CN114856831B - 带成形轮叶的空气涡轮起动器 - Google Patents

Abstract

一种空气涡轮机起动器，包括限定入口，出口和流动路径的壳体；具有转子的涡轮，该转子具有沿周向间隔开的叶片延伸到所述流动路径中；可操作地连接到转子并随转子一起旋转的驱动轴；以及位于流动路径内、叶片的上游的至少一个轮叶。至少一个叶片由锐轴向角和锐切向角限定。

Description

带成形轮叶的空气涡轮起动器

技术领域

本公开一般涉及用于涡轮发动机的空气涡轮起动器，并且更具体地涉及一种具有成形轮叶的空气涡轮起动器。

背景技术

涡轮发动机，例如燃气涡轮发动机，以常规操作接合到空气涡轮起动器。当期望起动涡轮发动机时，典型地，空气涡轮起动器通过齿轮箱或其他变速器组件可拆卸地联接至发动机。变速器将动力从空气涡轮机起动器传递到发动机，以辅助起动发动机。涡轮发动机和空气涡轮起动器的内部部件一起旋转，使空气涡轮起动器可用于起动发动机。

发明内容

在一个方面，本公开涉及一种空气涡轮机起动器，包括壳体，该壳体限定入口、出口以及在入口和出口之间延伸的流动路径；涡轮，该涡轮具有转子，转子具有位于壳体内的周向间隔开的叶片，叶片的至少一部分延伸到流动路径中，并且响应于沿着所述流动路径从入口流动到出口的流体而在旋转方向上旋转；驱动轴，该驱动轴可操作地联接至转子并与转子一起旋转以限定旋转轴线；和至少一个轮叶，该至少一个轮叶位于流动路径内、叶片的上游且具有限定压力侧和吸入侧的外壁，外壁在前缘和后缘之间延伸以限定弦向方向，并且在根部和尖端之间延伸以限定翼展方向；其中，至少一个轮叶被成形为使得在根部和尖端之间以至少一个轮叶在弦向方向上的相同百分比延伸的线相对于射线形成锐轴向角，所述射线从旋转轴线垂直延伸，并且当在包括线和旋转轴线的平面中观察时与线相交；和其中，至少一个轮叶进一步成形为使得当在垂直于旋转轴线的平面中观察时，在线和从旋转轴线垂直延伸的射线之间形成锐切向角。

在另一方面，本发明涉及一种轮叶，该轮叶位于空气涡轮起动器的流动路径内，空气涡轮起动器包括限定旋转轴线的驱动轴，轮叶包括，外壁，该外壁限定压力侧和吸入侧，压力侧和吸入侧在前缘和后缘之间延伸以限定弦向方向，并且在根部和尖端之间延伸以限定翼展方向；其中，轮叶被成形为使得与根部和尖部在翼弦方向上以轮叶的相同百分比相交的线射线形成锐轴向角，所述射线从旋转轴线垂直延伸，并且当在包括线和旋转轴线的平面中观察时与线相交；和其中，轮叶进一步成形为使得当在垂直于旋转轴线的平面中观察时，在线和从旋转轴线垂直延伸的射线之间形成锐切向角。

附图说明

在说明书中阐述了针对本领域的普通技术人员的，包括说明书的最佳模式的本说明书的完整且可行的公开，该说明书参考附图，其中：

图1是根据本文描述的各个方面的具有空气涡轮起动器的涡轮发动机的示意图。

图2进一步示出了根据本文描述的各个方面的图1的空气涡轮机起动器。

图3是根据本文所述各个方面的图2的起动器的一部分的示意性截面图，该起动器的一部分还包括位于具有一组叶片的旋转涡轮上游的流动路径内的一组轮叶。

图4是根据本文描述的各个方面的图2的一组轮叶的示例性轮叶的立体图。

图5是根据本文所述的各个方面的图4的叶片的2D轴向投影，进一步示出了第一锐角。

图6是根据本文所述各个方面的，从图3的截面VI-VI看到的流动路径的示意性截面图，进一步示出了包括第二锐角的一组轮叶。

图7是根据本文描述的各个方面的从图3的截面VI-VI看去的示例性流动路径的示意性截面图，进一步示出了第一组轮叶和第二组轮叶。

图8是根据本文所描述的各个方面的从图3的截面VI-VI看到的示例性流动路径的示意性截面图，进一步示出了示例性第一组轮叶和示例性第二组轮叶。

图9是根据本文描述的各个方面的从图3的截面VI-VI看到的示例性流动路径的示意性截面图，进一步示出了一组示例性轮叶。

具体实施方式

本文描述的本公开的方面涉及一种具有空气涡轮起动器的涡轮发动机，该涡轮发动机包括在入口和出口之间延伸的流动路径以及设置在该流动路径内的一组轮叶。一组轮叶可以相对于旋转轴线以第一锐角和第二锐角定位，而流动路径可以被限定为弯曲的流动路径。为了说明的目的，将针对用于飞行器涡轮发动机的空气涡轮起动器来描述本公开。例如，本公开可以在其他运载工具或发动机中具有适用性，并且可以用于在工业、商业和住宅应用中提供益处。本公开可以涉及的其他车辆或发动机的其他非限制性示例可以包括船，汽车或其他水上或陆地车辆。本公开的工业，商业或住宅应用可以包括但不限于海洋发电厂、风力涡轮机、小型发电厂或直升机。

如本文所用，术语“上游”是指与流体流动方向相反的方向，并且术语“下游”是指与流体流动方向相同的方向。术语“前”或“向前”是指在某物之前，而“后”或“后”是指在某物之后。例如，就流体流量而言，前/前可表示上游，后/后可表示下游。

另外，如本文中所使用的，术语“径向”或“径向地”是指远离共同中心的方向。例如，在涡轮发动机的整体环境中，径向是指沿着在发动机的中心纵向轴线与发动机的外圆周之间延伸的光线的方向。此外，如本文中所使用的，术语“组”或“一组”可以是任何数量的元素，仅包括一个。

所有方向参考(例如，径向，轴向，近侧，远侧，顶，底，上面，下面，左，右，侧向，前，后，向上，向下，上，下，垂直，水平，顺时针，逆时针，上游，下游，向前，向后等)仅用于识别目的，以帮助读者理解本公开，并不构成限制，特别是关于此处描述的本公开的方面的位置、取向或用途的限制。除非另有说明，否则连接参考(例如，附接，联接，固定，紧固，连接和接合)应被宽泛地解释，并且可以包括元件集合之间的中间构件以及元件之间的相对运动。这样，连接参考不一定推断出两个元件直接连接并且彼此成固定关系。示例性附图仅出于说明的目的，所附附图中反映的尺寸、位置、顺序和相对尺寸可以变化。

参照图1，起动器发动机或空气涡轮起动器10联接至附件齿轮箱(AGB)12，也称为变速器壳体，并且一起示意性地示出为安装至例如燃气涡轮发动机的涡轮发动机14。涡轮发动机14包括带有风扇16的进气口，该风扇将空气供应到高压压缩区域18。带有风扇16的进气口和高压压缩区域统称为燃烧上游的涡轮发动机14的“冷区段”。高压压缩区域18为燃烧室20提供高压空气。在燃烧室内，高压空气与燃料混合并燃烧。在从涡轮发动机14排出之前，热且加压的燃烧气体经过高压涡轮区域22和低压涡轮区域24。当加压气体通过高压涡轮区域22的高压涡轮(未示出)和低压涡轮机区域24的低压涡轮机(未示出)时，涡轮从流过涡轮发动机14的气体流中提取旋转能。高压涡轮区域22的高压涡轮可以通过轴联接到高压压缩区域18的压缩机构(未示出)，以为压缩机构提供动力。低压涡轮可以通过轴联接到进气口的风扇16，以为风扇16提供动力。

涡轮发动机可以是现代商业中通常使用的涡轮风扇发动机，或者可以是各种其他已知的涡轮发动机，例如涡轮螺旋桨发动机或涡轮轴发动机。

AGB 12通过机械动力输出装置26在高压涡轮机区域22或低压涡轮机区域24处联接至涡轮发动机14。机械动力输出装置26包含多个齿轮和用于将AGB 12机械联接至涡轮发动机14的装置。在正常操作条件下，机械动力输出装置26将动力从涡轮发动机14传递到AGB12，以为飞行器的附件提供动力，例如但不限于燃油泵、电气系统和机舱环境控制。空气涡轮起动器10可以安装在包含风扇16的进气区域的外部，或者安装在高压压缩区域18附近的芯上。可选地，进气导管27可以联接到空气涡轮起动器10。进气导管27可以向空气涡轮起动器10供应加压空气。

现在参照图2，更详细地示出了示例性的空气涡轮起动器10的立体图。通常，空气涡轮机起动器10包括限定入口32和出口34的壳体30。用箭头示意性地示出的流动路径36在入口32和出口34之间延伸，用于使包括但不限于气体，加压空气等的流体流通过其中流动。在一个非限制性示例中，流体是从加压空气源供应的空气，例如加压空气，加压空气源包括但不限于地面操作的空气推车、辅助动力装置或已经运行的发动机的交叉排放启动。

壳体30可以以任何合适的方式形成，包括但不限于，壳体30可以由两个或更多个部分结合或以其他方式结合在一起，或者可以一体地形成为单件。

在本公开的所描绘的方面中，空气涡轮起动器10的壳体30通常以串联的串联布置限定入口组件42、涡轮区段44、齿轮箱46和驱动区段48。可以用任何合适的材料和方法来制造空气涡轮起动器10，包括但不限于高强度和轻质金属(例如铝、不锈钢、铁或钛)的增材制造或压铸。壳体30和齿轮箱46可以形成为足以提供足够的机械刚度的厚度，而不会增加空气涡轮起动器10以及飞行器的不必要的重量。

图3是图2的空气涡轮起动器10的示意性截面图，更详细地示出了入口组件42、涡轮区段44和齿轮箱46。涡轮区段44可包括涡轮50，该涡轮50包括具有一组周向间隔的叶片53的转子51，转子51被轴颈支撑在壳体30内。涡轮50、转子51及其一组周向间隔的叶片53可绕旋转轴线54旋转。涡轮50的至少一部分，特别是周向间隔开的一组叶片53，可设置在流动路径36中，用于从入口32到出口34的气流中可旋转地提取机械能。一组周向间隔开的叶片53中的每个叶片53可以由翼型形状限定，并且在前缘76和在前缘下游的后缘78之间延伸，以限定叶片的弦向方向。

输出轴或驱动轴60可操作地联接至涡轮50并由此被旋转地驱动。驱动轴60至少部分地限定转子51，并且允许能量从流动路径36中的空气传递到旋转机械动力。驱动轴60可延伸穿过入口组件42、涡轮区段44和齿轮箱46的至少一部分。作为非限制性示例，驱动轴60可构造成将来自涡轮50或转子51的旋转输出提供给齿轮箱46中的一个或多个齿轮或离合器组件，例如齿轮系61。

至少一个止推轴承64可以构造成可旋转地支撑涡轮50和驱动轴60。至少一个止推轴承64可以包括任意数量的轴承，包括单个止推轴承或多个止推轴承。至少一个止推轴承64可在涡轮50或转子51的后侧62处联接至驱动轴60。至少一个止推轴承64可以位于壳体30的湿部66中。即，至少一个止推轴承64可以在壳体30的湿部中用油脂或油润滑。湿部66是壳体30中暴露于液体冷却剂的空腔或部分，而干部可以是不暴露于液体冷却剂的空腔或部分。作为非限制性示例，涡轮50的前侧是壳体30的干部。应当理解，虽然一些润滑剂可以被包括或位于干部内，但是这种润滑剂不足以完全润滑驱动轴60的前部。

入口组件42可以包括定子52，以引导空气在流动路径36中流动。作为非限制性示例，定子52可以限定从入口32到一组周向间隔的叶片53的流动路径36的至少一部分。该流动路径36的至少一部分可以由内周70和从内周70径向向外设置的外周72限定。内周70可以由定子52的至少一部分形成，而外周72可以由壳体30的至少一部分形成。

一组固定部件，特别是一组轮叶100围绕定子52沿周向间隔开并从定子52向外延伸，并相对于旋转轴54进入流动路径36。一组轮叶可以进一步位于一组周向间隔的叶片53的上游。具体来说，一组轮叶100可以从流动路径36的内周70朝着外周72延伸。应当理解，一组轮叶100可以与定子52一体地形成。附加地或替代地，一组轮叶100可以从外周72延伸并且与外周72一体地形成，或者一组轮叶100可以与内周70和外周72两者一体地形成。尽管针对一组轮叶100进行了描述，但是该组固定部件可以是至少一个翼型件、喷嘴、通风口或用于引导或允许空气流动的任何其他结构。

在空气涡轮机起动器10的操作过程中，加压空气通过入口32供给到空气涡轮机起动器10。加压空气可以流过流动路径36，围绕定子52并流过一组轮叶100。加压空气可以从上游部分流到下游部分，并沿着轮叶100的轮廓流过该组轮叶100。这样，一组轮叶100可以被用来引导或以其他方式重定向流动路径36的加压空气。加压空气然后可以从一组轮叶100流过并且在周向间隔开的叶片53上流动。加压空气在叶片53上的流动随后可以引起转子51的旋转，这最终可以导致驱动轴60的旋转。可以想到的是，一组轮叶100可以成形为使得在轮叶100的下游部分处离开轮叶100的加压空气可以撞击叶片53，而不会导致大量的损失。换句话说，离开轮叶100的加压空气可以与叶片53的旋转方向不可逆。

图4是图3的一组轮叶100中的轮叶100的立体图。尽管示出了单个轮叶100，但是应当理解，轮叶100的各方面可以应用于一组轮叶100中的任何轮叶100。

轮叶100可以从根部102的内周70延伸到尖端104的外周72，以限定翼展方向。轮叶100包括限定轮叶100的外围的外壁106，外壁106在功能上可分为前缘112和后缘114所界定的压力侧108和吸力侧110。轮叶100可以在前缘112和后缘114之间延伸以限定弦向方向。如图所示，轮叶100可以由翼型横截面限定。此外，如图所示，轮叶100可以在弦向方向上遵循内周70和外周72的轮廓，并且可以在翼展方向上朝着轮叶100的吸力侧110倾斜。换句话说，根部102可以从尖端104沿周向移位，使得轮叶100朝着轮叶100的吸力侧110周向地或切向地倾斜。

如在图5中最佳看到的，其是图4的一组轮叶100中的轮叶100的2D轴向投影，流动路径36由至少在限定为轮叶100的最远的上游部分的上游点116和限定为轮叶100的最远的下游部分的下游点118之间延伸的曲线限定。具体地，上游点116可以是前缘112在尖端104处与外周72相交的点，而下游点118可以是后缘114在根部102处与内周70相交的点。如图5所示，当在轴向上且在2D平面中观察时，流动路径36的曲线可以通过测量内周70的第一局部切线120和外周72的第二局部切线122相对于旋转轴线54(示意性地示出为与第一局部切线120和第二局部切线122相交的对应的凸起123)之间的角度来量化。尽管示出了第一局部切线120和第二局部切线122，但是应当理解，内周70和外周72在轴向上在上游点116和下游点118之间的任何部分可以分别包括第一局部切线120和第二局部切线122。

可以想到，第一局部切线120可以由相对于旋转轴54的凸起123在0度和25度之间成角度的第一角度125限定，而第二局部切线122可以是由第二角度127限定，该第二角度127相对于旋转轴线54的凸起123成0到15度之间的角度。第一角度125和第二角度127都可以是锐角。这样，将认识到，内周70或外周72中的任何一个都可以相对于旋转轴线54成锐角延伸。应当理解，由第一局部切线120限定的第一角度125或由第二局部切线122限定的第二角度127中的至少一个在轮叶100的上游点116和下游点118之间可以是非恒定的。另外，或可替代地，第一局部切线120或第二局部切线122中的至少一个在上游点116和下游点118之间可以是恒定的，或者彼此相等或不相等。

如图所示，轮叶100可遵循流动路径36的内周70和外周72的表面轮廓。换句话说，根部102可遵循内周70的表面轮廓，而尖端104可以遵循外周72的表面轮廓，并且轮叶100可以在两者之间延伸。这样，轮叶100可以相对于旋转轴线54在轴向方向上倾斜，或者以其他方式被限定为轴向倾斜的成形轮叶。

为了进一步说明轮叶100轴向倾斜，可以画出在根部102和尖端104之间沿翼展方向延伸的一组线124。线124可以被限定为从根部102延伸到尖端104的线，该线在根部102和尖端104以前缘112和后缘之间相同百分比的弦，与根部102和尖端104相交。例如，绘制了三条线124，一条沿前缘112延伸，一条沿后缘114延伸，另一条穿过轮叶100的中部(例如，从沿弦向方向的根部102的50％到沿弦向方向的尖端的50％)。垂直于旋转轴线54延伸的一组射线126可以沿着一组线124的跨度范围与一组线124相交。例如，如图所示，每条射线126在根部102处与相应的线124相交。但是，应当理解，射线126可以沿着从根部102到尖端104的线124的任何部分与相应的线124相交。出于说明的目的，已经绘制了一组射线126，以延伸超过射线126和相应的一组线124之间的交点。在包括一组线124和旋转轴线54的平面中观察时，可以在一组线124和相应的一组射线126之间形成轴向角，特别是锐轴向角128。锐轴向角128可以在3度和5度之间。

应当理解，一组线124可以在翼展方向上从根部102线性地延伸到尖端104，使得锐轴向角128从根部102到尖端104沿着相应的线124是恒定的。附加地或可替代地，一组线124可以在翼展方向上非线性地或非恒定地延伸，以使得锐轴向角128从根部102到尖端104是非恒定的。例如，根部102和前缘112相交处的锐轴向角128可以是第一角度，而尖端104和前缘112相交处的锐轴向角128可以大于或小于第一角度达66％。还将进一步认识到，锐轴向角128在一组线124之间可以是非恒定的。换句话说，锐轴向角128可以在弦向方向上变化。例如，根部102与后缘114(例如，下游点118)相交的锐轴向角128可以为3度，而根部102与前缘112相交的锐轴向角128可以为5度。附加地或可替代地，这些角度可以相等。

如本文中所讨论的，所示的轮叶100可被包括在围绕旋转轴线54周向间隔开的一组轮叶100内。将理解的是，一组轮叶100中的每个轮叶100可在整个轮叶100上包括相同的锐轴向角128。换句话说，一组轮叶100中的每个轮叶100可以是相同的。另外地或可替代地，一组轮叶100中的一个或多个轮叶100可包括不同的锐轴向角128。例如，一个轮叶100可在整个轮叶100上包括3度的轴向角，而其余的轮叶100可以包括全部轮叶100的5度的轴向角。

图6是从图3的VI-VI截面观察的流动路径36的截面图，进一步示出了在垂直于旋转轴线54的平面中观察到的一组轮叶100，该组叶片绕旋转轴线54在圆周上间隔开。尽管仅示出了六个均匀间隔的轮叶100，但是应当理解，可以存在任何数量的一个或多个轮叶100可以围绕旋转轴线54均匀地或不均匀地在圆周上间隔开。

如图所示，一组线124中的线124穿过一组轮叶100中的一个轮叶100的中间。在该图中观察时，或者当在垂直于旋转轴54的平面中观察时，可以在线124和垂直于旋转轴54延伸的一组射线126中的对应射线126之间形成锐切向角130。锐切向角130可以在1.5度和5度之间。如本文中所讨论的，线124可以从轮叶100的根部102线性延伸到叶尖104，然而，应当理解的是，线124的至少一部分可以是非线性的或非恒定的，使得锐切向角130可以在从根部102到尖端104的翼展方向上变化。附加地或可替代地，锐切向角130可以在弦向方向上变化，使得锐切向角130可以沿着轮叶100的弦向方向变化。应当进一步理解，轮叶100可以切向地朝向轮叶100的吸力侧110或压力侧108倾斜。换句话说，一组轮叶100的锐切向角130可以在1.5度和5度之间，或者在-1.5度和-5度之间。

一组轮叶100中的每个轮叶100可以线性地延伸(例如，一组线124从根部102到尖端104是线性的)，并且沿相同的方向切向地倾斜，但是，将理解的是，一组轮叶100中的每个轮叶100的锐切向角130在每个轮叶100之间不需要相同。换句话说，一个或多个轮叶100可以沿一个方向切向倾斜，而其他轮叶100可以在相反的方向上倾斜。另外地或可替代地，至少一个轮叶100可以由非线性或非恒定的线124限定，使得锐切向角130从根部102到尖端104，或者从前缘112到后缘114变化，而另一个轮叶100可以由直线124限定，使得锐切向角130沿着轮叶100的整体是恒定的。

图7是从图3的截面VI-VI看到的示例性流动路径236的截面图。示例性的流动路径236类似于流动路径36；因此，除非另有说明，否则将以200系列中的相同标号来标识相同的零件，并且应理解，对流动路径36的相同部分的描述适用于示例性流动路径236。流动路径236类似于流动路径36，但是，流动路径236包括一组轮叶200，该一组轮叶200包括第一组轮叶232和第二组轮叶234，其中第一组轮叶232和第二组轮叶轮叶234交替地围绕旋转轴线54在周向间隔开。

第一组轮叶232可以类似于一组轮叶100，因为它们包括相对于垂直于旋转轴线54的一组射线126切向倾斜的一组线124。换句话说，第一组轮叶包括锐切向角130，该锐切向角130限定了第一组轮叶232中的轮叶232的切向倾斜。但是，第二组轮叶332可以由平行于一组射线126的一组线224限定。这样，第二组轮叶234可以平行于一组射线126延伸，垂直于旋转轴线54延伸或否则不切向地倾斜。换句话说，第二组轮叶234的锐切向角130相对于一组射线126可以为零。这样，一组轮叶200可以包括具有非零锐切向角130的第一组轮叶232，具体地在1.5度和3度之间或在-1.5度和-3度之间，以及锐切向角130为零的第二组轮叶234。

可以预期的是，第一组轮叶234和第二组轮叶234的交替间隔可以用于改变加压空气冲击一组轮叶200下游的叶片53的各个部分的频率。在空气涡轮起动器10的操作期间，加压空气可以从一组轮叶200的前缘112流到后缘114，并且遵循轮叶200的轮廓。流过轮叶200的加压空气可以被限定为轮叶200下游的定子尾流。可以想到的是，锐轴向角128与锐切向角130一起，或者缺少锐切向角130(例如，第二组轮叶234)会导致空气以不同的角度离开轮叶200。这样，离开第一组轮叶234的加压空气或来自第一组轮叶234的定子尾流可以撞击叶片53的不同于第二组轮叶234的定子尾流的部分。定子唤醒撞击的叶片的哪一部分的差异可以用来确保叶片53在绕旋转轴线54旋转时具有受控的负载。如本文中所使用的，术语“受控的负载”可以指代控制或引导定子尾流以撞击叶片的期望部分的能力。例如，可控制的负载可用于确保当叶片绕旋转轴54旋转时，叶片的每个部分均受到相同的负载。如本文所述，与不包括轮叶100、200的传统的空气涡轮起动器相比，叶片53的受控负载进而可以确保叶片上的负载分布经过调整，以在叶片经过定子尾流时将叶片上的瞬时力最小化，从而延长叶片53的使用寿命。可以想到的是，轮叶200的数量和间隔可以用来改变加压空气以所需角度冲击叶片53的频率(例如，加压空气在后缘114处离开一组叶片200时的角度)。例如，较大数量的轮叶200将导致被一组叶片200重新引导的加压气流将撞击叶片53的较高的频率。

图8是从图3的截面VI-VI看到的示例性流动路径336的截面图。示例性的流动路径336类似于流动路径36、236；因此，除非另有说明，否则类似的部分将以300系列中的类似标号来标识，并且应当理解，流动路径36、236的类似部分的描述适用于示例性流动路径336。

流动路径336可包括第一组轮叶332和第二组轮叶334，它们交替地围绕旋转轴线54周向间隔开。具体地，第一组轮叶332位于流动路径336的前半部(通过截面线338示出)，而第二组轮叶334位于流动路径336的后半部中与前半部相对。可以预期，在第一组轮叶334中可以具有与第二组轮叶334相同数量的轮叶300。换句话说，第一组轮叶334中的轮叶300与第二组轮叶334中的轮叶300的比例可以为1：1。但是，应当理解，第一组轮叶334和第二组轮叶334之间可以存在任何合适的轮叶300的比率。例如，第一组轮叶334与第二组轮叶334的比率为1∶2(例如，第二组轮叶334中的轮叶300的数量是第一组轮叶334的两倍)。在这种情况下，第一组轮叶334中的轮叶300仍可以在前半部中，而第二组轮叶334中的轮叶300仍可以在后半部中。这样，在后半部分中轮叶300的数量将比前半部分增加一倍。另外地或可替代地，轮叶300可以均匀地间隔开，使得代替地，轮叶300在前半部分和后半部分中间隔开，而轮叶300可以替代地在前三分之一和后三分之二之间间隔开。换句话说，第一组轮叶334可跨过流动路径336的三分之一，而第二组轮叶334可跨过流动路径336的其余三分之二。将理解的是，这是非限制性示例，并且在第一组轮叶334或第二组轮叶334中可沿流动路径336的任何部分设置任何数量的轮叶300。

与一组轮叶200相似，一组轮叶300可以包括沿流动路径336的不同部分间隔开的第一组轮叶334和第二组轮叶334，以确保离开轮叶300的加压空气在不同位置撞击叶片53，以在叶片53上产生均匀的载荷。当与轮叶300到轮叶200的间隔相比时，加压空气以不同角度撞击叶片53的频率可以降低。这是因为流动路径336的包括第一组轮叶334的区域可以进一步限定为流动路径336的区域，在该区域中，加压空气与第一组轮叶334成角度(例如，由锐轴向角128限定并切向倾斜限定的轮叶300)，而流动路径336的包括第二组轮叶334的区域可以进一步限定为流动路径336的区域，在该区域中，加压空气与第二组轮叶334成角度(例如，由锐轴向角128限定且未切向倾斜的轮叶300)。这样，当叶片53越过流动路径336的包括第一组轮叶334的区域时，叶片53将受到第一角度的加压空气的冲击，而当叶片53越过流动路径336的包括第二组轮叶334的区域时，将受到第二角度的加压空气的冲击，第二角度不同于第一角度。

图9是从图3的VI-VI截面看到的示例性流动路径436的截面图。示例性的流动路径436类似于流动路径36、236、336；因此，除非另有说明，否则将以400系列中的相同标号来标识相同的部分，应理解，对流动路径36、236、336的相同部分的描述适用于示例性流动路径436。流动路径436可包括类似于一组轮叶100、200、300的一组轮叶400，除了一组轮叶400绕旋转轴线54非均匀地间隔开。

一组轮叶400包括第一组轮叶432和第二组轮叶434。第一组轮叶432和第二组轮叶434均可以包括一对轮叶400。尽管示出了两个轮叶，但是应当理解，在第一组轮叶432和第二组轮叶434中可以有任何数量的两个或更多个相邻的轮叶400。在第一组轮叶432和第二组轮叶434中的轮叶400可各自分别定位为第一距离440和第二距离442。具体地，第一组轮叶432和第二组轮叶434中的轮叶400可以彼此隔开1度和5度之间。将理解的是，第一距离440和第二距离442可以相等或不相等。第一组轮叶432和第二组轮叶434可彼此定位第三距离444，第三距离444大于第一距离440和第二距离442。作为非限制性示例，第三距离444可以比第一距离440或第二距离442大两倍。换句话说，第三距离444与第一距离440或第二距离442之间可以有高达2：1的比率。

第一组轮叶432和第二组轮叶434可以与第一组轮叶234、334和一组轮叶100相似，因为它们是切向倾斜的。然而，将理解，第一组轮叶432或第二组轮叶434中的任何一个都可以包括类似于第二组轮叶234、334的轮叶。另外地或可替代地，可以预期，第一组轮叶432和第二组轮叶434可以彼此不同。例如，第一组轮叶432中的一对相邻轮叶400中的一个轮叶400可以被切向倾斜，而另一个轮叶400可以被非切向倾斜。

本公开的益处包括一组叶片，与传统的空气涡轮机起动器相比，该组叶片减小了加压空气或定子尾流对空气涡轮机起动器的叶片的空气机械作用。例如，常规的空气涡轮起动器可以包括一组叶片，该一组轮叶不由锐轴向角、锐切向角限定，或者绕旋转轴线均匀地间隔开。这样，离开叶片的加压空气或定子尾流将在叶片绕旋转轴线旋转的整个时间沿叶片在相同的弦向位置撞击叶片。继而，这在叶片的单个部分上产生了较大的载荷，从而增加了离开轮叶的加压空气在轮叶下游的轮叶上具有的空气机械效应。如本文所使用的，术语“空气机械效应”可以指的是加压空气，特别是定子尾流施加到空气涡轮机起动器的叶片上的疲劳载荷或应力。就常规的空气涡轮机起动器而言，与叶片的其他部分相比，加压空气的空气机械作用，更具体地说是定子尾流可以是叶片的单个部分被恒定地加载。如本文中所描述的，空气涡轮起动器包括一组轮叶，其可以包括锐轴向角，锐切向角和不均匀的间隔，所有这些都可以大大降低压缩空气或定子尾流对叶片的气动作用。这是因为一组轮叶可以成角度、间隔开和变化(例如，包括第一组轮叶和第二组轮叶的一组轮叶)，以使受控的负载可确保叶片在绕旋转轴旋转并通过每个轮叶时承受更好的分布负载。换句话说，叶片在它们绕旋转轴线旋转的整个时间中没有被加载在相同的弦向位置。反过来，与传统的空气涡轮起动器中的加压空气撞击叶片的空气机械效应相比，加压空气撞击叶片的空气机械效应要低得多，因为叶片是均匀的已加载。此外，与常规的空气涡轮机起动器相比，可控制的载荷或分布的载荷可将叶片的转子或叶片的叶顶偏转减小多达40％，从而减小了空气机械效应。如本文中所使用的，术语“转子挠曲”或“尖端挠曲”可以被限定为当叶片的尖端沿表面法线方向挠曲时叶片在其操作期间经受的应力的量度。空气机械效果的这些降低可导致维护需求减少，因为与传统的空气涡轮机起动器相比，由于加压空气所产生的疲劳载荷或应力已经降低，因此，通过成形轮叶对叶片的控制加载，可以延长叶片的疲劳寿命。此外，叶片上的受控载荷或分布载荷可产生叶片的设计自由度，以便在不对叶片施加过大应力的情况下提高叶片的空气动力学性能。继而，这提高了空气涡轮起动器的效率。

本公开的进一步的优点包括，与常规的空气涡轮机起动器相比，具有驱动轴相同的旋转输出的较小的空气涡轮机起动器。例如，常规的空气涡轮起动器依赖于位于流动路径的非弯曲部分内的一组轮叶。一组轮叶位于非弯曲部分内，因为在设计一组轮叶时存在很大的设计障碍，以确保流过轮叶的加压空气在所需切线方向和径向方向上都被转向或引导。将轮叶定位在弯曲的流动路径的一部分内将在叶片的设计中引入另一层复杂性，以确保将加压空气导向期望的方向。这样，在流动路径的包括一组轮叶的区段之前，流动路径必须首先变平或以其他方式变成直的流动路径。这进而增加了流动路径的轴向范围。然而，本文所述的空气涡轮机起动器可包括位于流动路径的弯曲部分内的一组轮叶。这样，在轮叶所在的区段之前，流动路径不需要平整。与常规的空气涡轮起动器相比，这又减小了流动路径的轴向范围。此外，如先前部分所述，受控的负载或分布式负载可以为叶片提供设计自由度。继而，这可以允许叶片的更有效设计，而不必担心叶片经受大量的空气机械应力。在不牺牲叶片的旋转输出的情况下完成所有这些工作。这样，与常规的空气涡轮机起动器相比，如本文所述的轮叶最终可以导致用于空气涡轮机起动器的更加模块化的设计，而不会牺牲驱动轴的旋转输出。

在尚未描述的范围内，各个方面的不同特征和结构可以根据需要彼此组合使用。不能在所有方面都示出一个特征并不意味着不能解释它，而是为了描述简洁。因此，不管是否明确地描述了新方面，都可以根据需要混合和匹配不同方面的各种特征以形成新方面。本文所描述的特征的组合或排列被本公开覆盖。

该书面描述使用示例来描述本文描述的本公开的各方面，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本公开的方面，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何结合的方法。本公开内容的各个方面的可专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等效结构元件，则意图将这些其他示例包括在权利要求的范围内。

本发明的其他方面由以下条款的主题提供：

一种空气涡轮起动器，其中，包括：壳体，所述壳体限定入口、出口以及在所述入口和所述出口之间延伸的流动路径；涡轮，所述涡轮具有转子，所述转子具有位于所述壳体内的周向间隔开的叶片，所述叶片的至少一部分延伸到所述流动路径中，并且响应于沿着所述流动路径从所述入口流动到所述出口的流体而在旋转方向上旋转；驱动轴，所述驱动轴可操作地联接至所述转子并与所述转子一起旋转，以限定旋转轴线；和至少一个轮叶，所述至少一个轮叶位于所述流动路径内、所述叶片的上游，且具有限定压力侧和吸入侧的外壁，所述外壁在前缘和后缘之间延伸以限定弦向方向，并且在根部和尖端之间延伸以限定翼展方向；其中，所述至少一个轮叶被成形为使得在所述至少一个轮叶在所述弦向方向上的相同百分比处在所述根部和所述尖端之间延伸的线相对于射线形成锐轴向角，所述射线从所述旋转轴线垂直延伸，并且当在包括所述线和所述旋转轴线的平面中观察时与所述线相交；和其中，所述至少一个轮叶进一步成形为使得当在垂直于所述旋转轴线的平面中观察时，在所述线和从所述旋转轴线垂直延伸的所述射线之间形成锐切向角。

根据任何在前条项的空气涡轮起动器，其中，所述锐轴向角在3度和5度之间。

根据任何在前条项的空气涡轮起动器，其中，所述锐切向角在-1.5度和-5.0度之间或者在1.5度和5.0度之间。

根据任何在前条项的空气涡轮起动器，其中，所述根部与所述后缘相交的所述锐轴向角为3度。

根据任何在前条项的空气涡轮起动器，其中，所述根部与所述前缘相交的所述锐轴向角不等于所述根部与所述后缘相交的锐轴向角。

根据任何在前条项的空气涡轮起动器，其中，所述锐轴向角在所述翼展方向或弦向方向上是非恒定的。

根据任何在前条项的空气涡轮起动器，其中，所述切向角在所述翼展方向或弦向方向上是非恒定的。

根据任何在前条项的空气涡轮起动器，其中，沿着所述前缘处的所述尖端的上游点限定所述至少一个轮叶的最远的上游部分，并且沿着所述后缘处的所述根部的下游点限定所述至少一个轮叶的最远的下游部分。

根据任何在前条项的空气涡轮起动器，其中，所述流动路径包括：内周；和外周，所述外周相对于所述旋转轴线从所述内周径向向外定位；其中，轴向上在所述至少一个轮叶的所述上游点和所述下游点之间的所述流动路径的至少一部分限定弯曲流动路径，使得所述内周或所述外周相对于所述旋转轴线以锐角延伸。

根据任何在前条项的空气涡轮起动器，其中，所述弯曲流动路径内的所述内周由沿着所述内周的任何部分的第一局部切线限定，并且所述弯曲流动路径内的所述外周由沿着所述外周的任何部分的第二局部切线限定。

根据任何在前条项的空气涡轮起动器，其中，第一角度形成在所述第一局部切线和所述旋转轴线之间，并且第二角度形成在所述第二局部切线和所述旋转轴线之间，其中所述第一角度在0度和25度之间，并且所述第二角度在0度和15度之间。

根据任何在前条项的空气涡轮起动器，其中，所述第一局部切线或所述第二局部切线中的至少一个在所述至少一个轮叶的所述上游点和所述下游点之间是非恒定的。

根据任何在前条项的空气涡轮起动器，其中，所述至少一个轮叶包括在围绕所述旋转轴线周向间隔开的一组轮叶内。

根据任何在前条项的空气涡轮起动器，其中，所述一组轮叶包括第一组轮叶和第二组轮叶，其中所述第一组轮叶的所述锐切向角是非零的，并且所述第二组轮叶的所述锐切向角为零。

根据任何在前条项的空气涡轮起动器，其中，所述第一组轮叶和所述第二组轮叶围绕所述旋转轴线非交替地间隔开。

根据任何在前条项的空气涡轮起动器，其中，所述第一组轮叶位于所述一组轮叶的前半部分内，并且所述第二组轮叶位于所述一组轮叶的后半部分内，其中所述前半部分与所述后半部分相对。

根据任何在前条项的空气涡轮起动器，其中，所述一组轮叶包括第一组轮叶和第二组轮叶，其中所述第一组轮叶包括彼此相邻且间隔第一距离的至少两个轮叶，并且所述第二组轮叶包括彼此相邻且间隔第二距离的至少两个轮叶，所述第一组轮叶和所述第二组轮叶彼此间隔第三距离。

根据任何在前条项的空气涡轮起动器，其中，所述第一距离和所述第二距离各自小于所述第三距离。

一种轮叶，所述轮叶位于空气涡轮起动器的流动路径内，所述空气涡轮起动器包括限定旋转轴线的驱动轴，其中，所述轮叶包括：外壁，所述外壁限定压力侧和吸入侧，所述压力侧和所述吸入侧在前缘和后缘之间延伸以限定弦向方向，并且在根部和尖端之间延伸以限定翼展方向；其中，所述轮叶被成形为使得在所述轮叶在所述弦向方向上的相同百分比处与所述根部和所述尖端相交的线相对于射线形成锐轴向角，所述射线从所述旋转轴线垂直延伸，并且当在包括所述线和所述旋转轴线的平面中观察时与所述线相交；和其中，所述轮叶进一步成形为使得当在垂直于所述旋转轴线的平面中观察时，在所述线和从所述旋转轴线垂直延伸的所述射线之间形成所述锐切向角。

根据任何在前条项的轮叶，其中，所述锐轴向角在3度和5度之间，并且其中所述锐切向角在-1.5度和-5.0度或1.5度和5.0度之间。

Claims (18)

1.一种空气涡轮起动器，其特征在于，包括：

壳体，所述壳体限定入口、出口以及在所述入口和所述出口之间延伸的流动路径；

涡轮，所述涡轮具有转子，所述转子具有位于所述壳体内的周向间隔开的叶片，所述周向间隔开的叶片的至少一部分延伸到所述流动路径中，并且响应于沿着所述流动路径从所述入口流动到所述出口的流体而在旋转方向上旋转；

驱动轴，所述驱动轴可操作地联接至所述转子并与所述转子一起旋转，以限定旋转轴线；和

一组轮叶，所述一组轮叶具有第一轮叶和第二轮叶，所述一组轮叶位于所述流动路径内、所述周向间隔开的叶片的上游，所述一组轮叶绕所述旋转轴线周向间隔开，其中所述一组轮叶中的每个轮叶具有限定压力侧和吸入侧的外壁，所述外壁在前缘和后缘之间延伸以限定弦向方向，并且在根部和尖端之间延伸以限定翼展方向；

其中：

所述第一轮叶被成形为使得在所述第一轮叶在所述弦向方向上的第一百分比处在所述根部和所述尖端之间延伸的第一线相对于第一射线形成第一锐轴向角，所述第一射线从所述旋转轴线垂直延伸，并且当在包括所述第一线和所述第一射线并沿着所述旋转轴线延伸的第一平面中观察时与所述第一线相交；并且

所述第二轮叶被成形为使得在所述第二轮叶在所述弦向方向上的第二百分比处在所述根部和所述尖端之间延伸的第二线相对于第二射线形成第二锐轴向角，所述第二射线从所述旋转轴线垂直延伸，并且当在包括所述第二线和所述第二射线并沿着所述旋转轴线延伸的第二平面中观察时与所述第二线相交，其中所述第一百分比等于所述第二百分比，并且所述第一锐轴向角不等于所述第二锐轴向角。

2.根据权利要求1所述的空气涡轮起动器，其特征在于，所述第一锐轴向角和所述第二锐轴向角各自在3度和5度之间。

3.根据权利要求1所述的空气涡轮起动器，其特征在于，所述根部与所述后缘相交的所述第一锐轴向角为3度。

4.根据权利要求3所述的空气涡轮起动器，其特征在于，所述根部与所述前缘相交的所述第一锐轴向角和所述第二锐轴向角分别不等于所述根部与所述后缘相交的所述第一锐轴向角和所述第二锐轴向角。

5.根据权利要求2、3或4中任一项所述的空气涡轮起动器，其特征在于，所述第一锐轴向角和所述第二锐轴向角在所述翼展方向上是非恒定的。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的空气涡轮起动器，其特征在于，所述第一轮叶和所述第二轮叶各自包括沿着所述前缘处的所述尖端的分别限定所述第一轮叶和所述第二轮叶的最远的上游部分的上游点，和沿着所述后缘处的所述根部的分别限定所述第一轮叶和所述第二轮叶的最远的下游部分的下游点。

7.根据权利要求6所述的空气涡轮起动器，其特征在于，所述流动路径包括：

内周；和

外周，所述外周相对于所述旋转轴线从所述内周径向向外定位；

其中，轴向上在所述第一轮叶和所述第二轮叶的所述上游点和所述下游点之间的所述流动路径的至少一部分限定弯曲流动路径，使得所述内周或所述外周相对于所述旋转轴线以锐角延伸。

8.根据权利要求7所述的空气涡轮起动器，其特征在于，所述弯曲流动路径内的所述内周由沿着所述内周的任何部分的第一局部切线限定，并且所述弯曲流动路径内的所述外周由沿着所述外周的任何部分的第二局部切线限定。

9.根据权利要求8所述的空气涡轮起动器，其特征在于，第一角度形成在所述第一局部切线和所述旋转轴线之间，并且第二角度形成在所述第二局部切线和所述旋转轴线之间，其中所述第一角度在0度和25度之间，并且所述第二角度在0度和15度之间。

10.根据权利要求8所述的空气涡轮起动器，其特征在于，所述第一局部切线或所述第二局部切线中的至少一个在所述第一轮叶和所述第二轮叶的所述上游点和所述下游点之间是非恒定的。

11.根据权利要求1所述的空气涡轮起动器，其特征在于，所述第一轮叶包括在多个第一多个轮叶内，并且所述第二轮叶包括在第二多个轮叶内，其中所述第一多个轮叶包括彼此相邻且间隔第一距离的至少两个轮叶，并且所述第二多个轮叶包括彼此相邻且间隔第二距离的至少两个轮叶，其中所述第一多个轮叶中的所述至少两个轮叶与所述第二多个轮叶中的所述至少两个轮叶间隔第三距离。

12.根据权利要求11所述的空气涡轮起动器，其特征在于，所述第一距离和所述第二距离各自小于所述第三距离。

13.一种空气涡轮起动器，其特征在于，包括：

壳体，所述壳体限定入口、出口以及在所述入口和所述出口之间延伸的曲线流动路径；

涡轮，所述涡轮具有转子和位于所述壳体内的一组周向间隔开的叶片，所述一组周向间隔开的叶片中的所述叶片的至少一部分延伸到所述曲线流动路径中，并且响应于在所述曲线流动路径内从所述入口流动到所述出口的流体能够在旋转方向上旋转；

驱动轴，所述驱动轴可操作地联接至所述转子并与所述转子一起旋转，以限定旋转轴线；和

一组轮叶，所述一组轮叶具有第一轮叶和第二轮叶，所述一组轮叶位于所述曲线流动路径的一部分内，所述一组轮叶中的每个轮叶具有外壁，所述外壁在翼展方向上在根部和尖端之间延伸并且在弦向方向上在前缘和后缘之间延伸；

所述第一轮叶被成形为使得在所述第一轮叶在所述弦向方向上的第一百分比处在所述根部和所述尖端之间延伸的第一线相对于第一射线形成第一锐切向角，所述第一射线从所述旋转轴线垂直延伸，并且当在包括所述第一线和所述第一射线并垂直于所述旋转轴线的第一平面中观察时与所述第一线相交；并且

所述第二轮叶被成形为使得在所述第二轮叶在所述弦向方向上的第二百分比处在所述根部和所述尖端之间延伸的第二线相对于第二射线形成第二锐切向角，所述第二射线从所述旋转轴线垂直延伸，并且当在包括所述第二线和所述第二射线并垂直于所述旋转轴线的第二平面中观察时与所述第二线相交，其中所述第一百分比等于所述第二百分比，并且所述第一锐切向角不等于所述第二锐切向角。

14.根据权利要求13所述的空气涡轮起动器，其特征在于，所述第一锐切向角和所述第二锐切向角各自在-1.5度和-5.0度之间或者在1.5度和5.0度之间。

15.根据权利要求13所述的空气涡轮起动器，其特征在于，所述第一锐切向角和所述第二锐切向角在所述翼展方向或弦向方向上各自是非恒定的。

16.根据权利要求13所述的空气涡轮起动器，其特征在于，所述第一轮叶包括在多个第一多个轮叶内，并且所述第二轮叶包括在第二多个轮叶内，其中所述第一多个轮叶中的每个轮叶的所述第一锐切向角是非零的，并且所述第二多个轮叶中的每个轮叶的所述第二锐切向角为零。

17.根据权利要求16所述的空气涡轮起动器，其特征在于，所述第一多个轮叶和所述第二多个轮叶围绕所述旋转轴线非交替地间隔开。

18.一种空气涡轮起动器，其特征在于，包括：

壳体，所述壳体限定入口、出口以及在所述入口和所述出口之间延伸的曲线流动路径；

涡轮，所述涡轮具有转子和位于所述壳体内的一组周向间隔开的叶片，所述一组周向间隔开的叶片中的所述叶片的至少一部分延伸到所述曲线流动路径中，并且响应于在所述曲线流动路径内从所述入口流动到所述出口的流体能够在旋转方向上旋转；

驱动轴，所述驱动轴可操作地联接至所述转子并与所述转子一起旋转，以限定旋转轴线；和

至少一个轮叶，所述至少一个轮叶位于所述曲线流动路径的一部分内，所述至少一个轮叶具有外壁，所述外壁在翼展方向上在根部和尖端之间延伸并且在弦向方向上在前缘和后缘之间延伸，所述至少一个轮叶被成形为使得：

在所述轮叶在所述弦向方向上的相同百分比处在所述根部和所述尖端之间延伸的线相对于射线形成锐轴向角，所述射线从所述旋转轴线垂直延伸并且当在包括所述线和所述射线并沿着所述旋转轴线延伸的平面中观察时与所述线相交；并且

所述锐轴向角在所述翼展方向上沿着所述线是非恒定的。