專利名稱：座形狀相符的風(fēng)扇葉片的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明總的涉及燃氣渦輪發(fā)動機，更具體地講，涉及其中的風(fēng)扇。
載客飛機一般地由渦輪風(fēng)扇燃氣渦輪發(fā)動機提供動力。在環(huán)形發(fā)動機艙內(nèi)，轉(zhuǎn)子盤上裝著一排大的風(fēng)扇葉片。發(fā)動機推動風(fēng)扇以便提供推動飛機飛行所需要的推力。
風(fēng)扇首先吸納周圍的空氣但受外物損害，如飛行中由于吸入鳥類而引起的損害。風(fēng)扇葉片比較大因而當(dāng)它們在運行中轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生相當(dāng)大的離心力。即使由于一片風(fēng)扇葉片損壞而導(dǎo)致葉片從其支承盤上脫離亦將使葉片從發(fā)動機中徑向地向外射出。
因此，包圍著一排風(fēng)扇葉片的風(fēng)扇罩通常包括一個葉片安全罩，它吸收射出葉片的能量并容納抑或從發(fā)動機中脫出的葉片。
在這種葉片脫落(blade-out)型故障中，葉片實際上在瞬間中射出，在此很短的瞬間內(nèi)，它處于一排葉片的尾隨葉片旋轉(zhuǎn)運動方向中，因而射出的葉片將碰撞尾隨葉片，對其造成損壞。
射出葉片的脫離造成了葉輪不平衡和相應(yīng)的不平衡載荷，該載荷必定經(jīng)支承構(gòu)件進行相應(yīng)的反作用。一個或多個尾隨葉片的更多的損壞也會影響葉輪的不平衡，并導(dǎo)致相當(dāng)大的二次損壞。
因此，希望提供一種對葉片脫落型故障具有較小危害性的燃氣渦輪發(fā)動機風(fēng)扇。
發(fā)明概要一種包括葉身的風(fēng)扇葉片，此葉身具有葉根和整體座。該座包括前、后端和位于其間的弧形第一、第二側(cè)面。葉根存在比起第二側(cè)面來更靠近座第一側(cè)面的橫向偏移。當(dāng)葉片脫落故障發(fā)生時，作用于尾隨葉片上的沖擊載荷將相應(yīng)被分散，從而減少尾隨葉片上的峰值載荷及其損害。
附圖簡述依據(jù)優(yōu)先實施例，本發(fā)明連同其進一步的優(yōu)點和宗旨，將參考附圖更詳細地描述如下


圖1是經(jīng)本發(fā)明示范性實施例的燃氣渦輪發(fā)動機中的一風(fēng)扇的軸向剖視圖。
圖2是一個圖1所示風(fēng)扇一部分的從前到后的徑向視圖；此圖沿線2-2繪制。
圖3是一個圖2所示風(fēng)扇一部分的局部剖頂視圖。此圖沿線3-3繪制。
圖4是一個圖3所示通過一射出葉片一部分的前方正視圖。此圖沿線4-4繪制。
圖5是圖4所示通過射出葉片及其相鄰尾隨葉片的局部剖頂視圖，此圖沿線5-5繪制。
發(fā)明的詳細描述圖1所示是為飛機飛行提供動力的渦輪風(fēng)扇燃氣渦輪發(fā)動機的風(fēng)扇10的一部分。風(fēng)扇10關(guān)于縱軸或中心軸線對稱，并且包括多個從支承盤14徑向向外伸展的風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片12。風(fēng)扇配置在一個環(huán)形發(fā)動機艙中，發(fā)動機艙中配置一個風(fēng)扇安全罩16，當(dāng)發(fā)生葉片脫落型故障，風(fēng)扇葉片從其支承盤脫離時，該罩吸收能量和容納葉片12。
圖1和圖2所示每一個葉片12包括一個從整體座20徑向向外伸展的整體或單件結(jié)構(gòu)的葉身18。
如圖2、3所示，每一個葉身18包括軸向相對的前緣和后緣22、24，前緣、后緣在葉身高的相對兩端之間從葉根26徑向伸展至葉尖28。葉身還包括一個第一面30(一般是中凹形壓力面)，和一個周向相對的第二面32(一般是凸形吸力面)，第一面和第二面伸展在前緣、后緣及葉根、葉尖之間。
從圖3看得最清楚，每個座整體地與葉身在葉根26處連接，而且每個座都有軸向相對的前、后邊或前、后端34、36，它們在周向相對的、一般呈弧形的第一、第二邊或側(cè)面38、40之間伸展。
還是根據(jù)本發(fā)明，比起座第二側(cè)面40來，葉身葉根26周向地或橫向地更偏向座第一側(cè)面38。
如同一開始在圖2中所示，葉輪14逆時針旋轉(zhuǎn)以便在相鄰的葉身18間吸入空氣42。如圖1所示，空氣42從前緣22至后緣24軸向向后流動，并被葉身葉面30、32的曲率或彎度所造成的氣動葉型壓縮。
如圖3所示，當(dāng)葉身如圖3所示從右向左在支承盤上逆時針旋轉(zhuǎn)時，空氣42在相鄰葉身18之間軸向向后流動。因此，當(dāng)葉片與盤一起旋轉(zhuǎn)時，在圓周方向上，葉身壓力面30領(lǐng)先相應(yīng)的吸力面32。相應(yīng)地，座第一側(cè)面38確定在座第二側(cè)面40之前的前緣，而座第二側(cè)面40確定了相對于葉片及葉輪轉(zhuǎn)動方向的后緣。
圖3說明了一個典型的葉片脫落(blade-out)事件，其中風(fēng)扇葉片之一從支承盤上脫落，并在離心力的作用下徑向向外射出。圖4更詳細地說明了這一情況，其中離心力被用F表示，并在旋轉(zhuǎn)中將風(fēng)扇葉片徑向向外射出。
雖然葉片從支承盤上脫落，但在其完全從風(fēng)扇中射出并被通常地擋在圖1所示的安全罩16中之前，是處于尾隨葉片周向旋轉(zhuǎn)的路程之內(nèi)的。但是，正如圖4開始所示在葉片脫落的時間間隔內(nèi)，下一個尾隨葉片將與脫落的葉片相撞，圖5更詳細地表明此種情況。
再參見圖4，葉身18橫向地向著座前側(cè)面38偏移，相應(yīng)的座的后側(cè)面40便更緊密地與尾隨葉片的壓力面30相鄰。當(dāng)發(fā)生葉片脫落(blade-out)故障時，脫落座的后側(cè)面40因為相對較近將會更快地與尾隨葉身的壓力面30碰撞。
如圖4所示，這一碰撞將發(fā)生在從風(fēng)扇的中心軸線量起相對較小或較低的半徑A上，此位置對應(yīng)于與座緊密相鄰的葉身身高的較低一端。在葉身的這一位置上，葉身的橫截面較厚并比沿葉身身高的外側(cè)位置堅固得多，因為在沿葉身身高的外側(cè)位置上葉身帶斜度，其厚度逐漸變薄。
在這一方式中，碰撞載荷首先由較堅固的、沿葉身身高較低的部位承受，從而減少在葉片脫落(blade-out)時產(chǎn)生的初步碰撞損害。
如圖5所示，座后側(cè)面40的形狀最好與葉身壓力面30的軸向弧形輪廓相符。根據(jù)這一方式，每個葉片的座后側(cè)面40在輪廓上與下一個尾隨葉片的葉身壓力面30相符。這樣，當(dāng)葉片脫落故障發(fā)生時，相應(yīng)的碰撞位置沿葉身的弦向方向相對較長，從而分散碰撞載荷并減輕碰撞損害。
據(jù)此，當(dāng)發(fā)生葉片脫落故障時，一排風(fēng)扇葉片中之一如果從其支承盤上徑向向外射出，就可以得到顯著減小風(fēng)扇損害結(jié)果。單個葉片12的葉身18在旋轉(zhuǎn)方向中沿圓周偏離整體座20的相應(yīng)后側(cè)面40。另外，座后側(cè)面40還在輪廓上與相應(yīng)周向尾隨葉身的壓力面30相符，從而，當(dāng)任一葉片在離心力作用下射出時，其間的接觸載荷得以軸向分散。
如圖4、5所示，座后側(cè)面40最好在徑向上和葉身在相應(yīng)葉身葉根26及1/2高度之間的壓力面30的輪廓相符。相符的輪廓最好位于更靠近葉身最厚的葉身葉根處，而不是1/2高度處。
如圖5所示，葉身壓力面30一般在前、后緣22、24之間是凹入的，而葉片和葉片之間的座后側(cè)面40最好是互補的中凸面。同時，座后側(cè)面40和葉身壓力面30相符的部位最好更靠近前緣22，而不是后緣24。
如圖3所示，風(fēng)扇葉片一般在葉根和葉尖之間包括一個相當(dāng)大的角度扭轉(zhuǎn)B。此扭轉(zhuǎn)角B定義為在葉尖與葉根截面間的相應(yīng)弦長線之間，并且從葉片圓周旋轉(zhuǎn)方向看，前緣22上的葉身葉尖28領(lǐng)先于后緣24。因此，每一個座后側(cè)面40最好在輪廓上或在軸向曲率上和靠近相應(yīng)葉身葉根26及前緣22的葉身壓力面30相符。
圖4、5顯示一個脫落座后側(cè)面40與下一個尾隨葉片碰撞的典型情況。如圖5所示，座后側(cè)面40一般來講有一個預(yù)先選定凸曲率，以便在預(yù)期的撞擊部位上與葉身壓力面30上的凹曲率大體匹配或相符。如上所述，撞擊部位比較靠近葉身葉根和主要靠近葉身前緣，從前緣向后到大約葉身的弦線中點。
圖3更詳細地說明了葉身的空氣動力學(xué)扭轉(zhuǎn)，這一扭轉(zhuǎn)造成了葉身前緣區(qū)域首先與脫離的座碰撞，而葉身的后緣區(qū)域傾斜離開轉(zhuǎn)動方向。這樣，后緣區(qū)域與射出的葉片碰撞的可能性較小，因此座的后部不太必要在側(cè)輪廓上與葉身壓力面不斷退縮的后部保持一致。
因為圖3中所示的風(fēng)扇葉片是相互間緊密相鄰地安裝的，而且包括扭轉(zhuǎn)程度較高葉身，所以座后側(cè)面40能采用的曲率值受到將單個葉片裝入相鄰葉片間的能力的限制。因此，座后側(cè)面的輪廓形狀應(yīng)比毗鄰壓力面的相應(yīng)凹入形狀較淺，以便裝配時不受毗鄰葉身的妨礙或干擾。
一旦選定了需要的座后側(cè)面40的輪廓，相應(yīng)的座前側(cè)面38的輪廓也已決定，以便與另一個相鄰座的座后側(cè)面40相符，從而提供了一個其間較小的周向間隙以便減小運行過程中的空氣泄漏。因此，座后側(cè)面40的形狀應(yīng)與葉身壓力面上預(yù)期的碰撞部位相符，而互補的座前側(cè)面38應(yīng)與另一個相鄰的座后側(cè)相匹配。
圖3說明了怎樣通過扭轉(zhuǎn)和徑向放入相鄰座之間的方法將一個風(fēng)扇葉片12裝配進兩個已經(jīng)裝配好了的風(fēng)扇葉片之間。鑒于葉片座的曲率相當(dāng)大，裝配過程可能要求將單個葉片徑向放入其安裝位置而不是通常所用的軸向插入風(fēng)扇葉片的安裝方法。
如圖1所示的優(yōu)先實施例中，支承盤14包括多個從一個公共輪轂46向外伸展的軸向分隔環(huán)狀輪輞44。
因此，每一個風(fēng)扇葉片最好也包括多個支承用的固定柄腳48，此柄腳從座20徑向向內(nèi)伸展，并直接位于相應(yīng)的葉身18下面。軸向分隔的柄腳48是相間插入相應(yīng)的輪輞44，柄腳上包括一個公共的通孔，將相應(yīng)的定位銷50軸向伸如此通孔中從而將葉片固定于支承輪輞上。
通過定位銷將單個風(fēng)扇葉片進行安裝的方法可用任何常規(guī)的方法實施，葉身的多重軸線通過偏置的座徑向向內(nèi)伸展并進入相應(yīng)的柄腳以便將離心載荷傳遞至輪輞44。此種用銷安裝的方法還允許座前、后側(cè)面38、40具有相當(dāng)大的曲率而致妨礙將單個葉片裝配到葉輪上。
在另一個替換的實施例中(未顯示)，風(fēng)扇葉片采用常規(guī)的軸向插入燕尾榫接合，座側(cè)面的曲率值可能受到將燕尾不受弧形座側(cè)面妨礙而嵌入葉輪圓周上燕尾槽的能力的限制。
帶有形狀相符偏置座的改進風(fēng)扇葉片已經(jīng)在部件和全發(fā)動機測試中進行過葉片脫落試驗。如圖2、4所示，在相應(yīng)定位銷50上的葉片柄腳48內(nèi)誘發(fā)一個故障裂縫52。以運行速度射出的葉片的脫離盡管使座受到撞擊，但未造成任何一片尾隨葉片的物質(zhì)損失。
因為改進座有效地將葉片脫落損害控制在脫落葉片自身而沒有使受碰撞的尾隨葉片產(chǎn)生額外的物質(zhì)損失，因而由此導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子不平衡也是有限的。相應(yīng)地，由于轉(zhuǎn)子載荷不平衡而導(dǎo)致的對其它轉(zhuǎn)子和定子部件的強度要求也可減少，從而減少了整個發(fā)動機的總重和復(fù)雜性。因此改進的形狀相符偏置座除了在其直接優(yōu)點之外還具備復(fù)合的優(yōu)點。
在這里所述的是本發(fā)明的優(yōu)先實施例，本發(fā)明的其它改進對于看過此處描述的本專業(yè)人士來講將會是明顯的。因此，我們希望在附錄的權(quán)利要求書中，對所有包括在本發(fā)明實質(zhì)精神和范圍內(nèi)的這樣的改進進行保護。
因此，依據(jù)美國專利，我們希望根據(jù)權(quán)利要求書中的定義和區(qū)分對此發(fā)明進行保護。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)扇葉片(12)，其包括有和座(20)整體連接的葉根(26)的葉身(18)；所述座有前、后端(34)、(36)，以及在其間伸展的弧形第一和第二側(cè)面(38)、(40)；所述葉根(26)存在比第二側(cè)面(40)更靠近座第一側(cè)面(38)的橫向偏移。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉片，其特征是所述葉身(18)包括從葉根(26)伸展到葉尖(28)的前、后緣(22)、(24)，以及在其間伸展且相對的第一、第二側(cè)面(30)、(32)；所述座第二側(cè)面(40)輪廓上與葉身第一側(cè)面(30)相符。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的葉片，其特征是在葉根(26)和所述葉身1/2高度之間，所述座第二側(cè)面(40)與葉身第一側(cè)面(30)形狀相符。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的葉片其特征是所述座第二側(cè)面的形狀在靠近所述葉根(26)處比靠近1/2高度處更和所述葉身第一側(cè)面(30)相符。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的葉片，其特征是所述葉身第一側(cè)面在所述前、后緣(22)、(24)之間是中凹的，而所述座第二側(cè)面(40)是互補的中凸形。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的葉片，其特征是所述座第二側(cè)面(40)形狀在靠近前緣(22)的地方比靠近后緣(24)的地方更和所述葉身相符。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的葉片其特征是所述葉身從葉根(26)到葉尖(28)是扭轉(zhuǎn)的。并且，在靠近葉身葉根(26)和前緣(22)的地方，座第二側(cè)面(40)的形狀與所述葉身第一側(cè)面(30)相符。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的葉片，其特征是所述座第一側(cè)面(38)在輪廓上與所述座第二側(cè)面(40)相符。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的葉片其特征在于多個支承柄腳(48)，該柄腳從所述葉身(18)下面的所述座(20)伸展。在柄腳上有同軸地排列且在其間伸展的通孔以便接納定位銷(50)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的葉片與轉(zhuǎn)子盤(14)結(jié)合在一起擁有多個從公共輪轂(46)向外伸展的環(huán)狀輪輞(44)，所述柄腳(48)與所述輪輞鄰接，并接納軸向伸展通過所述輪輞的所述定位銷(50)以便將所述葉片固定其上。
11.一種風(fēng)扇10，其包括從轉(zhuǎn)子盤(14)徑向向外伸展的多個葉片(12)；每一個所述葉片(12)包括葉身(18)，葉身有從葉根(26)到葉尖(28)伸展的前、后緣(22)、(24)，并有在其間伸展的相對的第一、第二側(cè)面(30)、(32)；在所述葉根(26)處與所述葉身(18)整體地連接的座(20)，該座有前、后端(34)、(36)，和在其間延伸的弧形第一、第二側(cè)面(38)、(40)；所述葉身葉根(26)存在比所述第二側(cè)面(40)更靠近所述座第一側(cè)面(38)的橫向偏移。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的風(fēng)扇，其特征是所述葉片之一的所述座第二側(cè)面(40)在輪廓上與相鄰所述葉片之一的所述葉身第一側(cè)面(30)相符。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的風(fēng)扇，其特征是每一個葉身從所述葉根(26)到葉尖(28)是扭轉(zhuǎn)的。并且在靠近所述葉身葉根(26)和前緣(22)的地方，所述座第二側(cè)面(40)的形狀與所述葉身第一側(cè)面(30)相符。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述風(fēng)扇，其特征是所述葉身第一側(cè)面(30)在所述前、后緣(22)、(24)之間是中凹的，而所述座第二側(cè)面(40)是互補性地中凸的。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的風(fēng)扇，其特征是所述一片葉片的所述座第一側(cè)面(38)在輪廓上與相鄰和相對的所述葉片之一的座第二側(cè)面(40)相符。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的風(fēng)扇，其特征是所述葉輪(14)包括多個從一公共輪轂(46)向外伸展的環(huán)狀輪輞(44)；每一個所述葉片(12)進一步包括多個從所述相應(yīng)葉身下方的所述座上伸展的支撐柄腳(48)；相應(yīng)的定位銷(50)軸向延伸通過所述柄腳(48)和輪輞(44)以便將所述葉片固定其上。
17.一種在風(fēng)扇(10)中，當(dāng)安裝于支承盤(14)上的一排風(fēng)扇葉片之一射出時減少損失的方法，其包括使所述葉片(12)的葉身(18)周向偏離其整體座(20)的相應(yīng)后側(cè)面(40)；使所述形狀相符座的后側(cè)在輪廓上與相應(yīng)周向尾隨葉身(18)之一的壓力面(30)相符，以便所述葉片之一在離心力作用下射出時分散其間的接觸載荷。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于還包括使所述座后側(cè)面(40)的形狀在靠近相應(yīng)葉根(26)和前緣(22)的地方與所述葉身壓力面(30)相符。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于還包括使所述座后側(cè)面(40)上的凸形曲率與所述葉身壓力面(30)互補的凹形曲率相符。
全文摘要
風(fēng)扇葉片(12)包括具有葉根(26)和整體座(20)的葉身(18)。座前、后端(34、36)和位于其間的弧形第一、第二側(cè)面(38、40)。葉身葉根存在著比第二側(cè)面更靠近座第一側(cè)面的橫向偏移。當(dāng)發(fā)生葉片脫落(blade－out)故障時,尾隨葉片上的碰撞載荷因此而被分散,從而減小尾隨葉片上的峰值載荷和損壞。
文檔編號F01D5/14GK1331380SQ0112213
公開日2002年1月16日 申請日期2001年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月30日
發(fā)明者B·J·安德森, J·H·努斯鮑姆, J·M·戈梅茨 申請人:通用電氣公司