CN116420005A

CN116420005A - 用于飞行器涡轮发动机的包括设置有朝排放腔排出主流的通道的平台的涡轮轮叶

Info

Publication number: CN116420005A
Application number: CN202180073071.2A
Authority: CN
Inventors: 让·查尔斯·玛丽·库西罗; 诺尔·切尔考伊; 阿诺德·拉桑撒·盖尼利厄; 雷米·菲利普·奥斯瓦尔德·奥利弗
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2020-10-01
Filing date: 2021-10-01
Publication date: 2023-07-11
Also published as: EP4222353A1; US12018582B2; WO2022069845A1; US20230383656A1; EP4222353B1; FR3114838B1; FR3114838A1

Abstract

本发明涉及一种用于涡轮发动机的涡轮轮叶(60)，该涡轮轮叶包括叶片(61)和平台(62)。平台(62)包括具有吸入开口(81)的内通道(80)，该吸入开口通向平台(62)的上游部分(P1)的第一表面(71)，该第一表面(71)限定主涵道(21A)。内通道(80)包括排出开口(82)，该排出开口通向平台(62)的下游部分(P2)的第二表面(72)，该第二表面(72)限定排放腔(50)。内通道(80)使得能够吸入在主涵道(21A)中流通的流体的一部分，从而减小由于流体在第一表面(71)上的摩擦而产生的次级流的强度。

Description

用于飞行器涡轮发动机的包括设置有朝排放腔排出主流的通道的平台的涡轮轮叶

技术领域

本发明涉及用于飞行器涡轮发动机的涡轮领域。

本发明更具体地涉及用于这种涡轮的喷嘴或转子轮的轮叶。

背景技术

传统的飞行器涡轮发动机的涡轮包括一个或多个级，每个级包括喷嘴和转子轮。喷嘴包括固定轮叶，固定轮叶在固定轮叶的径向外端部处连接到壳体，并且固定轮叶围绕涡轮的纵向中心轴线周向地分布，以形成定子环。转子轮包括圆盘和轮叶，轮叶在轮叶的径向内端部处连接到圆盘，并且轮叶围绕圆盘周向地分布。级的喷嘴被构造成使得进入该级的流体流(通常包括来自燃烧室的气体)被定子轮叶加速并且偏转到该级的转子轮的轮叶，从而驱动转子轮使得转子轮围绕纵向中心轴线旋转。

通常，涡轮的每个喷嘴轮叶和转子轮轮叶包括叶片和两个平台，两个平台在它们之间径向地界定环形主涵道的周向部分，叶片延伸到该环形主涵道中。穿过涡轮的流体主要流过该主涵道。

当运转传统的涡轮时，流体与喷嘴和转子轮的相互作用在轮叶平台处产生涡流，形成所谓的“次级流”。

为了说明这种现象，图1示出了涡轮喷嘴1的两个轮叶1A和1B的一部分，这些轮叶1A和1B在周向上彼此相邻。图1更具体地示出了轮叶1A和1B中的每一个轮叶的叶片2的径向下部分和平台3。每个轮叶1A和1B的叶片2包括前缘4、后缘5、压力面6和吸力面7。每个轮叶1A和1B的平台3在径向内部界定环形主涵道的周向部分，流体在该环形主涵道中沿方向S1从叶片2的前缘4流向后缘5。

给定在涡轮的主涵道中流动的流体的典型粘度，流体沿平台3的表面的流动具有速度梯度GV1，使得在该表面附近，流体层越靠近该表面，该流体层的速度就越慢。在主涵道中流动的流体还受到压力梯度GP1，在该示例中，该压力梯度从轮叶1B的叶片2的压力面6朝向轮叶1A的叶片2的吸入面7定向。压力梯度GP1通常足以使在平台3的表面附近流动的流体层偏转。

这使得出现不同类型的涡流。称为“马蹄涡流”的第一种类型的涡流T1采用分布在叶片2的两侧上的两个反向旋转分支的形式。称为“通道涡流”的第二种类型的涡流T2形成在两个相邻的叶片2之间。称为“角涡流”的第三种类型的涡流T3沿每个轮叶的叶片2和平台3之间的连接线流动。

这种通常出现在叶片2的根部和尖端处的次级流T1、T2和T3不沿穿过主涵道的流体的主流动方向S1定向，因此降低了涡轮发动机的效率并且增加了涡轮发动机的煤油消耗。

类似的次级流还出现在涡轮转子轮中。

发明内容

本发明旨在提供一种能够限制这种次级流的形成或减小这种次级流的强度的轮叶。

为此，本发明涉及一种用于涡轮发动机的涡轮轮叶，该涡轮轮叶旨在围绕轴线安装，该涡轮轮叶包括叶片和至少一个平台，平台包括第一表面，叶片从该第一表面延伸，并且该第一表面旨在界定主涵道，叶片延伸到该主涵道中，该主涵道接纳沿从叶片的前缘到后缘以及从平台的上游部分到下游部分的方向流动的流体，平台包括第二表面，该第二表面与第一表面径向地相对，并且旨在界定排放腔。根据本发明，平台包括至少一个内通道，该至少一个内通道具有至少一个吸入开口和至少一个排出开口，该至少一个吸入开口通向平台的上游部分的第一表面，该至少一个排出开口通向平台的下游部分的第二表面。

这种内通道使得沿平台的第一表面流动的流体的一部分能够被吸入，并且防止流体的该部分促成次级流的形成。

因此，本发明限制了次级流的形成，并且减小了仍然可能出现的次级流的强度，从而提高了涡轮发动机的效率并且降低了涡轮发动机的煤油消耗。

考虑到主涵道的包围至少一个吸入开口的区域和排放腔的包围至少一个排出开口的区域之间的静压差，在主涵道中流动并且到达至少一个吸入开口的流体实际上被吸入到至少一个内通道中。

在运转涡轮中，静压实际上在轮叶叶片的下游比该叶片的上游低得多，并且静压在该叶片的下游和在对应的排放腔中大致相同。因此，在至少一个排出开口处的排放腔中的静压显著低于在至少一个吸入开口处的主涵道中的静压。

因此，至少一个内通道形成被动吸入系统，该被动吸入系统不需要任何额外的吸入设备，例如机械或电气操作的设备。

此外，将由至少一个内通道输送的流体排出到排放腔中而不是排出到主涵道中避免或减少了对穿过主涵道的主要流体的任何干扰。

因此，本发明使得能够减小次级流的形成和/或强度，同时避免产生混合损失，诸如由于在主涵道内直接重新引入由此吸入的流体而导致的混合损失。

此外，流体的由此排出到排放腔中的部分有助于驱动涡轮的转子，因为排放腔以本身已知的方式流体地连接到主涵道。

特别地，当轮叶属于涡轮的喷嘴时，流体的由此排出到排放腔中的部分构成驱动同一级的转子轮的流体流的一部分，位于喷嘴的下游的排放腔在同一级的转子轮的上游流体地连接到主涵道。

优选地，平台的上游部分由假想线界定，该假想线与叶片的前缘和后缘等距。

根据第一替代实施例，一个或多个吸入开口中的至少一个吸入开口相对于主涵道内的流体流动的方向定位在叶片的前缘的上游。

根据第二替代实施例，一个或多个吸入开口中的至少一个吸入开口相对于主涵道内的流体流动方向定位在叶片的前缘的下游和叶片的后缘的上游。

第一替代实施例和第二替代实施例可以组合。

例如，根据第三替代实施例，吸入开口中的至少一个吸入开口相对于主涵道内的流体流动方向定位在叶片的前缘的上游，并且吸入开口中的至少一个其他吸入开口相对于主涵道内的流体流动方向定位在叶片的前缘的下游和叶片的后缘的上游。

在一个实施例中，平台包括彼此流体地独立的多个内通道。

在另一实施例中，平台包括彼此流体地连接的多个内通道。

平台还可以包括第一内通道和一系列彼此流体地连接并且流体地独立于第一内通道的其他内通道。

替代性地，平台可以包括彼此流体地独立的第一系列内通道和彼此流体地连接并且流体地独立于第一系列内通道的第二系列内通道。

在一个实施例中，轮叶包括一个或多个轮叶，一个或多个轮叶被构造成沿排出方向定向，流体的一部分通过一个或多个排出开口排出平台的至少一个内通道。

在一个实施例中，至少一个吸入开口被布置在叶片的压力面的一侧上。

本发明还涉及一种用于涡轮发动机的涡轮。

在一个实施例中，涡轮包括喷嘴，该喷嘴包括至少一个如在上文中限定的轮叶。

在一个实施例中，涡轮包括转子轮，该转子轮包括至少一个如在上文中限定的轮叶。

不用说，涡轮可以包括一个或多个喷嘴和一个或多个转子轮，一个或多个喷嘴和一个或多个转子轮中的每个包括至少一个如在上文中限定的轮叶。

在一个实施例中，涡轮包括转子、定子和动态密封件，转子和/或定子包括至少一个如上面限定的轮叶，动态密封件包括与定子成一体的磨损部件和与转子成一体的至少一个刃状部，涡轮被构造成使得刃状部在上游界定排放腔。

本发明还涉及一种包括如在上文中限定的涡轮的涡轮发动机。

根据另一方面，本发明涉及一种用于制造如在上文中限定的轮叶的方法。

优选地，该方法包括增材制造该轮叶的步骤。

本发明的其他优点和特征将在阅读以下详细的、非限制性的说明时显现。

附图说明

以下详细说明参照附图，在附图中：

[图1]是已经在上文中描述过的用于飞行器涡轮发动机的传统涡轮喷嘴的示意性局部透视图，示出了在涡轮运转期间出现的次级流；

[图2]是飞行器推进单元的示意性轴向截面图；

[图3]是涡轮发动机低压涡轮的示意性局部轴向截面半视图；

[图4]是涡轮发动机低压涡轮的示意性局部轴向截面半视图；

[图5]是根据本发明的包括设置有内通道的平台的轮叶的一部分的简化示意图；

[图6]是根据本发明的轮叶的示意性局部透视图，示出了根据第一实施例的吸入开口；

[图7]是根据本发明的轮叶的示意性局部透视图，示出了根据第二实施例的吸入开口；

[图8]是根据本发明的轮叶的示意性局部透视图，示出了根据第三实施例的吸入开口；

[图9]是根据本发明的轮叶的示意性局部透视图，示出了根据第四实施例的吸入开口。

具体实施方式

附图包括分别限定纵向(或轴向)、径向和周向方向的参考系L、R和C，参考系彼此正交。

图2示出了包括由机舱12整流的涡轮发动机11的飞行器推进单元10。在该示例中，涡轮发动机11是双轴涡轮风扇发动机。

在下文中，术语“上游”和“下游”将相对于当推进单元10被推进时流过推进单元的气流的方向S1来限定。

涡轮风扇发动机11具有纵向中心轴线A1，涡轮风扇发动机的各种部件围绕该纵向中心轴线延伸，在这种情况下，涡轮风扇发动机从上游到下游具有风扇13、低压压缩机14、高压压缩机15、燃烧室16、高压涡轮17和低压涡轮18。压缩机14和15、燃烧室16和涡轮17和18形成气体发生器。

在涡轮风扇发动机11的运转期间，空气流20通过机舱12上游的空气入口进入推进单元10，穿过风扇13，然后分成中心主流20A和次级流20B。主流20A在穿过气体发生器的主气体流通涵道21A中流动。次级流20B进而在次级涵道21B中流动，该次级涵道包围气体发生器并且在径向外部由机舱12界定。

在一个示例性实施例中，低压涡轮18如下文参照图3所述，图3示出了在包括纵向中心轴线A1的径向平面中的涡轮18。

纵向中心轴线A1还是该涡轮18的转子的旋转轴线。

在该示例中，涡轮18包括四个级，每个级包括喷嘴25和转子轮26。

以本身已知的方式，转子轮26通过环形凸缘27彼此轴向地组装，并且形成涡轮18的转子。喷嘴25连接到壳体28以形成涡轮18的定子。

每个喷嘴25包括围绕轴线A1周向地分布的多个轮叶30。参照涡轮18的最后一级的喷嘴25，在图3中仅示出了该最后一级的喷嘴的一个轮叶30，轮叶30中的每一个轮叶包括叶片31、内平台32和外平台33。轮叶30中的每一个轮叶通过与轮叶的外平台33成一体的附接元件连接到壳体28。

每个转子轮26包括圆盘35和围绕轴线A1周向地分布的多个轮叶36。参照涡轮18的最后一级的转子轮26，在图3中仅示出了该最后一级的转子轮的一个轮叶36，轮叶36中的每一个轮叶包括叶片37、内平台38和外平台39。轮叶36中的每一个轮叶通过与轮叶的内平台38成一体的根部连接到圆盘35。

对于喷嘴25的每个轮叶30，平台32和33中的每一个平台包括第一表面，叶片31从该第一表面延伸，并且该第一表面界定主涵道21A的周向部分，主流20A穿过该主涵道流动。因此，每个轮叶30的内平台32的第一表面在径向内部界定主涵道21A，而每个轮叶30的外平台33的第一表面在径向外部界定主涵道21A。

类似地，对于转子轮26的每个轮叶36，平台38和39中的每一个平台包括第一表面，叶片37从该第一表面延伸，并且该第一表面界定主涵道21A的周向部分。因此，每个轮叶36的内平台38的第一表面在径向内部界定主涵道21A，而每个轮叶36的外平台39的第一表面在径向外部界定主涵道21A。

因此，在图3的涡轮18中，主涵道21A总体上是环形的。

在另一示例性实施例中，低压涡轮18如下文参照图4所述。

图4示出了与图3中相同类型的涡轮18的一部分，该涡轮的一部分包括喷嘴25、与该喷嘴25属于同一级的转子轮26(在图4中的右侧)和低级的转子轮26(在图4中的左侧)。

在图4的示例中，涡轮18包括动态密封件40，该动态密封件一方面包括与喷嘴25的轮叶30的内平台32成一体的耐磨损部件41，另一方面包括与转子轮26成一体的刃状部42。密封件40用于限制径向地位于喷嘴25下方的气体的流动。

图4中的涡轮18还包括动态密封件45，每个该动态密封件一方面包括与壳体28成一体的耐磨损部件46，另一方面包括与转子轮26的轮叶36的外平台39成一体的刃状部47。密封件45用于限制径向地位于转子轮26上方的气体的流动。

图3中的涡轮18还包括相同类型的动态密封件40和45，以分别限制径向地位于喷嘴25的下方和径向地位于转子轮26的上方的气体流动。

因此，特别是考虑到由热膨胀和由涡轮18的各种固定和移动部件的相对运动所产生的间隙，这种动态密封件40和45限制但不完全阻止主涵道21A外部的所有气体流动。

参照图4，主涵道21A径向外部的空间限定各种环形腔体，环形腔体包括这里称为“排放腔”的腔体50和52。

在该示例中，排放腔50由喷嘴25的轮叶30的内平台32的第二表面在径向外部界定，并且由动态密封件40在上游轴向地界定。对于每个轮叶30，在该示例中，内平台32的第二表面与该内平台32的第一表面径向地相对。因此，每个轮叶30的内平台32的第二表面界定排放腔50的周向部分。

排放腔50通过环形开口流体地连接到主涵道21A，该环形开口在喷嘴25的轮叶30的内平台32的下游端部54和与喷嘴25属于同一级的转子轮26的轮叶36的内平台38的上游端部55之间轴向地和/或径向地延伸。

在图4所示的实施例中，排放腔52由转子轮26的轮叶36的外平台39的第二表面在径向内部界定，该转子轮属于喷嘴25的级之下的级。排放腔52由动态密封件45在上游轴向地界定，动态密封件的刃状部47与该转子轮26成一体。对于每个轮叶36，在该示例中，外平台39的第二表面与该外平台39的第一表面径向地相对。因此，每个轮叶36的外平台39的第二表面界定排放腔52的周向部分。

排放腔52通过环形开口流体地连接到主涵道21A，该环形开口在前述转子轮26的轮叶36的外平台39的下游端部56和喷嘴25的轮叶30的外平台33的上游端部57之间轴向地和/或径向地延伸。

在图3和图4所示的示例中，涡轮18分别包括每个动态密封件40或45下游的这种排放腔50或52。

图5示出了根据本发明的轮叶60的一部分。

轮叶60包括叶片61和平台62。

在该非限制性示例中，轮叶60对应于图3或图4中的涡轮18的喷嘴25中的一个喷嘴的轮叶30中的一个轮叶，使得轮叶60的平台62对应于该轮叶30的内平台32。

轮叶60的叶片61包括前缘63、后缘64、压力面(未示出)和吸力面66。

轮叶60的平台62包括彼此径向地相对并且限定平台62的厚度E1的第一表面71和第二表面72。

平台62包括上游端部73和下游端部74。

在图5所示的简化示意图中，第一表面71和第二表面72是平面的且彼此平行。不用说，这些表面中的每一个表面可以具有非平面的几何形状，并且相对于纵向方向L和径向方向R沿总体倾斜方向定向，类似于图4中的轮叶30的平台32。在这种情况下，更一般地，第一表面71和第二表面72至少在上游端部73和/或下游端部74处限定平台62的厚度E1。

图5示出了与轮叶60的叶片61的前缘63和后缘64等距的假想线LL1。

在图5所示的简化示意图中，前缘63和后缘64是直线式的且彼此平行。不用说，这些缘中的每一个可以具有非直线式的几何形状，并且相对于径向方向R沿总体倾斜方向定向，类似于图4中的轮叶30的叶片31的前缘。因此，通常，假想线LL1不一定是直的。

假想线LL1界定平台62的上游部分P1和下游部分P2。

当轮叶60安装到图3或图4中的涡轮18的喷嘴25中的一个喷嘴时，平台62的第一表面71在径向内部界定主涵道21A，并且主流20A的流动方向S1从叶片61的前缘63朝向后缘64，并且从平台62的上游部分P1朝向下游部分P2。在这些条件下，平台62的第二表面72在径向外部界定对应的排放腔50(见上文)。

平台62包括内通道80，该内通道具有吸入开口81和排出开口82，该吸入开口通向平台62的上游部分P1的第一表面71，该排出开口通向平台62的下游部分P2的第二表面72。

在该示例中，内通道80的吸入开口81更具体地通向叶片61的前缘63的上游。

本发明包含内通道80以及吸入开口81和排出开口82的任何几何形状，只要内通道80使得主流20A的一部分能够在该主涵道21A和该排放腔50之间的静压差的作用下从主涵道21A中流出并且排出到排放腔50中即可。

因此，本发明绝不限于附图中所示的示例。

例如，在未示出的实施例中，平台62包括流体地独立于内通道80或流体地连接到该内通道80的一个或多个另外的内通道。

不管内通道80的数量和几何形状如何，内通道可以包括一个或多个吸入开口81和一个或多个排出开口82。

图6至图9示出了不同类型的吸入开口81，在这些示例中，所有吸入开口在下游通向平台62的第一表面71，沿轴向接近叶片61的前缘63。

在图6所示的示例中，平台62包括内通道80，该内通道具有例如通过钻孔或增材制造获得的圆形横截面的十七个吸入开口81。

在图7所示的示例中，平台62包括内通道80，该内通道具有呈沿周向方向C延伸的凹槽的形式的单个吸入开口81。

在图8所示的示例中，平台62包括内通道80，该内通道具有两个吸入开口81，两个吸入开口呈凹槽的形式，该凹槽沿弯曲方向延伸，以沿叶片61的压力面延伸。

在图9所示的示例中，平台62包括内通道80，该内通道具有与图8中的凹槽中的一个凹槽对应的单个吸入开口81。

在未示出的一个实施例中，图5中的轮叶60包括轮叶，该轮叶被构造成沿排出方向定向，流体通过排出开口82排出内通道80。

以上类似地适用于涡轮18的转子轮26的轮叶36。因此，在一个实施例中，涡轮18的转子轮26的轮叶36中的每一个轮叶包括诸如图5中的轮叶60的叶片61的叶片和诸如图5中的轮叶60的平台62的外平台，使得至少一个内通道80被构造成从主涵道21A中获取主流20A的一部分，并且将该主流的一部分排出到对应的排放腔52中。

在另一实施例中，涡轮18的至少一个喷嘴25的轮叶30包括内平台和外平台，内平台和外平台都类似于图5中的轮叶60的平台62。类似地，涡轮18的至少一个转子轮26的轮叶36可以包括内平台和外平台，内平台和外平台都类似于图5中的轮叶60的平台62。

在另一实施例中，涡轮18的一个或多个喷嘴25和/或一个或多个转子轮26可以包括传统轮叶和包括至少一个诸如图5中的轮叶60的平台62的平台的轮叶的交替。

本发明还可以在高压涡轮17和与图2中的涡轮风扇发动机11不同的涡轮发动机的涡轮中实施。

Claims

1.用于涡轮发动机(11)的涡轮(18)的轮叶(60)，所述轮叶旨在围绕轴线(A1)安装，所述轮叶包括叶片(61)和平台(62)，所述叶片(61)相对于所述轴线(A1)沿径向方向从所述平台(62)延伸，所述平台(62)包括第一表面(71)，所述叶片(61)从所述第一表面延伸，并且所述第一表面旨在界定主涵道(21A)，所述叶片(61)延伸到所述主涵道中，所述主涵道接纳沿从所述叶片(61)的前缘(63)到后缘(64)的方向(S1)流动的流体，所述平台(62)包括沿所述方向(S1)的上游部分(P1)和沿所述方向(S1)的下游部分(P2)，所述上游部分和所述下游部分由假想线(LL1)界定，所述假想线主要径向地定向，并且与所述叶片(61)的所述前缘(63)和所述后缘(64)等距，所述平台(62)包括第二表面(72)，所述第二表面与所述第一表面(71)径向地相对，并且旨在界定排放腔(50)，

其特征在于，所述平台(62)包括至少一个内通道(80)，所述至少一个内通道具有至少一个吸入开口(81)和至少一个排出开口(82)，所述至少一个吸入开口在所述平台(62)的所述上游部分(P1)处通向所述第一表面(71)，所述至少一个排出开口在所述平台(62)的所述下游部分(P2)处通向所述第二表面(72)。

2.根据权利要求1所述的轮叶(60)，其中：

-一个或多个所述吸入开口(81)中的至少一个吸入开口相对于所述主涵道(21A)内的流体流动的所述方向(S1)定位在所述叶片(61)的所述前缘(63)的上游，和/或

-一个或多个所述吸入开口(81)中的至少一个吸入开口相对于所述主涵道(21A)内的流体流动的所述方向(S1)定位在所述叶片(61)的所述前缘(63)的下游和所述叶片(61)的所述后缘(64)的上游。

3.根据权利要求1或2所述的轮叶(60)，其中，所述平台(62)包括彼此流体地独立的多个内通道和/或彼此流体地连接的多个内通道。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的轮叶(60)，包括一个或多个轮叶，所述一个或多个轮叶被构造成沿排出方向定向，流体的一部分通过一个或多个所述排出开口(82)排出所述平台(62)的所述至少一个内通道(80)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的轮叶(60)，其中，所述至少一个吸入开口(81)被布置在所述叶片(61)的压力面的一侧上。

6.用于涡轮发动机(11)的涡轮(18)，所述涡轮包括喷嘴(25)和/或包括转子轮(26)，所述喷嘴包括至少一个根据权利要求1至5中任一项所述的轮叶(60)，所述转子轮包括至少一个根据权利要求1至5中任一项所述的轮叶(60)。

7.用于涡轮发动机(11)的涡轮(18)，所述涡轮包括转子、定子和动态密封件(40)，所述转子和/或所述定子包括至少一个根据权利要求1至5中任一项所述的轮叶(60)，所述动态密封件(40)包括与所述定子成一体的磨损部件(41)和与所述转子成一体的至少一个刃状部(42)，所述涡轮(18)被构造成使得所述刃状部(42)在上游界定所述排放腔(50)。

8.涡轮发动机(11)，所述涡轮发动机包括根据权利要求6或7所述的涡轮(18)。

9.用于制造根据权利要求1至5中任一项所述的轮叶(60)的方法，包括增材制造所述轮叶(60)的步骤。