CN101493017A - 用于涡轮机的气冷式叶片 - Google Patents

Abstract

用于涡轮机的气冷式叶片(20，22，24)，包括设置成将叶片连接至涡轮机叶轮(16)的燕尾榫部分(46)，所述燕尾榫部分具有下表面(78)。所述叶片还包括从燕尾榫部分伸出的接头部分(44)和翼面(40)，翼面具有底部(120)和顶部(122)，翼面形状，和基本根据表I中列出的X，Y和Z的直角坐标值(54)的标称轮廓。所述叶片还包括多条冷却通道(100)。所述多条冷却通道包括不超过五条在所述翼面的底部和顶部之间延伸的冷却通道(102，104，106，108，110)。每条冷却通道都在所述顶部引出所述翼面，所述多条冷却通道被设置为弧线模式(140)。

Description

用于涡轮机的气冷式叶片

相关申请的参见

本申请要求2007年9月28日提交的，申请号为60/976,238，发明名称为“涡轮机叶片翼面冷却孔的位置、形式与结构”的美国临时专利申请的受益权。

技术领域

本发明整体上涉及涡轮机叶片领域，更特别地，涉及一种包括具有冷却孔的冷却回路的涡轮机叶片，冷却孔的尺寸和位置被设置为有助于优化冷却能力和涡轮机的效率。

背景技术

在公知的燃气涡轮发动机中，燃烧气体使得驱动压缩机的涡轮机旋转。压缩机将加压空气送至燃烧室以生成燃烧气体。因为这种发动机在相对较高的温度下运行，所以这种发动机的容量可能会被用于制造涡轮机叶片(blades)，本文中有时称作“叶片(buckets)”的材料所限制。更具体地，较高的温度可能导致在叶片中产生可以限制其运转的热应力。这种应力在工业燃气涡轮发动机中可能会因为涡轮机叶片相对较大的尺寸而更加严重。

涡轮机被设计成在有助于实现所需性能和效率的预定温度下运行。通常，较新的涡轮机被设计成在较高的温度下运行，与在较低温度下运行的涡轮机中使用的叶片相比这需要更好地冷却叶片。在连续暴露在高温中以后，涡轮机叶片可能就需要更换。

为了使涡轮机能够在较高的工作温度和增大的发动机效率下运行而不用冒叶片故障的风险，至少某些涡轮机使用的是中空的对流冷却式涡轮机叶片。至少部分这种叶片包括给叶片内部提供冷却气流的内部冷却通道以便于将叶片保持在相对稳定的温度下。涡轮机气流被从压缩机转入叶片内的内部通道。在替换涡轮机叶片时，可能希望保持与先前使用的叶片基本类似的冷却气流水平。

发明内容

在一种应用中，提供了一种用于涡轮机的叶片。该叶片包括设置成将叶片连接至涡轮机叶轮的燕尾榫部分。燕尾榫部分包括下表面。该叶片还包括从燕尾榫部分伸出的接头部分和翼面，翼面包括底部，顶部，翼面形状，和基本根据表I中列出的X，Y，Z直角坐标值的标称轮廓(nomianl profile)。Z是从燕尾榫部分的下表面算起的距离，而X和Y是在从下表面算起的各距离Z处限定所述轮廓的坐标。该叶片还包括多条冷却通道。多条冷却通道包括不超过五条在翼面的底部和顶部之间延伸的冷却通道。每条冷却通道的出口都在所述顶部，且多条冷却通道被以弧线模式设置。

在另一种应用中，提供了一种燃气涡轮发动机。该燃气涡轮发动机包括转子和多个叶片，其中转子包括至少一个转子叶轮，多个叶片从至少一个转子叶轮径向延伸。多个叶片中的每一个都包括燕尾榫部分，接头部分，翼面，和多条延伸穿过其中的冷却通道。翼面具有基本根据表I中列出的X，Y，Z直角坐标值形成的标称轮廓，其中Z是从燕尾榫部分的下表面算起的距离，而X和Y是在从下表面算起的各距离Z处限定轮廓的坐标。多条冷却通道中的每一条都在燕尾榫部分的下表面和每个翼面的顶部之间延伸。多条冷却通道包括不超过五条以弧线模式设置的冷却通道。

附图说明

图1是包括第二级涡轮机叶轮的示范性涡轮机的截面示意图；

图2是可以被用于图1所示的涡轮机中的示范性涡轮机叶片的正视图；

图3是图2中所示涡轮机叶片的侧视图；

图4示出了图2中所示涡轮机叶片的透视图并示出了针对表I中所列的X，Y和Z值的直角坐标系；

图5是沿图4中所示各线截取的涡轮机叶片的截面图；

图6是图2中所示涡轮机叶片沿1-1线截取的截面图；

图7是图2中所示涡轮机叶片沿2-2线截取的截面图；

图8是图2中所示涡轮机叶片沿3-3线截取的截面图。

具体实施方式

图1示出了示范性涡轮机10的截面图。在示范性实施例中，涡轮机10包括转子12，转子12具有各自的第一，第二和第三级转子叶轮14，16和18，其包括各自的叶片(buckets)20，22和24以及各自的定子叶片(stator vanes)26，28和30。每排叶片20，22和24以及定子叶片26，28和30限定出涡轮机10的后续级。在示范性实施例中，涡轮机10是三级涡轮机。可选地，涡轮机10可以包括多于或少于三级。在一个实施例中，涡轮机10是由纽约州斯克内克塔迪市的通用电气公司生产的通用电气6B型燃气涡轮机。

在第二涡轮级中，转子叶轮16包括与上游的定子叶片30轴向相对安装的叶片22。叶片22被环绕第二级叶轮16设置。在示范性实施例中，第二级叶轮16包括92个叶片22。

图2和图3示出了示范性涡轮机叶片22的正面透视图和侧面透视图。在示范性实施例中，叶片22包括从平台42向外延伸的翼面40，和从平台42的相对侧向外延伸的接头44。接头44的径向内端从燕尾榫46伸出，用于将叶片22连接至涡轮机叶轮16(如图1所示)。如图所示，燕尾榫46与在涡轮机叶轮16内形成的对应燕尾榫开口(未示出)配合。叶片22还包括从接头44轴向向外延伸的叶轮空间密封部件也就是角翼(angel wing)52。在示范性实施例中，翼面40由公知的镍基高温合金例如738号合金制成。

图4示出了图2中所示涡轮机叶片22的透视图并示出了针对随后的表I中所列的X，Y和Z值的直角坐标系54。直角坐标系54具有垂直关系的X轴，Y轴和Z轴，其中Z轴或基准轴基本垂直于平台42并大体上沿穿过翼面40的径向方向延伸。图中示出了翼面40的第一部分58，第二部分60，第三部分62，第四部分64，第五部分66，第六部分68，第七部分70，第八部分72，第九部分74，和第十部分76。

图5是从翼面40的第一部分58，第二部分60，第三部分62，第四部分64，第五部分66，第六部分68，第七部分70，第八部分72，第九部分74，和第十部分76截取的截面图。Y轴基本平行于涡轮机的中心线也就是旋转轴延伸。通过确定径向方向也就是Z方向上选定位置的X和Y坐标值，即可确定翼面40的轮廓。通过用平滑的连续弧线连接X和Y坐标值，在各径向距离Z处的各个轮廓部分就都被确定。在径向距离Z之间的不同表面位置处的表面轮廓可以通过连接相邻的轮廓而确定。用于在每一个径向位置或翼面高度Z处确定翼面部分轮廓的X和Y坐标被制成下述的表格I，其中叶片22的下表面78处的Z坐标等于零。这些表格中的数据以英寸的形式给出并表示在大气环境，非运行或不热的条件下并且是未涂层翼面的实际翼面轮廓。翼面40可以被至少部分地用涂层覆盖(图4中未示出)，这可能会增加翼面40的尺寸。在一个示范性实施例中，涂层保护翼面40免受腐蚀和/或氧化。另外，表I中使用的符号规定指定Z值为正值而X和Y坐标为直角坐标系中通常使用的正值和负值。

表I中的数值是计算机生成的并显示四位小数。但是，从制造的约束条件的角度来看，用于成型翼面40的实际数值仅被认定三位小数有效以确定翼面40的轮廓。而且，在翼面40的轮廓中还存在有标准制造公差。因此，表I中给出的轮廓数值是针对标称翼面而给出的。因此应该理解对于X，Y和Z值允许有正或负的标准制造公差并且具有基本根据这些数值的轮廓的翼面也包括这样的公差。例如，大约±0.010英寸的制造公差是处于翼面设计限制范围内的但优选地保持大约±0.008英寸的制造公差。因此，可接受带有三位小数并具有大约±0.010英寸但优选为大约±0.008英寸的制造公差的X和Y值，以在遍及翼面整个长度方向上的每个径向位置限定翼面40的轮廓。

翼面40将动能给予气流并因此提供所需的通过压缩机(未示出)的流量。翼面40在各自的参照翼面框架内改变流体流动的方向，降低流体流动的相对速度，并形成流体流动的静态压力的增加。翼面40，以及周围与其互相作用的翼面以及外围表面，在某些示范性实施例中有助于：分级气流效率，提高空气动力性能，平滑级间层流，降低热应力，增强级间互动以有效地在级间通过气流，并降低机械应力。通常，多排翼面级例如但不限定于转子/定子叶片被定向为实现所需的排气进气压力比。翼面40可以利用燕尾榫46被连接至叶轮(如图2和图3所示)。

翼面40的朝向，以及与周围翼面的相互作用，有助于提供所需的流体流动的动力性能和层流。流体流动与翼面相交并被增强，更具体地，流体动力性能和来自翼面40的层流被增强。这样，有助于向附近/下游的翼面流体流动的平滑过渡。而且，来自每个翼面40的流体继续向着下游的附近/下游翼面流动并因来自翼面40的增强的层流流体而被增强。因此，翼面40的朝向有助于防止包括翼面40的单元内的流体湍流。

在示范性实施例中，翼面40的结构(与或者不与流体流动互相作用)可以利用各种设计方法和实践决定。这些设计方法和实践可以包括但不仅限于包括：计算流体动力学(CFD)，常规流体动力学分析，欧拉方程和纳维叶-斯托克斯方程，手动定位，流动测试(例如在风洞中)，和翼面修正，原地测试，建模，应用科学原理设计并研发翼面，机器，装置，或加工过程，以及翼面流动测试与修正等。

如上所述，翼面40的结构，以及翼面40与周围翼面和外围表面的相互作用，与其他具有相似应用的类似翼面相比，除了其他需要的效果之外，还有助于分级气流效率，提高空气动力性能，平滑级间层流，降低热应力，增强级间互动以有效地在级间通过气流，并降低机械应力。在示范性实施例中，翼面40与使用公知翼面的涡轮机相比有助于提高涡轮机运行效率。效率的提高除了上述优点之外还提供了增大的动力输出以及所需燃料量的降低。同样，还降低了发动机生成的排放物。

如上所述，翼面40还可以被涂敷以保护翼面40在根据表I中的数值和在上述介绍的公差范围内被加工完成后免受腐蚀和氧化。因此，除了针对表I中列出的X值和Y值的公差以外，还可以另外有对应于涂层厚度的数值。

表I

孔1	-0.663	-0.0626	4.3045	-0.2702	0.1279	5.1101	-0.5863	0.0714	5.9156
										孔2	-0.2928	0.102	4.3045	-0.6246	0.0044	5.1101	-0.2477	0.1538	5.9156
孔3	0.4613	0.0371	4.3045	0.8424	-0.3783	5.1101	0.4303	-0.0478	5.9156
										孔4	0.8746	-0.3089	4.3045	0.4458	-0.0054	5.1101	0.8101	-0.4478	5.9156
孔5	0.0875	0.1167	4.3045	0.0965	0.0998	5.1101	0.1055	0.0828	5.9156

孔1	-0.5479	0.1383	67212	-0.5096	0.2053	7.5267	-0.18	0.2314	8.3323
										孔2	-0.2251	0.1797	6.7212	-0.2026	0.2056	7.5267	-0.4713	0.2723	8.3323
孔3	0.4148	-0.0903	6.7212	0.3993	-0.1327	7.5267	0.3838	-0.1752	8.3323
										孔4	0.1145	0.0659	6.7212	0.1236	0.0489	7.5267	0.1326	0.0319	8.3323
孔5	0.7778	-0.5172	6.7212	0.7455	-0.5867	7.5267	0.7132	-0.6561	8.3323

孔1	-0.1575	0.2573	9.1378	-0.1349	0.2832	9.9434	-0.1124	0.3091	10.7489
										孔2	-0.4329	0.3392	9.1378	-0.3946	0.4062	9.9434	-0.3563	0.4732	10.7489
孔3	0.3684	-0.2177	9.1378	0.3529	-0.2601	9.9434	0.3374	-0.3026	10.7489
										孔4	0.1416	0.015	9.1378	0.1506	-0.002	9.9434	0.1596	-0.019	10.7489
孔5	0.6809	-0.7256	9.1378	0.6486	-0.795	9.9434	0.6163	-0.8645	10.7489

孔1	-0.3179	0.5402	11.5545
				孔2	-0.0898	0.335	11.5545
孔3	0.3219	-0.345	11.5545
				孔4	0.1687	-0.0359	11.5545
孔5	0.584	-0.934	11.5545

图5是涡轮机叶片22的截面图。如图2所示，叶片22包括多个流体冷却介质通道100，也可以被称作冷却通道。在一个示范性实施例中，流体冷却介质是空气。可选地，任何便于冷却本文中介绍的涡轮机叶片22的流体冷却介质都可以使用。在该示范性实施例中，多条冷却通道100包括第一冷却通道102，第二冷却通道104，第三冷却通道106，第四冷却通道108，和第五冷却通道110。为了提高翼面40的冷却效果，通道100从翼面40的底部120穿过翼面40延伸至翼面40的顶部122。通道1100基本直线地延伸穿过组合弯曲翼面40并继续穿过平台42，接头部分44，和燕尾榫部分46。

在示范性实施例中，冷却介质例如空气可以被送至延伸穿过翼面40的多条冷却通道1100中。上面装有叶片22的叶轮16包括在燕尾榫46被固定至叶轮16时通向冷却通道100内的单个充气室。因此，随着叶轮16的旋转，冷却介质从叶轮16内的单充气室被送入冷却通道100，以在经过在翼面40的顶部122内限定出的冷却孔出口位置排出之前经过通道100径向向外流动。

涡轮机被设计成在能够提供所需性能和效率的预定温度下运行。通常，较新的涡轮机与较旧的涡轮机相比被设计成在较高的温度下运行并且较新涡轮机的部件被设计为承受较高的温度。为了承受较高的温度，翼面的形状可以被改变和/或构成叶片的材料也可以被改变。在另一个实施例中，叶片被设有较大的冷却通道以保持整个翼面的合适温度。但是，从压缩机中转移大量的空气并转入冷却通道可能会降低涡轮机的效率。改变从压缩机转移并转入冷却通道的空气量可能也会引发政府的管制要求并迫使涡轮机操作者履行报告要求和/或采取其他措施。因此，在替换磨损或损坏的叶片时，用设计成新的更高温度涡轮机的叶片去替换叶片并不总是必要或有利的。在替换磨损或损坏的叶片时，保持原来叶片的供给条件，叶片寿命预期，和维修策略是有利的。这包括保持与先前所述基本类似的叶片冷却水平。但是，使替换叶片具有修改了的形状和材质，如果该形状和材质提高了涡轮机的性能，那么也是有利的。

如上所述，图2是涡轮机叶片22的正视截面图并示出了冷却通道100的示范性朝向。图6是沿1-1线(如图2所示)截取的翼面40的截面图。图7是沿2-2线(如图2所示)截取的翼面40的截面图。图8是沿3-3线(如图2所示)截取的翼面40的截面图。冷却通道100的示范性朝向有助于翼面40保持和/或提高涡轮机的性能和叶片的寿命。

为了便于用本文中介绍的叶片22替换原有的四孔二级叶片，示范性实施例中的空气通道100沿弧线模式140(如图5所示)延伸。更具体地，在示范性实施例中，弧线模式140通常沿翼面40的平均弧线142(如图5所示)延伸。平均弧线142在翼面40的吸气侧表面144(如图5所示)和加压侧表面146(如图5所示)之间的所有点都是等距的。在示范性实施例中，空气通道100的边缘和翼面40的吸气侧表面144和/或加压侧表面146之间的距离都不小于大约0.050英寸。可选地，空气通道100的位置可以在翼面40内被调整为能够调节通道直径而不用违反最小壁厚要求。而且，在可选的实施例中，弧线模式140可以从平均弧线142处略微移动或变化以便于翼面的有效冷却。

如图所示，多条冷却通道100包括第一102，第二104，第三106，第四108，和第五冷却通道110，均穿过翼面部分40延伸。作为参考，第一冷却通道102被设置为最靠近前缘150(如图6所示)而第五冷却通道110被设置为最靠近后缘152(如图6所示)。在一个示范性实施例中，第一102，第二104，第三106，和第四冷却通道108的直径160，162，164和166分别为穿过翼面40的大约0.070英寸。换句话说，在该示范性实施例中，直径160，162，164和166为2-2线(也就是底部120，如图2所示)和3-3线(也就是顶部122，如图2所示)之间的大约0.070英寸。在该示范性实施例中，穿过翼面40的第五冷却通道110的直径168为大约0.050英寸。在一个示范性实施例中，冷却通道的直径具有大约±0.005英寸的尺寸公差。

在一个示范性实施例中，第一102，第二104，第三106，第四108，和第五冷却通道110还延伸穿过接头44和燕尾榫46。在该示范性实施例中，1-1线和2-2线之间的直径160，162，164，166和168更大。在该示范性实施例中，1-1线和2-2线之间的直径160，162，164和166为0.140英寸，而1-1线和2-2线之间的直径168为0.100英寸。

翼面部分40的冷却通道出口位置被重新设置以允许直径最大化而在一侧不违反最小壁厚要求同时在另一侧流出足够多的余量。出口位置被确定在叶片22的下表面78和翼面部分40的顶部122。

表II提供了示范性的冷却通道位置和涡轮机叶片22内的孔径。位置和孔径以英寸的形式给出，而且还以毫米的形式给出(例如，第一通道102具有从1-1线到2-2线的直径160为0.140英寸或3.56毫米)。

表II

参照图6-8，表II中参照用于定位冷却通道的X，Y，Z直角坐标系的原点是基准面S，T和U的交点。这些基准面已在附图中标明。到孔中心的距离X是与基准面T之间的距离而距离Y是与基准面S之间的距离。距离X和距离Y的值在距离基准面U的三个不同距离处提供。更具体地，距离X和距离Y的值在1-1线(也就是底部)，2-2线(也就是中部)，和3-3线(也就是顶部)提供。同时距离Z是与基准面U之间的距离。因此，坐标系的原点位于基准面S，T和U的交点处。图6是沿1-1线截取的涡轮机叶片22的截面图。图7是沿2-2线也就是接头和翼面冷却通道的交线截取的涡轮机叶片22的截面图。图8是沿3-3线截取的涡轮机叶片22的截面图。在该示范性的实施例中，通道100是使用型管电化学加工(STEM)技术成型的。

涡轮机叶片的上述实施例提供了一种针对目前使用的二级叶片的成本低并且可靠的替换方式。上述叶片在叶片被替换后仍保持原有的供应条件和类似的维修策略同时还保持和/或提高了涡轮机的性能和叶片的寿命。

上面详细介绍了用于涡轮和涡轮发动机的叶片的示范性实施例。气冷式叶片和涡轮发动机并不局限于本文中介绍的特定实施例，而且这些部件可以独立和分离于在此介绍的其他部件来使用。

本书面说明书使用实施例来公开本发明，包括最佳实施方式，并且还能够让本领域普通技术人员实践本发明，包括制作和使用各种装置或系统以及实行各种结合的方法。本发明的专利范围由权利要求确定，并且可以包括本领域普通技术人员能够想到的其他实施例。其他的这些实施例如果具有不背离权利要求实质含义的结构部件，或者如果包括等价的与权利要求的实质含义没有本质不同的结构部件，那么就应该被理解为落入权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1、一种用于涡轮机(10)的叶片(20，22，24)，所述叶片包括：

设置成将所述叶片连接至涡轮机叶轮(16)的燕尾榫部分(46)，所述燕尾榫部分包括下表面(78)；

从所述燕尾榫部分伸出的接头部分(44)；

翼面(40)，翼面包括底部(120)，顶部(122)，翼面形状，和基本根据表I中列出的X，Y和Z直角坐标值(54)的标称轮廓，其中Z是从所述燕尾榫部分的所述下表面算起的距离，而X和Y是在从所述下表面算起的各距离Z处限定所述轮廓的坐标；和

多条冷却通道(100)，所述多条冷却通道包括不超过五条在所述翼面的所述底部和所述顶部之间延伸的冷却通道(102，104，106，108，110)，所述冷却通道中的每一条的出口都在所述顶部，所述多条冷却通道被设置为弧线模式(140)。

2、如权利要求1所述的叶片(20，22，24)，其中所述多条冷却通道(100)基本上根据表II中列出的X和Y直角坐标值(54)被设置在所述翼面(40)的所述顶部和底部(120，122)。

3、如权利要求1所述的叶片(20，22，24)，其中所述多条冷却通道(100)被排列成彼此基本平行。

4、如权利要求1所述的叶片(20，22，24)，其中所述多条冷却通道(100)中的第一，第二，第三和第四冷却通道(102，104，106，108)均具有从所述翼面的所述底部(120)到所述顶部(122)的大约为0.070英寸±0.005英寸的直径(160，162，164，166)，而所述多条冷却通道中的第五冷却通道(110)具有从所述翼面的所述底部到所述顶部的大约为0.050英寸±0.005英寸的直径(168)。

5、如权利要求4所述的叶片(20，22，24)，其中所述第一，第二，第三，第四和第五冷却通道(102，104，106，108，110)中的至少一条具有的在所述燕尾榫(46)和所述接头部分(44)内限定的直径(160，162，164，166，168)比在所述翼面(40)内限定的直径大。

6、如权利要求1所述的叶片(20，22，24)，其中所述多条冷却通道(100)有助于延长所述翼面(40)的可用寿命。

7、如权利要求1所述的叶片(20，22，24)，其中通过使预定气流穿过所述多条冷却通道，所述多条冷却通道(100)有助于在所述翼面(40)内保持所需的翼面温度。

8、如权利要求1所述的叶片(20，22，24)，其中所述多条冷却通道(100)有助于增加整个所述翼面(40)的蠕变余量。

9、如权利要求1所述的叶片(20，22，24)，其中所述翼面(40)进一步包括在所述翼面的每个侧面上至少部分延伸的涂层。

10、一种燃气涡轮发动机，包括：

包括至少一个转子叶轮(14)的转子(12)；和

自所述至少一个转子叶轮径向延伸的多个叶片(20，22，24)，所述多个叶片中的每一个都包括燕尾榫部分(46)，接头部分(44)，翼面(40)，和多条延伸穿过叶片的冷却通道(100)，所述翼面具有基本根据表I中列出的X，Y，Z直角坐标值(54)形成的标称轮廓，其中Z是从所述燕尾榫部分的下表面算起的距离，而X和Y是在从所述燕尾榫部分的下表面(78)算起的各距离Z处限定所述轮廓的坐标，所述多条冷却通道中的每一条都在所述燕尾榫部分的所述下表面和每个翼面的顶部(122)之间延伸，所述多条冷却通道包括不超过五条以弧线模式(140)设置的冷却通道(102，104，106，108，110)。

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