CN101956573A - 穿孔的涡轮机轮叶末梢盖 - Google Patents

Abstract

本发明涉及穿孔的涡轮机轮叶末梢盖，具体而言，一种将改善涡轮机性能的叶片(20)在末梢盖(25)上带有表面凹陷(80)，其用于减少泄漏流，最小化梢涡大小和进入主流的渗入。用于翼型件末梢盖的表面处理包括一系列凹面形状，例如凹槽(85)或孔(125)。这些凹槽(85)和孔(125)将引导末梢泄漏流(90)的成分进入凹陷内分离的流涡流轨迹(110)，并产生对通过翼型件末梢间隙(100)的泄漏流更大的阻碍，从而减少泄漏质量流量并弱化梢涡及其与涡轮机主流的相互作用。从末梢盖去除的材料提供了降低末梢盖的重量的附加的益处，从而增强叶片可靠性。

Description

穿孔的涡轮机轮叶末梢盖

技术领域

本发明一般地涉及用于涡轮发动机的涡轮机叶片，且更具体地涉及用于涡轮机叶片的末梢护罩。

背景技术

涡轮机叶片是成连续级的旋转翼型件状部件，其设计成将来自工作流体(如气体或蒸汽)的热能转换成使转子旋转的机械功。涡轮机的性能可通过密封叶片末梢的外边缘以防止工作气体逸出工作流径进入叶片末梢和涡轮机的外壳之间的间隙而被提高。用于密封涡轮机叶片末梢和涡轮机壳体之间的间隙的常见的方法是通过叶片末梢护罩。护罩不仅可以增强涡轮机性能，也可以用作振动阻尼器，尤其是对于大的、径向长度的涡轮机叶片。护罩充当提高叶片的固有频率的机构，并且又由于固有频率下叶片延长的共振时间而使得失效最小化。

图1中所示为典型的带护罩(也称为涡轮机轮叶盖或末梢盖)的涡轮机叶片。涡轮机叶片10包括翼型件段11和护罩12。护罩12可结合到翼型件11上制造。翼型件还包含前缘15和后缘16，其通常垂直于护罩12延伸。护罩12具有厚度并具有侧壁17，其可被切削以形成当邻近涡轮机叶片存在时的互锁机构。互锁机构沿两个支承面13出现，此处邻近的涡轮机叶片(未示出)接触在扩罩12上。是涡轮机叶片护罩12在支承面13处的互锁产生用于降低振动，以及用于密封涡轮机气路内的工作流体的手段。典型的涡轮机叶片护罩的另一个特征可为刀口末梢密封件(齿密封件)14。根据叶片护罩的大小，可使用一个或多个末梢密封件。这些密封件彼此平行延伸，典型地垂直于发动机轴线，并从护罩12向外延伸。这些密封件的目的是接合涡轮机壳体(未示出)的护罩块以进一步最小化叶片末梢周围的泄漏，并降低轮叶末梢摩擦壳体情况下的机械冲击。末梢泄漏使工作流体转向，工作流体否则将在主流径中流动并在涡轮机叶片上做功。末梢泄漏还可进一步导致升高的梢涡(votex)大小和强度，这会渗入位于叶片下游的主蒸汽流径，提高背压，并从而降低级的效率。然而，需要在末梢密封件和壳体护罩之间提供间隙以解决热膨胀和旋转不对称的问题。完全覆盖的涡轮机叶片末梢由于降低的梢涡大小、强度和末梢泄漏而比未覆盖的轮叶末梢具有更好的空气动力学性能。

虽然护罩的目的是密封流径内的工作流体以及提供抑制振动的手段，但护罩也有其缺点。护罩概念的一个缺点是护罩增加至涡轮机叶片的重量。在运行过程中，涡轮机叶片在圆盘上绕发动机轴线18旋转。典型的工业应用包括速度高达3600转每分钟的圆盘。叶片通过叶片根部和圆盘之间的互锁切口保持在圆盘中。当涡轮机叶片旋转时，离心力使得叶片在此连接点处在涡轮机圆盘上向外施加负载。圆盘以及因而叶片根部(其将叶片保持在圆盘中)上的负载的量是叶片重量的函数。就是说，对于给定的每分钟转数，叶片越重，在叶片根部和圆盘之间的交界面上发现的负载和应力越大。叶片根部和圆盘上的过多负载会降低各部件的总寿命。护罩的另一缺点是叶片护罩的蠕变卷曲(creep curling)。取决于护罩的厚度，护罩边缘可在其末端处“卷曲”起来并在护罩和叶片末梢之间的圆角中引入严重的弯曲应力。护罩由于因为气压负载及离心力负载引起的护罩边缘上的弯曲负载而卷曲。护罩的卷曲类似于悬梁由于在梁的自由端处的负载的弯曲。对此卷曲现象的业内已知解决方法是均匀地增加护罩的截面厚度，这将导致更具刚性和更能抗卷曲的护罩。简单地均匀增加护罩厚度的缺点是由此附加的材料增加到护罩上的附加的重量。

如上所述，为了防止末梢盖摩擦涡轮机壳体壁，并进一步降低末梢泄漏，可在末梢盖的顶部上放置一个或几个密封齿。根据对48英寸低压涡轮的最后级轮叶的最近的计算流体动力学(CFD)分析，增加密封齿可降低级效率约0.5％，因为增加的轮叶末梢体积会导致梢涡更深地渗入主流。

因此，限制对于涡轮机叶片的末梢泄漏，而同时提供增强的级效率将是所期望的。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于涡轮发动机的叶片，其包括根部、末梢、前缘、后缘以及相对的压力侧壁和吸力侧壁，压力侧壁和吸力侧壁大致沿涡轮发动机的内壳体内的径向轴线延伸。叶片包括在末梢盖压力侧壁和末梢盖吸力侧壁之间延伸的末梢盖。末梢盖上的顶部表面在末梢盖压力侧壁和末梢盖吸力侧壁之间延伸。

顶部表面构造成允许叶片以到涡轮发动机的壳体的护罩的有限间隙而旋转。末梢盖的厚度从顶部表面延伸至叶片的末梢。在末梢的基本上全部顶部表面上提供多个凹陷。凹陷伸入末梢盖的厚度并且适于限制末梢盖和涡轮发动机的壳体的护罩之间的泄漏流。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用来制造用于涡轮发动机的叶片的方法。该方法包括提供叶片，叶片包括具有在末梢盖压力侧壁和末梢盖吸力侧壁之间延伸的顶部表面的末梢盖，位于转子叶片的后缘处的第一互锁端和位于转子叶片的前缘处的第二互锁端，以及从末梢盖的顶部表面向转子叶片径向地延伸的末梢盖的厚度。该方法包括去除末梢盖的厚度的一部分，在末梢盖的基本上全部顶部表面上形成多个凹陷，该多个凹陷适于限制末梢盖和涡轮发动机的壳体的护罩之间的泄漏流。

附图说明

当参考附图阅读以下具体实施方式时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，其中贯穿附图相似的符号代表相似的部件，其中：

图1图示了用于涡轮机叶片的现有技术护罩；

图2图示了结合发明性末梢盖的涡轮机叶片；

图3图示了该发明性末梢盖的第一实施例的等距视图；

图4图示了根据本发明的第一实施例互锁的末梢盖的顶部等距视图；

图5图示了末梢泄漏路径上的发明性凹陷对于用于转子叶片的末梢盖和涡轮机壳体之间的工作流体的影响；

图6图示了末梢泄漏流的降低的轴向速度与发明性表面处理的关系；

图7图示了本发明的第二实施例，其中凹陷形成为末梢盖的顶部表面上的孔；

图8图示了结合密封齿的本发明性末梢盖的又一个实施例；以及

图9图示了用于制造可与涡轮发动机一起使用的带有凹陷的表面处理的叶片的方法的一个示例性实施例的流程图，涡轮发动机包括蒸汽涡轮发动机或燃气涡轮发动机。

部件列表

10涡轮机叶片

11翼型件段

12护罩

13支承面

14末梢密封件

15前缘

16后缘

17侧壁

18发动机轴线

20涡轮机叶片

21翼型件

23前缘

24后缘

25末梢盖

30根部

32鸠尾榫

35末梢

40前缘

41后缘

45压力侧

50吸力侧

55顶部表面

60末梢盖压力侧

65末梢盖吸力侧

66厚度

70第一互锁端

71第二互锁端

75支承面

76互补的表面

80凹陷

81凹槽的底部

85凹槽

86宽度

87深度

88壁

89壁的顶部

90末梢泄漏流方向

95内表面

96涡轮机壳体

100末梢间隙

105减少的有效间隙

110涡流循环

125孔

126半径

127深度

130行

135列

150密封齿

具体实施方式

本发明的以下实施例具有许多优点，包括减少轮叶末梢泄漏流、增加转子转矩功、最小化由梢涡引起的混合损失、改善涡轮机性能以及减少末梢盖重量。

本发明涉及具有末梢盖表面处理的翼型件，末梢盖表面处理用于减少泄漏流、最小化梢涡大小以及到主流中的渗入，这将改善涡轮机效率。本发明的一方面是用一系列凹入形状(如凹槽或孔)处理翼型件末梢盖。这些凹槽和孔将导致泄漏流进入空腔内分离的流径，并对通过翼型件末梢间隙的泄漏流产生更多阻力，这降低泄漏质量流量并弱化梢涡及其与涡轮机主流的相互作用。从末梢盖去除的材料提供了降低末梢盖的重量的附加的益处，从而增强了叶片可靠性。表面处理还可消除对于在末梢盖上使用一个或多个齿密封件以减少泄漏流的需要。无齿全覆盖的叶片末梢盖提供了超越任何部分覆盖的末梢护罩的优异的空气动力学性能。

图2图示了结合发明性末梢盖的涡轮机叶片。末梢盖25可附接到用于涡轮发动机的叶片20的翼型件21上。翼型件21可包括根部30、末梢35、前缘40、后缘41、压力侧45和吸力侧50。根部段30中的鸠尾榫装置32将该翼型件接合到涡轮发动机(未示出)的转子叶轮上。末梢盖25可在末梢端35处与翼型件21一体地形成。末梢盖25可在顶部表面55中包括多个凹陷80，凹陷80适于减少翼型件的顶部表面与涡轮发动机壳体的护罩之间的泄漏。

图3图示了发明性末梢盖的第一实施例的放大等距视图。末梢盖25可包括顶部表面55、末梢盖压力侧壁45以及末梢盖吸力侧壁50，顶部表面55在末梢盖压力侧壁60和末梢盖吸力侧壁65之间延伸。末梢盖25相对于翼型件21的根部30(图2)在大致向内的径向方向上可具有厚度66。末梢盖的顶部表面55可大致与用于涡轮发动机(未示出)的级护罩的内表面一致，以便在二者之间提供有限的间隙来限制涡轮发动机的级之间的工作流体的泄漏。末梢盖25还可包括提供支承面75的第一互锁端70和第二互锁端71，以当叶轮以运行速度旋转时，接合涡轮机叶轮的前涡轮机叶片和后涡轮机叶片(见图4)的末梢盖的相对的支承面。末梢盖25可包括适于减小翼型件的顶部表面和涡轮发动机壳体的护罩之间的泄漏的多个凹陷80。在第一实施例中，凹陷80可包括顶部表面35中的多个凹槽85。各凹槽85可平行于彼此排列，在大致在末梢盖25的第一互锁端70和第二互锁端71之间的方向上在长度上延伸。凹槽85可形成为具有凹槽底81的U形凹陷。凹槽的壁可基本上垂直于末梢盖25的顶部表面的面。凹槽85可包括宽度86和顶部表面55下的深度87。

在平行布置的凹槽85的各相邻侧上可设置相对于凹槽具有升高的高度87的壁88。升高的壁88的顶部89由末梢盖25的顶部表面55形成。该升高的壁88可大致平行于其它升高的壁88并大致平行于多个凹槽85排列。壁88可在大致位于末梢盖25的第一互锁端70和第二互锁端71之间的方向上延伸长度。升高的壁88还垂直于从末梢盖压力侧60到末梢盖吸力侧65跨越末梢盖的泄漏流90布置。

图4图示了根据本发明的第一实施例的互锁的末梢盖的顶部等距视图。涡轮机叶片20位于前涡轮机叶片23和后涡轮机叶片24之间。当转子叶轮以运行速度旋转时，用于涡轮机叶片20的末梢盖25的支承面75接合前涡轮机叶片23和后涡轮机叶片24的互补的支承面76。用于涡轮机叶片20的凹槽85以及末梢盖25的升高的表面与用于前涡轮机叶片23和后涡轮机叶片24的凹槽以及末梢盖的升高的表面对齐，由此当涡轮机处于运行速度时，在相邻的涡轮机叶片之间呈现连续的升高的壁和连续的凹槽，以对抗从末梢盖压力侧到末梢盖吸力侧的末梢泄漏流90。

图5图示了末梢泄漏路径上发明性的凹陷对于用于转子叶片的末梢盖和涡轮机壳体之间的工作流体的影响。在末梢盖25的顶部表面55和涡轮机壳体96的内表面95之间设有间隙100。必须保持该间隙100以解决热膨胀和旋转偏心度的问题。末梢密封泄漏90由用于叶片20的末梢盖25的压力侧60和吸力侧65之间的不同压力驱动。从侧面见到凹槽85和升高的壁88。末梢泄漏流90穿过末梢盖25的顶部表面55上的间隙100。各凹槽85中的低压使靠近末梢盖25的顶部表面55的末梢泄漏流90的一部分转向，从而在多个凹槽85中和附近形成涡流循环110。多个凹槽85内的涡流循环110冲击进入间隙110，限制对通过末梢泄漏流可用的有效末梢间隙105，从而减少泄漏流90。

图6图示了对于带有凹槽的表面处理的叶片在跨度的外部段上在转子出口处降低的汽流轴向速度。对于没有密封齿的平坦的末梢护罩220和带有发明性凹槽的末梢护罩230绘制了汽流的相对轴向速度210对涡轮机跨度百分比215的曲线。轴向速度在从叶片长度的大约75％到97.5％的跨度240上是相对恒定的。对于在叶片护罩和壳体护罩之间的区域250(跨度的97.5％到100％)，相对于绝大部分工作汽流径，由于末梢泄漏引起轴向速度的极大升高，对于两种情况显示了叶片段。该发明性的凹槽装置提供了超出带有倾斜的末梢护罩的情况大约15％的速度下降。末梢盖的该发明性凹槽降低了末梢盖和壳体护罩之间的蒸汽速度，导致与其它装置相比较少的泄漏。降低的末梢泄漏进一步使梢涡大小和进入主工作气体流径的渗透最小化，从而提升了转子扭矩和改善的级性能。

图7中图示了本发明的第二实施例。叶片20和末梢盖25仍然如对第一实施例所描述的那样。凹陷80可包括基本上覆盖末梢盖25的顶部表面55的多个孔125。在一个构造中，孔可排列成在末梢盖25的相对互锁端70，71之间延伸的多个行130和在末梢盖25的压力侧60和吸力侧65之间延伸的多个列135。如图7中所图示，相邻列135的孔125可相对于相邻的行130交错。孔125可包括半径126和深度127。另外，应该理解在本发明的范围内在末梢盖的顶部表面上的各种其它的孔的布置也是可能的。与如图5中所描绘的第一实施例的凹槽的运行相同，顶部表面55的孔125可使末梢泄漏的一部分变向，形成延伸进入末梢泄漏路径的涡旋，从而具有降低通过末梢间隙的泄漏的效果。孔135的形状可为大致圆形，虽然其它的形状可被认为在本发明的范围内。孔通常是末端封闭的。

图8图示结合包括密封齿的末梢盖的本发明性叶片的另一个实施例。末梢盖25安装在翼型件21上。末梢盖25的顶部表面55包括在末梢盖和壳体护罩(未示出)之间的多个凹槽85。该多个凹槽85适于减少末梢泄漏，如之前所述。末梢盖55还可包括密封齿150。密封齿150可沿支承面75之间的顶部表面55的长度设置，形成对末梢泄漏的障碍。当涡轮机叶片20与前涡轮机叶片和后涡轮机叶片(未示出)一起安装时，末梢密封件可与这些相邻叶片的末梢密封件对齐以形成限制末梢泄漏的连续障碍。

根据本发明的另一方面，提供了一种用来制造用于涡轮发动机的叶片的方法。图9图示了制造可与涡轮发动机一起使用的叶片的方法200的一个示例性实施例的流程图，涡轮发动机包括蒸汽涡轮发动机或燃气涡轮发动机。尽管方法200可用来制造任何叶片，但该方法将相对于制造图2中所示的叶片(20)而描述。方法200包括在步骤202提供叶片20(如图2中所示)。所提供的叶片包括末梢盖，末梢盖具有在末梢盖压力侧壁和末梢盖吸力侧壁之间延伸的顶部表面，在转子叶片的后缘处的第一互锁端和在转子叶片的前缘处的第二互锁端，以及从末梢盖的顶部表面到转子叶片径向延伸的末梢盖的厚度。步骤204包括去除末梢盖的厚度的一部分，在末梢盖的基本上全部顶部表面上形成多个凹陷，该多个凹陷适于限制末梢盖和涡轮发动机的壳体的护罩之间的泄漏流。

去除末梢盖的厚度的一部分可包括形成在末梢盖的第一互锁端和末梢盖的第二互锁端之间彼此平行地延伸的多个凹槽。形成多个凹槽可包括在相邻叶片的末梢盖上形成凹槽，这样当叶片以全运行速度旋转时，在用于各叶片的末梢盖的第一互锁端处的凹槽与在相邻叶片上的末梢盖的第二互锁端的凹槽对齐，而在末梢盖的第二互锁端处的凹槽与在相邻叶片上的末梢盖的第一互锁端的凹槽对齐。用于制造叶片的方法还可包括在末梢盖的顶部表面上形成至少一个密封齿，该密封齿定位成大致与顶部表面上的凹槽平行，并且该密封齿在末梢盖的第一互锁端和末梢盖的第二互锁端之间延伸。

备选地，去除末梢盖的厚度的一部分的步骤可包括在末梢盖的顶部表面中形成多个孔，这些孔伸入末梢盖的厚度中，并将这些孔布置成在末梢盖的相对互锁端之间延伸的多个行和在末梢盖的压力侧和吸力侧之间延伸的多个列。布置端部封闭的孔的步骤还可包括相对于孔的相邻行的孔使孔的相邻列的孔交错。用来制造叶片的方法还可包括在末梢盖的顶部表面上形成至少一个密封齿，密封齿定位成大致平行于顶部表面上的孔的行，并且该密封齿在末梢盖的第一互锁端和末梢盖的第二互锁端之间延伸。

该表面处理还可提供在级效率方面超越倾斜的末梢护罩大约0.1％的提高，以及在级效率方面超越平坦的末梢护罩大约0.07％的提高。另外，该表面处理可提供超越倾斜的末梢护罩大约0.33％的功提取增加，以及超越没有密封齿的平坦的末梢护罩大约+0.08％的功提取增加。

尽管本文描述了不同的实施例，但从本说明书将会理解的是其中可做出元件的各种组合、变化或改善，且处在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种用于涡轮发动机的叶片(20)，包括根部(30)、末梢(35)、前缘(40)、后缘(41)以及在所述涡轮发动机的内壳体(96)内的相对的压力侧壁(45)和吸力侧壁(50)，所述叶片(20)包括：

在末梢盖压力侧壁(60)和末梢盖吸力侧壁(65)之间延伸的末梢盖(25)；

所述末梢盖(25)上的顶部表面(55)，其在所述末梢盖压力侧壁(60)和所述末梢盖吸力侧壁(65)之间延伸，并适于允许所述叶片以到所述涡轮发动机的壳体(95)有限的间隙(100)而旋转；

所述末梢盖(25)的厚度(66)，其从所述顶部表面(55)向所述叶片(20)的末梢(35)延伸；

基本上在所述末梢盖(25)的全部所述顶部表面(55)上的多个凹陷(80)，所述多个凹陷(80)伸入所述末梢盖(25)的所述厚度(60)，并适于限制所述末梢盖(25)和所述涡轮发动机的所述壳体(95)之间的泄漏流(90)。

2.根据权利要求1所述的叶片(20)，其特征在于，所述多个凹陷(80)包括：

伸入所述末梢盖(25)的所述厚度(66)的多个凹槽(85)。

3.根据权利要求2所述的叶片(20)，其特征在于，所述多个凹槽(85)在所述末梢盖(25)的第一互锁端(70)和所述末梢盖(25)的第二互锁端(71)之间彼此平行地延伸。

4.根据权利要求3所述的叶片(20)，其特征在于，所述多个凹槽(85)包括U形横截面。

5.根据权利要求4所述的叶片(20)，其特征在于，所述U形横截面包括大体上垂直于所述末梢盖(25)的所述顶部表面(55)的竖直壁(88)和大体上平行于所述末梢盖(25)的所述顶部表面(55)的底部表面(81)。

6.根据权利要求5所述的叶片(20)，其特征在于，当所述叶片(20)以全运行速度旋转时，在所述末梢盖(25)的所述第一互锁端(70)处的所述多个凹槽(85)与相邻叶片(23)上的末梢盖(25)的所述第二互锁端(71)的所述多个凹槽(85)对齐，而在所述末梢盖(25)的所述第二互锁端(71)处的所述多个凹槽(85)与相邻叶片(24)上的末梢盖(25)的所述第一互锁端(71)的所述多个凹槽(85)对齐。

7.根据权利要求1所述的叶片(20)，其特征在于，所述多个凹陷(80)包括在所述末梢盖(25)的所述顶部表面(55)中的伸入所述末梢盖(25)的所述厚度(66)的多个孔(125)，所述多个孔(125)排列成在所述末梢盖(25)的相对的互锁端(70，71)之间延伸的多个行(130)和在所述末梢盖(25)的所述压力侧(60)和所述吸力侧(65)之间延伸的多个列(135)。

8.根据权利要求7所述的叶片(20)，其特征在于，相邻列(135)的所述孔(125)可相对于相邻行(130)的所述孔(125)交错。

9.根据权利要求8所述的叶片(20)，其特征在于，当所述叶片(20)以全运行速度旋转时，在所述末梢盖(25)的所述第一互锁端(70)处的孔(125)的所述行(130)与在相邻叶片(23)上的末梢盖(25)的所述第二互锁端(71)的孔(125)的所述行(130)对齐，且在所述末梢盖(25)的所述第二互锁端(72)处的孔的所述行与在相邻叶片(24)上的末梢盖(25)的所述第一互锁端(70)的孔(125)的所述行(130)对齐。

10.根据权利要求6和9所述的叶片(20)，其特征在于，所述叶片还包括：

在所述末梢盖(25)的所述顶部表面(55)上的至少一个密封齿(150)，所述至少一个密封齿(150)大致设置在所述末梢盖(25)的第一互锁端(70)和所述末梢盖(25)的第二互锁端(71)之间。

Images