CN102661289B - 用于压缩机的翼型形状 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于压缩机的翼型形状。一种具有基本根据表A中描述的X，Y和Z的笛卡尔坐标值的公称轮廓的制造物。X和Y是以英寸表示的距离，当由平滑的连续的弧连接时，它们限定以英寸表示的各个距离Z处的翼型轮廓截面。Z距离处的轮廓截面可彼此平滑地联结而形成完整的翼型形状。

Description

用于压缩机的翼型形状

技术领域：

本发明涉及诸如用于燃气涡轮机的叶片或导叶的翼型件(下文中为了方便描述和理解称为或者叶片或者导叶)。特别地，本发明涉及用于第4级转子导叶的压缩机翼型轮廓。

背景技术：

在燃气涡轮机中，在燃气涡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。涡轮机热气路径要求压缩机翼型件转子导叶满足效率、可靠性以及加载的设计目标和期望的要求。例如且不以任何方式限制本发明，压缩机转子的导叶应当实现针对该特定级的热和机械运行要求。此外，例如且不以任何方式限制本发明，压缩机转子的导叶应当实现针对该特定级的热和机械运行要求。

为了满足设计目标和期望的要求所作出的过去的努力在翼型件上提供涂层，但是该涂层可能并不足够健壮或者永久来提供设计目标和期望的要求。因此，合乎需要的是提供具有满足设计目标和期望的要求的轮廓的翼型件构造。

发明内容：

在本发明的一个实施例中，一种制造物包括具有翼型形状的导叶翼型件，该翼型件具有基本根据表A中描述的X，Y和Z的笛卡尔坐标值的公称轮廓。X和Y是在由平滑的连续的弧连接时限定了以英寸表示的各个距离Z处的翼型轮廓截面的距离。Z距离处的轮廓截面彼此平滑地联结而形成完整的翼型形状。

在根据本发明的另一个实施例中，一种压缩机导叶包括具有基本根据表A中描述的X，Y和Z的笛卡尔坐标值的无涂层的公称翼型轮廓的导叶翼型件。X和Y是以英寸表示的距离，在由平滑的连续的弧连接时，它们限定了以英寸表示的各个距离Z处的翼型轮廓截面。Z距离处的轮廓截面彼此平滑地联结而形成完整的翼型形状。X和Y距离可作为常数的函数而按比例缩放，以提供按比例增大或者按比例缩小的翼型件。

在本发明的又一个实施例中，一种压缩机包括压缩机叶轮，压缩机叶轮具有与转子导叶协作的多个叶片。各个导叶包括具有翼型形状的翼型件。翼型件包括基本根据表A中描述的X，Y和Z的笛卡尔坐标值的公称轮廓。X和Y是以英寸表示的距离，在由平滑的连续的弧连接时，它们限定了以英寸表示的各个距离Z处的翼型轮廓截面。Z距离处的轮廓截面彼此平滑地联结而形成完整的翼型形状。

在本发明的再一个实施例中，一种压缩机包括压缩机叶轮，压缩机叶轮具有与转子导叶协作的多个叶片，且各个导叶包括具有基本根据表A中描述的X，Y和Z的笛卡尔坐标值的无涂层的公称翼型轮廓的翼型件。X和Y是在由平滑的连续的弧连接时限定以英寸表示的各个距离Z处的翼型轮廓截面的距离。Z距离处的轮廓截面彼此平滑地联结而形成完整的翼型形状。X，Y和Z距离可作为常数的函数而按比例缩放，以提供按比例增大或者按比例缩小的导叶翼型件。

附图说明：

图1是显示了由本发明体现的压缩机的多个级的压缩机的局部截面图；

图2是用于由本发明体现的压缩机的叶片的透视图；

图3是其侧面正视图；

图4是由本发明体现的压缩机叶片的切向和后向透视图；

图5是在径向外部从叶片尖端观察而看到的由本发明体现的压缩机叶片的端视图；

图6是类似于图2的视图；且

图7是其大体大约在图6中的线7-7上得到的截面图。

具体实施方式：

根据本发明的一个实施例，一种制造物具有基本根据表A中所描述的X，Y和Z的笛卡尔坐标值的公称轮廓，且其中，X和Y是以英寸表示的距离，当由平滑的连续的弧连接时，它们限定了以英寸表示的各个距离Z处的翼型轮廓截面，Z距离处的轮廓截面彼此平滑地联结而形成完整的翼型形状。

根据本发明的一个实施例，提供了一种燃气涡轮机的导叶的压缩机翼型形状(airfoilcompressorshape)，其会提高燃气涡轮机的性能。此处的翼型形状还会改进压缩机的各个级之间的相互作用，并且提供改进的空气动力学效率，而同时降低级翼型件热应力和机械应力。

由本发明体现的导叶翼型轮廓由点的特别的轨迹限定，以便实现必须的效率和加载要求，由此获得改进的压缩机性能。这些特别的点的轨迹限定了公称翼型轮廓，并且由下文中的表A的X，Y和Z笛卡尔坐标来表示。表A所显示的坐标值的点在导叶的翼型件的沿着其长度的各个截面处相对于发动机的中心线以及用于低温，即室温的导叶。正的X，Y和Z方向分别是朝向涡轮机的排气端的轴向，沿着发动机旋转方向的切向以及朝向静态箱体沿径向向外。X，Y和Z坐标例如以英寸为单位以距离尺寸给出，且在各个Z位置处平滑地联结而形成平滑的连续的翼型件截面。X，Y平面中的各个限定的翼型件截面在Z方向上与相邻的翼型件截面平滑地联结而形成完整的翼型形状。

将了解，如本领域普通技术人员已知的，翼型件在使用期间变热。翼型轮廓因此将由于机械加载和温度而改变。因此，为了制造的目的，低温或者室温轮廓由X，Y和Z坐标给出。在沿着包括任何涂层的公称轮廓垂直于任何表面位置的方向上距该公称轮廓正或负大约0.160英寸(+/-0.160”)的距离限定了此导叶翼型件的轮廓包络，因为制造的导叶翼型轮廓可能不同于以下表中给出的公称翼型轮廓。翼型形状针对此变化而言是健壮的，不会损害导叶的机械和空气动力学功能。

由本发明体现的翼型件可在几何上按比例增大或者按比例缩小，以便引入类似的涡轮机设计。结果，公称翼型轮廓的X，Y和Z坐标可为常数的函数。也就是说，X，Y和Z坐标值可乘以或者除以相同的常数或者数值，以便提供导叶翼型轮廓的“按比例增大”或“按比例缩小”的形式，同时保持由本发明体现的翼型件截面形状。

现在参照图1，其中显示了大体由10标示的具有多个级(包括大体由12标示的第一级)的压缩机的一部分。各个级包括多个沿周向隔开的定子叶片，以及安装在压缩机转子16上的转子叶片14。第一级压缩机定子叶片12彼此沿周向隔开，具有翼型件18，其具有以下规定的特定的翼型形状或轮廓。参照图2，翼型形状或轮廓分别包括前缘20和后缘22。

现在参照图2-7，各个翼型件叶片具有由X，Y和Z值的笛卡尔坐标系限定的翼型轮廓。坐标值在以下表I中以英寸来描述。笛卡尔坐标系包括正交地相关的X，Y和Z轴，其中Z轴从压缩机转子的中心线起沿着半径-即垂直于包含X和Y值的平面延伸。Z距离在径向最外侧空气动力学区段中、X，Y平面中的零点处开始。X轴平行于压缩机转子中心线，即旋转轴线而设置。通过在垂直于X，Y平面的Z方向中的选定位置处限定X和Y坐标值，可确定翼型件20的轮廓。通过用平滑的连续的弧连接X和Y值，各个距离Z处的各个轮廓截面确定。在距离Z之间的多个表面位置处的表面轮廓彼此平滑地连接而形成翼型件。以下表I中给出的表格式的值以英寸表示，且表示环境中的、非操作或者非热状态下的翼型轮廓，并且用于无涂层的翼型件。符号惯例在沿径向向内的方向上赋予正值Z，以及为在笛卡尔坐标系中典型地使用的X和Y坐标值赋予正的和负的值。

为了限定导叶翼型件的翼型形状，提供了空间中的点的特别的组或轨迹。该特别的点组或轨迹满足级的要求，以便可制造级。该特别的点的轨迹还满足级效率以及降低的热和机械应力的期望的要求。点的轨迹通过使得压缩机能够以高效、安全和平滑的方式运行的空气动力学和机械加载之间的迭代而实现。

由本发明体现的轨迹限定了导叶翼型轮廓，且可包括相对于发动机的旋转轴线的一组点。例如，可提供一组点来限定导叶翼型轮廓。此外，由本发明体现的导叶翼型轮廓可包括用于压缩机的第4级转子导叶的导叶。

以下表A中给出的X，Y和Z值的笛卡尔坐标系限定了导叶翼型件的在沿着其长度的多个位置处的轮廓。X，Y和Z坐标的坐标值以英寸来描述，但在对值进行恰当地转换时可使用其它尺寸单位。这些值排除了平台的圆角区域。笛卡尔坐标系具有正交地相关的X，Y和Z轴。X轴平行于压缩机转子中心线-诸如旋转轴线而布置。正的X坐标值是朝向后方-例如压缩机的排气端的轴向。向后方引导的正的Y坐标值在转子的旋转方向上沿切向延伸。正的Z坐标值朝向压缩机的静态箱体沿径向向外引导。

产生了表A的值，且显示为三位小数位，以确定翼型件的轮廓。存在应当在翼型件的实际轮廓中考虑的典型的制造容差以及涂层。因此，给出的轮廓的值是用于公称翼型件的。因此将理解，+/-典型制造容差，诸如包括任何涂层厚度的+/-值，添加到X以及Y值。因此，在垂直于沿着翼形轮廓的任何表面位置的方向上的大约+/-0.160英寸的距离限定了用于导叶翼型件设计和压缩机的翼型轮廓包络。换言之，在垂直于沿着翼形轮廓的任何表面位置的方向上的大约+/-0.160英寸的距离限定了在公称低温或者室温处的实际翼型件表面上的测量的点与由本发明体现的那些点的相同温度时的理想位置之间的变化范围。对于该变化范围而言，由本发明体现的导叶翼型件设计是健壮的，不会损害机械和空气动力学功能。

以下表A中给出的坐标值提供了示例性S1级转子的公称轮廓包络。

表A

在由本发明体现的示例性实施例中，例如压缩机级导叶(stagecompressorvane)，存在许多未被冷却的翼型件。仅为了参照的目的，沿着堆叠轴线穿过翼型件和平台的相交部建立有点-0。

还将了解，以上表A中公开的示例性翼型件(一个或多个)可在几何方面按比例增大或者缩小以便用于其它类似的压缩机设计中。结果，表A中所描述的坐标值可关于该表A按比例增大或者缩小，使翼型轮廓形状保持不变。表A中的坐标的按比例变化的形式可通过使表A的X，Y和Z坐标值乘以或者除以常数来表示。

特别地，如由本发明体现的，表A限定的翼型件可应用于涡轮机的压缩机中，例如但不限于GE“7FA+e”型压缩机。此外，由本发明体现的导叶翼型轮廓可包括压缩机的第14级转子导叶。该压缩机仅仅示意由本发明体现的翼型件的预期应用。此外，构思了由本发明体现的表A的翼型件还可在对由本发明体现的翼型件进行按比例缩放的情况下用作GEFrameF-级涡轮机以及GE的Frame6和9涡轮机中的转子导叶。

翼型件为空气流赋予动能，且因此引起穿过压缩机的期望的流。翼型件使流体流转动，降低流体流速度(在相应的翼型件参照系中)，并且实现流体流的静压的升高。除了本发明的其它合乎需要的方面之外，由本发明体现的翼型件的构造(以及其与周围的翼型件的相互作用)，包括其周边表面，提供了级空气流效率，增强的空气动力学，从级到级的平滑的层流，降低的热应力，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，翼型件级的多个排，诸如但不限于转子/转子翼型件，堆叠而实现期望的排放压力-入口压力比。翼型件可通过合适的附连构造而固定到叶轮上或者箱体上，该附连构造通常称为“叶根”、″基部″或″鸠尾榫″。

由本发明体现的翼型件的构造以及与周围的翼型件的任何相互作用-其提供了本发明的合乎需要的方面的流体流动力学和层流-可通过多种方式来确定。来自之前的/上游的翼型件的流体流与由本发明体现的翼型件相交，且通过当前的翼型件的构造，经过由本发明体现的翼型件且绕着该翼型件流动的流得以增强。特别地，来自由本发明体现的翼型件的流体动力学和层流得以增强。存在从任何之前的/上游的翼型件(一个或多个)起的平滑的过渡流体流，以及流向相邻的/下游的翼型件(一个或多个)的平滑的过渡流体流。此外，来自由本发明体现的翼型件的流向相邻的/下游的翼型件(一个或多个)前进，由于离开由本发明体现的翼型件的加强的层流流体流而得以加强。因此，由本发明体现的翼型件的构造有助于防止包括由本发明体现的翼型件的单元中的紊流流体流。

例如但不以任何方式限制本发明，翼型件构造(有或者没有流体流相互作用)可通过以下方式来确定：计算模型流体动力学(CFD)；传统流体动力学分析；Euler和Navier-Stokes方程；传递函数，算法，制造：手动定位，流动测试(例如在风洞中)以及翼型件修改；现场测试；建模：应用科学原理来设计或者开发翼型件，机器，设备或者制造过程；翼型件流动测试与修改；它们的组合，以及其它设计过程和实践。这些确定方法仅仅是示例性的，而不意图以任何方式限制本发明。

与具有类似应用的其它相似的翼型件相比，除了本发明的其它合乎需要的方面之外，如上文所述，由本发明体现的翼型件构造(以及其与周围的翼型件的相互作用)，包括其周缘表面，提供了级空气流效率、增强的空气动力学、从级到级的平滑的层流、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。当然，其它这样的优点在本发明的范围中。

虽然在本文中描述了多种实施例，但是根据说明书将理解，元件的多种组合、其中的改变或者改进可由本领域技术人员作出，并且在本发明的范围内。

Claims (7)

1.一种翼型件，所述翼型件具有基本根据表A中描述的X，Y和Z的笛卡尔坐标值的公称轮廓，且其中，X和Y是以英寸表示的距离，当由平滑的连续的弧连接时，它们限定以英寸表示的各个距离Z处的翼型轮廓截面，其中Z是沿着堆叠轴线限定的，所述Z距离处的轮廓截面彼此平滑地联结而形成完整的翼型形状。

2.根据权利要求1所述的翼型件，其特征在于，所述翼型件提供有涂层，所述涂层位于垂直于所述翼型件表面位置的方向上的±0.160英寸内的包络中。

3.根据权利要求1所述的翼型件，其特征在于，所述翼型件包括转子导叶。

4.一种包括压缩机叶轮的压缩机，所述压缩机叶轮具有多个叶片，所述叶片中的各个与多个转子导叶协作，所述多个转子导叶包括具有翼型形状的翼型件，所述翼型形状具有基本根据表A中描述的X，Y和Z的笛卡尔坐标值的公称轮廓，其中X和Y是以英寸表示的距离，当由平滑的连续的弧连接时，它们限定以英寸表示的各个距离Z处的翼型轮廓截面，其中Z是沿着堆叠轴线限定的，所述Z距离处的轮廓截面彼此平滑地联结而形成完整的翼型形状。

5.一种包括压缩机叶轮的压缩机，所述压缩机叶轮具有与多个转子导叶协作的多个叶片，所述多个转子导叶包括具有基本根据表A中描述的X，Y和Z的笛卡尔坐标值的无涂层的公称翼型轮廓的翼型件，其中X和Y是以英寸表示的距离，当由平滑的连续的弧连接时，它们限定以英寸表示的各个距离Z处的翼型轮廓截面，其中Z是沿着堆叠轴线限定的，所述Z距离处的轮廓截面彼此平滑地联结而形成完整的翼型形状，所述X和Y距离能够作为相同的常数或者数值的函数而按比例缩放，以提供按比例增大的翼型件以及按比例缩小的翼型件中的至少一个。

6.根据权利要求5所述的压缩机，其特征在于，所述多个转子导叶包括第14级转子导叶。

7.根据权利要求5所述的压缩机，其特征在于，所述翼型件提供有涂层，所述涂层位于垂直于所述翼型件表面位置的方向上的±0.160英寸内的包络中。