CN104956032A - 用于燃气涡轮发动机的压缩机叶片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于燃气涡轮发动机(100)的压缩机叶片(114)。该压缩机叶片具有配置成接合燃气涡轮发动机的轮毂(116)的根部(214)和从所述根部向尖端(222)径向延伸一段距离的翼型件(218)。该翼型件具有吸入侧、压力侧、连接吸入侧和压力侧的前缘和与前缘相对的连接吸入侧和压力侧的后缘。翼型件从根部向尖端延伸的距离可分成多个径向相邻的区域(302，304，306，308)。远离底部和尖端的所述多个径向相邻的区域中的至少一个区域(但不是所有的区域)可具有基本恒定的厚度。

Description

用于燃气涡轮发动机的压缩机叶片

技术领域

本公开通常涉及一种燃气涡轮发动机(″GTE″)，且更具体地，涉及一种用于燃气涡轮发动机的压缩机叶片。

背景技术

GTE包括加压空气并将加压空气与燃料混合的多级轴向压缩机。混合物被引导至在其中点燃的燃烧室，产生向下游流动通过高压涡轮机的热燃烧气体。涡轮机将来自气体的热能转化成机械能。机械能的一部分用于驱动压缩机，而剩余部分被引导至机外，用于其它目的。例如，机械能的剩余部分可以被引导，以驱动发电机发电，以推进车辆，且/或以驱动压缩或泵送装置。

压缩机的每一级通常包括一排间隔开的叶片，每个叶片包括从支撑转子毂向外径向延伸的翼型件。翼型件在操作期间承受高温和高局部应力(例如，弯曲和/或振动应力)。这些应力可以导致裂纹在翼型件的尖端和/或附接区域处形成。除非另外说明，裂纹可以导致由于机械故障引起的GTE性能损失。

美国专利第7,497,664号(“’664专利”)描述一种用于减少在压缩机叶片中引发的振动的方法和设备。根据’664专利，压缩机叶片可以设计成具有据称减少裂纹并促进叶片尖端应力在叶片翼型件的更大区域上的分布的厚度轮廓。该厚度轮廓包括根据翼型件的弦长沿翼型件的跨度变化的最大厚度。

发明内容

在一个方面中，本公开涉及一种用于燃气涡轮发动机的压缩机叶片。压缩机叶片可以包括配置成接合燃气涡轮发动机的轮毂的根部和从根部向尖端径向延伸一段距离的翼型件。翼型件可以具有吸入侧、压力侧、连接吸入侧和压力侧的前缘和与前缘相对的连接吸入侧和压力侧的后缘。翼型件从根部延伸的距离可以分成多个径向相邻的区域。远离底部和尖端的所述多个径向相邻的区域中的至少一个区域(但不是所有的区域)可以具有基本恒定的厚度。

在另一个方面中，本公开涉及另一种用于燃气涡轮发动机的压缩机叶片。该压缩机叶片可具有配置成接合燃气涡轮发动机的轮毂的根部和从所述根部径向延伸一段距离的翼型件。翼型件可具有吸入侧、压力侧、连接吸入侧和压力侧的前缘和与前缘相对的连接吸入侧和压力侧的后缘。翼型件从根部延伸的距离可以分成与根部径向相邻的底部区域、与底部区域径向相邻的中间跨度区域、与中间跨度区域径向相邻的过渡区域和与过渡区径向相邻的尖端区域。底部区域可具有以基本恒定的速率朝向中间跨度区域减小的厚度。中间跨度区域可具有从底部区域至过渡区域保持基本恒定的厚度。过渡区域可具有从中间跨度区域至尖端区域在斜度上变化的厚度。尖端区域可具有在远离过渡区域的方向上以基本恒定的速率减小的厚度。

在另一个方面中，本公开涉及另一种用于燃气涡轮发动机的压缩机叶片。该压缩机叶片可包括配置成接合燃气涡轮发动机的轮毂的根部和从所述根部径向延伸一段距离的翼型件。翼型件可具有吸入侧、压力侧、连接吸入侧和压力侧的前缘和与前缘相对的连接吸入侧和压力侧的后缘。翼型件可具有在前缘和后缘之间延伸的弦线的中点处的厚度轮廓曲线，该厚度轮廓曲线对于翼型件从根部延伸的距离的约10-40％具有小于约4％的斜度并贯穿所述距离的剩余部分具有大于约4％的斜度。

在另一个方面中，本公开涉及另一种用于燃气涡轮发动机的压缩机叶片。该压缩机叶片可包括配置成接合燃气涡轮发动机的轮毂的根部和具有吸入侧、压力侧、连接吸入侧和压力侧的前缘和与前缘相对的连接吸入侧和压力侧的后缘的翼型件。翼型件可从根部延伸一段径向距离。翼型件可具有在前缘和后缘之间延伸的弦线的中点处的厚度轮廓曲线，该厚度轮廓曲线在径向距离的第二个四分之一期间基本恒定，并在径向距离的剩余部分期间变化。

附图说明

图1是示例性公开的燃气涡轮发动机的剖视图图示；

图2是可以与图1的燃气涡轮发动机结合使用的示例性公开的压缩机的透视图图示；

图3是可以与图2的压缩机结合使用的示例性公开的叶片的侧视图图示；

图4是图3的叶片在特定跨度位置处的端视图图示；以及

图5是示出图3的叶片沿叶片跨长的变化厚度的曲线图。

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的GTE100。GTE100可以与任何类型的固定式或移动式机器相关联。例如，GTE100可以是为公用电网发电的发电机组的一部分。在其它实施例中，GTE100可以驱动压缩机或其它油或气体泵送装置。在其它实施例中，GTE100可以是运土机、机车、海洋船只、飞机或另一种类型的移动式机器的原动机。

GTE100可以包括压缩机系统102、燃烧室系统104、涡轮机系统106和排气系统108等其他系统。通常，压缩机系统102可经由进气口110收集空气，并依次以一个或多个连续级112压缩空气。如以下更详细地讨论，每一级112可以包括安装到轮毂116的多个压缩机叶片114，所述轮毂116固定至GTE100的旋转轴118。随着叶片114驱动轮毂116使轴118旋转，进入的空气被压缩并引导至燃烧室系统104。

气态和/或液态燃料可以例如分别通过气态燃料管119和/或液态燃料管120与压缩空气并行引入燃烧室系统104中。燃料可由多个径向布置的燃料喷射器122喷入燃烧室系统104的燃烧室124中，与压缩空气混合并点燃。

燃烧室124中的燃料燃烧可以产生具有升高的压力、温度和/或速度的燃烧气体。然后这些燃烧气体可以引入涡轮机系统106中。在涡轮机系统106中，高压/高温燃烧气体可紧靠多个涡轮机叶片126膨胀，以驱动一个或多个涡轮机叶轮128，从而产生使轴118旋转的机械动力。然后，用完的燃烧气体通过排气系统108排到大气中。压缩空气和排气通常可在平行于轴118的轴线的方向F上流动。应该注意的是，虽然GTE100被示出具有单个轴118，但可以想到根据需要，多个轴可以替换地包括且串联或并联地布置。

图2示出了布置在一起作为转子组件200的压缩机叶片114和轮毂116的示意性表示。转子组件200可以与压缩机级112(图1)中的任何一个或者多个级相关联。在操作中，轮毂116可以在方向P上与轴118旋转，引起压缩空气在大体垂直于旋转方向P(即基本平行于GTE100的轴线)的方向F上流动。

每个压缩机叶片114可以包括翼型件218，该翼型件218具有在压缩机叶片114的低压侧上的吸入侧壁206和在压缩机叶片114的高压侧上的压力侧壁208。前缘210可以在上游位置(相对于流动方向F)处连接吸入侧壁和压力侧壁206、208，而后缘212可以在下游位置处连接吸入侧壁和压力侧壁206、208。

每个压缩机叶片114可以在径向方向R上从轮毂116延伸一段距离。特别地，每个压缩机叶片114的翼型件218可以在底部处连接至根部214(也称为凸轮或者平台)。根部214可以形成为配置成滑入轮毂116中的对应狭槽216的大体楔形榫头形状，从而将翼型件218连接至轮毂116。在图2中所示的实施例中，狭槽216可以是“倾斜的”狭槽，意味着压缩机叶片114通过在相对于GTE100的方向F倾斜的方向上将其楔形榫头根部214滑入类似形状的狭槽216中而安装到轮毂116。在所公开的实施例中，狭槽216和轴向方向F之间的角度可以是约15度-25度(例如，约21度）。然而，可以想到，如果需要，其它角度和/或其它类型的狭槽216(例如，直的轴向和/或周向狭槽)可以替换地与叶片114使用。然后根部214可以例如通过棘爪、调整片等在其暴露的周边处固定至轮毂116。

图3示出了如从翼型件218的高压侧上观察的示例性压缩机叶片114。翼型件218可以具有在远侧尖端222处终止的跨度300(即在径向方向上的径向距离或高度)。翼型件218的轮廓可以至少部分地由在前缘210与后缘212之间作为直线延伸的弦线310(也称为弦长或弦宽)限定。压缩机叶片114的中心线312可以延伸穿过弦线310的中心，并且可以在任何给定的跨度位置处大体垂直于弦线310定向。也就是说，翼型件218可以相对于流动方向F沿其跨度300扭转，并且中心线312可以同样地扭转以保持大体垂直于弦线310。弦线310的长度可以沿压缩机叶片114(图3中所示)的跨度300基本恒定或者根据需要变化。例如，弦线310可以在邻近翼根214的位置处具有最大长度并且在尖端222处具有最小长度(或者反之亦然)，使得翼型件218沿跨度300朝向尖端222或者远离尖端222逐渐变细。在所公开的实施例中，弦线310具有约1.46英寸(3.7厘米)的长度。

翼型件218的轮廓可以由沿跨度300径向延伸的各个区域进一步限定。例如，从尖端222朝向根部214延伸一段距离的第一区域可称为尖端区域302；与尖端区域302相邻(即直接位于尖端区域302的径向内侧)的第二区域可称为过渡区域304；与过渡区域304相邻(即直接位于过渡区域304的径向内侧)的第三区域可称为中间跨度区域306；以及与中间跨度区域306相邻(即直接位于中间跨度区域306的径向内侧)的第四区域可称为底部区域308。每个区域302-308可以描述为在径向方向上延伸跨度300的整个长度的一定百分比(即描述为具有为跨度300的整个长度的一定百分比的长度)。例如，底部区域308可位于翼型件118的第一个四分之一中并延伸从根部214到尖端222的距离的约10-40％；中间跨度区域306可位于翼型件118的第二个四分之一中并延伸跨度300的长度的约10-40％，且包括叶片114的径向中间点或中心；过渡区域304可位于翼型件118的第三个四分之一中并延伸跨度300的长度的约10-30％；并且尖端区域302可位于翼型件118的第四个四分之一中并延伸跨度300的长度的约5-25％。对于示例性公开的约3.5英寸(8.9厘米)的跨长，底部区域308可具有约.87英寸(2.2厘米)的径向长度；中间跨度区域306可具有约.87英寸(2.2厘米)的径向长度；过渡区域304可具有约.71英寸(1.8厘米)的径向长度；并且尖端区域302可具有约.51英寸(1.3厘米)的径向长度。

如图4的横截面端视图中所示，翼型件218的厚度T可限定为在大体垂直于弦线310的方向上的吸入侧壁206和压力侧壁208之间的距离。如以下更详细地描述，厚度T可以沿区域302-308的径向长度和/或在区域302-308之间变化。同样地，厚度变化率(即厚度轮廓曲线或斜度)也可以沿径向长度和/或在区域之间变化。例如，翼型件218的厚度T可以沿跨度300的长度从底部区域308至尖端区域302减小(即翼型件218可朝向尖端222变得更薄)。厚度T可以根据需要在特定区域内和/或沿跨度300的一部分或大部分长度线性地或非线性地变化。

然而，在所公开的实施例中，在中间跨度区域306内翼型件218的厚度T应当在给定的弦线位置保持基本恒定。也就是说，与区域302，304和308不同，在沿中间跨度区域306的长度方向的任何地方的沿弦310的给定位置处的吸入侧壁206和压力侧壁208之间的厚度T应当基本恒定。如将在以下更详细地描述，该基本恒定的厚度T可帮助减少压缩机叶片114内的应力(即减少共振且/或分配负载)，同时保持低重量和所希望的性能特性。

图5示出了翼型件218的厚度T如何沿跨度300的长度变化。特别地，第一迹线500与在对应于最大厚度的区域的沿弦线310的中点(“所述中点”)处的翼型件218的厚度T对应。在一些实施例中，该最大厚度的位置可与中心线312大体对齐。然而，在其他实施例中，该最大厚度的位置可朝向前缘210略微偏斜。第二迹线504与在前缘和/或后缘210、212处的翼型件218的厚度T对应。在所公开的实施例中，翼型件218的厚度T在前缘和后缘210、213处可以是几乎相同的，尽管未必总是这样的情况。如在这些迹线中可看到，厚度T大体上沿跨度300的长度朝向尖端222减小。具体地，在根部214处(即在底部区域308的最边缘处)，翼型件218在中点处的厚度T可以是约.175英寸(4.4厘米)，并且翼型件218在前缘和/或后缘210、212处的厚度T可以是约.045英寸(.1厘米)。并且在尖端222处(即在尖端区域302的最边缘处)，翼型件218在中点处的厚度T可以是约.062英寸(.16厘米)，并且翼型件218在前缘和/或后缘210、212处的厚度T可以是约.02英寸(.05厘米)。相应地，迹线500、504示出从底部区域308至尖端区域302的在中点处约65％的减小和在边缘处约55％的减小。然而，这种减小仅主要在底部区域308、过渡区域304和尖端区域302中发生。厚度T在中间跨度区域306内保持基本恒定。虽然底部区域308内的厚度减小率(即厚度T的斜度)可以与在尖端区域302内是大约相同的且基本恒定的，但可以想到，如果需要，可以替换地使用不同的减小率。过渡区域304内的厚度减小率可以在整个区域从中间跨度区域306处的约0％的斜度至尖端区域302处的约65％的斜度变化。，前缘和/或后缘210、212的厚度T可以保持为在贯穿翼型件218的所有区域的中点处的厚度T的约30-33％。通常，翼型件118在中点处的厚度T可以保持在约.05-.2英寸(.13-.5厘米)的范围内。

为了本公开的目的，基本恒定的厚度可视为在给定的区域内以小于约5％变化的厚度，而基本恒定的斜度可以是以约小于5％变化的斜度。例如，在中间跨度区域306内，厚度T可贯穿中间跨度区域306的跨长在中点处保持在约.132英寸-.138英寸(.34厘米-35厘米)内，且在前缘210和/或后缘212处保持在约.041英寸-.043英寸(1.04厘米-1.09厘米)内。换句话说，在中间跨度区域306内的斜度可至多约为5％。因此，翼型件218可具有沿中点在径向方向上对齐的厚度轮廓曲线，该厚度轮廓曲线在中间跨度区域306内具有小于约5％的斜度并在整个剩余区域内具有大于约5％的斜度。而且，翼型件218的斜度可仅在过渡区域304内显著地(例如，大于约5％)变化。

应当注意的是在一些应用中，过渡区域304可以省略。特别地，中间跨度区域306有可能突然发展成尖端区域302，这与底部区域304发展成中间跨度区域306的方式相类似。这可由在中间跨度区域306和尖端区域302的相交处和在图5所示的逐渐变化的斜度的省略处的尖锐弯头呈现。

工业实用性

所公开的叶片虽然主要用于在燃气涡轮发动机的压缩机级内使用，但可以在任何流体(例如，气体，液体等)处理应用的任何级中使用。所公开的压气机叶片的轮廓可提供增长的使用寿命，而无显著的重量增加或性能降低。

叶片114的增长的使用寿命可由可看起来是违反常规设计理论的独特轮廓提供。特别地，与所公开的叶片114(即在其中点处具有约.05英寸-.2英寸厚度的叶片)相比，叶片的常规设计理论通常规定：压缩机叶片质量的增加会导致作用在该叶片上的离心力增大。这种力的增大通常转化成作用在该叶片上的应力平均值的增大和因此部件寿命的缩短。然而，已经确定的是，一些叶片故障可主要是由低量值的交变应力引起的，而不一定由平均应力水平引起。因此，可以有一些机会来以增大平均应力水平为代价减小交变应力，并仍然增长叶片的寿命。

在所公开的实施例中，叶片114的中间跨度区域306可具有大于常规叶片厚度的基本恒定厚度。叶片114的厚度轮廓可选择成使叶片114的固有频率中的一个或多个移出(即失谐)GTE100的操作范围。在一个实施例中，叶片114的谐振频率中的五个(例如第一、第二、第五、第六和第七谐振频率)已移出该操作范围。此外，叶片114的轮廓可以设计成围绕也失谐的操作范围内提供安全系数或安全带(即中间跨度区域306的恒定厚度可以略微地在相反的方向延伸，而不仅仅需要使五个频率失谐)，由此说明叶片114之间的任何制造不一致性。尽管叶片114的质量和平均应力水平可由于其增大的厚度而增加，但应力的交变频率有可能下降，由此增长叶片114的部件寿命。

除增长叶片114的部件寿命之外，中间跨度区域306的基本恒定厚度可以改善可制造性。并且因为增加的厚度可仅限于叶片114的特定区域(即仅限于中间跨度区域306)，所以可以维持压缩机叶片的性能。

对本领域技术人员来说将显而易见的是，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对所公开的实施例进行各种修改和变化。从本公开的说明书和实践的考虑，其他实施例对本领域技术人员将是显而易见的。例如，虽然所公开的压缩机叶片描述为具有楔形榫头根部，但可以想到如果需要，该根部可以替换地具有另一种形状。也就是说，该根部可具有双柄脚形状或本领域中已知的任何其它形状。此外，虽然已为具体的示例性翼型件218提供尺寸，但应当注意，翼型件218的几何形状是可缩放的，以匹配应用需求。意图是说明书和实施例被视为仅仅是示例性的，其中本公开的实际保护范围由所附的权利要求书及其等同物指出。

Claims (10)

1.一种用于燃气涡轮发动机(100)的压缩机叶片(114)，其特征在于，包括：

根部(214)，其配置成接合所述燃气涡轮发动机的轮毂(116)；和

翼型件(218)，其具有吸入侧(206)、压力侧(208)、连接所述吸入侧和压力侧的前缘(210)和与所述前缘相对的连接所述吸入侧和压力侧的后缘(212)，所述翼型件从所述根部向尖端(222)径向延伸一段距离，

其中：

所述翼型件从根部向尖端延伸的距离分成多个径向相邻的区域(302，304，306，308)；以及

远离所述底部且远离所述尖端的所述多个径向相邻的区域中的至少一个区域(但不是所有的区域)具有基本恒定的厚度。

2.根据权利要求1所述的压缩机叶片，其特征在于，所述多个径向相邻的区域中的所述至少一个区域的所述基本恒定厚度在所述翼型件的大体中点处沿基本垂直于所述翼型件的弦线的线延伸。

3.根据权利要求2所述的压缩机叶片，其特征在于，所述翼型件的所述前缘和所述后缘中的至少一个具有贯穿所述多个径向相邻的区域中的所述至少一个区域的基本恒定的厚度。

4.根据权利要求1所述的压缩机叶片，其特征在于，所述多个径向相邻的区域中的所述至少一个区域延伸约所述翼型件的跨长的10-40％。

5.根据权利要求4所述的压缩机叶片，其特征在于，所述翼型件的跨长约为3.5英寸(8.9厘米)。

6.根据权利要求4所述的压缩机叶片，其特征在于，所述翼型件的厚度减小贯穿所述翼型件的跨度的约55-65％。

7.根据权利要求6所述的压缩机叶片，其特征在于：

在穿过所述翼型件的大体中点的点处的所述翼型件的厚度减小贯穿所述跨度的约65％；以及

所述前缘和所述后缘中的至少一个的所述翼型件的厚度减小贯穿所述跨度的约55％。

8.根据权利要求7所述的压缩机叶片，其特征在于：

在所述翼型件的中点处的厚度的范围为约.062-.175英寸(.16-4.4厘米)(原文的数值“.062-.175”和“.16”有误)；以及

在所述翼型件的所述前缘和所述后缘中的至少一个处的厚度的范围为约.02-.045英寸(.05-.1厘米)。(原文的数值“.02-.045”和“.05”有误)

9.根据权利要求7所述的压缩机叶片，其特征在于，在所述翼型件的中点处的厚度保持约为在贯穿所述翼型件的跨度的中点处的厚度的30-33％。

10.根据权利要求1所述的压缩机叶片，其特征在于：

所述多个径向相邻的区域包括与所述根部径向相邻的底部区域(308)、与所述底部区域径向相邻的中间跨度区域(306)、与所述中间跨度区域径向相邻的过渡区域(304)和与所述过渡区域径向相邻的尖端区域(302)；以及

所述多个径向相邻的区域中的所述至少一个区域仅包括所述中间跨度区域。