CN1955441A - 几何形状可变的入口导叶 - Google Patents

Abstract

一种入口导叶，能提供改善的光滑空气流和即使在高的倾角下也能避免气流的间隔。该入口导叶包括一个具有对置的侧表面的支杆，这些侧表面连续地弯曲，以便在该支杆的后缘处提供一种受控的速度分布。该入口导叶还包括一个有一在该支杆的后缘后面对准的前缘的折翼。通常，该支杆和折翼是一起设计的，使得在该支杆和折翼之间的间隙中的低动量的空气将被激励而被夹带于该折翼的边界层中。从该间隙来的空气流将仍然附着在该折翼上，以改善从折翼来的气流。

Description

几何形状可变的入口导叶

本发明根据由美国海军签订的NO 0019-02-C3003号合同在政府支持下完成的。美国政府对本发明拥有某些权益。

发明领域

本发明总的涉及涡轮发动机，尤其涉及一种几何形状可变的入口导叶。

背景技术

某些燃气涡轮发动机，特别是军用飞机用的燃气涡轮发动机，包括设置在压缩机入口前面或风机前面的几何形状可变的入口导叶。每个入口导叶包括一个有一前缘和后缘的固定支杆。一个折翼安置成使其前缘在支杆的后缘的后面。该折翼可以围绕其前缘附近的轴线作枢轴式转动，使得该折翼可以从一零偏转位置枢轴式转动到一完全偏转的位置。在该零偏转位置，该折翼的前缘和后缘基本上与该支杆的前缘和后缘对准并被掩蔽在其后面。在该完全偏转位置，该折翼相对于该支杆成一角度(如45度)，使折翼的前缘靠近支杆的后缘而折翼的后缘基本上偏转到空气流中，使得折翼的一个侧表面将空气流偏转到发动机中。

通常，在高速期间使用零偏转位置，而当发动机起动期间使用完全偏转位置。因此，许多先有的设计已经仅仅为零偏转位置而优化，但没有很多的考虑处于偏转位置中的入口导叶。结果，已知的入口导叶可以导致空气流与折翼隔开，这造成发动机中流入紊流甚至是脉动气流。这增大了入口导叶下游的部件的磨损。部分地，已知的入口导叶中的一些问题之所以出现是因为该支杆的后缘和折翼的前缘之间的间隙。流入该间隙的空气失去动量而后不均匀地流出，从而破坏折翼表面上的空气流。

有时候需要这样一种出口转动角，该角在零偏转位置的折翼的外端处是正的而在折翼的内端处是负的。该出口角为沿下游翼面的翼展的一些规定的入口角分布的形式。一些已知的折翼具有沿其翼展而变化的弧度，使得该折翼的弧度由从负(在内端处)切换为正(在外端处)。这种类型的折翼当其向一闭合位置偏转时可能有麻烦，此时外端具有沿折翼偏转方向的正弧度而内端具有与折翼偏转方向相反的负弧度。这可以导致高的损失和气流间隔。

发明概要

本发明提供一种即使在高的倾角下也能避免气流间隔的入口导叶。通常，支杆和折翼一起设计，使得支杆和折翼之间的间隙中的低动量空气将被激励而夹带于折翼的边界层中。从间隙来的空气流将仍然附着在该折翼上，从而改善从折翼来的气流。

在一个实施例中，该支杆具有对置的侧表面，这些侧表面连续地弯曲，从而在支杆的后缘处提供一种受控的速度分布。该折翼的前缘在支杆的后缘后面与其对准。该折翼包括一个有一与该前缘隔开的峰值的压力侧表面。该折翼的负压侧表面有一比压力侧表面上的峰值更与该前缘隔开的峰值，从而形成空气流的更缓慢的加速。

从下述说明书和附图可以最清楚地理解本发明的上述和其它特点。

附图简述

图1是一种其中可以使用本发明的入口导叶的示范涡轮发动机的截面图。

图2是沿图1的线2-2截面的截面图。

图3是与图2相似的图，其中折翼处于完全偏转的位置。

图4是图2中支杆的放大图。

图5是图2中折翼的放大图。

图6是入口导叶的第二实施例的一系列沿径向隔开的截面图。

图7例示在图6的10％截面图处的折翼的放大图。

图8例示一种第二替代的折翼。

图8A从后缘透视图的角度示意地例示该第二替代的折翼的变化。

图9是一种第三替代的折翼的上前缘的透视图。

图10例示一种按照本发明的入口导叶，该叶板带有一个可用于本发明的任何实施例中的任选的上边缘/端壁结合部。

优选实施例详述

图1表示一台围绕发动机中心线或轴向中心线轴线12沿圆周设置的燃气涡轮发动机10。发动机10包括压缩机16、燃烧区段18和涡轮机20。众所周知，在压缩机16中压缩的空气与在燃烧区段18中燃烧的燃料混合而在涡轮机20中膨胀。涡轮机20响应驱动压缩机16的膨胀而转动。

多个入口导叶30(示出一个)设置在压缩机16前面的中心线12的周围。入口导叶30中每一个包括一根支杆32(固定的翼面)和一个折翼34(可变倾角翼面)。折翼34围绕支杆32附近的轴线36而可以枢轴式地转动。虽然本发明的入口导叶30是与一种特定类型的燃气涡轮发动机10一起使用而示出的，但本发明不限于此而可以与任何已知类型的燃气涡轮发动机一起使用。

图2是当入口导叶处于零偏转位置时沿图1的通过入口导叶30的线2-2截取的截面图。入口导叶30有一中心线40，该中心线在该特定的实施例中均匀地平分一个对称的支杆32。但是，在特定的用途中，支杆32可以是非对称的。支杆32包括前缘42和后缘44。对置的侧表面46、48从前缘42延伸到后缘44。侧表面46、48每个有从前缘42到后缘44的连续弯曲，给予支杆32一种大体上翼面的形状，或更确切地说，一种具有截头后缘44的翼面形状。

如该示范实施例中所示，折翼34不需围绕中心线40完全对称。折翼34包括前缘52和后缘54，它们如该实施例中所示可以两者均位于在零偏转位置中的中心线40的同一侧。折翼34包括在前缘52和后缘54之前的压力侧表面56和负压侧表面58。活门34的枢轴式轴线36可以是或可以不是位于中心线40上。在该特定的实施例中，枢轴式轴线36更靠近折翼34的压力侧表面56(也即折翼34可以向其枢轴式转动的方向)；但是，具体的位置将取决于每种具体的用途。折翼34的前缘52与支杆32的后缘44之间隔开一个间隙59。

图示入口导叶30具有向图3中完全偏转位置枢轴式转动的折翼34。如图所示，折翼的前缘52仍然被掩蔽在支杆32的后缘44的后面，而折翼34的侧表面56和后缘54凸入空气流，以控制空气流并使其偏转。

图4和图5中分别示出支杆32和折翼34的放大图。支杆32和折翼34的细节将相对于这些图更详细地描述；但是，任何特定的细节对于一种特定的用途都是特有的，而本发明的主旨主要是提出一般的设计原理，虽然这些设计的特有细节也可以独立地取得专利。

参照图4，侧表面46、48每个具有从前缘42到后缘44的连续弯曲，给予支杆32大体上翼面的形状，或更具体地说，在该例子中是一种具有截头状后缘44的翼面形状。侧表面46、48从前缘42向外弯曲到大体上在中点处的支杆32的最大厚度，然后当其向后缘44延伸时渐窄成向内凸出的曲线。后缘44任选地包括一对从后缘44后面凸出的凸出部或脊60，在该对脊60之间形成凹部62。脊60有助于使流过间隙59的气流的能量减到最小。通过减慢流过间隙59的气流，可以更容易地利用折翼34上的边界层输送流出间隙59的气流。

通常，支杆32被设计成控制后缘44处的空气流的速度分布。需要优化倾角范围、缓慢拖曳、软失速和一种优选压力的长坡度。支杆32的锥形后区段提供一个刚巧在间隙59上游的受控的回收区(图2～3)。支杆32的厚度、拱度和截断位置是这样确定的，使得压力分布对折翼34是最优化的(图2～3)。支杆32的后缘厚度这样确定，使得它在其整个倾角范围内被掩蔽折翼34的前缘52(图2～3)。

图5更详细地例示折翼34。压力侧表面56和负压侧表面58从前缘52延伸到后缘54。压力侧表面56包括一个相对于中心线40的峰值厚度68，它在前缘52后面的隔开处。负压侧表面58包括一个相对于中心线40的峰值厚度70，它在前缘52后面的隔开处，并在压力侧表面56的峰值厚度68的后面。再一次，精确的形状70将取决于特定用途，但在该示范设计中，峰值厚度70基本上在峰值厚度68的后面，最好是其离前缘52的距离大于峰值厚度68离前缘52的距离的两倍。

压力侧表面56凸形地向外弯曲到峰值厚度68，然后凸形地向内弯曲到一个近似的中点，然后凹形也向外弯曲到后缘54。负压侧表面58从前缘52跨过中心线40凸形地向外弯曲到峰值厚度70，然后跨过中心线40凸形地向内弯曲到后缘54，虽然在折翼34的长度的最后三分之一中在负压侧表面58上弯曲极小。

折翼34的前缘52这样设计，使得它在整个倾角范围内被掩蔽在支杆32(图4)的轮廓的后面。这会尽可能减小间隙59的压力侧上的加速气流和间隙59的负压侧上的低速气流之间的压力差(图2～3)。

参照图2，在操作中，支杆32的侧表面46、48的连续弯曲和锥形向后部分处气流的受控减速提供一个气流对折翼34的前缘52的受控的速度分布。在图2中所示的零偏转位置中，空气流沿折翼34的侧表面56、58从支杆32的后缘44流动到活门34的前缘52。

在图3中示出的完全偏转的位置中，折翼34的压力侧表面56的峰值厚度68靠近支杆32的后缘44。但是，峰值厚度68也在压力侧表面56上的支杆32的侧表面46的延长线69与折翼34的压力侧表面56的相交点之后。在压力侧上，空气流从支杆32的后缘44跨过间隙59，然后沿折翼34的压力侧表面加速而流动到峰值厚度68，由此将任何动量小的空气抽出间隙59。在负压侧上，从支杆32的后缘44来的空气流跨过间隙59而流动，当其沿折翼34转动时减速，然后在负压侧表面58的长的连续凸形弯曲上以中等速率加速。因为峰值厚度68、70在间隙59的下游足够远，所以从间隙59出来的漏气流将被加速而在折翼34的边界层中被夹带。折翼34的拱度设计成在所有希望的倾角都能提供这样一种速度分布，它能激励气流通过间隙59而仍然附着在折翼34上传递所要的流出空气的角度。折翼34的厚度由通道要求决定，可以按照需要而比支杆32厚或薄。

图6是按照本发明的第二实施例的通过一个入口导叶130的一系列截面图。这些截面图沿处在标称的零偏转位置的入口导叶130的翼展而彼此沿径向隔开。该10％截面图是在离入口导叶的径向内边缘为入口导叶的10％的点处截取的。该30％截面图是在离该内边缘为翼展的30％的点处截取的，等等。

如上面背景中说明的，有时候需要有一个在截偏转位置处的同一折翼上的又是负的(在内端处)又是正的(在外端处)出口转动角。图6中的折翼134是一种“下弯的翼面”，它对一个正弯曲的折翼134给出一个负的空气角。这是通过在折翼134区段上(沿弦)而不是沿翼展引入一种双弯曲来完成的。折翼134的弯曲沿一个方向开始而后向着后缘154倒转。双弯曲的量用折翼区段倾角平衡，允许后缘154处的所要的负弯曲量被“转入”。因此，总拱度对于翼展下面的所有折翼134区段保持相同。这改善了在高的偏转角度下的气流附接。折翼134允许内端区段被设计用于在零偏转和完全偏转两种位置下的平衡和优化的性能。可能的原因是，当折翼134处在零偏转位置时，折翼134的最后40％或50％的区段起最大的作用(在尽可能小的拖曳中)，而当处在完全偏转位置时，折翼134的最初50％或60％的区段对于翼面成功地传递所要的性能(间隔最小或没有间隔)是最关键的。因此，折翼134的后缘154对于低的损失有好的高速弯曲，而同时对于当折翼134偏转时具有活相反方向的好的低速高转动弯曲。所有上述相对于图1～5描述的设计技术也适用于该实施例。

图7中示出图6的折翼134的10％区段图的放大图。压力侧表面156凸形地弯曲离开前缘152，然后非常缓慢地开始凹形地转向折翼134的最后三分之一中的后缘154。负压侧表面158从前缘152凸形的弯曲，而后向后缘154稍许凹形地弯曲。

图8中例示一个任选的特点，它能用于此处描述的任何折翼。在图8中所示的折翼234上，沿后缘254的极端从压力侧表面256垂直地凸出一个后缘薄片275。虽然后缘薄片275的真实尺寸将取决于折翼234的弯度、倾角范度和弦，但为了说明，图8中后缘薄片275的尺寸是放大的。当需要极高的倾角时，该后缘薄片275有助于气流的连续附接。

更普遍地，后缘薄片275在最大倾角变化的侧面上。因此，在图8A中示出的一种双弯曲的折翼234a中，后缘薄片275a可以从折翼234a的内部处靠近后缘254a的压力侧表面256a上凸出，在折翼234a的中心内逐渐消失，并在折翼234a的径向外部处的折翼234a的负压侧表面258a上逐渐地重现。

图9中例示的是能够用于此处描述的任何实施例的另一任选的特点。折翼234的前缘352和上缘353处的外径绞接式枢轴380包括一个有一锥形向后部分384的低轮廓流线盘。与前缘部分的上部向前成角度以便增强铰接式枢轴的先前设计相比，图9中所示的外径铰接式枢轴380提供结构的刚性而减小引入的阻塞量。

图10例示可以与此处描述的任何折翼一起使用的另一任选特点。一个入口导叶430包括可围绕枢轴轴线436转动的支杆432和折翼434。折翼434的上缘488以与端壁的球形内表面490互补的方式凸形地弯曲。球形内表面490由一个在枢轴轴线436和发动机中心线轴线12的交点处(图1)有一中心点的假想球形界定。折翼434的上边缘488的曲线也围绕该球形的中心点而界定。结果，折翼434的上缘488和球形内表面490之间的间隙在折翼434的全部倾角范围内保持恒定。

虽然已描述了本发明的优选实施例，但该技术的普通专业人员将认识到，在本发明的范围内可进行某些修改。为此，应当研究下述权利要求书来确定本发明的真实范围和内容。

Claims (29)

1.一种入口导叶，包括：

一个有一前缘和一后缘的固定翼面；以及

一个有一在该固定翼面的后缘后面的前缘的可变倾角翼面，该可变倾角翼面可以围绕一靠近该可变倾角翼面的前缘的轴线而可以作枢轴式的转动。

2.权利要求1的入口导叶，其特征在于，该固定翼面的后缘是截断的。

3.权利要求2的入口导叶，其特征在于，该固定翼面的后缘包括至少一个面向后部的凹部。

4.权利要求2的入口导叶，其特征在于，在该可变倾角翼面的整个倾角可变范围内，该可变倾角翼面的前缘保持被掩蔽在该固定翼面的被截断的后缘后面。

5.权利要求1的入口导叶，其特征在于，该固定翼面有一对在该前缘和后缘之间的侧表面，每个侧表面有从该前缘到该后缘的连续弧度。

6.权利要求1的入口导叶，其特征在于，该固定翼面的形状做成控制在后缘处的空气流的速度分布。

7.权利要求1的入口导叶，其特征在于，该可变倾角翼面在该前缘和后缘之间有一第一侧表面和一第二侧表面，该第一侧表面有一个在该前缘后面间隔一个第一距离的第一峰值该第二侧表面有一个在该前缘后面间隔一个比该第一距离大的第二距离的第二峰值。

8.权利要求7的入口导叶，其特征在于，还包括一根穿过该固定翼面中心的中心线，其中当该入口导叶处在零偏转位置时该可变倾角翼面的前缘和后缘两者均位于该中心线的同侧。

9.权利要求7的入口导叶，其特征在于，该可变倾角翼面沿该第一侧表面的方向围绕该轴线可以枢轴式转动到一最大倾角，而其中，当该可变倾角翼面以枢轴式转到该最大倾角时，该第一峰值在该第一表面上的一个点之后暂有间隔，所述点位于该固定翼面后缘的切线上。

10.权利要求1的入口导叶，其特征在于，该可变倾角翼面的前缘从一内缘延伸到一外缘，而其中，该可变倾角翼面的前缘和后缘之间的距离在该外缘处大于在该内缘处。

11.权利要求10的入口导叶，其特征在于，该倾角的可变的翼面的前缘和后缘之间的距离从该内缘逐渐增大到该外缘。

12.权利要求10的入口导叶，其特征在于，该倾角的可变的翼面的拱度从该内缘增大到该外缘。

13.权利要求1的入口导叶，其特征在于，该倾角的可变的翼面的后缘不与该轴线平行。

14.权利要求1的入口导叶，其特征在于，该倾角的可变的翼面包括一个从其靠近该后缘的第一侧表面上凸出的后缘薄片。

15.权利要求14的入口导叶，其特征在于，该倾角的可变的翼面的后缘从一内缘延伸到一外缘，而其中，该后缘薄片从邻近该内缘而该非外缘的该第一侧表面凸出。

16.权利要求15的入口导叶，其特征在于，该后缘薄片是一第一后缘薄片，还包括一个从邻近该外缘而非该内缘的该第二侧表面凸出的第二后缘薄片。

17.权利要求1的入口导叶，其特征在于，该可变倾角翼面的前缘和后缘在一内缘和一外缘之间延伸，该外缘在该前缘和后缘之间呈凸形弯曲。

18.权利要求17的入口导叶，其特征在于，还包括一个有一带球形部分的内表面的座体，其中该可变倾角翼面的外缘靠近该座体内表面的球形部分。

19.权利要求1的入口导叶，其特征在于，该可变倾角翼面的前缘和后缘在一内缘和一外缘之间延伸，该可变倾角翼面的前缘的最上部分是直的，该可变倾角翼面包括一个在该外缘前部分上的法兰，该法兰经过该可变倾角翼面的前缘而向前凸出，并有一锥形后部分。

20.一种用于设计入口导叶的方法，包括以下步骤：

a)确定一个支杆的形状，以便控制该支杆的一后缘处的速度分布；

b)确定一个折翼的位置，使前缘邻近该支杆的后缘并与该支杆的后缘隔开一个间隙，该折翼有一个相对于该支杆有选择地可变的倾角；以及

c)根据该支杆的形状和该折翼的位置确定该折翼的形状，以便尽可能减小操作期间在该间隙中低动量气流的冲击。

21.权利要求20的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

d)确定一根枢轴轴线，使该折翼相对于该支杆作枢轴式转动。

22.权利要求21的方法，其特征在于，所述步骤c)和d)还包括下列步骤：确定该折翼和枢轴轴线的形状，使得在该折翼的整个可变倾角范围内该折翼的前缘被掩蔽在该支杆后缘的后面。

23.权利要求20的方法，其特征在于，在所述步骤a)中所确定的该支杆的形状包括一些侧表面，每个侧表面有从该支杆的前缘到后缘的连续拱度。

24.一种入口导叶的折翼，包括：

一个前缘；

一个后缘；

一个从该前缘延伸到该后缘的压力侧表面，该压力侧表面有一个在该前缘后面间隔一个第一距离的峰值；以及

一个从该前缘延伸到该后缘的负压侧表面，该负压侧表面有一个在该前缘后面间隔一个比该第一距离大的第二距离的峰值。

25.权利要求24的折翼，其特征在于，该折翼包括一个从该后缘附近的压力侧表面上垂直凸出的后缘薄片。

26.权利要求24的折翼，其特征在于，还包括一个从该前缘延伸到该后缘的上缘，其中该上缘是呈中凸形弯曲的。

27.权利要求26的折翼，其特征在于，该折翼包括一个有一轴线的枢轴连接，该轴线与一个跟该折翼间隔开的中心点相交，而其中该中心点是该折翼上缘的弯曲中心点。

28.一种包括权利要求24的折翼的入口导叶，其特征在于，该折翼以枢轴方式连接在一个有一对连续弯曲的侧表面的支杆的后缘的附近。

29.权利要求28的入口导叶，其特征在于，被设置在涡轮发动机的压缩机上游。

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