CN101035988A - 压气机叶片及压气机叶片的制造和应用 - Google Patents

压气机叶片及压气机叶片的制造和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种压气机(9)的压气机叶片(50)，它沿主轴线(53)包括叶根(55)、平台区(59)和与之连接有型面顶端的叶片型面(61)，该叶片型面(61)由凸的吸入侧壁(69)和与吸入侧壁(69)对置的凹的增压侧壁(67)构成，所述的这些壁面就流动介质而言从流入边(63)向流出边(65)延伸以及型面中线(71)在它们之间在中央延伸，其中，在型面顶端(72)设横向于主轴线(53)延伸的端面(73)，一个密封唇(75)至少部分从流入边(63)到流出边(65)延伸，以及，叶片型面(61)连同密封唇(75)有一个沿主轴线(53)方向延伸的叶片型面高度(H)。为了提供一种经济的且空气动力学效果更佳的、具有改进的其密封效果不变的密封唇的压气机叶片，令密封唇(75)的高度(HL)小于2％叶片型面(61)高度(H)。

Description

压气机叶片及压气机叶片的制造和应用
技术领域
本发明涉及一种用于压气机的压气机叶片，它沿主轴线包括叶根、平台区和与之连接带有型面顶端的叶片型面，该叶片型面由凸的吸入侧壁和与吸入侧壁对置的凹的增压侧壁构成，所述的这些壁就流动介质而言从流入边向流出边延伸以及型面中线在它们之间在中央延伸，其中，在型面顶端设横向于主轴线延伸的端面，一个与叶片型面设计为一体的密封唇至少部分从流入边到流出边与吸入侧壁和增压侧壁相隔一定距离地沿型面中线延伸，以及，叶片型面连同密封唇具有一个沿主轴线方向延伸的叶片型面高度。
背景技术
由US6039531已知一种带有铸在叶身上的密封唇的透平叶片。这种密封唇在型面顶端吸入侧与增压侧之间的中央延伸。
此外，由JP-A-2000130102已知一种压气机工作叶片，它在其叶片型面的自由端有一个端面，一个唇状的肋在该端面处在叶片型面吸入侧区域内从流入边向流出边延伸。此压气机工作叶片的肋在压气机工作时起密封元件的作用，为的是减小压气机内在叶片顶端与压气机通道界边之间产生的叶尖间隙损失。
制造这样一种在叶片吸入侧带有擦掠棱边的密封唇，尤其对于边缘区强烈修正的，也就是说在叶尖区特别强烈地弯曲的叶片，成本可能很高，因为制造或外形铣削要借助一种五坐标铣床实施。在铣削吸入侧的壁及密封唇的几何形状后，叶片吸入侧要手工打磨，以便能达到要求的表面品质。这种手工加工往往导致带有相应缺点的成品缺陷，例如废品或非最佳的轮廓形状。
发明内容
因此本发明所要解决的技术问题是，提供一种空气动力学更佳的压气机叶片，与此同时并不降低密封唇的密封效果。此外，本发明所要解决的技术问题是，提供一种制造这种压气机叶片的经济的方法和压气机叶片的一种应用。
上述涉及压气机叶片的技术问题通过权利要求1的特征得以解决，有关制造方法的技术问题通过权利要求6的特征得以解决，以及有关应用的技术问题通过权利要求8的特征得以解决。
本发明建议，密封唇的高度小于2％叶片型面高度。
本发明从下列认识出发：虽然由于压气机叶片的叶片型面完全令人满意的空气动力学几何形状要借助五坐标铣床或通过精密锻造制成，但借助三坐标铣床仍能经济地制造压气机叶片的按照本发明的密封唇。
因此，生产时可以使用一种更简单的制造方法和/或为此采用一种使用时更经济的机床。这尤其对于在叶尖区强烈地弯曲的压气机叶片是有利的。
此外无补偿地取消了易带来缺陷和成本高昂的加工步骤，例如手工的后续加工。由此缩短生产过程。另外，取消手工的后续加工还导致显著提高过程可靠性。
密封唇按照本发明的几何形状的精度还可以比平行于吸入侧结构的密封唇的几何形状精度更便于检验和控制。这导致进一步降低生产成本。
按照本发明，密封唇的高度最多等于2％叶片型面高度。迄今与叶片型面连接成一体的密封唇由于加工技术方面的原因具有更大的高度。
计算表明，在端面上密封唇的这种新选择的尺寸，对于叶片型面的空气动力学工作能力并没有负面影响，确切地说，由于这种较低的密封唇，增大了叶片型面空气动力学最佳的有效面积，这对于一台配备有按照本发明的压气机叶片的压气机将导致更好的空气动力学效果、导致在叶片型面的叶尖区内较小的流动干扰、以及在总体上导致提高效率。
在从属权利要求中给出一些有利的扩展设计。
尤其是，若密封唇有平行于主轴线延伸的吸入侧侧面和增压侧侧面，则它可以特别简单并因而经济地制造。此外建议，将这两个侧面加工为使它们也平行于型面中线延伸。因此，密封唇的这些侧面不是空气动力学的造型，也就是说，不是如叶片型面侧壁的轮廓形状那样相对于主轴线是倾斜的。此外，密封唇减小了通过型面顶端的叶尖间隙损失。
按一项有利的扩展设计，密封唇的侧面借助擦掠面互相连接，该擦掠面垂直于压气机转子的半径延伸。因此，在外壳或轮毂构件与压气机叶片之间可形成一个减小间隙损失的圆柱形间隙。
按照本发明的压气机叶片可以按相同的方式有利地用作工作叶片和导向叶片。
特别优选的设计是，密封唇的至少一个侧面通过过渡半径与端面互相连接，此半径的尺寸最多等于密封唇高度的25％。基于所述的特别小的过渡半径，可以实现一种极低的密封唇高度。这种过渡半径的制造可与密封唇一起借助带柄铣刀在三坐标铣床上经济地完成。反之，迄今具有以大过渡半径铣削而成的密封唇的强烈弯曲的叶片型面，尤其在流入边与流出边之间的中央区内有一个比在流入边和流出边区域内大的密封唇高度，迄今的结果是导致流动干扰。密封唇或其高度这种凸的变化趋势可通过明显小得多的过渡半径避免。
附图说明
下面借助附图详细说明本发明。附图中：
图1表示具有压气机的燃气轮机的局部纵剖面；
图2表示按照本发明的压气机叶片透视图；以及
图3表示压气机叶片擦掠面详图。
具体实施方式
压气机和燃气轮机及其工作方式是众所周知的。图1表示燃气轮机1，其包括一个可绕旋转轴线3旋转地支承的转子5。
沿旋转轴线3，燃气轮机1有进气机匣7、压气机9、花托状的环形燃烧室11和透平单元13。
不仅在压气机9内而且在透平单元13内分别成环地安装一些导向叶片15和工作叶片17。在压气机9内，导向叶片环21在工作叶片环19之后。在这里，工作叶片17借助转子盘23固定在转子5上，而导向叶片15固定安装在机匣25上。
同样，在透平单元13中设有导向叶片15组成的叶片环21，沿流动介质的方向看，由工作叶片17组成的叶片环在它之后。
导向叶片15和工作叶片17各自的叶片型面在环形流动通道27内辐射状延伸。
当燃气轮机1运行时，空气29通过进气机匣7被压气机9吸入并压缩。在压气机9出口压缩空气被导向燃烧器33，这些燃烧器成环地设在环形燃烧室11上。压缩空气29在燃烧器内与燃料35混合，混合物在环形燃烧室11内燃烧成热燃气37。接着，热燃气37通过透平单元13的流动通道27流过导向叶片15和工作叶片17。在此过程中热燃气37在透平单元13的工作叶片17上膨胀作功。由此使燃气轮机1的转子旋转运动，这种旋转运动用于驱动压气机9和驱动一个图中没有表示出的作功机械。
图2表示压气机叶片50的透视图。压气机叶片50沿主轴线53具有叶根55、包括平台59的平台区57和叶片型面61。叶片型面61在压气机9运行时被空气29绕流，空气在叶片型面61的流入边63流入和从流出边65流出。叶片型面61由增压侧壁67和吸入侧壁69构成，并有一个沿主轴线53方向延伸的叶片高度H。
型面中线71从流入边63延伸到流出边65，它在其延伸过程的任何位置有一条垂直线，该垂直线74既与吸入侧壁69相交也与增压侧壁67相交。在这里，垂直线74和型面中线71的交点与增压侧壁67和垂直线74的交点之间的第一间距A，与型面中线71和垂直线74的交点与吸入侧壁69和垂直线74的交点之间的第二间距B一致。
此外，叶片型面61在其背对平台59的型面顶端72具有端面73，在端面73上设密封唇75。密封唇75比叶片型面61窄，它从流入边63向流出边65延伸并沿型面中线71延伸，也就是说有一定距离地在吸入侧壁69与增压侧壁67的轮廓形状之间延伸。
也称为擦掠边的密封唇75有一个面朝增压侧壁67的第一侧面77和一个面朝吸入侧壁69的第二侧面79。
密封唇75的弯曲侧面77、79平行于型面中线71地延伸，而叶片型面61的吸入侧壁69以及叶片型面61的增压侧壁67出自于空气动力学的原因是倾斜的，换句话说相对于主轴线53倾斜地延伸。因此与现有技术中的叶片相比较，可以实现简化地制造密封唇75。
此外，密封唇75的侧面77、79借助擦掠面81互相连接，该擦掠面81垂直于压气机9转子5的半径。
密封唇75具有平行于主轴线53定向的、在叶片型面的端面73与擦掠面81之间计量的高度HL，它是叶片型面高度H的一部分。
图3表示按照本发明的擦掠边详图。由图中可以清楚看出，密封唇75在吸入侧壁69与增压侧壁67之间的中央从流入边63向流出边65延伸，并有平行于主轴线53和型面中线71定向的侧面77、79。
侧面77、79通过过渡半径R过渡到端面73内，过渡半径R有利地最大为密封唇高度HL的25％。由此可以制造特别低的密封唇，它的高度HL最大等于叶身高度H的2％。
采用密封唇75这种新的几何形状和位置，取消了易带来缺陷和成本高昂的加工步骤。由此既可以降低生产成本而且可以减小所制造的压气机叶片50的废品率。在这里不发生由于压气机叶片50与内机匣之间的径向间隙恶化叶尖间隙损失的情况，同样，由于并不明显地减小最大可能的空气动力学有效型面，所以流动损失也很小。

Claims (8)

1.一种用于压气机(9)的压气机叶片(50)，它沿主轴线(53)包括叶根(55)、平台区(59)和与之连接的具有型面顶端(72)的叶片型面(61)，该叶片型面(61)由凸的吸入侧壁(69)和与吸入侧壁(69)对置的凹的增压侧壁(67)构成，所述的这些壁就流动介质而言从流入边(63)向流出边(65)延伸以及型面中线(71)在它们之间在中央延伸，其中，在型面顶端(72)设横向于主轴线(53)延伸的端面(73)，一个与叶片型面(61)设计为一体的密封唇(75)至少部分地从流入边(63)到流出边(65)、与吸入侧壁(69)和增压侧壁(67)相隔一定距离地沿型面中线(71)延伸，以及，叶片型面(61)连同密封唇(75)有一个沿主轴线(53)方向延伸的叶片型面高度(H)，其特征为：所述密封唇(75)的高度(HL)小于2％的叶片型面(61)的高度(H)。
2.按照权利要求1所述的压气机叶片，其中，所述密封唇(75)有一个吸入侧侧面(79)和一个增压侧侧面(77)，它们平行于主轴线(53)延伸。
3.按照权利要求2所述的压气机叶片，其中，所述两个侧面(77、79)平行于型面中线(71)延伸。
4.按照权利要求2或3所述的压气机叶片(50)，其中，所述密封唇(75)的侧面(77、79)借助擦掠面(81)互相连接，该擦掠面(81)垂直于压气机(9)转子(5)的半径。
5.按照权利要求1至4中任一项所述的压气机叶片(50)，其中，所述密封唇(75)的至少一个侧面(77、79)通过半径(R)与所述端面(73)互相连接，该半径(R)的尺寸最多等于所述密封唇(75)高度(HL)的25％。
6.一种制造按照权利要求1至5中任一项所述压气机叶片(50)的密封唇(75)的方法，其特征为：在叶片型面(61)的型面顶端(72)上借助三坐标铣床铣削所述密封唇(75)。
7.按照权利要求6所述的方法，其中，所述压气机叶片(50)通过铣削或精密锻造制成。
8.按照权利要求1至5中任一项所述的压气机叶片在压气机(9)中，尤其在固定式轴流燃气轮机(1)的压气机中的应用。
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