專利名稱：空氣渦輪啟動(dòng)器渦輪葉片翼型的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及用于啟動(dòng)氣體渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣渦輪啟動(dòng)器，并且更具體地涉及其空氣動(dòng)力學(xué)流徑。
背景技術(shù)：
許多相對(duì)大型的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，包括渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，可使用空氣渦輪啟動(dòng)器(ATS) 來引發(fā)氣體渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)。ATS通常安裝在附件齒輪箱上，附件齒輪箱進(jìn)而安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)或機(jī)身上。因此，ATS —直安裝在飛機(jī)內(nèi)，即使可能只在每次飛行循環(huán)開始時(shí)進(jìn)行大約片刻的主動(dòng)操作，以及在發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)活動(dòng)期間偶爾操作。ATS通常包括渦輪段，其聯(lián)接到殼體中的輸出段。渦輪段聯(lián)接到高壓流體源，例如壓縮空氣，以通過齒輪系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)輸出段。因而，當(dāng)高壓流體源沖擊在渦輪段上時(shí)，輸出段對(duì)氣體渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本公開一個(gè)示例性方面的一種用于空氣渦輪啟動(dòng)器的葉片剖面包括翼型，其限定通過前緣和后緣的翼型剖面。所述翼型剖面被表I、表II、表III或表IV的任何一個(gè)中限定的一組X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)限定并被期望因子按比例縮放。所述X坐標(biāo)是切向方向，所述Y坐標(biāo)是軸向方向，并且所述Z坐標(biāo)是翼型根部和翼型尖端之間的徑向方向。根據(jù)本公開一個(gè)示例性方面的一種渦輪轉(zhuǎn)子包括從渦輪轉(zhuǎn)子軸延伸的渦輪轂。所述渦輪轉(zhuǎn)子轂限定多個(gè)渦輪葉片(blade)，所述多個(gè)渦輪葉片的每一個(gè)限定通過前緣和后緣的翼型剖面。所述翼型剖面被表I、表II、表III或表IV的任何一個(gè)中限定的一組X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)限定并被期望因子按比例縮放，所述X坐標(biāo)是切向方向，所述Y坐標(biāo)是軸向方向， 并且所述Z坐標(biāo)是翼型根部和翼型尖端之間的徑向方向。根據(jù)本公開一個(gè)示例性方面的一種空氣渦輪啟動(dòng)器包括渦輪噴嘴，其具有中心穹頂形狀和多個(gè)渦輪翼片(vane)，所述多個(gè)渦輪翼片從所述中心穹頂形狀沿徑向延伸。渦輪轉(zhuǎn)子位于所述多個(gè)渦輪翼片下游，所述渦輪轉(zhuǎn)子限定多個(gè)渦輪葉片。所述多個(gè)渦輪葉片的每一個(gè)限定通過前緣和后緣的翼型剖面，所述翼型剖面被表I、表II、表III或表IV的任何一個(gè)中限定的一組X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)限定并被期望因子按比例縮放。所述X坐標(biāo)是切向方向， 所述Y坐標(biāo)是軸向方向，并且所述Z坐標(biāo)是翼型根部和翼型尖端之間的徑向方向。根據(jù)本公開一個(gè)示例性方面的一種組裝空氣渦輪啟動(dòng)器的方法包括將渦輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)地安裝到渦輪噴嘴下游的入口殼體中，所述入口殼體至少部分地圍繞所述渦輪轉(zhuǎn)子， 所述入口殼體限定與所述渦輪轉(zhuǎn)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(gè)弓形表面限定，所述噴嘴限定與所述渦輪轉(zhuǎn)子連通的所述入口流徑的內(nèi)流徑曲線，所述內(nèi)流徑曲線至少部分地由所述中心穹頂形狀限定。


本領(lǐng)域技術(shù)人員將從所公開的非限制性實(shí)施例的以下詳細(xì)描述中明白各種特征。 該詳細(xì)描述的附圖可簡(jiǎn)要介紹如下
圖1是用于通過附件齒輪箱引發(fā)較大渦輪旋轉(zhuǎn)的空氣渦輪啟動(dòng)器(ATS)的總體示意
圖2是ATS的側(cè)視剖面圖； 圖3是渦輪轉(zhuǎn)子的側(cè)視圖； 圖4是渦輪轉(zhuǎn)子的前側(cè)視圖； 圖5是ATS的入口殼體組件的剖面?zhèn)纫晥D； 圖6是渦輪轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)子葉片的透視圖； 圖7-10是渦輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子葉片的輪廓剖面圖； 圖11是ATS的入口殼體組件的剖面?zhèn)纫晥D； 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(cè)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?zhèn)纫晥D； 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；并且
圖23是根據(jù)替代尺寸實(shí)施例的入口殼體的剖面?zhèn)纫晥D，其中，流徑由表XI中的坐標(biāo)限定。
具體實(shí)施例方式圖1示意性地示出了示例性空氣渦輪啟動(dòng)器(ATS) 20，其用于通過附件齒輪箱M 引發(fā)較大氣體渦輪22 (例如渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī))的旋轉(zhuǎn)。應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，本申請(qǐng)不限于與特定類型的旋轉(zhuǎn)機(jī)器一同使用。因此，雖然本申請(qǐng)出于便于說明的目的而被表示和描述為在空氣渦輪啟動(dòng)器中實(shí)施，但應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，其也可在許多其他機(jī)器中實(shí)施，包括但不限于氣體渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、輔助動(dòng)力單元、渦輪增壓器、機(jī)械增壓器、空氣循環(huán)機(jī)、交流發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、集成恒速驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)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(gè)渦輪葉片38的渦輪葉輪36、轂40、以及渦輪轉(zhuǎn)子軸42 (圖3 和圖4)。渦輪葉輪36的渦輪葉片38位于入口殼體組件44的下游，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(gè)翼片50，其引導(dǎo)壓縮空氣流從入口 52通過入口流徑W。經(jīng)過翼片50的壓縮空氣流驅(qū)動(dòng)渦輪葉輪36，然后通過出口 56排出。渦輪葉輪36被壓縮空氣流驅(qū)動(dòng)，使得渦輪轉(zhuǎn)子軸42可通過諸如行星齒輪系統(tǒng)的齒輪系統(tǒng)60 (示意性示出)機(jī)械地驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)器輸出軸58。ATS 20由此傳遞相對(duì)高的負(fù)載通過齒輪系統(tǒng)60，以將來自壓縮空氣的氣動(dòng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，以例如使氣體渦輪22旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)。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(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)分析軟件來限定，并且被優(yōu)化成滿足特定空氣渦輪啟動(dòng)器的特定性能要求。設(shè)計(jì)ATS時(shí)必須知道的一些關(guān)鍵的發(fā)動(dòng)機(jī)特性是發(fā)動(dòng)機(jī)芯部慣性(發(fā)動(dòng)機(jī)中實(shí)際上由ATS旋轉(zhuǎn)的部分)、作為速度的函數(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)芯部曳力矩、作為速度的函數(shù)的其他曳力矩(例如來自安裝有齒輪箱的附件)、以及啟動(dòng)所允許的最大時(shí)間。對(duì)于外界啟動(dòng)溫度條件的范圍，需要這些參數(shù)的值。從這些，ATS啟動(dòng)器的優(yōu)選內(nèi)齒輪比以及，使用CFD工具，效率最高的最優(yōu)翼型形狀，可對(duì)于每個(gè)具體ATS被確定。取決于原始要求的值，翼型形狀將會(huì)是不同的，并且將被優(yōu)化成在啟動(dòng)器的設(shè)計(jì)速度時(shí)表現(xiàn)為具有最高效率。翼型形狀的特性可從一個(gè)翼型形狀到另一個(gè)發(fā)生改變，并且可包括但不限于曲率、最大厚度、軸向弦長(zhǎng)、扭度、從根部到尖端的錐度、前緣半徑、后緣半徑、前緣和后緣從根部到尖端的平直度，等?？梢灾苯影幢壤龜U(kuò)大或按比例縮小翼型形狀來滿足一組不同的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)要求，然而，如果整個(gè)流徑幾何形狀(包括轉(zhuǎn)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(huì)適當(dāng)?shù)爻杀壤?。翼型的形狀可由一組剖面來在尺寸上限定，所述一組剖面位于逐漸增大的徑向位置，例如從翼型的根部剖面下面開始并延伸超過翼型的尖端。當(dāng)被從根部到尖端的連續(xù)平滑表面連接時(shí)，例如使用諸如Unigraphics的實(shí)體建模軟件來產(chǎn)生翼型的形狀。實(shí)體模型可被制造者直接用于制造翼型?？赏ㄟ^在例如沿每個(gè)葉片剖面的邊界的笛卡爾坐標(biāo)中的一組點(diǎn)來限定另外的尺寸限制，用于檢查目的。笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)通常定向?yàn)槭沟肵是切向方向，Y是軸向方向，并且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(chuàng)造性翼型輪廓。每個(gè)渦輪葉片38可大致被分成根部區(qū)域72、內(nèi)側(cè)區(qū)域74、主區(qū)域76以及尖端區(qū)域78。根部、內(nèi)側(cè)、 主和尖端區(qū)域72-78限定了渦輪葉片38的跨度并且限定了旋轉(zhuǎn)軸線A和遠(yuǎn)側(cè)葉片尖端80 之間的葉片半徑R。應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)被平滑表面連接時(shí)，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(shí)體模型制造，該實(shí)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(nèi)但可通過實(shí)體模型限定的剖面。相同的方法適用于多個(gè)翼片。渦輪葉片38限定了前緣82和后緣84，其限定渦輪葉片38的弦(圖6)。由于在給出所描述的具體葉片翼型剖面的適當(dāng)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(gè)非限制性實(shí)施例的坐標(biāo)，其代表在根部區(qū)域72 (圖7)、內(nèi)側(cè)區(qū)域74 (圖8)、主區(qū)域76 (圖9)和尖端區(qū)域78 (圖10)中截取的剖面。翼型剖面的另一個(gè)非限制性實(shí)施例在表1-2、表11-2、表III-2和表IV-2中示出。表I-I
權(quán)利要求
1.一種用于空氣渦輪啟動(dòng)器的葉片剖面，包括翼型，其限定通過前緣和后緣的翼型剖面，所述翼型剖面被表I、表II、表III或表IV 的任何一個(gè)中限定的一組X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)限定并被期望因子按比例縮放，所述X坐標(biāo)是切向方向，所述Y坐標(biāo)是軸向方向，并且所述Z坐標(biāo)是翼型根部和翼型尖端之間的徑向方向。
2.如權(quán)利要求1所述的用于空氣渦輪啟動(dòng)器的葉片剖面，其中，所述翼型包括 根部區(qū)域；在所述根部區(qū)域外側(cè)的內(nèi)側(cè)區(qū)域； 在所述內(nèi)側(cè)區(qū)域外側(cè)的主區(qū)域；以及在所述主區(qū)域外側(cè)的尖端區(qū)域。
3.如權(quán)利要求2所述的用于空氣渦輪啟動(dòng)器的葉片剖面，其中，所述根部區(qū)域由表I限定并由期望因子按比例縮放。
4.如權(quán)利要求2所述的用于空氣渦輪啟動(dòng)器的葉片剖面，其中，所述內(nèi)側(cè)區(qū)域由表II 限定并由期望因子按比例縮放。
5.如權(quán)利要求2所述的用于空氣渦輪啟動(dòng)器的葉片剖面，其中，所述主區(qū)域由表III限定并由期望因子按比例縮放。
6.如權(quán)利要求2所述的用于空氣渦輪啟動(dòng)器的葉片剖面，其中，所述尖端區(qū)域由表IV 限定并由期望因子按比例縮放。
7.如權(quán)利要求2所述的用于空氣渦輪啟動(dòng)器的葉片剖面，其中，所述根部區(qū)域由表I限定并由期望因子按比例縮放，所述內(nèi)側(cè)區(qū)域由表II限定并由期望因子按比例縮放，所述主區(qū)域由表III限定并由期望因子按比例縮放，并且所述尖端區(qū)域由表IV限定并由期望因子按比例縮放。
8.一種渦輪轉(zhuǎn)子，包括 渦輪轉(zhuǎn)子軸；和從所述渦輪轉(zhuǎn)子軸延伸的渦輪轂，所述渦輪轉(zhuǎn)子轂限定多個(gè)渦輪葉片，所述多個(gè)渦輪葉片的每一個(gè)限定通過前緣和后緣的翼型剖面，所述翼型剖面被表I、表II、表III或表IV 的任何一個(gè)中限定的一組X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)限定并被期望因子按比例縮放，所述X坐標(biāo)是切向方向，所述Y坐標(biāo)是軸向方向，并且所述Z坐標(biāo)是翼型根部和翼型尖端之間的徑向方向。
9.如權(quán)利要求8所述的渦輪轉(zhuǎn)子，其中，所述多個(gè)渦輪葉片的每一個(gè)包括 根部區(qū)域；在所述根部區(qū)域外側(cè)的內(nèi)側(cè)區(qū)域； 在所述內(nèi)側(cè)區(qū)域外側(cè)的主區(qū)域；以及在所述主區(qū)域外側(cè)的尖端區(qū)域。
10.如權(quán)利要求9所述的渦輪轉(zhuǎn)子，其中，所述根部區(qū)域由表I限定并由期望因子按比例縮放。
11.如權(quán)利要求9所述的渦輪轉(zhuǎn)子，其中，所述內(nèi)側(cè)區(qū)域由表II限定并由期望因子按比例縮放。
12.如權(quán)利要求9所述的渦輪轉(zhuǎn)子，其中，所述主區(qū)域由表III限定并由期望因子按比例縮放。
13.如權(quán)利要求9所述的渦輪轉(zhuǎn)子，其中，所述尖端區(qū)域由表IV限定并由期望因子按比例縮放。
14.如權(quán)利要求9所述的渦輪轉(zhuǎn)子，其中，所述根部區(qū)域由表I限定并由期望因子按比例縮放，所述內(nèi)側(cè)區(qū)域由表II限定并由期望因子按比例縮放，所述主區(qū)域由表III限定并由期望因子按比例縮放，并且所述尖端區(qū)域由表IV限定并由期望因子按比例縮放。
15.一種空氣渦輪啟動(dòng)器，包括渦輪噴嘴，其包括具有多個(gè)渦輪翼片的中心穹頂形狀，所述多個(gè)渦輪翼片從所述中心穹頂形狀沿徑向延伸；和所述多個(gè)渦輪翼片下游的渦輪轉(zhuǎn)子，所述渦輪轉(zhuǎn)子限定多個(gè)渦輪葉片，所述多個(gè)渦輪葉片的每一個(gè)限定通過前緣和后緣的翼型剖面，所述翼型剖面被表I、表II、表III或表IV 的任何一個(gè)中限定的一組X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)限定并被期望因子按比例縮放，所述X坐標(biāo)是切向方向，所述Y坐標(biāo)是軸向方向，并且所述Z坐標(biāo)是翼型根部和翼型尖端之間的徑向方向。
16.如權(quán)利要求15所述的空氣渦輪啟動(dòng)器，進(jìn)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(dòng)器的方法，包括將渦輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)地安裝到渦輪噴嘴下游的入口殼體中，所述入口殼體至少部分地圍繞所述渦輪轉(zhuǎn)子，所述入口殼體限定與所述渦輪轉(zhuǎn)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(gè)弓形表面限定，所述噴嘴限定與所述渦輪轉(zhuǎn)子連通的所述入口流徑的內(nèi)流徑曲線，所述內(nèi)流徑曲線至少部分地由所述中心穹頂形狀限定。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述渦輪轉(zhuǎn)子限定所述多個(gè)渦輪翼片下游的多個(gè)渦輪葉片，所述多個(gè)渦輪葉片的每一個(gè)限定通過前緣和后緣的翼型剖面，所述翼型剖面被表I、表II、表III或表IV的任何一個(gè)中限定的一組X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)限定并被期望因子按比例縮放，所述X坐標(biāo)是切向方向，所述Y坐標(biāo)是軸向方向，并且所述Z坐標(biāo)是翼型根部和翼型尖端之間的徑向方向。
全文摘要
本發(fā)明涉及空氣渦輪啟動(dòng)器渦輪葉片翼型，具體地，一種用于空氣渦輪啟動(dòng)器的葉片剖面包括翼型，其限定通過前緣和后緣的翼型剖面。所述翼型剖面被表I、表II、表III或表IV的任何一個(gè)中限定的一組X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)限定并被期望因子按比例縮放。所述X坐標(biāo)是切向方向，所述Y坐標(biāo)是軸向方向，并且所述Z坐標(biāo)是翼型根部和翼型尖端之間的徑向方向。
文檔編號(hào)F01D25/24GK102373959SQ20111023577
公開日2012年3月14日 申請(qǐng)日期2011年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月17日
發(fā)明者J. 扎維林斯基 D., M. 馬庫萊克 J., 斯萊特 M. 申請(qǐng)人:哈米爾頓森德斯特蘭德公司