專利名稱：具有包括內(nèi)葉片球形件的三維平臺(tái)的葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于渦輪機(jī)葉輪的葉片，包括一翼面，該翼面由壓力面、吸力面、后緣、導(dǎo)緣和平臺(tái)形成，該平臺(tái)在翼面的一個(gè)端部沿球形地垂直于該翼面縱向的方向延伸， 該葉片適于與多個(gè)基本相同的葉片布置以形成圍繞一環(huán)軸的環(huán)，并沿其限定一上游區(qū)域和 一下游區(qū)域，其中翼面基本徑向地設(shè)置在環(huán)中，相鄰的葉片平臺(tái)成對(duì)以形成一內(nèi)翼面表面， 將翼面的壓力面與相鄰翼面的吸力面相連。
背景技術(shù)：
圍繞一普通的軸加入這樣的葉片可組成一葉輪，其軸為所述環(huán)的軸。此葉輪可運(yùn) 動(dòng)，由此接收來自噴氣機(jī)的能量，或?qū)⒛芰總鹘o通過葉輪行進(jìn)的噴氣機(jī)；它也可以是固定 的，在這種情況下，其作用是導(dǎo)引噴氣機(jī)。該葉片可以是一獨(dú)特的部分，或與其他葉片一體，以形成例如一分配部或一多葉片盤。通常，渦輪機(jī)包括幾個(gè)葉片級(jí)，形成一系列固定或活動(dòng)的葉輪，通過渦輪機(jī)沿著流 動(dòng)路徑相繼布置(可有幾個(gè)路徑，特別是旁路引擎的情況)。渦輪機(jī)的效率直接涉及到各 葉輪，特別是屬于葉輪的各葉片與噴氣機(jī)有效互動(dòng)的能力，即無不必要的能量耗散。應(yīng)該 注意到，也就是在航空渦輪機(jī)中，例如渦輪噴氣式飛機(jī)或渦輪螺旋槳飛機(jī)，噴氣速度可能很 大，也就是超音速對(duì)于設(shè)置在如此噴氣機(jī)中的葉片，最重要的是優(yōu)化圍繞葉片的噴氣的流 動(dòng)質(zhì)量。在葉片中，翼面的形狀必須被自然優(yōu)化，以有效引導(dǎo)翼面位于其中的噴氣，或接收 或傳送最大能量給噴氣機(jī)而無由于熱而耗散能量。然而，盡管翼面的形狀很重要，但已發(fā)現(xiàn)翼面?zhèn)鹊钠脚_(tái)的表面形狀對(duì)通過葉片的 噴氣的流動(dòng)質(zhì)量也起到重要作用。因此，葉輪平臺(tái)的影響可造成其上總損失的30%。為了簡(jiǎn)捷，在下文中平臺(tái)表面指翼面?zhèn)鹊钠脚_(tái)表面，不用重復(fù)該表面位于哪一側(cè)。前述中表述的圍繞葉片的噴氣的通道顯示于圖1和2中。圖1顯示三個(gè)相同的葉片10，它們是圖2中顯示的葉輪100的部分。每個(gè)葉片10 顯示為與其他相同的葉片10組裝，以形成葉輪100。此葉輪基本由安裝在旋轉(zhuǎn)盤20上的葉 片10組成。在此葉輪100中，葉片10圍繞輪的軸A周期性地安裝。流體噴氣球形地沿著 葉輪的軸A從上游側(cè)至下游側(cè)流動(dòng)。每個(gè)葉片10包括翼面50、平臺(tái)60，以及在轉(zhuǎn)子葉片的特殊情況下用于將葉片固定 到旋轉(zhuǎn)盤上的根部66。平臺(tái)60沿球形地垂直于翼面50縱向的方向延伸，并包括在翼面?zhèn)?的平臺(tái)表面62。由于葉片10互相相對(duì)安裝，它們的平臺(tái)結(jié)合成對(duì)以構(gòu)成基本連續(xù)的表面， 所謂的“內(nèi)翼面”表面70從一個(gè)翼面的壓力面56延伸至相鄰翼面的吸力面58。由此，內(nèi)翼 面表面聚集了兩個(gè)位于其各自的翼面50之間的相鄰葉片10、10’的平臺(tái)表面62的相鄰部 分。平臺(tái)表面62通過連接表面18 (大致是具有錐形半徑的連接帶)連接到翼面50的外表 面。
還應(yīng)注意到在圖1-3的例子中，平臺(tái)60的表面62為旋轉(zhuǎn)表面，即其區(qū)域基本是圍 繞葉輪的軸A旋轉(zhuǎn)的表面的部分。在此，圍繞一軸的旋轉(zhuǎn)表面指由旋轉(zhuǎn)一圍繞所述軸的曲 線產(chǎn)生的表面。這樣的形狀對(duì)于用于渦輪機(jī)葉輪的葉片平臺(tái)表面來說是普通的。在流動(dòng)中，當(dāng)噴氣到達(dá)翼面50的導(dǎo)緣時(shí)，其分裂為兩部分，部分經(jīng)過翼面50的壓 力面56 —側(cè)，部分經(jīng)過翼面50的吸力面58 —側(cè)。圖3圖解顯示在翼面間延伸的“內(nèi)翼面 通道” 30中壓力場(chǎng)如何建立。圖3為垂直于肩并肩安裝在葉輪中的兩葉片10、10’的各自翼面軸的截面圖。圖 3顯示近似的壓力場(chǎng)，其通常可觀察到緊鄰第一翼面的吸力面58和第二翼面的壓力面56’ 之間的內(nèi)翼面表面70。圖3包括對(duì)應(yīng)于一相對(duì)高壓的i so壓力曲線40，和對(duì)應(yīng)于一相對(duì)低壓的iso壓力 曲線42，這些壓力在渦輪機(jī)操作過程中在噴氣中觀察到。一陡峭的壓力梯度J由于靠近壓 力面的壓力大于靠近吸力面的壓力而產(chǎn)生在兩個(gè)翼面的壓力面和吸力面之間。在此壓力梯 度J的影響下，一至“內(nèi)翼面”通道30的橫向流產(chǎn)生在翼面的根部(和頭部)，如此偏轉(zhuǎn)的 微粒被推向翼面50的吸力面。從而，在“內(nèi)翼面”通道30內(nèi)，不在主流動(dòng)方向上的強(qiáng)烈的 第二流產(chǎn)生，其產(chǎn)生渦流，即接近吸力面。為了努力限制接近內(nèi)翼面表面的不必要的能量損耗，美國(guó)專利7，220，100介紹一 種內(nèi)翼面表面形狀，主要包括一位于緊鄰翼面壓力面的凸起的斜面，和緊鄰翼面吸力面的 凹進(jìn)的區(qū)域，這些區(qū)域中的每個(gè)均大致位于翼面翼弦的中點(diǎn)處。盡管有此改進(jìn)，但在兩個(gè)翼 面之間的空間仍有一些能量消散渦流，因此，需要葉片的形狀進(jìn)一步減小在此空間形成的 散射渦流。美國(guó)專利6283713介紹內(nèi)翼面表面的另一形狀，一方面包括鄰近葉片吸力面的凸 起區(qū)域，以及鄰近葉片壓力面的凹陷區(qū)域，這兩個(gè)區(qū)域具有很大的尺寸，因?yàn)樗鼈冄由爝^葉 片的弦的大部分長(zhǎng)度。根據(jù)另一選擇，葉片在后緣包括一凸起和一凹進(jìn)，分別位于吸力面一 側(cè)和壓力面一側(cè)。然而，內(nèi)翼面表面的這些結(jié)構(gòu)并未使該表面附近能量不必要耗散的問題 得到有效解決。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一個(gè)目的是提出一種類似前述的葉片，其在噴氣與葉片互相作用時(shí)將 不必要的能量散失最小化，并通過相對(duì)容易的制造而仍具有較低的制造成本。此目的通過如下方案實(shí)現(xiàn)在葉片中，在翼面的上游部分中的內(nèi)翼面表面包括比 距離吸力面來說相對(duì)更靠近壓力面的凸起部，以及一位于凸起部與壓力面之間的凹進(jìn)通道。本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是由于之前展示的平臺(tái)表面的特殊形狀可大大減小翼面之間 的靠近翼面之間表面的偏流。而且，此表面仍可很容易地加工，因?yàn)樵摫砻娴拇蟛糠挚梢允?旋轉(zhuǎn)表面。凸起部的存在由于其壓力減小(即在通常具有更大壓力的鄰近壓力面的區(qū)域中) 而使噴氣速度增加。有利地，其結(jié)果是高壓區(qū)域被減小，這將導(dǎo)致內(nèi)翼面通道中壓力梯度的 減小和不希望的能量散射渦流的減小。在此凸 起部和壓力表面之間保持一凹進(jìn)部的目的是將上述高壓減小的影響精確集中到高壓區(qū)域上。由于凸起部的定心，并不靠著壓力面，而是與其有一定距離，該凸起部 的影響(有害高壓區(qū)域的減小)達(dá)到最大。而且，該凹進(jìn)通道，基本位于沿著壓力面處，在此區(qū)域產(chǎn)生一輕微的相對(duì)壓力增 力口，從而有助于從低壓區(qū)域分隔高壓區(qū)域，位于與相鄰翼面的吸力面的鄰近處相對(duì)的位置。 在此文件中，所使用的不同例子描述了一葉片，其在翼面內(nèi)側(cè)，在徑向，不是在外 側(cè)，具有一平臺(tái)。在此方面應(yīng)該注意到，本發(fā)明的目的同樣在于一葉片，包括一平臺(tái)，位于翼 面頭部，即在沿徑向相對(duì)于環(huán)中心的一側(cè)上，以及一葉片，包括一平臺(tái)，位于翼面根部，即相 對(duì)于環(huán)的內(nèi)側(cè)。一葉片，包括這兩個(gè)平臺(tái)，在葉片頭部和根部，也是可行的，設(shè)置至少一個(gè)平 臺(tái)，這樣可形成根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)翼面表面。在另一方面，本發(fā)明的目的在于任何能夠結(jié)合到渦輪機(jī)中，特別是結(jié)合到航空渦 輪機(jī)中的葉片。本發(fā)明的葉片特別用于渦輪級(jí)，尤其是低壓渦輪。該葉片平臺(tái)的有利設(shè)計(jì)相對(duì)于垂直于環(huán)軸A的輪廓限定。在此實(shí)施例中，內(nèi)翼面 表面的輪廓位于垂直于環(huán)軸的平面中，并軸向位于翼面的上游部分，所述翼面相繼包括由 翼面的壓力面開始的凹進(jìn)部，后跟凸起部。實(shí)際上，本發(fā)明的效能在由凸起部跟隨的凹進(jìn)形狀在垂直于軸A的內(nèi)翼面表面的 截面中時(shí)尤其大。首先，應(yīng)當(dāng)注意在上文和下文中“軸向”指沿環(huán)的軸A的軸向位置。而且，相對(duì)于翼面軸向限定的位置還可同樣相對(duì)于沿軸A的接近葉片平臺(tái)的翼面 橫截面的延伸而被限定。實(shí)際上，由于翼面徑向設(shè)置在環(huán)中，其沿軸A的延伸，或橫截面的 延伸基本相同。翼面的截面可例如為圖1中所示的平面(P)中的截面，也如圖3中的輪廓72和 72’表示。此截面在翼面的最高上游點(diǎn)(接近平臺(tái)表面)由線46軸向延伸至對(duì)應(yīng)于翼面的 最低下游點(diǎn)的線48。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，內(nèi)翼面表面包括一旋轉(zhuǎn)部分，其具有相對(duì)于環(huán)軸的旋轉(zhuǎn)形狀，位 于鄰近凸起部的翼面的吸力面?zhèn)?。根?jù)前述實(shí)施例的改進(jìn)，凸起部通過一徑向下降表面連接到所述旋轉(zhuǎn)的部分。換 句話說，凸起部與旋轉(zhuǎn)部分之間的表面單調(diào)地下降，而不具有中間折疊、凹進(jìn)或凸起。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，在葉片中，凹進(jìn)通道包括一相對(duì)于環(huán)軸具有旋轉(zhuǎn)形狀的部分。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，該內(nèi)翼面表面包括相對(duì)于環(huán)軸具有旋轉(zhuǎn)形狀，并貫穿翼面下游 部分軸向延伸的部分。以上三個(gè)可能的補(bǔ)充實(shí)施例能夠通過保持較大尺寸的旋轉(zhuǎn)部件減小葉片的制造 成本，其在對(duì)應(yīng)于凹進(jìn)通道的內(nèi)翼面表面的部分中或在位于相鄰翼面的凸起和吸力面之間 的內(nèi)翼面表面的部分中，否則在內(nèi)翼面表面的(軸向)下游部分中。對(duì)應(yīng)于旋轉(zhuǎn)表面的制造工具的部件因此非常易于制造，從而使葉片的制造成本相 應(yīng)降低。最后，在創(chuàng)造性的葉片中，凸起部可連續(xù)或沿內(nèi)翼面表面的上游或下游延伸。本發(fā)明的第二個(gè)目的是提出一種高性能的渦輪機(jī)分配器部分，其制造成本仍然合 理。此目的通過渦輪分配器部分包括至少一個(gè)如前面限定的葉片來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的第三個(gè)目的是提出一種高性能的葉輪，其制造成本仍然合理。此目的通過該葉輪包括多個(gè)如前面限定的葉片來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的第四個(gè)目的是提出一種高性能的渦輪機(jī)，其制造成本仍然合理。此目的通過該渦輪機(jī)包括至少一個(gè)如前面限定的葉輪來實(shí)現(xiàn)。


通過閱讀以下作為例子的非限定性實(shí)施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明將能更好地理解， 其優(yōu)點(diǎn)將更為明顯。所述說明參考以下附圖，其中圖1為三個(gè)已知葉片在被安裝到一葉輪上時(shí)布置到它們的相對(duì)位置上時(shí)的透視 圖；圖2為包括圖1中葉片的葉輪的透視圖；圖3為垂直于圖1中所表示的空氣動(dòng)力學(xué)葉片的兩個(gè)翼面的翼面軸的截面圖，顯 示分離兩個(gè)葉片的空間中的壓力場(chǎng)；圖4為類似于圖3中截面圖的截面圖，但兩個(gè)翼面均為根據(jù)本發(fā)明的葉片的部 分；圖5為根據(jù)本發(fā)明的兩個(gè)空氣動(dòng)力學(xué)葉片的截面圖，通過等高線顯示內(nèi)翼面表面 的形狀；圖6為基本上垂直于根據(jù)本發(fā)明的兩個(gè)空氣動(dòng)力學(xué)葉片之間的內(nèi)翼面通道環(huán)軸 的截面圖。
具體實(shí)施例方式應(yīng)該注意到，為了簡(jiǎn)化起見，如果一個(gè)部件出現(xiàn)在不同結(jié)構(gòu)上，相同或具有微小不 同的形狀，則在不同的結(jié)構(gòu)中分配相同的序號(hào)于其上，該部件僅在第一次提到時(shí)描述。參考圖4，現(xiàn)在描述由根據(jù)本發(fā)明的葉片而產(chǎn)生的在內(nèi)翼面通道中的壓力場(chǎng)上的影響。本發(fā)明限定一平臺(tái)表面形狀，可使接近內(nèi)翼面表面的偏流現(xiàn)象最小化，從而增大 葉片乃至葉輪的效率。對(duì)比圖3，圖4顯示本發(fā)明對(duì)可獲得創(chuàng)造性葉片的特殊形狀的內(nèi)翼面 通道30中的壓力場(chǎng)的相關(guān)影響。然而在圖3中，高壓區(qū)域40和低壓區(qū)域42分別相互靠近，在圖4中，可以看到它 們更加互相分離。因此，壓力梯度基本減小，而且粒子從壓力面到吸力面移動(dòng)的趨勢(shì)減小， 從而導(dǎo)致偏流。參見圖5和圖6，現(xiàn)將描述根據(jù)本發(fā)明的葉片的結(jié)構(gòu)。圖5分別顯示在翼面的徑向圖中兩個(gè)翼面50和50’的截面72和72’，即基本沿這 兩個(gè)翼面的縱軸。截面72 (類似相同截面72’)為翼面50的截面，靠近葉片的平臺(tái)建立，在 流動(dòng)側(cè)，離平臺(tái)的距離足以使該截面體現(xiàn)翼面的下部分，而不顯示翼面和平臺(tái)之間的連接 表面18。截面72和72’分別在對(duì)應(yīng)于截面的最高上游點(diǎn)和最低下游點(diǎn)的線46和48之間 軸向延伸，從而沿截面限定一數(shù)值范圍，沿軸A從線46到線48分別為0%至100%。圖6顯示在兩個(gè)創(chuàng)造性葉片之間穿過內(nèi)翼面表面70的輪廓80。輪廓80為記載在 垂直于環(huán)的軸A的平面中的截面輪廓。此輪廓軸向位于翼面截面的上游部分中。
圖6通過等高線顯示之前表示在圖6中的兩個(gè)輪廓72和72’之間的內(nèi)翼面表面 70的形狀。內(nèi)翼面表面70包括凸起 部32，與拉力面56’有一距離，但仍與其靠近，通過沿其延 伸的凹進(jìn)通道34與其分開，并便于噴氣沿壓力面行進(jìn)。凸起部32軸向主要位于翼面50的 截面72的上游部分中。更準(zhǔn)確說，凸起部具有軸向位于上游側(cè)上翼面50的0與50%之間，優(yōu)選其0與 25%之間位置上的頂點(diǎn)32。凸起部32連接到吸力面，通過一斜坡36 (或徑向下降表面)跟隨輪廓80，斜坡36 與旋轉(zhuǎn)表面38的一部分相連。而且，軸向位于翼面的下游部分中的內(nèi)翼面表面的部分由關(guān)于環(huán)的軸A的旋轉(zhuǎn)表 面39形成。
權(quán)利要求
一種用于渦輪機(jī)葉輪(100)的葉片(10)，包括一翼面(50)，由壓力面(56)、吸力面(58)、后緣(54)和導(dǎo)緣(52)形成，一平臺(tái)(60)，在該翼面的一個(gè)端部沿球形地垂直于該翼面縱向的方向延伸，該葉片(10)適于與多個(gè)基本相同葉片布置，以形成一圍繞一環(huán)軸(A)的環(huán)，并沿其限定一上游區(qū)域和一下游區(qū)域，該環(huán)具有在其中基本徑向布置的翼面，相鄰葉片平臺(tái)(60)連接成對(duì)，以形成連接翼面(50)的壓力面(56’)和相鄰翼面的吸力面(58)的內(nèi)翼面表面(70)，其特征在于該內(nèi)翼面表面(70)包括該翼面的上游部分、位于比離吸力面(58)更靠近壓力面(56’)的凸起部(32)，以及位于所述凸起部與壓力面之間的凹進(jìn)通道(34)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉片，其特征在于所述內(nèi)翼面表面具有位于垂直于所述環(huán) 的軸的平面中的輪廓，并軸向位于該翼面的上游部分中，所述輪廓相繼包括由所述凸起部 跟隨的，始于所述翼面的壓力面的凹進(jìn)部。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的葉片，其中所述凹進(jìn)通道(34)包括一具有關(guān)于環(huán)軸(A) 旋轉(zhuǎn)的形狀的部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任何一項(xiàng)所述的葉片，其中所述內(nèi)翼面表面(70)包括一具有 關(guān)于環(huán)軸(A)旋轉(zhuǎn)的形狀的旋轉(zhuǎn)部分(38)，位于所述翼面(50)的吸力面(58) —側(cè)，鄰近所 述凸起部(32)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的葉片，其中所述凸起部(32)通過一徑向下降表面(36)連接 到所述旋轉(zhuǎn)部分(38)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任何一項(xiàng)所述的葉片，其中所述凸起部(32)具有軸向位于所 述上游側(cè)上翼面(50)的0與50%之間處的頂點(diǎn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的葉片，其中所述凸起部(32)具有軸向位于所述上游側(cè)上翼面 (50)的0與25%之間處的頂點(diǎn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任何一項(xiàng)所述的葉片，其中所述內(nèi)翼面表面(70)包括一具有 關(guān)于所述環(huán)軸旋轉(zhuǎn)的形狀，并沿軸向貫穿所述翼面(50)的下游部分延伸的部分。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任何一項(xiàng)所述的葉片，其中所述凸起部向所述內(nèi)翼面表面 (70)的上游或下游延續(xù)。
10.一種渦輪機(jī)分配器部件，包括至少一個(gè)根據(jù)權(quán)利要求1至9中任何一項(xiàng)所述的葉片。
11.一種葉輪，包括多個(gè)根據(jù)權(quán)利要求1至9中任何一項(xiàng)所述的葉片。
12.一種渦輪機(jī)，包括至少一個(gè)根據(jù)權(quán)利要求11所述的葉輪。
全文摘要
用于渦輪機(jī)葉片盤的葉片，包括翼面和在該翼面的一個(gè)端部沿基本上垂直于翼面縱向的方向延伸的平臺(tái)，該葉片能與相同葉片一起，形成圍繞一環(huán)軸的環(huán)，相鄰葉片的平臺(tái)每個(gè)以形成將一個(gè)翼面的壓力面(56’)與下一翼面(50)的吸力面(58)相連的內(nèi)翼面表面的方式與下一個(gè)接觸。在此葉片中，該內(nèi)翼面表面包括，在翼面的上游部分中，一比吸力面(58)更靠近壓力面(56’)的凸起部(32)，以及位于此凸起部與壓力面之間的凹進(jìn)通道(34)。
文檔編號(hào)F01D5/14GK101960093SQ200980106880
公開日2011年1月26日 申請(qǐng)日期2009年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月28日
發(fā)明者盧多維克·平塔特, 吉恩-米歇爾·吉姆巴德, 奧利弗·奎尼 申請(qǐng)人:斯奈克瑪