空氣渦輪啟動器渦輪葉片翼型的製作方法
2023-07-04 11:49:56
專利名稱：空氣渦輪啟動器渦輪葉片翼型的製作方法
技術領域：
本公開涉及用於啟動氣體渦輪發動機的空氣渦輪啟動器，並且更具體地涉及其空氣動力學流徑。
背景技術：
許多相對大型的渦輪發動機，包括渦輪風扇發動機，可使用空氣渦輪啟動器(ATS) 來引發氣體渦輪發動機的旋轉。ATS通常安裝在附件齒輪箱上，附件齒輪箱進而安裝在發動機或機身上。因此，ATS —直安裝在飛機內，即使可能只在每次飛行循環開始時進行大約片刻的主動操作，以及在發動機維護活動期間偶爾操作。ATS通常包括渦輪段，其聯接到殼體中的輸出段。渦輪段聯接到高壓流體源，例如壓縮空氣，以通過齒輪系統驅動輸出段。因而，當高壓流體源衝擊在渦輪段上時，輸出段對氣體渦輪發動機提供動力。
發明內容
根據本公開一個示例性方面的一種用於空氣渦輪啟動器的葉片剖面包括翼型，其限定通過前緣和後緣的翼型剖面。所述翼型剖面被表I、表II、表III或表IV的任何一個中限定的一組X坐標和Y坐標限定並被期望因子按比例縮放。所述X坐標是切向方向，所述Y坐標是軸向方向，並且所述Z坐標是翼型根部和翼型尖端之間的徑向方向。根據本公開一個示例性方面的一種渦輪轉子包括從渦輪轉子軸延伸的渦輪轂。所述渦輪轉子轂限定多個渦輪葉片(blade)，所述多個渦輪葉片的每一個限定通過前緣和後緣的翼型剖面。所述翼型剖面被表I、表II、表III或表IV的任何一個中限定的一組X坐標和Y坐標限定並被期望因子按比例縮放，所述X坐標是切向方向，所述Y坐標是軸向方向， 並且所述Z坐標是翼型根部和翼型尖端之間的徑向方向。根據本公開一個示例性方面的一種空氣渦輪啟動器包括渦輪噴嘴，其具有中心穹頂形狀和多個渦輪翼片(vane)，所述多個渦輪翼片從所述中心穹頂形狀沿徑向延伸。渦輪轉子位於所述多個渦輪翼片下遊，所述渦輪轉子限定多個渦輪葉片。所述多個渦輪葉片的每一個限定通過前緣和後緣的翼型剖面，所述翼型剖面被表I、表II、表III或表IV的任何一個中限定的一組X坐標和Y坐標限定並被期望因子按比例縮放。所述X坐標是切向方向， 所述Y坐標是軸向方向，並且所述Z坐標是翼型根部和翼型尖端之間的徑向方向。根據本公開一個示例性方面的一種組裝空氣渦輪啟動器的方法包括將渦輪轉子旋轉地安裝到渦輪噴嘴下遊的入口殼體中，所述入口殼體至少部分地圍繞所述渦輪轉子， 所述入口殼體限定與所述渦輪轉子連通的入口流徑的外流徑曲線，所述外流徑曲線至少部分地由截面上的多個弓形表面限定，所述噴嘴限定與所述渦輪轉子連通的所述入口流徑的內流徑曲線，所述內流徑曲線至少部分地由所述中心穹頂形狀限定。
本領域技術人員將從所公開的非限制性實施例的以下詳細描述中明白各種特徵。 該詳細描述的附圖可簡要介紹如下
圖1是用於通過附件齒輪箱引發較大渦輪旋轉的空氣渦輪啟動器(ATS)的總體示意
圖2是ATS的側視剖面圖； 圖3是渦輪轉子的側視圖； 圖4是渦輪轉子的前側視圖； 圖5是ATS的入口殼體組件的剖面側視圖； 圖6是渦輪轉子軸的轉子葉片的透視圖； 圖7-10是渦輪轉子的轉子葉片的輪廓剖面圖； 圖11是ATS的入口殼體組件的剖面側視圖； 圖12是ATS的入口殼體組件的噴嘴的透視圖； 圖13是噴嘴的前視圖； 圖14是噴嘴的側視圖； 圖15-19是噴嘴的噴嘴翼片的輪廓剖面圖； 圖20是入口殼體的剖面側視圖； 圖21是入口殼體組件的入口流徑的示意圖； 圖22是入口殼體組件的的噴嘴的剖面圖；並且
圖23是根據替代尺寸實施例的入口殼體的剖面側視圖，其中，流徑由表XI中的坐標限定。
具體實施例方式圖1示意性地示出了示例性空氣渦輪啟動器(ATS) 20，其用於通過附件齒輪箱M 引發較大氣體渦輪22 (例如渦輪風扇發動機)的旋轉。應當意識到，本申請不限於與特定類型的旋轉機器一同使用。因此，雖然本申請出於便於說明的目的而被表示和描述為在空氣渦輪啟動器中實施，但應當意識到，其也可在許多其他機器中實施，包括但不限於氣體渦輪發動機、輔助動力單元、渦輪增壓器、機械增壓器、空氣循環機、交流發電機、電動機、發電機、集成恆速驅動發電機以及各種類型的具有可被緊密控制的界面的齒輪箱。ATS 20通常包括殼體組件30，殼體組件30至少包括渦輪段32和輸出段34 (圖 2)。渦輪段32包括具有多個渦輪葉片38的渦輪葉輪36、轂40、以及渦輪轉子軸42 (圖3 和圖4)。渦輪葉輪36的渦輪葉片38位於入口殼體組件44的下遊，入口殼體組件44包括入口殼體46，入口殼體46包含噴嘴48 (圖5)。噴嘴48包括多個翼片50，其引導壓縮空氣流從入口 52通過入口流徑W。經過翼片50的壓縮空氣流驅動渦輪葉輪36，然後通過出口 56排出。渦輪葉輪36被壓縮空氣流驅動，使得渦輪轉子軸42可通過諸如行星齒輪系統的齒輪系統60 (示意性示出)機械地驅動啟動器輸出軸58。ATS 20由此傳遞相對高的負載通過齒輪系統60，以將來自壓縮空氣的氣動能轉換為機械能，以例如使氣體渦輪22旋轉啟動。渦輪葉輪36的渦輪葉片38和噴嘴48的翼片50 (其二者在本文中均被定義為翼型)可用計算流體動力學(CFD)分析軟體來限定，並且被優化成滿足特定空氣渦輪啟動器的特定性能要求。設計ATS時必須知道的一些關鍵的發動機特性是發動機芯部慣性(發動機中實際上由ATS旋轉的部分)、作為速度的函數的發動機芯部曳力矩、作為速度的函數的其他曳力矩(例如來自安裝有齒輪箱的附件)、以及啟動所允許的最大時間。對於外界啟動溫度條件的範圍，需要這些參數的值。從這些，ATS啟動器的優選內齒輪比以及，使用CFD工具，效率最高的最優翼型形狀，可對於每個具體ATS被確定。取決於原始要求的值，翼型形狀將會是不同的，並且將被優化成在啟動器的設計速度時表現為具有最高效率。翼型形狀的特性可從一個翼型形狀到另一個發生改變，並且可包括但不限於曲率、最大厚度、軸向弦長、扭度、從根部到尖端的錐度、前緣半徑、後緣半徑、前緣和後緣從根部到尖端的平直度，等。可以直接按比例擴大或按比例縮小翼型形狀來滿足一組不同的發動機啟動要求，然而，如果整個流徑幾何形狀(包括轉子葉片38、翼片50以及入口流徑
沒有也使用相同的比例因子按比例縮放，則ATS的輸出性能可能不會適當地成比例。翼型的形狀可由一組剖面來在尺寸上限定，所述一組剖面位於逐漸增大的徑向位置，例如從翼型的根部剖面下面開始並延伸超過翼型的尖端。當被從根部到尖端的連續平滑表面連接時，例如使用諸如Unigraphics的實體建模軟體來產生翼型的形狀。實體模型可被製造者直接用於製造翼型。可通過在例如沿每個葉片剖面的邊界的笛卡爾坐標中的一組點來限定另外的尺寸限制，用於檢查目的。笛卡爾坐標系統通常定向為使得X是切向方向，Y是軸向方向，並且Z是徑向方向。圖4示出了渦輪葉片38的剖面，其包括本文所指明的創造性翼型輪廓。每個渦輪葉片38可大致被分成根部區域72、內側區域74、主區域76以及尖端區域78。根部、內側、 主和尖端區域72-78限定了渦輪葉片38的跨度並且限定了旋轉軸線A和遠側葉片尖端80 之間的葉片半徑R。應當理解，當被平滑表面連接時，可在本文限定的任意剖面中間限定出替代的或者另外的剖面。也就是說，翼型部分可使用實體模型製造，該實體模型可替代地或另外地被描述為具有限定在葉片尖端之上和葉片根部之下的另外的剖面。因此，剖面72-78 是翼型的跨度的代表，但是可提供另外的限制，具有不落入該跨度內但可通過實體模型限定的剖面。相同的方法適用於多個翼片。渦輪葉片38限定了前緣82和後緣84，其限定渦輪葉片38的弦(圖6)。由於在給出所描述的具體葉片翼型剖面的適當語言描述上存在難度，在表1-1、表 11-1、表III-I和表IV-I中示出了翼型剖面的一個非限制性實施例的坐標，其代表在根部區域72 (圖7)、內側區域74 (圖8)、主區域76 (圖9)和尖端區域78 (圖10)中截取的剖面。翼型剖面的另一個非限制性實施例在表1-2、表11-2、表III-2和表IV-2中示出。表I-I
權利要求
1.一種用於空氣渦輪啟動器的葉片剖面，包括翼型，其限定通過前緣和後緣的翼型剖面，所述翼型剖面被表I、表II、表III或表IV 的任何一個中限定的一組X坐標和Y坐標限定並被期望因子按比例縮放，所述X坐標是切向方向，所述Y坐標是軸向方向，並且所述Z坐標是翼型根部和翼型尖端之間的徑向方向。
2.如權利要求1所述的用於空氣渦輪啟動器的葉片剖面，其中，所述翼型包括 根部區域；在所述根部區域外側的內側區域； 在所述內側區域外側的主區域；以及在所述主區域外側的尖端區域。
3.如權利要求2所述的用於空氣渦輪啟動器的葉片剖面，其中，所述根部區域由表I限定並由期望因子按比例縮放。
4.如權利要求2所述的用於空氣渦輪啟動器的葉片剖面，其中，所述內側區域由表II 限定並由期望因子按比例縮放。
5.如權利要求2所述的用於空氣渦輪啟動器的葉片剖面，其中，所述主區域由表III限定並由期望因子按比例縮放。
6.如權利要求2所述的用於空氣渦輪啟動器的葉片剖面，其中，所述尖端區域由表IV 限定並由期望因子按比例縮放。
7.如權利要求2所述的用於空氣渦輪啟動器的葉片剖面，其中，所述根部區域由表I限定並由期望因子按比例縮放，所述內側區域由表II限定並由期望因子按比例縮放，所述主區域由表III限定並由期望因子按比例縮放，並且所述尖端區域由表IV限定並由期望因子按比例縮放。
8.一種渦輪轉子，包括 渦輪轉子軸；和從所述渦輪轉子軸延伸的渦輪轂，所述渦輪轉子轂限定多個渦輪葉片，所述多個渦輪葉片的每一個限定通過前緣和後緣的翼型剖面，所述翼型剖面被表I、表II、表III或表IV 的任何一個中限定的一組X坐標和Y坐標限定並被期望因子按比例縮放，所述X坐標是切向方向，所述Y坐標是軸向方向，並且所述Z坐標是翼型根部和翼型尖端之間的徑向方向。
9.如權利要求8所述的渦輪轉子，其中，所述多個渦輪葉片的每一個包括 根部區域；在所述根部區域外側的內側區域； 在所述內側區域外側的主區域；以及在所述主區域外側的尖端區域。
10.如權利要求9所述的渦輪轉子，其中，所述根部區域由表I限定並由期望因子按比例縮放。
11.如權利要求9所述的渦輪轉子，其中，所述內側區域由表II限定並由期望因子按比例縮放。
12.如權利要求9所述的渦輪轉子，其中，所述主區域由表III限定並由期望因子按比例縮放。
13.如權利要求9所述的渦輪轉子，其中，所述尖端區域由表IV限定並由期望因子按比例縮放。
14.如權利要求9所述的渦輪轉子，其中，所述根部區域由表I限定並由期望因子按比例縮放，所述內側區域由表II限定並由期望因子按比例縮放，所述主區域由表III限定並由期望因子按比例縮放，並且所述尖端區域由表IV限定並由期望因子按比例縮放。
15.一種空氣渦輪啟動器，包括渦輪噴嘴，其包括具有多個渦輪翼片的中心穹頂形狀，所述多個渦輪翼片從所述中心穹頂形狀沿徑向延伸；和所述多個渦輪翼片下遊的渦輪轉子，所述渦輪轉子限定多個渦輪葉片，所述多個渦輪葉片的每一個限定通過前緣和後緣的翼型剖面，所述翼型剖面被表I、表II、表III或表IV 的任何一個中限定的一組X坐標和Y坐標限定並被期望因子按比例縮放，所述X坐標是切向方向，所述Y坐標是軸向方向，並且所述Z坐標是翼型根部和翼型尖端之間的徑向方向。
16.如權利要求15所述的空氣渦輪啟動器，進一步包括入口殼體和入口流徑，所述入口殼體包含所述渦輪噴嘴，所述入口流徑由所述中心穹頂形狀和所述入口殼體限定。
17.—種組裝空氣渦輪啟動器的方法，包括將渦輪轉子旋轉地安裝到渦輪噴嘴下遊的入口殼體中，所述入口殼體至少部分地圍繞所述渦輪轉子，所述入口殼體限定與所述渦輪轉子連通的入口流徑的外流徑曲線，所述外流徑曲線至少部分地由截面上的多個弓形表面限定，所述噴嘴限定與所述渦輪轉子連通的所述入口流徑的內流徑曲線，所述內流徑曲線至少部分地由所述中心穹頂形狀限定。
18.如權利要求17所述的方法，其中，所述渦輪轉子限定所述多個渦輪翼片下遊的多個渦輪葉片，所述多個渦輪葉片的每一個限定通過前緣和後緣的翼型剖面，所述翼型剖面被表I、表II、表III或表IV的任何一個中限定的一組X坐標和Y坐標限定並被期望因子按比例縮放，所述X坐標是切向方向，所述Y坐標是軸向方向，並且所述Z坐標是翼型根部和翼型尖端之間的徑向方向。
全文摘要
本發明涉及空氣渦輪啟動器渦輪葉片翼型，具體地，一種用於空氣渦輪啟動器的葉片剖面包括翼型，其限定通過前緣和後緣的翼型剖面。所述翼型剖面被表I、表II、表III或表IV的任何一個中限定的一組X坐標和Y坐標限定並被期望因子按比例縮放。所述X坐標是切向方向，所述Y坐標是軸向方向，並且所述Z坐標是翼型根部和翼型尖端之間的徑向方向。
文檔編號F01D25/24GK102373959SQ20111023577
公開日2012年3月14日 申請日期2011年8月17日 優先權日2010年8月17日
發明者J. 扎維林斯基 D., M. 馬庫萊克 J., 斯萊特 M. 申請人:哈米爾頓森德斯特蘭德公司