结合非轴对称毂流路和分流叶片的轴向压缩机转子
阅读：1021发布：2020-12-13
专利汇可以提供结合非轴对称毂流路和分流叶片的轴向压缩机转子专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种 压缩机 设备，包括 转子 ，其包括：安装成围绕中 心轴 线旋转的盘，盘的外周限定具有非轴对称的表面轮廓的流路表面；沿径向从流路表面向 外延 伸的一排翼形轴流式压缩机 叶片 ，其中压缩机叶片分别具有根部、末梢、前缘和 后缘 ；以及与压缩机叶片交错的一排翼形分流叶片，其中分流叶片分别具有根部、末梢、前缘和后缘；并且其中分流叶片在其根部处的翼弦尺寸和分流叶片的翼展尺寸中的至少一者小于压缩机叶片的对应尺寸。，下面是结合非轴对称毂流路和分流叶片的轴向压缩机转子专利的具体信息内容。
1.一种压缩机设备，包括：
轴流式转子，包括：
安装成围绕中心轴线旋转的盘，所述盘的外周限定具有非轴对称的表面轮廓的流路表面；
沿径向从所述流路表面向外延伸的一排翼形轴流式压缩机叶片，其中所述压缩机叶片分别具有根部、末梢、前缘和后缘；以及
与所述压缩机叶片交错的一排翼形分流叶片，其中所述分流叶片分别具有根部、末梢、前缘和后缘；以及
其中所述分流叶片在其根部处的翼弦尺寸和所述分流叶片的翼展尺寸中的至少一者小于所述压缩机叶片的对应尺寸。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述流路表面包括相邻压缩机叶片之间的凹形扇贝面。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述扇贝面在所述压缩机叶片的所述根部附近具有最小径向深度，且在相邻压缩机叶片的大致中间位置处具有最大径向深度。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，各个分流叶片均位于两个相邻压缩机叶片的大致中间。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述分流叶片定位成使得其后缘关于所述盘在与所述压缩机叶片的所述后缘大致相同的轴向位置处。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述分流叶片的所述翼展尺寸为所述压缩机叶片的所述翼展尺寸的50%或更小。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述分流叶片的所述翼展尺寸为所述压缩机叶片的所述翼展尺寸的30%或更小。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述分流叶片在其根部处的所述翼弦尺寸为所述压缩机叶片在其根部处的所述翼弦尺寸的50%或更小。
9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述分流叶片在其根部处的所述翼弦尺寸为所述压缩机叶片在其根部处的所述翼弦尺寸的50%或更小。
10.一种包括多个轴流级的压缩机设备，至少一个选择的所述级包括：
安装成围绕中心轴线旋转的盘，所述盘的外周限定具有非轴对称的表面轮廓的流路表面；
沿径向从所述流路表面向外延伸的一排翼形轴流式压缩机叶片，其中所述压缩机叶片分别具有根部、末梢、前缘和后缘；以及
与所述压缩机叶片交错的一排翼形分流叶片，其中所述分流叶片分别具有根部、末梢、前缘和后缘；并且
其中在其根部处的所述分流叶片的翼弦尺寸和所述分流叶片的翼展尺寸中的至少一者小于所述压缩机叶片的对应尺寸。
结合非轴对称毂流路和分流叶片的轴向压缩机转子
[0001] 按照美国空军授予的合同号FA8650-09-D-2922，美国政府可能在本发明中拥有一定权利。
技术领域
背景技术
[0003] 燃气涡轮发动机包括成串流连通的压缩机、燃烧器和涡轮。涡轮机械地联接到压缩机上，且三个构件限定涡轮机内核。内核可以以已知方式操作，以生成热的加压燃烧气流来操作发动机，以及执行有用功，如，提供推力或机械功。一个常见类型的压缩机是具有多个转子级的轴流式压缩机，转子级各包括具有一排轴流式翼型件(称为压缩机叶片)的盘。
[0004] 出于热力学循环效率的原因，通常期望结合具有最高可能的压缩比(即，入口压力与出口压力之比)的压缩机。还期望的是包括较少数目的压缩机级。然而，存在公知的相互关联的最大压力比和可能穿过给定压缩机级的质量流的空气动力限制。
[0006] 因此，仍需要一种压缩机转子，其可以以足够的失速范围和空气动力和结构性能的可接受平衡来操作。
发明内容
[0007] 此需要通过本发明解决，本发明提供了一种轴向压缩机，其具有包括压缩机叶片和分流叶片翼型件的转子叶片排。
[0008] 根据本发明的一方面，一种压缩机设备包括：轴流式转子，其包括：安装成围绕中心轴线旋转的盘，盘的外周限定具有非轴对称的表面轮廓的流路表面；沿径向从流路表面向外延伸的一排翼形轴流式压缩机叶片，其中压缩机叶片分别具有根部、末梢、前缘和后缘；以及与压缩机叶片交错的一排翼形分流叶片，其中分流叶片分别具有根部、末梢、前缘和后缘；并且其中在其根部处的分流叶片的翼弦尺寸和分流叶片的翼展尺寸中的至少一者小于压缩机叶片的对应尺寸。
[0009] 根据本发明的另一方面，流路表面包括相邻压缩机叶片之间的凹入扇贝面。
[0010] 根据本发明的另一个方面，扇贝面在邻近压缩机叶片的根部处具有最小径向深度，且大致在相邻压缩机叶片中间的位置处具有最大径向深度。
[0011] 根据本发明的另一个方面，各个分流叶片大致位于两个相邻压缩机叶片的中间。
[0012] 根据本发明的另一方面，分流叶片定位成使得其后缘关于盘在与压缩机叶片的后缘大致相同的轴向位置处。
[0013] 根据本发明的另一个方面，分流叶片的翼展尺寸为压缩机叶片的翼展尺寸的50%或更小。
[0014] 根据本发明的另一个方面，分流叶片的翼展尺寸为压缩机叶片的翼展尺寸的30%或更小。
[0015] 根据本发明的另一个方面，在其根部处的分流叶片的翼弦尺寸为在其根部处的压缩机叶片的翼弦尺寸的50%或更小。
[0016] 根据本发明的一个方面，一种压缩机设备包括多个轴流级，至少一个选择的级包括：安装成围绕中心轴线旋转的盘，盘的外周限定具有非轴对称的表面轮廓的流路表面；沿径向从流路表面向外延伸的一排翼形轴流式压缩机叶片，其中压缩机叶片分别具有根部、末梢、前缘和后缘；以及与压缩机叶片交错的一排翼形分流叶片，其中分流叶片分别具有根部、末梢、前缘和后缘；并且其中在其根部处的分流叶片的翼弦尺寸和分流叶片的翼展尺寸中的至少一者小于压缩机叶片的对应尺寸。
[0017] 根据本发明的另一方面，流路表面包括相邻压缩机叶片之间的凹入扇贝面。
[0018] 根据本发明的另一个方面，扇贝面在邻近压缩机叶片的根部处具有最小径向深度，且在大致在相邻压缩机叶片中间的位置处具有最大径向深度。
[0019] 根据本发明的另一个方面，各个分流叶片大致位于两个相邻压缩机叶片的中间。
[0020] 根据本发明的另一方面，分流叶片定位成使得其后缘关于盘在与压缩机叶片的后缘大致相同的轴向位置处。
[0021] 根据本发明的另一个方面，分流叶片的翼展尺寸为压缩机叶片的翼展尺寸的50%或更小。
[0022] 根据本发明的另一个方面，分流叶片的翼展尺寸为压缩机叶片的翼展尺寸的30%或更小。
[0023] 根据本发明的另一个方面，在其根部处的分流叶片的翼弦尺寸为在其根部处的压缩机叶片的翼弦尺寸的50%或更小。
[0024] 根据本发明的另一个方面，在其根部处的分流叶片的翼弦尺寸为在其根部处的压缩机叶片的翼弦尺寸的50%或更小。
[0025] 根据本发明的另一方面，选择的级设置在压缩机的后半部分内。
[0026] 根据本发明的另一方面，选择的级为压缩机的最后方的级。
[0027] 本发明的第一技术方案提供了一种压缩机设备，包括：轴流式转子，包括：安装成围绕中心轴线旋转的盘，盘的外周限定具有非轴对称的表面轮廓的流路表面；沿径向从流路表面向外延伸的一排翼形轴流式压缩机叶片，其中压缩机叶片分别具有根部、末梢、前缘和后缘；以及与压缩机叶片交错的一排翼形分流叶片，其中分流叶片分别具有根部、末梢、前缘和后缘；以及其中分流叶片在其根部处的翼弦尺寸和分流叶片的翼展尺寸中的至少一者小于压缩机叶片的对应尺寸。
[0028] 本发明的第二技术方案是在第一技术方案中，流路表面包括相邻压缩机叶片之间的凹形扇贝面。
[0029] 本发明的第三技术方案是在第一技术方案中，扇贝面在压缩机叶片的根部附近具有最小径向深度，且在相邻压缩机叶片的大致中间位置处具有最大径向深度。
[0030] 本发明的第四技术方案是在第一技术方案中，各个分流叶片均位于两个相邻压缩机叶片的大致中间。
[0031] 本发明的第五技术方案是在第一技术方案中，分流叶片定位成使得其后缘关于盘在与压缩机叶片的后缘大致相同的轴向位置处。
[0032] 本发明的第六技术方案是在第一技术方案中，分流叶片的翼展尺寸为压缩机叶片的翼展尺寸的50%或更小。
[0033] 本发明的第七技术方案是在第一技术方案中，分流叶片的翼展尺寸为压缩机叶片的翼展尺寸的30%或更小。
[0034] 本发明的第八技术方案是在第七技术方案中，分流叶片在其根部处的翼弦尺寸为压缩机叶片在其根部处的翼弦尺寸的50%或更小。
[0035] 本发明的第九技术方案是在第一技术方案中，分流叶片在其根部处的翼弦尺寸为压缩机叶片在其根部处的翼弦尺寸的50%或更小。
[0036] 本发明的第十技术方案提供了一种包括多个轴流级的压缩机设备，至少一个选择的级包括：安装成围绕中心轴线旋转的盘，盘的外周限定具有非轴对称的表面轮廓的流路表面；沿径向从流路表面向外延伸的一排翼形轴流式压缩机叶片，其中压缩机叶片分别具有根部、末梢、前缘和后缘；以及与压缩机叶片交错的一排翼形分流叶片，其中分流叶片分别具有根部、末梢、前缘和后缘；并且其中在其根部处的分流叶片的翼弦尺寸和分流叶片的翼展尺寸中的至少一者小于压缩机叶片的对应尺寸。
[0037] 本发明的第十一技术方案是在第十技术方案中，流路表面包括相邻压缩机叶片之间的凹形扇贝面。
[0038] 本发明的第十二技术方案是在第十技术方案中，扇贝面在压缩机叶片的根部附近具有最小径向深度，且在相邻压缩机叶片大致中间位置处具有最大径向深度。
[0039] 本发明的第十三技术方案是在第十技术方案中，各个分流叶片均位于两个相邻压缩机叶片的大致中间。
[0040] 本发明的第十四技术方案是在第十技术方案中，分流叶片定位成使得其后缘关于盘在与压缩机叶片的后缘大致相同的轴向位置处。
[0041] 本发明的第十五技术方案是在第十技术方案中，分流叶片的翼展尺寸为压缩机叶片的翼展尺寸的50%或更小。
[0042] 本发明的第十六技术方案是在第十技术方案中，分流叶片的翼展尺寸为压缩机叶片的翼展尺寸的30%或更小。
[0043] 本发明的第十七技术方案是在第十技术方案中，分流叶片在其根部处的翼弦尺寸为压缩机叶片在其根部处的翼弦尺寸的50%或更小。
[0044] 本发明的第十八技术方案是在第十技术方案中，分流叶片在其根部处的翼弦尺寸为压缩机叶片在其根部处的翼弦尺寸的50%或更小。
[0045] 本发明的第十九技术方案是在第十技术方案中，选择的级设置在压缩机的后半部分内。
[0047] 本发明通过参照结合附图作出的以下描述而被更好地理解，在附图中：图1为结合根据本发明的方面构造的压缩机转子设备的燃气涡轮发动机的剖视示意图；
图2为压缩机设备的转子的一部分的透视图；
图3为压缩机设备的转子的一部分的俯视平面图；
图4为压缩机设备的转子的一部分的后视立视图；
图5为沿图4的线5-5截取的侧视图；以及
图6为沿图4的线6-6截取的侧视图。
图2为压缩机设备的转子的一部分的透视图；
图3为压缩机设备的转子的一部分的俯视平面图；
图4为压缩机设备的转子的一部分的后视立视图；
图5为沿图4的线5-5截取的侧视图；以及
图6为沿图4的线6-6截取的侧视图。
[0048] 附图标记F 流动方向
C1 翼弦
S1 翼展
d 深度
S2 翼展
C2 翼弦
10 发动机
11 轴线
12 风扇
14 增压器
16 高压压缩机
18 燃烧器
20 高压涡轮
22 低压涡轮
24 内核
26 外轴
28 内轴
30 旁通导管
32 叶片
34 旋转盘
36 导叶
38 转子
40 盘
42 腹板
44 边沿
46 前端
48 后端
50 流路表面
52 压缩机叶片
54 根部
56 末梢
58 压力侧
60 吸入侧
62 前缘
64 后缘
66 扇贝面
152 分流叶片
154 末梢
158 压力侧
160 吸入侧
162 前缘
164 后缘。
C1 翼弦
S1 翼展
d 深度
S2 翼展
C2 翼弦
10 发动机
11 轴线
12 风扇
14 增压器
16 高压压缩机
18 燃烧器
20 高压涡轮
22 低压涡轮
24 内核
26 外轴
28 内轴
30 旁通导管
32 叶片
34 旋转盘
36 导叶
38 转子
40 盘
42 腹板
44 边沿
46 前端
48 后端
50 流路表面
52 压缩机叶片
54 根部
56 末梢
58 压力侧
60 吸入侧
62 前缘
64 后缘
66 扇贝面
152 分流叶片
154 末梢
158 压力侧
160 吸入侧
162 前缘
164 后缘。
具体实施方式
[0049] 参看附图，其中遍及各种视图相同的参考标号表示相同的元件，图1示出了大体上表示为10的燃气涡轮发动机。发动机10具有纵向中心轴线11，且包括成轴流顺序的风扇12、低压压缩机或"增压器"14、高压压缩机("HPC")16、燃烧器18、高压涡轮("HPT")20，以及低压涡轮("LPT")22。HPC16、燃烧器18和HPT20共同地限定发动机10的内核24。HPT20和HPC16由外轴26互连。风扇12、增压器14和LPT22共同限定发动机10的低压系统。风扇12、增压器14和LPT22通过内轴28互连。
[0050] 在操作中，来自HPC16的加压空气与燃料在燃烧器18中混合，且焚烧，以生成燃烧气体。一些功通过HPT20从这些气体获得，HPT20经由外轴26驱动压缩机16。燃烧气体的其余部分从内核24排放到LPT22中。LPT22从燃烧气体获得功，且通过内轴28驱动风扇12和增压器14。风扇12操作来生成加压风扇空气流。风扇流("内核流")的第一部分进入增压器14和内核24，且风扇流("旁通流")的第二部分经由包绕内核24的旁通导管30排出。尽管所示实例为高旁通涡扇发动机，但本发明的原理同样适用于其它类型的发动机，如，低旁通涡扇、涡轮喷气发动机和涡轮轴。
[0051] 将注意的是，如本文中使用的，用语"轴向"和"纵向"两者是指平行于中心轴线11的方向，而"径向"是指垂直于轴向方向的方向，且"切向"或"周向"是指与轴向方向和切向方向相互垂直的方向。如本文使用的，用语"前方"或"前"是指穿过或围绕构件的空气流中相对上游的位置，而用语"后方"或"后"是指穿过或围绕构件的空气流中相对下游的位置。该流动的方向由图1中的箭头"F"示出。这些方向用语仅为了描述方便而使用，且不需要由此描述的结构的特定定向。
[0052] HPC16构造成用于轴向流体流，即，大体上平行于中心轴线11的流体流。这是与离心压缩机或混合流压缩机相反的。HPC16包括若干级，其中的每一个均包括转子，转子包括(一般地)安装到旋转盘34上的一排翼型件或叶片32，以及一排静止翼型件或导叶36。导叶36用于在空气流进入下游的一排叶片32之前使流出上游一排叶片32的空气流转向。
[0053] 图2-6示出了根据本发明的原理构成且适用于包括在HPC16中的转子38的一部分。作为实例，转子38可结合到HPC16的后半部分中的一个或更多个级中，特别是末级或最后方的级。
[0054] 转子38包括具有腹板42和边沿44的盘40。将理解的是，整个盘40为安装成用于围绕中心轴线11旋转的环形结构。边沿44具有前端46和后端48。环形流路表面50在前端46与后端48之间延伸。
[0055] 一排轴流式压缩机叶片52从流路表面50延伸。各个压缩机叶片从流路表面50处的根部54延伸至末梢56，且包括在前缘62和后缘64处连结到凸形吸入侧60上的凹形压力侧58。如图5中最佳可见，各个压缩机叶片52具有限定为从根部54到末梢56的径向距离的翼展(或翼展尺寸)"S1"，以及限定为连接前缘62和后缘64的假想直线的长度的翼弦(或翼弦尺寸)"C1"。根据压缩机叶片52的具体设计，其翼弦C1可在沿翼展S1的不同位置处不同。出于本发明的目的，相关测量结果为根部54处的翼弦C1。
[0056] 如图4中所见，流路表面50不是回转体。相反，流路表面50具有非轴对称表面轮廓。作为非轴对称表面轮廓的实例，其可为仿形的，具有各相邻对的压缩机叶片52之间的凹入曲线或"扇贝面"66。出于比较的目的，图4中的虚线示出了假想的圆柱形表面，其具有穿过压缩机叶片52的根部54的半径。可看到的是，流路表面曲率在压缩机叶片根部54处具有其最大半径(或扇贝面66的最小径向深度)，且大致在相邻压缩机叶片52中间的位置处具有其最小半径(或扇贝面66的最大径向深度"d")。
[0057] 在稳态或瞬变操作中，该扇贝形构造有效地减小了在沿流路表面50的边沿44上的翼型件毂交点处的机械和热环向应力集中的大小。这有助于实现盘40的可接受的长构件寿命的目标。使流路50为扇贝形的空气动力不利副作用在于增大相邻压缩机叶片52之间的转子通路流通面积。转子通路贯穿流通面积的该增大会提高空气动力负载水平，且继而又趋于引起压缩机叶片52的吸入侧60上，根部54附近的内侧部分处，以及后方位置处(例如，从离前缘62的翼弦距离C1的大约75%)的非期望的流动分离。
[0058] 一排分流叶片152从流路表面50延伸。一个分流叶片152设置在各对压缩机叶片52之间。在周向方向上，分流叶片152可位于两个相邻的压缩机叶片52中间或在其间沿周向被偏压，或沿周向与扇贝面66的最深部分d对准。换言之，压缩机叶片52和分流叶片152围绕流路表面50的外周交错。各个分流叶片152从流路表面50处的根部154延伸至末梢156，且包括在前缘162和后缘164处连结到凸形吸入侧160上的凹形压力侧158。如图6中最佳可见，各个分流叶片152均具有限定为从根部154到末梢156的径向距离的翼展(或翼展尺寸)"S2"，以及限定为连接前缘162和后缘164的假想直线的长度的翼弦(或翼弦尺寸)"C2"。取决于分流叶片152的特定设计，其翼弦C2可在沿翼展S2的不同位置处不同。出于本发明的目的，相关测量结果为根部154处的翼弦C2。
[0059] 分流叶片152起作用来局部地增大转子38的毂坚固性，且从而防止与压缩机叶片52的上述流动分离。类似的效果可通过简单地增加压缩机叶片152的数目且因此减小叶片到叶片的间距来获得。然而，这具有增大空气动力表面区域摩擦损失的非期望的副作用，这将表现为降低的空气动力效率和增加的转子重量。因此，分流叶片152的尺寸和其位置可选择成防止流动分离，同时使其表面面积最小化。分流叶片152定位成以便其后缘164关于边沿44在与压缩机叶片52的后缘大致相同的轴向位置处。这可在图3中看到。分流叶片152的翼展S2和/或翼弦C2可为小于压缩机叶片52的对应翼展S1和翼弦C1的组合的一些分数。这些可称为"部分翼展"和/或"部分翼弦"分流叶片。例如，翼展S2可等于或小于翼展S1。作为优选，为了减小摩擦损失，翼展S2为翼展S1的大约50%或更小。更优选的是，为了最小的摩擦损失，翼展S2为翼展S1的大约30%或更小。作为另一个实例，翼弦C2可等于或小于翼弦C1。作为优选，为了最小摩擦损失，翼弦C2为翼弦C1的大约50%或更小。
[0060] 盘40、压缩机叶片52和分流叶片152可由能够经得起操作中的预期应力和环境条件的任何材料构成。已知的适合合金的非限制性实例包括铁、镍和钛合金。在图2-6中，盘40、压缩机叶片52和分流叶片152描绘为一体的、单一的或整体的整体。此类结构可称为"叶片盘"或"整体叶盘"。本发明的原理同样适用于由单独的构件(未示出)构成的转子。
[0061] 在本文中结合分流叶片描述的转子设备局部地增大了转子毂的坚固性水平，局部地减小了毂空气动力负载水平，且抑制了转子翼型件毂将在非轴对称仿形毂流路表面存在的情况下分离的趋势。部分翼展和/或部分翼弦分流叶片的使用有效保持了转子的中间和上区段的坚固性水平从标称值不变，且因此保持了中和上翼型件区段的性能。
[0062] 前文描述了一种压缩机转子设备。除此类特征和/或步骤中的至少一些相互排斥的组合，本说明书中公开的所有特征(包括任何所附权利要求、摘要和附图)和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤可以以任何组合来组合。
[0063] 本说明书中公开的各个特征(包括任何所附权利要求、摘要和附图)可由用于相同、等同或类似目的的备选特征替换，除非明确地另外指出。因此，除非明确地另外指出，则公开的各个特征仅仅是是等同或类似特征的普通系列的一个实例。
[0064] 本发明不限于前述（多个）实施例的细节。本发明延伸到本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的任何新颖的一个特征或任何新颖的特征组合，或延伸至这样公开的任何方法或过程的任何新颖的一个步骤或任何新颖的步骤组合。
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