CN103089321B - 叶尖向外展开的涡轮机叶片 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种叶尖向外展开的涡轮机叶片，其可用于具有涡轮机的系统。所述涡轮机包括连接到转子的多片涡轮机叶片，其中每片涡轮机叶片具有叶片基部以及向外展开的叶尖部分，所述叶尖部分相对于所述叶片基部向外展开。另外，每片涡轮机叶片的后缘沿公共平面延伸。

Description

叶尖向外展开的涡轮机叶片

技术领域

本发明涉及涡轮机，确切地说，涉及一种用于提高性能和耐久性的涡轮机叶片几何形状。

背景技术

涡轮机系统包括燃气涡轮机、蒸汽涡轮机以及水力涡轮机。通常，涡轮机经配置以使用涡轮叶片来从气体、蒸汽或水等流体流中提取能量。例如，涡轮叶片可从支撑转子盘径向向外延伸，且当流体流穿过涡轮叶片时，涡轮叶片可迫使转子盘旋转。但不幸的是，涡轮叶片的现有设计使提供的气动性能有限。此外，改进的涡轮叶片设计可能在经济方面不实用。例如，改进的涡轮叶片设计可能由于耐久性限制而在机械方面不可行。因此，涡轮机性能可受涡轮叶片设计的限制。

发明内容

以下将概述与最初提出权利要求的本发明的范围相符的某些实施例。这些实施例的目的并不在于限制本发明的范围，而仅在于概述本发明的可能形式。实际上，本发明可包括与下述实施例类似或不同的各种形式。

在本发明的第一实施例中，一种系统包括涡轮机，所述涡轮机包括连接到转子的多片涡轮机叶片，其中每片涡轮机叶片具有叶片基部以及向外展开的叶尖部分（flaredbladetipportion），所述叶尖部分相对于所述叶片基部向外展开。另外，每片涡轮机叶片的后缘沿公共平面延伸。

所述向外展开的叶尖部分从所述叶片基部的所述后缘向外展开。所述向外展开的叶尖部分相对于所述涡轮机的旋转轴至少部分沿轴向向外展开；或者，所述向外展开的叶尖部分相对于所述涡轮机的旋转轴至少部分沿周向向外展开；或者，所述向外展开的叶尖部分相对于所述涡轮机的旋转轴沿轴向和周向向外展开。所述公共平面至少部分由每片涡轮机叶片的所述后缘处每片涡轮机叶片的中弧线界定。每片涡轮机叶片的所述后缘处每片涡轮机叶片的所述中弧线由所述后缘处每片涡轮机叶片的翼展向平均值界定。所述涡轮机包括燃气涡轮机。

在第二实施例中，一种系统包括涡轮机翼片，所述涡轮机翼片具有基部以及向外展开的叶尖部分，所述叶尖部分相对于所述基部向外展开。此外，涡轮机翼片的后缘整个沿公共平面延伸。

所述向外展开的叶尖部分从所述基部的所述后缘向外展开。所述向外展开的叶尖部分相对于涡轮机旋转轴至少部分沿轴向向外展开；或者，所述向外展开的叶尖部分相对于涡轮机旋转轴至少部分沿周向向外展开。所述公共平面至少部分由所述涡轮机翼片的所述后缘处所述涡轮机翼片的中弧线界定。所述系统包括具有所述涡轮机翼片的涡轮机。

在第三实施例中，一种系统包括涡轮叶片，所述涡轮叶片包括叶片基部以及向外展开的叶尖部分。向外展开的叶尖部分从叶片基部延伸、并相对于所述叶片基部向外展开，且涡轮叶片的后缘整体地沿公共平面延伸。

所述公共平面由所述涡轮叶片的中弧线界定，所述中弧线穿过沿所述涡轮叶片的所述后缘的每个点。所述公共平面由位于沿所述涡轮叶片的所述后缘的每个点处的所述涡轮叶片的翼展向平均值界定。所述系统包括具有连接到所述涡轮叶片的转子的涡轮机。

附图说明

在参考附图阅读以下详细说明后，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，在附图中，类似的符号代表所有附图中类似的部分，其中：

图1是燃气涡轮机系统的一项实施例的示意图，所述系统包括涡轮机，该涡轮机具有向外展开的叶尖的涡轮叶片，其中涡轮叶片的后缘沿公共平面延伸；

图2是具有向外展开的叶尖的涡轮叶片的透视图，其中涡轮叶片的后缘沿公共平面延伸；

图3是具有向外展开的叶尖的涡轮叶片的侧视图，其中涡轮机的后缘沿公共平面延伸；以及

图4是描绘涡轮叶片的向外展开的叶尖部分以及涡轮叶片的叶片基部的示意图，描绘了沿公共平面延伸的涡机叶片的后缘。

元件符号列表：

具体实施方式

下面将描述本发明的一项或多项具体实施例。为了简要描述这些实施例，说明书中可能不会描述实际实施方案的所有特征。应了解，在任意工程或设计项目中开发任意此类实际实施方案时，均应当做出与实施方案特定相关的各种决定，以实现开发人员的具体目标，例如，是否要遵守与系统相关以及与业务相关的限制，这些限制可能会因实施方案的不同而有所不同。此外，应了解，此类开发可能非常复杂耗时，但无论如何对受益于本发明的一般技术人员而言，此类开发仍是常规的设计、建造和制造操作。

在介绍本发明各种实施例的元件时，“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在表示有一个或多个元件。术语“包括”、“包含”以及“具有”旨在表示包括性含义，且表示除了所列元件外，可能还有其他元件。

以下将进一步讨论，本发明的某些实施例提供一种涡轮机，所述涡轮机包括涡轮机叶片（例如，翼片），其配置成具有增强的气动性能和提高的耐久性和/或使用寿命。例如，所述涡轮机可为具有涡轮叶片的涡轮机，例如，燃气涡轮机或蒸汽涡轮机。在其他实施例中，所述涡轮机可为压缩机或其他涡轮机。在一项实施例中，涡轮叶片可包括向外展开的叶尖部分。具体而言，向外展开的叶尖部分可相对于叶片基部沿横向，例如周向和/或轴向延伸、向外展开（flared）或“倾斜（lean）”。例如，向外展开的叶尖部分可在大体环绕转子圆周的旋转方向上向外展开，所述转子连接有涡轮叶片。将了解，向外展开的叶尖部分的向外展开几何形状可提高涡轮叶片的气动性能。例如，向外展开的叶尖部分的向外展开几何形状可有助于减少通过涡轮叶片的泄漏。具体而言，可减少涡轮叶片与周围固定部件（例如，防护罩、外壳等）之间的泄露。通过这种方式，可减少压力混合和涡流的生成。另外，涡轮叶片的整个后缘可沿公共平面延伸。具体而言，如下将详细讨论的，涡轮叶片的整个后缘可位于由翼展向（spanwise）平均叶片出口角界定的公共平面内。换言之，此公共平面可大体与后缘处涡轮叶片的中弧线相切。通过这种方式，可提高涡轮叶片以及向外展开的叶片部分的耐久性。

现在转到附图，图1所示为燃气涡轮机系统10的一项实施例的框图，该燃气涡轮机系统包括具有向外展开的叶尖部分的涡轮叶片22。另外，每片涡轮叶片22的整个后缘位于公共平面内。系统10包括压缩机12、具有燃料喷嘴16的燃烧室14、以及涡轮机18。燃料喷嘴16将天然气或合成气等液体燃料、和/或气体燃料输送到燃烧室14中。燃烧室14点燃并燃烧燃料-空气混合物，然后将热的加压燃烧气体20（例如，排气）传输到涡轮机18中。涡轮机叶片22连接到转子24，所述转子也连接到遍布涡轮机系统10的许多其他部件，如图所示。当燃烧气体20穿过涡轮机18中的涡轮叶片22时，涡轮机18受到驱动而旋转，从而使得转子24沿旋转轴25旋转。最后，燃烧气体20经由排气口26排出涡轮机18。

在所示实施例中，压缩机12包括压缩机叶片28。压缩机12内的叶片28连接到转子24，且所述叶片在转子24受到涡轮机18驱动而旋转时旋转，如上所述。当叶片28在压缩机12内旋转时，叶片28将来自进气口的空气压缩成压缩空气30，所述压缩空气可被输送到燃烧室14、燃料喷嘴16、以及燃气涡轮机系统10的其他部分。然后，燃料喷嘴14可将压缩空气与燃料混合，从而产生合适的燃料-空气混合物，该混合物在燃烧室14内燃烧以生成燃烧气体20，从而驱动涡轮机18。此外，转子24可连接到负载31，所述负载可经由转子24的旋转而得到动力供应。例如，负载31可为可经由涡轮机系统10的旋转输出来发电的任意合适的装置，例如，发电厂或外部机械负载。例如，负载31可包括发电机、飞机的推进器等。在以下讨论中，将参考不同方向，例如，涡轮机18的轴向或轴32、径向或轴34，以及周向或轴36。

图2是涡轮叶片22的透视图，描绘了向外展开的叶尖部分50以及叶片基部52。例如，叶片基部52可为涡轮叶片22未向外展开的叶尖部分。在所示实施例中，涡轮叶片22还包括叶尖表面54、叶根表面56、前缘58以及后缘60。将了解，涡轮叶片22的叶根表面56连接到涡轮机18的转子24。如图所示，向外展开的叶尖部分50在涡轮叶片22的叶片基部52与叶尖表面54之间径向34延伸。类似地，叶片基部52在涡轮叶片22的向外展开的叶尖部分50与叶根表面56之间径向34延伸。如图所示，向外展开的叶尖部分50相对于叶片基部50沿横向向外展开或“倾斜”。例如，向外展开的叶尖部分50可至少部分沿轴向32和/或周向36向外展开。换言之，向外展开的叶尖部分50可沿从后缘60朝向前缘58的方向向外展开，这样，向外展开的叶尖部分50便沿该方向延伸到叶片基部52之外，如箭头64所示。因此，可提高涡轮叶片22的气动性能。例如，在涡轮叶片22与周围固定部件（例如，防护罩、外壳等）之间，涡轮机片22经历的流泄露可减少。通过这种方式，可减少压力混合和涡流的生成。

将了解，涡轮叶片22的向外展开量可变化。也就是说，相对于涡轮叶片22的总高度68而言，向外展开的叶尖部分50的高度66可变化。例如，向外展开的叶尖部分50的高度66可为涡轮叶片22的总高度68的约1%至90%、2%至80%、3%至70%、4%至60%、5%至50%、6%至40%、7%至30%、8%至20%，或者9%至10%。在其他实施例中，向外展开的叶尖部分50的高度66可为涡轮叶片22的总高度68的5%至50%、10%至40%，或者15%至25%。

如上所述，涡轮叶片22的整个后缘60在公共平面70内。公共平面70沿后缘60在后缘60各点（例如，点73）处由涡轮叶片22的中弧线（meancamberline）72界定。具体而言，公共平面70与后缘60处的中弧线72相切。将了解，后缘60处的中弧线72可由后缘60处涡轮叶片22的翼展向平均值（spanwiseaverage）74界定。由于涡轮叶片22的整个后缘60位于公共平面70内，因此整个后缘60在径向34上大体对齐。通过这种方式，具有向外展开的叶片部分50的涡轮机叶片22的机械设计可具有提高的耐久性和/或使用寿命。

图3是涡轮机22的侧视图，描绘了向外展开的叶尖部分50以及叶片基部52（例如，未向外展开的叶尖部分），其中涡轮叶片22的整个后缘60位于公共平面70内。在所示实施例中，向外展开的叶尖部分50至少部分沿轴向32和周向36向外展开。但在某些实施例中，向外展开的叶尖部分50可沿周向36或轴向32，或者同时沿周向36和轴向32向外展开。将了解，向外展开的叶尖部分50向外展开或“倾斜”的方向可经选择以实现所需的气动性能或改进。无论向外展开的叶尖部分50的向外展开或“倾斜”方向如何，整个后缘60都在公共平面70内延伸，如上文所述。因此，可提高具有向外展开的叶尖部分50的涡轮叶片22的耐久性和/或使用寿命。

如上所述，涡轮叶片22的向外展开量可变化。换言之，相对于涡轮叶片22的总高度68而言，向外展开的叶尖部分50的高度66可变化。例如，向外展开的叶尖部分50的高度66可大于或等于涡轮叶片22的总高度68的约5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％或50％。此外，向外展开的叶尖部分50沿轴向32和/或周向36的向外展开或“倾斜”的量可变化。具体而言，在所示实施例中，向外展开的叶尖部分50向外展开一定距离，即前缘58和后缘60之间的涡轮叶片22的总宽度102的距离100（例如，在叶片基部52进行测量）。在某些实施例中，距离100可为涡轮叶片22的总宽度102的1％至50％、2％至45％、3％至40％、4％至35％、5％至30％、6％至25％、7％至20％、8％至15％，或者9％至10％。

图4是涡轮叶片22的向外展开的叶尖部分50以及涡轮叶片22的叶片基部52（例如，未向外展开的叶尖部分）的示意图，描绘了公共平面70内的涡轮叶片22的后缘60。具体而言，向外展开的叶尖部分50相对于叶片基部52向外展开。在所示实施例中，向外展开的叶尖部分50沿轴向32和周向36向外展开。具体而言，如箭头120所示，向外展开的叶尖部分50沿周向36向外展开或移位（shifted）。无需进行任意额外的向外展开，向外展开的叶尖部分50将位于虚线122所示的位置。然而，如图所示，向外展开的叶尖部分50沿轴向32进一步向外展开或移位，如箭头124所示。具体而言，向外展开的叶尖部分50沿轴向32向外展开，从而使向外展开的叶尖部分50的后缘60与叶片基部52的后缘60对齐。具体而言，通过上述方式，向外展开的叶尖部分50的后缘60以及叶片基部52的后缘60位于公共平面70内，所述公共平面由沿着后缘60的每个点的中弧线72界定。如上所述，公共平面70与中弧线72相切，所述中弧线可由后缘60处涡轮叶片22的翼展向平均值74界定。通过这种方式，可提高涡轮叶片22的气动性能，同时维持可行的机械设计。具体而言，可减少涡轮叶片22与周围固定部件（例如，外壳、防护罩等）之间的流泄露，同时可提高涡轮叶片22的耐久性和/或使用寿命。

如上所述，本发明的各项实施例涉及涡轮叶片22，其具有向外展开的叶尖部分50以及叶片基部52（例如，未向外展开的叶尖部分）。具体而言，向外展开的叶尖部分50可沿轴向32、周向36、或同时沿轴向32和周向36向外展开或“倾斜”，其中涡轮叶片22的整个后缘60在公共平面70中对齐。通过这种方式，可提高涡轮叶片22的气动性能。例如，可减少涡轮叶片22与周围固定部件之间的流泄露，从而减少压力混合和涡流的生成。公共平面70至少部分由涡轮叶片22的中弧线72界定，所述中弧线穿过沿后缘60的每个点。中弧线72可由后缘60处涡轮叶片22的翼展向平均值74界定。由于整个后缘60在公共平面70中对齐，因此涡轮叶片22的机械设计可提高耐久性和/或使用寿命。

本说明书使用了多个实例来揭示本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书界定，并可包括所属领域的技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也应在权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种系统，包括：

涡轮机，所述涡轮机包括：

连接到转子的多片涡轮机叶片，其中每片涡轮机叶片包括不向外展开的叶片基部以及向外展开的叶尖部分，所述叶尖部分相对于所述叶片基部向外展开，其中所述每片涡轮机叶片的后缘沿公共平面延伸，并且所述叶尖部分至少部分地相对于所述涡轮机旋转轴沿轴向向前的方向向外展开。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述向外展开的叶尖部分从所述叶片基部的所述后缘向外展开。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述向外展开的叶尖部分可沿从后缘(60)朝向前缘(58)的方向向外展开。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述向外展开的叶尖部分相对于所述涡轮机的所述旋转轴至少部分沿周向向外展开。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述向外展开的叶尖部分相对于所述涡轮机的所述旋转轴沿轴向和周向向外展开。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述公共平面至少部分由每片涡轮机叶片的所述后缘处每片涡轮机叶片的中弧线界定。

7.根据权利要求6所述的系统，其中每片涡轮机叶片的所述后缘处每片涡轮机叶片的所述中弧线由所述后缘处每片涡轮机叶片的翼展向平均值界定。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述涡轮机包括燃气涡轮机。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述向外展开的叶尖部分从所述叶片基部的所述后缘向外展开，所述向外展开的叶尖部分相对于所述涡轮机的所述旋转轴至少部分沿轴向向外展开，所述向外展开的叶尖部分相对于所述涡轮机的所述旋转轴至少部分沿周向向外展开，且所述公共平面至少部分由位于每片涡轮机叶片的所述后缘处的、每片涡轮机叶片的中弧线界定。

10.一种系统，包括：

涡轮机翼片，所述涡轮机翼片包括不向外展开的基部以及向外展开的叶尖部分，所述叶尖部分相对于所述基部向外展开，其中所述涡轮机翼片的后缘整个沿公共平面延伸，所述叶尖部分至少部分地沿相对于涡轮机旋转轴的轴向向前的方向向外展开。

11.根据权利要求10所述的系统，其中所述向外展开的叶尖部分从所述基部的所述后缘向外展开。

12.根据权利要求10所述的系统，其中所述向外展开的叶尖部分可沿从后缘(60)朝向前缘(58)的方向向外展开。

13.根据权利要求10所述的系统，其中所述向外展开的叶尖部分相对于所述涡轮机旋转轴至少部分沿周向向外展开。

14.根据权利要求10所述的系统，其中所述公共平面至少部分由所述涡轮机翼片的所述后缘处所述涡轮机翼片的中弧线界定。

15.根据权利要求10所述的系统，其中所述向外展开的叶尖部分相对于所述涡轮机旋转轴沿轴向向外展开，所述向外展开的叶尖部分相对于所述涡轮机旋转轴沿周向向外展开，所述向外展开的叶尖部分从所述基部的所述后缘向外展开，且所述公共平面至少部分由所述涡轮机翼片的所述后缘处所述涡轮机翼片的中弧线界定。

16.根据权利要求15所述的系统，其中包括具有所述涡轮机翼片的涡轮机。

17.一种系统，包括：

涡轮叶片，所述涡轮叶片包括不向外展开的叶片基部和向外展开的叶尖部分，其中所述向外展开的叶尖部分从所述叶片基部延伸、并相对于所述叶片基部向外展开，且所述涡轮叶片的后缘整个沿公共平面延伸，并且所述叶尖部分至少部分地沿相对于涡轮机旋转轴的轴向向前方向向外展开。

18.根据权利要求17所述的系统，其中所述公共平面由所述涡轮叶片的中弧线界定，所述中弧线穿过沿所述涡轮叶片的所述后缘的每个点。

19.根据权利要求17所述的系统，其中所述公共平面由位于沿所述涡轮叶片的所述后缘的每个点处的所述涡轮叶片的翼展向平均值界定。

20.根据权利要求17所述的系统，其中包括具有连接到所述涡轮叶片的转子的涡轮机。