CN104929696A - 燃气涡轮叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃气涡轮叶片，其包括翼型件，该翼型件沿径向方向从叶片根部延伸到叶片末端，限定翼展，该翼展的范围为叶片根部处的0%到叶片末端处的100%，并且该翼型件沿轴向方向从前缘延伸到后缘，该前缘和后缘限制具有轴向弦长的弦，该轴向弦长由取决于翼展的、连接翼型件的前缘和后缘的直线的轴向长度限定。本发明的特征在于，轴向弦长至少从80%翼展增大到100%翼展。

Description

燃气涡轮叶片
技术领域
本发明涉及一种燃气涡轮叶片，其包括翼型件，该翼型件沿径向方向从叶片根部延伸到叶片末端，限定翼展，该翼展的范围为叶片根部处的0%到叶片末端处的100%，并且该翼型件沿轴向方向从前缘延伸到后缘，该前缘和后缘限制具有轴向弦长的弦，该轴向弦长由取决于翼展的、连接翼型件的前缘和后缘的直线的轴向长度限定。大体上，根据本发明的燃气涡轮叶片不约束于燃气涡轮：涡轮机的转子叶片或导叶在法律上落在本发明内。
背景技术
燃气涡轮发动机中的转子叶片的设计在传送通过燃气涡轮发动机的气体流与尤其是燃气涡轮布置的至少一个涡轮的叶片相互作用的效率方面是至关重要的。
旋转的燃气涡轮叶片必须满足多个材料标准和设计标准，其考虑在运行期间作用到旋转叶片上的高机械应力和热应力。由于作用到旋转叶片上的巨大离心力，以及叶片必须经受住的巨大热负载，故叶片的设计工作的主要任务是通过在旋转叶片的翼型件内部提供冷却通道来组合：应当避免运行期间的叶片振动的高硬度和主动冷却以增强负载容量的可能性。考虑到前面的要求，为了改进涡轮空气动力学效率，始终在寻找最佳翼型件形状。
旋转叶片布置成排，其沿轴向方向与固定导叶排交错。包括一排固定导叶和一排旋转叶片(沿下游方向跟随)的每一对排直接形成所谓的级。所有涡轮级都按顺序编号，开始是涡轮的入口开口处的第一级，其包括第一排固定导叶，后面是第一排旋转叶片。
燃气涡轮的正常运行显示，例如第一级的固定导叶是以不利的方式作用到在下游方向上的后面的旋转叶片上的振动的激励源。因此涡轮开发的目的是减少此类激励源，以及/或者提高用以减小和/或避免到布置在第一级中的导叶下游的旋转叶片上的振动传递和激励的脱离机构的可能性。
明显干涉将意味着改变激励源本身，但认为改变第一级中的导叶是昂贵的，并且将引起许多开发工作。改变叶片的径向长度(即，从叶片根部延伸到叶片末端的翼型件的翼展)的提议对通过涡轮的流径的环面将具有影响，这将导致对开发计划的较大影响，该开发计划鉴于此是不利的。另一种通过减小末端弦的轴向弦长来减小旋转叶片的末端质量的方法(涉及连接叶片末端的区域中的翼型件的前缘和后缘的直线)导致空气动力学惩罚，并且此外无法实现旋转叶片的共振振动行为的期望频率转移。最后鉴于可能改变杨氏模量而想到改变叶片材料，但由于与常规地铸造且定向地固化的材料相关联的低循环疲劳限制，故放弃了该构想。
期望影响尤其是布置在涡轮的第一级内的旋转叶片的振动行为和涡轮空气动力学效率的所有方法都显示了问题的复杂性。还认为在设计旋转叶片的翼型件的增强的形状时重新分配主要质量是困难的，因为尤其是前面的级的旋转叶片是主动冷却式构件，该主动冷却式构件是包含许多用于冷却目的的冷却通道的中空本体。为了满足目标寿命，必须彻底冷却旋转叶片的薄金属壁。还认为增大旋转叶片的柄长的方面影响旋转叶片本身的振动行为，但不认为这是有利的，因为该方法将导致转子在杉树区域处受限制，在该杉树区域中，经由转子开孔提供冷却空气供应，以使还将必须调节转子外形。
文献US 5,525,038公开了一种用于燃气涡轮发动机的转子叶片，其经优化，以减少通过末端间隙的末端泄漏。转子叶片提供形成于末端区域处的显著成弓形的表面，其从转子叶片的吸力侧的前缘延伸到后缘。沿着转子叶片的翼型件的翼展的轮廓横截面并未显著地变化，至少沿着转子叶片的整个翼展的翼型件的轴向弦长保持不变。
如在涡轮中设定的，轴向弦长限定为叶片突出到平行于涡轮轴线的线上的长度。这可在例如David Gordon Wilson的“The Design of High-Efficiency Turbomachinery and Gas Turbines(高效涡轮机和燃气涡轮的设计)”(第487-492页，马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院出版社出版，1984年，1991年第5次印刷)中看到。特别参照第487页的第二幅图。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃气涡轮发动机转子叶片，其包括翼型件，该翼型件沿径向方向从叶片根部延伸到叶片末端，限定翼展，该翼展的范围为叶片根部处的0%到叶片末端处的100%，并且该翼型件沿轴向方向从前缘延伸到后缘，该前缘和后缘限制具有轴向弦长的弦，该轴向弦长由取决于翼展的、连接翼型件的前缘和后缘的直线的轴向长度限定，该翼展提供增强的振动行为，使得在第一级和后面的级的旋转叶片处不发生共振激励。
该目的由独立权利要求1中的特征实现。本发明可有利地由从属权利要求中和尤其是参照了优选实施例的以下描述中公开的特征修改。
根据本发明认识到，通过使轴向弦长至少在翼展区域中从80%翼展增大到100%翼展，可对旋转叶片的共振振动行为施加显著影响，而不使旋转叶片的翼型件的空气动力学属性退化。轴向弦长的增大直接与翼型件末端的区域中的质量的增大结合，这影响机械属性，特别是旋转叶片的本征频率。
在本发明的优选实施例中，燃气涡轮叶片的翼型件的轴向弦长至少从70%翼展连续增大到100%翼展。有利地，轴向弦长随翼展增大而增大相对于所谓的叠线或多或少地对称，该叠线是在轴向弦长的50%±5%的轴向位置处在翼型件的压力侧处的表面上的、从0%翼展延伸到100%翼展的线。
发明的燃气涡轮叶片考虑到其轴向弦长而提供至少在50%±10%翼展和70%±10%翼展之间的范围中的最小值，即，在0%翼展和50%±10%翼展之间的燃气涡轮叶片的翼型件形成有提供从0%翼展到50%±10%翼展的减小的轴向弦长的常规形状。此外，弦长朝末端增大。
发明的燃气涡轮叶片的最佳实施例提供从50%翼展增大到100%翼展的轴向弦长，并且在50%翼展处提供最小轴向弦长。
在翼型件的修整中间区域到翼型件末端(即，100%翼展)之间的范围中的轴向弦长的轴向增大的范围在翼型件的修整中间区域中的轴向弦长的5%±5%和15%±10%之间。
由于轴向弦长沿着涡轮叶片的翼型件的径向上部分增大，故可对涡轮叶片的本征频率施加影响，使得可修改本征频率的量，以使可最小化或者甚至排除共振激励。
为了还增大燃气涡轮叶片的本征频率与由第一级中的固定导叶引起的激励频率之间的差，进一步提出附加地使前缘和后缘在翼型件的径向上区域中弯曲。优选地，前缘和后缘的弯曲取决于叠线的曲率，该叠线在前面已经阐明，该叠线是在轴向弦长的50%+5%的轴向位置处在翼型件的压力侧处的表面上的、从0%翼展延伸到100%翼展的线。叠线在50%±10%翼展和100%翼展之间的翼展区域中弯曲，使得叠线在100%翼展处环绕与定向成正交于径向方向的虚平面的角α，并且其中，角α位于由叠线和径向方向限定的平面内，使得角α适用于：12.5°±2.5°≤α≤25°±5°。
为了完整，应当提到的是，叠线可在5%±5%翼展和50%±10%翼展之间保持笔直。
优选地，叠线在50%+10%翼展和100%翼展之间的翼展区域内提供曲率，该曲率由单一半径限定。
在又一个优选实施例中，旋转叶片提供涉及5%±5%翼展处的翼展与轴向弦长的展弦比，其范围为1.6至2.1。在叶片具有沿着前缘和后缘的不同翼展尺寸的情况下，前面的展弦比涉及沿着后缘的翼展尺寸。
附图说明
随后应基于示例性实施例结合附图来更详细地阐明本发明。在附图中，
图1在左手边显示图表，其示出例如在燃气涡轮的前一级中的导叶和叶片的共振频率行为，
图2a、2b、2c是表示本发明的涡轮叶片的增强实施例的三个侧视图，以及
图3a、3b是本发明的涡轮叶片的透视图和沿竖向堆叠的翼型件横截面的俯视图。
部件列表
1翼型件
2叶片根部
3叶片末端
4护罩
5叶片足部
6轴向弦长
7吸力侧
8流方向
9前缘
10后缘
11压力侧
12叠线
13平面
s翼展
B共振激励范围。
具体实施方式
图1在左手边显示图表，其示出在燃气涡轮的第一级中的导叶和叶片的共振频率行为。沿着图表的横坐标，指示了表示发动机速度的值。沿着图表的纵坐标，指示了振动频率。虚线框B指示取决于发动机速度的激励源，其中燃气涡轮的叶片的共振激励可发生。
在图1的右手边，示出了燃气涡轮的转子叶片的三个不同的实施例a)、b)、c)。各个情形中的上图显示转子叶片的侧视图，而对应的下图以透视正视图显示叶片。
情形a)显示通常在燃气涡轮中使用的转子叶片，并且代表现有技术。公共转子叶片提供翼型件1，翼型件1沿径向从叶片根部2延伸到叶片末端3。叶片根部2包括护罩4和用于固定目的的在转子布置内部的杉树形叶片足部5。如可从情形a)中的上部简图中看到的，通常已知的转子叶片提供翼型件1，翼型件1提供轴向弦长6，轴向弦长6沿着整个翼展从0%翼展减小到100%翼展。情形a)中示出的转子叶片包括本征频率，该本征频率与由图1左手边中显示的图表中的虚线框B表示的激励频率交迭。这由于大量的振动冲击而导致寿命缩短。
在情形b)中，示出本发明的经改进的转子叶片，其具有翼型件1，翼型件1提供轴向弦长6，轴向弦长6在翼展区域中从50%翼展增大到100%翼展。如可从情形b)中的上部简图中的侧视图中看到的，翼型件1具有在50%翼展的范围中的最小轴向弦长6。轴向弦长6的增大还可从情形b)的下部分中的正视图简图得出。
本发明的作用有助于：改进翼型件的本征频率与情形a)的常见叶片相比下降。由于情形b)中的翼型件的末端范围中的质量增大，故本征频率降低到以下之下：其意味着在图1左手边的图表中示出的情况的情形中，情形b)的叶片的共振频率和由虚线框B指示的激励频率范围之间几乎无交迭。因此情形b)中示出的改进叶片提供显著增强的振动行为，这显然受振动激励的影响较小。这显然导致空气动力学行为的有效增强，并且延长叶片的寿命。
在图1的右边示出的情形c)显示如情形b)中阐明地提供轴向弦长增大的转子叶片，这可从情形c)中的上视图得出，但另外提供翼型件1沿周向方向朝翼型件1的吸力侧7的弯曲。翼型件1的弯曲限制在优选介于50%翼展和100%翼展之间的翼展区域中，这可从情形c)的下简图得出。如前面描述和将在下面更详细地论述的，翼型件1的附加弯曲导致转子叶片的增强频率行为，这在图1左手边的图像中示出。情形c)中公开的转子叶片的本征频率提供显著更低的本征频率，这显然低于情形b)中示出的翼型件。这导致关于由图1的虚线框B表征的激励频率的显著频率分开。
图2a、2b、2c显示了表示在图1的情形c)中简短介绍的本发明的转子叶片的三个侧视图。图2a显示发明地形成的转子叶片的正视图，图2b显示发明地形成的转子叶片的侧视图，并且图2c显示发明地形成的转子叶片的后视图。
在图2b中，假设涡轮中的气体流的流向8为从左手边指向右手边，以使图示的左边缘表示翼型件1的前缘9，而右边缘表示翼型件1的后缘10。图2b中的翼型件1的吸力侧7面朝观察者。叶片具有径向延伸部，其被称为翼展s，该翼展s从叶片根部(未显示)处的0%翼展延伸到对应于叶片末端3的100%翼展。轴向弦长6沿着整个翼展s改变，但从中间范围翼展发明地增大，优选从50%翼展到100%翼展。轴向弦长6的增大自动地导致叶片末端区域中的质量增大，这显著地影响转子叶片的共振频率。轴向弦长6从中间范围翼展区域到100%翼展的增大的量关于翼型件1的50%翼展的轴向弦长6为大约5%±5%至15%±10%。在图2b中由竖直虚线示出该增大。
如可从图2a的正视图看到的，前缘9弯曲，后缘10(不可在正视图中看到)也在50%翼展和100%翼展之间的翼展范围中弯曲。弯曲定向成朝向转子叶片的翼型件1的吸力侧7。前缘9和后缘10的弯曲由所谓的叠线的曲率限定，该叠线是在轴向弦长6的50+5%的轴向位置处在翼型件1的压力侧11处的表面上的、从0%翼展延伸到100%翼展的线。在50%翼展和100%翼展之间的翼展区域内的叠线的曲率优选由单一半径r限定，这可在图3a中更清楚地看到。
图3a显示发明的翼型件1的压力侧11的透视图，发明的翼型件1提供以下两者：轴向弦长6在50%翼展和100%翼展之间的翼展范围中的增大，以及前缘9和后缘10在50%翼展和100%翼展之间的翼展区域内的弯曲。前缘9和后缘10的弯曲取决于叠线12的曲率，可在图3a中看到叠线12，叠线12是在轴向弦长6的50%±5%的轴向位置处在压力侧11的表面上的、从0%翼展延伸到100%翼展的线。叠线12在0%翼展和50%±10%翼展之间几乎是笔直的，并且在50%±10%翼展和100%翼展之间的翼展区域中弯曲，使得叠线12在100%翼展处环绕与定向成正交于径向方向的虚平面13的角α，并且其中，角α位于由叠线和径向方向限定的平面内，使得角α介于12.5°±2.5°和25°±5°之间。在上翼展区域内的叠线的曲率优选由单个半径限定。在其它优选实施例中，叠线另外可提供沿着上翼展区域的至少一个笔直区段。
图3b显示在不同翼展区域(在图3a中由罗马数字I-VIII指示)处通过翼型件1的不同轮廓横截面的竖直投影。轮廓横截面I对应于0%翼展处的轮廓横截面，而轮廓横截面VIII对应于100%翼展处的轮廓横截面。沿径向方向的竖直投影显示轮廓横截面在50%翼展至100%翼展(即，轮廓横截面V至VIII)的翼展区域内的显著几何偏移。几何偏移由以下两者引起：沿周向方向朝翼型件1的吸力侧7的偏移，以及进一步轴向弦长6从50%翼展到100%翼展的增大。

Claims (13)

1.一种燃气涡轮叶片，其包括沿径向方向从叶片根部(2)延伸到叶片末端(3)的翼型件(1)，所述翼型件(1)限定翼展(s)，所述翼展(s)的范围从所述叶片根部(2)处的0%到所述叶片末端(3)处的100%，并且所述翼型件(1)沿轴向方向从前缘(9)延伸到后缘(10)，所述前缘(9)和所述后缘(10)限制具有轴向弦长(6)的弦，所述轴向弦长(6)由取决于所述翼展(s)的、连接所述翼型件(1)的所述前缘(9)和所述后缘(10)的直线的轴向长度限定，其特征在于，所述轴向弦长(6)至少从80%翼展增大到100%翼展。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮叶片，其特征在于，所述轴向弦长(6)至少从70%翼展增大到100%翼展。
3.根据权利要求1或2所述的燃气涡轮叶片，其特征在于，所述轴向弦长(6)提供至少在50%±10%翼展和70%±10%翼展之间的范围中的最小值。
4.根据权利要求1所述的燃气涡轮叶片，其特征在于，所述轴向弦长(6)从50%翼展增大到100%翼展，并且在50%翼展处提供最小值。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的燃气涡轮叶片，其特征在于，所述前缘(9)和所述后缘(10)分开所述翼型件(1)的吸力表面(7)和压力表面(11)，两个表面在所述叶片根部(2)和所述叶片末端(3)之间沿径向延伸，并且在所述前缘(9)和所述后缘(10)之间沿轴向延伸，并且为沿着正交于所述轴向方向和所述径向方向的周向方向的所述翼型件(1)的相互对立的表面，并且所述前缘(9)和所述后缘(10)在至少一个翼展区域内弯曲。
6.根据权利要求5所述的燃气涡轮叶片，其特征在于，所述前缘(9)和所述后缘(10)沿周向方向朝所述翼型件(1)的所述吸力表面(7)侧弯曲。
7.根据权利要求5或6所述的燃气涡轮叶片，其特征在于，所述至少一个翼展区域在50%±10%翼展和100%翼展之间。
8.根据权利要求5至7中的任一项所述的燃气涡轮叶片，其特征在于，所述前缘(9)和所述后缘(10)的弯曲取决于叠线(12)的曲率，所述叠线(12)是在轴向弦长(6)的50%±5%的轴向位置处在所述翼型件(1)的所述压力侧(7)处的所述表面上的、从0%翼展延伸到100%翼展的线，并且所述叠线(12)在50%±10%翼展和100%翼展之间的所述翼展区域中弯曲，使得所述叠线(12)在100%翼展处环绕与定向成正交于所述径向方向的虚平面(13)的角α，其中，所述角α在由所述叠线和所述径向方向限定的平面中，所述角α适用于：
(12.5°±2.5°)≤α≤(25°±5°)。
9.根据权利要求8所述的燃气涡轮叶片，其特征在于，所述叠线(12)在0%翼展和50%±10%翼展之间是笔直的。
10.根据权利要求8或9所述的燃气涡轮叶片，其特征在于，叠线(12)在所述翼展区域内提供由单一半径限定的曲率。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的燃气涡轮叶片，其特征在于，所述叶片是主动冷却式旋转涡轮叶片，其在所述翼型件(1)内部具有冷却通道。
12.根据权利要求1至11中的任一项所述的燃气涡轮叶片，其特征在于，所述叶片在5%±5%翼展处提供范围为1.6至2.1的展弦比，翼展/轴向弦长。
13.根据权利要求1至12中的任一项所述的燃气涡轮叶片，其特征在于，所述叶片适合用作涡轮机的转子叶片或导叶。
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