專利名稱：幾何形狀可變的入口導葉的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及渦輪發(fā)動機，尤其涉及一種幾何形狀可變的入口導葉。
背景技術(shù)：
某些燃氣渦輪發(fā)動機，特別是軍用飛機用的燃氣渦輪發(fā)動機，包括設(shè)置在壓縮機入口前面或風機前面的幾何形狀可變的入口導葉。每個入口導葉包括一個有一前緣和后緣的固定支桿。一個折翼安置成使其前緣在支桿的后緣的后面。該折翼可以圍繞其前緣附近的軸線作樞軸式轉(zhuǎn)動，使得該折翼可以從一零偏轉(zhuǎn)位置樞軸式轉(zhuǎn)動到一完全偏轉(zhuǎn)的位置。在該零偏轉(zhuǎn)位置，該折翼的前緣和后緣基本上與該支桿的前緣和后緣對準并被掩蔽在其后面。在該完全偏轉(zhuǎn)位置，該折翼相對于該支桿成一角度(如45度)，使折翼的前緣靠近支桿的后緣而折翼的后緣基本上偏轉(zhuǎn)到空氣流中，使得折翼的一個側(cè)表面將空氣流偏轉(zhuǎn)到發(fā)動機中。
通常，在高速期間使用零偏轉(zhuǎn)位置，而當發(fā)動機起動期間使用完全偏轉(zhuǎn)位置。因此，許多先有的設(shè)計已經(jīng)僅僅為零偏轉(zhuǎn)位置而優(yōu)化，但沒有很多的考慮處于偏轉(zhuǎn)位置中的入口導葉。結(jié)果，已知的入口導葉可以導致空氣流與折翼隔開，這造成發(fā)動機中流入紊流甚至是脈動氣流。這增大了入口導葉下游的部件的磨損。部分地，已知的入口導葉中的一些問題之所以出現(xiàn)是因為該支桿的后緣和折翼的前緣之間的間隙。流入該間隙的空氣失去動量而后不均勻地流出，從而破壞折翼表面上的空氣流。
有時候需要這樣一種出口轉(zhuǎn)動角，該角在零偏轉(zhuǎn)位置的折翼的外端處是正的而在折翼的內(nèi)端處是負的。該出口角為沿下游翼面的翼展的一些規(guī)定的入口角分布的形式。一些已知的折翼具有沿其翼展而變化的弧度，使得該折翼的弧度由從負(在內(nèi)端處)切換為正(在外端處)。這種類型的折翼當其向一閉合位置偏轉(zhuǎn)時可能有麻煩，此時外端具有沿折翼偏轉(zhuǎn)方向的正弧度而內(nèi)端具有與折翼偏轉(zhuǎn)方向相反的負弧度。這可以導致高的損失和氣流間隔。
發(fā)明概要本發(fā)明提供一種即使在高的傾角下也能避免氣流間隔的入口導葉。通常，支桿和折翼一起設(shè)計，使得支桿和折翼之間的間隙中的低動量空氣將被激勵而夾帶于折翼的邊界層中。從間隙來的空氣流將仍然附著在該折翼上，從而改善從折翼來的氣流。
在一個實施例中，該支桿具有對置的側(cè)表面，這些側(cè)表面連續(xù)地彎曲，從而在支桿的后緣處提供一種受控的速度分布。該折翼的前緣在支桿的后緣后面與其對準。該折翼包括一個有一與該前緣隔開的峰值的壓力側(cè)表面。該折翼的負壓側(cè)表面有一比壓力側(cè)表面上的峰值更與該前緣隔開的峰值，從而形成空氣流的更緩慢的加速。
從下述說明書和附圖可以最清楚地理解本發(fā)明的上述和其它特點。
附圖簡述

圖1是一種其中可以使用本發(fā)明的入口導葉的示范渦輪發(fā)動機的截面圖。
圖2是沿圖1的線2-2截面的截面圖。
圖3是與圖2相似的圖，其中折翼處于完全偏轉(zhuǎn)的位置。
圖4是圖2中支桿的放大圖。
圖5是圖2中折翼的放大圖。
圖6是入口導葉的第二實施例的一系列沿徑向隔開的截面圖。
圖7例示在圖6的10％截面圖處的折翼的放大圖。
圖8例示一種第二替代的折翼。
圖8A從后緣透視圖的角度示意地例示該第二替代的折翼的變化。
圖9是一種第三替代的折翼的上前緣的透視圖。
圖10例示一種按照本發(fā)明的入口導葉，該葉板帶有一個可用于本發(fā)明的任何實施例中的任選的上邊緣/端壁結(jié)合部。
優(yōu)選實施例詳述圖1表示一臺圍繞發(fā)動機中心線或軸向中心線軸線12沿圓周設(shè)置的燃氣渦輪發(fā)動機10。發(fā)動機10包括壓縮機16、燃燒區(qū)段18和渦輪機20。眾所周知，在壓縮機16中壓縮的空氣與在燃燒區(qū)段18中燃燒的燃料混合而在渦輪機20中膨脹。渦輪機20響應驅(qū)動壓縮機16的膨脹而轉(zhuǎn)動。
多個入口導葉30(示出一個)設(shè)置在壓縮機16前面的中心線12的周圍。入口導葉30中每一個包括一根支桿32(固定的翼面)和一個折翼34(可變傾角翼面)。折翼34圍繞支桿32附近的軸線36而可以樞軸式地轉(zhuǎn)動。雖然本發(fā)明的入口導葉30是與一種特定類型的燃氣渦輪發(fā)動機10一起使用而示出的，但本發(fā)明不限于此而可以與任何已知類型的燃氣渦輪發(fā)動機一起使用。
圖2是當入口導葉處于零偏轉(zhuǎn)位置時沿圖1的通過入口導葉30的線2-2截取的截面圖。入口導葉30有一中心線40，該中心線在該特定的實施例中均勻地平分一個對稱的支桿32。但是，在特定的用途中，支桿32可以是非對稱的。支桿32包括前緣42和后緣44。對置的側(cè)表面46、48從前緣42延伸到后緣44。側(cè)表面46、48每個有從前緣42到后緣44的連續(xù)彎曲，給予支桿32一種大體上翼面的形狀，或更確切地說，一種具有截頭后緣44的翼面形狀。
如該示范實施例中所示，折翼34不需圍繞中心線40完全對稱。折翼34包括前緣52和后緣54，它們?nèi)缭搶嵤├兴究梢詢烧呔挥谠诹闫D(zhuǎn)位置中的中心線40的同一側(cè)。折翼34包括在前緣52和后緣54之前的壓力側(cè)表面56和負壓側(cè)表面58。活門34的樞軸式軸線36可以是或可以不是位于中心線40上。在該特定的實施例中，樞軸式軸線36更靠近折翼34的壓力側(cè)表面56(也即折翼34可以向其樞軸式轉(zhuǎn)動的方向)；但是，具體的位置將取決于每種具體的用途。折翼34的前緣52與支桿32的后緣44之間隔開一個間隙59。
圖示入口導葉30具有向圖3中完全偏轉(zhuǎn)位置樞軸式轉(zhuǎn)動的折翼34。如圖所示，折翼的前緣52仍然被掩蔽在支桿32的后緣44的后面，而折翼34的側(cè)表面56和后緣54凸入空氣流，以控制空氣流并使其偏轉(zhuǎn)。
圖4和圖5中分別示出支桿32和折翼34的放大圖。支桿32和折翼34的細節(jié)將相對于這些圖更詳細地描述；但是，任何特定的細節(jié)對于一種特定的用途都是特有的，而本發(fā)明的主旨主要是提出一般的設(shè)計原理，雖然這些設(shè)計的特有細節(jié)也可以獨立地取得專利。
參照圖4，側(cè)表面46、48每個具有從前緣42到后緣44的連續(xù)彎曲，給予支桿32大體上翼面的形狀，或更具體地說，在該例子中是一種具有截頭狀后緣44的翼面形狀。側(cè)表面46、48從前緣42向外彎曲到大體上在中點處的支桿32的最大厚度，然后當其向后緣44延伸時漸窄成向內(nèi)凸出的曲線。后緣44任選地包括一對從后緣44后面凸出的凸出部或脊60，在該對脊60之間形成凹部62。脊60有助于使流過間隙59的氣流的能量減到最小。通過減慢流過間隙59的氣流，可以更容易地利用折翼34上的邊界層輸送流出間隙59的氣流。
通常，支桿32被設(shè)計成控制后緣44處的空氣流的速度分布。需要優(yōu)化傾角范圍、緩慢拖曳、軟失速和一種優(yōu)選壓力的長坡度。支桿32的錐形后區(qū)段提供一個剛巧在間隙59上游的受控的回收區(qū)(圖2～3)。支桿32的厚度、拱度和截斷位置是這樣確定的，使得壓力分布對折翼34是最優(yōu)化的(圖2～3)。支桿32的后緣厚度這樣確定，使得它在其整個傾角范圍內(nèi)被掩蔽折翼34的前緣52(圖2～3)。
圖5更詳細地例示折翼34。壓力側(cè)表面56和負壓側(cè)表面58從前緣52延伸到后緣54。壓力側(cè)表面56包括一個相對于中心線40的峰值厚度68，它在前緣52后面的隔開處。負壓側(cè)表面58包括一個相對于中心線40的峰值厚度70，它在前緣52后面的隔開處，并在壓力側(cè)表面56的峰值厚度68的后面。再一次，精確的形狀70將取決于特定用途，但在該示范設(shè)計中，峰值厚度70基本上在峰值厚度68的后面，最好是其離前緣52的距離大于峰值厚度68離前緣52的距離的兩倍。
壓力側(cè)表面56凸形地向外彎曲到峰值厚度68，然后凸形地向內(nèi)彎曲到一個近似的中點，然后凹形也向外彎曲到后緣54。負壓側(cè)表面58從前緣52跨過中心線40凸形地向外彎曲到峰值厚度70，然后跨過中心線40凸形地向內(nèi)彎曲到后緣54，雖然在折翼34的長度的最后三分之一中在負壓側(cè)表面58上彎曲極小。
折翼34的前緣52這樣設(shè)計，使得它在整個傾角范圍內(nèi)被掩蔽在支桿32(圖4)的輪廓的后面。這會盡可能減小間隙59的壓力側(cè)上的加速氣流和間隙59的負壓側(cè)上的低速氣流之間的壓力差(圖2～3)。
參照圖2，在操作中，支桿32的側(cè)表面46、48的連續(xù)彎曲和錐形向后部分處氣流的受控減速提供一個氣流對折翼34的前緣52的受控的速度分布。在圖2中所示的零偏轉(zhuǎn)位置中，空氣流沿折翼34的側(cè)表面56、58從支桿32的后緣44流動到活門34的前緣52。
在圖3中示出的完全偏轉(zhuǎn)的位置中，折翼34的壓力側(cè)表面56的峰值厚度68靠近支桿32的后緣44。但是，峰值厚度68也在壓力側(cè)表面56上的支桿32的側(cè)表面46的延長線69與折翼34的壓力側(cè)表面56的相交點之后。在壓力側(cè)上，空氣流從支桿32的后緣44跨過間隙59，然后沿折翼34的壓力側(cè)表面加速而流動到峰值厚度68，由此將任何動量小的空氣抽出間隙59。在負壓側(cè)上，從支桿32的后緣44來的空氣流跨過間隙59而流動，當其沿折翼34轉(zhuǎn)動時減速，然后在負壓側(cè)表面58的長的連續(xù)凸形彎曲上以中等速率加速。因為峰值厚度68、70在間隙59的下游足夠遠，所以從間隙59出來的漏氣流將被加速而在折翼34的邊界層中被夾帶。折翼34的拱度設(shè)計成在所有希望的傾角都能提供這樣一種速度分布，它能激勵氣流通過間隙59而仍然附著在折翼34上傳遞所要的流出空氣的角度。折翼34的厚度由通道要求決定，可以按照需要而比支桿32厚或薄。
圖6是按照本發(fā)明的第二實施例的通過一個入口導葉130的一系列截面圖。這些截面圖沿處在標稱的零偏轉(zhuǎn)位置的入口導葉130的翼展而彼此沿徑向隔開。該10％截面圖是在離入口導葉的徑向內(nèi)邊緣為入口導葉的10％的點處截取的。該30％截面圖是在離該內(nèi)邊緣為翼展的30％的點處截取的，等等。
如上面背景中說明的，有時候需要有一個在截偏轉(zhuǎn)位置處的同一折翼上的又是負的(在內(nèi)端處)又是正的(在外端處)出口轉(zhuǎn)動角。圖6中的折翼134是一種“下彎的翼面”，它對一個正彎曲的折翼134給出一個負的空氣角。這是通過在折翼134區(qū)段上(沿弦)而不是沿翼展引入一種雙彎曲來完成的。折翼134的彎曲沿一個方向開始而后向著后緣154倒轉(zhuǎn)。雙彎曲的量用折翼區(qū)段傾角平衡，允許后緣154處的所要的負彎曲量被“轉(zhuǎn)入”。因此，總拱度對于翼展下面的所有折翼134區(qū)段保持相同。這改善了在高的偏轉(zhuǎn)角度下的氣流附接。折翼134允許內(nèi)端區(qū)段被設(shè)計用于在零偏轉(zhuǎn)和完全偏轉(zhuǎn)兩種位置下的平衡和優(yōu)化的性能。可能的原因是，當折翼134處在零偏轉(zhuǎn)位置時，折翼134的最后40％或50％的區(qū)段起最大的作用(在盡可能小的拖曳中)，而當處在完全偏轉(zhuǎn)位置時，折翼134的最初50％或60％的區(qū)段對于翼面成功地傳遞所要的性能(間隔最小或沒有間隔)是最關(guān)鍵的。因此，折翼134的后緣154對于低的損失有好的高速彎曲，而同時對于當折翼134偏轉(zhuǎn)時具有活相反方向的好的低速高轉(zhuǎn)動彎曲。所有上述相對于圖1～5描述的設(shè)計技術(shù)也適用于該實施例。
圖7中示出圖6的折翼134的10％區(qū)段圖的放大圖。壓力側(cè)表面156凸形地彎曲離開前緣152，然后非常緩慢地開始凹形地轉(zhuǎn)向折翼134的最后三分之一中的后緣154。負壓側(cè)表面158從前緣152凸形的彎曲，而后向后緣154稍許凹形地彎曲。
圖8中例示一個任選的特點，它能用于此處描述的任何折翼。在圖8中所示的折翼234上，沿后緣254的極端從壓力側(cè)表面256垂直地凸出一個后緣薄片275。雖然后緣薄片275的真實尺寸將取決于折翼234的彎度、傾角范度和弦，但為了說明，圖8中后緣薄片275的尺寸是放大的。當需要極高的傾角時，該后緣薄片275有助于氣流的連續(xù)附接。
更普遍地，后緣薄片275在最大傾角變化的側(cè)面上。因此，在圖8A中示出的一種雙彎曲的折翼234a中，后緣薄片275a可以從折翼234a的內(nèi)部處靠近后緣254a的壓力側(cè)表面256a上凸出，在折翼234a的中心內(nèi)逐漸消失，并在折翼234a的徑向外部處的折翼234a的負壓側(cè)表面258a上逐漸地重現(xiàn)。
圖9中例示的是能夠用于此處描述的任何實施例的另一任選的特點。折翼234的前緣352和上緣353處的外徑絞接式樞軸380包括一個有一錐形向后部分384的低輪廓流線盤。與前緣部分的上部向前成角度以便增強鉸接式樞軸的先前設(shè)計相比，圖9中所示的外徑鉸接式樞軸380提供結(jié)構(gòu)的剛性而減小引入的阻塞量。
圖10例示可以與此處描述的任何折翼一起使用的另一任選特點。一個入口導葉430包括可圍繞樞軸軸線436轉(zhuǎn)動的支桿432和折翼434。折翼434的上緣488以與端壁的球形內(nèi)表面490互補的方式凸形地彎曲。球形內(nèi)表面490由一個在樞軸軸線436和發(fā)動機中心線軸線12的交點處(圖1)有一中心點的假想球形界定。折翼434的上邊緣488的曲線也圍繞該球形的中心點而界定。結(jié)果，折翼434的上緣488和球形內(nèi)表面490之間的間隙在折翼434的全部傾角范圍內(nèi)保持恒定。
雖然已描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但該技術(shù)的普通專業(yè)人員將認識到，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可進行某些修改。為此，應當研究下述權(quán)利要求書來確定本發(fā)明的真實范圍和內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種入口導葉，包括一個有一前緣和一后緣的固定翼面；以及一個有一在該固定翼面的后緣后面的前緣的可變傾角翼面，該可變傾角翼面可以圍繞一靠近該可變傾角翼面的前緣的軸線而可以作樞軸式的轉(zhuǎn)動。
2.權(quán)利要求1的入口導葉，其特征在于，該固定翼面的后緣是截斷的。
3.權(quán)利要求2的入口導葉，其特征在于，該固定翼面的后緣包括至少一個面向后部的凹部。
4.權(quán)利要求2的入口導葉，其特征在于，在該可變傾角翼面的整個傾角可變范圍內(nèi)，該可變傾角翼面的前緣保持被掩蔽在該固定翼面的被截斷的后緣后面。
5.權(quán)利要求1的入口導葉，其特征在于，該固定翼面有一對在該前緣和后緣之間的側(cè)表面，每個側(cè)表面有從該前緣到該后緣的連續(xù)弧度。
6.權(quán)利要求1的入口導葉，其特征在于，該固定翼面的形狀做成控制在后緣處的空氣流的速度分布。
7.權(quán)利要求1的入口導葉，其特征在于，該可變傾角翼面在該前緣和后緣之間有一第一側(cè)表面和一第二側(cè)表面，該第一側(cè)表面有一個在該前緣后面間隔一個第一距離的第一峰值該第二側(cè)表面有一個在該前緣后面間隔一個比該第一距離大的第二距離的第二峰值。
8.權(quán)利要求7的入口導葉，其特征在于，還包括一根穿過該固定翼面中心的中心線，其中當該入口導葉處在零偏轉(zhuǎn)位置時該可變傾角翼面的前緣和后緣兩者均位于該中心線的同側(cè)。
9.權(quán)利要求7的入口導葉，其特征在于，該可變傾角翼面沿該第一側(cè)表面的方向圍繞該軸線可以樞軸式轉(zhuǎn)動到一最大傾角，而其中，當該可變傾角翼面以樞軸式轉(zhuǎn)到該最大傾角時，該第一峰值在該第一表面上的一個點之后暫有間隔，所述點位于該固定翼面后緣的切線上。
10.權(quán)利要求1的入口導葉，其特征在于，該可變傾角翼面的前緣從一內(nèi)緣延伸到一外緣，而其中，該可變傾角翼面的前緣和后緣之間的距離在該外緣處大于在該內(nèi)緣處。
11.權(quán)利要求10的入口導葉，其特征在于，該傾角的可變的翼面的前緣和后緣之間的距離從該內(nèi)緣逐漸增大到該外緣。
12.權(quán)利要求10的入口導葉，其特征在于，該傾角的可變的翼面的拱度從該內(nèi)緣增大到該外緣。
13.權(quán)利要求1的入口導葉，其特征在于，該傾角的可變的翼面的后緣不與該軸線平行。
14.權(quán)利要求1的入口導葉，其特征在于，該傾角的可變的翼面包括一個從其靠近該后緣的第一側(cè)表面上凸出的后緣薄片。
15.權(quán)利要求14的入口導葉，其特征在于，該傾角的可變的翼面的后緣從一內(nèi)緣延伸到一外緣，而其中，該后緣薄片從鄰近該內(nèi)緣而該非外緣的該第一側(cè)表面凸出。
16.權(quán)利要求15的入口導葉，其特征在于，該后緣薄片是一第一后緣薄片，還包括一個從鄰近該外緣而非該內(nèi)緣的該第二側(cè)表面凸出的第二后緣薄片。
17.權(quán)利要求1的入口導葉，其特征在于，該可變傾角翼面的前緣和后緣在一內(nèi)緣和一外緣之間延伸，該外緣在該前緣和后緣之間呈凸形彎曲。
18.權(quán)利要求17的入口導葉，其特征在于，還包括一個有一帶球形部分的內(nèi)表面的座體，其中該可變傾角翼面的外緣靠近該座體內(nèi)表面的球形部分。
19.權(quán)利要求1的入口導葉，其特征在于，該可變傾角翼面的前緣和后緣在一內(nèi)緣和一外緣之間延伸，該可變傾角翼面的前緣的最上部分是直的，該可變傾角翼面包括一個在該外緣前部分上的法蘭，該法蘭經(jīng)過該可變傾角翼面的前緣而向前凸出，并有一錐形后部分。
20.一種用于設(shè)計入口導葉的方法，包括以下步驟a)確定一個支桿的形狀，以便控制該支桿的一后緣處的速度分布；b)確定一個折翼的位置，使前緣鄰近該支桿的后緣并與該支桿的后緣隔開一個間隙，該折翼有一個相對于該支桿有選擇地可變的傾角；以及c)根據(jù)該支桿的形狀和該折翼的位置確定該折翼的形狀，以便盡可能減小操作期間在該間隙中低動量氣流的沖擊。
21.權(quán)利要求20的方法，其特征在于，還包括以下步驟d)確定一根樞軸軸線，使該折翼相對于該支桿作樞軸式轉(zhuǎn)動。
22.權(quán)利要求21的方法，其特征在于，所述步驟c)和d)還包括下列步驟確定該折翼和樞軸軸線的形狀，使得在該折翼的整個可變傾角范圍內(nèi)該折翼的前緣被掩蔽在該支桿后緣的后面。
23.權(quán)利要求20的方法，其特征在于，在所述步驟a)中所確定的該支桿的形狀包括一些側(cè)表面，每個側(cè)表面有從該支桿的前緣到后緣的連續(xù)拱度。
24.一種入口導葉的折翼，包括一個前緣；一個后緣；一個從該前緣延伸到該后緣的壓力側(cè)表面，該壓力側(cè)表面有一個在該前緣后面間隔一個第一距離的峰值；以及一個從該前緣延伸到該后緣的負壓側(cè)表面，該負壓側(cè)表面有一個在該前緣后面間隔一個比該第一距離大的第二距離的峰值。
25.權(quán)利要求24的折翼，其特征在于，該折翼包括一個從該后緣附近的壓力側(cè)表面上垂直凸出的后緣薄片。
26.權(quán)利要求24的折翼，其特征在于，還包括一個從該前緣延伸到該后緣的上緣，其中該上緣是呈中凸形彎曲的。
27.權(quán)利要求26的折翼，其特征在于，該折翼包括一個有一軸線的樞軸連接，該軸線與一個跟該折翼間隔開的中心點相交，而其中該中心點是該折翼上緣的彎曲中心點。
28.一種包括權(quán)利要求24的折翼的入口導葉，其特征在于，該折翼以樞軸方式連接在一個有一對連續(xù)彎曲的側(cè)表面的支桿的后緣的附近。
29.權(quán)利要求28的入口導葉，其特征在于，被設(shè)置在渦輪發(fā)動機的壓縮機上游。
全文摘要
一種入口導葉，能提供改善的光滑空氣流和即使在高的傾角下也能避免氣流的間隔。該入口導葉包括一個具有對置的側(cè)表面的支桿，這些側(cè)表面連續(xù)地彎曲，以便在該支桿的后緣處提供一種受控的速度分布。該入口導葉還包括一個有一在該支桿的后緣后面對準的前緣的折翼。通常，該支桿和折翼是一起設(shè)計的，使得在該支桿和折翼之間的間隙中的低動量的空氣將被激勵而被夾帶于該折翼的邊界層中。從該間隙來的空氣流將仍然附著在該折翼上，以改善從折翼來的氣流。
文檔編號F01D9/02GK1955441SQ20061012164
公開日2007年5月2日 申請日期2006年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月25日
發(fā)明者C·A·卡洛爾, J·A·艾利, C·B·克萊恩托布 申請人:聯(lián)合工藝公司