CN103184889B - 一种涡轮转子叶片、转动组件以及涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

一种涡轮转子叶片，包括翼型部分和叶冠部分，叶冠部分大体上沿涡轮转子中心周向地并轴向地延伸而形成于翼型部分的自由端上，其具有叶冠前缘和叶冠后缘，其中，叶冠前缘和叶冠后缘均呈平滑过渡的弧形。将叶冠前缘和叶冠后缘设计为弧形，叶冠部分的可加工性得以提高，同时弧形的叶冠前缘和叶冠后缘使叶冠部分的质量分布更加均匀从而降低了应力集中作用。

Description

一种涡轮转子叶片、转动组件以及涡轮发动机

技术领域

本发明涉及一种涡轮转子叶片、转动组件以及涡轮发动机。

背景技术

在很多领域中，燃气涡轮机用于驱动发电机或工作机械，尤其是在飞机上。在此，利用燃料的能量使得涡轮轴旋转。为此，燃料在一个燃烧室中燃烧，由压气机压缩后的空气也输入其中。在燃烧室中通过燃料燃烧而形成高温高压工作介质通过一个接在燃烧室后面的涡轮单元膨胀做功。

涡轮转子叶片为涡轮单元中的一个重要部件，其用于把从燃烧室的热能转换成涡轮转子的机械功。涡轮的性能可以通过将涡轮叶片顶部密封而得以增强，从而防止燃烧气体从气流逸出到叶片顶部和机匣之间的间隙。通常将叶片顶部和涡轮机匣之间的间隙的密封方法是在叶片顶部设置有叶冠。叶冠不仅可以增强涡轮性能还可以用作减震器，特别是对于径向长度较长的涡轮叶片尤其如此。典型的具有叶冠的涡轮叶片具有翼型部分和叶冠部分。一般在制造时，翼型部分和叶冠部分一体成形如铸造而成。其中，翼形部分具有前缘、后缘以及从前缘延伸到后缘的压力面和吸力面；叶冠部分大体上垂直于翼形部分的前缘和后缘并在翼形部分的顶部延伸，其具有叶冠前缘和叶冠后缘，该叶冠前缘和叶冠后缘与一个相邻的涡轮转子叶片的叶冠部分的叶冠后缘以及另一个相邻的涡轮转子叶片的叶冠前缘之间形成互锁结构，典型地，该叶冠前缘和叶冠后缘形成有锯齿形，具体地说，该锯齿形一般为Z形。藉由该互锁连接在一起的周向叶冠组，振动可以被降低且涡轮效率得以提高。一般在叶冠部分远离涡轮轴的一例还设有封气篦齿，其垂直于涡轮轴线，封气篦齿的目的在于进一步使涡轮转子叶片的顶部周围的泄漏减至最少。

公开号CN101372895A的中国发明专利申请公开了一种涡轮机轮叶叶冠的边缘轮廓，该叶冠的轮廓呈Z形。然而，很明显地，这种具有Z形轮廓的叶冠加工难度较大，此外，质量分布也不均匀从而导致局部结构悬臂量大并造成了应力集中，因此降低了涡轮转子叶片的使用寿命。因此，希望改进涡轮叶片叶冠的轮廓，以降低蠕变，从而优化轮叶寿命，同时保证轮叶具有可接受的性能和可制造性。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种涡轮转子叶片，其具有改进的叶冠结构，藉此，使叶冠部分的质量分布更加趋于平衡和合理。为了实现上述目的，本发明公开了一种涡轮转子叶片，包括翼型部分和叶冠部分。叶冠部分大体上沿涡轮转子中心周向地并轴向地延伸而形成于翼型部分的自由端上，叶冠部分具有叶冠前缘和叶冠后缘。其中，叶冠前缘和叶冠后缘均呈平滑过渡的弧形。

较优地，形成弧形的曲线基本与翼型部分的翼型封闭曲线的中弧线一致。

更优地，叶冠前缘和叶冠后缘相对于翼型部分的翼型封闭曲线的中弧线是基本对称的。

更优地，在周向上，从翼型部分的翼型封闭曲线的中弧线沿径向投射在叶冠部分的投影到叶冠前缘，以及从翼型部分的翼型封闭曲线的中弧线沿径向投射在叶冠部分的投影到叶冠后缘，叶冠部分的径向厚度逐渐变薄。

选择性地，在周向上，从叶冠部分与翼型部分的自由端的连接区到叶冠前缘以及从叶冠部分与翼型部分的自由端的连接区到叶冠后缘，叶冠部分的径向厚度逐渐变薄。

较优地，叶冠前缘和叶冠后缘均附设有耐磨涂层。

较优地，叶冠部分具有沿周向和/或轴向延伸的加强筋。

本发明还公开了一种转动组件，用于燃气涡轮发动机中，其包括：转动盘、叶片主体和叶冠部分。其中，叶片主体包括：叶片前缘、叶片后缘、固定在前述转动盘上的叶根，与叶根相对的自由端，以及形成在叶片前缘和叶片后缘之间的压力面和吸力面。叶冠部分大体上垂直于叶片主体形成在自由端上，其具有叶冠前缘和叶冠后缘。其中，叶冠前缘和叶冠后缘均为平滑过渡的弧形并使相邻的叶冠部分藉由相邻的弧形彼此互锁在一起。

较优地，压力面和吸力面在垂直于叶片前缘和叶片后缘的截面上共同形成了翼型封闭曲线，形成弧形的曲线基本与翼型封闭曲线的中弧线一致。

更优地，叶冠前缘和叶冠后缘相对于叶片主体的翼型封闭曲线的中弧线是基本对称的。

更优地，叶冠部分的径向厚度从叶冠部分的中间向叶冠前缘和叶冠后缘的方向上逐渐变薄的。

本发明还公开了一种涡轮发动机，其具有上述的转动组件。

将叶冠前缘和叶冠后缘设计为弧形，叶冠部分的可加工性得以提高，同时弧形的叶冠前缘和叶冠后缘使叶冠部分的质量分布更加均匀从而降低了应力集中作用，另外，将叶冠部分的径向厚度设计为从叶冠部分的中间向叶冠前缘和叶冠后缘的方向上逐渐变薄并同时增设加强肋不仅能满足叶冠部分的强度要求同时将叶冠部分的质量降低。因此，本发明能够降低涡轮转子叶片的载荷水平并增加其使用寿命。

附图说明

图1为三个涡轮转子叶片两两邻近布置在一起的示意图；

图2为图1中的一个涡轮转子叶片的叶冠部分的示意图；

图3为图1中的一个涡轮转子叶片的翼型部分的翼型封闭曲线和中弧线的示意图，其中以图(a)和图(b)分别示出了由两种不同的方式所形成的中弧线。

具体实施方式

如图1和图2所示，其中，图1示出了三个涡轮转子叶片两两邻近布置在一起的示意图，图2为图1中的一个涡轮转子叶片的叶冠部分的示意图。三个涡轮转子叶片分别以附图标记100、200和300来表示，图中所示的涡轮转子叶片为本发明的一种优选的实施方式，下面，以其中一个涡轮转子叶片100为例进行说明。涡轮转子叶片100包括翼型部分102和叶冠部分104。其中，该翼型部分102具有叶片前缘102a、叶片后缘102b、压力面102c和吸力面102d；叶冠部分104大体上沿涡轮转子中心周向地并轴向地延伸而形成于翼型部分102的自由端上，其具有叶冠前缘106和叶冠后缘108。在此，翼型部分102和叶冠部分104是一体成形的。叶冠前缘106和叶冠后缘108均呈平滑过渡的弧形。由于在周向上涡轮转子叶片100的叶冠部分104需要和邻接的涡轮转子叶片200、300的叶冠部分204、304啮合在一起，故，叶冠前缘106的弧形需要和叶冠后缘108的弧形呈互锁状，这样，当将周向上所有的涡轮转子叶片组装在涡轮转子的转动盘上后，这些叶冠部分就能均彼此啮合而互锁在一起从而和翼型部分共同形成燃气流动通道。由图2可知，叶冠前缘106和叶冠后缘108的形状是相同的，即叶冠前缘106和叶冠后缘108分别可以和与其形状均相同的叶冠部分204、304的叶冠后缘和叶冠前缘彼此啮合而周向互锁在一起。本领域技术人员可以理解，翼型部分和叶冠部分也可以分别制造并可以以诸如焊接等连接方式被固定在一起。

再结合图3，其中，图3中以(a)和(b)两图示出了涡轮转子叶片100的翼型部分104的翼型封闭曲线L1和中弧线L2，在图2中以虚线示出了翼型封闭曲线L1在图3的(a)和(b)两图中以实线来表示。所谓翼型封闭曲线指的是涡轮转子叶片的翼型部分在垂直于叶片前缘和叶片后缘的横截面上的轮廓曲线。中弧线限定在该翼型封闭曲线内，其可以指翼型封闭曲线的多个内接圆的圆心共同连线构成的一条连续曲线。如图3中图(a)所示，其中示出了翼型封闭曲线L1、由诸如内接圆L4和L5等圆心A连接在一起形成的中弧线为L2以及弦线L3。中弧线也可以指与翼型封闭曲线的弦线相垂直的多条直线分别与翼型封闭曲线的上下曲线相交的两交点所形成的线段的中心共同构成的一条连续曲线。如图3中图(b)中所示，其中示出了翼型封闭曲线L1以及由诸如分别垂直于弦线L3的线段L4’和L5’等的中心B连接在一起形成的中弧线L2。在此，形成叶冠前缘106和叶冠后缘108的弧形曲线基本与该翼型部分102的翼型封闭曲线L1的中弧线L2一致。因此，叶冠后缘108的弧形和叶冠前缘106的弧形是基本相同的。并且，叶冠前缘106和叶冠后缘108相对于叶片主体的翼型封闭曲线L1的中弧线L2较优地是基本对称的。这样，叶冠前缘106是凹进状的，叶冠后缘108是凸出状的，从而当涡轮转子叶片100在周向上与相邻的涡轮转子叶片200、300进行组装时，如图1所示，相邻的涡轮转子叶片200的叶冠部分204的叶冠后缘与涡轮转子叶片100的叶冠前缘106彼此啮合，相邻的涡轮转子叶片300的叶冠部分304的叶冠前缘与涡轮转子叶片100的叶冠后缘108彼此啮合。上述叶冠部分的结构不仅有利于提高制造性，而且上述叶冠部分由于具有平滑过渡的弧形尤其是叶冠前缘和叶冠后缘具有与翼型封闭曲线的中弧线基本一致的曲线轮廓从而使悬臂量较为均匀，因此，本发明的叶冠部分的设计能够增加涡轮转子叶片的使用寿命。

再参见图1和图2，叶冠部分104还具有一对封气篦齿110和数个加强筋112，其中，封气篦齿110也可被称为封严篦齿或密封导轨等，其凸设于叶冠部分104的上表面，与叶冠部分104一体成形的，其用来降低径向间隙造成的漏气损失。由于为了提高涡轮效率而设置封气篦齿在本领域是公知的，故在此不再赘述。数个加强筋112中有的与封气篦齿110是平行的(可称为周向加强筋)有的与封气篦齿110是垂直的(可称为轴向加强筋)，具体地，在上述一对封气篦齿110形成的边界内具有一对轴向加强筋，其与封气篦齿110固定在一起从而构成了类似于梯子的形状，另外，在上述一对封气篦齿110外还具有一对分别位于封气篦齿110两侧的周向加强筋，这对周向加强筋的前后两端分别连接到叶冠部分104的叶冠前缘106和叶冠后缘108上。可以理解，加强筋112从叶冠部分104突出的高度应当低于上述封气篦齿110从叶冠部分104突出的高度，从而能够保证加强筋112不与静子机匣上的封严密封结构碰磨，而且，由于采用了交叉网状的加强筋形式，不仅确保了叶冠部分的强度同时减少了叶冠部分的重量。本领域的技术人员应当可以理解，封气篦齿和加强筋的数目在此并不被限制，而且，加强筋也可以与封气篦齿是非平行或非垂直的，即，并不限于周向加强筋和/或轴向加强筋。

为了使叶冠部分104的质量分布更加合理，在本发明一种较优的实施方式中，在周向上，从翼型部分102的翼型封闭曲线L1的中弧线L2沿径向投射在叶冠部分104的投影到叶冠前缘106，以及从翼型部分102的翼型封闭曲线L1的中弧线L2沿径向投射在叶冠部分104的投影到叶冠后缘108，叶冠部分104的径向厚度逐渐变薄。在本发明的另一种实施方式中，在周向上，从叶冠部分104与翼型部分102的自由端的连接区到叶冠前缘106，以及从叶冠部分104与翼型部分102的自由端的连接区到叶冠后缘108，叶冠部分104的径向厚度逐渐变薄。上面两种区域划分的实施方式仅是示例性的，本领域的技术人员应当可以理解，只要叶冠部分104的径向厚度从叶冠部分104的中间向叶冠前缘106和叶冠后缘108的方向上是逐渐变薄的即可。在此，“中间”可以表示一条中间线，例如翼型部分的翼型封闭曲线的中弧线L2沿径向投射到叶冠部分104上的投影线，也可以表示一个区域，例如上述连接区。因此，可以保证叶冠部分104的重心处于叶冠部分104的中间，同时，保证当涡轮转子叶片100高速旋转时，其叶冠部分104的叶冠前缘106以及叶冠后缘108不会产生过分大的离心力从而避免这种离心力对叶冠部分104和翼型部分102的连接区产生破坏作用。

为了减少相邻的叶冠部分的振动对叶冠前缘以及叶冠后缘的啮合面的磨损，可以在叶冠前缘以及叶冠后缘的啮合面上涂覆耐磨涂层。

本发明还公开了一种转动组件，用于燃气涡轮发动机中，其包括：转动盘、叶片主体和叶冠部分。其中，该叶片主体包括：叶片前缘、叶片后缘、固定在转动盘上的叶根，与叶根相对的自由端，以及形成在叶片前缘和叶片后缘之间的压力面和吸力面。该叶冠部分具有前面所述的叶冠部分的所有特征，具体地，其大体上垂直于叶片主体形成在自由端上，其具有叶冠前缘和叶冠后缘，其中，叶冠前缘和叶冠后缘均为平滑过渡的弧形并使相邻的叶冠部分藉由相邻的弧形彼此互锁在一起。

本发明还公开了一种涡轮发动机，其具有一种转动组件，该转动组件包括：转动盘、叶片主体和叶冠部分。其中，该叶片主体包括：叶片前缘、叶片后缘、固定在转动盘上的叶根，与叶根相对的自由端，以及形成在叶片前缘和叶片后缘之间的压力面和吸力面。该叶冠部分具有前面所述的叶冠部分的所有特征，具体地，其大体上垂直于叶片主体形成在自由端上，其具有叶冠前缘和叶冠后缘，其中，叶冠前缘和叶冠后缘均为平滑过渡的弧形并使相邻的叶冠部分藉由相邻的弧形彼此互锁在一起。。

上述描述虽然对本发明作了比较详细的说明，但是这些只是对本发明说明性的，而不是对本发明的限制，任何未超出本发明实质精神内的发明创造，均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种涡轮转子叶片，包括翼型部分和叶冠部分，所述叶冠部分大体上沿涡轮转子中心周向地并轴向地延伸而形成于所述翼型部分的自由端上，所述叶冠部分具有叶冠前缘和叶冠后缘，其中，所述叶冠前缘和所述叶冠后缘均呈平滑过渡的弧形并使相邻的叶冠部分藉由相邻的弧形彼此互锁在一起，形成所述弧形的曲线基本与所述翼型部分的翼型封闭曲线的中弧线一致。

2.根据权利要求1所述的涡轮转子叶片，其特征在于，所述叶冠前缘和所述叶冠后缘相对于所述翼型部分的翼型封闭曲线的中弧线是基本对称的。

3.根据权利要求2所述的涡轮转子叶片，其特征在于，在周向上，从所述翼型部分的翼型封闭曲线的中弧线沿径向投射在所述叶冠部分的投影到所述叶冠前缘，以及从所述翼型部分的翼型封闭曲线的中弧线沿径向投射在所述叶冠部分的投影到所述叶冠后缘，所述叶冠部分的径向厚度逐渐变薄。

4.根据权利要求2所述的涡轮转子叶片，其特征在于，在周向上，从所述叶冠部分与所述翼型部分的自由端的连接区到所述叶冠前缘以及从所述叶冠部分与所述翼型部分的自由端的连接区到所述叶冠后缘，所述叶冠部分的径向厚度逐渐变薄。

5.根据权利要求1所述的涡轮转子叶片，其特征在于，所述叶冠前缘和所述叶冠后缘均附设有耐磨涂层。

6.根据权利要求1所述的涡轮转子叶片，其特征在于，所述叶冠部分具有沿周向和/或轴向延伸的加强筋。

7.一种转动组件，用于燃气涡轮发动机中，其包括：

转动盘；

叶片主体，其包括：叶片前缘、叶片后缘、固定在所述转动盘上的叶根，与所述叶根相对的自由端，以及形成在所述叶片前缘和所述叶片后缘之间的压力面和吸力面，所述压力面和所述吸力面在垂直于所述叶片前缘和所述叶片后缘的截面上共同形成了翼型封闭曲线；

叶冠部分，其大体上垂直于所述叶片主体形成在所述自由端上，其具有叶冠前缘和叶冠后缘，其中，所述叶冠前缘和所述叶冠后缘均为平滑过渡的弧形并使相邻的叶冠部分藉由相邻的弧形彼此互锁在一起，形成所述弧形的曲线基本与所述翼型封闭曲线的中弧线一致。

8.根据权利要求7所述转动组件，其特征在于，所述叶冠前缘和所述叶冠后缘相对于所述叶片主体的翼型封闭曲线的中弧线是基本对称的。

9.根据权利要求8所述转动组件，其特征在于，所述叶冠部分的径向厚度从叶冠部分的中间向所述叶冠前缘和所述叶冠后缘的方向上逐渐变薄的。

10.一种涡轮发动机，其具有权利要求7-9中任一项所述的转动组件。