CN1058548C - 减小涡轮叶片应力的方法及低应力涡轮叶片和涡轮转子 - Google Patents

Abstract

一种低应力而使用寿命长的流体转子叶片，具有一个从其叶根延伸的边缘而部分地构成了流体轴向流动的边界，该叶片边缘至少在其外端是与通过叶根边缘处的径向线成约0.5度到8度的夹角轴向深入上述叶片，从而当转子旋转时在叶根边缘处施加离心力的叶片材料质量得以减少。

Description

减小涡轮叶片应力的方法及低应力涡轮叶片和涡轮转子

本发明是1992年4月23日申请的顺序号为07/872345的部分继续申请。本发明总的来说是有关于有围罩的径向流动涡轮转子，更为具体的是关于减小涡轮叶片应力的方法和离心应力得到减小及使用寿命改善了的涡轮转子叶片。

径向流动的转子可以应用于燃气涡轮发动机中的压缩机转子及涡轮转子，另一方面在气体膨胀方面可应用于冷冻装置或气体液化装置的冷冻技术。由于气体动力学方面的考虑，径向流动的转子在设计中很大程度上受到结构方面的限制。

在径向流动涡轮转子中，气体是以径向方向流入转子的转子叶片及轮毂形成的通道中。典型地，为满足高气动性能的要求，转子叶片在其外端处有一整体围罩，该围罩构成了流体流动通道的外边界。气体是从径向流入，在转子中膨胀并转弯而沿轴向排出，所以转子的排气面基本上是一个径向平面，且叶片边缘是径向的。叶片边缘界定了一个大的出口面积，以使气体在膨胀后轴向流出。由此这个气体的排出面积就被称为转子风眼。为了保证具有较大的出口面积，叶片边缘相应有较大的径向展长。由于在涡轮转子中这些叶片边缘是尾缘，所以它们必须做得很薄以获得良好的气动性能。

各种应力集中于叶片尾缘的轮毂处，因此此处易产生裂纹，是建立转子循环寿命的关键部位。在这一关键部位的总的应力中，离心应力是其中的主要部分，而离心应力的主要来源是外围罩。对于没有外围罩的转子，上述部位就不会经受那么严重的应力，但其缺点是气动性能明显较差。

在以往技术中，一直是想从叶片的几何结构着手来减少上述关键部位的应力。其中一种办法是简单的采用厚尾缘而遭致气动性能差。为了减少气动性能的恶化，采取了对叶片尾缘厚度逐渐减小的办法，即从叶根到叶尖使尾缘厚度逐渐减小，由于在上述关键部位施加离心力的叶片材料的质量有所减少从而应力相应减小。

在以往技术中采用的另一种方法是，在转子轮毂的风眼面上的半径略小于叶根半径的地方安排有环形的凹陷，这个环形凹陷能使在风眼面处的轮毂与叶片边缘的连接具有某种柔性，从而减少了叶片与轮毂交接处的叶片边缘中的应力。这对于叶片与围罩材料的联合去除是特别可行的，当其斜截角为5度时估计的气动效率损失只有0.25％。

本发明的目的是提供一种减小涡轮转子叶片应力的方法及根据这种方法所得的低应力涡轮转子叶片和涡轮转子，通过这种方法所得的叶片在关键部位的应力小，从而使得使用寿命延长。

根据本发明的减小有围罩径向流动的涡轮叶片根部边缘处离心应力的方法包括至少该叶片边缘的外端部分是与通过上述叶根边缘处的径向线成约0.5度到8度角轴向深入叶片。

本发明所提供的这种径向流入的涡轮转子叶片包括一个约束流体的表面，该表面具有一叶根、一围罩及一个边缘，该边缘部分地界定了流体轴向流动的出口。该边缘从叶根处延伸，至少在叶片的径向外端处是与通过所述叶根边缘处的径向线成约0.5度到20度的夹角深入叶片的。由此，在转子旋转时在叶根边缘上施加离心力的叶片材料质量得以减少，从而离心力也相应的减少。

在本发明的较佳实施例中，在转子风眼亦即涡轮转子出口处的叶片边缘是从叶根到叶片外端逐渐深入转子的。

在另一实施例中，该叶片有一外围罩，而该外围罩是沿叶根边缘的径向线成约0.5度到20度切除其一部分的。

图1是本发明一种实施例的涡轮转子的横剖视图；

图2是本发明另一实施例的涡轮转子的横剖视图。

图3是本发明另一实施例的涡轮叶片的部分剖视图，该实施例的叶片的厚度是逐渐减小的。

图4是一径向涡轮转子的关键部位的应力曲线图，亦即对于各种外围罩切除角及各种叶片尾缘斜截角的情况下在转子风眼处的叶根边缘处的应力曲线。

图1描述了径向流动的转子10，它具有轮毂12，轮毂上有一中心孔14以使转子安装在旋转轴上。多片叶片16从轮毂12处延伸并与轮毂的外边界一起构成了流体流动的各个通道。各叶片与轮毂的交界处在术语上称为叶根18。叶片表面约束了流体的流动且是转子与流体间能量交换的主要装置。与叶片外端20连成一体的是一周向连续的外围罩22，该外围罩给流体在由叶片及轮毂构成的通道中的流动提供了一个固体的外边界，并能使达到高的气动效率，该外围罩包括多个周向连续的凸起24以提供迷宫式密封。各叶片与外围罩的相接处亦称为叶尖25。

在各通道的一端，叶片边缘26形成轴向对准流体流动的流动面积相对较大的通道口，这个面称为转子风眼；在各通道的另一端，叶片边缘28形成径向对准流体流动的流动面积相对较小的通道口，这些通道在上述两通道口之间是弯曲的以引导流体流动使之在轴向及径向之间改变方向。当转子用于压缩机时，流体进入转子风眼并在转子内加速；当转子用作涡轮机时，流体从转子风眼处流出并在转子内减速。

在稳态工作情况下，转子受到稳态的离心力、流体压力及热载荷。典型地，叶片中的最大稳态应力发生在沿着或靠近每片叶子与轮毂的交线处，亦即叶根18处。该线18中的峰值应力发生在接近于或就在转子风眼处的叶片边缘30的位置。对于流体膨胀的涡轮转子，风眼处的叶片边缘是相当薄的以获得高的气动效率。这一特点造成了永载的横断面积小而应力大。

除稳态载荷外，在流体进入及离开转子通道时还在转子中激起振动从而增加了动力载荷，在风眼的叶根处经受由于叶片弯曲形成动力激振引起的最大应力。这种稳态及动力载荷的联合作用引起转子风眼处叶根边缘部位产生最大应力，因此位置30对于裂纹的发生是很敏感的，从而它的应力状况对于确定转子的使用寿命是很关键的。

离心载荷构成关键位置30处的应力的主要部分，而外围罩22是影响离心载荷的主要因素。无围罩的叶片不会经受这么严重的应力并且不会遇到有围罩叶片遇到的严重的应力问题。改进有围罩的叶片，减少围罩施加的离心载荷对于增加转子的使用寿命是特别有效的。本发明提供的叶片结构实现了这一目的。

如图1所示，从叶根开始径向被切除的部位，构成转子的轴向流动通口的叶片边缘26相对于在轮毂处的叶片边缘轴向更深入转子。这就减少了引起作用在关键部位上离心载荷的质量，由此减小了关键部位处的离心应力。在一较佳实施例中，叶片边缘26是由叶根到叶尖沿轴向逐渐深入转子的，为了加工方便，该叶片边缘是直的，因此也就称为斜截边缘。因此，该转子的风眼面从叶根径向向外具有可选夹角38的锥形表面的形状，而锥顶是在转子的中心线上。

在上述较佳实施例的改进型中，斜截可以从转子风眼面上的某一圆周开始而不是从叶根处开始。例如在一实施例中，该叶片是从叶片的通道中间到叶尖(包括围罩)斜截的，这样，该转子在其轴向流动通口的面上，至少在其靠外的一端有锥面形状，其锥顶在转子中心线上，锥的包角选为约140度到176度。这种部分斜截的方案与整个叶片边缘斜截的方案相比其气动效率略高。但是，部分斜截的斜截角需要大一些，以在应力减少方面产生与在叶根处开始斜截相同的效果。

上述较佳实施例的另一种改进型，在其风眼处的叶片边缘是曲线形的而不是直线的(未表示)。曲线形的叶片边缘，例如抛物线段，在关键部位30处的应力比直线边缘的稍为要小一些。这种结构方案从叶根处向外的转子风眼面比锥面  更为复杂。这种转子的加工要比那种在风眼处的叶片边缘为直线形的转子的加工困难得多。

本发明的另一实施例示于图2，在风眼处的叶片边缘32是径向的，但该叶片从风眼面处的一段短长度34之内是无围罩的。该叶片的其余部份包括一围罩22以使达到可接受的气动性能。在关键部位30处的离心载荷由于作用于该关键部位的材料质量减少而减小。为了弥补由于叶片外端无围罩部分造成的微小效率损失，可以采用一个静止围罩(未示)以任意方式固定在该区域，该静止围罩紧挨着叶片外端但与它并不接触。

在上述各实施例中，至少叶片16的一部分表面可以在厚度上沿径向减少，由此使沿径向趋近叶片外端时的叶片质量有所减少，这就是图3所示的实施例。

为了方便，参考角或斜截角36是定义为下述两根线之间的夹角：一根线是在叶根处通过叶片边缘的径向线，另一根线是从叶根边缘通过叶片边缘外端的线。对于所有上述本发明的实施例，参考角或斜截角可选取的范围是约在0.5度到20度之间。较好的范围是约3度到12度，最佳范围是约3度到8度间。但是出乎意料令人吃惊的是：在小的参考角或斜截角的情况下，应力有很大的降低，因此为了减少叶片应力而采用约0.5度到5度的范围是非常有效的。

以下举个转子的实例来加以说明。一种膨胀涡轮转子是由7175一T74铝加工制成的，其径向的流体进口直径为5.2英寸，其转子叶片具有一个整体的外围罩，且在围罩上有多个凸起以作为迷宫式密封。风眼面的轴向出口在叶根处的直径为1.3英寸，而包括围罩在内的外径为3.5英寸。空气的进口条件为：压力300磅/英寸²，温度440°R。出口处的压力为80磅/英寸²，温度为300°R。转速为55000rpm(转/分)。该转子的叶片在风眼面处按本发明的较佳实施例从叶根到叶尖是斜截了的，在图4中，曲线B表示在该转子中关键部位即风眼处叶根边缘的应力与斜截角之间的关系。曲线A表示按本发明另一实施例的关键部位应力与参考角之间的关系，这一案只是对围罩进行了斜截而叶片边缘没有斜截。这两个实施例中的应力都有显著的减少。出乎意料的是，在小的参考角或斜截角的情况下，在关键部位的应力有较大的减少，因此为减少关键部位应力而采用约0.5度到5度的斜截角范围是非常有效的。

对叶片斜截5度或外围罩斜截5度而引起效率的下降估计为0.25％，随斜截角增加的效率损失亦相应逐步增加。但是，采用中等斜截角5度时，在关键部位的应力从1700磅/英寸²减小至1000-磅/英寸²，减小了41％，而相应的气动效率损失只有0.25％。这样的应力减小使得转子在同样工况下的使用寿命从10⁹个循环增加到10¹²循环。所以本发明的应用具有显著的效益。

作为比较，图4中的曲线C是表示类似的转子叶片在无围罩的情况下风眼轮毂边缘处的应力。在同样的未作任何修改的无围罩转子叶片情况下的应力小于有围罩的叶片，不出现有围罩叶片所遇到的问题。在这一无围罩叶片方案中，对风眼边缘进行斜截同样能使应力减少，但与有围罩的转子相比亦即对叶片及围罩材料均进行斜截的方案相比，随斜截角增加应力减少要慢得多。

尽管本发明是结合各个具体实施例以举例的方式说明的，但应该理解，凡是在本专利权利要求范围之内的各种变型或等同的方案都是本专利所要覆盖在内的。

Claims (10)

1.一种应力减小而有效使用寿命增加的径向流动涡轮转子叶片，它包括一个约束流体的表面，该表面具有一叶根、一外围罩及一边缘，上述边缘部分地界定了流体轴向流动的出口，其特征在于，上述边缘从上述叶根向上述围罩处的径向外端延伸，至少在其径向外端处是与通过上述叶根边缘处的径向线成约0.5度到8度的夹角轴向深入上述叶片。

2.如权利要求1所述的叶片，其特征在于所述的边缘至少在其外端处是与通过上述叶根边缘处的径向线成约0.5度到5度的夹角轴向深入上述叶片。

3.如权利要求1所述的叶片，其特征在于所述叶片在所述边缘处是以约0.5度到5度的角度斜截的。

4.如权利要求1所述的叶片，其特征在于所述叶片包括一个这样的外围罩，该外围罩截掉了与通过所述叶根边缘延伸的径向线成约0.5度到5度夹角的部分。

5.如权利要求1所述的叶片，其特征在于所述叶片表面至少一部分延径向在厚度上减薄削尖，从而使该叶片质量延径向趋近于叶片外端而减少。

6.一种径向的膨胀涡轮转子，该转子包括多个具有外围罩的叶片，其中转子面具有供轴向流动的出口，该转子面至少在其径向外端附近有一锥形表面的形状，其锥顶是在转子中心线上，该锥顶具有的包角约为140度到176度。

7.一种减少有围罩径向流动的涡轮叶片根部边缘处离心应力的方法，该边缘部分地构成了轴向流动的出口，其特征在于该方法包括至少该叶片边缘的外端部分是与通过上述叶根边缘处的径向线成约0.5度到8度角轴向深入叶片。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于还包括至少该叶片边缘的外端部分是与通过上述叶根边缘处的径向线成约0.5度到5度角轴向深入叶片。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于还包括上述叶片在所述边缘处按角度范围为约0.5度到5度斜截所述叶片。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于还包括提供具有这样的外围罩的叶片，该外围罩在与通过叶根边缘延伸的径向线成约0.5度到5度夹角范围内被去除。

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