CN104136719B - 涡轮发动机转子叶片凹槽 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于燃气涡轮发动机(100)的转子叶片(202)。在一个实施例中，所述转子叶片(202)具有叶面(300)、整体结合到所述叶面(300)的基部(302)以及整体结合到所述基部(302)且可安装在燃气涡轮发动机(100)的转子轮毂(204)中的槽(216)中的根部(304)。所述根部(304)可包括燕尾榫(214，400)，所述燕尾榫(214，400)包括至少一个接触面(404)，当所述根部(304)安装在所述槽(216)内时，所述至少一个接触面(404)接触所述槽(216)的表面以将所述转子叶片(202)保持在所述轮毂(204)中。所述根部(304)还可包括位于所述基部(302)和所述燕尾榫(214，400)之间的颈部(402)以及形成于所述颈部(402)中的用于重定向所述转子叶片(202)中的应力的凹槽(306)。在特定实施例中，所述凹槽(306)位于距所述至少一个接触面(404)一定距离(DC)处，所述凹槽(306)的长度(LG)小于所述燕尾榫(214，400)的长度(LD)，和/或所述凹槽(306)在所述叶面(300)的所述尾缘(212)侧处具有初始非零深度(DG)且朝所述叶面(300)的所述前缘(210)的方向深度逐渐减小至零。

Description

涡轮发动机转子叶片凹槽
技术领域
本发明总体上涉及涡轮发动机，且更具体地涉及具有用于重定向(redirecting)转子叶片中的应力的凹槽的涡轮发动机转子叶片。
背景技术
燃气涡轮发动机包括多级轴流压气机，该轴流压气机对空气加压、混合加压的空气与燃料、并且点燃压缩的空气/燃料混合物以产生向下游流过高压涡轮的热的燃烧气体，该高压涡轮从热的燃烧气体中提取有用的能量。每个压气机级通常包括一排从支承转子轮毂沿径向向外延伸的压气机转子叶片。每个叶片包括加压的空气在其上流动的叶面。
压气机轮毂在运行期间用以旋转的高速产生非常大的离心力，该离心力使转子叶片产生应力。随着时间推移，该应力能损坏转子叶片而使得需要对转子叶片进行更换。因此，转子叶片通常设计成可拆卸的，这样可以在不用替换轮毂或涡轮发动机的其他部件的情形下对转子叶片进行更换。例如，转子叶片通常具有在下方带有燕尾榫的根部，该燕尾榫构造成与位于转子轮毂周缘中的互补的燕尾槽接合。燕尾榫具有压力面，该压力面与槽的相应的内表面接合以抵抗由旋转轮毂产生的向外的离心力而将叶片保持在槽内。通常，燕尾榫为在涡轮发动机的轴向方向上与槽接合的轴向插入燕尾榫，或在垂直于涡轮发动机的轴的方向上与槽接合的周向插入燕尾榫。
已开发技术来延长转子轮毂和/或转子叶片自身的使用寿命。在于2000年3月7日授予Lammas等人的美国专利No.6,033,185(’185专利)中描述了一种这样的技术。根据’185专利，在叶片的早期寿命阶段，最大燕尾榫应力起初可能发生在燕尾榫颈部，然后在中期寿命阶段转变到压力面的外部边缘。’185专利陈述了这种中期寿命阶段的最大应力的转变可能导致缩短叶片燕尾榫的剩余可用寿命。
为了解决这一问题，’185专利提出了一种周向安装的转子叶片，该周向安装的转子叶片包括位于燕尾榫的压力面中的底切(undercut)。根据’185专利，该底切在转子叶片的颈部中引入了应力集中，该应力集中起初在早期寿命阶段(在干膜润滑剂失效前)增大叶片燕尾榫的压力面的外部边缘处所经受的最大应力，但却在超过中期寿命阶段显著减小随着在运行中干膜润滑剂的磨损而能够产生的最大应力。’185专利解释称：这种折衷延长了转子叶片的整体寿命。在S.J.Shaffer等人的Fretting Fatigue(磨损疲劳)ASM手册的1996年的第19卷中也公开了一种类似于’185专利中的底切的底切。
发明内容
本发明的一个方面涉及一种用于燃气涡轮发动机的转子叶片。在一个实施例中，转子叶片可包括叶面、整体结合到所述叶面的基部以及整体结合到所述基部且可安装在燃气涡轮发动机的转子轮毂中的槽中的根部。所述根部可包括燕尾榫和位于所述基部和所述燕尾榫之间的颈部，所述燕尾榫包括至少一个接触面，当所述根部安装在所述槽内时，所述至少一个接触面接触所述槽的表面以将转子叶片保持在轮毂中。此外，所述根部可包括形成于所述颈部中的用于重定向转子叶片中的应力的凹槽，其中所述凹槽位于距所述至少一个接触面一定距离处。
本发明的另一个方面涉及一种用于燃气涡轮发动机的转子叶片。在一个实施例中，所述转子叶片可包括叶面、整体结合到所述叶面的基部以及整体结合到所述基部且可安装在燃气涡轮发动机的转子轮毂中的槽中的根部。所述根部可包括燕尾榫、位于所述基部和所述燕尾榫之间的颈部以及形成于所述颈部中的用于重定向转子叶片中的应力的凹槽，所述燕尾榫包括至少一个接触面，当所述根部安装在所述槽内时，所述至少一个接触面接触所述槽的表面以将转子叶片保持在轮毂中。所述凹槽的长度可小于所述燕尾榫的长度，且所述凹槽可位于距所述至少一个接触面一定距离处。
本发明的又一个方面涉及一种用于燃气涡轮发动机的转子叶片。所述转子叶片可包括具有前缘和尾缘的叶面、整体结合到所述叶面的基部以及整体结合到所述基部且可安装在燃气涡轮发动机的转子轮毂中的槽中的根部。所述根部可包括燕尾榫和位于所述基部和所述燕尾榫之间的颈部，所述燕尾榫包括至少一个接触面，当所述根部安装在所述槽内时，所述至少一个接触面接触所述槽的表面以保持转子叶片。所述根部还可包括形成于所述颈部中的用于重定向转子叶片中的应力的凹槽。所述凹槽可开始于所述转子叶片的与所述尾缘相同的一侧且朝着所述转子叶片的与所述前缘相同的一侧延伸。此外，所述凹槽可在所述尾缘侧处具有初始非零深度且朝前缘方向深度逐渐减小至零。
附图说明
图1为与所公开的实施例一致的示例性燃气涡轮发动机的示意图；
图2为与所公开的实施例一致的燃气涡轮发动机的示例性转子组件的示意图；
图3-6示出与所公开的实施例一致的具有凹槽的转子叶片的示意图。
具体实施方式
图1示出了与所公开的实施例一致的示例性燃气涡轮发动机100。涡轮发动机100可与构造成完成作业的任何类型的固定式机器或移动式机器相关联。例如，涡轮发动机100可为产生用于电网的电能的发电机组的一部分。在其他实施例中，涡轮发动机100可向泵或其他装置提供动力。在其他实施例中，涡轮发动机100可为土方机器、机车、船舶、飞机或其他类型的移动式机器的原动机。
如图所示，涡轮发动机100除其他系统外可具有压气机系统102、燃烧室系统104、涡轮系统106以及排气系统108。通常，压气机系统102经由进气道110收集空气，并且继而在一个或多个连续的压气机级112中连续地压缩空气。如下文将论述的，每个压气机级112可包括具有多个安装到轮毂上的转子叶片114的转子，所述轮毂固定到涡轮发动机100的旋转轴116上。随着叶片114绕着轴116旋转，进入的空气被压缩至高压，并且被引至燃烧室系统104中。
分别通过气态燃料管道118和/或液态燃料管道120将气态燃料和/或液态燃料引至燃烧室系统104。燃料在燃料喷射器122中与压缩空气混合，并且在燃烧室系统104的燃烧室124中燃烧。
燃料在燃烧室124中的燃烧产生具有高压、高温及高速的燃烧气体。这些燃烧气体被引至涡轮系统106。在涡轮系统106中，高压燃烧气体膨胀作用在涡轮叶片126上以使涡轮叶轮128旋转，从而产生驱动旋转轴116的机械动力。废燃烧气体然后通过排气系统108被排放至大气中。参照图1，压缩空气可大体上沿平行于旋转轴116的方向F流动，该旋转轴116限定了涡轮发动机100的纵轴。
图2示出了与一个或多个压气机级112(图1)相关联的转子组件200的示意图。如图所示，转子组件200可包括多个转子叶片202，所述转子叶片202可安装在绕旋转轴116(图1)旋转的旋转轮毂204上。在运行中，轮毂204可随旋转轴116沿方向R旋转，从而使压缩空气沿大体上垂直于旋转平面R的方向F(即，平行于涡轮发动机100的轴线)流动。因此，每个转子叶片202可具有在转子叶片202的低压侧上的吸力侧壁206以及在转子叶片202的高压侧上的压力侧壁208。此外，每个转子叶片202可具有相对于流动方向F位于上游的前缘210和相对于流动方向F位于下游的尾缘212。
图2还示出了每个转子叶片202可具有滑入轮毂204中的相应的槽216中的燕尾突起214，以便将转子叶片202安装到轮毂204上。在一个实施例中，如图2所示，槽216可为“轴向”槽，意思是通过使燕尾凸起214沿流动的大体方向F滑入到槽216中来将转子叶片202安装到轮毂204上。
图3示出了转子叶片202的详细视图。如图所示，转子叶片202可包括叶面部300、基部(或平台)302以及根部304。叶面部300可包括转子叶片202的在运行期间压缩涡轮发动机100内部的空气的部分。在一个实施例中，叶面部300可开始于基部302的顶面并且延伸至转子叶片202的另一端。当转子叶片202安装在槽216中时，基部302的表面可与轮毂204(图2)的表面齐平。
根部304可为转子叶片202的包括轴向滑入到轮毂204(图2)中以将转子叶片202安装到轮毂204中的燕尾凸起214的部分。如图所示，根部304可开始于基部302的底侧，并且当燕尾凸起214安装在槽216中时，根部304可伸入到轮毂204的主体内。在一个实施例中，叶面部300、基部302以及根部304可作为单件材料整体地彼此结合。
在涡轮发动机100的运行期间，轮毂204的旋转导致转子叶片202沿其长度在垂直于轮毂204的表面(即，从轮毂204沿径向向外)的方向上产生向外的离心力C。离心力C与由槽216(图2)的表面产生的相应的向内的离心力相叠加，该向内的离心力将转子叶片202保持在轮毂204中。这种保持力使转子叶片202产生应力。随着时间推移，该压力可导致在根部304的与槽216的内表面相接触的表面上或附近形成磨蚀和/或破裂，从而需要更换转子叶片202(以及可能轮毂204上的所有其余的转子叶片202)。
为了解决磨蚀/破裂的问题，在转子叶片202的根部304内可具有凹槽306，该凹槽306将应力重定向而使应力远离基部302的表面且更加深入到基部302的主体内。在一个实施例中，凹槽306可用在涡轮发动机100的第一压气机级的转子叶片202中。然而，应理解的是，取决于所期望的实施方式，凹槽306可用在涡轮发动机100的任意数量和/或组合的转子叶片202和/或压气机级中。
图4和5更加具体地示出了从转子叶片202的尾缘212一侧所见的根部304的示意图。如图中所示，根部304可包括燕尾榫部400和位于燕尾榫部400上方的颈部402。应注意的是，颈部402可作为单件材料而整体结合至燕尾榫部400。
燕尾榫部400可包括转子叶片202的燕尾凸起214。如图4和5所示，燕尾凸起214可具有接触面404，该接触面404与槽216的相应的相对的接触面接合，以抵抗向外的离心力C将转子叶片202保持在轮毂204中。在诸如所示出的实例的轴向安装的燕尾榫的实施例中，接触面404可位于与转子叶片202的吸力侧壁206相同的一侧上，而另一个接触面404可位于相反的一侧上，换言之，另一个接触面404可位于与转子叶片202的压力侧壁208相同的一侧上。
颈部402可位于转子叶片202的燕尾榫部400和基部302之间。在一个实施例中，如附图中所示，颈部402不包括任何用于抵抗由轮毂204的旋转所产生的向外的离心力C而将转子叶片202保持在槽216中的接触面。而是，如所讨论的，由燕尾榫部400中的接触面404所提供的反力将转子叶片202保持在槽216中。
凹槽306可定位在转子叶片202的根部304的颈部402中。在一个实施例中，如图所示，整个凹槽306可位于颈部402中，使得当转子叶片202安装在轮毂204中时，凹槽306不与相应的槽216的内接触表面相对置。
在一个实施例中，如图所示，凹槽306可位于转子叶片202的压力侧壁侧上。但是，在其他构型中，凹槽306可设置在转子叶片202的吸力侧壁侧上，或者设置在转子叶片202的压力侧壁侧和吸力侧壁侧两者上。
图6示出转子叶片202从转子叶片202的压力侧壁一侧看的视图。在如图中所示的坐标系中，z轴指示从燕尾凸起214到转子叶片202的末端的方向，即，转子叶片202的长度方向；x轴指示从燕尾凸起214的尾缘侧到燕尾凸起214的前缘侧的方向，即，沿燕尾凸起214的长度LD的方向；以及y轴指示从燕尾凸起214的压力侧壁侧到燕尾凸起214的吸力侧壁侧的方向，即，沿燕尾凸起214的宽度WD的方向。
与所公开的实施例一致，凹槽306可开始于燕尾凸起214的尾缘侧且可沿燕尾凸起214的长度LD方向朝向其前缘侧延伸。例如，凹槽306可为位于燕尾凸起214的尾缘侧处的“切角”凹槽。在一个实施例中，凹槽306的长度LG可小于燕尾凸起214的长度LD。换言之，凹槽306可仅延伸燕尾凸起214的长度LD的一部分。应理解的是，燕尾凸起214的长度LD和/或凹槽306的长度LG可随着涡轮发动机100的特定实施方式而变化。作为一个实例，若燕尾凸起214的长度LD为2.5英寸(6.35厘米)，那么凹槽306的长度LG可大约为0.75英寸(1.90厘米)(例如，小于燕尾凸起214的长度LD的大约1/3)。在该实施例中，颈部402的标准宽度WN可大约为0.455英寸(1.2厘米)。
继续参照图6，在一个实施例中，凹槽36可具有恒定的曲率半径RG。凹槽306的曲率半径RG可取决于多种因素，诸如转子叶片202的尺寸、涡轮发动机100的工作特性和/或与涡轮发动机100的实施方式相关的其他细节。作为一个实例，凹槽306可具有大小为0.095英寸(2.41毫米)的恒定的曲率半径RG。
在一个实施例中，如图6中所示，凹槽306还可在颈部402的尾缘侧(即，在y轴上y＝0)处具有初始非零深度DG。该初始非零深度DG沿y轴从环绕颈部402的表面到凹槽306的底部测得。
此外，如图6所示，凹槽306可从其初始非零深度DG逐渐减小至零深度(即，颈部402的表面)。例如，凹槽306可由在初始非零深度DG处与颈部402相交且具有相对于x轴(即，燕尾凸起214的长度LD)以非零角фG设定的纵轴的柱体的表面来限定。应理解的是，凹槽306的角度фG可取决于涡轮发动机100的特定实施方式。继续上面的示例，其中燕尾凸起214的长度LD大约为2.5英寸(6.35厘米)，且凹槽306的长度LG大约为0.75英寸(1.90厘米)，则凹槽角фG可大约为4.2°。
应注意的是，凹槽306的曲率半径可与凹槽306的初始深度DG相同或不同。与其他尺寸一样，凹槽306的曲率半径RG以及凹槽306的初始深度DG的值可取决于涡轮发动机100的特定实施方式。继续上面的示例，其中曲率半径RG大约为0.095英寸(2.41毫米)，则凹槽306的初始深度DG的适当值可大约为0.055英寸(1.40毫米)(即，小于曲率半径RG)。应注意的是，凹槽306的初始深度DG以及凹槽306的角度фG可决定凹槽306的长度LG，即，沿x轴到凹槽306不具有深度处的距离。在该实例中，0.055英寸(1.40毫米)的初始凹槽深度DG以及4.2°的凹槽角度фG提供了大约为0.75英寸(1.9厘米)的凹槽长度LG。
图6示出凹槽306可定位在燕尾凸起214的接触面404上方的颈部402中。在图6中，接触面404的边界通过虚线绘出。例如，在某些实施例中，凹槽306的下缘可定位在从z轴上测得距接触面404为非零距离DC处。因此，在所示出的实施例中，由于接触面404和凹槽306之间的距离DC，凹槽306全部位于燕尾凸起214的接触面404外部(即，上方)。应注意的是，凹槽306距接触面404的距离DC可取决于涡轮发动机100的特定实施方式。作为与上述论述一致的示例，凹槽306可定位在距接触面404(沿z轴)为0.0093英寸(0.024厘米)的距离DC处。然而，在其他实施例中，凹槽306与接触面404之间可能不存在距离，也就是说，凹槽306可开始于接触面404的结束处。
工业适用性
所公开的转子叶片凹槽306可适用于本领域已知的任何涡轮发动机。此外，所公开的凹槽306可相比于现有技术提供若干益处和优点。如所论述的，所公开的凹槽306可将由转子叶片202的离心力引起的应力重新定向而使该应力远离根部304的表面且更深入到该部件的主体中。这种应力的重定向可减少易于发生在根部304的表面处(以及特别是颈部402和燕尾榫部400之间的边界附近处)的破裂和/或磨蚀。因此，所公开的凹槽306可延长转子叶片202的使用寿命。
所公开的凹槽306的构型可实现其他优点。例如，从以上说明书和附图中可理解到，所公开的凹槽306可例如与在转子叶片的两侧上沿燕尾榫的整体长度或宽度延伸的深底切相比具有非侵入式设计。因此，所公开的如下的实施例为了设置凹槽306可仅需要对转子叶片202进行很少的侵入，在所公开的实施例中，凹槽306的长度LD小于燕尾凸起214的长度LD；凹槽306开始于转子叶片202的颈部402的尾缘侧处且朝向颈部402的前缘侧延伸，但在沿燕尾凸起214的长度LD的一部分(例如，少于大约1/3)延伸之后结束(例如，“切角”凹槽)；凹槽306在颈部402的尾缘侧处具有初始非零深度DG并且在达到燕尾凸起214的前缘侧之前朝颈部402的前缘侧方向深度逐渐减小至零；凹槽306由具有半径(即，凹槽306的曲率半径)、在初始非零深度DG处与颈部402相交且具有相对于燕尾凸起214的长度LD的方向以非零角度фG设定的纵轴的柱体的表面来限定；凹槽306的长度小于燕尾凸起214的长度；和/或凹槽306相对较浅。
因此，所公开的凹槽306的存在相比于现有技术方案而言可减小对转子叶片202的性能的影响。例如，凹槽306的存在可仅极小地降低转子叶片202的承载能力。此外，该设计可仅极小地改变转子叶片202的振动频率响应。此外，该设计可仅极小地增大横跨转子叶片202的颈部402的平均应力而降低燕尾凸起214区域内的最大整体应力，而不是引入沿凹槽306的最大应力集中。因此，将凹槽306结合到转子叶片202中可不对给定设计引入非期望的和/或未考虑的影响。
此外，在颈部402中设置凹槽306与接触面404中的底切相比允许接触面404具有较大的表面积。该较大的表面积可减少在转子叶片202的寿命期间接触面404上的压力和/或摩擦以及因此磨损。
对本领域技术人员而言将显而易见的是，可对上述实施例作出各种改进或变型而不偏离本发明的精神和范围。基于对本发明的说明书和实施例的理解，对本领域技术人员而言其他实施例将显而易见。本说明书和实例可理解为仅仅是示例性的，本发明的实际范围将通过所附权利要求及其等同方案给出。

Claims (3)

1.一种用于燃气涡轮发动机(100)的转子叶片(202)，包括：
叶面(300)；
整体结合到所述叶面的基部(302)；以及
整体结合到所述基部且能够安装在所述燃气涡轮发动机的转子轮毂(204)中的槽(216)中的根部(304)，所述根部包括：
燕尾榫，所述燕尾榫包括至少一个接触面(404)，当所述根部安装在所述槽中时，所述至少一个接触面(404)接触所述槽的表面以将所述转子叶片保持在所述轮毂中；
位于所述基部和所述燕尾榫之间的颈部(402)；以及
形成于所述颈部中的用于重定向所述转子叶片中的应力的凹槽(306)，其中所述凹槽位于距所述至少一个接触面一定距离(DC)处；
其中，所述凹槽的长度(LG)小于所述燕尾榫的长度(LD)的1/3；
所述叶面具有尾缘(212)和前缘(210)；
所述凹槽开始于所述转子叶片的与所述尾缘相同的一侧且朝着所述转子叶片的与所述前缘相同的一侧延伸；
所述凹槽在所述尾缘侧处具有初始非零深度(DG)且沿整个凹槽长度朝前缘方向深度逐渐减小至零。
2.根据权利要求1所述的转子叶片，其中：
所述凹槽由在所述初始非零深度处与所述颈部相交且具有相对于所述燕尾榫的长度方向为非零角度的纵轴的柱体的表面限定；和
所述柱体的半径大于所述初始非零深度。
3.根据权利要求1所述的转子叶片，其中，所述凹槽具有恒定的曲率半径，且所述凹槽与相对于所述燕尾榫的长度(LD)方向以非零角度(фG)设定的纵轴方向一致。
CN201380011150.6A 2012-02-27 2013-02-27 涡轮发动机转子叶片凹槽 Active CN104136719B (zh)

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