TW202138672A - 具有具備偏移凸條之冷卻迴路之渦輪機轉子葉片 - Google Patents

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墨爾本詹姆士 邁爾斯
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美商奇異電器公司
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Abstract

提供一種用於一渦輪機(10)之轉子葉片(328)。該轉子葉片(328)包括：一平台(342)；一翼形(340)，其自該平台(342)延伸；及一冷卻迴路(372)，其在該平台(342)及該翼形(340)內延伸。該冷卻迴路(372)包括由複數個凸條(374)所界定之複數個冷卻通道(356)。該複數個凸條(374)包括一偏移凸條(380)。

Description

具有具備偏移凸條之冷卻迴路之渦輪機轉子葉片
本揭露大致上係關於渦輪機，且特別是關於用於渦輪機之翼形，其包括具有偏移凸條之冷卻迴路。
渦輪機針對能量移轉目的而使用在各種產業及應用中。例如，燃氣渦輪引擎通常包括壓縮機區段、燃燒區段、渦輪區段、及排氣區段。壓縮機區段漸進地增加進入燃氣渦輪引擎之工作流體的壓力，並將該經壓縮工作流體供應至燃燒區段。經壓縮工作流體與燃料（例如，天然氣）在燃燒區段內混合並在燃燒室中燃燒，以產生高壓及高溫燃燒氣體。燃燒氣體從燃燒區段流至其等於該處膨脹以產生功的渦輪區段中。例如，燃燒氣體在渦輪區段中的膨脹可使所連接的轉子軸（例如，連接至發電機）旋轉以產生電。燃燒氣體接著經由排氣區段離開燃氣渦輪。
該渦輪區段一般包括多列的圓周地相間隔之定子葉片及轉子葉片。轉子葉片通常包括一翼形，其具有一壓力側及一吸力側，且自一平台徑向向上延伸。柄部分可自平台徑向向下延伸，並可包括將轉子葉片固定至渦輪葉輪的結構。平台大致上界定一內邊界，以供該熱燃燒氣體流通過一氣體路徑。平台與翼形之相交處可係高應力集中之一區，此係歸因於熱燃燒氣體、其上之機械負載、及其他原因。
更具體而言，在翼形與平台之相交處經常有大量因熱或其他原因引起之應變。此經引起應變可歸因於翼形與平台之間的溫度差、在壓力側與吸力側之間的溫度差、及旋轉速度負載。經引起應變可與區域中之幾何不連續性結合，從而產生可限制整體組件壽命的極高應力之區。迄今為止，這些問題已藉由試圖使幾何不連續性（諸如根部轉折(root turn)、尖端轉折(tip turn)、內部凸條、及類似者）遠離相交處來處理。此外，已嘗試控制相交處附近的溫度。然而，在許多轉子葉片中，翼形與平台之相交處通常仍然壽命有限。
因此，用於冷卻及/或減少在轉子葉片中之應變的改善特徵在所屬技術領域中係所欲的。
根據本揭露之總成的態樣及優點將部分在以下說明中闡述、或可藉由該說明顯而易見、或可透過實踐本技術而得知。
根據一個實施例，提供一種用於一渦輪機的轉子葉片。該轉子葉片包括：一平台；一翼形，其自該平台延伸；及一冷卻迴路，其在該平台及該翼形內延伸。該冷卻迴路包括由複數個凸條所界定之複數個冷卻通道。該複數個凸條包括一偏移凸條。
根據另一實施例，提供一種渦輪機。該渦輪機界定一軸向方向、圍繞該軸向方向延伸之一圓周方向、及垂直於該軸向方向之一徑向方向。該渦輪機包括一壓縮機、在該壓縮機下游之一燃燒器、及在該燃燒器下游之一渦輪。該渦輪包括安裝至一轉子盤之一轉子葉片。該轉子葉片包括：一平台；一翼形，其沿著該徑向方向自該平台向外延伸；及一冷卻迴路，其在該平台及該翼形內延伸。該冷卻迴路包括由複數個凸條所界定之複數個冷卻通道。該複數個凸條包括一偏移凸條。
參照下文說明及隨附申請專利範圍將會更佳理解本總成的這些及其他特徵、態樣、及優點。併入並構成本說明書的一部分之隨附圖式繪示本技術的實施例，並與詳細說明一起用於解釋本技術的原理。
現將詳細參照本總成之實施例，其等之一或多個實例係繪示於圖式中。各實例係以解釋而非限制本技術的方式提供。事實上，所屬技術領域中具有通常知識者將明白可在本技術中做出修改及變化而不脫離所主張之技術的範圍或精神。例如，繪示或描述成一個實施例之部分的特徵可與另一實施例一起使用以產生更進一步的實施例。因此，本揭露意圖將此類修改及變化涵蓋為落在隨附之申請專利範圍及其等的等效範圍內。
實施方式使用數字及字元符號指稱圖式中的特徵。圖式及說明中的相似或類似符號已用以指稱本發明之相似或類似的部分。如本文中所使用的，用語「第一(first)」、「第二(second)」、及「第三(third)」可互換地使用以區分一組件與另一組件，且不意欲表示個別組件的地點或重要性。
如本文中所使用的，用語「上游(upstream)」（或「在前(forward)」）及「下游(downstream)」（或「在後(aft)」）係指相關於流體途徑中之流體流的相對方向。例如，「上游(upstream)」係指流體流自其的方向，而「下游(downstream)」係指流體流至其的方向。用語「徑向(radially)」係指實質上垂直於特定組件之軸向中心線的相對方向，用語「軸向(axially)」係指實質上平行於及/或與特定組件之軸向中心線對準的相對方向，而用語「圓周地(circumferentially)」係指圍繞特定組件之軸向中心線延伸的相對方向。近似的用語（諸如「大致上(generally)」、或「約(about)」）包括在大於或小於所述值的十個百分比內之值。當使用在角度或方向的上下文中時，此類用語包括在大於或小於所述角度或方向的十度內。例如，「大致上垂直」包括在垂直的十度內之在任何方向（例如，順時針或逆時針方向）上的方向。
現在參照圖式，圖1繪示渦輪機的一個實施例的示意圖，該渦輪機在所繪示的實施例中係燃氣渦輪10。雖然本文中顯示及描述工業或陸基燃氣渦輪，除非在申請專利範圍中以其他方式指定，本揭露不限於陸基及/或工業燃氣渦輪。例如，如本文描述的轉子葉片可使用在任何類型的渦輪機中，包括但不限於蒸氣渦輪、航空器燃氣渦輪、或船用燃氣渦輪。
如圖所示，燃氣渦輪10大致上包括：入口區段12；壓縮機區段14，其設置在入口區段12的下游；複數個燃燒器（未圖示），其係在在燃燒器區段16內，該燃燒器區段設置在壓縮機區段14的下游；渦輪區段18，其設置在燃燒器區段16的下游；及排氣區段20，其設置在渦輪區段18的下游。此外，燃氣渦輪10可包括一或多個軸22，該軸耦合在壓縮機區段14與渦輪區段18之間。
壓縮機區段14通常可包括複數個轉子盤24（顯示其之一者）及從各轉子盤24徑向地向外延伸並連接至該轉子盤的複數個轉子葉片26。各轉子盤24可繼而耦接至或形成延伸通過壓縮機區段14之軸22的一部分。
渦輪區段18通常可包括複數個轉子盤28（顯示其之一者）及從各轉子盤28徑向地向外延伸並與該轉子盤相互連接的複數個轉子葉片30。各轉子盤28可繼而耦接至或形成延伸通過渦輪區段18之軸22的一部分。渦輪區段18進一步包括外殼31，該外殼圓周地環繞軸22及轉子葉片30的部分，從而至少部分地界定通過渦輪區段18的熱氣路徑32。
在操作期間，工作流體（諸如空氣）流過入口區段12並流至空氣於該處經漸進地壓縮的壓縮機區段14中，因此將經壓縮空氣提供至燃燒器區段16的燃燒器。加壓空氣與燃料混合並在各燃燒器內燃燒以產生燃燒氣體34。燃燒氣體34通過熱氣路徑32從燃燒器區段16流至渦輪區段18中，其中能量（動能及/或熱能）從燃燒氣體34轉移至轉子葉片30，導致軸22旋轉。機械旋轉能量可接著用以對壓縮機區段14供能及/或產生電。離開渦輪區段18的燃燒氣體34可接著經由排氣區段20從燃氣渦輪10排氣。
如圖2及圖3中可見，渦輪機10可界定軸向方向A及圍繞軸向方向A延伸的圓周方向C。渦輪機10亦可界定垂直於軸向方向A的徑向方向R。
圖2根據本揭露之一或多個實施例提供例示性轉子葉片328的側視圖。圖3提供圖2之例示性轉子葉片328的透視圖。如圖2及圖3所示，轉子葉片328大致上包括：安裝部分或柄部分336，其具有安裝本體338；及翼形340，其自實質上平坦的平台342向外（例如，大致上沿著徑向方向R）延伸。平台342大致上用作為徑向向內邊界，以供熱的燃燒氣體34流動通過渦輪區段18（圖1）之熱氣路徑32。平台342沿著軸向方向A從一前面320延伸至一後面322。如圖3所示，安裝部分或柄部分336的安裝本體338可自平台342向內徑向延伸，且可包括諸如鳩尾體的一根結構，該根結構經組態以將轉子葉片328互連或固定至轉子盤28（圖1）。
該翼形340包括一壓力側壁344及相對之一吸力側壁346。壓力側壁344及吸力側壁346自平台342實質上徑向向外延伸，其跨距係從翼形340之根部348（其可界定在翼形340與平台342之間的一相交處）至翼形340之尖端350。壓力側壁344在翼形340之前緣352處及在前緣352之下游的後緣354處連接至吸力側壁346，且翼形340因此在前緣352與後緣354之間延伸。壓力側壁344大致上包含翼形340的氣體動力學凹面外部表面。類似地，吸力側壁346可大致上界定翼形340的氣體動力學凸面外部表面。尖端350係相對於根部348而徑向設置。如此，尖端350可大致上界定轉子葉片328的徑向最外部分，且因此可經組態以相鄰於渦輪機10的固定覆緣件或密封件（未圖示）而定位。尖端350可包括一尖端腔366。
如圖3所示，轉子葉片328可係至少部分中空，例如，轉子葉片328可包括界定於其中的冷卻迴路372。冷卻迴路372可包括複數個冷卻通道356（部分在圖3中以虛線顯示），該複數個冷卻通道可被限制在轉子葉片328內，用於將冷卻劑358導送通過壓力側壁344與吸力側壁346之間的翼形340，因此對其提供對流冷卻。冷卻通道356可至少部分地藉由複數個凸條374來界定並界定於該複數個凸條之間。凸條374大致上沿著徑向方向R部分地延伸通過冷卻迴路372，如圖3中所繪示。凸條374可在壓力側壁344與吸力側壁346之間完全延伸通過冷卻迴路372，如圖6中所繪示。複數個凸條374可藉此分隔冷卻迴路372且至少部分地形成或界定冷卻通道356。例如，各凸條374可徑向地終止於一根部轉折376或一尖端轉折378之一者附近。
如圖3所繪示，冷卻迴路372可係一迂迴冷卻迴路，其包含複數個根部轉折376（例如緊鄰翼形340之根部348的大約180°轉折）及複數個尖端轉折378（例如緊鄰翼形340之尖端350的大約180°轉折）。該迂迴冷卻迴路372可沿著複數個冷卻通道356之一第一冷卻通道356在第一方向上延伸，轉向通過一尖端轉折378，沿著該複數個冷卻通道356之第二冷卻通道356在大致與第一方向相對的第二方向上延伸，再次轉向通過一根部轉折376，返回至沿著複數個冷卻通道356之第三冷卻通道356的第一方向，在任何迭代次數下依此類推。
冷卻劑358可包括來自壓縮機區段14（圖1）之壓縮氣體的一部分、及/或用於冷卻翼形340的蒸汽或任何其他合適的氣體或其他流體。一或多個冷卻通道入口360係沿著轉子葉片328設置。在一些實施例中，一或多個冷卻通道入口360係在安裝本體338內、沿該安裝本體、或藉由該安裝本體形成。冷卻通道入口360與至少一個對應的冷卻通道356流體連通。複數個冷卻劑出口364可與尖端腔366流體連通。各冷卻通道356與冷卻劑出口364之至少一者流體連通。在一些實施例中，尖端腔366可至少部分地被一壓力側尖端軌道368及一吸力側尖端軌道370圍繞。
如在圖3中可見，冷卻通道356在柄部分336及翼形部分340之各者內延伸。例如，冷卻通道356可在柄部分336與翼形部分340之間延伸，例如自柄部分336至翼形部分340，諸如自柄部分336中之一或多個冷卻通道入口360至翼形部分340之尖端350中的至少一個冷卻劑出口364。
轉子葉片328亦可包括偏移凸條380。偏移凸條380可經定位鄰近於翼形340的前緣352，例如與後緣354相比更靠近前緣352，諸如在冷卻迴路372的最向前部分或轉折中。如可見於例如在圖5中，偏移凸條380可沿著軸向方向A偏移。例如，偏移凸條380可包括一外部分384及一偏移部分385，該外部分大致上與徑向方向R及/或複數個凸條374對準，該偏移部分在外部分384之徑向地向內處（例如，更靠近翼形340之根部348及/或轉子葉片328之柄部分336）。偏移凸條380的偏移部分385可沿著軸向方向A偏移達一距離388，如在圖5中所繪示。偏移凸條380可朝後偏移，例如在下游方向上，諸如朝向翼形340之後緣354及/或朝向平台342之後面322。偏移凸條380可沿著徑向方向R向內延伸至尖端386，該尖端界定凸條380之一向內末端。在偏移凸條380之尖端386的向內處的冷卻迴路372的部分從一個冷卻通道356至次一鄰接冷卻通道356可係連續的，其界定冷卻迴路372中的一轉折。更具體地，在偏移凸條380的尖端386緊鄰翼形340之根部348處（例如相較於尖端350更靠近根部348），由偏移凸條380所界定之冷卻迴路372中的轉折可係一根部轉折376。
圖4提供徑向向內觀看的實例轉子葉片328的平面圖。圖5提供沿著圖4中的線5-5所取得之轉子葉片328的一部分的放大縱向截面圖。圖8提供沿著如圖4及圖5中由線8-8指示之一截平面所取得之轉子葉片328的該部分的放大截面圖。例如圖5及圖8中可見，偏移凸條380大致上分開並界定複數個冷卻通道356的兩個相鄰冷卻通道356。在一些實施例中，例如如圖5及圖8所繪示，偏移凸條380亦可包括一或多個穿孔382，該一或多個穿孔從一側延伸穿過偏移凸條380至另一側，從而提供冷卻劑358從一個冷卻通道356至次一冷卻通道356之通過該或各穿孔382之至少一額外通道（例如除了根部轉折376以外）。在提供多於一個穿孔382之實施例中，穿孔382之大小可變化。例如，穿孔382可隨著凸條380之寬度或厚度392變小而成比例地較小。
圖6繪示通過翼形340沿著在圖2中的線6-6且徑向向內觀看所取得之轉子葉片328的截面圖。圖7繪示通過平台342沿著在圖2中的線7-7且徑向向內觀看所取得之轉子葉片328的截面圖。例如如圖5至7中可見，偏移凸條380可界定一厚度392，例如大致上沿著軸向方向A及/或沿著自翼形340之前緣352至後緣354所界定的流動方向。在一些實施例中，例如如圖5至圖7所繪示，偏移凸條380的厚度392可沿著徑向方向R向內移動而增加，例如，偏移凸條380的厚度392可朝向翼形340的根部348增加及/或朝向轉子葉片328的柄部分336增加。
例如如圖6及7中可見，翼形340可界定自前緣352延伸至後緣354的弧形線390。所屬技術領域中具有通常知識者將認知到，用語「弧形線(camber line)」係指一翼形輪廓之中間或等分線，例如在壓力側表面與吸力側表面之間的中間。在本揭露中，翼形340之壓力側表面及吸力側表面分別由壓力側壁344與吸力側壁346所界定。
偏移凸條380可與弧形線390界定一角度θ (「θ」)。在一些實施例中，角度θ可大致上垂直於接近翼形340之尖端350的弧形線390，且可沿著徑向方向R變化。例如，角度θ可沿著偏移凸條380徑向向內移動（例如朝向翼形340之根部348及/或轉子葉片328之柄部分336）而增加。例如，偏移凸條380可隨著弧形線390朝向下柄部336徑向向內移動而與該弧形線會聚或自該弧形線發散，使得角度θ可沿著徑向方向R向內增加或減小。因此，偏移凸條380跨越壓力側壁344與吸力側壁346之間的尺寸（例如如下文所述的偏移凸條380之寬度394）可增加，且偏移凸條380可從而提供增加的結構順應性至轉子葉片328（例如至其翼形340）。
如圖8中所繪示，冷卻迴路372（例如冷卻通道356及/或其根部轉折376）可界定一寬度394。冷卻迴路372的寬度394可沿著圓周方向C界定，沿著大致上垂直於弧形線390的方向，及/或沿著壓力側壁344與吸力側壁346之間的方向（諸如大致上垂直於壓力側壁344及吸力側壁346）。如圖8中可見，在一些實施例中，冷卻迴路372（例如部分由偏移凸條380所界定的其冷卻通道356）之寬度394可沿著徑向方向R向內（例如朝向翼形340之根部348及/或朝向轉子葉片328之柄部分336）增加。
如藉由比較圖5與圖8可見，偏移凸條380係在圖8之背景中繪示。此外，偏移凸條380成角度遠離圖8中之截平面（進入頁面）。因此，應理解，如在圖8中所指示的冷卻通道356係繪示於前景中（例如在部分地界定冷卻通道356之偏移凸條380前面），使得在圖8中用於356之箭頭應理解為指向偏移凸條380前面的空間。
在一些實施例中，根部轉折376之形狀可係橢圓形（例如卵形）。例如，如在圖8中可見，界定根部轉折376之徑向外邊界的偏移凸條380之尖端386可係偏斜或不對稱的。因此，例如，偏移凸條380之終端（例如尖端386）可界定根部轉折376之非圓弧形邊界。此幾何形狀可提供經平滑化的應力流動輪廓。
此書面描述使用實例來揭示本發明（包括最佳模式），並亦使所屬技術領域中具有通常知識者能夠實施本發明，包括製造及使用任何裝置或系統及執行任何合併的方法。本發明之可專利範圍係由申請專利範圍所定義，且可包括所屬技術領域中具有通常知識者設想到的其他實例。若此類其他實例包括不與申請專利範圍之字面用語不同的結構元件，或若該等實例包括與申請專利範圍之字面用語無實質差異的等效結構元件，意圖使該等實例在申請專利範圍之範疇內。
10:燃氣渦輪/渦輪機 12:入口區段 14:壓縮機區段 16:燃燒器區段 18:渦輪區段 20:排氣區段 22:軸 24:轉子盤 26:轉子葉片 28:轉子盤 30:轉子葉片 31:外殼 32:熱氣路徑 34:燃燒氣體 320:前面 322:後面 328:轉子葉片 336:安裝部分或柄部分/下柄部 338:安裝本體 340:翼形/翼形部分 342:平台 344:壓力側壁 346:吸力側壁 348:根部 350:尖端 352:前緣 354:後緣 356:冷卻通道 358:冷卻劑 360:冷卻通道入口 364:冷卻劑出口 366:尖端腔 368:壓力側尖端軌道 370:吸力側尖端軌道 372:冷卻迴路 374:凸條 376:根部轉折 378:尖端轉折 380:偏移凸條/凸條 382:穿孔 384:外部分 385:偏移部分 386:尖端 388:距離 390:弧形線 392:厚度 394:寬度 A:軸向方向 C:圓周方向 R:徑向方向
參照隨附圖式的說明書中針對所屬技術領域中具有通常知識者闡述本總成的完整及實作揭露，包括製作及使用本系統及方法的最佳模式，其中： 〔圖1〕係根據本揭露之實施例之渦輪機的示意圖； 〔圖2〕根據本揭露之實施例繪示例示性轉子葉片的側視圖； 〔圖3〕根據本揭露之實施例繪示例示性轉子葉片的部分剖面透視圖； 〔圖4〕根據本揭露之實施例繪示例示性轉子葉片的徑向向內觀看平面圖； 〔圖5〕繪示沿著圖4中的線5-5所取得之轉子葉片的一部分的放大截面圖； 〔圖6〕根據本揭露之實施例繪示通過例示性轉子葉片之翼形沿著圖2中之線6-6所取得之徑向向內定向截面圖； 〔圖7〕根據本揭露之實施例繪示通過例示性轉子葉片之平台沿著圖2中之線7-7所取得之徑向向內定向截面圖；且 〔圖8〕繪示沿著圖4及圖5中的線8-8所取得之轉子葉片的一部分的放大截面圖。
320:前面
322:後面
328:轉子葉片
336:安裝部分或柄部分/下柄部
338:安裝本體
340:翼形/翼形部分
342:平台
344:壓力側壁
346:吸力側壁
348:根部
350:尖端
352:前緣
354:後緣
356:冷卻通道
358:冷卻劑
360:冷卻通道入口
364:冷卻劑出口
366:尖端腔
368:壓力側尖端軌道
370:吸力側尖端軌道
372:冷卻迴路
374:凸條
376:根部轉折
378:尖端轉折
380:偏移凸條/凸條
A:軸向方向
C:圓周方向
R:徑向方向

Claims (15)

  1. 一種用於一渦輪機(10)之轉子葉片(328)，其包含： 一平台(342)； 一翼形(340)，其自該平台(342)延伸；及 一冷卻迴路(372)，其在該平台(342)及該翼形(340)內延伸，該冷卻迴路(372)包含由複數個凸條(374)所界定之複數個冷卻通道(356)，該複數個凸條(374)包含一偏移凸條(380)。
  2. 如請求項1之轉子葉片(328)，其進一步包含在該偏移凸條(380)中之一穿孔(382)。
  3. 如請求項1之轉子葉片(328)，其中該偏移凸條(380)之一部分沿著一軸向方向偏移。
  4. 如請求項1之轉子葉片(328)，其中該偏移凸條(380)之一部分偏移朝向該翼形(340)之一後緣(354)。
  5. 如請求項1之轉子葉片(328)，其中該翼形(340)自在該平台(342)處之一根部(348)延伸至一尖端(350)，且其中該偏移凸條(380)之一厚度(392)朝向該翼形(340)之該根部(348)增加。
  6. 如請求項1之轉子葉片(328)，其中該偏移凸條(380)之一終端界定該冷卻迴路(372)之一根部轉折(376)之一非圓弧形邊界。
  7. 如請求項1之轉子葉片(328)，其中該偏移凸條(380)經定位鄰近於該翼形(340)之一前緣(352)。
  8. 如請求項1之轉子葉片(328)，其中該翼形(340)自在該平台(342)處之一根部(348)延伸至一尖端(350)，且其中在該偏移凸條(380)處之該冷卻迴路(372)之一寬度(394)朝向該翼形(340)之該根部(348)增加。
  9. 如請求項1之轉子葉片(328)，其中該翼形(340)自一前緣(352)延伸至一後緣(354)，且界定通過該前緣(352)及該後緣(354)之一弧形線(390)，其中該偏移凸條(380)經設置與該翼形(340)之該弧形線(390)成一角度，且其中該角度徑向向內變化。
  10. 如請求項1之轉子葉片(328)，其中該冷卻迴路(372)包含一迂迴冷卻迴路(372)。
  11. 一種渦輪機(10)，其界定一軸向方向、圍繞該軸向方向延伸之一圓周方向、及垂直於該軸向方向之一徑向方向，該渦輪機(10)包含： 一壓縮機； 一燃燒器，其在該壓縮機下游；及 一渦輪，其在該燃燒器下游，該渦輪包含安裝至一轉子盤(24)之一轉子葉片(328)，該轉子葉片(328)包含： 一平台(342)； 一翼形(340)，其沿著該徑向方向自該平台(342)向外延伸；及 一冷卻迴路(372)，其在該平台(342)及該翼形(340)內延伸，該冷卻迴路(372)包含由複數個凸條(374)所界定之複數個冷卻通道(356)，該複數個凸條(374)包含一偏移凸條(380)。
  12. 如請求項11之渦輪機(10)，其進一步包含在該偏移凸條(380)中之一穿孔(382)。
  13. 如請求項11之渦輪機(10)，其中該偏移凸條(380)之一部分沿著一軸向方向偏移。
  14. 如請求項11之渦輪機(10)，其中該偏移凸條(380)之一部分偏移朝向該翼形(340)之一後緣(354)。
  15. 如請求項11之渦輪機(10)，其中該翼形(340)自在該平台(342)處之一根部(348)延伸至一尖端(350)，且其中該偏移凸條(380)之一厚度(392)朝向該翼形(340)之該根部(348)增加。
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