施例说明
图1中所示的是圆环形转子体10的一部分，该转子体限定燃气透平的多级轴流式压气机的一个级。该转子体包括若干沿圆周间隔的转子叶片或叶型12，它的自一整体转子盘14周边径向向外延伸，形成一单件整体组件。该转子体可采用常规的铣削或电化学加工来制造。
或者，这些叶型可制成带有整体燕尾，以便按另一种常规的构造形式可拆卸地安装在不连续的转子盘周边上的相应的燕尾槽内，
在运转期间，该转子体在图1中示例性顺时针方向转动，当空气16在相邻两叶面之间流动时将其压缩。这些叶型的廓线符合空气动力学造形，以使压缩效率最高，同时提供一稳定的高气流分离区，以提高压气机的性能。如图1所示的转子体10仅仅是若干级转子叶型中的一个，它可按本发明造形，在所允许的离心应力范围内通过共同提高效率和气流分离区两者来提高压气机性能。
尽管通常的折衷方案在空气动力学效率和气流分离区之间作出，然而为求解评估叶型性能的三维(3D)粘性流动方程式，现代计算机软件仍然是可用的。最终的叶型一般具有各不相同的三维构形，它显著不同于沿其宽度径向截面很小的普通的叶型。
图1表示一具体由三维分析揭示的双弯叶型12，在提高效率和气流分离区两方面，性能已改善，而在以前由于存在应力极限是不可能的。
转子盘14具有三个垂直的轴线，包括轴向X，切向或周向Y和径向Z。轴向轴线X沿相对于空气流16的下游方向穿过压气机。该切线轴线Y沿转子盘和叶型的转动方向延伸。而径向轴线Z自在其上有各叶型的转子盘周边径向向外延伸。
各叶型12包括一大致中凹的压力侧18和一大致中凸的负压侧20，自与转子盘周边整体连续的叶根或毂22径向或纵向延伸到径向外叶尖24。该两侧自叶根到叶尖在前后缘26、28之间沿弦或轴向延伸。
按照本发明的一个特点，叶型负压侧20沿靠近或邻近与该盘周边相交处的叶根22的尾缘28成侧向或切向弯曲。由于提高了叶片效率和改善了气流分离区，在该位置可大大减少空气流分离。
如图2中所示，负压侧后缘基本上仅沿切向弯曲。在图3中所示的轴向和径向平面X-Z的侧向投影图中，该负压侧弯曲是看不见的。然而，该叶型也可如图3中所示轴向弯曲，以进一步改善性能，如下文中以后所讨论的。
图1-3中所示的叶型如图4中所示从叶根到叶尖由若干径向或纵向重叠横截面限定。各截面具有空气动力学廓线，由在前、后缘26、28之间延伸压力侧和负压侧18、20的相应部分限定。每一廓线由在前。后缘之间轴向延伸的一直线30和为在压力侧和负压侧之间自前缘至后缘等距离间隔的中线的弧形弯曲线32限定。
压气机叶型12一般自叶根至叶顶扭弯，使压气机性能最佳。相对于各径向截面的扭弯是由在前缘26处在弦30和轴向轴线X之间测得的叶片安装角A限定。该安装角一般自叶根到叶尖增大，而在叶尖处大于叶根处。
各叶型截面还有一重心34，如图1中所示，它沿叶型的纵向宽度沿径向对齐在一重叠轴线36上，按照本发明的另一特点，该重叠轴线最好沿切向是双弯曲的。按照本发明，该重叠轴线36连同包含其弦30和弧线32的相应叶型截面允许叶型作3维限定，以提高性能。
更具体地说，图1中所示的重叠轴线36具有两垂直分量，包括在图2和5中所示的一切向重叠轴线36a和图3中所示的轴向重叠轴线36b。切向重叠轴线36a在邻近叶型根部是非线性的或弯曲的，使靠近后缘根部或毂部的叶型负压侧20弯曲。
如图1和5中所示，切向重叠轴线36a包括一第一拐弯或弯曲38，自叶根22到叶型的压力侧18向前或沿叶型和盘的向前旋转方向具有最初的偏曲。该第一弯曲38然后朝径向轴线Z转变为向后的偏曲。
重叠轴线36a还包含一第二拐弯或弯曲40，它自第一弯曲经过径向轴线Z，与叶型和盘的转动方向相反，沿邻近叶尖24的负压侧20，向后偏曲。该第二弯曲然后转变成朝径向轴Z的向前偏曲。相应地，邻近叶根的叶型横截面的安装角也改变，使负压侧沿后缘负压侧弯曲。
这样，该切向重叠轴线36a的双弯曲具有一大致S形，并将这些横截面的相应形状选成能基本上减少或消除在后缘处沿靠近叶型毂盘的负压侧的空气流分离，同时又减小离心应力。例如，后缘28从叶根到叶尖还具有大致S形。
该S型弯曲的重叠轴线允许后缘28基本上垂直于弯曲的负压侧20的叶根定向，并在其上方向后偏曲，如图1和2中所示。后缘28以交会角B与转子盘的周边或平台相交，否则，在后缘没有弯曲的情况下，该角会是明显的锐角。计算机分析表明锐角的后缘交角助长了毂盘的气流分离，它降低了叶型的效率。负压侧的弯曲减小了交角B的锐度，从而相应减少了气流分离，效率伴随提高。
然而，由于叶型是三维结构，它的各截面在空气动力学上和机械上相互关连成复杂的状态。因此，第一弯曲38的形状和沿旋转方向的切向偏曲量最好按空气动力学分析来控制，以消除或减少后缘处毂盘的气流分离。该第一弯曲还相应地将峰值离心应力自叶型根部移走而进入第一弯曲处的叶型截面。
此时为减小第一弯曲区内的离心应力，可应用机械或应力分析，以便沿与旋转相反的方向控制在第一弯曲的过渡外侧的切向重叠轴线廓线的其余部分。由于采用了第二弯曲40，它使重叠轴线沿旋转方向相对于叶型叶尖区再次偏曲，可使在第一弯曲区内叶根处的离心应力减小。
第一和第二弯曲38，40被配置在径向轴线Z的相反侧，穿过叶型叶根的重心，以限制峰值离心应力，及时使叶根处空气动力学性能最佳。两个弯曲包含了拐点，在这些拐点处，重叠轴线在向前和向后之间改变方向。此外，若需进一步减小叶根附近的离心应力，第二弯曲可向后延伸经过该径向轴线。
这样，S形弯曲的重叠轴线允许在运转期间离心负荷增加到轻微地拉直叶型并引起局部压缩弯应力，后者局部抵消离心张应力。
因此，该择优弯曲的叶型减少了毂盘处的气流分离，并仅受重叠轴线弯曲度的限制，在运转期间，由于可接受的弯曲应力，可能引起重叠轴线的弯曲度。所述外侧第二弯曲允许内侧第一弯曲的倾斜比它所能倾斜的大。改善毂盘气流会增加叶型的效率，而不会牺牲气流分离区，两者均处在可接受的应力极限内。
空气动力学后掠是一种用以评价压气机叶型性能的常规参数。尾部后掠可能因将叶型前缘26构形成具有轴向同平面的径向外部或外侧部而受到限制，该径向外侧部包含叶尖24，如图3中所示。而且，前缘26的其余径向内部或内侧部自外侧部朝叶根22向进轴向倾斜。
图3表示叶型12自其负压侧20轴向突出，并表示一直的前缘外侧部，后者最好位于一不变的轴向位置。当叶型根部接近于以虚线所示的径向线时，前缘的内侧部26向前倾斜。这样，叶型的空气动力学后掠在前缘处自叶根至叶尖受限制。
空气动力学后掠还可因将叶型后缘28择优构形而受到限制，如图3中所示。可利用轴向重叠轴线36b连同相应的弦长来控制后缘的构形。在一个优先实施例中，该后缘28有一轴向平面内侧部，包含根部22和一自内侧部至叶尖24的向前轴向倾斜的外侧部。
由于该重叠轴线包含切向和轴向两分量，该切向分量可用来帮助弯曲侧20在叶根处接近后缘，如图1和2中所示，以获得上述的优点。相应地，可选择重叠轴线的轴向分量来沿前缘和后缘26，28限制后掠，如图3中所示。将该重叠轴线连同叶型各横截面的形状一起构成，包括弦30的长度和弧线32的弯度的分配。
因此，重叠轴线的两分量和叶型横截面形状根据三维粘性流动分析可补充构形，以提高叶型效率和气流分离区，同时控制离心应力，从而产生如附图中所示的显著不同的3维构形。
负压侧弯曲度和S型重叠对于不同的叶型构造可用不同的组合来调节，以变更提高的空气动学性能和减小的离心应力的益处。这样，基于现代计算机分析的进步，最终的叶型12可设计成具有真正的三维性能。
虽然本文已说明了被认为是本发明的最优先的和示例性的实施例，然而，根据本文所述的技术，对于熟悉本技术的人们来说，本发明的其它修改会是显而易见的，因此，希望凡落在本发明的实际精神和范围内的所有这些修改都在所附权利要求书中得到保护。

Claims (12)

1.一种压气机转子盘(14)的叶型(12)，具有轴向，切向和径向垂直轴线，包括：
自叶根(22)到叶尖(24)径向延伸并在前、后缘(26、28)之间轴向延伸的压力侧和负压侧(18、20)；
横截面，具有在所述前、后缘之间延伸的各自的弦和弧线，以及与双弯重叠轴线(36)对齐的重心(34)；
所述重叠轴线(36)具有两垂直分量，包括一切向重叠轴线(36a)和一轴向重叠轴线(36b)，
所述切向重叠轴线(36a)包含一具有一个自根部(22)向压力侧(18)的最初向旋转方向偏曲的第一弯曲(38)；一连结所述第一弯曲并在邻近叶尖(24)处向所述负压级(20)逆旋转方向偏曲的第二弯曲(40)；邻近所述叶根的所述截面的安装角改变，以使在该处的所述负压侧弯曲而减少气流分离。
2.按权利要求1所述的叶型，其特征在于所述向前偏曲沿所述盘14顶部的叶型的转动方向，所述向后偏曲与所述转向相反。
3.按权利要求1所述的叶型，其特征在于所述后缘(28)在所述弯曲的负压侧(20)被定向或大体上垂直于所述叶根，并在其上方向后偏曲。
4.按权利要求1所述的叶型，其特征在于所述第一和第二弯曲(38，40)被配置在穿过所述叶型根部(22)的所述径向轴线的相反两侧。
5.按权利要求1所述的叶型，其特征在于所述安装角自叶根向叶尖增大。
6.按权利要求1所述的叶型，其特征在于所述切向重叠轴线自叶根至叶尖具有大致S形。
7.按权利要求1所述的叶型，其特征在于所述后缘(28)自叶根至叶尖具有大致S形。
8.一种压气机转子盘(14)的叶型(12)，具有轴向，切向和径向垂直轴线，包括：
自叶根(22)到叶尖(24)径向延伸并在前、后缘(26、28)之间轴向延伸的压力侧和负压侧(18、20)；
横截面，具有在所述前、后缘之间延伸的各自的弦和弧线，以及与一双弯重叠轴线(36)对齐的重心(34)；
所述负压侧(20)在邻近所述叶根(22)处沿所述后缘(28)弯曲，以减少该处的气流分离；
其中，所述重叠轴线具有两包含一切向重叠轴线(36a)和一轴向重叠轴线(36b)的垂直分量，所述切向重叠轴线是双弯曲的，以便在叶根(22)处沿所述后缘使所述负压侧弯曲，所述轴向重叠轴线有一在所述叶共处向所述前缘向前倾斜的单弯，以便自所述叶根至叶尖沿所述前、后缘限定空气动力后掠。
9.一种压气机转子叶型，包括一双弯切向重叠轴线(36)和一与其垂直的单弯轴向重叠轴线以及一个邻近叶根(22)沿后缘(28)弯曲以减少气流在该处分离的负压侧；
所述切向重叠轴线(36a)包含一具有一个自根部(22)向压力侧(18)的最初向旋转方向偏曲的第一弯曲(38)；一连结所述第一弯曲并在邻近叶尖(24)处向所述负压级(20)逆旋转方向偏曲的第二弯曲(40)；邻近所述叶根的所述截面的安装角改变，以使在该处的所述负压侧弯曲而减少气流分离。
10.按权利要求9所述的叶型，其特征在于所述重叠轴线具有大致S型，且所述后缘具有大致S型。
11.按权利要求10所述的叶型，其特征在于所述尾缘(28)在所述弯曲的负压侧被定向成大体垂直于所述根部。
12.按权利要求11所述的叶型，其特征在于所述后缘(28)自所述弯曲的负压侧向所述叶型顶部偏曲。
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