在根部截面内具有曲面轮廓的飞机涡轮喷气发动机的风扇叶片的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种飞机涡轮喷气发动机的风扇叶片(4)，所述叶片包括在前缘(18)和后缘(20)之间轴线向地延伸以及在根部截面(S根部)和尖部截面(S尖部)之间具有径向堆积的多个翼型截面(S)的翼型(6)。位于所述根部截面(S根部)以及对应于翼型总径向高度的30％的径向高度处的翼型截面(S30)之间的所有翼型截面具有骨架曲线，所述骨架曲线具有拐点。
【专利说明】在根部截面内具有曲面轮廓的飞机涡轮喷气发动机的风扇叶片
【背景技术】
[0001]本发明涉及飞机涡轮喷气发动机的风扇叶片的通用领域，以及更特别地涉及这种叶片的根部截面的轮廓。
[0002]对飞机涡轮喷气发动机进行的开发主要寻求提高性能以及减少重量。更准确地，在小直径涡轮喷气发动机的背景中，众所周知的是，通过减少风扇内叶片的数量，增加在叶片尖部的相对螺距，以及减少风扇的轮毂比，可以减少风扇的重量。
[0003]特别地，很小的轮毂比(对于给定的风扇直径)可以增加发动机的比流量，从而增加其推力而不牺牲其重量。然而，减少轮毂比导致在使风扇叶片弯曲中减少第一共振模式(被写作1F模式)的频率。不幸地，与发动机的第一谐波相符的该1F模式导致叶片的不稳定振动行为，该行为可导致叶片破裂。
[0004]为了解决叶片的1F模式减少的这一问题，可以增加它们的弦长(即从这种叶片的前缘到后缘运行的线段的长度)，或者增加它们的根部截面。
[0005]然而，这些解决方案都不令人满意。增加叶片的弦长特别地导致长度的增加，以及因此增加涡轮喷气发动机的重量。同样，增厚叶片的根部截面可导致显著增加风扇的重量，以及因此增加涡轮喷气发动机的重量。该解决方案也存在以下缺点，牺牲涡轮喷气发动机的性能以及风扇根部出现阻塞的风险。
[0006]发明目的和内容
[0007]因此需要一种可用的风扇叶片形状，其能够减少第一弯曲模式而不增加涡轮喷气发动机的重量或长度。
[0008]该目的通过一种用于飞机涡轮喷气发动机的风扇叶片来实现，所述叶片包括在前缘和后缘之间轴线向地延伸以及在根部截面和尖部截面之间具有径向堆叠的多个翼型截面的翼型，其中，根据本发明，位于所述根部截面以及对应于翼型总径向高度的30%的径向高度处的翼型截面具有骨架曲线，所述骨架曲线具有拐点。
[0009]翼型截面的骨架曲线由作为沿叶片弦长的位置函数的骨架角的变量所构成。更准确地，术语“骨架角”用于表示在叶片骨架的每个点的切线与发动机轴线之间形成的角度。
[0010]令人惊讶地，发明人已经观察到，对于位于翼型的总径向高度的0%到30%范围内的所有翼型截面，骨架曲线中存在拐点可以增加叶片1F模式而不降低叶片的气动性能。此外，获得了叶片翼型的这种加强，而不增加叶片的弦长以及不增加其根部截面的厚度。
[0011]优选地，位于根部截面以及对应于翼型的总径向高度的30%的径向高度处之间的翼型截面的骨架曲线拐点位于从前缘向后缘测量的叶片弦长的25%到75%的范围内。
[0012]同样优选地，这些点位于从前缘向后缘测量的叶片弦长的40%到50%的范围内。
[0013]同样优选地，在骨架曲线的拐点处切线的斜率在根部截面和对应于翼型的总径向高度的30 %的径向高度处的翼型截面之间连续地减少。
[0014]本发明还提供了一种飞机涡轮喷气发动机风扇，其具有如上所限定的多个叶片。本发明还提供了一种具有这种风扇的飞机涡轮喷气发动机。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]从参照附图进行的以下描述中，本发明的其它特征和优点变得明显，附图示出了没有限制性特征的实施方式。在图中:
[0016].图1是具有本发明叶片的涡轮喷气发动机风扇的纵截面的局部视图；
[0017].图2是根据本发明的叶片翼型截面的视图；
[0018].图3示出了根据本发明叶片的翼型截面的骨架曲线的示例；以及
[0019].图4示出了对本发明的叶片轮廓的空气动力学流体的冲击。
【具体实施方式】
[0020]本发明应用于任何飞机涡轮喷气风扇，并且特别地应用于小直径的涡轮喷气发动机风扇，如图1所示。
[0021]图1示出了根据本发明具有多个叶片4的涡轮喷气发动机风扇2，所述多个叶片4在涡轮喷气发动机的纵轴线X-X周围规则地相互间隔，该轴线X-X沿穿过该风扇的气流方向F延伸。
[0022]风扇的叶片4优选地由金属合金制成。每个叶片4包括翼型6和安装在圆盘(或轮毂)10上的根部8，所述圆盘(或轮毂)10绕涡轮喷气发动机的纵轴线X-X被驱动旋转。每个叶片也可具有平台12，所述平台12形成内侧壁的一部分，该部分限定了穿过风扇的气流F的流体通道14的内侧。围绕风扇的壳体的壁16形成外壁，所述外壁限定了该流体通道的外侧。
[0023]在以下的描述中，对于每个叶片4，径向轴线Z-Z被限定为垂直于纵轴线X-X并穿过存在于叶片和冷气流的流体通道内侧壁之间的截交的截面的重心。切向轴线Y-Y形成与轴线χ-χ和Z-Z相关的右手矩形参考系。
[0024]如图1所示，叶片4的翼型6具有多个翼型截面S，翼型截面的重心沿重心线Lg堆积。
[0025]翼型截面S位于从纵轴线X-X增加的径向距离以及它们沿径向轴线Z-Z在根部截面和叶片的尖部17的尖部截面之间被限定。根部截面位于从叶片根部朝其尖部测量的叶片的总径向高度的0%处。同样，尖部截面位于从叶片根部朝其尖部测量的叶片的总体径向高度的100%处。
[0026]所获得的堆积线(stack)形成了沿纵轴线X-X在前缘18和后缘20之间以及沿切线方向Y-Y在压力侧表面22和吸力侧表面24(图2)之间延伸的空气动力学表面。
[0027]根据本发明，所提供的是给位于根部截面以及翼型截面S3(l之间的所有翼型截面的一种曲面轮廓，所述翼型截面S3(l位于从叶片根部朝其尖部测量的翼型的总径向高度的 30%。
[0028]图2示出了翼型剖面轮廓S，根据本发明，其相对于现有技术的翼型截面S’ (即不是曲面的)为曲面。
[0029]翼型截面的突出的曲线由在所讨论的翼型截面的骨架曲线上存在的拐点I所限定(这也被称为“S形”骨架曲线)。在本发明中，位于根部截面以及翼型截面S30之间的所有翼型截面呈现具有一个拐点的骨架曲线。
[0030]在本文中使用的术语“翼型截面的骨架曲线”是指在骨架角α内对于给定翼型截面为沿着叶片的弦长D(即沿将前缘18连接到相应叶片截面的后缘20的直线段)的位置的函数。
[0031]如图2所示，骨架角α在叶片的骨架线(skeleton) 26的每个点P处的切线T和涡轮喷气发动机的纵轴线X-X之间形成(叶片的骨架线26是位于到叶片的压力侧以及吸力侧22和24相等距离的点的几何线)。
[0032]沿叶片的弦长D的该骨架角的变量因此是被称为骨架曲线的曲线。图3A到3(:示出了根据本发明的叶片的不同翼型截面的骨架曲线的不同示例。
[0033]因此，图3示出了根据本发明的叶片的根部截面(即，位于翼型的总径向高度0%处的翼型截面)的骨架曲线Q，骨架曲线Q为叶片弦长百分比(弦长的0%对应于前缘以及100%对应于其后缘)的函数。作为对比，图3还示出了现有技术叶片的根部截面的骨架曲线C’ 0 ( S卩，其中，根部截面的轮廓不是曲线的)。
[0034]在图3中，可以看出，骨架曲线Q确实存在拐点IJ S卩，曲线的切线、与该曲线交叉的点)。相比之下，现有技术叶片的根部截面的骨架曲线C’ ^不存在任何拐点。
[0035]有利地，位于根部截面和翼型截面S3(l之间的翼型截面的所有骨架曲线的拐点I，特别地拐点^位于从前缘朝后缘测量的叶片弦长的25%到75%范围内。
[0036]这些拐点优选地位于沿叶片弦长长度的40%到50%的范围内。因此，在图3中，根部截面的拐点Ιο位于弦长长度的40%左右。
[0037]此外，在另一有利的配置中，在骨架曲线的拐点处的切线斜率从根部截面到位于翼型的总径向高度30%的翼型截面S3(l连续地减少。
[0038]在骨架曲线的拐点处的切线斜率的这种减少在根部截面和翼型截面S3(l之间是连续和不间断的。超过翼型截面s3(l，翼型截面的骨架曲线返回到传统外观，即它们在指定的区域内不再出现拐点。
[0039]令人惊讶的是，发明人已经观察到，在位于根部截面和翼型截面S3(l之间的所有翼型截面内存在曲线轮廓能使叶片的1F模式的频率增加，而没有相应地降低其空气动力学流。
[0040]图4示出了这种优点。该图绘制了代表根据本发明叶片的等熵马赫数的压力侧和吸力侧分布的曲线(曲线％力和％力)，以及根据现有技术叶片的等熵马赫数的压力侧和吸力侧分布的曲线(曲线M’压力和M’吸力)。
[0041]分析代表这些叶片的空气动力学流的这些曲线示出了吸力侧等熵马赫数(曲线Μ?)是可以接受的。特别地，其水平等同于现有技术叶片的水平叶片(曲线Μ’ ΚΛ)。
【权利要求】
1.一种飞机涡轮喷气发动机的风扇叶片(4),所述叶片包括在前缘(18)和后缘(20)之间轴向延伸以及在根部截面和尖部截面之间具有径向堆积的多个翼型截面(3)的翼型(6),所述叶片的特征在于，位于所述根部截面以及对应于所述翼型的总径向高度的30%的径向高度处的翼型截面(士。)之间的所有翼型截面具有骨架曲线，所述骨架曲线具有拐点。
2.根据权利要求1所述的叶片，其中，位于所述根部截面以及对应于所述翼型的总径向高度的30 %的径向高度处的翼型截面之间的翼型截面的骨架曲线的拐点位于从前缘朝后缘测量的叶片弦长的25%到75%的范围内。
3.根据权利要求2所述的叶片，其中，位于所述根部截面以及对应于所述翼型的总径向高度的30 %的径向高度处的翼型截面之间的翼型截面的骨架曲线的拐点位于从前缘朝后缘测量的所述叶片的弦长的40%到50%的范围内。
4.根据权利要求1到3任一所述的叶片，其中，在所述骨架曲线的拐点处的切线的斜率在所述根部截面和对应于所述翼型的总径向高度的30%的径向高度处的翼型截面之间连续地减少。
5.根据权利要求1到4任一所述的叶片，其中，所述翼型由金属制成。
6.一种飞机涡轮喷气发动机风扇(2)，其包括根据权利要求1到5任一所述的多个叶片⑷。
7.一种飞机涡轮喷气发动机，其包括根据权利要求6所述的风扇(2).
【文档编号】F01D5/14GK104364473SQ201380028788
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2013年5月23日 优先权日:2012年5月31日
【发明者】汉娜·赖斯, 阿德里安·比斯开, 贝诺伊特·法亚尔, 劳伦特·雅布隆斯基, 达米恩·墨尔乐 申请人:斯奈克玛