具有用于提供改進(jìn)的空氣動(dòng)力和機(jī)械性能的葉型的渦輪機(jī)葉片的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及渦輪機(jī)葉片領(lǐng)域，特別適用于渦輪機(jī)的高壓壓縮機(jī)或低壓壓縮機(jī)的風(fēng)扇的金屬葉片。
現(xiàn)有技術(shù)
[0002]渦輪機(jī)的葉片承受相當(dāng)大的轉(zhuǎn)速；因此，葉片的空氣動(dòng)力和機(jī)械性能對(duì)渦輪機(jī)的良好運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用。
[0003]為了通過(guò)改進(jìn)葉片幾何形狀來(lái)提高葉片性能，人們已經(jīng)提出了數(shù)種建議。
[0004]特別應(yīng)該提到的是以本申請(qǐng)的申請(qǐng)人提交的專利文獻(xiàn)FR 2908152，其中提出了沿葉片的高度改變?nèi)~片的幾何形狀。
[0005]更確切地說(shuō)，該文獻(xiàn)提出了一種改進(jìn)了空氣動(dòng)力性能的葉片，根據(jù)描述，其提供了一種幾何形狀，該幾何形狀是一種相對(duì)較低和明顯的腹部與在縱向和切線方向都非常明顯的后掠的組合。
[0006]然而，盡管采用這種葉片空氣動(dòng)力性能會(huì)提高，但因?yàn)檫@種特定幾何形狀對(duì)其機(jī)械阻力的影響，更確切地說(shuō)，這種幾何形狀對(duì)葉片某些共振模式的影響，使得葉片的運(yùn)行易出問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明旨在提出一種具有高空氣動(dòng)力和機(jī)械性能的葉片來(lái)克服這種情況。
[0008]為此，本發(fā)明提出了一種渦輪機(jī)葉片，一種渦輪機(jī)葉片，包括沿徑向軸線堆疊的多個(gè)葉片截面，每個(gè)葉片截面沿前緣和后緣之間的縱軸，和沿壓力面與吸力面之間的切向軸延伸，葉片截面按縱向Xg和切向Yg分布定律分布，根據(jù)葉片自其根部延伸到其頂部的高度，該縱向Xg和切向Yg分布定律確定了葉片截面的各自重心相對(duì)于所述縱軸和切向軸的定位情況；
[0009]其特征在于，在葉片高度H的90至100%之間的葉片頂部處:
[0010]-具有第一高度，縱向Xg分布定律從該高度處開(kāi)始轉(zhuǎn)彎朝向葉片的前緣，
[0011]-具有第二高度，切向Yg分布定律從該高度處開(kāi)始轉(zhuǎn)彎朝向葉片的吸力面。
[0012]或者，所述第一和第二高度位于葉片高度H的90%和95%之間。
[0013]根據(jù)特定實(shí)施例，所述第一和第二高度相等。
[0014]所述葉片通常采用金屬材料制成。
[0015]本發(fā)明還涉及包括多個(gè)如上所述葉片的渦輪機(jī)風(fēng)扇、低壓壓縮機(jī)或高壓壓縮機(jī)。
[0016]本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種包括多個(gè)如上所述葉片的渦輪機(jī)。
【附圖說(shuō)明】
[0017]通過(guò)如下說(shuō)明，本發(fā)明的其它特性和優(yōu)點(diǎn)會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)，如下說(shuō)明僅用于示意說(shuō)明，并非為限定性的，該說(shuō)明必須結(jié)合附圖閱讀，附圖如下:
[0018]-圖1為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的渦輪機(jī)風(fēng)扇的局部縱向剖面圖。
[0019]-圖2和3為曲線圖示例，分別示出了Xg和Yg分布定律在根據(jù)本發(fā)明的葉片的部分高度上的變化情況。
[0020]-圖4和圖5為曲線圖示例，分別示出了Xg和Yg分布定律在根據(jù)本發(fā)明的葉片的高度上的變化情況。
[0021]-圖6為曲線圖，示出了相對(duì)于已知葉片，根據(jù)本發(fā)明的葉片所獲得的效率(yield)增大的情況。
【具體實(shí)施方式】
[0022]圖1所示為渦輪機(jī)的風(fēng)扇2的局部部分，該渦輪機(jī)通常為航空領(lǐng)域使用的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。
[0023]風(fēng)扇2由多個(gè)葉片4組成，這些葉片有規(guī)律地間隔分布在以風(fēng)扇2的縱軸X-X為中心的轉(zhuǎn)子輪盤(pán)6 (通常稱之為輪轂)的周?chē)?br>[0024]每個(gè)葉片4通常包括葉型8、葉根10和葉片頂部12。葉根10安裝在轉(zhuǎn)子輪盤(pán)6上并通過(guò)平臺(tái)14的中間部分連接到葉型8上，該平臺(tái)14限定了流過(guò)風(fēng)扇2的氣流的范圍。轉(zhuǎn)子輪盤(pán)6沿箭頭18所示方向圍繞縱軸X-X被帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。
[0025]葉片頂部12位于風(fēng)扇的固定機(jī)箱內(nèi)表面20的對(duì)面，該表面20也限定了氣流16的范圍，因此，氣流就被限定在平臺(tái)14和機(jī)匣的內(nèi)表面20之間。
[0026]葉型8包括多個(gè)葉片截面22，這些葉片截面沿垂直于縱軸X-X的徑向軸線Z-Z堆疊。葉片截面22設(shè)置在從縱軸X-X的徑向距離逐漸增大的位置上。最終形成的堆疊構(gòu)成了空氣動(dòng)力面，該空氣動(dòng)力面沿縱軸X-X在前緣24和后緣26之間延伸，沿風(fēng)扇的切向軸Y-Y在壓力面(與牽引力反向)和吸力面(與牽引力同側(cè))(圖未示)之間延伸。
[0027]葉片具有高度H，該高度是沿徑向軸線Z-Z自葉根10至葉片頂部12的測(cè)量高度?？梢源_定的是，在高度H的0%處的葉片截面對(duì)應(yīng)于前緣24與氣流的內(nèi)側(cè)氣流之間的交叉點(diǎn)的半徑，而在高度H的100%處的葉片截面對(duì)應(yīng)于前緣24和氣流的上部氣流之間的交叉點(diǎn)的半徑的點(diǎn)。
[0028]如此確定的風(fēng)扇的縱軸X-X、切向軸Y-Y和徑向軸Z-Z構(gòu)成了一種直接正交三面體(direct orthonormal trihedron)。
[0029]該發(fā)明適用于渦輪機(jī)不同類型的動(dòng)葉片；例如，風(fēng)扇動(dòng)葉片、高壓壓縮機(jī)(即氣流流動(dòng)方向上游的壓縮機(jī))的動(dòng)葉片，和高壓壓縮機(jī)(即氣流流動(dòng)方向下游的壓縮機(jī))的動(dòng)葉片。
[0030]圖1為渦輪機(jī)風(fēng)扇的局部示意圖，其純粹為了示意說(shuō)明，特別是，該圖定義了渦輪機(jī)的各種軸線。
[0031]實(shí)際上，應(yīng)該清楚的是，除了風(fēng)扇葉片之外，如下說(shuō)明也適用于渦輪機(jī)的其它葉片，特別是低壓壓縮機(jī)和/或高壓壓縮機(jī)葉片。
[0032]圖2和圖3分別示出了 Xg和Yg分布定律的曲線變化示例，所示為在根據(jù)本發(fā)明的葉片的一部分高度上的變化。
[0033]這兩個(gè)曲線示出了縱向Xg和切向Yg分布定律的變化情況，該定律確定了構(gòu)成葉片的堆疊的葉片截面的各自重心相對(duì)于縱軸X-X和切向軸Y-Y的定位情況?？v坐標(biāo)軸表示比率h/H，式中H是以上確定的葉片總高度，而h為所述重心的高度，是自葉片的基部10處測(cè)量的高度。
[0034]如這些曲線圖所示，本發(fā)明提出在葉片頂部(即，在構(gòu)成頂部12的葉片上部的10%處)改變這些Xg和Yg分布定律的斜坡(slope)方向。
[0035]為此，自葉片基部開(kāi)始，對(duì)于葉片高度H在90%至100%之間的高度，可以看到所述兩個(gè)局部分布定律呈現(xiàn)一種鉤形。
[0036]更常見(jiàn)的是，對(duì)于每一個(gè)Xg和Yg分布定律來(lái)講，在葉片高度H的90%至100%之間，都有一個(gè)高度，這兩個(gè)分布定律從該高度處開(kāi)始減小。
[0037]這些高度通常在葉片高度H的90%至95%之間。
[0038]在葉片高度H的90%至100%之間的Xg分布定律開(kāi)始減小的高度值，和在葉片高度H的90%至100%之間的Yg分布定律開(kāi)始減小的高度值可以相同或不同。
[0039]縱向Xg和切向Yg分布定律通常包括在自基部開(kāi)始的葉片高度H的90%至100%之間的高度值的范圍上的沿斜坡方向的單個(gè)變化，該縱向Xg和切向Yg分布定律確定了構(gòu)成葉片的堆疊起來(lái)的葉片截面的各自重心相對(duì)于縱軸X-X和切向軸Y-Y的定位情況。
[0040]因此，根據(jù)本發(fā)明的葉片帶有一種葉型，在從葉片基部開(kāi)始的葉片高度90%至100%之間，該葉型沿前緣24方向并朝吸力面延伸，為此，這種延伸相當(dāng)于向前部并向葉片頂部的吸力面傾斜。
[0041]圖3和圖4分別示出了縱向Xg和切向Yg分布定律在葉片整個(gè)高度上的示例。
[0042]如同圖2和圖3所示那樣，在葉片頂部，在這些Xg和Yg分布定律的斜坡方向出現(xiàn)變化，所述葉片頂部系指構(gòu)成頂部12的葉片上部10%。在葉片頂部，這些Xg和Yg的斜面方向上的這種改變并不受Xg和Yg分布定律在葉片其余高度上的變化的影響。
[0043]圖6曲線圖示出了根據(jù)本發(fā)明的有關(guān)已知葉片所獲得的葉片效率(yield)增大的情況。
[0044]所述效率是在葉片的上游和下游之間估算的，考慮到了上游和下游的壓力和溫度。該圖示出了葉片上半部分的變化情況，即，是從H/2至H的高度范圍，其中，H是葉片的總高度。
[0045]該圖示出了三個(gè)曲線100、102和104，分別為根據(jù)本發(fā)明的葉片所獲得的效率，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)在頂部沒(méi)有轉(zhuǎn)折(inflext1n)的葉片所獲得的效率，以及根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)在頂部在其縱向分布定律Xg內(nèi)帶有轉(zhuǎn)折的葉片所獲得的效率。
[0046]從這個(gè)曲線圖上可以看出，本發(fā)明可以增大葉片de上部分的效率。另外，還可看到，葉片頂部的改進(jìn)使得在明顯更寬的高度范圍內(nèi)的葉片de效率得到改善；葉片的幾何形狀改動(dòng)10%，就會(huì)影響葉片的空氣動(dòng)力效率達(dá)50%以上。
[0047]此外，與現(xiàn)有技術(shù)的方案不同，本發(fā)明通過(guò)改進(jìn)縱向Xg分布定律和切向Yg分布定律，可以提高葉片的機(jī)械強(qiáng)度。
[0048]實(shí)際上，縱向Xg分布定律的鉤狀可以減小葉片上的靜態(tài)限制。此外，雖然根據(jù)縱向Xg分布定律的這種鉤狀會(huì)顯著降低葉片特定工作模式的頻率(此處為模式4)，但這種降低會(huì)由切向Yg分布定律的鉤狀來(lái)補(bǔ)償，后者使得該同一工作方式頻率的增加量與前述降低量大體相等。
[0049]Xg和Yg的鉤狀對(duì)其它特定工作模式的影響甚微。
[0050]因此，縱向Xg和切向Yg分布定律的這種改進(jìn)，因?yàn)殪o態(tài)限制的減小，從而提高了機(jī)械性能，不會(huì)影響動(dòng)態(tài)性能。
[0051]本發(fā)明特別適宜于金屬材料制成的葉片，例如，適用于通常尺寸縮小至40到50英寸(即101.60cm至127cm)范圍的葉片。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種渦輪機(jī)葉片，包括沿徑向軸線(Z-Z)堆疊的多個(gè)葉片截面，每個(gè)葉片截面沿前緣和后緣之間的縱軸(X-X)，和沿壓力面與吸力面之間的切向軸(Y-Y)延伸，葉片截面按縱向Xg和切向Yg分布定律分布；根據(jù)葉片自其根部延伸到其頂部的高度，該縱向Xg和切向Yg分布定律確定了葉片截面的各自重心相對(duì)于所述縱軸(X-X)和切向軸(Y-Y)的定位情況； 其特征在于，在葉片高度(H)的90至100%之間的葉片頂部處: -具有第一高度(Hx)，縱向Xg分布定律從該高度處開(kāi)始轉(zhuǎn)彎朝向葉片的前緣， -具有第二高度(Hy)，切向Yg分布定律從該高度處開(kāi)始轉(zhuǎn)彎朝向葉片的吸力面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)葉片，其中，所述第一和第二高度(Hx和Hy)在葉片高度H的90至95%之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的渦輪機(jī)葉片，其中，所述第一和第二高度(Hx和Hy)相等。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的渦輪機(jī)葉片，其中，所述葉片采用一種金屬材料制成。
5.一種渦輪機(jī)風(fēng)扇，其特征在于，其包括根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的多個(gè)葉片。
6.一種渦輪機(jī)高壓壓縮機(jī)，其特征在于，其包括根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的多個(gè)葉片。
7.一種渦輪機(jī)低壓壓縮機(jī)，其特征在于，其包括根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的多個(gè)葉片。
8.一種渦輪機(jī)，其特征在于，其包括根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的多個(gè)葉片。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種渦輪機(jī)葉片，包括沿徑向軸線(Z-Z)堆疊的多個(gè)葉片截面，每個(gè)葉片截面沿前緣和后緣之間的縱軸(X-X)，和沿壓力面與吸力面之間的切向軸(Y-Y)延伸，葉片截面按縱向Xg和切向Yg分布定律分布；根據(jù)葉片自其根部延伸到其頂部的高度，該縱向Xg和切向Yg分布定律確定了葉片截面的各自重心相對(duì)于所述縱軸(X-X)和切向軸(Y-Y)的定位情況；其特征在于，所述每個(gè)縱向Xg和切向Yg分布定律都會(huì)在葉片高度的90％至100％之間改變斜坡方向。
【IPC分類】F01D5-14, F04D29-38, F04D29-32
【公開(kāi)號(hào)】CN104583604
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201380043045
【發(fā)明人】勞倫特·雅布隆斯基, 漢娜·賴斯, 杰羅姆·塔博泰克, 桑德琳·奎洛克斯
【申請(qǐng)人】斯奈克瑪
【公開(kāi)日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2013年6月28日
【公告號(hào)】CA2878827A1, EP2872782A1, US20150192024, WO2014009628A1