CN109695480B - 包含矫直组件的涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种矫直组件(28)，其包括两个同轴的径向内部壳体和径向外部壳体(34)，在所述径向内部壳体和径向外部壳体之间延伸有由复合材料制成的叶片(36)，所述叶片(36)固定到径向内部壳体上的第一端部和径向外部壳体上的第二端部，其特征在于：对于每个叶片(36)，在垂直于所述径向内部壳体和所述径向外部壳体的轴线的平面中，穿过所述第一端部和所述第二端部之间的连接部和所述有用部分的直线与所述径向内部壳体的半径形成角度α，所述直线穿过所述第一端部和所述叶片(36)的有用部分之间的连接部，使得0°<α≤30°；所述径向内部壳体的直径范围为1000mm至1600mm；并且所述径向外部壳体的直径范围为2000至2800mm；所述叶片(36)的数量范围为25至45。

Description

包含矫直组件的涡轮发动机

技术领域

本发明涉及一种用于涡轮发动机的气流矫直级，更具体地说，涉及一种位于次级流中的风扇下游的气流矫直组件。

背景技术

双流涡轮发动机包括风扇，其出口流分为导向压缩机，燃烧室和涡轮发动机的涡轮的主流，以及提供推力的主要部分的次级流。

为了限制空气动力学损失并因此改善推力，必须使次级流变直，使其尽可能沿轴向流动。

为实现此目的，涡轮发动机包括矫直组件，该矫直组件包括通常称为出口导向叶片(OGV)的固定叶片，其具有前缘和后缘，在前缘和后缘之间延伸压力表面和吸力表面以使气流变直。

为了减小涡轮发动机的质量，通常由金属制成的某些部件逐渐被由复合材料制成的部件取代。对于可由复合材料制成的矫直级而言尤其如此，因为它们被放置在涡轮发动机的冷部件中，即在燃烧室的上游，因此不会遭受高温。

代表申请人的专利申请WO2014/076408公开了一种用于涡轮发动机的气流矫直组件10，如图1所示，其包括两个同轴壳体12，14，分别为径向内部壳体和径向外部壳体，在它们之间延伸有定子叶片16，定子叶片16紧固到径向内部壳体12上的第一端部18和径向外部壳体14上的第二端部20。叶片16可由复合材料制成并包括有用部分22，有用部分22在两个端部18，20之间延伸并限定用于矫直气流的压力表面21和吸力表面23。

虽然这种组件允许涡轮发动机被减轻质量，但仍然可以改进。

首先，可以进一步减小叶片横截面以获得质量。然而，为了不增加使构成叶片的纤维层脱粘的风险叶片在运行期间受到的力目前不允许叶片横截面减小。

其次，现有技术的矫直组件的有效性不是最佳的。确实已经在叶片的吸力侧附近，在叶片紧固到径向内部壳体的位置处观察到涡流的形成，其中这些涡流然后在矫直组件的出口处的气流中产生湍流，这降低了涡轮发动机的推进效率。

此外，在运行期间，矫直组件受到围绕其轴线的扭转力，该扭转力施加到内部壳体或外部壳体，其具有使内部壳体相对于外部壳体旋转的趋势。因此，简单地减小叶片的质量，更具体地，减小其横截面，将不会增加它们的机械强度。

图2示出了涡轮发动机24的简化半剖视图，其包括从上游端到下游端的风扇叶轮25，矫直组件10和允许辅助设备(例如，电缆或管道)通过的结构臂26。

此外，结构臂26用于确保涡轮发动机24的刚性和相对于与飞行器结合的载荷转移。

这种结构臂26增加了涡轮发动机24的质量并且可以破坏矫直组件10的出口处的气流。

虽然增加倾斜角度似乎是减少径向内部壳体处的空气涡流所希望的，然而，当它用于结构化功能时，例如相对于与飞行器结合的载荷转移，这对组件的机械强度是有害的。

更具体地，本发明旨在为这些问题提供简单，有效且成本有效的解决方案。

发明内容

为此目的，本文件涉及一种双流涡轮发动机，包括布置在涡轮发动机上游端的风扇叶轮和轴向位于所述风扇叶轮下游的矫直组件，所述组件包括两个同轴的径向内部壳体和径向外部壳体，在所述径向内部壳体和径向外部壳体之间延伸由复合材料制成的叶片，所述径向内部壳体围绕压缩机布置并且与所述径向外部壳体界定用于次级空气流的环形流，所述叶片紧固在所述径向内部壳体上的第一端部和所述径向外部壳体上的第二端部上，所述叶片还包括在所述第一端部和所述第二端部之间延伸的有用部分，其中：

a)对于每个叶片，在垂直于所述径向内部壳体和所述径向外部壳体的轴线的平面中，穿过所述第一端部和所述第二端部与所述有用部件之间的连接处的直线与所述径向内部壳体的半径形成角度α，所述直线穿过所述第一端部和所述叶片的有用部件之间的连接处，使得0°<α≤30°；

b)所述内部壳体和所述外部壳体之间的半径差可以在200至900mm的范围内；

c)所述叶片的数量范围为25至45。

包括上述a)，b)和c)点特征的这种涡轮发动机提供了有效矫直空气的叶片数量和减轻涡轮发动机的目标之间良好的折衷。另外，叶片相对于壳体半径的倾斜用于减少叶片根部处的涡流的形成。

径向内部壳体可具有1000mm至1600mm的直径。

角度α可以在10°至30°的范围内。内部壳体的直径可以在1000到1200mm的范围内。叶片的数量可以在30到40的范围内。

径向内部壳体的直径可以是1000mm，角度α可以是10°，并且组件可以包括45个叶片。

径向内部壳体的直径可以是1100mm，角度α可以是30°，并且组件可以包括30个叶片。

径向内部壳体的直径可以是1200mm，角度α可以是20°，并且组件可以包括36个叶片。

次级流可以在矫直组件的上游没有任何结构臂。

在这种情况下，叶片执行结构化功能，即载荷转移，并且如果需要，还用作辅助设备的通道，例如电缆或管道的通道。上述角度α和叶片数量的组合使得组件能够提供结构化功能。

此外，矫直组件提供结构化功能的事实允许进一步减小涡轮发动机的质量。

第一端部和第二端部中的至少一个可以在相对于叶片的有用部分为圆周方向的第一方向上弯曲。

所述第一圆周方向可以指向相邻叶片的吸力表面。

第一端部或第二端部可以在相对于叶片的有用部分为圆周方向的第一方向上弯曲，并且第二端部或第一端部中的另一个可以在与所述第一方向相反的第二方向上弯曲。

第二端部可包括：第一条带，用于结合到相对于叶片的有用部分在第一圆周方向上弯曲的径向外部壳体；以及第二条带，用于结合到在与所述第一圆周方向相反的第二圆周方向上弯曲的径向外部壳体。

端部的这种构造允许复合叶片在压缩和拉伸载荷下运行，这增加了叶片的使用寿命。

第一端部可以基本上是直的并且与叶片的有用部分基本上一致地延伸。

径向内部壳体可在其径向外周上包括断口，其适于接收叶片的第一端部。

与其第一端部基本上是直的并且基本上与有用部分对齐的叶片结合，这些断口允许简单，快速和容易地将叶片紧固至径向内部壳体。

径向内部壳体可具有与组件中的叶片数量相同的断口数量。

此外，叶片可以限定压力表面和吸力表面。

此外，第一端部和第二端部中的每一个可包括：第一条带，用于结合到相对于叶片的有用部分在第一圆周方向上弯曲的径向外部壳体；以及第二条带，用于结合到在第二圆周方向上弯曲的径向外部壳体，所述第二圆周方向与所述第一圆周方向相反。

附图说明

通过阅读以非限制性示例给出并参考附图进行的以下描述，将更好地理解本发明，并了解本发明的其它细节，特征和优点，其中：

图1是现有技术的矫直组件的示意图；

图2是包括根据现有技术的矫直组件的涡轮发动机的简化半剖视图；

图3是包括根据本发明的矫直组件的涡轮发动机的简化半剖视图；

图4是根据本发明第一实施方式的矫直组件的简化前视图；

图5是根据本发明第二实施方式的矫直组件的简化前视图；

图6是根据本发明第三实施方式的矫直组件的简化前视图；

图7是表示根据本发明第一实施方式的涡轮发动机的紧固的示意图；

图8是表示根据本发明第二实施方式的涡轮发动机的紧固的示意图；

图9是表示根据本发明第一实施方式的叶片的紧固的示意图；

图10是表示根据本发明第二实施方式的叶片的紧固的示意图；

图11是示出根据本发明第三实施方式的叶片的紧固的示意图。

具体实施方式

在以下描述中，使用相同的附图标记指定现有技术和本发明中相同的元件。

图3和11示出了根据本发明的矫直组件28的若干实施方式。

图3中示出了包括根据本发明的矫直组件28的涡轮发动机30的半剖面示意图。

应该注意的是，涡轮发动机30在矫直组件28下游没有结构臂。事实上，在这种情况下，矫直组件28本身提供在现有技术涡轮发动机中由结构臂提供的结构化功能。

该组件28包括两个同轴的径向内部壳体32和径向外部壳体34，以及在这两个壳体之间延伸的叶片36。叶片36有利地由复合材料制成，以便减小矫直组件28的质量。

内部壳体32优选地具有1000至1600mm的直径。

叶片36的数量同样优选地在25到45的范围内。

如图3所示，矫直组件28设置在风扇叶轮38的下游，箭头40表示涡轮发动机30内的气流方向和围绕低压压缩机42的径向内部壳体32。

矫直组件28的叶片36紧固到径向内部壳体32上的第一端部44和径向外部壳体34上的第二端部46上，并且包括有用部分48，有用部分48在两个端部44，46之间延伸并且限定了用于矫直次级流的压力表面50和吸力表面52，使得次级流在矫直组件28的下游以基本层流的方式流动。

在叶片36上，压力表面50指向径向内部壳体32，并且吸力表面52指向径向外部壳体34。

图4至6分别示出了根据第一，第二和第三实施方式的矫直组件28。

在第一和第二实施方式中，如图4和图5所示，该组件包括45个复合叶片36。

在第三实施方式中，如图6所示，该组件包括30个复合叶片36。

复合叶片36尤其比通常在现有技术的组件中使用的金属叶片提供更好的抗拉伸和压缩应力。

图7和图8示出了用于将涡轮发动机30安装到飞行器上的两种类型的紧固件F，紧固件F在图中示意性地示出。

在图7所示的第一种类型中，涡轮发动机通过其径向内部壳体固定到飞行器上。而且，在运行期间，风扇叶轮28的旋转，如图7中的虚线箭头所示，给壳体施加扭转应力，当考虑到气流方向时，扭转应力倾向于使径向向外的壳体逆时针旋转。该旋转运动还使得现有技术的组件的叶片在弯曲载荷下运行。然而，在本发明的组件28中，叶片在压缩载荷下运行。

在图8所示的第二种类型中，涡轮发动机30通过其径向外部壳体34固定到飞行器上。因此，在运行期间，风扇叶轮38的旋转，如图8中的实线箭头所示，在壳体上产生扭转应力，当考虑到气流方向时，扭转应力倾向于使径向内部壳体逆时针旋转。然后，该旋转运动使得现有技术的组件的叶片在弯曲载荷下运行。然而，在本发明的组件28中，叶片36在拉伸载荷下运行。

复合叶片36相对于径向内部壳体32的半径R倾斜。更具体地，如如图9至11所示，每个叶片的有用部分相对于径向内部壳体32的半径R具有角度偏移，其穿过相关联的叶片36和径向内部壳体32之间的紧固件54。

通过所述第一和第二端部44，46与叶片36的有用部分48之间的连接处绘制直线(图9至11中的附图标记“d”)，该直线与径向内部壳体的半径R形成角度α，该直线穿过第一端部44和所述叶片36的有用部分48之间的连接处，使得0<α≤30°。

在第一实施方式中，如图4所示，叶片36以10°的角度α倾斜。

在第二和第三实施方式中，如如图5和图6所示，叶片36以30°的角度α倾斜。

在叶片36的有用部分48与径向内部壳体32的半径R之间形成角度α减小了在内部壳体32的高度处在叶片36的压力表面50和紧邻的叶片36的吸力表面52之间的角涡的形成。这导致更好的空气流动，因此涡轮发动机30的效率更高。

此外，与现有技术的叶片相比，该角度α还增加了叶片36的使用寿命，因为当复合叶片36相对于它们所紧固到的内部壳体32的半径R倾斜时，复合叶片36提供更好的拉伸和压缩强度。

下表提供了如何根据径向内部壳体32的直径和径向外部壳体34的直径来制造矫直组件的示例。对于径向内部壳体32的每个直径，一方面可以将各种值与叶片的数量组合，并且另一方面，可以与角度α的值组合。在下表中规定的直径差在内部壳体的径向外表面和外部壳体的径向内表面之间测量，例如在沿叶片36的弦的中间的轴向水平处测量。

从该表中可以理解，对于具有给定直径的径向内部壳体32，考虑到外部壳体的尺寸和叶片的机械强度，叶片的数量可以改变，并且角度α可以是0°≤α≤30°，例如至少为3度。图9至图11还突出了用于将叶片紧固到径向内部壳体32和外部壳体34的不同方法。更具体地，对于给定角度α，内部壳体和外部壳体之间的半径差越大，从几何观点看，可以安装的叶片越少。对于给定的半径差值，可以通过减小角度来增加叶片的数量。考虑到角度和叶片数量方面的最大值，考虑径向内部壳体32的直径参数。

在图9所示的第一实施方式中，用于将叶片36分别紧固到径向内部壳体32和径向外部壳体34的第一端部44和第二端部46可以弯曲成确保观察到角度α。

因此，端部44，46中的至少一个可以相对于叶片36的有用部分48在第一圆周方向上弯曲。所述第一圆周方向有利地指向相邻叶片36的吸力表面52。

然而，每个端部44，46也可以在第二圆周方向上朝向相邻叶片36的压力表面50弯曲。

在图9中，第一端部44沿第二方向弯曲，第二端部46沿第一方向弯曲。

图10中所示的第二实施方式与第一实施方式的不同之处在于，叶片36的第一端部44是直的并且基本上与叶片36的有用部分48对齐。

为了允许第一端部44被紧固，径向内部壳体32包括形成壁的断口56，所述壁径向延伸并且叶片36的第一部分44抵靠在所述壁上。

图11所示的第三实施方式与第一实施方式的不同之处在于，叶片36的第二端部46被分成两个粘合带，也称为脱粘。第一粘合带在第一圆周方向上弯曲，即相对于叶片36的有用部分朝向相邻叶片36的吸力表面52在圆周方向上弯曲，并且第二粘合带在与第一圆周方向相反的第二圆周方向上弯曲。

叶片36紧固到壳体32，34上的实施方式特别允许相对于现有技术的叶片简化本发明的叶片36。事实上，不再需要为叶片根部和尖端提供锁定片以将叶片紧固到壳体上，其与叶片的有用部分形成基本直角，因此形成一个高度受机械应力影响的区域。

叶片有利地通过螺栓54将端部44，46和粘合带(如果需要的话)固定到所述径向内部壳体32和外部壳体34上而固定到径向内部壳体和外部壳体上。

这种紧固方法提供了对叶片36所承受的应力具有良好机械抵抗力的优点，并且允许快速组装和拆卸，以便于和加速维护操作。

上述气流矫直组件28和涡轮发动机30具有许多优点，包括以下：

叶片36的机械强度更高；

更好的空气动力学性能；

增加质量和降低对环境的影响；

降低制造成本，易于维护。

叶片36的良好机械阻力通过叶片36定位的方式实现，特别是角度α，其允许叶片36在拉伸和压缩载荷下运行，这取决于用于涡轮发动机30的紧固件的类型。与主要在弯曲载荷下运行的现有技术的叶片不同，该矫直组件28的叶片36具有更长的使用寿命和更大的疲劳强度。

与现有技术相比，通过叶片36定位的方式，特别是由于角度α，空气动力学性能得到改善，这使得可以扩大叶片36的吸力表面52并因此扩大叶片36的有用部分48。此外，存在角度α这一事实减少了从叶片36的角部到根部的涡流的影响。这导致更多的层流气流，提高涡轮发动机30的性能。

通过减小质量并因此减少消耗，也提高了涡轮发动机30的性能。实际上，现有技术的结构臂的移除事实上导致涡轮发动机30的质量减小，并因此降低其能量消耗，使得涡轮发动机30具有较低的环境影响。此外，与使用金属材料相反，使用复合材料也降低了涡轮发动机30的质量。

最后，制造和维护成本也降低，特别是由于叶片36在径向内部壳体32和外部壳体34上的快速紧固(通过螺栓连接)，这可以加快维护技术人员的服务需求。另外，叶片36可以在拉伸和压缩载荷下运行的事实也减少了它们的劣化，这又降低了预防性和/或修复性维护期的频率。

Claims (15)

1.一种双流涡轮发动机（30），该涡轮发动机包括布置在所述涡轮发动机（30）上游端的风扇叶轮（38）和轴向位于所述风扇叶轮（38）下游的矫直组件（28），所述组件（28）包括两个同轴的径向内部壳体和径向外部壳体（32，34），在所述径向内部壳体和径向外部壳体之间延伸由复合材料制成的叶片（36），所述径向内部壳体（32）围绕压缩机布置并且与所述径向外部壳体（34）界定用于次级空气流的环形流，所述叶片（36）紧固在所述径向内部壳体（32）上的第一端部（44）和所述径向外部壳体（34）上的第二端部（46）上，所述叶片（36）还包括在所述第一端部（44）和所述第二端部（46）之间延伸的有用部分（48），其特征在于：

a）对于每个叶片（36），在垂直于所述径向内部壳体和所述径向外部壳体（32，34）的轴线的平面中，穿过所述第一端部和所述第二端部（44，46）与所述有用部分（48）之间的连接处的直线（d）与所述径向内部壳体（32）的半径（R）形成角度α，所述直线穿过所述第一端部（44）和所述叶片（36）的有用部分（48）之间的所述连接处，使得0°<α≤30°，

b）所述内部壳体（32）和所述外部壳体（34）之间的半径差在200至900mm的范围内；

其中，所述径向内部壳体（32）在其径向外周边上包括形成沿径向延伸的壁的断口（56），所述叶片（36）的所述第一端部（44）的压力面抵靠并固定到所述断口。

2.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其中所述叶片（36）的数量范围为25至45。

3.根据权利要求1或2所述的涡轮发动机，其中所述径向内部壳体（32）的直径范围为1000mm至1600mm。

4.根据权利要求3所述的涡轮发动机，其中所述角度α的范围为10至30度。

5.根据权利要求3所述的涡轮发动机（30），其中所述内部壳体（32）的直径范围为1000mm至1200mm，并且所述叶片（36）的数量范围为30至40。

6.根据权利要求1或2所述的涡轮发动机（30），其中所述径向内部壳体（32）的直径为1000mm，所述角度α为10°，并且所述组件包括45个叶片（36）。

7.根据权利要求1或2所述的涡轮发动机（30），其中所述径向内部壳体（32）的直径为1100 mm，所述角度α为30°，并且所述组件包括30个叶片（36）。

8.根据权利要求1或2所述的涡轮发动机（30），其中所述径向内部壳体（32）的直径为1200 mm，所述角度α为20°，并且所述组件包括36个叶片（36）。

9.根据权利要求1或2所述的涡轮发动机（30），其中所述次级空气流在所述矫直组件（28）的上游没有结构臂。

10.根据权利要求1或2所述的涡轮发动机（30），其中所述第一端部（44）和所述第二端部（46）中的至少一个在相对于所述叶片的有用部分的圆周方向的第一圆周方向上弯曲。

11.根据权利要求10所述的涡轮发动机（30），其中第一圆周方向指向相邻叶片（36）的吸力表面（52）。

12.根据权利要求10所述的涡轮发动机（30），其中所述第二端部（46）包括：第一条带，用于结合到相对于所述叶片（36）的有用部分（48）在第一圆周方向上弯曲的所述径向外部壳体；以及第二条带，用于结合到在与所述第一圆周方向相反的第二圆周方向上弯曲的所述径向外部壳体。

13.根据权利要求1或2所述的涡轮发动机（30），其中所述第一端部（44）基本上是直的并且与所述叶片（36）的有用部分（48）基本上一致地延伸。

14.根据权利要求1或2所述的涡轮发动机（30），其中所述径向内部壳体（32）包括的断口（56）的数量与所述组件（28）中的叶片（36）的数量相同。

15.根据权利要求1或2所述的涡轮发动机（30），其中所述外部壳体的直径为2000至2800mm。