CN1580498A - 涡轮叶片上对中设置的切齿 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮叶片具有：一个带有末梢覆板的翼面；一个柄部；一个引入式燕尾榫头；一个从末梢覆板沿径向向外凸起并在末梢覆板之两端之间沿翼面的围绕涡轮轴线转动的方向连续延伸的末梢覆板密封件；一个位于末梢覆板密封件上用于扩大位于相对的固定覆板上的凹槽的切齿，该切齿具有一个根据X、Y和Z轴来确定的中心点，其中，X轴沿排气流方向沿轴向延伸，Y轴沿涡轮叶片转动方向延伸，Z轴则通过X与Y轴的交叉点沿径向延伸，其中，上述的中心点位于沿Y轴上距X＝0位置约1/2英寸处，其中，上述Z轴位于距沿上述引入式燕尾榫头延伸的密封销的外侧0.517英寸处。

Description

涡轮叶片上对中设置的切齿
技术领域
本发明涉及具有翼面末梢覆板的涡轮叶片，尤其涉及具有末梢密封件的2级涡轮叶片的覆板，上述末梢覆板密封件在末梢覆板的相对两端之间延伸，一切齿沿所述末梢密封件设置，沿该叶片转动方向大致定中在该末梢覆板的两相对端之间。
背景技术
涡轮叶片的翼面通常带有末梢覆板，该末梢覆板可防止叶片由于振动应力造成的高周疲劳破坏。从叶片的最外表面通常沿径向向外凸起并在末梢覆板两相对之间沿涡轮转子转动方向在圆周上延伸的末梢覆板密封件，该密封件通常伸入在与转动的末梢覆板相对的固定覆板上形成的凹槽内，在一些结构中，固定的覆板具有导流通道。业已发现，最好沿末梢覆板密封件形成一条漏泄通路。而不是使末梢覆板与上述固定覆板紧密配合，才可以消除叶片的不稳定性。通常在末梢覆板密封件的前侧面做出一个切齿，以便在固定覆板的导流通道内切出一条宽度大于末梢覆板密封件宽度的凹槽，这就可在凹槽内的末梢覆板密封件的两相对侧面上的高、低压区之间形成漏泄流动。虽然这样做会由于密封能力的变差而造成沿翼面的压力降的不希望有的减小，但是，降低的效率可由叶片稳定性的增加而得到补偿。
但是，已经发现，由于上述切齿并不位于与叶片重心相同的径向线上，这种不对称的结构会增大末梢覆板下方内圆角处(也就是翼面与末梢覆板之间的区域)的应力，尤其在高温下更是如此。这种在高温下增大的应力会导致高的蠕变速率，并且最终引起末梢覆板由于开裂或撕裂而破坏。显然，单个末梢覆板的破坏必然导致涡轮脱机工作。因此，末梢覆板由于末梢覆板与翼面转角处的应力增大而破坏需要耗费工时且高成本的修理，除了进行修理所必须的劳动和更换零件外，还包括要使涡轮脱离主机。
发明概述
按照本发明的典型实施例，上述的末梢覆板上的切齿大致位于末梢覆板的中央，但与规定叶片的翼面部分的形状所用的X、Y和Z轴有关。翼面部分由标题为《一种涡轮叶片的翼面轮廊》的共同拥有的共同未决专利申请No.(atty.dkt 839-1460)进一步限定。
更具体地说，涡轮叶片翼面轮廊由独特的点的轨迹来限定，以达到所需的效率和负载要求，从而提高涡轮的性能。上述独特的点的轨迹确定了名义翼面轮廓，并由X、Y和Z直角坐标来标记。正如上述未决专利申请中所述。正值的X、Y和Z的方向分别是向着涡轮排气口的轴向、沿转子轮盘转动的切向和向叶片冠部的径向向外方向延伸的。
Z轴的位置用柄部上的某个表面作为基准部位相对于X和Y轴来确定。在该示例性实施例中，Z轴位于距前柄脚的前侧面沿X轴的1.866英寸处，并当垂直于柄部的方向测量时位于距沿上述引入式燕尾榫头延伸的密封销的外侧0.517英寸处。Z轴沿径向向外延伸，并穿过末梢覆板，业已确定，该切齿的中心应当位于X＝0位置上沿Y轴的0.588英寸处。
通过设置如上所述的切齿，使末梢覆板内圆角处的应力大大减小。切齿的位置大致与末梢覆板的重心成一直线，但这不一定是一个要求。上述的减小应力可延长内圆角处的蠕变寿命，该处常常是限制寿命的零件部位。
因此，在一方面，本发明涉及一种涡轮叶片，该叶片具有：一个带有末梢覆板、柄部和引入式燕尾榫头的翼面；一个从末梢覆板沿径向向外凸起并在末梢覆板两相对端之间沿叶片的围绕涡轮轴转动的方向连续延伸的末梢覆板密封件；一个设置在末梢覆板密封件上用于扩大相对的固定覆板上的凹槽的切齿，该切齿具有一个根据X、Y和Z轴来确定的中心点，其中X轴沿排气流方向轴向延伸，Y轴沿涡轮叶片转动的方向延伸，Z轴则通过X轴与Y轴的交叉点沿径向延伸，其中，上述中心点位于从X＝0位置沿Y轴约1/2英寸处，其中当沿垂直于柄部的方向测量时Z轴位于距沿引入式燕尾榫头延伸的密封销的外侧0.517英寸处。
在另一方面，本发明涉及一种涡轮叶片，它具有：一个带有末梢覆板的翼面；一个柄部；一个引入式燕尾榫头；一个从末梢覆板沿径向向外凸起的末梢覆板密封件，一个设置在末梢覆板上用于在径向相对的固定覆板内切出凹槽的切齿，该切齿具有根据X、Y和Z轴来确定的中心点，其中X轴沿排气流的方向轴向延伸；Y轴沿涡轮叶片转动的方向延伸；Z轴则穿过X轴与Y轴的交叉点沿径向延伸，其中，上述中心点位于Y轴上约1/2英寸处。其中，当沿上述X轴测量时Z轴位于距涡轮叶片引入式燕尾榫头的前柄脚的前侧面1.866英寸处。
在又一方面，本发明涉及一种涡轮叶片，它具有：一个带有末梢覆板的翼面；一个柄部；一个引入式燕尾榫头；一个从末梢覆板沿径向向外凸起并在末梢覆板两相对端之间沿翼面绕涡轮轴线转动的方向连续延伸的末梢覆板密封件；一个设置在末梢覆板上用于扩大在相对的固定覆板上的凹槽的切齿，该切齿具有一个根据X、Y和Z轴来确定的中心点，其中X轴沿排气流方向沿轴向延伸，Y轴沿涡轮叶片转动的方向延伸，Z轴则穿过X轴与Y轴的交叉点沿径向延伸，其中，上述中心点位于Y轴上0.588英寸处，其中，当沿上述X轴线测量时Z轴位于距涡轮叶片引入式燕尾榫头的前柄脚的前侧面1.866英寸处，并且当沿垂直于柄部的方向测量时距沿上述引入式燕尾榫头延伸的密封销的外侧0.517英寸处。
在又一方面，本发明涉及燃气涡轮转子的第二级涡轮轮盘，该轮盘安装有多个涡轮叶片，每个涡轮叶片具有：一个带有末梢覆板的翼面；一个柄部；一个引入式燕尾榫头；一个从末梢覆板沿径向向外凸起并在末梢覆板两相对端之间沿翼面的围绕转子转动的纵向轴线转动的方向连续延伸的末梢覆板密封件；一个设置在末梢覆板密封件上用于扩大相对的固定覆板上的凹槽的切齿，该切齿具有一个根据X、Y和Z轴来确定的中心点，其中的X轴沿排气流方向沿轴向延伸，Y轴沿涡轮叶片转动的方向延伸，而Z轴则穿过X轴与Y轴的交叉点沿径向延伸，其中，上述中心点位于从X＝0的位置沿Y轴约1/2英寸处，其中，当沿垂直于柄部的方向测量时Z轴位于距沿上述引入式燕尾榫头延伸的密封销的外侧0.517英寸处。
在又一方面，本发明涉及燃气涡轮转子的第二级涡轮轮盘，该轮盘装有多个涡轮叶片，每个涡轮叶片具有：一个带有末梢覆板的翼面；一个柄部；一个引入式燕尾榫头；一个从末梢覆板沿径向向外凸起并在末梢覆板两端之间沿翼面的围绕转子转动的纵轴线转动的方向连续延伸的末梢覆板密封件；一个设置在末梢覆板密封件上用于扩大相对的固定覆板上的凹槽的切齿，该切齿具有一个根据X、Y和Z轴来确定的中心点，其中X轴沿排气流方向沿轴向延伸，Y轴沿涡轮叶片转动的方向延伸，而Z轴则穿过X轴与Y轴的交叉点沿径向延伸，其中，上述中心点位于从X＝0位置沿Y轴约1/2英寸处，其中，当沿垂直于柄部的方向测量时Z轴位于距沿上述引入式燕尾榫头延伸的密封销的外侧0.517英寸处。
下面结合附图详细说明本发明。
附图简述
图1简单示出通过多级燃气涡轮的热燃气通道，并示出按照本发明的优选实施例的第二级涡轮叶片；
图2是按本发明示例性实施例的第二级涡轮叶片的透视图；
图3是类似于图2所示的涡轮叶片但沿逆时针方向旋转90°的叶片透视图；
图4是图1所示涡轮叶片的侧视图；
图5是图1所示涡轮叶片的局部放大的前视图；
图6是图1和2所示涡轮叶片的上视平面图；
图7是大致沿图6的7-7线切取的通过切齿的剖视图；
图8是大致沿图5的8-8线切取的简单平面图，示出柄部相对于X、Y和Z轴线的转动。
发明详述
下面参看附图尤其是图1，图中示出3级燃气涡轮12的热燃气通道(总的以标号10表示)。第一级涡轮具有多个沿圆周隔开安装的导向叶片14和涡轮叶片16。导向叶片14沿圆周互相隔开并围绕转子的中心纵轴线固定安装。第一级涡轮叶片16通过转子轮盘20安装在涡轮转子18上。第二级涡轮12具有多个沿圆周隔开安装的导向叶片22和多个沿圆周隔开的涡轮叶片24。该涡轮叶片24也通过转子轮盘26安装在涡轮转子18上。第三级涡轮具有多个沿圆周隔开安装的导向叶片28和多个通过轮盘32隔开安装在转子18上的涡轮叶片30。显然，上述的导向叶片和涡轮叶片都直接处于涡轮的热燃气通道10内。图中，以箭头34表示通过该热燃气通道10的热燃气的流动方向。
本发明具体涉及第二级涡轮的涡轮叶片24。参看图2和3，每个涡轮叶片24具有一个座、一个柄部38和一个用于与转子轮盘26上的形状互补而相匹配的燕尾槽(未示出)相连接的大致地或者说接近于轴向引入的燕尾榫头40，但是，该轴向引入式燕尾榫头40也可具有本发明的翼面形式。从图中还可看出，每个涡轮叶片24还具有一个翼面或者说翼面部分42，该翼面部分具有一个位于其径向外端的末梢覆板44，该末梢覆板44做成带有一个长形的沿径向凸起并在末梢覆板的相对两端之间沿圆周方向即叶片转动方向延伸的末梢覆板密封件46。可以看出，相邻的末梢覆板并不互相连接，而是按它们的定位端轮廓50互相压靠(见图6)。图中以箭头46表示作为涡轮叶片的一部分的翼面部分46的转动方向(也见图6)。
转动的涡轮叶片24上的末梢覆板密封件46用于在相邻的固定覆板上形成的固定凹槽52内实施密封(图1)。上述固定覆板通常具有一种位于做成具有末梢覆板密封件46的过道的凹槽52内的导流结构(未示出)。因此，末梢覆板密封件46在工作时可在叶片的翼面部分的相对两侧面形成压力差。
再参看图2和3，上述的末梢覆板密封件46和末梢覆板44的轮廓做成大致与现有技术的相类似。但是，按照本发明的典型实施例，沿末梢覆板密封件大致在末梢覆板相对两端之中部，最好是大致在末梢覆板的沿圆周方向和轴向方向的中央设置一个切齿54，如图所示，该切齿54沿径向盖住翼面42的中心部分。
更具体地说，切齿54由两个沿圆周方向(即沿转动方向)偏斜的部分62、64构成的中心点63根据X和Y轴来确定。图2和3示出X轴代表废燃气向涡轮排出口流动的方向，该X轴大致平行于转动轴线。Y轴代表涡轮叶片24的转动方向，当然也代表转子轮盘26的转动方向。垂直于X-Y平面的径向Z轴的位置取决于柄部38上预定的参考面。具体地参看图4和5，Z轴位于距前柄脚68的前侧面66沿X轴线方向1.866英寸处，并且当沿垂直于柄部的方向测量时距沿上述引入式燕尾榫头延伸的密封销72的外侧0.517英寸。注意，对于直径为0.224英寸的密封销而言，相应的密封销72、73的外侧之间的距离为1.153英寸。应当注意，叶片的柄部部分围绕Z轴线顺时针转动15.5°。因此，参看图8可更明显看出示于图4的限定Z轴位置的尺寸关系，上述图8示出测量用的真实参考取向。因此，Z轴位置也形成坐标X＝0，Y＝0，而Z轴上的Z＝0的点(图4)位于距叶片装在轮盘上时的转子中心线24.1英寸处。
再转回参看图6，切齿部分64的上游侧面60(相对于转动方向)位于沿Y轴线上即沿翼面转动方向自Z-X平面测量的0.550±0.25英寸处。
切齿各部分62、64在其径向在外尖部的宽度加上或减去容许的机加工公差±0.160英寸约为0.25英寸。切齿部分62的上游缘也沿叶片转动方向，沿Y轴大致位于0.376±0.160英寸处。因此，截齿本身的中心点63位于X＝0位置上沿Y轴线0.588英寸处。
图7示出末梢覆板44的一些附加细节及其与Z轴线的关系。在典型的实施例中，末梢覆板密封件46的径向最外顶端位于距Y＝0，X＝0坐标的11.275英寸处。在涡轮叶片的前侧面上，末梢覆板密封件46的前侧面位于距Y-Z平面0.88英寸处，而末梢覆板密封件46的径向顶部的宽度为0.175英寸，末梢覆板密封件46的两侧面皆沿径向向外方向呈向内的5.3°的锥度。
通过设定如上所述的切齿54的中心点63，可减小末梢覆板下方的内圆角(图7中标号76，78所示)处的应力，并延长零件寿命。用于确定切齿的最佳位置的分析基于第二级涡轮叶片、末梢覆板的几何形状和末梢覆板内冷却孔的位置。因此，切齿的精确位置将随其他的叶片-末梢覆板的形状而变化。
虽然上面结合目前认为是最实用的和优选的实施例说明了本发明，但是应当明白，本发明不限于所述的实施例，而是正好相反，要包括各种符合所附权利要求的精神和范围的改型和等同的结构方案。
                        零部件一览表
10  热燃气通道                          42  翼面或翼面部分
12  三级燃气涡轮                        44  末梢覆板
14  沿圆周隔开的导向叶片                46  末梢覆板密封件
16  涡轮叶片                            48  叶片转动方向
18  涡轮转子                            50  末梢覆板端部轮廓
20  转子轮盘                            52  固定的凹槽
22  沿圆周隔开的导向叶片                54  切齿
24  沿圆周隔开的涡轮叶片                56，58  相对的端部
26  转子轮盘                            60  切齿部分的上游侧面
28  沿圆周隔开的导向叶片                62，64  切齿部分
30  涡轮叶片                            63  中心点
32  轮盘                                66  前侧面
34  气流方向                            68  前柄脚
36  座                                  72，73  密封销
38  柄部                                76，78  内圆角
40  轴向引入式燕尾榫头

Claims (4)

1.一种涡轮叶片(24)，它具有：
一个带有末梢覆板(44)的翼面(42)；一个柄部(38)和一个引入式燕尾榫头(40)；
一个从上述末梢覆板(44)沿径向向外凸起并在上述末梢覆板(44)的端缘之间沿上述翼面的转动方向围绕涡轮轴线连续延伸的末梢覆板密封件(46)；
一个安装在上述末梢覆板密封件(46)上用于扩大处于相对的固定覆板上的凹槽(52)的切齿(54)，该切齿(54)具有一个根据X、Y和Z轴定位的中心点(63)，其中，X轴沿排气流方向沿轴向延伸；Y轴沿涡轮叶片转动方向延伸，Z轴则经X与Y轴线交叉点沿径向延伸，其中，上述的中心点(63)位于沿Y轴距X＝0的位置约1/2英寸处，其中，上述的Z轴当沿垂直于该叶片柄部的方向测量时位于距沿上述引入式燕尾榫头延伸的密封销(72)的外侧缘0.517英寸处。
2.根据权利要求1的涡轮叶片，其特征在于，上述的中心点(63)位于沿上述Y轴上0.588英寸处。
3.根据权利要求1的涡轮叶片，其特征在于，上述的Z轴当沿上述X轴线测量时位于距上述涡轮叶片的引入式燕尾榫头上的前柄脚(68)的前侧缘(66)1.866英寸处。
4.根据权利要求2的涡轮叶片，其特征在于，适合于在其上安装涡轮叶片的Z轴＝0的位置被确定在距转子转动的纵向轴线24.1英寸的距离处，其中，上述末梢覆板密封件(46)的径向最外端缘位于距Z轴＝0的位置11.275英寸处。
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