CN106133277A - 可变导向叶片延伸的可变筋条 - Google Patents

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Abstract

公开了一种导向叶片(250)。导向叶片(250)包括按钮(230)、连接至按钮(230)的耳轴(231)和连接至按钮(230)的翼面(240)。翼面(240)包括悬垂部分(241)，其中悬垂部分(241)从按钮的一端延伸至翼面(240)的远端。导向叶片(250)包括邻近悬垂部分(241)开始处的按钮角区(232)。导向叶片(250)包括延伸入悬垂部分(241)内的可变筋条(233)。可变筋条(233)包括沿筋条长度的不同半径的部分。

Description

可变导向叶片延伸的可变筋条
技术领域
本发明总体上涉及燃气涡轮发动机，且更具体地涉及可变导向叶片。
背景技术
燃气涡轮发动机包括压缩机、燃烧器及涡轮部分。燃气涡轮发动机的压缩机导向叶片在操作期间经受显著的磨损，承受较大振动和应力。
B.Clouse等人的美国专利号7963742公开了一种定子叶片组件。该定子叶片组件包括至少一个按钮、邻近该按钮的叶片翼面以及限定在按钮和翼面之间的筋条。筋条限定固定半径并且延伸出按钮外至少大于叶片翼面悬垂部分长度60％的距离。
本发明旨在克服发明人发现的一个或多个问题。
发明内容
公开了一种导向叶片。导向叶片包括第一按钮和连接到第一按钮的第一耳轴。导向叶片进一步包括连接到第一按钮的翼面。翼面包括前缘、后缘以及第一悬垂部分。第一悬垂部分从第一按钮的一端延伸至翼面的远端。导向叶片还包括位于翼面和靠近第一悬垂部分起始位置的第一按钮之间的第一按钮角区。导向叶片还包括第一可变筋条，第一可变筋条在第一按钮和翼面之间延伸并延伸入第一悬垂部分，第一可变筋条包括不同半径的部分。
附图说明
图1为示例性燃气涡轮发动机的示意图。
图2为导向叶片实施例的透视图。
图3为图2中所示导向叶片的一部分的放大透视图。
图4为沿着图3中的线IV-IV截取的截面透视图。
图5为图2中所示导向叶片的一部分的放大透视图。
具体实施方式
本文公开的系统和方法包括导向叶片。导向叶片可包括第一按钮、连接到第一按钮的第一耳轴以及连接到第一按钮的翼面。翼面可包括前缘、后缘以及第一悬垂部分。第一悬垂部分从第一按钮的一端延伸至翼面的远端。导向叶片还包括第一可变筋条，第一可变筋条在第一按钮和翼面之间延伸并延伸入第一悬垂部分，第一可变筋条包括不同半径的部分。不同半径的部分之一为位于靠近第一按钮角区的第一凸起。第一凸起可向第一按钮角区提供局部加厚，以减少振动和应力。这可防止裂纹以及其他缺陷。
图1为示例性燃气涡轮发动机的示意图。为了清楚并便于说明，某些表面被省略或放大(在此处和其他附图中)。而且，本发明可参照向前和向后的方向。通常，除非另外说明，所有“向前”和“向后”的参照都与一次空气(即用于燃烧过程的空气)的流向相关。例如，向前为相对于一次空气流的“上游”，且向后为相对于一次空气流的“下游”。
此外，本发明可大致参照燃气涡轮发动机的旋转中心轴线95，该轴线95可大致由其轴120(由多个轴承组件150支撑)的纵轴线限定。中心轴线95可与各种其他发动机同心部件共用或共享。除非另外说明，所有半径、轴线和圆周的方向的参照和测量都参照中心轴线95，并且诸如“内”和“外”的术语通常表示离中心轴线的更小或更大的半径距离，其中半径96可为与中心轴线95垂直和从中心轴线95向外发射的任何方向。
燃气涡轮发动机100包括进口110、轴120、燃气发生器或压缩机200、燃烧器300、涡轮400、出口500以及功率输出连接件600。燃气涡轮发动机100可具有单轴或双轴配置。
压缩机200包括压缩机转子组件210、压缩机导向叶片(有时指定子或定子叶片)250以及进口导向叶片255。如所示的，压缩机转子组件210为轴流转子组件。压缩机转子组件210包括一个或多个压缩机盘组件220。每个压缩机盘组件220包括压缩机转子盘，其圆周地配置有压缩机转子叶片。导向叶片250轴线方向地紧随每个压缩机盘组件220。每个压缩机盘组件220与邻近的导向叶片250配对，导向叶片250紧随压缩机盘组件220，该压缩机盘组件220被认为是压缩机级。压缩机200包括多个压缩机级。在一些实施例中，在最初几个压缩机级内的导向叶片250为可变导向叶片。可变导向叶片中每个可绕着其各自轴线旋转，以控制燃气流。可变导向叶片通常不圆周地绕着中心轴线95旋转。
进口导向叶片255轴线方向地领先压缩机级。进口导向叶片255可旋转，以通过致动系统260调整或控制压缩机200的进口流动区域。在一些实施例中，进口导向叶片255为可变导向叶片，且可绕着它们自己的轴线旋转。
致动系统260包括致动器261、致动器臂262以及联动系统263。致动器261移动致动器臂262，致动器臂262移动或转移联动系统263的部件。联动系统263包括联动臂264。联动臂264可连接到每个进口导向叶片255和每个定子250可变导向叶片。当致动器臂262移动时，其使得每个联动臂264移动，使得每个进口导向叶片255和每个定子250可变导向叶片旋转。致动器261、致动器臂262和联动臂264可连接在一起并配置以相同数量旋转每个可变导向叶片。
燃烧器300包括一个或多个喷射器310，且包括一个或多个燃烧室390。
涡轮400包括涡轮转子组件410、涡轮盘组件420以及涡轮喷嘴450。
图2描绘了导向叶片250实施例的透视图。导向叶片250可包括内按钮230、外按钮234、翼面240、内耳轴231以及外耳轴235。内按钮230、外按钮234、内耳轴231以及外耳轴235在下文中有时可分别被指代为第一按钮、第二按钮、第一耳轴以及第二耳轴。导向叶片250也可包括导向叶片250旋转的叶片轴线75，其大致可由内耳轴231的纵轴限定。所有与导向叶片250相关的半径、轴线和圆周的方向的参照和测量都参照叶片轴线75。
如图中所示的，内按钮230和外按钮234可为圆柱平台，其包括外圆柱表面、顶部表面以及相对于顶部表面的底部表面。翼面240可从内按钮230的顶部表面沿着第一方向延伸。在一些实施例中，翼面240从内按钮230的顶部表面轴线地向外延伸。内耳轴231可从内按钮230的底部表面沿着第二方向延伸，第二方向与翼面240的第一方向相对。在一些实施例中，内耳轴231从内按钮230的底部表面沿着与翼面240相对的轴线方向向外延伸。内耳轴231可为支撑结构，且可被用于导向叶片250的旋转。翼面240可延伸至外按钮234的底部表面。外耳轴235可从外按钮234的顶部表面沿着第一方向或轴线方向延伸，以与内按钮230和内耳轴231相似的方式。
内筋条233(有时被指为第一筋条)可形成弯曲挤出件，该挤出件在内按钮230的顶部表面与翼面240之间延伸。外筋条236(有时被指为第二筋条或外可变筋条)可形成弯曲挤出件，该挤出件在外按钮234的底部表面与翼面240之间延伸。在优选的实施例中，内筋条233和外筋条236均可为可变筋条。两个筋条可为凹面弯曲的挤出件。如下图3所解释的，可变筋条可包括不同或可变的沿着筋条挤出长度的半径。
图3为图2中所示导向叶片250的一部分的放大透视图。过渡区244可表示内按钮230的顶部表面与翼面240的底部表面相接的区域。翼面240可从前缘238向后缘239径向延伸。在一些实施例中，内筋条233(下文中可指为可变筋条233或内可变筋条233)可至少在过渡区244的整个长度上延伸。可变筋条233也可延伸超过过渡区244的长度，朝向前缘238或后缘239或者同时朝向两者。
可变筋条233可延伸到翼面240的悬垂部分(有时被称为内悬垂部分)241中一定距离。翼面240的悬垂部分241可包括从按钮面243延伸到翼面240的后缘239的翼面240的区域。按钮面243可以是按钮的圆周端。在一些情况下，按钮面243可以是平坦的。在一些情况下，可变筋条233可延伸少于悬垂部分241的长度的50％。通过延伸少于悬垂部分241的长度的50％，可变筋条233的终止点终止于少于悬垂部分241的长度的50％的位置处。终止点可以是可变筋条233的一个端。在其它情况下，可变筋条233延伸少于悬垂部分241的长度的40％。在其它情况下，可变筋条233延伸少于悬垂部分241的长度的33％。在其它情况下，可变筋条233延伸少于悬垂部分241的长度的25％。在其它情况下，可变筋条233延伸少于悬垂部分241的长度的20％。在其它情况下，可变筋条233延伸少于悬垂部分241的长度的10％。在其它情况下，可变筋条233延伸少于悬垂部分241的长度的5％。
按钮面243与悬垂部分241的交叉可形成按钮角区232(有时被称为内按钮角区)。在操作期间，例如裂纹的缺陷由于高振动和高应力可形成在按钮角区232中。在某些实施例中，可变筋条233可帮助降低这样的振动和应力。
在一些实施例中，前按钮角区229可形成在按钮230的与按钮角区232相反的另一侧上(前按钮角区229可形成在与前缘238相同的侧上，而按钮角区232可形成在与后缘239相同的侧上)。此外，外按钮角区(未图示)可形成在外按钮234与翼面240之间。可变筋条233可朝向前缘238延伸超过前按钮角区229。在一些实施例中，可变筋条233在前按钮角区229与前缘238之间延伸少于翼面的长度的50％。
在可选实施例中，可变筋条可在过渡区244内以有限分段延伸。在其它实施例中，可变筋条可围绕按钮角区以有限分段延伸。
可变筋条233可以是弯曲挤出件，其中挤出件的曲率半径沿筋条的长度变化。可变筋条233的某些部分可比其它部分厚。这些部分可加强可变筋条233并防止裂纹形成。在某些实施例中，可变筋条233的较厚部分形成凸起242。凸起242可以是快速膨胀的较厚部分，其中筋条的底部跨越凸起242迅速膨胀。可变筋条233还可例如在狭窄部分237中逐渐变细，以允许增加空气流或最小化材料成本。狭窄部分可位于凸起242远端的筋条部分内。可变筋条233可贯穿包括狭窄部分237和凸起242的筋条的任何部分逐渐变细并逐渐延伸。在优选实施例中，较厚部分形成在过渡区233的两端处。凸起242可形成近侧按钮角区232，并且前凸起(有时候被称为第二凸起)249可形成近侧前按钮角区229。
在某些实施例中，按钮面243可以是平坦的。这可提供用于安装导向叶片的间隙。
图4为沿着图3的线IV-IV截取的截面透视图。在可变筋条233的凸起242中截取截面。透视图成小角度以示出可变筋条和翼面。在一些实施例中，可变筋条233可以是圆锥形筋条或椭圆形筋条，并沿筋条的长度以圆锥或椭圆曲率挤出。此外，圆锥形筋条可包括具有平滑连续变动半径的曲率。圆锥形筋条可包括表示圆锥的任何截面切割的曲率。椭圆形筋条可以是进一步包括线性偏心距的一种圆锥形筋条。椭圆形筋条可包括具有长轴、短轴和两个焦点的曲率，其中两个焦点是在椭圆的长轴上与椭圆的中心点等距的两个特殊点。椭圆的线性偏心距(有时用e表示)是两个焦点之间的距离与主轴的长度的比。从椭圆上的任何点到那两个焦点的距离的总和是恒定的并等于长轴。所有椭圆具有0与1之间的偏心距(0<e<1)，其中当e接近1，椭圆变成更细长的形状。
在一些实施例中，可变筋条233是如图4所示的复合筋条。复合筋条可由下曲线245和上曲线246构成的。在一些实施例中，下曲线245可包括大于上曲线246的半径。在其它实施例中，下曲线245可包括小于上曲线246的半径。此外，在某些情况下，下曲线245可包括为上曲线246的半径的10％的半径。在其它情况下，下曲线245可包括为上曲线246的半径的5-50％的半径。
随着可变筋条233从一端到另一端迅速延伸，下曲线245和上曲线246的半径可按比例变化。例如，相比上文讨论的凸起区域中的截面，可变筋条的狭窄部分237的截面在下曲线和上曲线中可包括在比例上较小的半径。
翼面240可在可变筋条233与翼面240的交叉处包括翼面基部宽度247(有时被称为内翼面基部宽度247)。翼面的宽度可在可变筋条233的内表面处扩大到筋条基部宽度248(有时被称为内筋条基部宽度248)。在一些实施例中，筋条基部宽度248可比翼面基部宽度247宽20-150％。在其它实施例中，筋条基部宽度248可比翼面基部宽度247宽90-120％。
在某些实施例中，可变筋条233沿筋条的长度以圆形曲率挤出。在这样的实施例中，上曲线和下曲线的半径在沿筋条的任何截面处相同。
图5为图2中所示导向叶片的一部分的放大透视图。在一些实施例中，按钮角区232可以包括倒角。在其它实施例中，按钮角区232可包括圆形边缘。
尽管未图示，外按钮234和外筋条236可包括与内按钮230和内筋条233类似的特征。例如，外筋条236可延伸到外悬垂部分中一定距离。在一些情况下，外筋条236可延伸少于外悬垂部分的长度的50％。翼面240在外筋条236与翼面240的交叉处可包括外翼面基部宽度，其在外筋条236的外表面处可扩大到外筋条基部宽度。
一个或多个上述部件(或其子部件)可由基底材料制成，所述基底材料为不锈钢和/或被称为“超级合金”的耐用高温材料。超级合金或高性能合金是展现出高温下的优良机械强度和抗蠕变性、良好表面稳定性以及耐腐蚀性和抗氧化性的合金。
超级合金可包括例如合金x、WASPALOY、RENE合金、合金188、合金230、合金17-4PH、INCOLOY、INCONEL、MP98T、TMS合金和CMSX单晶合金的材料。
工业实用性
燃气涡流发动机可适用于许多工业应用，例如石油和燃气工业(包括传输、收集、存储、回收和石油与天然气的提升)、发电工业、废热发电、航空和其它运输工业的各个方面。
导向叶片在操作期间可能易于受到由高振动和高应力引起的裂纹影响。特别是，结构元件之间的交叉区域可产生脆弱性。如图3中所示，按钮面243与翼面240的悬垂部分241之间的按钮角区232可非常易于受到振动的影响。这可导致导向叶片的裂纹和故障。按钮与翼面之间的局部增厚可提供缓解。可变筋条233可包括降低按钮角区232中的局部应力和振动的增厚部。可变筋条233可包括较大的局部增厚区，例如凸起242。在降低振动和应力的同时，凸起242还可增大或帮助调节模态响应频率。可变筋条233还可包括逐渐变细的部分，例如狭窄部分237。狭窄部分237可允许增大局部空气流，同时仍提供结构支撑。狭窄部分237可降低压缩机内的效率损失，并提供对原材料的更有效利用。狭窄部分237还可在导向叶片的制造期间提供更好的可铸性或机械加工。
在某些情况下，可变筋条233可以是如上所述的椭圆形筋条。椭圆形筋条可提供更有效的材料利用并提供更好的导向叶片的可铸性或机械加工。此外，椭圆形筋条可提供可变筋条233的改进设计。例如，如图4所示，导向叶片250的截面可描绘出可变筋条233的双向曲率。在可变筋条233是椭圆形筋条的实施例中，筋条的下曲线245可为大于筋条的下曲线246的因素。在这样的实施例中，椭圆形筋条能够减少围绕上曲线246的材料，其中局部增厚可能不那么明显。此外，椭圆形筋条也可增大上曲线246周围的气流并减少效率损失。
前面的发明详述本质上仅仅是示例性的，并非意图限制本发明或本发明的应用和用途。提供公开的实施例的上述描述使得本领域任意技术人员能够制造或使用本发明。这些实施例的各种修改对于本领域技术人员而言将是显而易见的，且本文所描述的一般原理可在不脱离本发明的精神或范围的情况下应用于其它实施例。因此，可以理解本文给出的描述和附图代表本发明当前优选的实施例，从而代表由本发明宽泛预见的主题。还应该理解本发明的范围充分涵盖了对于本领域技术人员显而易见的其他实施例，本发明的范围相应地仅由所附的权利要求书来限定。

Claims (10)

1.一种导向叶片(250)，包括：
第一按钮(230)；
第一耳轴(231)，其与所述第一按钮(230)相连接；
翼面(240)，其与所述第一按钮(230)相连接，所述翼面(240)包括前缘(238)、后缘(239)和第一悬垂部分(241)，其中，所述第一悬垂部分(241)从所述第一按钮(230)的一端延伸至所述翼面(240)的远端；
第一按钮角区(232)，其位于所述翼面(240)与所述第一按钮(230)之间，接近所述第一悬垂部分(241)的开始处；以及
第一可变筋条(233)，其在所述第一按钮(230)与所述翼面(240)之间延伸并延伸入所述第一悬垂部分(241)内，所述第一可变筋条(233)包括沿所述筋条(233)挤压长度的不同半径的部分。
2.如权利要求1所述的导向叶片(250)，其中，不同半径的部分之一是邻近所述第一按钮角区(232)的第一凸起(242)。
3.如权利要求1所述的导向叶片(250)，其中，所述第一可变筋条(233)延伸小于所述第一悬垂部分(241)的长度的50％。
4.如权利要求1所述的导向叶片(250)，其中，所述第一可变筋条(233)是还包括平滑连续变动半径的曲率的圆锥形筋条。
5.如权利要求1所述的导向叶片(250)，其中，所述第一可变筋条(233)是复合筋条，所述复合筋条包括下曲线(245)和上曲线(246)，并且所述下曲线(245)包括小于所述上曲线(246)的半径。
6.如权利要求2所述的导向叶片(250)，其中，所述第一可变筋条(233)包括狭窄部分(237)，所述狭窄部分(237)位于远离所述第一凸起(242)的所述筋条的一部分内。
7.如权利要求2所述的导向叶片(250)，其中，所述翼面(240)包括翼面基部宽度(247)，所述第一可变筋条(233)包括第一筋条基部宽度(248)，并且所述第一筋条基部宽度(248)比所述第一凸起(242)内的所述翼面基部宽度(247)宽20-150％。
8.如权利要求2所述的导向叶片(250)，其中，所述第一凸起(242)增加了所述第一按钮角区(232)内的模态响应频率。
9.如权利要求1所述的导向叶片(250)，还包括第二按钮(234)，所述第二按钮(234)连接至所述翼面(240)，其中第二可变筋条(236)在所述第二按钮(234)与所述翼面(240)之间延伸并延伸入第二悬垂部分内，所述第二悬垂部分从所述第二按钮(234)的一端延伸至所述翼面(240)的远端，其中所述第二可变筋条(236)包括不同半径的部分，其中所述不同半径的部分之一包括位于邻近第二按钮角区的第二凸起，所述第二按钮角区位于所述翼面(240)与所述第二按钮(234)之间并接近所述第二悬垂部分的开始处。
10.一种包括如权利要求1所述的导向叶片(250)的燃气涡轮发动机(100)的压缩机(200)。
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