CN107810309B - 涡轮机械的转子叶片 - Google Patents

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Abstract

提供一种涡轮机械的转子叶片，该转子叶片具有翼型体和从翼型体的吸力面穿透到翼型体的压力面的孔。该孔适于容纳系索。该叶片还具有来自吸力面或压力面的突起。该突起从孔的下游侧沿下游方向延伸和/或从孔的上游侧沿上游方向延伸，因此打断吸力面或压力面使邻近该孔的翼型体局部地增厚。该突起在叶片的径向向外方向上的最大的径向延伸与孔的外侧径向接合，并且该突起在叶片的径向向内方向上的最大径向延伸与孔的内侧径向接合。

Description

涡轮机械的转子叶片
发明领域
本发明涉及一种涡轮机械的转子叶片。
背景
运行在高脉动气流下的涡轮机可能需要额外的阻尼/刚度，以确保其能够维持。这种附加的阻尼/刚度可通过将系索插入涡轮叶片中的孔中以将叶片系在一起并在运行期间支撑它们来提供。
然而，在运行过程中，系索对叶片施加产生应力的惯性载荷。为了防止这些应力变的过大，可在每个叶片的孔的周围增加凸台。
凸台是叶片翼型区域的局部增厚，其减小了系索的惯性载荷在叶片中所产生的应力。例如，图1示出了相邻的工业涡轮增压器涡轮叶片1，其中系索3插入并穿过叶片的翼型体7中的孔5。凸台9围绕每个孔并支撑该系索。
虽然凸台减小了叶片中的应力，但是也破坏了气流在翼型体上的流动，并因此降低了叶片的效率。
发明内容
概括而言，本发明提供了具有改善的空气动力性能的转子叶片。
因此，第一方面，本发明提供了一种涡轮机械的转子叶片，该转子叶片具有翼型体和从翼型体的吸力面穿透到翼型体的压力面的孔，该孔适于容纳系索；
其中，来自吸力面或压力面的突起，从孔的下游侧沿下游方向延伸和/或从孔的上游侧沿上游方向延伸，该突起打断吸力面或压力面以使邻近孔的翼型体局部地增厚，该突起在叶片的径向向外方向上的最大的径向延伸与孔的外侧径向接合，并且该突起在叶片的径向向内方向上的最大径向延伸与孔的内侧径向接合。
传统叶片的凸台对气流的最大破坏通常是由孔的内侧和外侧的局部增厚产生的。相比之下，该孔的加厚的下游位于系索的空气动力尾迹，因此对翼型的空气动力学的影响比其余的凸台小。类似地，孔的加厚的上游虽然不在空气动力尾迹，但在其所处位置处，靠近该系索的气流的流线或者停滞在该系索处或者绕过它，从而也具有较小的空气动力学影响。此外，在空气速度较高的叶片的吸力侧的增厚，往往比在叶片的压力侧的增厚更具有不利后果。
已经发现，通过系索产生的叶片的惯性载荷增加了叶片在孔的上游侧和下游侧上的位置处的应力。然而，通过在孔的下游和/或上游包括突起，可减小这样的应力，并且叶片不需要在孔的内侧或外侧增厚。
因此，在本发明的叶片中，突起的最大径向不超出孔的外侧和内侧，即，超过外侧和内侧的翼型体不存在局部增厚。有利的是，因此可降低对流过叶片翼型区域的气流的破坏，从而提高叶片的效率。
在第二方面，本发明提供了一种转子，该转子具有一排根据上述第一方面所述的叶片，并且还具有容纳在该叶片的孔中的系索。
本发明的另一方面提供一种具有上述第二方面的转子的涡轮增压器。
本发明的其它方面分别提供了具有上述第二方面的转子的燃气涡轮发动机、具有上述第二方面的转子的汽轮机和具有上述第二方面的转子的水轮机。
现在将阐述本发明的可选特征。这些可选特征可单独使用或与本发明的任何方面组合使用。
突起可仅从孔处沿下游方向延伸，即不从孔的上游侧沿上游方向延伸。因此吸力面和压力面可具有靠近孔的上游侧的不受打断的翼型面，即，翼型体在上游侧没有局部增厚。通常，孔上游的局部增厚对气流产生的破坏比孔下游的局部增厚对气流产生的破坏更大(尽管仍然很小)。
对于从孔处沿下游方向延伸的突起，突起产生的加厚可随着从孔到下游的距离的增加而减小。类似地，对于从孔处沿上游方向延伸的突起，突起产生的增厚可随着从孔到上游的距离的增加而减小。
突起在叶片的径向方向上的宽度可随着从孔到下游的距离的增加而减小。
突起可从孔的下游侧沿下游方向延伸一段距离，该延伸的距离小于沿叶片的径向方向测量的孔的直径的四倍。优选地，突起可延伸小于沿叶片的径向方向测量的孔的直径的两倍的距离。然而，突起可延伸大于在叶片的径向方向上测量的孔的直径的四分之一的距离。优选地，突起可延伸大于在叶片的径向方向上测量的孔的直径的一半的距离。
类似地，突起可从孔的上游侧沿上游方向延伸一距离，该延伸的距小于在叶片的径向上测量的孔的直径的四倍(并且优选地小于两倍)，和/或大于在叶片的径向方向上测量的孔的直径的四分之一(并且优选地大于二分之一)。
突起高出相邻的未被打断的翼型面的最大高度可小于沿叶片的径向方向测量的孔的直径的一半。优选地，该最大高度可小于在叶片的径向方向上测量的孔的直径的四分之一。然而，该最大高度可大于在叶片的径向方向上测量的孔的直径的十六分之一。优选地，该最大高度可大于在叶片的径向方向上测量的孔的直径的八分之一。
叶片可具有来自吸力面的突起和来自压力面的突起。
叶片可以是涡轮机转子叶片或压缩机转子叶片。
附图说明
现在将参照附图以示例的方式描述本发明的实施例，在附图中：
图1示出了带有系索的相邻涡轮机叶片；
图2示意性示出了(a)从压力侧观看的一排叶片和(b)从吸力侧看的一个叶片的近视图；
图3显示了(a)压力侧和(b)吸力侧的应变等值线，该应变等值线由位于图2的叶片的孔处的典型系索的惯性载荷的有限元建模计算得到；
图4示出了(a)压力侧和(b)吸力侧的应变等值线，该应变等值线由没有突起的传统叶片的孔处的类似的系索的惯性载荷的有限元建模计算得到。
具体实施方式
图2示意性示出了(a)从压力侧观看的用于轴流涡轮增压器涡轮转子的一排叶片和(b)从吸力侧看的一个叶片的近视图。每个叶片11具有翼型体13，该翼型体13具有压力面15和吸力面17。孔19从吸力面穿透翼型体到压力面，使得系索能穿过该孔将该叶片连接到相邻叶片。
叶片11具有自压力面15的突起21和自吸力面17的另一相似突起21。上述突起是翼型体的局部加厚，并从孔的下游侧沿下游方向延伸。有利地，这些局部加厚增加了叶片与穿插入孔19的系索之间的接触面积，同时减小了系索的惯性载荷在叶片中产生的应力。尽管在此没有示出，但是另一种选择是仅叶片的压力侧或吸力侧具有单个突起。
每个突起21沿下游延伸一段距离，该延伸距离小于在叶片的径向方向上测量时的孔19的直径的四倍，并且更优选地，该延伸距离小于该直径的两倍。然而，每个突起也延伸大于该直径的四分之一的距离，并且优选地该距离大于该直径的一半。
每个突起21在叶片11的径向方向上的宽度以及每个突起在相应面15、17上的高度都随着从孔19到下游的距离的增加而减小。每个突起高出邻近的未被打断的翼型面的最大高度小于在叶片的径向上所测量的孔的直径的一半(且优选地小于直径的四分之一)，但大于该直径的十六分之一(且优选地大于八分之一)。
邻近孔19的压力面15和吸力面17具有在上游、内侧和外侧方向上不受打断的翼型面，即，在孔的上游侧的上游方向上、从孔的内侧沿着径向向内的方向上或从孔的外侧沿着径向向外的方向上不存在增厚。其中，孔的内侧为孔靠近涡轮机械的旋转轴线的一侧，孔的外侧为孔远离涡轮机械的旋转轴线的一侧。因此，突起21有利地减少了对流过翼型面15、17的气流的破坏，因为在使用中，突起位于穿过孔19的系索的尾迹。这样，能够提高叶片11的空气动力学性能。
图3示出了(a)压力侧和(b)吸力侧的由位于图2的叶片的孔处的典型系索的惯性载荷的有限元建模计算得到的应变等值线，并且为了对比，图4示出了(a)压力侧和(b)吸力侧的由没有突起的传统叶片的孔处的类似的系索的惯性载荷的有限元建模计算得到的应变等值线。相对于没有突起的叶片，在孔的下游侧突起21能够有效地改变叶片经受的应力模式，并减小最大应力。进一步地，该突起能将孔的下游侧的最大应力点从吸力侧的位置移动到孔内的损伤较小的位置。这些效果都能增加叶片的疲劳寿命。
尽管已经结合上述示例性实施例描述了本发明，但是对于本领域技术人员而言，在给出本公开时，许多等同的修改和变化将是显而易见的。例如，虽然附图中未示出，但为了进一步提高叶片的疲劳寿命，该突起或每个突起也可从孔的上游侧沿上游方向以同样的方式延伸。尽管在孔的上游，该突起并不处于系索的尾迹，但是在这个位置处，靠近系索的气流的流线或者停滞在该系索处或者绕过它。事实上，虽然是次优选的，但是该突起或每个突起可沿上游方向而不是下游方向延伸。此外，本发明不限于涡轮机应用，而是可用于其它应用。例如，叶片可用于燃气涡轮发动机中的低压轴流式压缩机。此外，本发明不限于轴流式装置，而是可用在其它装置中。例如，根据本发明的转子叶片可用于径流式或混流式装置，例如水轮机或涡轮增压器中的径流式涡轮机。因此，上面阐述的本发明的示例性实施例被认为是说明性的而不是限制性的。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对所描述的实施例进行各种改变。

Claims (14)

1.一种涡轮机械的转子叶片，所述转子叶片具有翼型体，和从所述翼型体的吸力面穿透到所述翼型体的压力面的孔，所述孔适于容纳系索；
其中，来自所述吸力面或所述压力面的突起，从所述孔的下游侧沿下游方向延伸和/或从所述孔的上游侧沿上游方向延伸，所述突起打断所述吸力面或压力面使邻近所述孔的所述翼型体局部地增厚，所述突起在所述叶片的径向向外方向上的最大的径向延伸与所述孔的外侧径向接合，并且所述突起在所述叶片的径向向内方向上的最大的径向延伸与所述孔的内侧径向接合。
2.根据权利要求1所述的叶片，其中，所述突起从所述孔处沿下游方向延伸，并且由所述突起产生的加厚随着从所述孔到下游的距离的增加而减小。
3.根据权利要求1或2所述的叶片，其中，所述突起从所述孔处沿上游方向延伸，并且由所述突起产生的加厚随着从所述孔到上游的距离的增加而减小。
4.根据权利要求1或2所述的叶片，其中，所述突起在所述叶片的径向方向上的宽度随着从所述孔到下游的距离的增加而减小。
5.根据权利要求1或2所述的叶片，其中，所述突起从所述孔的下游侧沿下游方向延伸的距离小于沿所述叶片的径向方向测量的所述孔的直径的四倍。
6.根据权利要求1或2所述的叶片，其中，所述突起从所述孔的上游侧沿上游方向延伸的距离小于沿所述叶片的径向方向测量的所述孔的直径的四倍。
7.根据权利要求1或2所述的叶片，其中，所述突起高出相邻的未被打断的翼型面的最大高度小于沿所述叶片的径向方向测量的所述孔的直径的一半。
8.根据权利要求7所述的叶片，其中，所述最大高度小于在叶片的径向方向上测量的孔的直径的四分之一。
9.根据权利要求7所述的叶片，其中，所述最大高度大于在叶片的径向方向上测量的孔的直径的十六分之一。
10.根据权利要求9所述的叶片，其中，所述最大高度大于在叶片的径向方向上测量的孔的直径的八分之一。
11.根据权利要求1或2所述的叶片，其中，所述叶片具有来自所述吸力面的突起和来自所述压力面的突起。
12.根据权利要求1或2所述的叶片，其中，所述叶片是涡轮机转子叶片或压缩机转子叶片。
13.一种转子，具有一排根据前述权利要求中任一项所述的叶片，并且还具有容纳在所述叶片的孔中的系索。
14.一种涡轮增压器，具有如权利要求13所述的转子。
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