CN101782000A - 涡轮叶片根部构造 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及涡轮叶片根部构造，具体而言，一种用于涡轮发动机的转子叶片(120)，(126)包括根部(138)和从该根部(138)沿径向方向延伸的翼型件(136)，其中：该根部(138)包括柄部(152)和燕尾部(154)；该柄部(152)从燕尾部(154)延伸，并包括在径向外表面处的平台(140)；该燕尾部(154)包括一个或多个柄脚(156)；该平台(140)包括轴向和周向地定向的表面，该表面至少部分地限定通过该涡轮的流径的最内侧径向边界；该燕尾部(154)是线性的；且该平台(140)是弯曲的。

Description

涡轮叶片根部构造
技术领域
本申请一般地涉及关于改进的涡轮叶片根部构造的设备、方法和/或系统。本申请更具体地但并非以限制的方式涉及关于将轴向入口、线性燕尾部和弯曲平台结合的涡轮叶片的设备、方法及/或系统。
背景技术
具有大的根部翼弦和弯曲度的涡轮叶片的常规构造和设计通常会导致叶片的翼型件变为“嵌套的”。如普通技术人员将会认识到的，“嵌套”是常用用语，其是指其中相邻翼型件的曲率重叠的状态。此重叠通常是指，涡轮叶片如果对齐成当它们安装在常规涡轮发动机的转子轮中时可能的样子，由于嵌套的翼型件之间的干涉，则涡轮叶片不可通过其中一个叶片的轴向或线性运动来分离，即，翼型件会以此方式进行接触并阻止分离。
为了解决这个问题，常规涡轮叶片常设计成具有弯曲的平台和燕尾部。这容许了翼型件是嵌套的相邻涡轮叶片的分离，因为在分离期间，涡轮叶片遵循弯曲的路线，且因此避开了相邻的翼型件。然而，如本领域的普通技术人员将认识到的，具有弯曲的平台和燕尾部的涡轮叶片其自身存在操作性问题，例如包括增大的制造难度和复杂性。此外，如本领域的技术人员将认识到的，对于具有弯曲的平台和燕尾部的涡轮叶片，很难或不可能从涡轮叶轮上同时拆下成组的相邻叶片，因为在弯曲平台与相邻叶片的根部之间必然会出现干涉。结果，仍然需要改进涡轮的叶片，并且尤其需要涡轮叶片的根部(即，燕尾部、柄部和/或平台构件)的改进设计，该设计容许更为高效的制造、组装和/或操作。
发明内容
因此，本申请描述了一种用于涡轮发动机的转子叶片，该转子叶片包括根部和从该根部沿径向方向延伸的翼型件，其中，该根部包括线性的燕尾部和弯曲的平台。
本申请还描述了一种用于涡轮发动机的转子叶片，该转子叶片包括根部和从该根部沿径向方向延伸的翼型件，其中：该根部包括柄部和燕尾部；该柄部从该燕尾部延伸并包括在径向外表面处的平台；该燕尾部包括一个或多个柄脚(tang)；该平台包括轴向且周向地定向的表面，该表面至少部分地限定通过该涡轮的流径的最内侧径向边界；该燕尾部是线性的；且该平台是弯曲的。
当结合附图和所附权利要求书在查看了优选实施例的以下具体实施方式后，本申请的这些及其它特征将变得明显。
附图说明
通过结合附图仔细研究本发明示范性实施例的以下更为详细的描述，将更完整地理解和领会本发明的这些和其它目的及优势，附图中：
图1为其中可使用本发明的某些实施例的示例性涡轮发动机的简图；
图2为图1的燃气涡轮发动机的压缩机段的截面图；
图3为图1的燃气涡轮发动机的涡轮段的截面图；
图4为其中可使用本发明的某些实施例的燃气涡轮发动机的涡轮组件的透视图；
图5为其中可使用本发明的实施例的包括根据常规设计的燕尾部和平台结构的涡轮叶片的视图；
图6为包括根据另一常规设计的燕尾部和平台结构的涡轮叶片的视图；
图7为包括根据本申请的一个示范性实施例的燕尾部和平台结构的涡轮叶片的视图。部件列表100    燃气涡轮发动机106    压缩机110    呙轮112    燃烧器118    压缩机120    压缩机转子叶片122    压缩机定子叶片124    呙轮126    涡轮转子叶片128    涡轮定子叶片130    涡轮组件131    热燃烧气体132    盘136    翼型件138    根部140    平台141    中心线轴线142    环形护罩143    压力侧144    吸入侧146    前缘148    后缘150    叶片末梢152    柄部154    燕尾部156    柄脚158    后面160    前面162    压力面164    吸入面166    燕尾槽170    后缘172    前缘174    压力缘176    吸入缘
具体实施方式
现在参考附图，图1图示了燃气涡轮发动机100的简图。通常，燃气涡轮发动机通过从加压的热气流中提取能量来工作，该热气流通过燃料在压缩空气流中燃烧而产生。如图1中所示，燃气涡轮发动机100可构造成具有轴流式压缩机106，该压缩机通过公共轴机械地联接到下游的涡轮段或涡轮110及定位于压缩机106与涡轮110之间的燃烧器112上。注意，以下发明可用于所有类型的涡轮发动机，例如包括燃气涡轮发动机、蒸汽涡轮发动机和飞行器发动机。在下文中将关于燃气涡轮发动机来描述本发明，但此描述仅为示例性的，而非旨在以任何方式进行限制。
图2示出了可用于燃气涡轮发动机的示例性多级轴流式压缩机118的视图。如图所示，压缩机118可包括多个级。各级均可包括压缩机转子叶片列120，其后跟有压缩机定子叶片列122。因此，第一级可包括压缩机转子叶片列120，该转子叶片列围绕中心轴旋转，其后跟有压缩机定子叶片列122，该定子叶片列在工作期间保持静止。压缩机定子叶片122通常周向地彼此间隔开，且围绕旋转轴线固定。压缩机转子叶片120周向地间隔开，且附接到轴上，以便轴在工作期间旋转时，压缩机转子叶片120围绕其旋转。如本领域的普通技术人员将认识到的，压缩机转子叶片120构造成使得在围绕轴旋转时，它们将动能给予流过压缩机118的空气或工作流体。压缩机118可具有除图2中所示的级之外的许多其它级。附加级可分别包括多个周向间隔开的压缩机转子叶片120，其后跟有多个周向间隔开的压缩机定子叶片122。
图3示出了可用于燃气涡轮发动机中的示例性涡轮段或涡轮124的局部视图。涡轮124也可包括多个级。示出了三个示例性级，但涡轮124中可存在更多或更少的级。各级均可包括在工作期间围绕轴旋转的多个涡轮桨叶或涡轮转子叶片126，以及在工作期间保持静止的多个喷嘴或涡轮定子叶片128。涡轮定子叶片128通常彼此周向地间隔开，且围绕旋转轴线固定。涡轮转子叶片126可安装在涡轮叶轮(未示出)上，以围绕轴(未示出)旋转。热气穿过热气路径的流向由箭头指出。如本领域的普通技术人员将认识到的，涡轮124可具有图3中所示的级以外的许多其它级。各附加的级均可包括涡轮定子叶片列128，其后跟有涡轮转子叶片列126。
注意，如本文所使用的，在没有更多特殊性的情况下，称“转子叶片”是指压缩机118或涡轮124的旋转叶片，其包括压缩机转子叶片120和涡轮转子叶片126。在没有更多特殊性的情况下，称“定子叶片”是指压缩机118或涡轮124的静止叶片，其包括压气机定子叶片122和涡轮定子叶片128。用语“叶片”在本文中将用于指任一类型的叶片。因此，在没有更多特殊性的情况下，用语“叶片”包括所有类型涡轮发动机叶片，包括压缩机转子叶片120、压缩机定子叶片122、涡轮转子叶片126以及涡轮定子叶片128。
在使用中，轴流式压缩机118内的压缩机转子叶片120的旋转可压缩气流。在燃烧器112中，当压缩空气与燃料相混合且被点燃时可释放能量。来自燃烧器112的得到的热气流然后可在涡轮转子叶片126上方引导，这可引起该涡轮转子叶片126围绕轴旋转，从而将热气流中的能量转变成旋转叶片和旋转轴(因为转子叶片和轴之间的连接)的机械能。轴的机械能然后可用于驱动压缩机转子叶片120的旋转，以便产生所需的压缩空气供给，以及例如还驱动发电机来产生电力。
图4描绘了燃气涡轮发动机100的涡轮组件130的一部分。涡轮组件130可安装在燃烧器(图4中未示出)的下游，用于接收来自燃烧器的热燃烧气体131。涡轮组件130通常包括盘132，该盘具有牢固地附接到其上的多个涡轮转子叶片126。典型地，涡轮转子叶片126包括从根部138径向延伸的翼型件136，翼型件通常与根部一体结合。平台140设置在翼型件136的基部处，且通常也与其一体结合。涡轮组件130关于轴向中心线轴线141是轴对称的。环形护罩142围绕叶片126，且合适地连接到静止的定子壳体(未示出)上。护罩142在其与转子叶片126之间提供了相对较小的间隙或空隙，这限制了工作期间燃烧气体131在叶片126上的泄漏。
翼型件136通常包括凹入的压力侧壁或压力侧143，以及周向地或横向地相对的、凸起的吸入侧壁或吸入侧144。压力侧壁143和吸入侧壁144二者均在前缘146与后缘148之间轴向地延伸。压力侧壁143和吸入侧壁144还在平台140处的径向内部的根部138与径向外部的叶片末梢150之间沿径向方向延伸。
如本领域的普通技术人员将认识到的，根部138通常包括柄部152和燕尾部154，柄部152的外部径向表面为平台140。燕尾部154为根部138的内部径向区段，而柄部152为将燕尾部154连接到翼型件136上的区段。如图所示，燕尾部154具有侧面进入型构造，其包括通常为根部138提供锯齿形横截面的多个柄脚156。柄部152从燕尾部154的外部径向部分延伸至柄部152的外部径向表面，该表面如前文所述为平台140。与翼型件136相似，根部138可描述为具有后缘或后面158和前缘或前面160，并且如图所示，根部138可在线性方向上从后面158延伸至前面160。此外，根部138可描述为具有压力面162和吸入面164，它们分别与翼型件136的压力侧143和吸入侧144对应。
盘132可具有围绕其圆周形成的多个燕尾槽166。各燕尾槽166均可形成为转子叶片126的燕尾部154的配合件，使得各燕尾部154均可轴向地插入燕尾槽162中。将会认识到，燕尾部154/燕尾槽166的构造将转子叶片126连接到盘132上，且防止工作期间转子叶片126的径向位移。如图所示，燕尾部154可以是线性的，即，具有从后面158至前面160的线性定向，而燕尾槽162也可以被线性地定向。以此方式形成的转子叶片126可以以线性方式轴向地插入燕尾槽162中。如下文更为详细地描述的，对于根部弯曲构造也是可能的。
注意，本发明是结合其在涡轮转子叶片126中的用途来讨论的。如前文所述的涡轮转子叶片为涡轮发动机的涡轮段内的旋转叶片。此描述仅为示例性的，因为本文所述的本发明的实施例不限于仅结合涡轮转子叶片的用途。如本领域的普通技术人员将认识到的，本发明还可应用于压缩机转子叶片120，其通常为涡轮发动机的压缩机段内的旋转叶片。。因此，在没有更多特殊性的情况下，本文中称“转子叶片”意在涵盖涡轮转子叶片和压缩机转子叶片两者。并且，例如应用于涡轮转子叶片的实例并非意在排除本发明在压缩机转子叶片中的用途。
类似于图4中所示的，图5描绘了具有常规线性根部138的转子叶片。线性根部138包括具有从根部138的后面158至前面160的线性定向的平台140和燕尾部154。更具体而言，根部138的压力面162和吸入面164并不是弯曲的，而是通常以直线方式从后面158延伸至前面160。将会认识到，线性定向的平台140形状上大致是直线的。平台140的各边缘均可通过其与后面158、前面160、压力面162及吸入面164的关系来辨认。因此，平台140可描述成包括后缘170、前缘172、压力缘174及吸入缘176。根据常规线性设计，压力缘174通常是线性的或直的。同样，吸入缘176通常是线性的或直的。如上文所述，燕尾部154也可以以大致线性的方式从后面158延伸至前面160。柄部152的其它部分也可为线性的。如上文所述，对于翼型件设计的性能标准会要求翼型件在定位成组装好的构造时变成“嵌套的”。当情况如此时，线性地拆下叶片(其为类似于图5的具有线性构造的情况)变得不可能。
图6描绘了具有常规弯曲根部138的转子叶片。弯曲根部可包括弯曲平台140和弯曲燕尾部154。在这种情况下，根部138的压力面162和吸入面164是弯曲的。平台140的压力缘174可形成凹曲线。平台140的吸入缘176可形成类似的曲线，尽管其可为凸曲线。如前文所述，燕尾部154也可形成类似的曲线。柄部152的其它部分可形成类似的曲线。所有这些构件的曲率可为相似的，并且通常为圆弧。
图7描绘了根据本发明的示范性实施例具有弯曲平台140和线性燕尾部154的转子叶片。如图所示，燕尾部154可大致类似于图5的燕尾部154。也就是说，燕尾部154可为大致线性的，且构造成与大致线性的燕尾槽166配合。在一些情况下，线性的燕尾部154和燕尾槽166可对齐成使得在安装时每一个均与中心线轴线141平行地延伸。在其它实施例中，线性燕尾部154和燕尾槽166可相对于中心线轴线141的方向歪斜。尽管燕尾部154是线性的，但根据本发明的示范性实施例，平台140可为弯曲的，即，大致类似于图6的平台140构造。具体而言，如图所示，平台140的压力缘174可形成在优选实施例中为凹曲线的曲线。同样，平台140的吸入缘176可形成类似的曲线，但吸入缘176可形成凸曲线。在优选实施例中，吸入缘176和压力缘174的曲率可大致相同，但偏移了平台140的宽度。一个叶片的压力缘174可以以此方式接合相邻叶片的吸入缘176，使得相邻叶片的平台140形成光滑的大致连续的表面。
如图所示，平台140的后缘170和前缘172可保持为线性的，尽管这并非是必需的。平台下方的柄部152的部分通常可形成弯曲平台140与线性燕尾部154之间的过渡段。如前文所述，在一些优选实施例中，压力缘174和吸入缘176的曲率可为大致相同的。此外，在一些优选实施例中，压力缘174和吸入缘176的曲率可形成近似圆的弧线。如本领域的普通技术人员将认识到的，与本发明相符的根部构造可提供与线性根部构造(如图5中所示的一个)相关的优点，同时还提供与弯曲根部构造(如图6中所示的一个)相关的优点。
本领域的技术人员根据本发明的优选实施例的上述说明将构思出改进方案、变化以及修改。本领域技术人员的能力内的这些改进方案、变化和修改意在由所附权利要求覆盖。此外，显然上文仅涉及本发明所描述的实施例，并且在不脱离由所附权利要求及其等同物所限定的本申请的精神和范围的情况下，可做出许多变化和修改。

Claims (10)

1.一种用于涡轮发动机的转子叶片(120)，(126)，包括根部(138)和从所述根部(138)沿径向方向延伸的翼型件(136)，其中，所述根部(138)包括线性的燕尾部(154)和弯曲的平台(140)。
2.根据权利要求1所述的转子叶片(120)，(126)，其特征在于，所述根部(138)包括柄部(152)，所述柄部(152)从所述燕尾部(154)延伸，并包括在径向外表面处的平台(140)；
其中：
所述平台(140)包括轴向和周向地定向的表面，该表面至少部分地限定通过该涡轮的流径的最内侧径向边界；以及
所述翼型件(136)从所述平台(140)沿径向向外的方向延伸。
3.根据权利要求1所述的转子叶片(120)，(126)，其特征在于，所述线性的燕尾部(154)构造成接合线性的燕尾槽(166)，所述燕尾槽(166)是相对于中心线轴线(141)平行和相对于中心线轴线(141)歪斜的其中一个。
4.根据权利要求1所述的转子叶片(120)，(126)，其特征在于：
所述平台(140)包括与所述翼型件(136)的压力侧(143)一致的压力缘(174)，以及与所述翼型件(136)的吸入侧(144)一致的吸入缘(176)；以及
所述压力缘(174)和所述吸入缘(176)两者均是弯曲的。
5.根据权利要求4所述的转子叶片(120)，(126)，其特征在于，所述压力缘(174)包括凹入的曲线，而所述吸入侧(176)包括凸起的曲线。
6.根据权利要求5所述的转子叶片(120)，(126)，其特征在于，所述压力缘(174)的所述凹入的曲线的曲率和所述吸入缘(176)的所述凸起的曲线的曲率是大体上相同的。
7.根据权利要求5所述的转子叶片(120)，(126)，其特征在于，所述压力缘(174)的曲率和所述吸入缘(176)的曲率构造成使得，在适当地安装所述转子叶片(120)，(126)以及安装在所述转子叶片(120)，(126)的相邻位置中的第二相似地形成的转子叶片(120)，(126)时，所述转子叶片(120)，(126)的吸入缘(176)接合该第二转子叶片(120)，(126)的所述压力缘(174)，以便相邻转子叶片(120)，(126)的所述平台(140)形成大体上连续的表面。
8.根据权利要求5所述的转子叶片(120)，(126)，其特征在于，所述压力缘(174)的曲率和所述吸入缘(176)的曲率构造成使得，在适当地安装所述转子叶片(120)，(126)以及安装在所述转子叶片(120)，(126)的相邻位置中的第二相似地形成的转子叶片(120)，(126)时，所述转子叶片(120)，(126)的压力缘(174)接合该第二转子叶片(120)，(126)的所述吸入缘(176)，以便相邻转子叶片(120)，(126)的所述平台(140)形成大体上连续的表面。
9.根据权利要求5所述的转子叶片(120)，(126)，其特征在于，所述压力缘(174)的凹入的曲线的曲率和所述吸入缘(176)的凸起的曲线的曲率包括近似圆形的弧。
10.根据权利要求1所述的转子叶片(120)，(126)，其特征在于：
所述根部(138)包括柄部(152)，所述柄部(152)从所述燕尾部(154)延伸，并包括在径向外表面处的平台(140)；以及
所述柄部(152)形成所述弯曲的平台(140)和所述线性的燕尾部(154)之间的过渡区。
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