CN107208652B

CN107208652B - 风扇扇叶

Info

Publication number: CN107208652B
Application number: CN201680008706.XA
Authority: CN
Inventors: 纪尧姆·奥利维尔·凡登·马丁; 亚历山大·伯纳德·玛丽·布瓦松; 克莱尔·玛丽·费格鲁; 弗雷德里克·阿兰·爱德华·阿莱尔; 席雅·克莱尔·兰西恩
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2015-02-06
Filing date: 2016-02-04
Publication date: 2020-06-09
Anticipated expiration: 2036-02-04
Also published as: FR3032494B1; WO2016124861A1; EP3253970B1; EP3253970A1; US20180010613A1; FR3032494A1; CN107208652A; US11460040B2

Abstract

本发明涉及一种扇叶(3)，该扇叶包括至少一个腹板(32)以及具有前缘(BA)和后缘(BF)的叶片(30)，其特征在于，该扇叶对于叶片(30)的在腹板(32)附近的至少一个翼面具有与沿着翼面的、从叶片(30)的前缘(BA)延伸到后缘(BF)的弦的位置有关的最大掠角，该位置对应于至少50％的相对弦长度。

Description

风扇扇叶

技术领域

本发明涉及风扇扇叶。

背景技术

风扇(即“风扇”)是在旁路涡轮发动机的入口处的、由基本上圆锥形的轮毂(“旋转器”)形成的大直径旋转部件(参见图1的左侧)，径向延伸的扇叶被附接到所述旋转部件，如在图2中可看出的。风扇压缩了大量的冷空气，冷空气的一部分被注入到压缩机中，其余部分形成围绕发动机并且被向后引导以产生推力的圆柱形流。

提高未来涡轮发动机效率的一个发展轴线是增加它们的稀释比，即冷流(即，仅穿过风扇的流)中的空气质量与热流(穿过风扇、被注入到压缩机中并且在燃烧室中被加热的流)的空气质量之间的比率。

为此，途径之一是减小轮毂比，即在与轮毂处的气流的相交叉的位置测得的风扇的前缘半径与在相同的轴向站处在壳体处测得的半径之间的比率。该途径因此在相同的风扇直径处包括轮毂直径的减小，但这目前引起了许多机械和空气动力学问题。

事实上，风扇的工作是通过流体的偏转而实现的。为了压缩流体，存在两种选择：

-利用扇叶的切向速度；

-使翼面弯曲。

在具有低轮毂比的扇叶上，内部气流(veine)(该内部气流对应于注入到压缩机中的空气流)非常接近发动机的轴线。扇叶的切向速度较低；因此，这项工作必须通过弯度来完成。然而，3D编织复合技术不允许角度的快速变化。如在图2中可看出的，根部是直线设计的(由于与编织的复合材料有关的制造问题)，因此利用传统的设计不可能在内部气流处补偿(récupérer)扇叶的翼面。

因此弯曲仍然是有限的。

需要具有新的风扇扇叶几何结构，这将允许最大的效率和性能，而不会使扇叶的生产复杂化或削弱扇叶。

发明内容

因此，本发明提出了一种扇叶，该扇叶包括至少一个柄部以及具有前缘和后缘的叶片，其特征在于，该扇叶对于叶片的在柄部的附近的至少一个翼面来说具有与沿着翼面的、从叶片的前缘延伸到叶片的后缘的弦的位置有关的最大弯度，该位置对应于至少50％的相对弦长度。

叶片的该特定的几何形状使得能够增大翼面的曲率同时有助于将直的编织的根部连接到扇叶。

根据其他有利的和非限制性的特征：

●沿着翼面的弦的、与最大弯度有关的所述位置对应于介于50％和70％之间的相对弦长度；

●沿着翼面的弦的、与最大弯度有关的所述位置对应于介于55％和65％之间的相对弦长度；

●所述最大弯度限定翼面的、从叶片的前缘延伸到叶片的后缘的骨架的点，该点与翼面的所述弦的距离是最大的；

●扇叶由编织的复合材料制成；

●扇叶进一步包括轴向延伸的根部，该根部通过柄部连接到叶片。

根据第二方面，本发明涉及一种用于旁路涡轮发动机的风扇，该风扇包括至少一个根据本发明的第一方面的扇叶。

根据其他有利的且非限制性的特征：

●风扇包括圆盘，所述扇叶从该圆盘基本径向延伸；

●扇叶的根部轴向插入到圆盘的袋状凹部中；

●风扇包括多个根据本发明的第一方面的扇叶，该扇叶被有规律地定位在圆盘的圆周上。

根据第三方面，本发明涉及一种涡轮发动机，该涡轮发动机包括根据本发明的第二方面的风扇。

附图说明

通过阅读以下优选的实施例的描述，本发明的其他特征和优点将显现。将参照附图给出该描述，在附图中：

-在前描述的图1示出了涡轮发动机的一个示例；

-在前描述的图2示出了风扇；

-图3a和图3b示出了风扇扇叶；

-图4和图5各自将已知的叶片的翼面与根据本发明的叶片的翼面进行比较。

具体实施方式

参照图2、图3a和图3b，本发明的扇叶3是旁路涡轮发动机1的风扇2的扇叶，该扇叶以已知的方式由叶片30、柄部32和根部31形成，该根部由具有较大厚度的部分形成、具有例如灯泡形状的截面。柄部32(英文“柄部(shank)”)是确保扇叶3的叶片30与根部31之间的连续性的部分。该部分位于气流的下方，因此对于空气动力学来说没有意义，但从机械的观点来看是至关重要的，因为它将承受具体为与离心力有关的强应力。根部31是直的(所谓的“轴向”)部分，该直的部分通过平移而插入到圆盘4的互补形状的袋状凹部40中，该圆盘形成风扇2的轮毂。

将会理解的是，叶片30与由风扇2压缩的流体接触，这与“掩藏”的柄部32不同。柄部为基本平面的，薄的部分沿着根部31的所述轴向方向延伸。考虑到柄部在扇叶的径向平面(该平面穿过风扇的旋转轴线)中的纵向截面，柄部具有大致三角形的形状。

叶片30至少在根部31的附近(更准确地为在柄部32处)、即在叶片30的基部处具有下文将要描述的特定几何形状。

本发明的风扇2是包括平台的部件的组装，叶片30从该平台延伸(该平台可以是扇叶的、呈从柄部32延伸的两个“集成的”半平台的形式(如在图2中可看到的)的部分，或者是轮毂4的、扇叶所插入的部分，并且在本实例中它们是“附接的”)，有利地，该部件有规律地布置在轮毂4的圆周上。术语平台在本文中被广义地解释并且通常表示叶片从其径向延伸、并且具有空气循环所抵靠的壁的任何元件。现在已知的高性能平台几何形状是非轴对称的。

将会理解的是，本发明的风扇2并不限于任何特定的平台结构，除了附接的平台的特定示例，即，将假设的与图3b的类型的“没有平台”的扇叶3相关的特定示例，该扇叶如所解释的包括相对于根部31的其余部分具有减小的厚度的柄部32以及插入圆盘的袋状凹部中的根部31，以便确保扇叶3的锁定。

扇叶3优选地由编织的复合材料制成。根部31被编织成平坦的，即，根部轴向延伸。本领域技术人员可具体在文献EP1526285中找到这种材料和相关扇叶制造方法的示例。

如所解释的，本发明的扇叶3通过叶片30在平台处、即在上文所提到的示例中扇叶与柄部32的接合点处的特定几何形状来区分。图4示出了在叶片30(注意凹-凸翼面)的这个水平处的、从前缘BA朝向后缘BF延伸的两个“截面”的细节，一个截面适于已知几何形状，另一个截面适于本发明。截面是指叶片30在给定高度处的具体为沿着气流线的基本横向的截面。

将会理解的是，叶片30至少在柄部32附近(叶片30的近端端部，即截面高度接近0)但不一定在接近其远端端部的上部部分中具有该几何形状。有利地，叶片30在其高度的至少5％、有利地在其高度的大约2％之上具有该几何形状。

在图4中应当注意到“弦”，即连接截面的端部点(BA和BF)的直线。正如随后将看到的，这个弦将用作用于定位沿着截面的点的参考系，以表征该几何形状。图4中也看到了一条二等分线，即叶片30的“骨架(skeleton)”(回想起，骨架是将前缘BA连接到后缘BF、从下部表面和从上部表面等距离定位的线)。正交于截面，发现了上文所提到的叶片30的“高度”。

该截面中的点的位置表示为弦的长度(横坐标)的函数、更准确地表示“标准化的”弦的长度的函数，标准化的弦即在使叶片2交叉以行进从而在弦上获得该点上的(正交)投影时被表示为介于0和1之间的长度。换句话说，这对应于在正交参考系中具有截面的点的x坐标，其中点BA具有坐标(0，0)并且点BF具有坐标(0，1)。例如，截面中的与标准化的弦长度“0.5”相关的点在弦的中点上。

在该参考系中，坐标y定义从一个点到弦的距离(该点与其在弦上的投影之间的距离)。对于骨架上的点，这个距离被称为弯度。因此，骨架上的、距弦最远的点表示最大弯度。因此，图4示出了已知翼面的最大弯度以及适于本发明的翼面的最大弯度。在骨架上具有翼面的最大弯度的点通常被指定为(为简洁起见)最大弯度。

如在该图中可看出的，本文的创新包括将叶片30的最大弯度(即，在骨架中的具有的最大的翼面弯度的点)推迟(deferring)到下游。更准确地说，当现有技术使最大弯度位于接近弦的40％处时，叶片30的当前几何形状使最大弯度位于超过弦的50％、并且具体为超过弦的55％处。

换句话说，最大弯度与沿着翼面的从叶片30的前缘BA朝向叶片的后缘BF延伸的弦的位置相关，该位置对应于至少55％的相对弦长度。有利地，由于弯度在骨架上朝向相对于流在扇叶的下游侧上是最大的，考虑到曲率接近风扇的平台、接近在柄部和扇叶之间的接合处，通过将曲率朝向后缘偏移，使得扇叶的曲率朝向扇叶的下游侧是最大的。考虑到平台具体是在下游侧上最靠近圆盘，通过让所述曲率在柄部和叶片之间的接合处使得轮毂比是有利的。

在扇叶由编织的复合材料制成的情况下，根据本发明的几何形状使得能够沿着流、从在柄部和叶片之间的接合部处开始柔化和分布最靠近旋转轴线的曲线。事实上，在具有编织的基质的复合材料扇叶的情况下比在金属扇叶的情况下实现大的或完整的曲率更为复杂。

在数学中，这表示在正交参考系中，使得BA具有坐标(0，0)以及BF具有坐标(0，1)，骨架的方程由在区间[0；1]上限定的函数f给出，使得f(0)＝f(1)＝0以及

f(x_MAX弯度)≥f(x)。

应该指出的是，骨架在弯度方面通常是增加、然后减小的函数。因此，最大弯度对应于骨架的平行于弦的切线，即f′(x_MAX弯度)＝0。

有利地，最大弯度与对应于介于55％至75％之间、甚至介于55％至65％之间的相对弦长度的位置有关。实际上，需要指出的是，最好的效果(见下文)在大约60％处获得。

图5将“堆叠的”根据现有技术的具有低轮毂比的翼面和适于本发明的扇叶3的“翼面”进行了比较。需要指出的是，最大弯度超过弦的50％的推迟使得能够限制后缘BF的下部表面偏移，这对于柄部的设计是极其不利的。这使得能够既保留翼面的给出截面的压缩比的偏转，并且通过柄部32使得根部31与轴向翼面形成令人满意的接合。更准确地说，当前的几何形状使得能够更好地沿着弦分布曲率。

因此，本解决方案使得能够在叶片30的几何形状的前缘处和后缘处维持骨架角度(以及因此维持压缩比)，该叶片的几何形状对于在轴向翼面处的根部31而言是过于弯曲的。

根据第二方面，本发明涉及一种风扇2，该风扇包括圆盘4(旋转器)和一个或多个扇叶(有利地是被有规则地布置)。优选地，如所解释的，每个扇叶3的根部31通过平移而轴向插入到圆盘4的袋状凹部40中。

将会理解的是，只有叶片30将从圆盘4的表面并且从由平台确定的体积突出，柄部32才被布置在平台的内侧上以便不突出并且不与待压缩的流体接触。因此，每个柄部在圆盘4的外侧并且在平台的、限定气流的内部的内侧延伸。

还提出了配备有这种风扇2的旁通涡轮发动机1。

Claims

1.一种旁路涡轮发动机(1)的风扇(2)扇叶(3)，所述风扇扇叶包括至少一个柄部(32)以及具有前缘(BA)和后缘(BF)的叶片(30)，其特征在于，所述风扇扇叶对于叶片(30)的在所述柄部(32)附近的至少一个翼面具有限定所述翼面的骨架的点的最大弯度，所述骨架从所述叶片(30)的前缘(BA)延伸到所述后缘(BF)，所述点与所述翼面的从所述叶片(30)的前缘(BA)延伸到所述后缘(BF)的弦的距离是最大的，所述最大弯度与沿着所述弦的位置有关，所述位置对应于至少55％的相对弦长度，其中所述最大弯度朝向所述后缘偏移。

2.根据权利要求1所述的扇叶，其中，沿着所述翼面的所述弦的、与所述最大弯度有关的所述位置对应于介于55％和75％之间的相对弦长度。

3.根据权利要求2所述的扇叶，其中，沿着所述翼面的所述弦的、与所述最大弯度有关的所述位置对应于介于55％和65％之间的相对弦长度。

4.根据权利要求1至3中一项所述的扇叶，所述扇叶由编织的复合材料制成。

5.根据权利要求1至3中一项所述的扇叶，所述扇叶进一步包括直的根部(31)，所述直的根部通过所述柄部(32)连接到所述叶片(30)。

6.一种用于旁路涡轮发动机(1)的风扇(2)，所述风扇包括至少一个根据权利要求1至5中一项所述的扇叶(3)。

7.根据权利要求6所述的风扇，所述风扇包括圆盘(4)，所述扇叶(3)从所述圆盘基本径向延伸。

8.根据权利要求7所述的风扇，其中，所述柄部(32)在所述圆盘(4)的外侧上并且在平台的、限定气流的内部的内侧上延伸。

9.根据权利要求7或8所述的风扇，其中，所述扇叶匹配权利要求5，所述扇叶(3)的所述根部(31)被轴向插入到所述圆盘(4)的袋状凹部(40)中。

10.根据权利要求7或8所述的风扇(2)，所述风扇包括多个根据权利要求1至4中一项所述的扇叶(3)，所述扇叶被有规律地定位在所述圆盘(4)的圆周上。

11.一种旁路涡轮发动机(1)，所述旁路涡轮发动机包括根据权利要求6至10中一项所述的风扇(2)。