CN1908380A - 涡轮叶片 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于气体涡轮发动机的涡轮叶片。涡轮叶片包括平台，从平台径向延伸出的翼面，以及包括带有较高应力侧和较低应力侧的非对称根颈部的连接部分。涡轮叶片可以进一步具有附加材料，以及用于分散翼面伸出于颈部的区域内应变的复合圆角。

Description

涡轮叶片
技术领域
政府的利益声明：
本发明是在美国空军部授予的合同No.F33657-D-2051-524下完成的，美国政府享有本发明的权利。该发明涉及一种用于气体涡轮发动机的改良设计的涡轮叶片。
背景技术
参考图1，一般用于气体涡轮发动机中的涡轮叶片10包括平台12，从平台一侧径向延伸的翼面14，从平台的另一侧或底侧延伸的连接或根部分16。根部分16一般包括带有多个锯齿状突起的尾榫部分，以及在平台底侧与尾榫部分之间的颈部分。如图1所示，翼面14可以外伸于根部分16的底部(footprint)。袋状结构18也构造在涡轮叶片10上，其一般是铸件结构。连接或根部分16的颈部分刚好起始于袋状结构18之下，并形成限制性结构，有效应力作用于这一区域，该应力如果处理不当，可能是破裂和其他潜在失败模式的缘由。平衡吸入侧和颈部压力侧之间的应力集中，以及涡轮翼面14上的应力是非常需要的。
假设低压涡轮翼面在较低速度和温度的条件下，根部分16的根轴向长度一般短于翼面的弦轴(chord axial)部件。大多数低压涡轮翼面也具有较短的连接根颈长度。伸出翼面和短颈长度形成负载路径，在大多数情况下其将应力集中在根部。图2中例示说明了这一点。在某些情况下，这些应力是无法接受的，并且是潜在的断裂根源。此问题的传统解决方法是增加根轴向长度和宽度并加大锯齿状突起的尺寸。这一传统的解决方法需要新的圆盘设计并增加重量。
发明内容
本发明的涡轮叶片可更好地平衡涡轮叶片根颈较低和较高应力侧之间的应力集中。
根据此发明，涡轮叶片广泛地包括平台、从平台径向延伸出的翼面以及连接部分(其包括具有较高和较低应力侧的非对称根颈)。
进一步地，根据本发明，这里提供的涡轮叶片广泛地包括平台，从平台径向延伸出的翼面，连接部分(包括带有后根面和根部较高应力侧的颈部)，以及用于分散翼面伸出颈部区域中应变的机构。
此发明也涉及一种方法，用于提供具有在吸入和压力侧之间平衡应力集中的涡轮叶片。该方法广泛地包括形成涡轮叶片的步骤(该叶片具有平台，平台下面带有颈部的连接部分，从平台径向延伸出的翼面部分)以及向颈部较低应力侧调整力矩。
该发明涡轮叶片的其他细节，以及其他方面和另外附带的优点在以下的详细描述和附图(其中，相同的参考标号描述相同的元件)中阐述。
附图说明
图1是现有技术的涡轮叶片的底视图；
图2阐明了现有技术的涡轮叶片的负载路径，其在涡轮叶片的底部集中应力；
图3是根据该发明的涡轮叶片的侧视图；
图4是图3所示涡轮叶片连接部分的放大图；
图5是根据该发明的涡轮叶片的底视图；
图6是图1所示现有技术的涡轮叶片的限制性部分的截面图；
图7是图3中沿着线7-7所示涡轮叶片的限制性部分的截面图；
图8是限制性部分的截面图，其阐明了根据该发明提供非对称根颈的技术；
图9是该发明的涡轮叶片透视图，其阐明了根据该发明用于分散根颈应变的机械部件；
图10阐明了作用于现有技术的涡轮叶片的应力；以及
图11阐明了作用于该发明的涡轮叶片的应力。
具体实施方式
参见附图，图3到图5阐明了根据该发明的涡轮叶片100。涡轮叶片100有平台102、从平台102的第一侧106径向延伸出的叶片104、和从平台102第二侧110延伸出的连接或根部分108。袋状结构112形成于平台102的侧面。正好在袋状结构112的下面，颈部分114形成根部分108的一部分。根部分108也包括尾榫部分116，其用于连接涡轮叶片100到如旋转式圆盘的旋转件(图中没有显示)。根部分108包括前根面111和后根面122。
在图5中能够最好看出，翼面104伸出于根部分108的底部118。现参考图5和图9，为了避免应力集中在涡轮叶片100的根部分108上，伸出翼面104引起的应力和应变分散在了增加的区域上。该增加区域的一部分由沿着后根面122的附加材料120所形成。附加材料120可以是铸件材料或沉积材料，也可以是形成涡轮叶片100相同或与之兼容的材料。
如图9所见，后根面122具有平面部分125，其从边缘或表面127延伸。附加材料120的前缘129始于表面127相间隔的一点。前缘129优选地拱形分隔，并从后根面122的第一侧133延伸至后根面122第二侧或相对侧135。附加材料120从前缘129到其与平台102第二侧110的交点处增加了厚度。这导致后跟面122与平台102的接触处具有弯曲的非线性形状137，如图8所示。
另外，如果需要的话，用于分散应力和应变的增加区域可以包括开始于点139的复合圆角124，该点大约在距前根面111到平台102的尾缘128距离的88％处。复合圆角124优选地位于平台102的较高应力侧126。一般地，较高应力侧126是平台的压力侧。复合圆角124可以是由与形成涡轮叶片100相同的材料形成的铸件结构，或者可以是与形成涡轮叶片100相同材料或与之兼容的不同材料形成的沉积材料形成。若需要，复合圆角124可以机加工出。
根颈部分114优选地包括了平坦的或大致平坦的部分202，其从前根面111延伸大约至前根面111到尾缘128距离的中点处。上缘200有一拱形过渡区域206，该区域从点204延伸至复合圆角124的起始点208。从图5和图9可见，复合圆角124可以从点139弧形地延伸至平台的较高应力侧126和尾缘128的交点或其附近。复合圆角124是三维的，并且它从平台102的第二边110的平面上升到突起边脊210，在此与附加材料120相交。
作为增加附加材料120和复合圆角124的结果，负载可以通过较大的面积而更多地在压力侧和吸入侧(suction side)锯齿状突起212和214之间分散。此外，根颈部114是轴向呈锥形，增加了朝向根部108后方的根厚度。这样有助于减少颈部114中心的硬度。
涡轮叶片100具有最长的应力寿命。颈部114最上方的限制部分130正好在平台102的下方。伸出翼面104产生的应力集中，在限制性区域130的较高应力侧134(一般是压力侧)和较低应力侧132(一般是吸入侧)之间应该得到平衡。
根据此发明，相对于峰值应力区域的重心142调整限制部分重心140之上的体积力矩，可以重新分布应力负载，且无需调整限制部分130上涡轮叶片100部分的体积。这是通过调整区域重心142实现的，其可影响限制区域上方涡轮叶片部分的体积产生的力矩。增加较低应力侧的力矩会极大的减小较高或峰值应力侧的应力。
通过从限制区域130的较低应力侧144(吸入侧)中去除材料，或在高应力侧146(压力侧)增加材料，可以在峰值应力侧完成所需减少的应力。这在图8中示出，并且造成颈部114不对称。从图6和图7中可以看到位于限制区域上的体积重心140和区域重心142的变化，可以看出图7中体积重心140和区域重心142之间的距离D2，大于图6中体积重心140和区域重心142之间的距离D1。这表明增加了对较低应力侧144的力矩。
在该发明的一个实施例中，一个或多个良好的应力区域里可以从144面移去大约0.005英寸的材料。此外，附加材料可以导致较高应力或压力侧146增长0.020英寸。附加材料可以包括与涡轮叶片100材料相同或匹配的材料，也可以采用复合圆角124以及从平坦或大致平坦的部分202到复合圆角124的过渡区域206的形式。如前所述，在涡轮10()形成以后，附加材料可以是铸件材料或沉积材料。
在实现该发明时，从较低应力侧或吸入侧144去除的材料，应该与翼面部分104上总的P(力)/A(区域)应力平衡。此外，弯曲力矩以这种方式更多优选地移向一面，以减小另一面的峰值应力。
如图8所示，上述的调整产生了颈部114的非对称特性。发明中非对称的颈部114对于带有扩孔角的叶片有特殊的作用。
图10表明了对现有技术涡轮叶片压力侧的应力，尤其是在压力端铸件袋300处的应力。图11说明了由该发明导致的减小的应力。从图11可以看出，在压力侧铸件袋300处的应力减小了42％，在压力侧机加工圆角302处的应力减小了31％。

Claims (22)

1.一种用于在吸入和压力侧之间提供具有平衡的应力集中的涡轮叶片的方法，包括步骤：
形成涡轮叶片，其具有平台，在平台下具有颈部的连接部分，以及从所述的平台处径向延伸出的翼面部分；和
调整朝向颈部低应力侧的力矩。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的调整步骤包括从所述的颈部较低应力侧移去材料。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的调整步骤包括向所述的颈部较高应力侧添加材料。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的调整步骤包括从所述的颈部较低应力侧移去材料和向所述的颈部较高应力侧添加材料，从而形成非对称的颈部。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述的调整步骤包括从所述的颈部吸入侧移去材料和向所述的颈部压力侧添加材料。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：此方法进一步包括分散翼面伸出于颈部的区域中的应变。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述的应变分散的步骤包括向连接部分的后根面添加附加材料，其中所述的后根面在第一端部有大致平坦的部分；所述的沉积步骤包括在与所述的第一端部分隔的某点开始添加所述的附加材料；所述的添加步骤包括添加所述的附加材料，这样所述的附加材料从与所述的第一端部分隔的某点到所述的平台表面增加了厚度。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述的应变分散的步骤包括在连接部分的较高应力侧根部尾缘形成复合圆角，这里所述的形成步骤包括：形成带有平坦部分的颈部边缘，连接到所述的平坦部分上的拱形的过渡部分，以及在所述的过渡部分端部添加材料以形成所述的复合圆角，这里所述的形成步骤进一步包括从所述的颈部的较低应力侧移去材料以形成非对称的颈部。
9.一种涡轮叶片包括：
平台；
从所述的平台径向延伸出的翼面；和
包括具有较高应力侧和较低应力侧的非对称根颈的连接部分。
10.根据权利要求9所述的涡轮叶片，其特征在于：所述的较高应力侧包括压力侧，且所述的较低应力侧包括吸入侧。
11.根据权利要求9所述的涡轮叶片，其特征在于：所述的非对称根颈朝向非对称根颈的较低应力侧，相对于峰值应力区域重心调整限制性部分重心之上的体积力矩。
12.根据权利要求11所述的涡轮叶片，其特征在于：通过向所述根颈的所述较高应力侧添加材料，形成所述的非对称根颈。
13.根据权利要求11所述的涡轮叶片，其特征在于：通过从所述根颈的较低应力侧去除材料，形成所述的非对称根颈。
14.根据权利要求11所述的涡轮叶片，其特征在于：通过从所述根颈的较低应力侧去除材料，以及向所述根颈的较高应力侧添加材料，形成所述的非对称根颈。
15.根据权利要求9所述的涡轮叶片，其特征在于：所述的连接部分具有前向根面，所述的根颈部分具有从所述的前向根面延伸出的带有平坦部分的边缘，位于所述前向根面端部相邻位置的拱形过渡区域，以及从所述的过渡区域端部延伸出的复合圆角。
16.根据权利要求15所述的涡轮叶片，其特征在于：所述的平台包括尾缘，所述的复合圆角包括曲形表面，它从所述的过渡区域的所述端延伸至所述的较高压力侧和所述的尾缘的交叉部分附近的点，其中所述的复合圆角从所述复合圆角与所述平台表面以及突起边脊的交叉点处增加了高度。
17.根据权利要求9所述的涡轮叶片，其特征在于：进一步包括用于分散翼面伸出于所述颈部区域内的应变的机构。
18.根据权利要求17所述的涡轮叶片，其特征在于：所述的连接部分有后根面，所述的应变分散机构包括在后根面上形成的附加材料，这里所述的应变分散机构进一步包括在所述平台的较高压力侧端部的复合圆角，这里所述的后根面具有平坦部分，所述的附加材料包括从所述平坦部分边缘分隔开的前缘，这里所述的前缘是拱形的，这里所述的附加材料从所述的前缘到与平台表面相邻的某点之间增加了厚度。
19.一种涡轮叶片包括：
平台；
从所述的平台径向延伸出的翼面；
包括颈部和较高压力侧的连接部分；和
用于分散翼面伸出于所述颈部的区域内的应变的机构。
20.根据权利要求19所述的涡轮叶片，其特征在于：所述的连接部分包括后根面，所述的应变分散机构包括在所述后根面上的添加材料。
21.根据权利要求20所述的涡轮叶片，其特征在于：所述的后根面具有始于第一端部的平坦部分，所述的附加材料从与所述第一端部相隔的前缘，延伸到所述的附加材料和所述的平台底侧相交的位置，这里所述的附加材料从所述的前缘到所述的位置增加了厚度。
22.根据权利要求20所述的涡轮叶片，其特征在于：所述的应变分散机构进一步包括在所述的连接部分的较高应力侧尾缘的复合圆角；这里所述的复合圆角包括边脊；所述的复合圆角从所述复合圆角与所述的平台底侧相交的点到所述的边脊，增加了厚度，这里所述的连接部分有平坦部分，所述的应变分散机构进一步包括在所述平坦部分和所述复合圆角之间的曲形过渡区域。
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