CN101446208B - 涡轮机叶片 - Google Patents

Abstract

一种涡轮机叶片(10)，该叶片具有在其后缘(42)附近形成的加强筋(50)，其特征在于，在后缘(42)的主要部分，即在工作时温度特别高的区域，加强筋的端部(53)更靠近后缘和/或加强筋的截面(F)更长。为此，叶片的设计得到优化，其使用寿命得以增加。

Description

涡轮机叶片

技术领域

本发明涉及一种涡轮机叶片，特别涉及处于热燃气流中的叶片，这种叶片要求采用特别装置以使其能在苛刻的温度条件和往往是恶劣的压力条件下工作。该涡轮机可以是地面用，或者也可以是航空用涡轮机，例如，涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机。 

背景技术

在这种涡轮机中，叶片处于燃气流中，这种燃气流的流速有时很高，例如，以超音速的流速流动。叶片所承受的温度变化很大，而且对于航空涡轮机来讲，典型情况下，温度范围在-50℃到1000℃以上。因此，叶片承受相当大的压力和温度梯度。 

因为高温和相应的温度梯度，叶片内会出现相当大的应力。这些应力会导致裂缝的出现，特别是在叶片的后缘部位。很显然，叶片一旦出现这种裂缝，就需要进行更换。 

为了能够使叶片具有可承受这些应力的强度，已知的方法是在其后缘附近使用加强筋。这些加强筋用来加强后缘，但又不会引起叶片厚度的增加，因为厚度的增加会降低叶片的气动力性能。一般来讲，所有加强筋都是设置在与后缘大致相同的距离上。 

参看图2，示出了叶片在其后缘附近使用了加强筋，其按如下所述的已知形式设置。图2是叶片110的叶型(airfoil)140的示意图。该叶片所使用的加强筋150是沿其后缘142设置的。这些加强筋150所处的位置是从平台130一直延伸到叶型140的另一端131。它们基本上平行于平台的上表面132，即，平台的表面是朝向叶型。位于后缘附近的加强筋150的端部153都与后缘具有相同的距离A。此外，距离后缘较远的加强筋的另一端155，与在压力面的主表面156和后缘的表面154之间形成的梯阶158一起都与后缘142相隔恒定的或基本恒定的距离B。 

尽管如此，人们发现这种加强筋不能有效地稳定叶片后缘的位置，在工作时，发现对叶片会造成有害变形，特别是在后缘附近和叶片与平台之间的弯曲连接带。存在于叶片压力面和吸力面的壁之间的温度梯度会沿基本上垂直于后缘的方向引起非线性移动。 

此外，尽管使用了加强筋，但叶片后缘依然是其强度较弱区域，由于工作中此处会出现非常高的热机械应力，所以会导致裂缝的产生。这种裂缝自然会造成叶片不同程度地很快失去作用。 

发明内容

由于存在出现潜在故障的可能性，为此，后缘就成了限制叶片平均使用寿命的一个因素。本发明的第一目的就是提出了一种涡轮机叶片，其具有形成于其后缘附近的加强筋，该叶片从工业角度讲更容易制造，而且，不会出现上述缺陷。 

该目的可以通过如下方式实现，即在后缘的主要部分上，即工作温度非常高的区域内，将加强筋的端部更靠近后缘和/或使加强筋的截面更大。 

相应地，当加强筋伸向后缘的距离较大或较小时，或当加强筋的截面不同时，加强筋就会随叶片工作时局部温度的变化而程度不同地起到加强作用。 

人们发现，由于热膨胀和材料内所产生的应力，温度是决定后缘是否变形的主要参数。加强筋的主要作用就是对后缘进行加强，以使其位置稳定。为此，加强筋有助于降低材料中应力大小。通过改变温度参数而改变加强筋的强度，就可以优化叶片的设计，从而使其稳定，且又不会过份降低其气动力性能。 

叶片工作时的局部温度是设计后缘附近加强筋尺寸时需要考虑的第一个参数。尽管如此，也应考虑其它参数，有时，除了以上所述，有时会采用一些用于加强筋的尺寸定型规则。 

在一个实施例中，在后缘的主要部分，在工作时叶片温度特别高的区域内，在后缘附近的加强筋的强度增加。于是，在较热区域的后缘得到加强，而在温度较低的区域，后缘就不用加强，从而使加强筋的数量和强度降到最小，同时仍能对后缘进行足够的加强，以防止其变形。 

在一个实施例中，在后缘的主要部分，在工作时温度特别高的区域，加强筋的端部更靠近后缘。 

后缘本身是最关键的区域：即叶型的壁的最薄处就是变形风险最大之处。将加强筋延伸到后缘附近，较佳地是在较热区域，后缘就得到加强，同时又不必损坏叶片的气动力性能。 

在一个实施例中，在后缘的主要部分，在工作时温度特别高的区域，加强筋彼此相对靠近。该实施例可以增加加强筋的加强效果，同时又不必为了使加强筋端部更靠近后缘而加大加强筋的截面或增加其长度。这样，既可以获得加强效果，又不必影响叶片的气动力性能。 

在一个实施例中，在后缘的主要部分，在工作时温度特别高的区域，加强筋的截面较大。截面大的加强筋可使后缘的弯曲强度大大高于截面较小的加强筋所能提供的弯曲强度。 

另外，还应注意的是，在上述实施例中，提出了如何提高叶片后缘较热区域的强度。很显然，可以采用相反设置方式，以避免对叶片后缘温度较低区域进行毫无意义的加强。 

在本发明的一个实施例中，叶片还包括平台，叶片在平台附近具有一组较短的加强筋。人们发现，应力往往集中在叶片后缘平台附近。为了限制这些应力，在平台附近设置一些较短的加强筋是非常有用的，例如，第一个加强筋是个短加强筋，或者甚至前两个或前三个加强筋的长度都要短于其它加强筋。 

本发明的第二个目的是，通过提供涡轮机的高压涡轮来解决上述缺陷，所述涡轮包括了根据任何一个实施例中的至少一个叶片。 

附图说明

下面结合示例，通过阅读实施例的详细说明，可以更好地理解本发明，本发明的优点也会清楚显现出来，但本发明并不仅限于所示示例。说明书所参照的附图如下： 

·图1为根据本发明的涡轮机叶片的透视图； 

·图2和图3分别为根据已有技术和根据本发明的涡轮机叶片的局部正面图，所示叶片上的加强筋设置在叶片后缘； 

·图4为图3所示的涡轮机的叶片后缘的温度变化曲线图； 

·图5为根据本发明的涡轮机叶片加强筋的各种可能采用的截面。 

具体实施方式

下面结合图1，介绍根据本发明的涡轮机叶片。 

叶片10包括叶根20、平台30和叶型40。叶型40在压力面46和吸力面48之 间延伸。压力面和吸力面之间经由前缘44和后缘42相互连接。叶型还具有喷射空气的内部管道，这些管道通过通孔52向外打开。这些管道用来向叶片输送冷空气，以防止其温度升高，并进行冷却，这样，使其能在温度甚至非常高的燃气流中使用。 

在后缘处，压力面和吸力面的表面相遇，形成厚度较薄的壁54。该壁54通过加强筋50得以加强。这些加强筋都形成于压力面上。 

位于叶片后缘42附近的压力面46的形状如下。压力面的主表面56的形状一般呈圆形，且很匀称。压力面的该主表面从阶梯中断，并自梯阶58处经由表面57向下游延伸，此处的表面57就是位于压力面上的壁54的表面。加强筋50从所述梯阶58向壁54延伸。槽60形成在两个相邻的加强筋之间。有利的是，在所述槽60内设有喷气孔41，用于冷却后缘42。 

参看图3和图4，将对图1所示涡轮机叶片中加强筋的使用和设置做如下详细说明。图3所示涡轮机叶片10的叶型40上装有一组加强筋50，这些加强筋与叶片10平台30的上表面32基本上平行。这些加强筋50用于加强叶型40后缘的壁54。从加强筋50的上游端开始，这些加强筋自压力面主表面56和叶型后缘表面57之间的梯阶58处开始延伸。 

在图3中，所示梯阶58与后缘42之间的距离为基本上恒定的距离C。一般来讲，梯阶58和后缘42之间的距离C可以变化，例如，会随着加强筋和平台30上表面32之间距离的变化而变化。 

此外，后缘附近加强筋50的端部53与后缘42之间的距离为变化的距离D_i(为了简单起见，并未示出所有的距离D_i)。通过与图4所示温度曲线进行比较，可以对这些距离D_i进行评估。图4所示曲线表示叶片后缘局部温度T°随着与叶片平台距离X的变化而变化。通过图3和图4比较，可以看出在靠近后缘的区域温度T°较高，加强筋的端部53则更靠近后缘，这样可以在其较热区域对后缘进行有效加强。 

例如，如图4所示，在与平台32的距离为X0处的叶片部分中，温度曲线为局部最高。为了对该高温区内的后缘进行加强，这个区域内的加强筋都特别长，而且基本上一直延伸到后缘，即，更确切地讲，加强筋端部与后缘之间的距离缩到最小，如图3所示。 

相反，在温度较低的区域，加强筋50的端部53与后缘之间的距离较大：例如在本示例中，可以看到当叶型40的部分与平台32间的距离为X1时，温度曲线达到最低点，相应地，后缘与后缘附近加强筋端部之间的距离也随着增加，在本示例 中，该距离达到最大。 

尽管如此，应该注意的是，在确定在叶片端部和后缘之间需要保留多大距离时，以上所述的加强筋端部与后缘之间的距离，与叶片后缘局部温度的相关性并不一定是需要考虑的唯一参数。 

例如，如图1所示，可以确定在局部多考虑一些其它标准，例如，在平台附近，以减少部分加强筋的长度(加强筋501，502，503)，来使其端部与后缘形成一定距离，以确保平台附近的灵活性。这种灵活性在沿后缘的该位置处特别有利，因为在这个位置应力高度集中。 

图5示出了本发明叶片中可以使用的各种加强筋的轮廓。所示的参考线E对应所有具相同截面且等距分布的加强筋。这对应于本发明的一个可能的实施例，其中，只是通过改变加强筋的端部和后缘之间的距离来调整加强筋的加强作用。可以看出，每个加强筋的截面的角或大或小地呈锐角或圆角。 

参考线F对应于随温度曲线变化的加强筋截面，这些加强筋的截面在高温区较大(例如，在X0处)，而在低温区则较小(例如，在X1处)。 

参考线G对应于相邻的加强筋之间的间距随着温度曲线的变化而变化，所示加强筋在高温区彼此靠近(例如，在X0处)，而在低温区，彼此之间距离则进一步拉大(例如，在X1处)。 

显然，上面所述各种不同实施方式可以相互结合。

Claims (10)

1.一种涡轮机叶片(10)，该叶片具有在其后缘(42)附近压力面上所形成的加强筋(50)，该叶片的特征在于，在后缘(42)的主要部分，在工作时温度特别高的区域，加强筋的端部(53)更靠近后缘和／或加强筋的截面(F)更大。

2.根据权利要求1所述的叶片，其中，在后缘的主要部分，在工作时叶片温度特别高的区域(X0)内，在后缘附近的加强筋(50)的强度增加。

3.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，其包括平台，并在平台附近具有一组较短的加强筋(501，502，503)。

4.根据权利要求2所述的叶片，其特征在于，其包括平台，并在平台附近具有一组较短的加强筋(501，502，503)。

5.根据权利要求1所述的叶片，其中，在相邻加强筋(50)之间留有槽(60)，在该槽内设有喷气孔(41)。

6.根据权利要求2所述的叶片，其中，在相邻加强筋(50)之间留有槽(60)，在该槽内设有喷气孔(41)。

7.根据权利要求3所述的叶片，其中，在相邻加强筋(50)之间留有槽(60)，在该槽内设有喷气孔(41)。

8.根据权利要求4所述的叶片，其中，在相邻加强筋(50)之间留有槽(60)，在该槽内设有喷气孔(41)。

9.涡轮机的高压涡轮，其包括至少一个根据权利要求1至8中任意一项所述的叶片(10)。

10.一种涡轮机，其包括至少一个根据权利要求1至8中任意一项所述的叶片(10)。

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