涡轮机涡轮叶片的凹槽状顶部的制作方法

本发明涉及涡轮发动机的涡轮叶片。

本发明在涡轮喷气发动机的燃烧室的出口处的高压涡轮的情况下得到尤其有利地应用。

背景技术：

通常，在涡轮发动机的涡轮的叶片与所述转子在其中旋转的环的内面部之间设置有叶片顶部间隙，该叶片顶部间隙使得所述转子能够旋转。由于叶片的运动以及叶片的下表面和上表面之间的压力差，每个叶片的顶部与环的内面部之间的间隙处会产生泄露流。这些流以及它们在上表面产生的漩涡是许多空气动力学以及空气热力学问题的起因，这些问题直接影响涡轮发动机的性能。

叶片的顶部与环的内表面之间的间隙通常被调节以便减少这些流。然而，这种间隙的减小增加了叶片与环的内表面之间接触的风险，并且严重地限制叶片的使用寿命；此外，它还使叶片顶部的温度增加，这同样对叶片的使用寿命具有影响。

为了弥补这种缺点，通常已知的是，在叶片的顶部提供凹部(bathtubs)，这使得能够限制叶片与环之间的接触表面。这些凹部通常由周缘限定，周缘界定出封闭的轮廓并且为此在叶片的顶部处沿上表面和下表面从前缘延伸到后缘。

具体地，具有凹部的构型意在使得能够优化已提出的叶片的空气动力学和空气热力学性能。具体地，本申请人的专利申请EP1748153和WO2009/115728是已知的，在上述申请中例如提出了包括多个腔或集成有导向部以在叶片的顶部处对泄露流进行导向的凹部构型。

然而到现在为止，现有技术中已知的方案被证明是不足的，尤其在新一代涡轮喷气发动机所要求的性能方面被证明是不足的。

技术实现要素：

本发明的一个总体目标在于改善涡轮叶片的空气动力学/空气热力学性能。

具体地，本发明提出了一种在叶片的顶部的凹部结构，该凹部结构允许涡轮的效率的增加。

这里应注意的是，在涡轮喷气发动机的情况下，涡轮的效率的增加对涡轮喷气发动机的效率和燃油消耗量具有直接影响。这是被提出的方案在涡轮喷气发动机高压涡轮叶片的情况下被有利应用的原因。

具体地，根据一方面，本发明包含涡轮发动机的涡轮叶片，该涡轮叶片包括上表面、下表面、前缘和后缘以及在涡轮叶片的顶部处的凹部，所述凹部包括至少一个内部肋，其特征在于，所述肋从所述凹部的周缘在上表面一侧上的附接点延伸到所述凹部的周缘在下表面一侧上的附接点，并且所述肋还包括从上表面延伸的针对泄露流的力承载部分以及形成导向部的部分，该形成导向部的部分以弯折部对力承载部分加以延伸并将泄露流朝向下表面引导。

根据另一方面，肋的力承载部分的直接面向前缘的区域平行于前缘的切线。

根据补充的方面，肋相对于上表面在附接点处的法线形成的角度介于–20°到+20°之间，优选地介于–18°到3°之间。

根据附加的方面，附接点沿凹部的周缘在上表面一侧上的曲线横坐标介于10％到26％之间，优选地介于13％到21％之间。

根据另一方面，附接点沿凹部的周缘在下表面一侧上的曲线横坐标介于18％到66％之间，优选地介于26％到49％之间。

根据补充的方面，肋相对于下表面在附接点处的垂线形成的角度介于0°到50°之间，优选地介于19°到43°之间。

根据附加的方面，肋与叶片的中弧线相交的点的曲线横坐标介于13％到43％之间，优选地介于21％到35％之间。

根据另一方面，中弧线与肋的弯折点之间的空间介于–0.8mm到1.2mm之间，优选地介于–0.5mm到1.2mm之间。

附图说明

参照附图，本发明的其它特征、目的和优点将通过阅读下文中的以非限制性示例的方式给出的详细描述来显现，在附图中：

·图1示出了叶轮的叶片的顶部的透视图，根据本发明的第一实施例的凹部被构造在该叶轮上；

·图2示出了与图1中的本发明的第一实施例相同的视图，该图着重示出了凹部的不同部分；

·图3示出了与图1中的本发明的第一实施例相同的视图，该图使得能够着重示出肋在下表面和上表面处的方向；

·图4示出了与图1至图3中的本发明的第一实施例相同的视图，该图使得能够着重示出肋与上表面之间的连接点的位置；

·图5示出了与图1至图4中的本发明的第一实施例相同的视图，该图使得能够着重示出肋与下表面之间的连接点的位置；

·图6示出了从根据本发明的第一实施例的叶片的上方观看的视图；

·图7示出了与图6相同的视图，该图使得能够着重示出肋的弯折点与叶片的脊线之间的空间；

·图8示出了与图6和图7相同的视图，该图使得能够着重示出肋在其弯折点处的方向。

具体实施方式

在图1以及在下文中示出的是涡轮喷气发动机高压涡轮的叶片1。在涡轮喷气发动机中，涡轮包括盘，多个叶片1圆周地安装在该盘上。该盘与叶片被布置在位于燃烧室的下游处的环的内部。涡轮叶片和环的尺寸被设计成使得环和叶片之间的间隙受到限制。

这种叶片1具有空气动力学的轮廓，并且具有凸出的上表面11以及凹入的下表面12，该凸出的上表面以及凹入的下表面在形成前缘13的圆形上游边缘与后缘14之间延伸。

在叶片的意在面向环的内面部的顶部处，叶片1具有由周缘2a限定的凹部2，该周缘通过沿上表面11和下表面12从前缘13延伸到后缘14而与所述凹部的底部2b邻接。

所述凹部2的内部被肋3分成两个腔4和5，肋具有与周缘2a相同的高度。

如图2所示，该肋3在附接点31和位于该周缘2a的沿下表面12延伸的部分上的点32之间延伸，所述附接点位于该周缘2a的沿上表面11延伸的部分上。该肋具有：

·从上表面11延伸并且对通过前缘13到达腔4内部的泄露流16产生阻碍的部分3a；

·以弯折部对部分3a加以延伸的部分3b，并且该部分充当用于对泄露流在下表面侧部上流出进行引导的导向部。

这种肋3使得能够补偿泄露流16的压靠所述肋3的载荷力的一部分；它还通过防止热空气贯穿整个凹部2而使得能够降低叶片1的顶部以及环的温度，从而有助于增加叶片1的使用寿命。

具体地，为了使载荷力补偿最大化，肋3的部分3a的直接面向前缘13的区域(部分3a的最接近前缘的区域)平行于前缘13的切线，以便垂直于通过所述前缘13进入的泄露流16的方向。

因此，该部分3a补偿了最大的力。

肋3在附接点31处的定向也被优化。具体地，肋3相对于上表面11在附接点31处的垂线所形成的角度(在图3中，切线T31和在点31处与上表面11的切线T11垂直的法线NT11之间的角度α)有利地介于–20°到+20°之间，更有利地介于–18°到3°之间，并且甚至更有利地介于–16°到–14°之间(在三角学指向(trigonometric sense)中，角度α的符号以从法线NT11朝向切线T31的方式确定)。

附接点31在上表面11上的位置是一种折衷，它被选择成：优化泄露流的承载力并同时避免或限制热空气在肋3上方通过。实际上，应理解的是，附接点31越靠近前缘13，越存在泄露流的一部分经过肋3进入到腔5中的风险，使得承载力的效率不再是最佳的。

因此，附接点31沿上表面线的曲线位置(图4中在前缘13(X＝0％)与后缘14(X＝100％)之间确定的曲线横坐标X)优选地介于10％到26％之间，更优选地介于13％到21％之间，并且甚至更优选地介于15％到17％之间。

此外，在超过部分3a的面向前缘13的区域(在该区域处，泄露流的流量撞击肋3)处，肋3被弯折并且被充当导向部的部分3b加以延伸。用于对泄露流进行导向的该部分3b被定向成：使所述泄露流离开下表面12，同时尽可能地平行于沿着下表面12的主流。

为此，附接点32被沿下表面12定位，并同时朝向后缘14偏移。优选地，该附接点32沿下表面的线的曲线位置(图5中的在前缘13(X＝0％)与后缘14(X＝100％)之间被确定的横坐标X)介于18％到66％之间，有利地介于26％到49％之间，并且甚至更有利地介于32％到36％之间。

这里将注意的是，附接点21越接近后缘14，则越多的腔中存在的泄露流越被导向成以平行于沿下表面的主流的方式离开，这有利于叶片的效率。而另一方面，热空气在腔4中保留的时间会更长，这就叶片的使用寿命而言是不利的。以上针对点32的曲线横坐标的值给出的范围使叶片1的空气动力学和空气热力学性能之间的良好的折衷成为可能。

肋3包括弯折点的事实一方面允许力承载部分3a距前缘13有一定距离并且具有使承载力补偿是尽可能最大的方向；并且在另一方面，充当导向部的部分3b距下表面12的壁有一定距离并且具有能够使叶片1的空气动力学以及空气热力学性能被最佳化的方向。肋3的弯折使得能够在单个肋中获得一种如下所述的形状：该形状提供内部肋的仅优化叶片1的一个参数并不利于其它参数的不同可能形状之间的折衷。

尤其是为了在通过铸造(失蜡铸造)来生产叶片的情况下允许凹部2从模具中被释放，肋3在附接点32处的定向也可被优化。这是肋3在附接点处具有部分3c的原因，该部分自身相对于在部分3a的延伸部中形成导向部的部分3b弯折。该部分3c相对于下表面12的垂线所形成的角度(在图3中，切线T32和法线NT12之间的角度β，所述法线与下表面13在点32处的切线T12垂直)有利地介于0°到50°之间，优选地介于19°到43°之间，并且甚至更优选地介于35°到40°之间(在三角学指向中，角度β的符号以从法线NT12朝向切线T32的方式确定)。

肋3的形状的优化还可考虑如下所述的方法：通过所述方法，肋相对于叶片1的中弧线(camber line)延伸。

具体地，如图6所示的，优选地，其中肋3与叶片1的中弧线S相交的点33的位置介于13％到43％之间，优选地介于21％到35％之间，并且更优选地介于25％到29％之间(在图6中，在前缘13(X＝0％)和后缘14(X＝100％)之间确定的沿中弧线S的横坐标X)。

中弧线S是由距下表面12和上表面11距离相等的一组点构成的线。

此外，中弧线S和肋3的弯折点34之间的空间可被优化(图7)成介于–0.8mm到1.2mm之间，优选地介于–0.5mm到1.2mm之间，并且甚至更优选地介于1.1mm到1.2mm之间(当弯折点34处于中弧线S和下表面12之间时，距离的符号为正，否则符号为负)。

部分3b的定向也可被优化。为此，肋3在弯折点34处的切线T34(图8)与中弧线S在切线T34与中弧线S之间的交点处的切线TS形成的角度θ介于–20°到+20°之间，优选地介于–15.4°到+5.1°之间，并且更优选地介于–10.8°到–9.7°之间(在三角学指向中，角度θ的符号以从切线T34朝向切线TS的方式限定)。

此外，开口6和7还可在下表面12一侧被设置在周缘2a处，以便于腔4和5中的热空气的排出。例如，腔4的开口6直接邻近于肋3，同时腔5的开口7直接邻近于后缘14。