本公开涉及用于燃气涡轮发动机的风扇叶片、包括至少一个这样的风扇叶片的风扇级、以及包括这样的风扇级的燃气涡轮发动机。
背景技术：
现代的燃气涡轮航空发动机通常包括风扇，风扇压缩进入的空气并沿着旁通导管引导该空气的至少一部分，空气的其余部分流动通过发动机芯部。这样的燃气涡轮发动机的风扇叶片会容易遭受一种已知的、称为颤振（flutter）的现象。在某些发动机操作条件，例如在某些旋转速度和/或推力和/或其组合下，会发生颤振。
颤振的特征可在于自激振动。当叶栅（bladerow）中的翼型部（诸如燃气涡轮发动机风扇中的风扇叶片）振动时，它们在叶栅自身上产生不稳定的气动力。在大多数情况下，这些不稳定的气动力导致叶栅在环境空气上做功，并且振动的振幅衰减。然而，在某些操作条件下，环境空气可在风扇自身上做功。如果由空气做的功超过了由机械阻尼消耗的功，那么振动将增长。该不稳定性被称为颤振。
现代的大型燃气涡轮发动机设计成比它们的前辈具有更低的单位推力和更高的风扇叶尖载荷。这可通过经由齿轮箱驱动风扇从而降低风扇的旋转速度来实现。从效率的视角看，更低的单位推力和/或更低的旋转速度和/或更高的叶尖载荷会是有益的，但是会提出重大的操作性挑战。
例如，由于巡航和海平面工作线在较低的压力比下分开，具有与海平面静态（sls）工作线相比充足的失速和颤振裕度以及具有可接受的巡航工作线效率的挑战变得更加困难。
因此，现代涡轮风扇式燃气涡轮发动机的设计倾向于增加风扇叶片对于经历颤振的敏感性。颤振是不期望的，因为它会在发动机中产生大的应力。
因此，将会期望的是，能够降低发动机中的风扇叶片对颤振的敏感性。
技术实现要素：
根据一方面，提供用于燃气涡轮发动机的风扇叶片，所述燃气涡轮发动机限定轴向方向、径向方向和周向方向，风扇叶片包括：
翼型部分，具有从根部延伸到叶尖的前缘，根部处的前缘与叶尖处的前缘之间的径向距离限定叶片翼展（bladespan），其中，当沿周向方向看时：
根部处的前缘与叶尖处的前缘之间所作的直线与径向方向之间形成的角度处于从-6°到-0.2°的范围中；并且，前缘上的半径之差为叶片翼展的至少5%的任何两点之间所作的线与径向方向之间形成的角度处于从-6°到0°的范围中，
其中负的角度表示相应的线具有与从叶片的后缘到叶片的前缘的方向的轴向分量方向相同的轴向分量。
这样的叶片可被描述成具有轴向向前的倾斜度。
在对“轴向方向”、“径向方向”和“周向方向”作出引用的地方，本领域技术人员将容易理解，这意味着当风扇叶片组装成风扇级的一部分或被设置在燃气涡轮发动机中时的常规方向。沿周向方向查看叶片可意味着在侧面轮廓上和/或在子午平面上查看叶片，和/或查看被投影到由轴向方向与径向方向限定的平面上的叶片。
如本文中其它地方更加详细解释的，本发明人已经理解，例如由于风扇叶片的第一（或最低）固有频率模式与常规叶片相比可具有降低的扭转成分，因此如本文中所描述的和/或要求保护的风扇叶片与常规叶片相比可具有降低的对颤振的敏感性。除此之外，本发明人已经理解第一固有频率模式的该扭转成分可影响风扇叶片对颤振的敏感性的方式，并且已经研发了本文中所描述的和/或要求保护的叶片，以便降低该敏感性。
根部处的前缘与叶尖处的前缘之间所作的直线与径向方向之间形成的角度可处于从-5°到-0.25°，例如-4°到-0.5°，例如-3°到-0.75°，例如-2°到-1°的范围中。
前缘上的半径之差为叶片翼展的至少5%的任何两点之间所作的线与径向方向之间形成的角度可处于从-5°到-0.25°，例如-4°到-0.5°，例如-3°到-0.75°，例如-2°到-1°的范围中。
根部处的前缘与叶尖处的前缘之间所作的直线与前缘上的任何点之间的最大垂直距离可以为叶片翼展的5%，例如叶片翼展的4%、3%、2%、1%、0.5%或0.1%。
风扇叶片可包括平台。风扇叶片可包括根部部分。根部部分可在平台与翼型部分的根部之间延伸。替代地，翼型部分可直接从平台延伸，不带有中间的根部部分，使得翼型部分的根部为风扇叶片的根部。
在风扇叶片包括根部部分的情况下，根部部分的径向范围可不超过例如翼型部分的翼展的15%，例如不超过翼型部分的翼展的10%、7%、5%、3%、2%或1%。
风扇叶片可包括叶尖部分，该叶尖部分至少径向地延伸远离翼型部分的叶尖。替代地，风扇叶片可不包括叶尖部分，使得翼型部分的叶尖也是风扇叶片的叶尖。
在风扇叶片包括叶尖部分的情况下，叶尖部分的径向范围可不超过例如翼型部分的翼展的15%，例如不超过翼型部分的翼展的10%、7%、5%、3%、2%或1%。
对于如本文中所描述的和/或要求保护的风扇叶片的前缘上的径向更加靠近于叶尖而非根部并且半径之差为叶片翼展的至少1%，例如至少2%，例如至少3%，例如至少4%，例如至少5%的任何两点，径向外侧的点的轴向位置可处于径向内侧的点的轴向位置的前方。
翼型部分的堆叠轴线可由将被堆叠以形成翼型部分的所有翼型部段的形心连接的线来限定。当沿周向方向看时，堆叠轴线可具有向前的倾斜度。例如，根部处的堆叠轴线与叶尖处的堆叠轴线之间所作的直线与径向方向之间形成的角度可处于从-40°到0°，例如-30°到-1°，例如-25°到-2°，例如-20°到-3°，例如-15°到-5°，例如-10°到-6°的范围中，其中负的角度表示相应的线具有与从叶片的后缘到叶片的前缘的方向的轴向分量方向相同的轴向分量。通过另外的示例的方式，可选地，堆叠轴线可在翼型部分的径向外半部中，例如仅在翼型部分的径向外半部中，具有向前的（负的）倾斜度。
翼型部分可具有从根部延伸至叶尖的后缘。当沿周向方向看时，后缘可具有向前的倾斜度。例如，根部处的后缘与叶尖处的后缘之间所作的直线与径向方向之间形成的角度可处于从-40°到0°，例如-30°到-1°，例如-25°到-2.5°，例如-20°到-5°，例如-15°到-7.5°，例如-10°左右的范围中，其中负的角度表示相应的线具有与从叶片的后缘到叶片的前缘的方向的轴向分量方向相同的轴向分量。
后缘可成形为使得后缘的径向外半部上的向前的（负的）倾斜角大于（例如显著大于）后缘的径向内半部上的向前的（负的）倾斜角。例如，后缘的径向外半部上的向前的（负的）倾斜角可以是后缘的径向内半部上的向前的（负的）倾斜角的至少1.5倍，例如至少两倍，例如至少3、4、5、6、7、8、9或10倍。在一些布置结构中，后缘可以在叶片（或翼型部分）的径向内侧部分上，例如在径向内侧10%、20%、30%、40%或50%左右上是径向的（包括大体径向的）。
在本公开的任何方面或示例中，根部处的后缘与叶尖处的后缘之间所作的直线与径向方向之间形成的角度的大小可大于根部处的前缘与叶尖处的前缘之间所作的直线与径向方向之间形成的角度的大小。例如，与根部处的前缘与叶尖处的前缘之间所作的直线与径向方向之间形成的角度的负的值相比，根部处的后缘与叶尖处的后缘之间所作的直线与径向方向之间形成的角度可具有更高的负的值。根部处的后缘与叶尖处的后缘之间所作的直线与径向方向之间形成的角度可以是负的。根部处的前缘与叶尖处的前缘之间所作的直线与径向方向之间形成的角度可以是负的。
本文中所描述的和/或要求保护的任何风扇叶片和/或翼型部分可由任何适合的材料或材料的组合制成。例如，风扇叶片和/或翼型部的至少一部分可至少部分地由复合材料制成，例如由金属基复合材料和/或有机基复合材料制成，诸如碳纤维，和/或由金属制成，诸如钛基金属或铝基金属（诸如铝-锂合金）或钢基材料。
根据一方面，提供用于燃气涡轮发动机的风扇级，其包括多个如本文中所描述和/或要求保护的风扇叶片。风扇级可包括轮毂，风扇叶片可从轮毂例如沿径向方向延伸。
这样的轮毂可以是或者可包括风扇盘，和/或可由轴驱动。轴自身可由燃气涡轮发动机的涡轮机驱动。
风扇叶片可以以任何期望的方式附接至轮毂。例如，各风扇叶片可包括固定装置，固定装置可接合轮毂（或盘）中的对应的槽。仅通过示例的方式，这样的固定装置可采用鸩尾榫（dovetail）的形式，其可被插入到轮毂/盘中的对应的槽中和/或接合轮毂/盘中的对应的槽，以便将风扇叶片固定到轮毂/盘。
通过另外的示例的方式，风扇叶片可与轮毂整体地形成。这样的布置结构可被称为“整体叶盘（blisk）”或“整体叶环（bling）”。可使用任何适合的方法来制造这样的整体叶盘或整体叶环。例如，风扇叶片的至少一部分可由块机加工，和/或风扇叶片的至少一部分可通过焊接（诸如线性摩擦焊接）被附接至轮毂/盘。
通过另外的示例的方式，风扇叶片可以以允许其桨距（pitch）变化的方式被附接至轮毂。
在风扇级的任何布置结构中，风扇叶片中的一个的前缘与轮毂相触位置的半径与风扇叶片的前缘的最靠外的径向范围的比小于0.4，例如小于0.37，例如小于0.35，例如小于0.33，例如小于0.3，例如小于0.25。其可被称为轮毂与叶尖比，并且/或者例如在风扇叶片没有设置根部部分或叶尖部分的情况下，其可以与翼型部分前缘处根部半径与翼型部分前缘处叶尖半径的比相同。当然，轮毂与叶尖比指的是风扇叶片的气体清洗后的部分，即任何平台径向外侧的部分。
根据一方面，提供包括至少一个如本文中所描述的和/或要求保护的风扇叶片和/或如本文中所描述的和/或要求保护的风扇级的燃气涡轮发动机。
这样的燃气涡轮发动机（当然，其可以是涡轮风扇式燃气涡轮发动机）可具有小于15lbf/lb/s（或大约150n/kg/s）的单位推力，例如小于12lbf/lb/s（或大约120n/kg/s），例如小于10lbf/lb/s（或大约110n/kg/s或100n/kg/s），例如小于9lbf/lb/s（或大约90n/kg/s），例如小于8.5lbf/lb/s（或大约85n/kg/s），例如小于8lbf/lb/s（或大约80n/kg/s）。
如本文中所描述的和/或要求保护的任何燃气涡轮发动机在巡航条件下可具有大于0.3的风扇叶尖载荷（dh/u叶尖2），例如在从0.3到0.37的范围中，例如0.32到0.36，例如大约0.35（所有单位都是jkg-1k-1/(ms-1)2），其中dh是跨越风扇的焓升（例如，巡航条件下跨越风扇的流的1-d平均焓升），并且u叶尖是叶尖的速度，例如在巡航条件下的速度，其可按照旋转速度乘以前缘处的叶尖半径来计算。巡航可限定为发动机可附接至的航空器的初始上升与最终下降之间的阶段。如本文中所使用的，巡航可意味着例如中间巡航（mid-cruise），即飞行的（或至少飞行的巡航阶段）的中间点（例如就时间和/或燃料燃烧而言）。
风扇的半径可在发动机中心线与风扇叶片在其前缘处的叶尖之间来测量。风扇直径（其可仅是风扇半径的两倍）可大于250cm，例如大于260cm、270cm、280cm、290cm、300cm、310cm、320cm、330cm、340cm或350cm。
根据本公开的燃气涡轮发动机可具有任何期望的旁通比，其中旁通比限定为巡航条件下通过旁通导管的流的质量流率与通过芯部的流的质量流率的比。在一些布置结构中，旁通比可大于10，例如大于11，例如大于11.5，例如大于12，例如大于13，例如大于14，例如大于15。旁通导管可以是大体环形的。旁通导管可处于芯部发动机的径向外侧。旁通导管的径向外表面可由短舱（nacelle）和/或风扇壳限定。
如本文中所描述的和/或要求保护的燃气涡轮发动机可具有任何期望的最大推力。仅通过非限制性的示例的方式，本文中所描述的和/或要求保护的燃气涡轮机会能够产生至少170kn的推力，例如至少180kn，例如至少190kn，例如至少200kn，例如至少250kn，例如至少300kn，例如至少350kn，例如至少400kn。以上所指的推力可以在标准大气条件下。
这样的燃气涡轮发动机可采用任何适合的形式。例如，燃气涡轮发动机可以是用于航空器上使用的航空燃气涡轮发动机。这样的发动机可以是带齿轮的涡轮风扇式燃气涡轮发动机，其中风扇级由涡轮机经由齿轮箱驱动，以便相比于（多个）驱动涡轮机级降低（或增加）风扇级的旋转速度。
本公开的布置结构在处理由这种较低速度的风扇的使用带来的，诸如经由齿轮箱所驱动的那些的使用带来的任何操作性问题上会是特别有效的。
到这样的齿轮箱的输入可直接来自于将涡轮机连接至压缩机的芯部轴，或间接地来自于芯部轴，例如经由正轴（spurshaft）和/或正齿轮（spurgear）。芯部轴可刚性地连接涡轮机和压缩机，使得涡轮机和压缩机以相同的速度旋转（其中风扇以较低的速度旋转）。
可对发动机设置任何数目的风扇级。例如，燃气涡轮发动机可具有单个风扇级，使得风扇之后下一个下游转子级是压缩机转子级，例如发动机的芯部中的压缩机转子级。
本领域技术人员将理解，除非相互排斥，否则与以上方面中的任一个相关而描述的特征可应用于任何其它的方面。此外，除非相互排斥，否则本文中描述的任何特征可应用于任何方面和/或与本文中描述的任何其它的特征组合。
附图说明
现在将参考附图，仅以示例的方式来描述实施例，其中：
图1是根据本公开的燃气涡轮发动机的截面侧视图；
图2是根据本公开的示例的风扇叶片的径向视图；
图3是根据本公开的示例的风扇叶片的侧视图；
图4是根据本公开的示例的风扇叶片的另一侧视图；
图5是根据本公开的示例的风扇叶片的前缘部分的近视图；以及
图6是根据本公开的示例的风扇叶片的侧视图。
具体实施方式
参考图1，燃气涡轮发动机总体上以10指示，具有主轴线和旋转轴线11。发动机10沿轴向流动顺序包括空气进气部12、推进风扇13、中压压缩机14、高压压缩机15、燃烧设备16、高压涡轮机17、中压涡轮机18、低压涡轮机19和排放喷嘴20。短舱21大体包围发动机10并限定进气部12和排放喷嘴20两者。
燃气涡轮发动机10以常规的方式工作，使得进入进气部12的空气由风扇13加速以产生两股空气流：进入中压压缩机14的第一空气流，和通过旁通导管22用以提供推进推力的第二空气流。中压压缩机14压缩被引导到其中的空气流，之后将该空气传输至高压压缩机15，在高压压缩机15处进行进一步的压缩。
从高压压缩机15排放的压缩空气被引导到燃烧设备16中，压缩空气在燃烧设备16中与燃料混合，并且混合物在燃烧设备16中被燃烧。然后，产生的热的燃烧产物通过高压、中压和低压涡轮机17、18、19膨胀，并由此驱动高压、中压和低压涡轮机17、18、19，之后被排放通过喷嘴20，以提供额外的推进推力。高压涡轮机17、中压涡轮机18和低压涡轮机19各自通过适合的相互连接的轴分别驱动高压压缩机15、中压压缩机14和风扇13。
图1中所示的燃气涡轮发动机10和/或风扇级13和/或风扇级13的风扇叶片100可根据本公开的示例，本公开的方面仅以示例的方式关于图2至图6来描述。
根据本公开的任何燃气涡轮发动机（诸如图1的燃气涡轮发动机10）可例如具有在本文中描述的范围中（例如小于10）的单位推力和/或在本文中描述的范围中的风扇叶片轮毂对叶尖比和/或在本文中描述的范围中的风扇叶尖载荷。
本公开可涉及任何适合的燃气涡轮发动机。例如，本公开可应用的其它的燃气涡轮发动机可具有相关的或替代的构造。通过示例的方式，这些发动机可具有替代数目的相互连接的轴（例如，两个）和/或替代数目的压缩机和/或涡轮机。另外，发动机可包括设置在从涡轮机到压缩机和/或风扇的传动系中的齿轮箱。图1中所示的燃气涡轮发动机具有混合流喷嘴20，意味着通过旁通导管22的流和通过芯部15、16、17、18、19的流在喷嘴20之前（或在喷嘴20的上游）被混合或被合并。然而，这不是限制性的，并且本公开的任何方面可例如还涉及具有分流喷嘴的发动机10，这可意味着通过旁通导管22的流具有其自己的喷嘴，该喷嘴与芯部发动机喷嘴分开，并可处于芯部发动机喷嘴的径向外侧。一个或两个喷嘴（无论是混合流或是分流）可具有固定或可变的面积。尽管所描述的示例涉及涡轮风扇式发动机，然而本公开可适用于例如任何类型的燃气涡轮发动机，例如诸如开式转子（其中短舱没有包围风扇级）或涡轮螺旋桨发动机。
燃气涡轮发动机10及其部件的几何结构由常规的轴线系统限定，包括轴向方向30（其与旋转轴线11对准）、径向方向40和周向方向50（在图1视图中被示出为与页面垂直）。轴向、径向和周向方向30、40、50相互垂直。
风扇级13包括从轮毂200延伸的多个风扇叶片100。风扇叶片100可相对于图1中所示的与燃气涡轮发动机10相关的轴向方向30、径向方向40和周向方向50被限定。
图2是沿风扇叶片100的径向向内方向的视图。图3是风扇叶片100的侧视图（即轴向-径向平面上的视图）。风扇叶片100具有翼型部分110。翼型部分110具有前缘120和后缘130。翼型部分110沿大体径向的方向沿着翼展从根部140延伸至叶尖150。前缘110可限定为由翼型部分110从其根部140至其叶尖150的轴向最靠前的点限定的线。
如以上提及的，风扇叶片100对颤振的敏感性至少部分取决于最低固有频率模式形状（也称为1f模式形状）的扭转成分。
该扭转成分可在叶片100的叶尖150处由参数i/ch限定，其中i是从叶尖150处的前缘120至模式形状中的扭转中心310的距离（例如最短距离），并且ch是叶尖150处的弦长（见图2）。因此，相对较高的i/ch值表示模式形状中相对较低的扭转成分。参数i/ch可被认为是描述叶尖150处前缘120与后缘130之间的（例如沿大体周向方向的）相对运动（叶尖150处前缘120的运动通常大于叶尖150处后缘130的运动）。在图2中，附图标记120'表示在变形（或移位）后的1f模式形状中的前缘120，并且附图标记150'表示在变形（或移位）后的1f模式形状中的叶尖150。
图3示出了1f模式形状中前缘120上的节点320以及后缘130上的节点330，节点320、330是叶片100上（例如朝着根部140）在1f模式形状中静止的点。对于第一近似，叶尖150在前缘120处的位移取决于叶尖150处的前缘120与前缘120上的1f节点320之间的距离‘a’（或至少受距离‘a’影响）。类似的，对于第一近似，叶尖150在后缘130处的位移取决于叶尖150处的后缘130与后缘130上的1f节点330之间的距离‘b’（或至少受距离‘b’影响）。
通常，距离‘a’大于距离‘b’。这可能至少部分是因为前缘120上的1f节点320通常处于后缘130上的1f节点330的径向内侧。
通过本公开的示例的方式在附图中示出的叶片100可被认为是轴向向前倾斜的，例如通过至少使线‘a’轴向向前指向（即图3中向左）。如图3的示例中示出的，线‘b’也可例如以比线‘a’更大的角度轴向向前指向。
如本文中其它地方所解释的，本文中所描述和/或要求保护的叶片几何结构可降低叶片对颤振的敏感性。例如，并且在不受限或受制于特定理论的情况下，与常规叶片相比，长度‘a’和‘b’之间的比可减小，这可导致1f模式中前缘120处的叶尖位移与后缘130处的叶尖位移之间的比减小。与常规的风扇叶片相比，风扇叶片100（和/或翼型部分110）可具有增加的i/ch，这可帮助降低1f模式形状的扭转成分，并因此降低对颤振的敏感性。
现在将参考图4和图5描述示例性风扇叶片100的各种特征。将理解的是，这些特征可单独应用或组合应用，如在权利要求中限定的。下表中解释图4和图5中所示的变量，其中术语“le”指的是前缘120，并且术语“te”指的是后缘130：
注意，在上表中，“x”指的是沿轴向方向30的位置，并且“r”指的是沿径向方向40的位置。
诸如图4中通过示例的方式示出的，如本文中所描述的和/或要求保护的风扇叶片100的翼型部分110的整体斜度α可处于从-6°到-0.2°之间的范围中，例如在本文中其它地方限定的任何范围中。在这方面，整体斜度α可表示根部140处的前缘点a与叶尖150处的前缘点c之间所作的直线ac与径向方向之间形成的角度。
诸如图4中通过示例的方式示出的，如本文中所描述的和/或要求保护的风扇叶片100的翼型部分110的局部斜度α（p1,p2）可处于从-6°到0°的范围中，例如在本文中其它地方限定的任何范围中。在这方面，局部斜度α（p1,p2）可表示前缘上的半径之差为叶片翼展的至少5%的任何两点之间所作的线与径向方向之间形成的角度。
如上表中限定的‘e’与‘h’之间的关系在图5中最容易看出。点‘e’与‘h’之间的距离‘e’可被认为是表示前缘上的任何点与根部处的前缘之间所作的直线之间的最大垂直距离。作为百分比（‘e%’），如本文中所描述的和/或要求保护的风扇叶片100的翼型部分110的距离‘e’可小于翼型部分110的翼展的5%，例如小于2%（或本文中所描述的和/或要求保护的任何其它范围）。
翼型部分110的后缘130还可限定整体斜度β。风扇叶片100的后缘130的整体斜度β可处于从-40°到0°，例如-30°到-1°，例如-25°到-2.5°，例如-20°到-5°，例如-15°到-7.5°，例如-10°左右的范围中。在这方面，后缘130的整体斜度β可表示根部140处后缘130上的点b与叶尖150处后缘130上的点d之间所作的直线i与径向方向之间的角度。
风扇叶片100包括平台160。翼型部分110可如图4示例中那样直接从平台160延伸。替代地，如图6中以示例的方式示出的，风扇叶片100可具有根部部分170。根部部分170可被认为是在平台160与翼型部分110的根部140之间延伸。根部部分170的径向范围可不超过翼型部分110的翼展的7%，例如不超过5%。
还如图6中以示例的方式示出的，风扇叶片100可包括叶尖部分180。叶尖部分180可被认为是从翼型部分110的叶尖150延伸。叶尖部分180的径向范围可不超过翼型部分110的翼展的5%。
风扇叶片100可以以任何期望的方式附接至轮毂200。例如，风扇叶片100可包括诸如图6中以示例的方式示出的固定装置190，固定装置190可接合轮毂（或盘）中对应的槽。仅仅通过示例的方式，这样的固定装置可采用鸩尾榫的形式，其可被插入轮毂/盘中的对应的槽中和/或接合轮毂/盘中的对应的槽，以便将风扇叶片固定至轮毂/盘。
替代地，风扇叶片100和轮毂200可被形成为一体部分，不带有任何机械的和/或可释放的连接部，从而形成一体的风扇级13。这样的一体的风扇级13可被称为“整体叶盘（blisk）”。这样的一体的风扇级13可以以任何适合的方式来制造，例如通过机加工和/或通过将风扇叶片100线性摩擦焊接至轮毂200，或者至少将包括风扇叶片100的径向内侧的短桩部分的翼型部分110线性摩擦焊接至轮毂200。
轮毂与叶尖的比（其可具有如本文中其它地方所指示的值）可限定为前缘120在翼型部110的根部140（其自身可被称为轮毂）（点a）处的半径除以前缘120在翼型部110的叶尖150（点b）处的半径，即ra/rb。
将理解的是，本发明不限于以上描述的实施例，并且在不偏离本文中所描述的构思的情况下可作出各种修改和改进。除非相互排斥，否则特征中的任何可单独使用或与任何其它的特征组合地使用，并且本公开扩展至并包括本文中描述的一个或更多个特征的所有组合及子组合。