專利名稱：用于軸流式壓縮機(jī)的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的特征所述的用于軸流式壓縮機(jī)的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片。
背景技術(shù)：
從現(xiàn)有技術(shù)中廣泛地已知用于軸流式壓縮機(jī)的壓縮機(jī)葉片。例如，EP 0 991 866B1公開了一種具有如下翼型的壓縮機(jī)葉片，在帶有在翼弦長度的5%處與翼弦垂直相交的參考直線的吸氣側(cè)交點(diǎn)上，所述翼型的吸氣側(cè)輪廓具有小于翼弦長度的一半的曲率半徑。由此應(yīng)實(shí)現(xiàn)的是，在葉身的環(huán)流在吸氣側(cè)上相對(duì)短地延伸之后達(dá)到速度最大值，并且從層流到湍流的流動(dòng)變換的位置與速度最大值的位置相一致，由此，該翼型具有特別大的工作區(qū)域，在所述工作區(qū)域中有效地壓縮了氣流。此外已知的是，在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的葉身頂部上出現(xiàn)所謂的徑向間隙損耗。在這種情況下，由于橫過葉身頂部從葉身的壓力側(cè)到葉身的吸氣側(cè)建立泄漏流，在軸流式壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)，損失壓力增益的一部分。為了降低該泄漏流，已知的是，總可以盡可能小地保持構(gòu)成在葉身頂部和壓縮機(jī)流道的與該葉身頂部對(duì)置的環(huán)形壁之間的徑向間隙。在此，盡管如此仍必須維持間隙尺寸的最小值，以便避免葉身頂部在環(huán)形壁上的摩擦。在此，這尤其適用于短暫的運(yùn)行狀態(tài)，其中還不排除流道壁和轉(zhuǎn)子葉片的熱引發(fā)的膨脹。此外通常的是，葉身頂部的到目前為止的造型僅匹配于在環(huán)形壁的區(qū)域中的特別的入流條件。然而，在不考慮在葉身頂部處的實(shí)際的三維流動(dòng)效果的情況下進(jìn)行本身的造型。因此，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的葉身造型不是最佳地匹配于在葉身頂部區(qū)域中的復(fù)雜的流動(dòng)條件。由此，在具有小的翼展和大的相對(duì)間隙高度(相對(duì)于翼展)的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片中尤其存在顯著的改進(jìn)潛力。因?yàn)槔鐝腅P 0 991 866B1中已知的新型渦輪機(jī)葉片組同時(shí)達(dá)到了非常高的空氣動(dòng)力學(xué)效率，所以隨著越來越高的翼型負(fù)荷的趨勢，由于出現(xiàn)在環(huán)形空間的靠外的壁附近的區(qū)域中的該徑向間隙損耗而形成在總損耗上的增加的比重。因此，該顯著的損耗的降低引起渦輪機(jī)和軸流式壓縮機(jī)的效率的顯著的改進(jìn)。為了降低徑向間隙損耗，例如從SU 1 751 430-A1中已知按照S形構(gòu)成的軸流式壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片的葉身頂部。翼型的中弧線由兩個(gè)彼此方向相反的圓弧形成，所述圓弧在拐點(diǎn)上相互過渡。在此，拐點(diǎn)位于相對(duì)弦長的5%至15%的區(qū)域中。由此，基于壓力梯度的降低而避免了在亞音速壓縮機(jī)葉片出口處的流動(dòng)的次級(jí)流損耗和不規(guī)則性。在此尤其應(yīng)該降低在轉(zhuǎn)子葉片之間的通道中的前部和中部區(qū)域中的壓力梯度。根據(jù)SU 1 751 430-A1, 前緣區(qū)域朝著葉身的吸氣側(cè)方向旋轉(zhuǎn)，由此，翼型的前部的，即上游的區(qū)域相比較于葉片翼型的后部的，即下游的區(qū)域具有相反的拱起。此外，盡管已存在解決方案，但對(duì)于降低渦輪機(jī)的徑向間隙損耗以進(jìn)一步增大這些機(jī)器的效率仍存在很大的興趣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，提供一種具有葉身頂部的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片，所述葉身頂部在渦輪機(jī)中工作時(shí)具有特別少的泄漏流和徑向間隙損耗。該目的借助一種用于軸流式壓縮機(jī)的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片來實(shí)現(xiàn)，所述壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片具有彎曲的葉身，所述葉身包括壓力側(cè)壁和吸氣側(cè)壁，所述壓力側(cè)壁和吸氣側(cè)壁一方面從共同的前緣延伸至共同的后緣，并且另一方面在形成翼展的情況下從緊固側(cè)的葉身端部延伸至葉身頂部，其中，所述葉身對(duì)于沿著翼展存在的每個(gè)葉身高度具有帶有吸氣側(cè)輪廓和壓力側(cè)輪廓的翼型、至少部分拱起的中弧線和直線的翼弦，輪廓、中弧線和翼弦分別從設(shè)置在前緣上的前緣點(diǎn)延伸至設(shè)置在后緣上的后緣點(diǎn)，其中，在葉身頂部的區(qū)域中的翼型的中弧線(即葉片頂側(cè)的翼型的一些中弧線)中的至少一個(gè)具有至少兩個(gè)拐點(diǎn)。本發(fā)明基于下述知識(shí)，S卩，當(dāng)相應(yīng)地影響同樣引起損耗的間隙渦流時(shí)，可以降低在徑向間隙中的損耗。根據(jù)本發(fā)明，相比較于傳統(tǒng)的葉身頂部翼型，由間隙質(zhì)量流產(chǎn)生并且推動(dòng)的間隙渦流現(xiàn)在應(yīng)該稍晚地，即在下游部位上形成。可以通過在前緣處的改進(jìn)的翼型的更小負(fù)荷來解釋由此相對(duì)于傳統(tǒng)的翼型更晚形成的間隙渦流。與到目前為止通常努力在整體上減弱間隙渦流相反，現(xiàn)在根據(jù)本發(fā)明應(yīng)生成用于產(chǎn)生間隙渦流的更強(qiáng)的局部沖量，然而其中，相比較于在傳統(tǒng)的翼型的情況下，所述間隙渦流的在流動(dòng)技術(shù)上的支持基本上應(yīng)更大幅地下降。整體上，這導(dǎo)致在徑向間隙中的小的流動(dòng)損耗。為了產(chǎn)生期望的間隙渦流， 葉片頂側(cè)的翼型的中弧線中的至少一些，優(yōu)選所有中弧線，具有至少兩個(gè)拐點(diǎn)。通過在中弧線中的兩個(gè)拐點(diǎn)的存在，并且通過傳統(tǒng)的厚度分布的應(yīng)用，葉片頂側(cè)的翼型以及吸氣側(cè)輪廓和壓力側(cè)輪廓具有對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言不尋常的彎折，所述彎折關(guān)于涉及的翼型在后面稱為翼型彎折。翼型彎折本身在其部位上引起間隙質(zhì)量流的局部升高，如所期望地， 與到目前為止相比，所述間隙質(zhì)量流更強(qiáng)地推動(dòng)間隙渦流并且將所述間隙渦流從葉身的吸氣側(cè)排走。在吸氣側(cè)輪廓中的在彎折部后面的下游區(qū)域中，與應(yīng)用在葉身頂部處的到目前為止的造型情況相比，在徑向間隙中的質(zhì)量流密度明顯更大幅地下降。因此整體上，與傳統(tǒng)的造型相比得到減少的間隙質(zhì)量流。由于翼型彎折的吸氣側(cè)輪廓，間隙渦流沿著同樣具有在吸氣側(cè)輪廓的彎折下游的彎折的直線發(fā)展。間隙渦流的較早的彎折與在徑向間隙中的質(zhì)量流密度大幅上升到其最大值和隨后的質(zhì)量密度流的下降相一致。相比在傳統(tǒng)翼型中的情況，間隙渦流線在其彎折后以更大的角度遠(yuǎn)離吸氣側(cè)壁。由此，此后間隙渦流以相比于傳統(tǒng)造型的情況變得更大的距離從吸氣側(cè)流走。更大的角度歸因于在上升時(shí)以及在下降時(shí)的間隙流的質(zhì)量流密度的更大的梯度。整體上，根據(jù)本發(fā)明的造型引起小的徑向間隙損耗和在轉(zhuǎn)子葉片組的出口處的流動(dòng)區(qū)域的更小的阻隔。通過實(shí)現(xiàn)減小徑向間隙損耗，可以顯著地改進(jìn)葉片組的效率，進(jìn)而還顯著地改進(jìn)配備有壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的渦輪機(jī)的效率。有利的實(shí)施方案在從屬權(quán)利要求中加以說明。優(yōu)選地，在垂直地投影到翼弦上的情況下，兩個(gè)拐點(diǎn)中的第一個(gè)在該翼弦上預(yù)先確定第一投影點(diǎn)，所述第一投影點(diǎn)與前緣點(diǎn)的距離為翼弦長度的10%至30%之間。同時(shí)， 在垂直地投影到翼弦上的情況下，兩個(gè)拐點(diǎn)中的第二個(gè)在該翼弦上預(yù)先確定第二投影點(diǎn)， 所述第二投影點(diǎn)與前緣點(diǎn)的距離為翼弦長度的30%至50%之間。特別地，在這樣設(shè)置的拐點(diǎn)中，特別大量地產(chǎn)生與本發(fā)明相關(guān)的優(yōu)點(diǎn)。在此，兩個(gè)拐點(diǎn)彼此相隔翼弦長度的至少3%。
根據(jù)本發(fā)明的其他的優(yōu)選實(shí)施方案，翼型的中弧線包括前區(qū)段，所述前區(qū)段從前緣點(diǎn)延伸至前區(qū)段的端點(diǎn)，在垂直地投影到翼弦上的情況下，所述前區(qū)段的投影點(diǎn)與前緣點(diǎn)的距離為翼弦長度的2%至10%之間，其中，葉片頂側(cè)的翼型的前區(qū)段中的至少一些，優(yōu)選所有前區(qū)段，具有比翼弦的100倍更大曲率半徑。換而言之，葉片頂側(cè)的翼型的中弧線的前區(qū)段分別相應(yīng)于或者至少接近于梯度。相應(yīng)地，在涉及的前區(qū)段中的翼型是對(duì)稱的，實(shí)際上不帶有拱起，這意味著，實(shí)際上沒有由圍繞著葉身的葉片頂側(cè)的前緣區(qū)域的局部的速度分布形成從壓力側(cè)到吸氣側(cè)的壓力勢能。因?yàn)樵谇熬墔^(qū)域中的壓力側(cè)和吸氣側(cè)之間的壓力勢能被視為間隙渦流形成的原因，進(jìn)而被視為間隙損耗的原因，所以在此，前緣區(qū)域的卸荷致使間隙渦流減弱，并且延遲地、也就是說在下游出現(xiàn)間隙渦流。優(yōu)選的是，在此，在中弧線的前區(qū)段中的葉片頂側(cè)的翼型的壓力側(cè)輪廓和吸氣側(cè)輪廓對(duì)稱地構(gòu)成，或者以具有近似直線的輪廓區(qū)段的楔形形狀構(gòu)成在壓力側(cè)和吸氣側(cè)上。根據(jù)另一有利的實(shí)施方案，每個(gè)前區(qū)段具有相對(duì)于引入的氣流的迎角，其中，補(bǔ)充或者代替近似直的前部的中弧線區(qū)段，迎角中的至少一些，然而優(yōu)選葉片頂側(cè)的翼型的所有迎角小于葉身的其余翼型的迎角。在此優(yōu)選的是，葉片頂側(cè)的翼型的前部的中弧線區(qū)段的迎角小于10°，優(yōu)選甚至等于0°。換而言之，葉片頂側(cè)的翼型的入口金屬角顯著地小于葉身的其余翼型的入口金屬角。因此可以認(rèn)為，與根據(jù)SU 1751430A1的解決方案不同，葉身頂部的前緣區(qū)域偏轉(zhuǎn)到入流中，這同樣確保了在葉片頂側(cè)避免在前緣區(qū)域中的壓力側(cè)和吸氣側(cè)之間的壓力勢能。這還阻止了在前緣區(qū)域中的間隙渦流的產(chǎn)生。替選或者補(bǔ)充于所提出的改進(jìn)方案，相比葉身的其余的翼型的前緣點(diǎn)，優(yōu)選可以將葉片頂側(cè)的翼型的前緣點(diǎn)的至少一些，優(yōu)選所有前緣點(diǎn)，設(shè)置得更靠上游。換而言之葉身頂部的翼型的前緣通過翼型的向前朝著上游的方向延長相對(duì)于其余的前緣前移。這導(dǎo)致沒有徑向的壓力梯度作用在葉身頂部的前緣區(qū)域中，從而還可以在壓力徑向分布的情況下不形成在壓力側(cè)和吸氣側(cè)之間的勢能。優(yōu)選的是，存在于葉身頂部的區(qū)域中的翼型的中弧線僅具有兩個(gè)拐點(diǎn)，其中，葉身頂側(cè)包括從葉身頂側(cè)起的翼展的最大20%的區(qū)域。葉身的從緊固側(cè)的葉身端部至翼展的最小80%的葉身高度的其余的區(qū)域可以按照傳統(tǒng)形式來造型。相應(yīng)地，本發(fā)明原則上涉及一種用于軸流式壓縮機(jī)的設(shè)置在葉片環(huán)中的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的改型的葉身頂部。根據(jù)另一有利的實(shí)施方案，中弧線具有后區(qū)段，所述后區(qū)段分別從后區(qū)段的起點(diǎn)延伸至后緣點(diǎn)，其中至少一些，優(yōu)選所有葉片頂側(cè)的中弧線的后區(qū)段，具有相比葉身的其余的翼型的中弧線的后區(qū)段更大的曲率。因此，葉片頂側(cè)的翼型的出口金屬角小于在半翼展的高度上或者在緊固側(cè)、即轂側(cè)的葉身端部的區(qū)域中的翼型的出口金屬角。優(yōu)選的是，在垂直地投影到翼弦上的情況下，后部的中弧線區(qū)段的區(qū)段起點(diǎn)預(yù)先確定設(shè)置在翼弦上的投影點(diǎn)，所述投影點(diǎn)與前緣點(diǎn)的距離為翼弦長度的最大60%。因此，相比于在葉身的其余區(qū)域中，在葉片頂側(cè)的區(qū)域中，后緣更加拱起。增加的拱起造成在葉身的優(yōu)選后40%處的更大的做功轉(zhuǎn)換，從而使得葉身的負(fù)荷整體上向后移動(dòng)。該實(shí)施方案可以用于平衡在前緣上的卸荷，以便盡管葉片頂側(cè)的翼型在翼弦的前區(qū)域中卸荷，但仍然實(shí)現(xiàn)高的做功轉(zhuǎn)換。因此，整體上也可以通過降低在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的葉身頂部區(qū)域中的阻礙來改進(jìn)在外部的環(huán)形壁區(qū)域中的后面的導(dǎo)向葉片的入流。這降低了后置的導(dǎo)向葉片的局部的偏離入流。
優(yōu)選的是，葉片頂側(cè)的翼型中的至少一些，優(yōu)選所有翼型，以“后加載設(shè)計(jì)”構(gòu)造， 并且其余的、也就是非葉片頂側(cè)的翼型以“前加載設(shè)計(jì)”構(gòu)造。即使吸氣側(cè)輪廓和壓力側(cè)輪廓具有至少三個(gè)帶有交替的符號(hào)的依次連續(xù)的曲率區(qū)段，也可以極度有效地影響引起間隙損耗的間隙渦流，所述曲率區(qū)段在相應(yīng)拐點(diǎn)上與相鄰曲率區(qū)段鄰接。這可以借助適當(dāng)?shù)暮穸确植紒韺?shí)現(xiàn)，所述厚度分布如傳統(tǒng)的方式垂直地并且對(duì)稱地，也就是說在兩側(cè)以同等程度施加在中弧線上。這種措施在吸氣側(cè)上引起凹形的輪廓區(qū)段，并且在壓力側(cè)上引起凸形的輪廓區(qū)段，借助所述輪廓區(qū)段能夠以特別簡單的方式理想地影響間隙渦流。有效的是，開放式地構(gòu)成葉身頂部。如果在以氣體環(huán)流的情況下沿著從前緣點(diǎn)到后緣點(diǎn)的吸氣側(cè)輪廓建立氣體的速度分布，則至少一些、優(yōu)選所有的葉片頂側(cè)的翼型選擇為，使得在最大值位置處出現(xiàn)速度最大值，在垂直地投影到翼弦上的情況下，所述最大值位置的投影點(diǎn)在所述翼弦上與前緣點(diǎn)的距離為翼弦長度的10%至30%之間。該措施確保了用于形成間隙渦流的特別大的沖量。 然后，為了盡可能小地保持徑向間隙損耗而提出，用于間隙渦流的能量輸送特別快地、也就是在特別短的長度上，特別大幅地降低。為此提出，所涉及的翼型選擇為，使得在具有翼弦長度的最大15%的長度的吸氣側(cè)輪廓的連接在最大值位置上的吸氣側(cè)區(qū)段中建立速度的斜率最大的梯度。這致使間隙渦流對(duì)于其尺寸而言極度供應(yīng)不足，這導(dǎo)致間隙渦流以更大的角度遠(yuǎn)離吸氣側(cè)的表面。這致使在軸流式壓縮機(jī)中的特別小的間隙損耗，所述軸流式壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子配備有根據(jù)本發(fā)明的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片。


根據(jù)在附圖中示出的實(shí)施例進(jìn)一步闡釋本發(fā)明。附圖詳細(xì)地示出圖1示出用于壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的根據(jù)本發(fā)明的翼型和由現(xiàn)有技術(shù)已知的翼型；圖2、3、6示出沿著圖1的根據(jù)本發(fā)明的翼型和傳統(tǒng)的翼型的吸氣側(cè)輪廓和壓力側(cè)輪廓的速度分布；圖4示出用于壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的根據(jù)本發(fā)明的翼型的壓力側(cè)和吸氣側(cè)的輪廓；圖5示出根據(jù)本發(fā)明的翼型的沿著壓力側(cè)和吸氣側(cè)的曲率變化曲線；圖7示出在使用用于開放式的葉身頂部的根據(jù)本發(fā)明的翼型時(shí)在徑向間隙中的質(zhì)量流的質(zhì)量流密度；圖8示出用于根據(jù)本發(fā)明的翼型和傳統(tǒng)的翼型的間隙渦流軌跡的拓?fù)鋱D；以及圖9、10示出根據(jù)本發(fā)明的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的開放式的葉身頂部的立體圖。
具體實(shí)施例方式圖9和圖10分別示出從不同視角觀察的開放式的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片。其葉身12包括壓力側(cè)壁14以及吸氣側(cè)壁16，所述壓力側(cè)壁和吸氣側(cè)壁一方面分別從共同的、由氣流入流的前緣18延伸至共同的后緣20，并且另一方面在形成翼展的情況下從在圖9和圖10中沒有進(jìn)一步示出的緊固側(cè)的葉身端部延伸至葉身頂部22。在圖9中如此地選擇視角，使得視線落在葉身12的后緣20上，在圖10中視線落在葉身12的前緣18上。在緊固側(cè)的葉身端部上能以已知的方式設(shè)置有平臺(tái)以及固定在平臺(tái)上的葉根。根據(jù)固定的方式，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片10的葉根構(gòu)成燕尾形、圣誕樹形或者錘形。 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片還可以焊接在轉(zhuǎn)子上。固定在軸流式壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子中，葉身12定向?yàn)?，使得葉身12在軸流式壓縮機(jī)的大約軸向方向上從前緣18延伸至后緣20，所述軸向方向在從屬于圖9和圖10的坐標(biāo)系中用 X軸表示。軸流式壓縮機(jī)的徑向方向與所示坐標(biāo)系的Z軸一致，并且切線方向，即周向方向， 與Y軸一致。由此，在Z軸方向上獲取葉身12的翼展。已知的是，用于軸流式壓縮機(jī)的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片10設(shè)計(jì)成，使得不同的或者相同的翼型沿著沒有示出的直線的或者輕微彎曲的堆疊軸線一個(gè)接一個(gè)地排列，所述翼型的所包圍的空間預(yù)先確定葉身12。每個(gè)翼型原則上具有面重心，所述面重心位于堆疊軸線上。具體地，翼型理解為連續(xù)的折線，所述折線包括葉身的吸氣側(cè)輪廓和壓力側(cè)輪廓。 這些輪廓一方面在前緣點(diǎn)上相交，另一方面在后緣點(diǎn)上相交，所述前緣點(diǎn)和后緣點(diǎn)也是翼型的部分，并且在此位于葉身的相應(yīng)的棱邊上。對(duì)于每個(gè)沿著翼展存在的葉身高度存在一個(gè)這樣的翼型。就此而言，翼型是穿過用于特定葉身高度的葉身的橫截面的輪廓，其中，橫截面可以垂直于軸流式壓縮機(jī)的徑向方向或者稍微傾斜于該徑向方向，相應(yīng)于環(huán)形流道縮窄來定向。在圖9中以實(shí)線示出三個(gè)翼型觀、30的壓力側(cè)輪廓40。在圖10中同樣以實(shí)線示出不同的葉身高度的翼型觀、30的多個(gè)吸氣側(cè)輪廓42。在圖9和圖10中示出的彎曲的葉身12具有相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)根據(jù)本發(fā)明改型的葉身頂部區(qū)域43，下面詳細(xì)地說明所述葉身頂部區(qū)域的具體的實(shí)施方案和作用方式。在圖1中示出兩個(gè)基本不同的翼型觀、30。以點(diǎn)線形式示出的第一翼型觀示出了穿過在葉身12的一半翼展的葉身高度上的依據(jù)圖10的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片10的橫截面。翼型觀可以是傳統(tǒng)的、從現(xiàn)有技術(shù)中已知的翼型。以實(shí)線示出的翼型30示出穿過在葉身頂部22的區(qū)域43中的依據(jù)圖10的根據(jù)本發(fā)明的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片10的橫截面。每個(gè)依據(jù)圖 1的翼型觀、30具有從屬于所述翼型的中弧線，其中，出于可視性原因在圖1中僅僅以虛線形式示出葉片頂側(cè)的翼型30的中弧線32。中弧線32起始于前緣點(diǎn)24，終止于相關(guān)的后緣點(diǎn)26，并且總是居中地位于壓力側(cè)輪廓40和吸氣側(cè)輪廓42之間。中弧線也已知為翼型中線。除了中弧線32，在現(xiàn)有技術(shù)中還借助于直線的翼弦來限定翼型。翼弦是從前緣點(diǎn)延伸至后緣點(diǎn)的直線。在圖1中僅示出用于葉片頂側(cè)的翼型30的翼弦34。因?yàn)橐硐?4隨后用于在幾何形狀上限定翼型30的特征點(diǎn)，所以將其長度歸一化為一，其中，在前緣點(diǎn)M 處翼弦的長度為0%，并且在后緣點(diǎn)沈處翼弦的長度為100%。所述翼弦的長度也理解為相對(duì)弦長。顯然的是，對(duì)于從現(xiàn)有技術(shù)中已知的翼型觀而言，也存在翼弦。然而，該翼弦由于清晰性沒有在圖1中示出。在此，以x/c來說明歸一化的翼弦34。在此，在圖1中示出的翼型30代表用于葉片頂側(cè)的翼型30的徑向的最靠外。在圖1中示出的傳統(tǒng)的翼型觀一方面代表由現(xiàn)有技術(shù)已知的翼型，并且另一方面代表壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片10的其余的翼型。其余的翼型觀理解為這樣的翼型，這些翼型可以不設(shè)置在葉片頂側(cè)，進(jìn)而例如可以設(shè)置在葉身12的緊固側(cè)區(qū)域中或者在葉身頂部22和緊固側(cè)的葉身端部之間居中地設(shè)置。在此，如圖10所示，無級(jí)地實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)的翼型觀到葉片頂側(cè)的翼型30的過渡。根據(jù)本發(fā)明的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片10的特征是，葉片頂側(cè)的翼型30的中弧線32具有至少兩個(gè)拐點(diǎn)36、38。這意味著，在前面的拐點(diǎn)36的上游的中弧線32具有帶有第一曲率的第一曲率區(qū)段A，并且在第一拐點(diǎn)36的下游至第二拐點(diǎn)38具有帶有第二曲率的第二曲率區(qū)段B。在此，第一曲率和第二曲率的符號(hào)是不同的。在第二曲率區(qū)段B的下游，在第二拐點(diǎn) 38上連接有第三曲率區(qū)段C，所述第三曲率區(qū)段C的曲率又具有與第二曲率不同的符號(hào)。由于曲率區(qū)段A、B、C的曲率的不同的符號(hào)，吸氣側(cè)輪廓42和壓力測輪廓40也具有相應(yīng)的曲率區(qū)段主要成凸形彎曲的吸氣側(cè)輪廓42在相對(duì)弦長的35%和50%之間的區(qū)段D中具有凹形的形狀。主要成凹形彎曲的壓力側(cè)輪廓40具有凸形的區(qū)段E。相反于軸流式壓縮機(jī)的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的到目前為止的、從現(xiàn)有技術(shù)中已知的翼型形狀，凹形的吸氣側(cè)輪廓區(qū)段D 和凸形的壓力側(cè)輪廓區(qū)段E導(dǎo)致局部彎折的造型，該造型在此稱為翼型彎折。在此提出，在垂直地投影到翼弦上的情況下，兩個(gè)拐點(diǎn)中的第一個(gè)36在該翼弦上預(yù)先確定第一投影點(diǎn)AP，所述第一投影點(diǎn)與前緣點(diǎn)M的距離為翼弦34的長度的10%至 30%之間，并且其中，在垂直地投影到翼弦34上的情況下，兩個(gè)拐點(diǎn)中的第二個(gè)38在該翼弦上預(yù)先確定第二投影點(diǎn)BP，所述第二投影點(diǎn)與前緣點(diǎn)M的距離為翼弦34的長度的30% 至50%之間。此外，由圖1清楚獲知，相對(duì)于傳統(tǒng)的翼型觀，葉片頂側(cè)的翼型30具有朝著入流的氣流前移的前緣18。葉片頂側(cè)的翼型30的前移的前緣18可以尤其在根據(jù)圖9和圖 10的立體圖中看出。此外提出，葉片頂側(cè)的翼型30的中弧線32在后區(qū)段G中具有比葉身12的其余的翼型觀的中弧線的后區(qū)段更大的曲率。中弧線32的后區(qū)段G從區(qū)段起點(diǎn)GA延伸至中弧線32的后緣點(diǎn)沈，在投影到翼弦34上的情況下，所述區(qū)段起點(diǎn)GA在該翼弦上預(yù)先確定投影點(diǎn)GP，所述投影點(diǎn)GP與前緣點(diǎn)M的距離為翼弦34的長度的最大60%。此外，由圖1獲知，葉片頂側(cè)的翼型30包括具有前區(qū)段H的中弧線32。中弧線32 的前區(qū)段H從前緣點(diǎn)M延伸至中弧線32的投影點(diǎn)HP，所述投影點(diǎn)設(shè)置在翼弦34的長度的 10%處。在此，投影點(diǎn)HP由前區(qū)段H的端點(diǎn)HE的垂直于翼弦34的投影得到。在中弧線32 的該前區(qū)段H中，中弧線32是幾乎不拱起的，也就是說近似為直線。在此眾所周知地，在兩側(cè)以同等程度垂直于中弧線32施加的厚度分布同樣選擇為，使得對(duì)于葉片頂側(cè)的翼型30 原則上獲得呈楔形的前緣區(qū)域。一般而言，在葉片頂側(cè)的翼型30的前區(qū)段H中，相稱地希望的是，吸氣側(cè)輪廓42和壓力側(cè)輪廓40的對(duì)稱的延伸。在圖2中相對(duì)照地示出既用于吸氣側(cè)流動(dòng)也用于壓力側(cè)流動(dòng)的沿著葉片頂側(cè)的翼型30和沿著傳統(tǒng)的翼型觀的速度分布。在此，每個(gè)速度分布沿著歸一化的翼弦x/c繪制。在此，速度以馬赫數(shù)表示，其中，馬赫=1表示對(duì)于所給出的溫度的音速。在此，在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的下述葉身高度上獲取速度分布，所述葉片高度與葉身頂部22的距離為在軸流式壓縮機(jī)的葉身頂部22和包圍該葉身頂部的環(huán)形壁之間的徑向間隙的間隙量的0. 5%。 在圖2、圖3和圖6中，以虛線示出傳統(tǒng)的翼型28的對(duì)于吸氣側(cè)壁16和壓力側(cè)壁14的速度分布48、50。以實(shí)線示出葉片頂側(cè)的翼型30的吸氣側(cè)壁16和壓力側(cè)壁14的速度分布44、 46。各下部的線示出相應(yīng)的壓力側(cè)的速度分布，各上部的線示出相應(yīng)的吸氣側(cè)的速度分布。 葉片頂側(cè)的翼型30的吸氣側(cè)速度分布以44標(biāo)記，葉片頂側(cè)的翼型的壓力側(cè)速度分布以46標(biāo)記，傳統(tǒng)的翼型28的吸氣側(cè)速度分布以48標(biāo)記，并且傳統(tǒng)的翼型28的壓力側(cè)速度分布以50標(biāo)記。歸一化的翼弦34的每個(gè)部位的在吸氣側(cè)的速度分布44、48的和壓力側(cè)的速度分布46、50的變化曲線之間的距離越大，壓力差就越大，進(jìn)而在相應(yīng)的所觀察的翼型觀、 30的翼弦的相應(yīng)的所觀察的部位上的負(fù)荷也就越大。由圖2獲知，借助于根據(jù)本發(fā)明改型的葉身頂部區(qū)域43，葉身12在前半部分中，也就是尤其在翼弦34的從前緣點(diǎn)M看起的前 15%上被卸荷。因?yàn)樵趶囊硐?4的60%至翼弦34的100%的后部的翼型區(qū)段的在吸氣側(cè)的速度分布44和壓力側(cè)的速度分布46之間的面積大于在從現(xiàn)有技術(shù)中已知的傳統(tǒng)的翼型觀的相應(yīng)的速度分布48、50之間的相應(yīng)的面積，所以建立的速度分布44、46在葉片頂側(cè)的翼型 30的后區(qū)段G中產(chǎn)生更高的負(fù)荷。因?yàn)闉閴嚎s機(jī)轉(zhuǎn)子葉片10的非葉片頂側(cè)的區(qū)域設(shè)有傳統(tǒng)的翼型觀，所以由此沿著葉身高度產(chǎn)生從葉身的前區(qū)段(“前加載設(shè)計(jì)”)至后區(qū)段(“后加載設(shè)計(jì)”)的負(fù)荷的轉(zhuǎn)變。特征在于，葉身12的翼型形狀在葉片頂側(cè)選擇為，使得在盡可能短的翼弦區(qū)段中實(shí)現(xiàn)速度在翼弦34的長度的大約20%處的最大值位置中上升到速度最大值。此外期望的是，在翼弦34的接在最大值位置之后的15%中，吸氣側(cè)氣流的速度在盡可能短的翼弦區(qū)段中相對(duì)大地下降。特別地，沿著吸氣側(cè)壁16的該速度變化曲線導(dǎo)致產(chǎn)生具有相對(duì)更多能量的、引起間隙損耗的間隙渦流，然而其中，由于在達(dá)到速度最大值之后的大的速度回落，僅繼續(xù)向所述間隙渦流輸送相對(duì)少量的能量，那么這更多地減弱了間隙渦流。這整體上導(dǎo)致降低的徑向間隙損耗。圖3至圖8給出了關(guān)于由于翼型彎折產(chǎn)生的效果的其他概覽。在圖3和圖6中重新示出了傳統(tǒng)的翼型觀和葉片頂側(cè)的翼型30的在相對(duì)的弦長上的馬赫數(shù)分布。圖4在同位(ungestaffelten)的m，-theta坐標(biāo)系中說明了葉身頂側(cè)的翼型30。下部的圖片，即圖 5，示出了在m’坐標(biāo)上吸氣側(cè)輪廓42的曲率52和壓力側(cè)輪廓40的曲率Μ?？梢悦黠@看出，在壓力側(cè)彎折56的區(qū)域中產(chǎn)生馬赫數(shù)差的大幅上升，進(jìn)而產(chǎn)生在吸氣側(cè)輪廓42和壓力側(cè)輪廓40之間的壓力勢能的大幅上升。圖7示出了關(guān)于所觀察的局部的面的質(zhì)量流的質(zhì)量流密度，所述質(zhì)量流正交于翼弦34地流過徑向間隙。對(duì)于傳統(tǒng)的翼型觀的質(zhì)量流密度以58標(biāo)記，對(duì)于葉片頂側(cè)翼型30 的質(zhì)量流密度30以60標(biāo)記。對(duì)于葉片頂側(cè)的翼型30，識(shí)別在徑向間隙中的壓力勢能的上升和質(zhì)量流密度的上升之間的清晰的關(guān)系。此外，在徑向間隙中的質(zhì)量流密度稍微在所說明的翼型彎折之后達(dá)到其全局最大值。對(duì)于葉片頂側(cè)的翼型30的質(zhì)量流密度的全局最大值相比在傳統(tǒng)的情況中更高。相比在傳統(tǒng)造型觀中，在徑向間隙中的質(zhì)量流密度在其達(dá)到最大值之后的下降同樣更大。圖8示出兩個(gè)翼型觀、30的間隙渦流軌跡(間隙渦流線)的拓?fù)鋱D。傳統(tǒng)翼型觀的間隙渦流線以62標(biāo)記，葉身頂側(cè)的翼型的間隙渦流線以64標(biāo)記。相對(duì)于前緣18，在涉及的翼型的相對(duì)的弦長方面，在葉片頂側(cè)的翼型30中的間隙渦流明顯更晚出現(xiàn)，并且然后以相比于在傳統(tǒng)的造型觀中更大的角度從吸氣側(cè)壁16起彎折。間隙渦流的早期彎折與質(zhì)量流密度大幅上升到其最大值和質(zhì)量流密度的緊隨其后的下降相一致。更大的角度歸因于在質(zhì)量流密度上升時(shí)和在質(zhì)量流密度下降時(shí)的更大的梯度。相對(duì)于傳統(tǒng)的翼型觀稍晚形成的間隙渦流可以通過改進(jìn)的翼型30在前緣18上的低負(fù)荷來解釋。由于葉身頂部22在前緣區(qū)域中的卸荷，延遲了間隙渦流的形成。接下來，在吸氣側(cè)的翼型彎折的區(qū)域中，間隙質(zhì)量流隨之大幅上升，所述間隙質(zhì)量流推動(dòng)間隙渦流，并且將間隙渦流從葉片頂側(cè)的翼型30的吸氣側(cè)壁16排走。在吸氣側(cè)的翼型彎折之后的區(qū)域中， 在徑向間隙中的質(zhì)量流密度相比于在傳統(tǒng)的造型觀中顯著更大幅地下降。那么整體上得到更小的間隙質(zhì)量流。間隙渦流線在吸氣側(cè)的翼型彎折之后以相比于在傳統(tǒng)的造型觀中的情況更大的角度從吸氣側(cè)壁16起彎折。從此以后，間隙渦流線以相比于在傳統(tǒng)的造型觀中更大的距離從吸氣側(cè)壁16流走。由此整體上，在改型的造型30中的間隙流引起更低的損耗和在轉(zhuǎn)子葉片排的出口處的流動(dòng)區(qū)域中的更小的阻隔。為了盡管翼型30在翼弦34的前半部分中卸荷，但仍然實(shí)現(xiàn)高的做功轉(zhuǎn)換，通過翼型30在翼弦34的后40%中的更高的拱起來提高負(fù)荷。特別優(yōu)選的實(shí)施方案是，其中，在翼弦34的大約20%處形成負(fù)荷的從前向后的移動(dòng)與新翼型30的特別的曲率分布的相互作用。尤其地，在下面的表格中說明的壓縮機(jī)葉片被證實(shí)是特別有效的，所述壓縮機(jī)葉片的其余的翼型最大程度地符合在圖1中示出的翼型形狀觀。表1
參數(shù):^
編號(hào)1編號(hào)2
中孤線的第一拐點(diǎn)(AP)的位置2818
中弧線的笫二拐點(diǎn)(BP)的位置4947
不彎曲的前緣的長度105
I翼弦長的百分比j
權(quán)利要求
1.用于軸流式壓縮機(jī)的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(10)，具有彎曲的葉身(12)，所述葉身包括壓力側(cè)壁(14)和吸氣側(cè)壁(16)，所述壓力側(cè)壁和所述吸氣側(cè)壁一方面分別從共同的前緣 (18)延伸至共同的后緣(20)，并且另一方面通過形成翼展從緊固側(cè)的葉身端部延伸至葉身頂部(22)，其中，對(duì)于沿著所述翼展存在的每個(gè)葉身高度，所述葉身(1 具有 帶有吸氣側(cè)輪廓G2)和壓力側(cè)輪廓GO)的翼型08、30)， 至少部分拱起的中弧線(32)，以及 直線的翼弦(34)，輪廓(40，42)、中弧線(32)和翼弦(34)分別從前緣(24)延伸至后緣(26),其特征在于，葉片頂側(cè)的所述翼型(30)的所述中弧線(32)的至少一些具有至少兩個(gè)拐點(diǎn)(36、38)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(10)，其中，在垂直地投影到所述翼弦(34) 上的情況下，兩個(gè)所述拐點(diǎn)中的第一個(gè)(36)在所述翼弦上預(yù)先確定第一投影點(diǎn)(AP)，所述第一投影點(diǎn)與所述前緣點(diǎn)04)的距離為所述翼弦(34)的長度的10%至30%之間，并且其中，在垂直地投影到所述翼弦(34)上的情況下，兩個(gè)拐點(diǎn)中的第二個(gè)(38)在所述翼弦上預(yù)先確定第二投影點(diǎn)(BP)，所述第二投影點(diǎn)與所述前緣點(diǎn)04)的距離為所述翼弦(34)的長度的30%至50%之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(10)，其中，所述中弧線(3 包括前區(qū)段(H)，所述前區(qū)段從所述前緣點(diǎn)04)延伸至區(qū)段端點(diǎn)(HE)，在垂直地投影到所述翼弦 (34)上的情況下，所述區(qū)段端點(diǎn)的投影點(diǎn)(HP)與所述前緣點(diǎn)04)的距離為所述翼弦(34) 的長度的2%至10%之間，其中，葉片頂側(cè)的所述翼型(30)的所述前區(qū)段(H)中的至少一些具有比所述翼弦(34)的100倍更大的曲率半徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(10)，其中，每個(gè)前區(qū)段(H)具有相對(duì)于引入的氣流的迎角，其中，葉片頂側(cè)的所述翼型(30)的所述迎角中的至少一些比所述葉身 (12)的其余的翼型08)的所述迎角更小。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(10)，其中，葉片頂側(cè)的翼型(30)的所述前區(qū)段(H)的所述迎角小于10°。
6.根據(jù)權(quán)利要求3至5之一所述壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(10)，所述壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的葉片頂側(cè)的翼型(30)的吸氣側(cè)輪廓02)和壓力側(cè)輪廓GO)在所述中弧線(32)的所述前區(qū)段 (H)中對(duì)稱地構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6之一所述的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(10)，其中，葉片頂側(cè)的所述翼型 (30)的所述前緣點(diǎn)04)中的至少一些比所述葉身(12)的其余的所述翼型08)的所述前緣點(diǎn)04)設(shè)置得更靠上游。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7之一所述的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(10)，其中，存在于所述葉身頂部 (22)的區(qū)域中的所述翼型(30)的所述中弧線(32)僅具有兩個(gè)拐點(diǎn)(36、38)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8之一所述的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(10)，其中，所述中弧線(3 包括后區(qū)段(G)，所述后區(qū)段從區(qū)段起點(diǎn)(GA)開始延伸并且延伸至所述后緣點(diǎn)( )，其中，所述葉片頂側(cè)的中弧線(32)中的至少一些的所述后區(qū)段(G)相比于所述葉身(12)的其余的所述翼型的中弧線(32)的所述后區(qū)段具有更大的曲率。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(10)，其中，在垂直地投影到所述翼弦(34) 上的情況下，所述區(qū)段起點(diǎn)(GA)預(yù)先確定設(shè)置在所述翼弦(34)上的投影點(diǎn)(GP)，所述投影點(diǎn)與所述前緣點(diǎn)04)的距離為所述翼弦(34)的長度的最大60%。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10之一所述的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(10)，其中，葉片頂側(cè)的翼型 (30)的所述吸氣側(cè)輪廓0 和所述壓力側(cè)輪廓GO)分別具有至少兩個(gè)拐點(diǎn)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11之一所述的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(10)，其中，所述葉身頂部02) 是開放式的。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12之一所述的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(10)，其中，葉片頂側(cè)的所述翼型(30)中的至少一些以“后加載設(shè)計(jì)”構(gòu)造，并且其余的所述翼型08)以“前加載設(shè)計(jì)”構(gòu)造。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13之一所述的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(10)，其中，所述葉身頂側(cè)包括所述翼展的從所述葉身頂部02)開始的最大20%的區(qū)域03)。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14之一所述的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(10)，其中，在以氣體環(huán)流時(shí)，沿著從所述前緣點(diǎn)04)至所述后緣點(diǎn)06)的所述吸氣側(cè)輪廓0 建立所述氣體的速度分布(44)，其中，葉片頂側(cè)的所述翼型(30)中的至少一些選擇為，使得在最大值位置處出現(xiàn)速度最大值，在垂直地投影到所述翼弦(34)的情況下，所述最大值位置的投影點(diǎn)與所述前緣點(diǎn)04)的距離為所述翼弦(34)的長度的10%至30%之間。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(10)，其中，涉及的所述翼型(30)選擇為，使得在具有所述翼弦(34)的長度的最大15%的長度的吸氣側(cè)輪廓02)的連接到所述最大值位置上的吸氣側(cè)區(qū)段中建立速度的斜率最大的梯度。
17.具有轉(zhuǎn)子的軸流式壓縮機(jī)，在所述轉(zhuǎn)子的外周上構(gòu)成具有根據(jù)權(quán)利要求1至16之一所述的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(10)的至少一個(gè)轉(zhuǎn)子葉片環(huán)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于優(yōu)選為固定式燃?xì)廨啓C(jī)的軸向通流的壓縮機(jī)的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(10)。其提出，為了降低徑向間隙損耗，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(10)的葉身(12)的葉片頂側(cè)的翼型(30)的中弧線(32)具有至少兩個(gè)拐點(diǎn)(36、38)。由于兩個(gè)拐點(diǎn)(36、38)的存在，對(duì)于在35％至50％的區(qū)段中的吸氣側(cè)輪廓(42)得到構(gòu)成凹形的吸氣側(cè)輪廓區(qū)段(D)，并且對(duì)于壓力側(cè)輪廓(40)得到構(gòu)成凸形的壓力側(cè)輪廓區(qū)段(E)。借助于這種幾何形狀可生成低損耗的間隙渦流，以便提高配備有該壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(10)的軸流式壓縮機(jī)的總效率。
文檔編號(hào)F04D29/32GK102483072SQ201080039406
公開日2012年5月30日 申請日期2010年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月4日
發(fā)明者克里斯蒂安·科爾內(nèi)留斯, 埃伯哈德·尼克, 格奧爾格·克勒格爾 申請人:西門子公司