CN102384103A - 用于压缩机的翼型件形状 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于压缩机的翼型件形状。根据示例性实施例的装置、系统和方法提供了例如作为与涡轮机相关联的转子或定子的一部分的叶片，叶片具有特定形状以优化运行特性。除了别的之外，可使作为叶片高度的函数的叶片厚度适应涡轮机的运行特性。

Description

用于压缩机的翼型件形状
技术领域
本发明大体涉及翼型件，并且更具体而言，涉及在例如作为燃气轮机的一部分的压缩机中使用的翼型件形状。
背景技术
压缩机是通过使用机械能来使气体微粒加速以最终增加可压缩流体(例如气体)的压力的机器。压缩机用于许多不同的应用中，包括运行来作为燃气轮机发动机的初始级。在各种类型的压缩机中存在所谓的离心压缩机和轴向压缩机，在离心压缩机中，机械能以离心加速的方式例如通过使传送可压缩流体的离心式叶轮(有时也称为“转子”)旋转来对压缩机的气体输入起作用，轴向压缩机把其上附连有许多环形翼型件排(叶片)的转鼓作为各个级。附连到转鼓上的翼型件在附连到固定壳体上的类似数量的固定翼型件排之间旋转。更一般而言，可认为轴向压缩机和离心压缩机是称为“涡轮机”或“涡轮旋转机械”的一类机器的一部分。
在燃气轮机发动机中，在燃气轮机的流径区段的各个级处应当满足许多系统要求，以满足设计目标。这些设计目标包括但不限于总的改进的效率和翼型件加载能力。例如且绝不限制本发明，压缩机定子的叶片应当实现与它定位于其中的特定级相关联的热运行要求和机械运行要求。类似地且还作为纯粹说明性实例，压缩机转子的叶片也应当实现与它定位于其中的燃气轮机的特定级相关联的热运行要求和机械运行要求。
具体而言，将合乎需要的是确保这样的叶片的表面成形为使得它们的共振频率调谐成总体上适于涡轮机的运行特性。
发明内容
根据示例性实施例的装置、系统和方法提供了例如作为与涡轮机相关联的转子或定子的一部分的叶片，叶片具有特定形状以优化运行特性。除了别的之外，可使作为叶片高度的函数的叶片厚度适应涡轮机的运行特性。
根据一个示例性实施例，一种转子叶片具有基本根据如表1中所阐述的笛卡尔坐标X、Y和Z的公称(nominal)表面轮廓，并且其中，X和Y是以毫米表示的距离，它们在被平滑的、连续的弧连接时限定以毫米表示的各个距离Z处的翼型件轮廓截面，Z距离处的翼型件轮廓截面彼此平滑地联结而形成完整的翼型件形状。
根据另一个示例性实施例，一种转子叶片包括平台、转子叶片的连接到平台上的根部部分，以及终止于尖部部分中的叶片表面，叶片表面具有截面翼型件形状，其中，转子叶片的厚度根据三个不同的线性函数来作为转子叶片高度的函数而变化。
根据又一个示例性实施例，一种涡轮机包括传动轴、至少一个转子轮、安装在转子轮上的多个沿周向隔开的转子叶片、定子，以及附连到定子上的多个沿周向隔开的定子叶片，其中，该多个转子叶片和多个定子叶片中的至少一个进一步包括：平台、该多个转子叶片和多个定子叶片中的该至少一个的连接到平台上的根部部分，以及终止于尖部部分中的叶片表面，叶片表面具有截面翼型件形状，其中，该多个转子叶片和多个定子叶片中的该至少一个的厚度根据三个不同的线性函数来作为叶片高度的函数而变化。
附图说明
附图示出了示例性实施例，其中：
图1描绘了根据示例性实施例的叶片形状可在其中实现的示例性轴向压缩机；
图2显示了根据一个示例性实施例的转子叶片的吸力侧；
图3显示了根据一个示例性实施例的转子叶片的压力侧；
图4示出了与用来限定根据一个示例性实施例的点的轨迹的坐标系统相关联的各方面；以及
图5是描绘了根据一个示例性实施例的作为叶片高度的函数的叶片厚度的曲线图。
具体实施方式
示例性实施例的以下详细描述参照了附图。在不同的图中的相同参考标号标识相同或类似的元件。而且，以下详细描述并不限制本发明。相反，本发明的范围由所附权利要求限定。
为了对关于根据示例性实施例的翼型件形状的后续的论述提供一些背景，首先提供了与轴向压缩机相关联的简要论述。在轴向压缩机中，转子叶片对空气流施加动能，并且因此带来跨过压缩机的希望的压力升。直接在转子翼型件之后的是定子翼型件级。转子翼型件和定子翼型件两者使空气流转向，使空气流速度变慢(在参照的相应的翼型件框架中)，并且产生空气流的静压力的升高。
除了这些示例性实施例的其它合乎需要的方面之外，翼型件的构造(以及它们与周围的翼型件的相互作用)，包括例如它们的周缘表面(轮廓)，确定了级空气流效率、航空力学性、级与级之间的平滑的层流、减小的热应力、用以有效地在级与级之间传送空气流的级的增强的相互关系，以及减小的机械应力。典型地，多排转子/定子级在轴向流压缩机中堆叠，以实现希望的排气压力与入口压力的比率。转子翼型件和定子翼型件可通过适当的附连构造(通常称为“根部”，“基部”或“鸠尾榫”)固定到转子轮或定子壳体上，在下面描述了适当的附连构造的实例。
图1示出了例如与燃气轮机压缩机相关联的示例性轴向压缩机100。如上面所提到，轴向压缩机典型地包括多个压缩机级，例如十七个或十八个级，但是本领域技术人员将理解，根据示例性实施例的轴向压缩机可包括任何数量的转子级和定子级。图1中示出的轴向压缩机的级100包括安装在转子轮或转鼓104上的多个沿周向隔开的转子叶片102和附连到静态压缩机壳体108上的多个沿周向隔开的定子叶片106。
转子轮104中的各个附连到后传动轴110上，后传动轴110连接到发动机的涡轮区段(未显示)上。转子叶片102和定子叶片106设置在轴向压缩机的流径中。在此示例性轴向压缩机中，沿着流径的空气流的方向由箭头112指示。将理解，轴向压缩机的级100仅是轴向压缩机的各种级的示例，并且轴向压缩机的所示出和描述的级100不意图以任何方式限制本发明。
在图2和3中更详细地示出了根据示例性实施例的转子叶片102，图2和3显示了转子叶片102的相对的侧。具体而言但不限制本发明，根据这些示例性实施例的这样的转子叶片102可用于轴向压缩机(例如图1中所显示的轴向压缩机)的第一级中，即最靠近与过程流相关联的入口的级。具体而言，图2描绘了根据一个示例性实施例的转子叶片102的吸力侧，而图3描绘了具有前缘(LE)和后缘(TE)的同一转子叶片102的压力侧，如关于压缩机流径112所显示的那样。各个转子叶片102可例如设有平台200和基本轴向(或接近轴向)的进入鸠尾榫202，以与转子轮104上的互补形状的相配鸠尾榫(未显示)连接。另外，各个转子叶片102包括转子叶片翼型件204，转子叶片翼型件204在其任何截面处(即从翼型件根部206至转子叶尖208)具有成翼型件的一般形状的轮廓，如下面将更详细地论述的那样。
为了限定根据示例性实施例的转子叶片翼型件204的翼型件形状，在下面的表1中提供了空间中的点的集合或轨迹。可看到图2和3中的示例性转子叶片102具有十六个截面线，但是本领域技术人员将认可，可限定任何数量的截面。点的这个集或轨迹意图满足与转子叶片102将用于其中的区段或多个区段相关联的截面要求，使得可制造该截面。点的这个轨迹还意图满足对于级效率的期望的规定以及降低的热应力和机械应力。通过仿真来获得点的轨迹：在空气动力载荷和机械载荷之间迭代，并且使得根据示例性实施例而设计的压缩机能够以高效、安全和平滑的方式运行。
更具体而言，该轨迹限定了根据示例性实施例的转子叶片翼型件轮廓，并且可包括关于发动机的旋转轴线而限定的点的集合。例如，可定义和使用X、Y和Z值的笛卡尔坐标系统来参照轨迹中的点。笛卡尔坐标系统具有正交地相关的X、Y和Z轴。根据此示例性实施例，X轴设置成平行于发动机的中心线，如图4中所示出的那样。正的X坐标值因而沿轴向朝向后部，例如朝向轴向压缩机的排气端。正的Y坐标值定向成沿周向遵从发动机逆时针旋转方向。正的Z坐标值定向成沿径向向外朝向翼型件204的尖部，即沿朝向压缩机的静壳体108的方向。仅为了参照的目的，建立了沿着堆叠轴线穿过翼型件204和平台200的交接部的点0，如图4中所示出的那样。在根据这些示例性实施例的翼型件的示例性实施例中，点0定义成其中下面的表1的Z坐标处于416.97毫米(这是距发动机或转子中心线的设定的预定距离)的基准截面。
在下面提供了限定了根据示例性实施例的转子叶片102的表面的点的表1。
表1
截面1    Z＝416.97
Figure BSA00000566711700051
Figure BSA00000566711700061
截面2    Z＝424.59
Figure BSA00000566711700062
截面3    Z＝432.21
Figure BSA00000566711700072
截面4    Z＝449.99
Figure BSA00000566711700091
Figure BSA00000566711700101
截面5    Z＝467.77
Figure BSA00000566711700111
截面6    Z＝493.17
Figure BSA00000566711700112
Figure BSA00000566711700121
截面7    Z＝518.57
Figure BSA00000566711700122
Figure BSA00000566711700131
截面8    Z＝543.97
Figure BSA00000566711700132
Figure BSA00000566711700141
截面9    Z＝569.37
Figure BSA00000566711700142
Figure BSA00000566711700151
截面10    Z＝589.69
Figure BSA00000566711700161
截面11    Z＝610.01
Figure BSA00000566711700162
Figure BSA00000566711700171
截面12    Z＝622.71
Figure BSA00000566711700172
Figure BSA00000566711700181
截面13    Z＝627.79
Figure BSA00000566711700182
Figure BSA00000566711700191
截面14    Z＝632.87
Figure BSA00000566711700201
截面15    Z＝642.93
Figure BSA00000566711700212
Figure BSA00000566711700221
截面16    Z＝648.01
Figure BSA00000566711700231
根据示例性实施例，通过根据上面阐述的点的表1来制造转子叶片102，转子叶片102的厚度沿着叶片高度连续地改变，以便例如使与转子叶片102的运动相关联的振动频率移动，以例如改进与疲劳相关联的设计边界。例如在图5的曲线图中可看到厚度的这个变化。在图5中，在最靠近转子叶片的平台200的、起始于叶片高度的大约2.21％(即刚超出叶片圆角半径)直到叶片高度的大约60％的第一区域中，根据此示例性实施例的转子叶片102的最大厚度可由以下线性函数描述：
Tmax＝-0.8646*h+1.1087(其中，h为叶片高度百分比)在范围为转子叶片高度的60％至80％的后续区域中，转子叶片102的最大厚度根据以下线性函数而改变：
Tmax＝-1.0209*h+1.2058(其中h为叶片高度百分比)
在范围为叶片高度的80％至100％(即至叶片的自由端)的后续区域中，转子叶片102的最大厚度根据以下线性函数而改变：
Tmax＝-0.7618*h+0.9985(其中，h为叶片高度百分比)
因而，在图5的曲线图(其中函数500描绘了一个示例性实施例的作为叶片高度的函数的转子叶片厚度，而函数502描绘了基准设计的相同数量)中可看到，示例性实施例提供了贯穿叶片高度的大约前75％(函数在此处交叉)更厚的转子叶片，并且然后提供了相对于基准设计而言更薄的转子叶片。但是将理解，这些示例性函数是说明性的，并且将预期表1中阐述的点的一些变化，如将在下面描述的那样。
本领域技术人员将理解，表1提供了足够的数据来完整地限定根据示例性实施例的翼型件204的形状。例如，通过限定沿垂直于X、Y平面的Z方向在选定位置处的X和Y坐标值，可确定转子叶片翼型件204的沿着该翼型件的长度处于各个Z距离的轮廓截面。通过用平滑的、连续的弧来连接X和Y值，可固定翼型件204的在各个距离Z处的各个轮廓截面。通过将邻近的轮廓截面平滑地连接到彼此上来确定在距离Z之间的各个表面位置的翼型件轮廓，从而形成翼型件204的轮廓。上面在表1中阐述的值表示在环境状况、非运行状况或非热状况下的根据示例性实施例的翼型件轮廓，并且是针对未涂覆的翼型件的。
在表1中提供的表值生成和显示成两个小数位，以确定翼型件204的轮廓。存在应当在翼型件的实际轮廓中考虑的典型的制造公差以及涂层。因此，本领域技术人员将理解，表1中给出的轮廓的值是针对公称翼型件204的。因此将理解，这些示例性实施例所包含的实际值不限于表1中显示的精确值，而是相反，这些实际值意图包括表中规定的那些值的周围的一定的值范围。
例如，所包含的值应为正或负的典型的制造公差，和/或正或负的在翼型件204上使用的任何涂层厚度。因此，沿着翼型件轮廓沿垂直于任何表面位置的方向的大约+/-1.0mm的距离限定了根据这些示例性实施例的转子叶片翼型件设计和压缩机的翼型件轮廓包络。换句话说，根据示例性实施例，沿着翼型件轮廓沿垂直于任何表面位置的方向的大约+/-1.0mm且优选大约+/-0.5mm的距离限定了在公称低温或室温处在实际翼型件表面上的被测点之间的差异的范围，以及在相同温度处的那些点的理想位置。
此外，本领域技术人员将理解，根据这些示例性实施例的翼型件204的形状还将从它们的低温或室温制造的形状改变成它们的当布置成在燃气轮机发动机中运行时的受热后的形状。在翼型件204在使用中变热时，应力和温度将导致表1中描绘的低温或室温点的X、Y、Z值的变化。因而，示例性实施例进一步构思了包括与翼型件204在正常运行期间的加热相关联的变化。
如通过示例性实施例所体现的翼型件可作为第一级转子形状得到应用。以毫米(为单位)阐述X、Y和Z坐标的坐标值，但是在值被恰当地转换时，可使用其它尺寸单位。这些值不包括平台的圆角区域。
上面描述的示例性实施例意图在各方面说明本发明而非限制本发明。因而本发明能够在详细的实现中有本领域技术人员可根据本文中包含的描述获得的许多变型。所有这样的变型和修改被看作处于由所附权利要求限定的本发明的范围和精神内。本申请的描述中使用的元件、动作或指示不应当理解为对于本发明是关键的或必需的，除非明确地这样描述。而且，如本文中所使用，冠词“一个”意图包括一个或多个项目。

Claims (10)

1.一种转子叶片，其具有基本根据如表1中所阐述的笛卡尔坐标X、Y和Z的公称表面轮廓，并且其中，X和Y是以毫米表示的距离，它们在被平滑的、连续的弧连接时限定以毫米表示的各个距离Z处的翼型件轮廓截面，所述Z距离处的所述翼型件轮廓截面彼此平滑地联结而形成完整的翼型件形状。
2.根据权利要求1所述的转子叶片，其特征在于，基本根据如表1中所阐述的笛卡尔坐标X、Y和Z的所述公称表面轮廓包括沿垂直于所述完整的翼型件形状的任何表面的方向在+/-1mm内的点。
3.根据权利要求1所述的转子叶片，其特征在于，所述转子叶片的起始于叶片高度的大约2.21％直到转子叶片高度的大约60％的最大厚度(Tmax)由下式描述：
Tmax＝-0.8646*h+1.1087，其中，h为叶片高度百分比；其中，所述转子叶片的在范围为所述转子叶片高度的大约60％至大约80％的第一后续区域中的所述最大厚度由下式描述：
Tmax＝-1.0209*h+1.2058，其中h为叶片高度百分比；以及
其中，所述转子叶片的在范围为所述转子叶片高度的80％至100％的第二后续区域中的所述最大厚度由下式描述：
Tmax＝-0.7618*h+0.9985，其中h为叶片高度百分比。
4.一种转子叶片，包括：
平台；
所述转子叶片的连接到所述平台上的根部部分；以及
终止于尖部部分中的叶片表面，所述叶片表面具有截面翼型件形状，
其中，所述转子叶片的厚度根据三个不同的线性函数来作为转子叶片高度的函数而变化。
5.根据权利要求4所述的转子叶片，其特征在于，所述转子叶片的起始于叶片高度的大约2.21％直到转子叶片高度的大约60％的最大厚度(Tmax)由所述三个线性函数中的第一个线性函数描述：
Tmax＝-0.8646*h+1.1087，其中，h为叶片高度百分比；其中，所述转子叶片的在范围为所述转子叶片高度的大约60％至大约80％的第一后续区域中的所述最大厚度由所述三个线性函数中的第二个线性函数描述：
Tmax＝-1.0209*h+1.2058，其中h为叶片高度百分比；以及其中，所述转子叶片的在范围为所述转子叶片高度的80％至100％的第二后续区域中的所述最大厚度由所述三个线性函数中的第三个线性函数描述：
Tmax＝-0.7618*h+0.9985，其中h为叶片高度百分比。
6.根据权利要求4所述的转子叶片，其特征在于，所述转子叶片具有基本根据如表1中所阐述的笛卡尔坐标X、Y和Z的公称表面轮廓，并且其中，X和Y是以毫米表示的距离，它们在被平滑的、连续的弧连接时限定以毫米表示的各个距离Z处的翼型件轮廓截面，所述Z距离处的所述翼型件轮廓截面彼此平滑地联结而形成完整的翼型件形状。
7.根据权利要求6所述的转子叶片，其特征在于，基本根据如表1中所阐述的笛卡尔坐标X、Y和Z的所述公称表面轮廓包括沿垂直于所述完整的翼型件形状的任何表面的方向在+/-1mm内的点。
8.一种涡轮机，包括：
传动轴；
至少一个转子轮；
安装在所述转子轮上的多个沿周向隔开的转子叶片；
定子；以及
附连到所述定子上的多个沿周向隔开的定子叶片，
其中，所述多个转子叶片和多个定子叶片中的至少一个进一步包括：
平台；
所述多个转子叶片和多个定子叶片中的所述至少一个的连接到所述平台上的根部部分；以及
终止于尖部部分中的叶片表面，所述叶片表面具有截面翼型件形状，
其中，所述多个转子叶片和多个定子叶片中的所述至少一个的厚度根据三个不同的线性函数来作为叶片高度的函数而变化。
9.根据权利要求8所述的涡轮机，其特征在于，所述多个转子叶片和多个定子叶片中的所述至少一个的起始于叶片高度的大约2.21％直到叶片高度的大约60％的最大厚度(Tmax)由所述三个线性函数中的第一个线性函数描述：
Tmax＝-0.8646*h+1.1087，其中，h为叶片高度百分比；其中，所述多个转子叶片和多个定子叶片中的所述至少一个的在范围为所述叶片高度的大约60％至大约80％的第一后续区域中的所述最大厚度由所述三个线性函数中的第二个线性函数描述：
Tmax＝-1.0209*h+1.2058，其中h为叶片高度百分比；以及其中，所述多个转子叶片和多个定子叶片中的所述至少一个的在范围为所述叶片高度的80％至100％的第二后续区域中的所述最大厚度由所述三个线性函数中的第三个线性函数描述：
Tmax＝-0.7618*h+0.9985，其中h为叶片高度百分比。
10.根据权利要求8所述的涡轮机，其特征在于，所述多个转子叶片和多个定子叶片中的所述至少一个具有基本根据如表1中所阐述的笛卡尔坐标X、Y和Z的公称表面轮廓，并且其中，X和Y是以毫米表示的距离，它们在被平滑的、连续的弧连接时限定以毫米表示的各个距离Z处的翼型件轮廓截面，所述Z距离处的所述翼型件轮廓截面彼此平滑地联结而形成完整的翼型件形状，并且其中，基本根据如表1中所阐述的笛卡尔坐标X、Y和Z的所述公称表面轮廓包括沿垂直于所述完整的翼型件形状的任何表面的方向在+/-1mm内的点。
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