专利名称：具有包括内叶片球形件的三维平台的叶片的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于涡轮机叶轮的叶片，包括一翼面，该翼面由压力面、吸力面、后缘、导缘和平台形成，该平台在翼面的一个端部沿球形地垂直于该翼面纵向的方向延伸， 该叶片适于与多个基本相同的叶片布置以形成围绕一环轴的环，并沿其限定一上游区域和 一下游区域，其中翼面基本径向地设置在环中，相邻的叶片平台成对以形成一内翼面表面， 将翼面的压力面与相邻翼面的吸力面相连。
背景技术：
围绕一普通的轴加入这样的叶片可组成一叶轮，其轴为所述环的轴。此叶轮可运 动，由此接收来自喷气机的能量，或将能量传给通过叶轮行进的喷气机；它也可以是固定 的，在这种情况下，其作用是导引喷气机。该叶片可以是一独特的部分，或与其他叶片一体，以形成例如一分配部或一多叶片盘。通常，涡轮机包括几个叶片级，形成一系列固定或活动的叶轮，通过涡轮机沿着流 动路径相继布置(可有几个路径，特别是旁路引擎的情况)。涡轮机的效率直接涉及到各 叶轮，特别是属于叶轮的各叶片与喷气机有效互动的能力，即无不必要的能量耗散。应该 注意到，也就是在航空涡轮机中，例如涡轮喷气式飞机或涡轮螺旋桨飞机，喷气速度可能很 大，也就是超音速对于设置在如此喷气机中的叶片，最重要的是优化围绕叶片的喷气的流 动质量。在叶片中，翼面的形状必须被自然优化，以有效引导翼面位于其中的喷气，或接收 或传送最大能量给喷气机而无由于热而耗散能量。然而，尽管翼面的形状很重要，但已发现翼面侧的平台的表面形状对通过叶片的 喷气的流动质量也起到重要作用。因此，叶轮平台的影响可造成其上总损失的30%。为了简捷，在下文中平台表面指翼面侧的平台表面，不用重复该表面位于哪一侧。前述中表述的围绕叶片的喷气的通道显示于图1和2中。图1显示三个相同的叶片10，它们是图2中显示的叶轮100的部分。每个叶片10 显示为与其他相同的叶片10组装，以形成叶轮100。此叶轮基本由安装在旋转盘20上的叶 片10组成。在此叶轮100中，叶片10围绕轮的轴A周期性地安装。流体喷气球形地沿着 叶轮的轴A从上游侧至下游侧流动。每个叶片10包括翼面50、平台60，以及在转子叶片的特殊情况下用于将叶片固定 到旋转盘上的根部66。平台60沿球形地垂直于翼面50纵向的方向延伸，并包括在翼面侧 的平台表面62。由于叶片10互相相对安装，它们的平台结合成对以构成基本连续的表面， 所谓的“内翼面”表面70从一个翼面的压力面56延伸至相邻翼面的吸力面58。由此，内翼 面表面聚集了两个位于其各自的翼面50之间的相邻叶片10、10’的平台表面62的相邻部 分。平台表面62通过连接表面18 (大致是具有锥形半径的连接带)连接到翼面50的外表 面。
还应注意到在图1-3的例子中，平台60的表面62为旋转表面，即其区域基本是围 绕叶轮的轴A旋转的表面的部分。在此，围绕一轴的旋转表面指由旋转一围绕所述轴的曲 线产生的表面。这样的形状对于用于涡轮机叶轮的叶片平台表面来说是普通的。在流动中，当喷气到达翼面50的导缘时，其分裂为两部分，部分经过翼面50的压 力面56 —侧，部分经过翼面50的吸力面58 —侧。图3图解显示在翼面间延伸的“内翼面 通道” 30中压力场如何建立。图3为垂直于肩并肩安装在叶轮中的两叶片10、10’的各自翼面轴的截面图。图 3显示近似的压力场，其通常可观察到紧邻第一翼面的吸力面58和第二翼面的压力面56’ 之间的内翼面表面70。图3包括对应于一相对高压的i so压力曲线40，和对应于一相对低压的iso压力 曲线42，这些压力在涡轮机操作过程中在喷气中观察到。一陡峭的压力梯度J由于靠近压 力面的压力大于靠近吸力面的压力而产生在两个翼面的压力面和吸力面之间。在此压力梯 度J的影响下，一至“内翼面”通道30的横向流产生在翼面的根部(和头部)，如此偏转的 微粒被推向翼面50的吸力面。从而，在“内翼面”通道30内，不在主流动方向上的强烈的 第二流产生，其产生涡流，即接近吸力面。为了努力限制接近内翼面表面的不必要的能量损耗，美国专利7，220，100介绍一 种内翼面表面形状，主要包括一位于紧邻翼面压力面的凸起的斜面，和紧邻翼面吸力面的 凹进的区域，这些区域中的每个均大致位于翼面翼弦的中点处。尽管有此改进，但在两个翼 面之间的空间仍有一些能量消散涡流，因此，需要叶片的形状进一步减小在此空间形成的 散射涡流。美国专利6283713介绍内翼面表面的另一形状，一方面包括邻近叶片吸力面的凸 起区域，以及邻近叶片压力面的凹陷区域，这两个区域具有很大的尺寸，因为它们延伸过叶 片的弦的大部分长度。根据另一选择，叶片在后缘包括一凸起和一凹进，分别位于吸力面一 侧和压力面一侧。然而，内翼面表面的这些结构并未使该表面附近能量不必要耗散的问题 得到有效解决。
发明内容
本发明的第一个目的是提出一种类似前述的叶片，其在喷气与叶片互相作用时将 不必要的能量散失最小化，并通过相对容易的制造而仍具有较低的制造成本。此目的通过如下方案实现在叶片中，在翼面的上游部分中的内翼面表面包括比 距离吸力面来说相对更靠近压力面的凸起部，以及一位于凸起部与压力面之间的凹进通道。本发明的主要优点是由于之前展示的平台表面的特殊形状可大大减小翼面之间 的靠近翼面之间表面的偏流。而且，此表面仍可很容易地加工，因为该表面的大部分可以是 旋转表面。凸起部的存在由于其压力减小(即在通常具有更大压力的邻近压力面的区域中) 而使喷气速度增加。有利地，其结果是高压区域被减小，这将导致内翼面通道中压力梯度的 减小和不希望的能量散射涡流的减小。在此凸 起部和压力表面之间保持一凹进部的目的是将上述高压减小的影响精确集中到高压区域上。由于凸起部的定心，并不靠着压力面，而是与其有一定距离，该凸起部 的影响(有害高压区域的减小)达到最大。而且，该凹进通道，基本位于沿着压力面处，在此区域产生一轻微的相对压力增 力口，从而有助于从低压区域分隔高压区域，位于与相邻翼面的吸力面的邻近处相对的位置。 在此文件中，所使用的不同例子描述了一叶片，其在翼面内侧，在径向，不是在外 侧，具有一平台。在此方面应该注意到，本发明的目的同样在于一叶片，包括一平台，位于翼 面头部，即在沿径向相对于环中心的一侧上，以及一叶片，包括一平台，位于翼面根部，即相 对于环的内侧。一叶片，包括这两个平台，在叶片头部和根部，也是可行的，设置至少一个平 台，这样可形成根据本发明的内翼面表面。在另一方面，本发明的目的在于任何能够结合到涡轮机中，特别是结合到航空涡 轮机中的叶片。本发明的叶片特别用于涡轮级，尤其是低压涡轮。该叶片平台的有利设计相对于垂直于环轴A的轮廓限定。在此实施例中，内翼面 表面的轮廓位于垂直于环轴的平面中，并轴向位于翼面的上游部分，所述翼面相继包括由 翼面的压力面开始的凹进部，后跟凸起部。实际上，本发明的效能在由凸起部跟随的凹进形状在垂直于轴A的内翼面表面的 截面中时尤其大。首先，应当注意在上文和下文中“轴向”指沿环的轴A的轴向位置。而且，相对于翼面轴向限定的位置还可同样相对于沿轴A的接近叶片平台的翼面 横截面的延伸而被限定。实际上，由于翼面径向设置在环中，其沿轴A的延伸，或横截面的 延伸基本相同。翼面的截面可例如为图1中所示的平面(P)中的截面，也如图3中的轮廓72和 72’表示。此截面在翼面的最高上游点(接近平台表面)由线46轴向延伸至对应于翼面的 最低下游点的线48。根据一个实施例，内翼面表面包括一旋转部分，其具有相对于环轴的旋转形状，位 于邻近凸起部的翼面的吸力面侧。根据前述实施例的改进，凸起部通过一径向下降表面连接到所述旋转的部分。换 句话说，凸起部与旋转部分之间的表面单调地下降，而不具有中间折叠、凹进或凸起。根据一个实施例，在叶片中，凹进通道包括一相对于环轴具有旋转形状的部分。根据一个实施例，该内翼面表面包括相对于环轴具有旋转形状，并贯穿翼面下游 部分轴向延伸的部分。以上三个可能的补充实施例能够通过保持较大尺寸的旋转部件减小叶片的制造 成本，其在对应于凹进通道的内翼面表面的部分中或在位于相邻翼面的凸起和吸力面之间 的内翼面表面的部分中，否则在内翼面表面的(轴向)下游部分中。对应于旋转表面的制造工具的部件因此非常易于制造，从而使叶片的制造成本相 应降低。最后，在创造性的叶片中，凸起部可连续或沿内翼面表面的上游或下游延伸。本发明的第二个目的是提出一种高性能的涡轮机分配器部分，其制造成本仍然合 理。此目的通过涡轮分配器部分包括至少一个如前面限定的叶片来实现。本发明的第三个目的是提出一种高性能的叶轮，其制造成本仍然合理。此目的通过该叶轮包括多个如前面限定的叶片来实现。本发明的第四个目的是提出一种高性能的涡轮机，其制造成本仍然合理。此目的通过该涡轮机包括至少一个如前面限定的叶轮来实现。
通过阅读以下作为例子的非限定性实施例的详细描述，本发明将能更好地理解， 其优点将更为明显。所述说明参考以下附图，其中图1为三个已知叶片在被安装到一叶轮上时布置到它们的相对位置上时的透视 图；图2为包括图1中叶片的叶轮的透视图；图3为垂直于图1中所表示的空气动力学叶片的两个翼面的翼面轴的截面图，显 示分离两个叶片的空间中的压力场；图4为类似于图3中截面图的截面图，但两个翼面均为根据本发明的叶片的部 分；图5为根据本发明的两个空气动力学叶片的截面图，通过等高线显示内翼面表面 的形状；图6为基本上垂直于根据本发明的两个空气动力学叶片之间的内翼面通道环轴 的截面图。
具体实施例方式应该注意到，为了简化起见，如果一个部件出现在不同结构上，相同或具有微小不 同的形状，则在不同的结构中分配相同的序号于其上，该部件仅在第一次提到时描述。参考图4，现在描述由根据本发明的叶片而产生的在内翼面通道中的压力场上的影响。本发明限定一平台表面形状，可使接近内翼面表面的偏流现象最小化，从而增大 叶片乃至叶轮的效率。对比图3，图4显示本发明对可获得创造性叶片的特殊形状的内翼面 通道30中的压力场的相关影响。然而在图3中，高压区域40和低压区域42分别相互靠近，在图4中，可以看到它 们更加互相分离。因此，压力梯度基本减小，而且粒子从压力面到吸力面移动的趋势减小， 从而导致偏流。参见图5和图6，现将描述根据本发明的叶片的结构。图5分别显示在翼面的径向图中两个翼面50和50’的截面72和72’，即基本沿这 两个翼面的纵轴。截面72 (类似相同截面72’)为翼面50的截面，靠近叶片的平台建立，在 流动侧，离平台的距离足以使该截面体现翼面的下部分，而不显示翼面和平台之间的连接 表面18。截面72和72’分别在对应于截面的最高上游点和最低下游点的线46和48之间 轴向延伸，从而沿截面限定一数值范围，沿轴A从线46到线48分别为0%至100%。图6显示在两个创造性叶片之间穿过内翼面表面70的轮廓80。轮廓80为记载在 垂直于环的轴A的平面中的截面轮廓。此轮廓轴向位于翼面截面的上游部分中。
图6通过等高线显示之前表示在图6中的两个轮廓72和72’之间的内翼面表面 70的形状。内翼面表面70包括凸起 部32，与拉力面56’有一距离，但仍与其靠近，通过沿其延 伸的凹进通道34与其分开，并便于喷气沿压力面行进。凸起部32轴向主要位于翼面50的 截面72的上游部分中。更准确说，凸起部具有轴向位于上游侧上翼面50的0与50%之间，优选其0与 25%之间位置上的顶点32。凸起部32连接到吸力面，通过一斜坡36 (或径向下降表面)跟随轮廓80，斜坡36 与旋转表面38的一部分相连。而且，轴向位于翼面的下游部分中的内翼面表面的部分由关于环的轴A的旋转表 面39形成。
权利要求
一种用于涡轮机叶轮(100)的叶片(10)，包括一翼面(50)，由压力面(56)、吸力面(58)、后缘(54)和导缘(52)形成，一平台(60)，在该翼面的一个端部沿球形地垂直于该翼面纵向的方向延伸，该叶片(10)适于与多个基本相同叶片布置，以形成一围绕一环轴(A)的环，并沿其限定一上游区域和一下游区域，该环具有在其中基本径向布置的翼面，相邻叶片平台(60)连接成对，以形成连接翼面(50)的压力面(56’)和相邻翼面的吸力面(58)的内翼面表面(70)，其特征在于该内翼面表面(70)包括该翼面的上游部分、位于比离吸力面(58)更靠近压力面(56’)的凸起部(32)，以及位于所述凸起部与压力面之间的凹进通道(34)。
2.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于所述内翼面表面具有位于垂直于所述环 的轴的平面中的轮廓，并轴向位于该翼面的上游部分中，所述轮廓相继包括由所述凸起部 跟随的，始于所述翼面的压力面的凹进部。
3.根据权利要求1或2所述的叶片，其中所述凹进通道(34)包括一具有关于环轴(A) 旋转的形状的部分。
4.根据权利要求1至3中任何一项所述的叶片，其中所述内翼面表面(70)包括一具有 关于环轴(A)旋转的形状的旋转部分(38)，位于所述翼面(50)的吸力面(58) —侧，邻近所 述凸起部(32)。
5.根据权利要求4所述的叶片，其中所述凸起部(32)通过一径向下降表面(36)连接 到所述旋转部分(38)。
6.根据权利要求1至5中任何一项所述的叶片，其中所述凸起部(32)具有轴向位于所 述上游侧上翼面(50)的0与50%之间处的顶点。
7.根据权利要求6所述的叶片，其中所述凸起部(32)具有轴向位于所述上游侧上翼面 (50)的0与25%之间处的顶点。
8.根据权利要求1至7中任何一项所述的叶片，其中所述内翼面表面(70)包括一具有 关于所述环轴旋转的形状，并沿轴向贯穿所述翼面(50)的下游部分延伸的部分。
9.根据权利要求1至8中任何一项所述的叶片，其中所述凸起部向所述内翼面表面 (70)的上游或下游延续。
10.一种涡轮机分配器部件，包括至少一个根据权利要求1至9中任何一项所述的叶片。
11.一种叶轮，包括多个根据权利要求1至9中任何一项所述的叶片。
12.一种涡轮机，包括至少一个根据权利要求11所述的叶轮。
全文摘要
用于涡轮机叶片盘的叶片，包括翼面和在该翼面的一个端部沿基本上垂直于翼面纵向的方向延伸的平台，该叶片能与相同叶片一起，形成围绕一环轴的环，相邻叶片的平台每个以形成将一个翼面的压力面(56’)与下一翼面(50)的吸力面(58)相连的内翼面表面的方式与下一个接触。在此叶片中，该内翼面表面包括，在翼面的上游部分中，一比吸力面(58)更靠近压力面(56’)的凸起部(32)，以及位于此凸起部与压力面之间的凹进通道(34)。
文档编号F01D5/14GK101960093SQ200980106880
公开日2011年1月26日 申请日期2009年2月27日 优先权日2008年2月28日
发明者卢多维克·平塔特, 吉恩-米歇尔·吉姆巴德, 奥利弗·奎尼 申请人:斯奈克玛