CN101429875B - 具有带z形缺口形状的末梢护罩的涡轮机叶片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于涡轮机叶片的Z形缺口形状，具体而言，在一个实施例中，涡轮机(12)叶片(16，20，24)包括：带有前缘(46)和后缘(48)的末梢护罩(21)，前缘(46)和后缘(48)包括根据表I中列出的X，Y和Z的笛卡尔坐标值的Z形缺口轮廓；其中坐标值为尺寸值，该尺寸值代表离用于轮叶(20)的内坐标系的原点的距离；且当用光滑的连续弧线连接X和Y值时限定Z形缺口轮廓。提供了涡轮机(12)。

Description

具有带Z形缺口形状的末梢护罩的涡轮机叶片

技术领域

本发明涉及燃气涡轮发动机，且具体地涉及用于涡轮机叶片(即涡轮机轮叶)的护罩末梢的设计。 

背景技术

燃气涡轮机包括许多运动件，各运动件在运行过程中可能经受应力。例如，燃气涡轮机包括用于从燃烧室中排出的热气体提取能量的涡轮。为了提取该能量，将多个轮叶设置在一系列的级中。各轮叶包括多个构件。例如，各轮叶通常包括翼型件(airfoil)(作为吸收能量的表面)、根部(用于将轮叶锚定到轴上)和护罩末梢(在运行过程中使叶片保持对中)。 

各轮叶承受极高的温度和机械应力。这些因素通常影响整个叶片。从维护和耐用性的角度来看这是成问题的。例如，热膨胀可在相护罩末梢处引起特定程度的应力，此时相邻的末梢彼此接触。 

因此，所需要的是用于护罩末梢的改进的设计。优选地，用于护罩末梢的改进的设计用来降低应力，并由此使得轮叶的性能和耐用性提高。 

发明内容

在一个实施例中，涡轮轮叶包括：带有前缘和后缘的末梢护罩，前缘和后缘包括根据表I中列出的X，Y和Z的笛卡尔坐标值的Z形缺口轮廓；其中坐标值为代表离用于轮叶的内坐标系的原点的距离的尺寸值；并且当用光滑连续的弧线连接X和Y值时限定了Z形缺口轮廓。 

在另一个实施例中，涡轮包括：具有多个轮叶的涡轮叶轮，各轮 叶包括带有前缘和后缘的末梢护罩，前缘和后缘包括根据表I中列出的X，Y和Z的笛卡尔坐标值的Z形缺口轮廓；其中坐标值为代表离用于叶片的内坐标系的原点的距离的尺寸值；并且当用光滑连续的弧线连接X和Y值时限定了Z形缺口轮廓。 

在另一个实施例中，涡轮包括：具有多个轮叶的涡轮叶轮，各轮叶包括带有前缘和后缘的末梢护罩，前缘和后缘包括根据按比例增大及按比例缩小的表I中列出的X，Y和Z的笛卡尔坐标值中的一项的Z形缺口轮廓；其中坐标值为代表离用于叶片的内坐标系的原点的距离的尺寸值；并且当用光滑连续的弧线连接X和Y值时限定了Z形缺口轮廓。 

附图说明

图1显示燃气涡轮机各方面的示范性实施例； 

图2显示第二级轮叶的各方面；以及 

图3是Z形缺口末梢护罩的各方面。 

部件列表 

热气路径                     10 

燃气涡轮机                   12 

第一级隔开喷嘴               14 

第一级隔开轮叶               16 

第二级隔开喷嘴               18 

第二级隔开轮叶               20 

第三级隔开喷嘴               22 

第三级隔开轮叶               24 

箭头                         26 

平台                         30，28 

柄部                         32

鸠尾榫                               40 

气流                                 23 

翼型件末梢                           29 

末梢护罩                             21 

密封件                               42，44 

静止护罩                             45 

前缘                                 46 

后缘                                 48 

具体实施方式

所公开的是用于涡轮轮叶的末梢护罩的设计。被称作“Z形缺口”设计(或Z形缺口轮廓)该设计在运行过程中在相邻的轮叶之间形成联锁状态，在降低应力的同时提供相邻的轮叶的接合。Z形缺口设计可称作包括“Z形成形轮廓”。除了其它作用之外，Z形缺口的成形轮廓还提供了高压涡轮机中涡轮机叶片之间改善的接触相互作用；发动机运行状态下改善的机械叶片载荷；末梢护罩中改善的质量分布，以及Z形缺口区域中相邻护罩之间任意间隙的改善的控制。在对实施例进行详细讨论之前给出一些定义。 

用语“燃气涡轮机”指连续燃烧的发动机。在示范性的实施例中，燃气涡轮机通常包括压缩机、燃烧室(称作“燃烧器”)和涡轮。在运行过程中，燃烧室释放出被引向涡轮的热气体。用语“轮叶”涉及包括在涡轮中的叶片。各轮叶通常具有翼面形状，以用来将冲击在轮叶上的热气体转换成旋转功。用语“涡轮级”涉及绕着涡轮轴的一部分周向地布置的多个叶片。涡轮级的轮叶绕着轴按环形模式排列。 

现在参照附图，尤其是图1，其显示了一般地标识为10的包括多个涡轮级的燃气涡轮机12的热气通道。在该实例中显示了三级。第一级包括多个周向地隔开的喷嘴14和叶片16。喷嘴14周向地彼此隔开并绕着转子的轴线固定。第一级叶片16当然安装到涡轮转子叶轮 (未示出)上。还显示了涡轮机12的第二级，其包括多个周向地隔开的喷嘴18和多个周向地隔开的轮叶20，轮叶20也安装到转子上。还显示了第三级，其包括多个周向地隔开的喷嘴22和安装到转子上的叶片24。将会认识到，喷嘴和叶片位于涡轮机12的热气通道10中，穿过热气通道10的热气流向由箭头26指示。 

现在又参照图2，第二级的各轮叶20设有平台30、柄部(shank)(未示出)和鸠尾榫40，鸠尾榫40用于与形状互补的配合鸠尾榫连接，该配合的鸠尾榫位于形成转子的一部分的转子叶轮上。各第二级轮叶20还包括翼型件23(图2)，翼型件23在从平台28到翼型件末梢29的任意横截面上具有翼面轮廓。 

各第二级轮叶20还设有一般地标识为21(图2)的末梢护罩。各末梢护罩21优选地与轮叶20一体地形成，并且各末梢护罩21在靠近相邻轮叶20的末梢护罩21的相对端处接合，以在第二级叶片的位置处形成限定热气通道的通常为环状的环或护罩。如图2中所示，第二级轮叶20的末梢护罩21包括至少一个(例如一对)沿着其径向外表面轴向地隔开的密封件42和44，该密封件42和44形成一对绕着末梢护罩21的轴向地隔开的连续密封环，用于密封固定到涡轮壳体上的静止护罩45(图1)。如图3中所示，将会认识到，末梢护罩21包括成形的前缘46和后缘48。即前缘46和后缘48位于热气通道10中末梢护罩21的相反的轴向相对的侧边上。在图3中还显示了标注为A到V的一系列的点。注意相对于转子总体的转动方向R而言，点A到K沿着末梢护罩21的前缘46分布，而点L到V沿着末梢护罩21的后缘48分布。 

为了分别限定前缘46和后缘48的形状(即由这些边缘形成的轮廓)，提供了空间中特有的一组点或点的轨迹。具体地，在X，Y和Z轴线的笛卡尔坐标系中，X和Y值在下表I中给出并限定沿着前缘46和后缘48的不同位置的前缘46和后缘48的轮廓。坐标系提供为用于轮叶的内坐标系。相应地，轮叶20的某些方面可以改变(诸如鸠尾 榫40的尺寸)，而不影响限定特有的一组点或点的轨迹的坐标。 

在该实例中，坐标系相对于翼型件23设置并完全由点X，Y和Z限定。点X和Y均位于冷态的转子中心线上方39.600英寸处。点X位于翼型件的中弧线(mean camber line)与前缘翼型件表面的交叉位置。点Y位于翼型件的中弧线与后缘翼型件表面的交叉位置。点Z位于冷态的转子中心线上方49.862英寸处，并位于翼型件的中弧线与翼型件后缘表面的交叉位置。坐标系的原点位于点X处。点X和Y限定了正向的X-轴线。点X，Y和Z限定了正向的X-Z平面。Y-轴线然后用右手法则的方法限定。 

X，Y和Z的坐标值在表I中以英寸为单位列出，但进行适当的数值转换之后也可以使用其它的尺寸单位。通过在所选择的位置相对于X，Y和Z轴线的原点限定X和Y的坐标值，可确定标注为A到V的点的位置。通过用光滑的连续弧线沿着各前缘46和后缘48连接X，Y和Z值，可确定各边缘轮廓。 

将会认识到，这些数值表示环境状态、非运行或非高温状态(即冷态)下的前缘和后缘轮廓。更具体地讲，末梢护罩21具有前缘46，前缘46大体上根据在表I列出的在参考点A到K处的X和Y的笛卡尔坐标值限定前缘轮廓，其中X和Y值为以英寸为单位的离原点的距离。当点A到K用光滑连续的弧线连接时，点A到K限定前缘末梢护罩轮廓。类似地，末梢护罩21具有后缘48，后缘48大体上根据在表I列出的在参考点L到V处的X和Y的笛卡尔坐标值限定后缘轮廓，其中X和Y值为以英寸为单位的离相同原点的距离。当点L到V用光滑连续的弧线连接时，点L到V限定后缘末梢护罩轮廓。通过在具有单一原点的X和Y的坐标系中限定用于前缘46和后缘48的每一个的轮廓，限定了沿着前缘46和后缘48的末梢护罩21的形状。 

为了方便起见，本文所描述的轮廓总称为“Z形缺口”轮廓。通常，Z形缺口设计降低或相当大地降低末梢护罩21和轮叶20中的应力。更具体地讲，Z形缺口轮廓解决了与末梢护罩21中的应力相关的 主失效模式。第一失效模式(未按特定顺序)为LCF，即可归因于疲劳的裂纹。第二失效模式为蠕变，其自身可通过裂纹或应力区中的升高的应变及局部变形来体现。例如，应力区可以是Z形缺口圆角区，或连接末梢护罩21与翼型件23的圆角区。第三失效模式为高循环疲劳(HCF)。HCF由交变应力结合平均应力引起，导致裂纹并由此导致局部失效。交变应力通常由振动引起，而平均应力通常由机械载荷和热载荷引起。 

本文所公开的Z形缺口轮廓可结合到涡轮12中的各个级的轮叶20中。在本文所提供的实例中，包括Z形缺口设计的末梢护罩21是第二级叶片20的一部分。然而，Z形缺口轮廓可有利地用于其它级中。 

Z形缺口轮廓解决了现有设计的限制(即与圆角区域紧靠的高应力)。附加地，Z形缺口设计提供充分的空气动力阻尼及改进的质量分布，以解决末梢护罩21和轮叶20的LCF和蠕变寿命问题。应当注意到，所形成的改善的质量分布对于翼型件23和翼型件23与柄部之间的圆角区域中的应力降低具有进一步的有利影响。 

Z形缺口轮廓可根据需要进行修改。例如，Z形缺口轮廓可进行修改，以考虑翼型件23相对于平台28的一定程度的倾斜或歪曲。相应地，可使用某些统计分析或其它建模方法。 

提供了Z形缺口设计的示范性的参数。在一个实施例中，Z形缺口轮廓包括硬化表面轮廓和三十七(37)度的硬化表面角度。在一个实施例中，Z形缺口圆角半径为大约0.090”。在该实施例中，Z形缺口圆角半径分散了局部应力并改进应力分布。侧面轮廓选择成为Z形缺口设计提供必要的弹性并恰当地分布各末梢护罩21的质量。同样在该实施例中，所形成的Z形缺口轮廓改善了应力分布、降低了挤压的可能性、并提高了末梢护罩21的寿命。 

          表I 

    用于Z形缺口轮廓的点 

  

Pt.#

X

Y

Z

[0048]   

ABCDEFGHIJKLMNO PQRSTUV

-0.324-0.158-0.0390.071 0.794 0.880 0.937 1.028 1.080 1.163 1.954 1.125 1.329 1.448 1.556 2.282 2.369 2.426 2.515 2.568 2.651 3.395

3.396 3.449 3.457 3.409 2.852 2.839 2.906 3.358 3.423 3.418 2.937 0.318 0.381 0.388 0.340 -0.222-0.235-0.1690.270 0.335 0.329 -0.128

11.10311.10311.10311.10311.10311.10311.10311.10311.10311.10311.10311.56711.56711.56711.56711.56711.56711.56711.56711.56711.56711.567

通常，Z形缺口轮廓以2-维(2D)进行描述。在该实例中，提供Z-坐标以将2-维曲线置于3-维空间中(如图2中所示)。曲线沿着矢量凸出(extrude)以形成平坦的表面。 

在一些实施例中，任何点在X，Y和Z方向中的任一个方向或多个方向上的公差为提供在表I中的公称轮廓附近的±0.015＂。 

应当认识到，本文所提供的尺寸仅仅是说明性的而不是限制性的。即，例如其它实施例也可以实现。实例包括按比例设置尺寸(按比例增大或按比例缩小)的实施例，或具有其它维数或尺寸(由各种模型确定)的实施例。相应地，通过外插、内插、按比例调节及通过其它方法设计出的变型也在本文的教导之内。

在一些实施例中，轮叶20的硬化表面轮廓包括大约三十七(37)度的硬化表面角度(θ)(显示在图3中)。 

用于末梢护罩轮叶的Z形缺口轮廓具有许多有利之处，其中一些有利之处包括：对Z形缺口中及围绕Z形缺口的质量分布有更好的控制，这可导致更低的应力并提高叶片的机械寿命；涡轮轮叶在发动机运行过程中平滑的接合；降低挤压的可能性并由此减少失效。 

尽管已参照示范性的实施例对本发明进行了描述，但将会理解，可做出多种变化，并且可用等同物取代其中的要素，而不背离本发明的范围。另外，可进行多种变更，以使具体的情况或材料适应本发明的教导，而不背离其本质范围。因此，本发明旨在不限于作为所设想用来实施本发明的最佳模式而公开的特定的实施例，而本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (15)

1.一种涡轮机轮叶，包括：

带有前缘和后缘的末梢护罩，所述前缘和所述后缘包括根据如下列出的X，Y和Z的笛卡尔坐标值的Z形缺口轮廓，其中点A到V是用于限定所述轮廓的空间中特有的一组点：

其中，所述坐标值为尺寸值，该尺寸值代表离用于所述轮叶的内坐标系的原点的距离，在X，Y和Z轴线的笛卡尔坐标系中，X和Y值限定沿着前缘和后缘的不同位置的前缘和后缘的轮廓；坐标系相对于翼型件设置并完全由点X，Y和Z限定，坐标系的原点位于点X处，点X和Y限定了正向的X-轴线，点X，Y和Z限定了正向的X-Z平面，Y-轴线然后用右手法则的方法限定；X，Y和Z的坐标值以英寸为单位列出；通过在所选择的位置相对于X，Y和Z轴线的原点限定X和Y的坐标值，可确定标注为A到V的点的位置；以及

其中，当用光滑的连续弧线沿着各前缘和后缘连接所述X，Y和Z值时，限定所述Z形缺口轮廓。

2.根据权利要求1所述的涡轮机轮叶，其特征在于，所述涡轮机轮叶形成涡轮机的第二级的一部分。

3.根据权利要求1所述的涡轮机轮叶，其特征在于，硬化表面轮廓和硬化表面角度各包括三十七度的角度。

4.根据权利要求1所述的涡轮机轮叶，其特征在于，所述末梢护罩包括至少一个轴向地隔开的密封件。

5.根据权利要求1所述的涡轮机轮叶，其特征在于，Z形缺口圆角半径为0.090英寸。

6.根据权利要求1所述的涡轮机轮叶，其特征在于，所述Z形缺口轮廓降低低循环疲劳、蠕变和高循环疲劳中的至少一项。

7.根据权利要求1所述的涡轮机轮叶，其特征在于，用于所述坐标值中任一个坐标值的公差为在X，Y和Z方向中的任一个方向或多个方向上±0.015英寸。

8.一种涡轮机，包括：

具有多个轮叶的涡轮机叶轮，各轮叶包括带有前缘和后缘的末梢护罩，所述前缘和所述后缘包括根据如下列出的X，Y和Z的笛卡尔坐标值的Z形缺口轮廓，其中点A到V是用于限定所述轮廓的空间中特有的一组点：

其中，所述坐标值为尺寸值，该尺寸值代表离用于所述轮叶的内坐标系的原点的距离，在X，Y和Z轴线的笛卡尔坐标系中，X和Y值限定沿着前缘和后缘的不同位置的前缘和后缘的轮廓；坐标系相对于翼型件设置并完全由点X，Y和Z限定，坐标系的原点位于点X处，点X和Y限定了正向的X-轴线，点X，Y和Z限定了正向的X-Z平面，Y-轴线然后用右手法则的方法限定；X，Y和Z的坐标值以英寸为单位列出；通过在所选择的位置相对于X，Y和Z轴线的原点限定X和Y的坐标值，可确定标注为A到V的点的位置；以及

其中，当用光滑的连续弧线沿着各前缘和后缘连接所述X，Y和Z值时，限定所述Z形缺口轮廓。

9.根据权利要求8所述的涡轮机，其特征在于，所述轮叶形成所述涡轮机的第二级的一部分。

10.根据权利要求8所述的涡轮机，其特征在于，对于至少一个所述轮叶，硬化表面轮廓和硬化表面角度各包括三十七度的角度。

11.根据权利要求8所述的涡轮机，其特征在于，所述末梢护罩包括两个轴向地隔开的密封件。

12.根据权利要求8所述的涡轮机，其特征在于，Z形缺口圆角半径为0.090英寸。

13.根据权利要求8所述的涡轮机，其特征在于，所述Z形缺口轮廓降低低循环疲劳和蠕变中的至少一项。

14.根据权利要求8所述的涡轮机，其特征在于，用于所述坐标值中任一个坐标值的公差为在X，Y和Z方向中的任一个方向或多个方向上±0.015英寸。

15.一种涡轮机，包括：

具有多个轮叶的涡轮机叶轮，各轮叶包括带有前缘和后缘的末梢护罩，所述前缘和所述后缘包括按比例增大及按比例缩小的如下列出的X，Y和Z的笛卡尔坐标值中的一项的Z形缺口轮廓，其中点A到V是用于限定所述轮廓的空间中特有的一组点：

其中所述坐标值为尺寸值，该尺寸值代表离用于所述轮叶的内坐标系的原点的距离，在X，Y和Z轴线的笛卡尔坐标系中，X和Y值限定沿着前缘和后缘的不同位置的前缘和后缘的轮廓；坐标系相对于翼型件设置并完全由点X，Y和Z限定，坐标系的原点位于点X处，点X和Y限定了正向的X-轴线，点X，Y和Z限定了正向的X-Z平面，Y-轴线然后用右手法则的方法限定；X，Y和Z的坐标值以英寸为单位列出；通过在所选择的位置相对于X，Y和Z轴线的原点限定X和Y的坐标值，可确定标注为A到V的点的位置；以及

其中，当用光滑的连续弧线沿着各前缘和后缘连接所述X，Y和Z值时，限定所述Z形缺口轮廓。

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