專(zhuān)利名稱(chēng)：雙彎曲壓氣機(jī)葉型的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及燃?xì)馔钙桨l(fā)動(dòng)機(jī)，更具體地涉及其中的壓氣機(jī)或風(fēng)扇。
在渦扇航空器燃?xì)馔钙桨l(fā)動(dòng)機(jī)中，在運(yùn)轉(zhuǎn)期間空氣在風(fēng)扇和壓氣機(jī)中受壓縮。該風(fēng)扇空氣被用來(lái)推動(dòng)在飛行中的航空器。經(jīng)壓氣機(jī)引導(dǎo)的空氣在燃燒器內(nèi)與燃料混合并點(diǎn)燃，以產(chǎn)生熱燃?xì)?，流?jīng)透平級(jí)，透平級(jí)從中吸取能量，為風(fēng)扇和壓氣機(jī)提供動(dòng)力。
一般的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)包括一多級(jí)軸流式壓氣機(jī)，它對(duì)空氣增壓，隨后產(chǎn)生高壓燃燒空氣。該壓縮空氣當(dāng)被壓縮時(shí)擴(kuò)散和減速。因此，壓氣機(jī)葉型須被設(shè)計(jì)成能減少不希望的氣流分離，這種氣流分離會(huì)有害的影響氣流分離區(qū)和效率。
相反地，燃燒氣體經(jīng)透平級(jí)被加速，而透平葉片具有各種各樣的空氣動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)，以使能量提取具有最高的效率。
壓氣機(jī)中的基本原則是壓縮空氣的效率，在從起飛、巡航和著落操作的整個(gè)飛行包絡(luò)范圍內(nèi)，具有充分的氣流分離區(qū)。
然而，壓氣機(jī)效率和氣流分離區(qū)通常存在相反的關(guān)系，提高效率一般相應(yīng)于氣流分離區(qū)縮小。氣流分離區(qū)和效率的相互矛盾的要求在高性能軍用發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合中是特別需要的，高性能軍用發(fā)動(dòng)機(jī)一般要求以犧牲壓氣機(jī)效率來(lái)?yè)Q取高的氣流分離區(qū)范圍，這和要求不高的商業(yè)適用場(chǎng)合相反。
壓氣機(jī)葉型效率的最高化主要受沿葉型壓力和負(fù)壓側(cè)的速度分布最佳化的影響。然而，在常規(guī)的壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)中，效率一般受合適的失速區(qū)要求的限制。效率的任何進(jìn)一步增加一般會(huì)導(dǎo)致失速區(qū)的縮小，而相反，失速區(qū)的進(jìn)一步增大會(huì)導(dǎo)致效率的下降。
一般，使對(duì)應(yīng)于給定級(jí)的葉型濕表面積最小以相應(yīng)減小葉型阻力來(lái)獲得高效率。這通常是通過(guò)減小轉(zhuǎn)子盤(pán)周?chē)娜~型的實(shí)度或密度或增加葉型的翼展和弦長(zhǎng)之展弦比達(dá)到的。
對(duì)于給定的轉(zhuǎn)子速度，效率增加會(huì)縮小失速區(qū)。為得到高失速區(qū)，除了在低于最佳攻角下設(shè)計(jì)葉型外，可采用比最佳實(shí)度高的值和/或比最佳展弦比低的值。
通過(guò)增加轉(zhuǎn)子速度也可提高失速區(qū)，但由于提高了空氣流的馬赫數(shù)，它增加了葉型的阻力這又降低了效率。
而且，壓氣機(jī)葉片經(jīng)受受空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)影響的離心應(yīng)力。為得到有效的葉片壽命，必須限制峰值應(yīng)力，而這又限制了獲得最佳空氣動(dòng)力學(xué)性能的能力。
因此，一般的壓氣機(jī)設(shè)計(jì)須包含一個(gè)兼顧效率和失速區(qū)的折衷方案，它還受可允許的離心應(yīng)力的影響。
因此，希望進(jìn)一步改善壓氣機(jī)效率并提高失速區(qū)，同時(shí)限制離心應(yīng)力，以改進(jìn)燃?xì)馔钙綁簹鈾C(jī)的性能。
壓氣機(jī)葉型包括自葉根延伸到前緣和后緣之間的葉尖的壓力側(cè)和負(fù)壓側(cè)。各橫截面具有相應(yīng)的弦和弧線。這些截面的重心沿一雙彎重疊軸線對(duì)齊，以改善性能。
在連同附圖一起所作的下列詳細(xì)說(shuō)明中，按照優(yōu)先和示例性實(shí)施例更加詳盡地說(shuō)明了本發(fā)明及其其它的目的和優(yōu)點(diǎn)。


圖1是按照本發(fā)明的示例性實(shí)施例的具有彎曲葉型的一部分燃?xì)馔钙綁簹鈾C(jī)轉(zhuǎn)子級(jí)的等角投影圖，這些葉型自整體轉(zhuǎn)子盤(pán)徑向向外延伸；圖2是大致沿2-2線所取的在切向和徑向平面內(nèi)的圖1所示葉型中的一個(gè)葉型的后視等角投影圖；圖3是大致沿3-3線所取的在軸向和徑向平面內(nèi)沿圓周伸出的圖1所示的葉型中的一個(gè)的側(cè)視圖；圖4是沿4-4線所取的圖3中所示的葉型的頂視圖；圖5是圖4中所示的示例性雙彎切向重疊葉型軸線的曲線圖。
圖1中所示的是圓環(huán)形轉(zhuǎn)子體10的一部分，該轉(zhuǎn)子體限定燃?xì)馔钙降亩嗉?jí)軸流式壓氣機(jī)的一個(gè)級(jí)。該轉(zhuǎn)子體包括若干沿圓周間隔的轉(zhuǎn)子葉片或葉型12，它的自一整體轉(zhuǎn)子盤(pán)14周邊徑向向外延伸，形成一單件整體組件。該轉(zhuǎn)子體可采用常規(guī)的銑削或電化學(xué)加工來(lái)制造。
或者，這些葉型可制成帶有整體燕尾，以便按另一種常規(guī)的構(gòu)造形式可拆卸地安裝在不連續(xù)的轉(zhuǎn)子盤(pán)周邊上的相應(yīng)的燕尾槽內(nèi)，在運(yùn)轉(zhuǎn)期間，該轉(zhuǎn)子體在圖1中示例性順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)空氣16在相鄰兩葉面之間流動(dòng)時(shí)將其壓縮。這些葉型的廓線符合空氣動(dòng)力學(xué)造形，以使壓縮效率最高，同時(shí)提供一穩(wěn)定的高氣流分離區(qū)，以提高壓氣機(jī)的性能。如圖1所示的轉(zhuǎn)子體10僅僅是若干級(jí)轉(zhuǎn)子葉型中的一個(gè)，它可按本發(fā)明造形，在所允許的離心應(yīng)力范圍內(nèi)通過(guò)共同提高效率和氣流分離區(qū)兩者來(lái)提高壓氣機(jī)性能。
盡管通常的折衷方案在空氣動(dòng)力學(xué)效率和氣流分離區(qū)之間作出，然而為求解評(píng)估葉型性能的三維(3D)粘性流動(dòng)方程式，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟件仍然是可用的。最終的葉型一般具有各不相同的三維構(gòu)形，它顯著不同于沿其寬度徑向截面很小的普通的葉型。
圖1表示一具體由三維分析揭示的雙彎葉型12，在提高效率和氣流分離區(qū)兩方面，性能已改善，而在以前由于存在應(yīng)力極限是不可能的。
轉(zhuǎn)子盤(pán)14具有三個(gè)垂直的軸線，包括軸向X，切向或周向Y和徑向Z。軸向軸線X沿相對(duì)于空氣流16的下游方向穿過(guò)壓氣機(jī)。該切線軸線Y沿轉(zhuǎn)子盤(pán)和葉型的轉(zhuǎn)動(dòng)方向延伸。而徑向軸線Z自在其上有各葉型的轉(zhuǎn)子盤(pán)周邊徑向向外延伸。
各葉型12包括一大致中凹的壓力側(cè)18和一大致中凸的負(fù)壓側(cè)20，自與轉(zhuǎn)子盤(pán)周邊整體連續(xù)的葉根或轂22徑向或縱向延伸到徑向外葉尖24。該兩側(cè)自葉根到葉尖在前后緣26、28之間沿弦或軸向延伸。
按照本發(fā)明的一個(gè)特點(diǎn)，葉型負(fù)壓側(cè)20沿靠近或鄰近與該盤(pán)周邊相交處的葉根22的尾緣28成側(cè)向或切向彎曲。由于提高了葉片效率和改善了氣流分離區(qū)，在該位置可大大減少空氣流分離。
如圖2中所示，負(fù)壓側(cè)后緣基本上僅沿切向彎曲。在圖3中所示的軸向和徑向平面X-Z的側(cè)向投影圖中，該負(fù)壓側(cè)彎曲是看不見(jiàn)的。然而，該葉型也可如圖3中所示軸向彎曲，以進(jìn)一步改善性能，如下文中以后所討論的。
圖1-3中所示的葉型如圖4中所示從葉根到葉尖由若干徑向或縱向重疊橫截面限定。各截面具有空氣動(dòng)力學(xué)廓線，由在前、后緣26、28之間延伸壓力側(cè)和負(fù)壓側(cè)18、20的相應(yīng)部分限定。每一廓線由在前、后緣之間軸向延伸的一直線30和為在壓力側(cè)和負(fù)壓側(cè)之間自前緣至后緣等距離間隔的中線的弧形彎曲線32限定。
壓氣機(jī)葉型12一般自葉根至葉頂扭彎，使壓氣機(jī)性能最佳。相對(duì)于各徑向截面的扭彎是由在前緣26處在弦30和軸向軸線X之間測(cè)得的葉片安裝角A限定。該安裝角一般自葉根到葉尖增大，而在葉尖處大于葉根處。
各葉型截面還有一重心34，如圖1中所示，它沿葉型的縱向?qū)挾妊貜较驅(qū)R在一重疊軸線36上，按照本發(fā)明的另一特點(diǎn)，該重疊軸線最好沿切向是雙彎曲的。按照本發(fā)明，該重疊軸線36連同包含其弦30和弧線32的相應(yīng)葉型截面允許葉型作3維限定，以提高性能。
更具體地說(shuō)，圖1中所示的重疊軸線36具有兩垂直分量，包括在圖2和5中所示的一切向重疊軸線36a和圖3中所示的軸向重疊軸線36b。切向重疊軸線36a在鄰近葉型根部是非線性的或彎曲的，使靠近后緣根部或轂部的葉型負(fù)壓側(cè)20彎曲。
如圖1和5中所示，切向重疊軸線36a包括一第一拐彎或彎曲38，自葉根22到葉型的壓力側(cè)18向前或沿葉型和盤(pán)的向前旋轉(zhuǎn)方向具有最初的偏曲。該第一彎曲38然后朝徑向軸線Z轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚝蟮钠?br> 重疊軸線36a還包含一第二拐彎或彎曲40，它自第一彎曲經(jīng)過(guò)徑向軸線Z，與葉型和盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，沿鄰近葉尖24的負(fù)壓側(cè)20，向后偏曲。該第二彎曲然后轉(zhuǎn)變成朝徑向軸Z的向前偏曲。相應(yīng)地，鄰近葉根的葉型橫截面的安裝角也改變，使負(fù)壓側(cè)沿后緣負(fù)壓側(cè)彎曲。
這樣，該切向重疊軸線36a的雙彎曲具有一大致S形，并將這些橫截面的相應(yīng)形狀選成能基本上減少或消除在后緣處沿靠近葉型轂盤(pán)的負(fù)壓側(cè)的空氣流分離，同時(shí)又減小離心應(yīng)力。例如，后緣28從葉根到葉尖還具有大致S形。
該S型彎曲的重疊軸線允許后緣28基本上垂直于彎曲的負(fù)壓側(cè)20的葉根定向，并在其上方向后偏曲，如圖1和2中所示。后緣28以交會(huì)角B與轉(zhuǎn)子盤(pán)的周邊或平臺(tái)相交，否則，在后緣沒(méi)有彎曲的情況下，該角會(huì)是明顯的銳角。計(jì)算機(jī)分析表明銳角的后緣交角助長(zhǎng)了轂盤(pán)的氣流分離，它降低了葉型的效率。負(fù)壓側(cè)的彎曲減小了交角B的銳度，從而相應(yīng)減少了氣流分離，效率伴隨提高。
然而，由于葉型是三維結(jié)構(gòu)，它的各截面在空氣動(dòng)力學(xué)上和機(jī)械上相互關(guān)連成復(fù)雜的狀態(tài)。因此，第一彎曲38的形狀和沿旋轉(zhuǎn)方向的切向偏曲量最好按空氣動(dòng)力學(xué)分析來(lái)控制，以消除或減少后緣處轂盤(pán)的氣流分離。該第一彎曲還相應(yīng)地將峰值離心應(yīng)力自葉型根部移走而進(jìn)入第一彎曲處的葉型截面。
此時(shí)為減小第一彎曲區(qū)內(nèi)的離心應(yīng)力，可應(yīng)用機(jī)械或應(yīng)力分析，以便沿與旋轉(zhuǎn)相反的方向控制在第一彎曲的過(guò)渡外側(cè)的切向重疊軸線廓線的其余部分。由于采用了第二彎曲40，它使重疊軸線沿旋轉(zhuǎn)方向相對(duì)于葉型葉尖區(qū)再次偏曲，可使在第一彎曲區(qū)內(nèi)葉根處的離心應(yīng)力減小。
第一和第二彎曲38、40被配置在徑向軸線Z的相反側(cè)，穿過(guò)葉型葉根的重心，以限制峰值離心應(yīng)力，及時(shí)使葉根處空氣動(dòng)力學(xué)性能最佳。兩個(gè)彎曲包含了拐點(diǎn)，在這些拐點(diǎn)處，重疊軸線在向前和向后之間改變方向。此外，若需進(jìn)一步減小葉根附近的離心應(yīng)力，第二彎曲可向后延伸經(jīng)過(guò)該徑向軸線。
這樣，S形彎曲的重疊軸線允許在運(yùn)轉(zhuǎn)期間離心負(fù)荷增加到輕微地拉直葉型并引起局部壓縮彎應(yīng)力，后者局部抵消離心張應(yīng)力。
因此，該擇優(yōu)彎曲的葉型減少了轂盤(pán)處的氣流分離，并僅受重疊軸線彎曲度的限制，在運(yùn)轉(zhuǎn)期間，由于可接受的彎曲應(yīng)力，可能引起重疊軸線的彎曲度。所述外側(cè)第二彎曲允許內(nèi)側(cè)第一彎曲的傾斜比它所能傾斜的大。改善轂盤(pán)氣流會(huì)增加葉型的效率，而不會(huì)犧牲氣流分離區(qū)，兩者均處在可接受的應(yīng)力極限內(nèi)。
空氣動(dòng)力學(xué)后掠是一種用以評(píng)價(jià)壓氣機(jī)葉型性能的常規(guī)參數(shù)。尾部后掠可能因?qū)⑷~型前緣26構(gòu)形成具有軸向同平面的徑向外部或外側(cè)部而受到限制，該徑向外側(cè)部包含葉尖24，如圖3中所示。而且，前緣26的其余徑向內(nèi)部或內(nèi)側(cè)部自外側(cè)部朝葉根22向進(jìn)軸向傾斜。
圖3表示葉型12自其負(fù)壓側(cè)20軸向突出，并表示一直的前緣外側(cè)部，后者最好位于一不變的軸向位置。當(dāng)葉型根部接近于以虛線所示的徑向線時(shí)，前緣的內(nèi)側(cè)部26向前傾斜。這樣，葉型的空氣動(dòng)力學(xué)后掠在前緣處自葉根至葉尖受限制。
空氣動(dòng)力學(xué)后掠還可因?qū)⑷~型后緣28擇優(yōu)構(gòu)形而受到限制，如圖3中所示?？衫幂S向重疊軸線36b連同相應(yīng)的弦長(zhǎng)來(lái)控制后緣的構(gòu)形。在一個(gè)優(yōu)先實(shí)施例中，該后緣28有一軸向平面內(nèi)側(cè)部，包含根部22和一自?xún)?nèi)側(cè)部至葉尖24的向前軸向傾斜的外側(cè)部。
由于該重疊軸線包含切向和軸向兩分量，該切向分量可用來(lái)幫助彎曲側(cè)20在葉根處接近后緣，如圖1和2中所示，以獲得上述的優(yōu)點(diǎn)。相應(yīng)地，可選擇重疊軸線的軸向分量來(lái)沿前緣和后緣26,28限制后掠，如圖3中所示。將該重疊軸線連同葉型各橫截面的形狀一起構(gòu)成，包括弦30的長(zhǎng)度和弧線32的彎度的分配。
因此，重疊軸線的兩分量和葉型橫截面形狀根據(jù)三維粘性流動(dòng)分析可補(bǔ)充構(gòu)形，以提高葉型效率和氣流分離區(qū)，同時(shí)控制離心應(yīng)力，從而產(chǎn)生如附圖中所示的顯著不同的3維構(gòu)形。
負(fù)壓側(cè)彎曲度和S型重疊對(duì)于不同的葉型構(gòu)造可用不同的組合來(lái)調(diào)節(jié)，以變更提高的空氣動(dòng)學(xué)性能和減小的離心應(yīng)力的益處。這樣，基于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)分析的進(jìn)步，最終的葉型12可設(shè)計(jì)成具有真正的三維性能。
雖然本文已說(shuō)明了被認(rèn)為是本發(fā)明的最優(yōu)先的和示例性的實(shí)施例，然而，根據(jù)本文所述的技術(shù)，對(duì)于熟悉本技術(shù)的人們來(lái)說(shuō)，本發(fā)明的其它修改會(huì)是顯而易見(jiàn)的，因此，希望凡落在本發(fā)明的實(shí)際精神和范圍內(nèi)的所有這些修改都在所附權(quán)利要求書(shū)中得到保護(hù)。
權(quán)利要求
1．一種壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子盤(pán)14的葉型12，具有軸向，切向和徑向垂直軸線，包括自葉根22到葉尖24徑向延伸并在前、后緣26、28之間軸向延伸的壓力側(cè)和負(fù)壓側(cè)18、20；橫截面，具有在所述前、后緣之間延伸的各自的弦和弧線，以及與雙彎重疊軸線36對(duì)齊的重心34；所述負(fù)壓側(cè)20在鄰近所述葉根22處沿所述后緣28彎曲，以減少該處的氣流分離。
2．按權(quán)利要求1所述的葉型，其特征在于所述重疊軸線包括兩垂直分量，包含一切向重疊軸線36a和一軸向重疊軸線36b，所述切向重疊軸線在鄰近所述葉型根部22處被彎曲，以使所述負(fù)壓側(cè)20在該處彎曲。
3．按權(quán)利要求1所述的葉型，其特征在于所述切向重疊軸線36a包含一第一彎曲38，具有一個(gè)自根部22向壓力側(cè)18的最初向前偏曲；一第二彎曲40，連結(jié)所述第一彎曲，并在葉尖24處向所述負(fù)壓級(jí)20向后偏曲，鄰近所述葉根的所述截面的安裝角改變，以使在該處的所述負(fù)壓側(cè)彎曲。
4．按權(quán)利要求3所述的葉型，其特征在于所述向前偏曲沿所述盤(pán)14頂部的葉型的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，所述向后偏曲與所述轉(zhuǎn)向相反。
5．按權(quán)利要求3所述的葉型，其特征在于所述后緣28在所述彎曲的負(fù)壓側(cè)20被定向或大體上垂直于所述葉根，并在其上方向后偏曲。
6．按權(quán)利要求3所述的葉型，其特征在于所述第一和第二彎曲38,40被配置在穿過(guò)所述葉型根部22的所述徑向軸線的相反兩側(cè)。
7．按權(quán)利要求3所述的葉型，其特征在于所述安裝角自葉根向葉尖增大。
8．按權(quán)利要求3所述的葉型，其特征在于所述切向重疊軸線自葉根至葉尖具有大致S形。
9．按權(quán)利要求3所述的葉型，其特征在于所述后緣28自葉根至葉尖具有大致S形。
10．一種壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子盤(pán)14的葉型12，具有軸向，切向和徑向垂直軸線，包括自葉根22到葉尖24徑向延伸并在前、后緣26、28之間軸向延伸的壓力側(cè)和負(fù)壓側(cè)18、20；橫截面，具有在所述前、后緣之間延伸的各自的弦和弧線，以及與雙彎重疊軸線36對(duì)齊的重心34；所述負(fù)壓側(cè)20在鄰近所述葉根22處沿所述后緣28彎曲，以減少該處的氣流分離；其中，所述重疊軸線具有兩垂直分量，包含一切向重疊軸線36a和一軸向重疊軸線36b，所述切向重疊軸線是雙彎曲的，以便在葉根22處沿所述后緣使所述負(fù)壓側(cè)彎曲。
11．一種壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉型，包括一雙彎重疊軸線36和一個(gè)鄰近葉根22沿后緣28彎曲以減少氣流在該處分離的負(fù)壓側(cè)。
12．按權(quán)利要求11所述的葉型，其特征在于所述重疊軸線具有大致S型，且所述后緣具有大致S型。
13．按權(quán)利要求12所述的葉型，其特征在于所述尾緣28在所述彎曲的負(fù)壓側(cè)被定向成大體垂直于所述根部。
14．按權(quán)利要求13所述的葉型，其特征在于所述后緣28自所述彎曲的負(fù)壓側(cè)向所述葉型頂部偏曲。
全文摘要
一種壓氣機(jī)(12)包括壓力和負(fù)壓側(cè)(18,20),自葉根(22)延伸至葉頂(24),并在前、后緣(26,28)之間延伸。橫截面具有各自的弦和弧線。截面的重心(34)沿一雙彎重疊軸線對(duì)齊,以改善性能。
文檔編號(hào)F04D29/32GK1299003SQ00135090
公開(kāi)日2001年6月13日 申請(qǐng)日期2000年12月6日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月6日
發(fā)明者H·T　劉, R·B·迪克曼, K·W·克拉巴徹, G·T·斯坦梅茨, B·F·貝徹爾, B·K·多洛雷斯科 申請(qǐng)人:通用電氣公司