动力涡轮叶片、动力涡轮及燃气涡轮发动机的制作方法

1.本发明涉及涡轮叶片技术领域，特别地，涉及一种动力涡轮叶片。此外，本发明还涉及一种包括上述动力涡轮叶片的动力涡轮。此外，本发明还涉及一种包括上述动力涡轮的燃气涡轮发动机。


背景技术：

2.航空发动机或其他燃气涡轮发动机中具有叶片脱落防止轮盘破裂的机械超转保护功能，即在动力涡轮叶片上设计一个飞脱截面，一旦发动机失去负荷，涡轮转子超转到一定转速后，动力涡轮叶片在该飞脱截面处脱落，从而使轮盘失去转速继续上升的动力，避免了轮盘超转破裂带来的危害发动机后果。
3.中国发明专利cn 109977537 a，提出了“一种涡轮叶片和涡轮叶片的制备方法”，实现当转子超转到某一转速下时，叶片在榫头联接部位截面断裂飞脱，使得涡轮转子失去继续加速能力，进而避免轮盘转速持续上升至破裂转速，导致轮盘破裂。然而在该方案中，涡轮叶片飞脱截面选择在叶片榫头部位，这使得破裂后的叶片包含完整的叶身、下缘板和部分榫头，导致破裂叶片重量大，动能高，为避免飞脱叶片击穿机匣，势必需要增强机匣厚度，以提高机匣包容性。同时，飞脱截面选择在榫头部分，使得叶片榫头部分在设计时，需适当增加榫头长度以布置飞脱截面，这也会导致叶片本身重量的增加。另一方面，为保持涡轮叶片脱落转速与轮盘破裂转速之间的转速裕度，采用此种设计，还需要通过加宽、加厚轮盘的方式，来提高轮盘的破裂转速，从而实现轮盘破裂转速高于叶片破裂转速，这将导致轮盘重量及尺寸的增加，导致动力涡轮重量及加工成本的上升。
4.中国发明专利cn110185498a，提出了一种“防轮盘爆裂叶片及其薄弱结构的设计方法”，给出了一种在动力涡轮叶片叶身上设置薄弱结构，从而保证叶片先于轮盘断裂并飞脱的防止轮盘爆裂的方法。该方法与中国发明专利cn 109977537 a相比可使得断裂并飞脱的叶片质量减小，降低叶片飞断的叶片动能，避免轮盘爆裂危害发动机的后果。但该专利中仅从结构强度角度提出了飞脱叶片薄弱结构的设计方法，而完全没有提及涡轮叶片首先应实现的组织流体流动，实现功率提取并输出转换的功能，且由于该专利是通过改变叶片重量沿叶高方向的分布，通过改变拉伸应力的方式来保证在破裂转速下叶片飞脱，这种方式对叶片外型的影响较大，使得叶片流动损失有所增加，涡轮性能降低，另外，对叶片的飞脱设计也会带来一定的问题，尤其是对于拉升应力较小的动力涡轮第一级工作叶片，可能导致飞脱设计失效，或轮盘重量过大等问题。因此，采用该方法设计的涡轮叶片虽能满足叶片飞脱设计需求，但由于叶片不是按性能最优或较优的方式设计，叶型设计不满足气流组织需求，使得涡轮性能降低，并导致发动机存在耗油率高，排气超温，叶片烧蚀等性能及强度寿命问题。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种动力涡轮叶片及其燃气涡轮发动机，以解决现有的动力涡轮叶
片不能在尽可能不影响或较少的影响涡轮气动性能的前提下，精准满足结构强度和叶片飞脱的需求，又的技术难题。
6.根据本发明的一个方面，提供一种动力涡轮叶片，包括叶身、叶冠和榫头，叶身由沿径向积叠线积叠的多个叶片二维截面组成，叶片二维截面包括型面型心f(x，y)、型面面积a以及径向高度h，叶身包括预设脱落区域，预设脱落区域的径向高度与叶身的径向高度的比值为0.05-0.5，预设脱落区域内的叶片二维截面的型面型心f(x，y)沿径向高度方向呈“《”形状分布，预设脱落区域内设有型面面积a最大的叶身最大截面以及用于叶片断裂的预设飞脱截面，叶身最大截面的径向高度高于预设飞脱截面的径向高度，预设脱落区域的径向长度与叶身的径向长度的比值为0.05-0.2。
7.作为上述技术方案的进一步改进：
8.进一步地，叶身的叶根截面面积和叶尖截面面积的比值为1.5-1.8。
9.进一步地，叶身最大截面amax和叶身的叶根截面面积的比值为1.0-1.02。
10.进一步地，叶身还包括位于预设脱落区域的下沿截面和叶身的叶根截面之间的第一区域以及位于预设脱落区域的上沿截面和叶身的叶尖截面之间的第二区域，第一区域内的型面面积a自叶尖至叶根方向保持面积不变或者面积减小，预设脱落区域内的型面面积a自叶尖至叶根方向先面积增加，再面积减小或者保持面积不变，第二区域内的型面面积a自叶尖至叶根方向面积逐渐增大。
11.进一步地，脱落区域下沿截面型心和脱落区域上沿截面型心在x方向位置相同，飞脱截面型心与脱落区域下沿截面型心和脱落区域上沿截面型心在x方向上的距离均为
△
x，
△
x的取值为0.1-0.2。
12.进一步地，第二区域内各叶片二维截面型心和飞脱截面型心在x方向上的距离均小于
△
x。
13.进一步地，脱落区域下沿截面型心和脱落区域上沿截面型心在y方向位置相同，飞脱截面型心与脱落区域下沿截面型心和脱落区域上沿截面型心在y方向上的距离均为
△
y，第二区域内各叶片二维截面型心和飞脱截面型心在y方向上的距离均小于
△
y。
14.进一步地，榫头的径向高度和动力涡轮叶片的径向高度的比值为0.08-0.13。
15.根据本发明的另一方面，还提供了一种动力涡轮，其包括上述多个沿周向均匀排布的动力涡轮叶片。
16.根据本发明的另一方面，还提供了一种燃气涡轮发动机，其包括上述的动力涡轮。
17.本发明具有以下有益效果：
18.本发明的动力涡轮叶片，将预设脱落区域布设在叶身上，榫头无需设置伸根区域，以有效降低榫头尺寸，降低动力涡轮叶片重量，并可根据动力涡轮叶片破裂飞出后的动能对机匣包容性的影响以及叶身剩余部分做功能力在预设脱落区域的径向高度与叶身的径向高度的比值0.05-0.5选取合适的值，避免飞脱动力涡轮叶片击穿机匣；动力涡轮叶片首先可根据流体仿真结果按气动性能最优的方式进行迭代设计，而后通过调整预设脱落区域内的叶片二维截面的型面型心f(x，y)，使其沿径向高度方向呈“《”形状分布，以增大飞脱截面的弯曲应力；由于预设脱落区域的径向长度与叶身的径向长度的比值仅为0.05-0.2，局部调整叶片二维截面的型面型心f(x，y)对动力涡轮叶片外型影响较小，有利于降低叶型损失，满足了动力涡轮叶片的气流组织需求；叶身最大截面的径向高度高于预设飞脱截面的
径向高度，以提高飞脱截面以上叶身部位叶片重量，降低飞脱截面处的抗拉伸能力，并结合预设脱落区域型面型心f(x，y)的精确调整，实现了同时增大飞脱截面处的弯曲应力和拉伸应力，确保动力涡轮叶片在设定转速下断裂飞脱，，且对叶片截面外型设计限制较小，因此，可满足任意动力涡轮叶片的设计需求，尤其是动力涡轮第一级工作叶片，相对于现有技术，减少了叶型损失，满足了动力涡轮叶片的气流组织需求，还精准的满足了叶片飞脱需求，实用性强，适于广泛推广和应用。
19.除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
20.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
21.图1是现有技术中动力涡轮叶片的结构示意图；
22.图2是本发明优选实施例的动力涡轮叶片的结构示意图；
23.图3是本发明优选实施例的叶身内各叶片二维截面面积沿径向高度方向的分布规律图；
24.图4是本发明优选实施例的叶身内各叶片二维截面型心在x方向上沿径向高度方向的分布规律图。
具体实施方式
25.以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
26.图1是现有技术中动力涡轮叶片的结构示意图；图2是本发明优选实施例的动力涡轮叶片的结构示意图；图3是本发明优选实施例的叶身内各叶片二维截面面积沿径向高度方向的分布规律图；图4是本发明优选实施例的叶身内各叶片二维截面型心在x方向上沿径向高度方向的分布规律图。
27.如图1-图4所示，本实施例的动力涡轮叶片，包括叶身、叶冠和榫头，叶身由沿径向积叠线积叠的多个叶片二维截面组成，叶片二维截面包括型面型心f(x，y)、型面面积a以及径向高度h，叶身包括预设脱落区域，预设脱落区域的径向高度与叶身的径向高度的比值为0.05-0.5，预设脱落区域内的叶片二维截面的型面型心f(x，y)沿径向高度方向呈“《”形状分布，预设脱落区域内设有型面面积a最大的叶身最大截面以及用于叶片断裂的预设飞脱截面，叶身最大截面的径向高度高于预设飞脱截面的径向高度，预设脱落区域的径向长度与叶身的径向长度的比值为0.05-0.2。具体地，本发明的动力涡轮叶片，将预设脱落区域布设在叶身上，榫头无需设置伸根区域，以有效降低榫头尺寸，降低动力涡轮叶片重量，并可根据动力涡轮叶片破裂飞出后的动能对机匣包容性的影响以及叶身剩余部分做功能力在预设脱落区域的径向高度与叶身的径向高度的比值0.05-0.5选取合适的值，避免飞脱动力涡轮叶片击穿机匣；动力涡轮叶片首先可根据流体仿真结果按气动性能最优的方式进行迭代设计，而后通过调整预设脱落区域内的叶片二维截面的型面型心f(x，y)，使其沿径向高度方向呈“《”形状分布，以增大飞脱截面的弯曲应力；由于预设脱落区域的径向长度与叶身
的径向长度的比值仅为0.05-0.2，局部调整叶片二维截面的型面型心f(x，y)对动力涡轮叶片外型影响较小，有利于降低叶型损失，满足了动力涡轮叶片的气流组织需求；叶身最大截面的径向高度高于预设飞脱截面的径向高度，以提高飞脱截面以上叶身部位叶片重量，降低飞脱截面处的抗拉伸能力，并结合预设脱落区域型面型心f(x，y)的精确调整，实现了同时增大飞脱截面处的弯曲应力和拉伸应力，确保动力涡轮叶片在设定转速下断裂飞脱，且对叶片截面外型设计限制较小，因此，可满足任意动力涡轮叶片的设计需求，尤其是动力涡轮第一级工作叶片，相对于现有技术，减少了叶型损失，满足了动力涡轮叶片的气流组织需求，还精准的满足了叶片飞脱需求，实用性强，适于广泛推广和应用。应当理解的是，动力涡轮叶片上飞脱截面的断裂转速主要取决于该处叶身的等效应力σ，而等效应力σ＝σ1+σ2，其中，σ1为拉伸应力，根据公式σ1＝mrω2/a，m为自断裂截面飞出的涡轮叶片质量，r为断裂截面半径高度，ω为涡轮转子转速，a为断裂截面面积。σ2为弯曲应力，它可由叶身所受弯矩通过有限元方法计算得到；所述叶身弯矩由叶身所受载荷乘以叶型型心在x方向偏差
△
x加上叶身所受载荷乘以叶型型心在y方向的偏差
△
y构成，因此，通过使得预设脱落区域内的叶片二维截面的型面型心f(x，y)沿径向高度方向呈“《”形状分布，即可使得飞脱截面处叶身所受弯曲应力σ2增大，而由于叶型最大截面面积位于飞脱截面以上，使得飞脱截面处叶身所受拉升应力σ1也有所增大，从而同时增大飞脱截面的拉伸应力和弯曲应力。应当理解的是，动力涡轮第一级工作叶片的径向高度相对于较后面级的动力涡轮叶片的径向高度小，使得飞脱截面以上部位的叶片重量更低，拉伸应力相对更小，导致叶片飞脱转速相对于后面级涡轮叶片更高，若采用现有的动力涡轮叶片，单纯的通过改变飞脱截面的几何外形，来提升拉伸应力的方式，可能无法满足该级涡轮叶片飞脱设计需求，或使得叶片飞脱失效，轮盘超转破裂，危及涡轮及发动机安全工作，而本实施例通过提高拉伸应力和弯曲应力相结合的方式，可有效满足动力涡轮第一级工作叶片的断裂转速下的飞脱需求。应当理解的是，径向方向和叶片径向高度方向等同。应当理解的是，预设飞脱截面指的是在设定转速下断裂飞脱的截面。
28.本实施例中，叶身的叶根截面面积和叶尖截面面积的比值为1.5-1.8。具体地，当叶身的叶根截面面积和叶尖截面面积的比值在1.5-1.8之间时，在满足叶身的叶根强度要求的同时，可降低叶型损失，实现气动性能优化设计；当叶身的叶根截面面积和叶尖截面面积的比值小于1.5时，叶身的叶根面积过小，叶根应力强，难以满足叶片强度寿命要求；当叶身的叶根截面面积和叶尖截面面积的比值大于1.8时，叶根处面积过大，叶身重量重，叶型损失大，不能实现气动性能最优化设计。应当理解的是，较小的叶片截面面积有利于降低叶型损失，而动力涡轮叶片叶型损失是动力涡轮流动损失的主要来源，因此，更小的叶片截面面积及更合适的积叠规律更有利于降低二维叶型损失及三维二次流损失，从而提高涡轮效率。应当理解的是，为同时满足结构强度及气动性能需要，常规动力涡轮叶片叶根截面面积和叶尖截面面积的比值一般大于2.0。
29.本实施例中，叶身最大截面amax和叶身的叶根截面面积的比值为1.0-1.02。具体地，通过截面面积的减小，使得叶身最大截面amax以下区域叶片强度储备降低，降低叶片断裂转速。同时，将截面面积比控制在1.02以下，又使得叶身强度储备并不至于衰减过快，将叶身寿命控制在要求范围内。
30.本实施例中，叶身还包括位于预设脱落区域的下沿截面和叶身的叶根截面之间的
第一区域以及位于预设脱落区域的上沿截面和叶身的叶尖截面之间的第二区域，第一区域内的型面面积a自叶尖至叶根方向保持面积不变或者面积减小，预设脱落区域内的型面面积a自叶尖至叶根方向先面积增加，再面积减小或者保持面积不变，第二区域内的型面面积a自叶尖至叶根方向面积逐渐增大。具体地，虽然第一区域内的型面面积a自叶尖至叶根方向保持面积不变或者面积减小，使得叶根处的拉伸应力较大，但由于叶型截面面积减小最大不超过2％，使得拉伸应力差距不大，且由于预设脱落区域的型心呈“《”形状布设，第一区域内各叶片二维截面的型心的偏心距是逐渐减小的，使得叶根处的弯曲应力较小，从而相互配合，第一区域内各叶片二维截面所承受的等效应力均小于飞脱截面的等效应力，满足动力涡轮叶片的飞脱需求和强度寿命要求；第二区域内的型面面积a自叶尖至叶根方向面积逐渐增大，使得第二区域内的叶片沿叶尖到叶根方向强度较大，第二区域内的各叶片二维截面所承受的等效应力均小于飞脱截面，满足动力涡轮叶片的飞脱需求和强度寿命要求。
31.本实施例中，脱落区域下沿截面型心和脱落区域上沿截面型心在x方向位置相同，飞脱截面型心与脱落区域下沿截面型心和脱落区域上沿截面型心在x方向上的距离均为
△
x，
△
x的取值为0.1-0.2。具体地，当
△
x的取值在0.1-0.2之间时，预设脱落区域内各叶片二维截面的最大位移量小，可保证第一区域、预设脱落区域和第二区域的叶身光顺连接，不至于使得整个叶身表面过度扭曲，而影响叶片的气动性能。
32.本实施例中，第二区域内各叶片二维截面型心和飞脱截面型心在x方向上的距离均小于
△
x。具体地，由于第二区域内各叶片二维截面型心和飞脱截面型心在x方向上的距离均小于
△
x，使得第二区域内各叶片二维截面的型心相对于飞脱截面型心的偏离叶片型心较少，弯曲应力相对较小，使得第二区域内的各叶片二维截面所承受的等效应力均小于飞脱截面，满足动力涡轮叶片的飞脱需求和强度寿命要求。
33.本实施例中，脱落区域下沿截面型心和脱落区域上沿截面型心在y方向位置相同，飞脱截面型心与脱落区域下沿截面型心和脱落区域上沿截面型心在y方向上的距离均为
△
y，第二区域内各叶片二维截面型心和飞脱截面型心在y方向上的距离均小于
△
y。具体地，由于第二区域内各叶片二维截面型心和飞脱截面型心在y方向上的距离均小于
△
y，使得第二区域内各叶片二维截面的型心相对于飞脱截面型心的偏离叶片型心较少，弯曲应力相对较小，使得第二区域内的各叶片二维截面所承受的等效应力均小于飞脱截面，满足动力涡轮叶片的飞脱需求和强度寿命要求。
34.本实施例中，榫头的径向高度和动力涡轮叶片的径向高度的比值为0.08-0.13。具体地，当榫头的径向高度和动力涡轮叶片的径向高度的比值在0.08-0.13之间时，榫头的尺寸小，有利于降低动力涡轮叶片重量，同时榫头强度适当；当榫头的径向高度和动力涡轮叶片的径向高度的比值小于0.08时，榫头的强度过小；当榫头的径向高度和动力涡轮叶片的径向高度的比值大于0.13时，榫头的尺寸过大，无法降低动力涡轮叶片重量。
35.应当理解的是，本实施例中，叶片二维截面包括预设脱落区域上沿截面、预设脱落区域下沿截面、飞脱截面、叶身的叶根截面以及叶身的叶尖截面。
36.本实施例的动力涡轮，包括多个沿周向均匀排布的上述任一实施例中的动力涡轮叶片。具体地，通过多个动力涡轮叶片实现功率传输的同时，动力涡轮叶片的叶型损失小，满足气流组织需求，动力涡轮工作效率高，同时精确满足动力涡轮在设定转速下的飞脱需
求，避免发动机轮盘超转破裂，机匣包容失效。
37.本实施例的燃气涡轮发动机，包括上述任一实施例中的动力涡轮。具体地，通过采用上述动力涡轮进行功率传输，传输效率高，且发动机安全性好。
38.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种动力涡轮叶片，包括叶身、叶冠和榫头，叶身由沿径向积叠线积叠的多个叶片二维截面组成，叶片二维截面包括型面型心f(x，y)、型面面积a以及径向高度h，其特征在于，叶身包括预设脱落区域，预设脱落区域的径向高度与叶身的径向高度的比值为0.05-0.5，预设脱落区域内的叶片二维截面的型面型心f(x，y)沿径向高度方向呈“<”形状分布，预设脱落区域内设有型面面积a最大的叶身最大截面以及用于叶片断裂的预设飞脱截面，叶身最大截面的径向高度高于预设飞脱截面的径向高度，预设脱落区域的径向长度与叶身的径向长度的比值为0.05-0.2。2.根据权利要求1所述的动力涡轮叶片，其特征在于，叶身的叶根截面面积和叶尖截面面积的比值为1.5-1.8。3.根据权利要求1所述的动力涡轮叶片，其特征在于，叶身最大截面a
max
和叶身的叶根截面面积的比值为1.0-1.02。4.根据权利要求1-3中任意一项所述的动力涡轮叶片，其特征在于，叶身还包括位于预设脱落区域的下沿截面和叶身的叶根截面之间的第一区域以及位于预设脱落区域的上沿截面和叶身的叶尖截面之间的第二区域，第一区域内的型面面积a自叶尖至叶根方向保持面积不变或者面积减小，预设脱落区域内的型面面积a自叶尖至叶根方向先面积增加，再面积减小或者保持面积不变，第二区域内的型面面积a自叶尖至叶根方向面积逐渐增大。5.根据权利要求1-3中任意一项所述的动力涡轮叶片，其特征在于，脱落区域下沿截面型心和脱落区域上沿截面型心在x方向位置相同，飞脱截面型心与脱落区域下沿截面型心和脱落区域上沿截面型心在x方向上的距离均为
△
x，
△
x的取值为0.1-0.2。6.根据权利要求5所述的动力涡轮叶片，其特征在于，第二区域内各叶片二维截面型心和飞脱截面型心在x方向上的距离均小于
△
x。7.根据权利要求1-3中任意一项所述的动力涡轮叶片，其特征在于，脱落区域下沿截面型心和脱落区域上沿截面型心在y方向位置相同，飞脱截面型心与脱落区域下沿截面型心和脱落区域上沿截面型心在y方向上的距离均为
△
y，第二区域内各叶片二维截面型心和飞脱截面型心在y方向上的距离均小于
△
y。8.根据权利要求1-3中任意一项所述的动力涡轮叶片，其特征在于，榫头的径向高度和动力涡轮叶片的径向高度的比值为0.08-0.13。9.一种动力涡轮，其特征在于，包括多个沿周向均匀排布的如权利要求1-8中任意一项所述的动力涡轮叶片。10.一种燃气涡轮发动机，其特征在于，包括如权利要求9所述的动力涡轮。

技术总结
本发明公开了一种动力涡轮叶片，包括叶身、叶冠和榫头，叶身由沿径向积叠线积叠的多个叶片二维截面组成，叶片二维截面包括型面型心F(x，y)、型面面积A以及径向高度H，叶身包括预设脱落区域，预设脱落区域的径向高度与叶身的径向高度的比值为0.05-0.5，预设脱落区域内的叶片二维截面的型面型心F(x，y)沿径向高度方向呈“<”形状分布，预设脱落区域内设有型面面积A最大的叶身最大截面以及用于叶片断裂的预设飞脱截面，叶身最大截面的径向高度高于预设飞脱截面的径向高度，预设脱落区域的径向长度与叶身的径向长度的比值为0.05-0.2。此外，本发明还公开了一种动力涡轮。此外，本发明还公开了一种燃气涡轮发动机。公开了一种燃气涡轮发动机。公开了一种燃气涡轮发动机。


技术研发人员：欧阳玉清 单熠君 赵兰芳 曾飞 熊清勇
受保护的技术使用者：中国航发湖南动力机械研究所
技术研发日：2023.02.09
技术公布日：2023/5/16