專利名稱：用于渦輪葉片的翼面形狀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種燃氣渦輪級葉片的翼面，并且更特別是本發(fā)明涉及一種第一級渦輪葉片翼面輪廓。
背景技術：
對于燃氣渦輪的熱燃氣路徑段來說必須滿足許多系統(tǒng)需要，以便滿足包括改善總體效率以及翼面負載的設計要求。特別是，渦輪節(jié)的第一級的葉片必須滿足特定階段的熱和操作需要。與空氣冷卻葉片翼面相關的特殊問題是第一級葉片的后邊緣的根部冷卻孔處的系統(tǒng)破裂。破裂問題使得葉片壽命減小。

發(fā)明內容
按照本發(fā)明的優(yōu)選實施例，提供一種用于最好是第一級葉片的燃氣渦輪葉片的特定翼面形狀，從而提高燃氣渦輪的性能并解決破裂問題。確信破裂的原因是由于根部冷卻孔附近的機械和熱負載引起的低循環(huán)疲勞所造成的。減小后邊緣的根部冷卻孔處的熱和機械應力可以減小或消除破裂問題并造成部件壽命顯著延長。其翼面形狀還改善不同級渦輪之間的相互作用，并提供改善的空氣動力效率。同時將減小第一級翼面的熱和機械應力。
通過點的獨特位置來限定葉片翼面輪廓以便實現(xiàn)所需效率和負載需要，由此獲得改善的渦輪性能。點的獨特位置限定標定翼面輪廓并通過以下的表I的X、Y和Z的笛卡兒坐標來限定。表I所示的1320個點的座標值是相對于渦輪中心線的并用于葉片翼面沿著其長度的不同截面處的冷(室溫)葉片。正X、Y和Z方向分別是軸向朝著渦輪排出端、向后看時發(fā)動機轉動方向的切向以及徑向向外朝向葉片尖端。X和Y座標以距離尺寸(例如單位為英寸)給出，并在每個Z位置處平滑連接以便形成平滑連續(xù)的翼面截面。Z座標以從0～1的無量綱形式給出。通過將表I無量綱的Z值與翼面高度尺寸相乘，可以獲得葉片翼面的翼面形狀(即輪廓)。X、Y平面內的每個限定的翼面截面與Z方向上的相鄰輪廓截面平滑連接以便形成完整的翼面輪廓。得到的翼面特別具有減小的機械和熱應力，其減小或消除后邊緣的根部冷卻孔處的破裂問題。
將理解到當每個葉片翼面在使用時受到加熱時，輪廓將由于機械負載和溫度而變化。因此，通過X、Y和Z座標給出冷或室溫曲線以便于制造。由于制造的葉片翼面輪廓可不同于以下表格給出的標定翼面輪廓，在垂直于沿著標定輪廓的任何表面位置的方向上離開標定輪廓的正或負0.055英寸的距離限定該葉片翼面的輪廓范圍。該輪廓形狀可經(jīng)受這種變化而不降低葉片的機械和空氣動力性能。
同樣將理解到葉片可在幾何上放大或縮小以便引入類似的渦輪設計。因此，下面給出的標定翼面輪廓的X和Y座標(英寸)和無量綱的Z座標(當轉換成英寸時)可以是同一常數(shù)或數(shù)字的函數(shù)。即，X、Y和Z座標值(英寸)可乘以或除以同一常數(shù)或數(shù)字以便提供葉片翼面輪廓的放大或縮小形式，同時保持翼面截面的形狀。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，提供一種渦輪葉片，其包括具有翼面形狀的葉片翼面，翼面具有大致按照表I提出的X、Y和Z的笛卡兒坐標值的標定翼面輪廓，其中Z值是從0～1的無量綱值，該值可通過將Z值乘以翼面高度(英寸)而轉換成Z距離(英寸)，并且其中在由平滑連續(xù)圓弧連接時X和Y是沿著葉片在每個距離Z上限定翼面輪廓截面的距離(英寸)，Z距離上的輪廓截面相互平滑連接以便形成完整的翼面形狀。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例中，提供一種渦輪葉片，其包括葉片翼面，翼面具有大致按照表I提出的X、Y和Z的笛卡兒坐標值的未涂層標定翼面輪廓，其中Z值是從0～1的無量綱值，該值可通過將Z值乘以翼面高度(英寸)而轉換成Z距離(英寸)，并且其中在由平滑連續(xù)圓弧連接時X和Y是沿著葉片在每個距離Z上限定翼面輪廓截面的距離(英寸)，Z距離上的輪廓截面相互平滑連接以便形成完整的翼面形狀，X、Y和Z距離能夠作為同一常數(shù)或數(shù)字的函數(shù)，以便提供放大或縮小的翼面。
按照本發(fā)明的又一優(yōu)選實施例，提供一種渦輪，渦輪包括具有多個葉片的渦輪葉輪，每個葉片包括具有翼面形狀的翼面，翼面具有大致按照表I提出的X、Y和Z的笛卡兒坐標值的標定輪廓，其中Z值是從0～1的無量綱值，該值可通過將Z值乘以翼面高度(英寸)而轉換成Z距離(英寸)，并且其中在由平滑連續(xù)圓弧連接時X和Y是沿著葉片在每個距離Z上限定翼面輪廓截面的距離(英寸)，Z距離上的輪廓截面相互平滑連接以便形成完整的翼面形狀。
按照本發(fā)明的又一優(yōu)選實施例，提供一種渦輪，渦輪包括具有多個葉片的渦輪葉輪，每個葉片包括具有翼面，翼面具有大致按照表I提出的X、Y和Z的笛卡兒坐標值的未涂層標定翼面輪廓，其中Z值是從0～1的無量綱值，該值可通過將Z值乘以翼面高度(英寸)而轉換成Z距離(英寸)，并且其中在由平滑連續(xù)圓弧連接時X和Y是沿著葉片在每個距離Z上限定翼面輪廓截面的距離(英寸)，Z距離上的輪廓截面相互平滑連接以便形成完整的翼面形狀，X、Y和Z距離能夠作為同一常數(shù)或數(shù)字的函數(shù)，以便提供放大或縮小的翼面。


圖1是通過渦輪的多個級的熱燃氣路徑的示意圖并表示本發(fā)明優(yōu)選實施例的第一級葉片翼面；圖2是結合平臺及其大致或幾乎軸向的鳩尾件連接形式表示本發(fā)明優(yōu)選實施例的葉片的透視圖；圖3是大致周向看到的圖2葉片以及相關的平臺和鳩尾件連接形式的側立視圖；圖4是表示葉片翼面輪廓的葉片的頂部視圖；以及圖5是從上游方向看到的葉片和相關的平臺和鳩尾件連接形式的端視圖。
部件列表熱燃氣路徑10、燃氣渦輪12、噴嘴14、18、22、葉片16、20、24、轉子17、熱燃氣路徑26、轉子輪19、平臺30、柄部32、尖端33、鳩尾件34、葉片翼面36、輪廓截面38、根部31、轉子軸線39、排出位置40、后邊緣42。
具體實施例方式
現(xiàn)在參考附圖，特別是參考圖1，其中表示包括多個渦輪級的燃氣渦輪12的熱燃氣路徑10。表示出有三個級。例如，第一級包括多個周向間隔開的噴嘴14和葉片16。噴嘴在周向上相互間隔開并圍繞轉子的軸線固定。當然，第一級葉片16安裝在渦輪轉子17上。還表示渦輪12的第二級，其包括多個周向間隔開的噴嘴18和多個安裝在轉子17上的周向間隔開的葉片20。還表示出第三級，其包括多個周向間隔開的噴嘴22和安裝在轉子17上的葉片。將理解到噴嘴和葉片位于渦輪的熱燃氣路徑10上，熱燃氣流過熱燃氣路徑10的方向由箭頭26表示。
將理解到例如第一級的葉片16的葉片安裝在形成轉子17一部分的轉子葉輪19上。每個葉片16設置平臺30、柄部32和大致或幾乎軸向的鳩尾件34(例如大約偏離軸線15度)，以便與轉子葉輪19上的互補形狀的配合鳩尾件(未示出)連接。但是可以設置具有本發(fā)明翼面輪廓的軸向的鳩尾件。還將理解到每個葉片16具有圖2～5所示的葉片翼面36。因此，從平面30中心處的葉片根部31到葉片尖端33的任何截面處，每個葉片16具有翼面形狀的葉片翼面輪廓(圖4)。
為了限定每個第一級葉片翼面的翼面形狀，在空間上提供獨特的一組點的位置，該點滿足級的要求，并可以制造。這些獨特點的位置滿足級效率和減小熱和機械應力的需要。通過在空氣動力和機械負載之間進行重復以便使得渦輪以有效、安全和平穩(wěn)的方式運行來獲得這些點的位置。限定葉片翼面輪廓的點的獨特位置包括一組相對于渦輪轉動軸線的1320個點。下面表I給出的X、Y和Z值的笛卡兒座標系限定葉片翼面沿著其長度的不同位置上的輪廓。表I中的X和Y座標的座標值以英寸給出，當這些值適當轉換時也可以使用其他單位的尺寸。表I中的Z值以0～1的無量綱形式給出。表中給出的無量綱Z值乘以翼面高度(英寸)以便將Z值轉換成Z座標值(例如英寸)。笛卡兒坐標系具有垂直的X、Y和Z軸，并且X軸平行于渦輪轉子中心線(即轉動軸線)并且正X座標值是軸向朝著后部(即渦輪的排出端)。正Y座標值在轉子轉動方向(向后看)的切向上延伸，并且正Z座標值徑向向外朝著葉片尖端。
通過限定垂直于X、Y平面的Z方向上給定位置的X和Y座標值，可以確定沿著葉片長度的每個Z距離上的葉片翼面的輪廓截面(例如圖2所示的輪廓截面38)。通過以平滑連續(xù)圓弧連接X和Y值，確定每個距離Z上的每個輪廓截面38。距離Z之間的不同表面位置的翼面輪廓通過平滑地相互連接相鄰的輪廓截面38來確定以便形成翼面輪廓。這些值表示環(huán)境溫度下的非操作或非熱條件下的翼面輪廓，并且是未涂層翼面。
表I值產(chǎn)生并表示成具有三個小數(shù)位以便確定翼面輪廓。在翼面實際輪廓中還必須考慮到典型的制造誤差和涂層。因此，表I中給出的輪廓值用于標定翼面。因此將理解到包括任何涂層厚度的±典型制造誤差(即±值)加入下面表I給出的X和Y值中。因此，在垂直于沿著翼面輪廓的任何表面位置的方向上的±0.055的距離限定特定葉片結構和渦輪的翼面輪廓范圍，即在標定的冷或室溫下的實際翼面表面上的測量點和相同溫度下下面表格給出的那些點的理想位置之間變化的范圍。葉片翼面結構在該變化范圍內經(jīng)久耐用而不降低機械和空氣動力性能。葉片翼面結構還在后邊緣的根部冷卻孔處造成減小的機械和熱應力。低循環(huán)疲勞的減小增加了啟動-關閉次數(shù)，由此顯著增加部件壽命。
下面表I給出的座標值提供優(yōu)選的標定輪廓范圍。
表I




















在第一級渦輪葉片的優(yōu)選實施例中，有92個葉片翼面。在渦輪的優(yōu)選實施例中在平臺中心的葉片翼面根部31位于離開渦輪中心線(即轉子軸線39)28英寸的半徑R1上。這與Z等于0.000處表1的無量綱的Z值相對應。在優(yōu)選實施例中從平臺36中心的根部31到尖端33的翼面36的實際高度(即葉片實際Z高度)是4.3英寸。因此，在優(yōu)選實施例中葉片16的尖端33位于離開渦輪中心線32.3英寸的半徑R2上。盡管沒有形成本發(fā)明的一部分，每個第一級葉片翼面36包括多個內部空氣冷卻通道(未示出)，該通道將冷卻空氣排出到靠近后邊緣42的排出位置40的熱燃氣路徑內。
同樣將理解到以上表中披露的葉片可以在幾何尺寸上放大或縮小以便用于其他類似的渦輪結構中。因此，表I中提出的座標值可向上或向下縮放，使得翼面輪廓形狀保持不變。表I中座標的縮放類型將由表I的X、Y和Z座標值表示，其中無量綱的Z座標值通過乘以和除以恒定值轉換成英寸。
雖然本發(fā)明已經(jīng)結合當前認為是最實用和優(yōu)選的實施例進行描述，將理解到本發(fā)明不局限于所披露的實施例，相反，本發(fā)明旨在覆蓋包括在所附權利要求的精神和范圍內的變型和等同配置。
權利要求
1.一種渦輪葉片(16)，其包括具有翼面形狀的葉片翼面(36)，所述翼面具有大致按照表I提出的X、Y和Z的笛卡兒坐標值的標定輪廓，其中Z值是從0～1的無量綱值，該值可通過將Z值乘以單位為英寸的翼面高度而轉換成單位為英寸的Z距離，并且其中在由平滑連續(xù)圓弧連接時X和Y是沿著葉片在每個距離Z上限定翼面輪廓截面(38)的單位為英寸的距離，Z距離上的輪廓截面相互平滑連接以便形成完整的翼面形狀。
2.如權利要求1所述的渦輪葉片，其特征在于，其形成渦輪第一級的一部分。
3.如權利要求1所述的渦輪葉片，其特征在于，所述翼面形狀在垂直于任何翼面表面位置的方向上位于±0.055英寸的范圍內。
4.如權利要求1所述的渦輪葉片，其特征在于，其包括平臺(30)，從平臺中心的根部(31)到翼面尖端(33)的渦輪翼面的高度是4.3英寸。
5.一種渦輪葉片，其包括葉片翼面，該翼面具有大致按照表I提出的X、Y和Z的笛卡兒坐標值的未涂層標定輪廓，其中Z值是從0～1的無量綱值，該值可通過將Z值乘以單位為英寸的翼面高度而轉換成單位為英寸的Z距離，并且其中在由平滑連續(xù)圓弧連接時X和Y是沿著葉片在每個距離Z上限定翼面輪廓截面的單位為英寸的距離，Z距離上的輪廓截面相互平滑連接以便形成完整的翼面形狀，X、Y和Z距離可作為同一常數(shù)或數(shù)字的函數(shù)進行縮放以便提供放大或縮小的翼面。
6.一種渦輪，其包括具有多個葉片(16)的渦輪葉輪(19)，每個所述葉片包括具有翼面形狀的翼面(36)，所述翼面具有大致按照表I提出的X、Y和Z的笛卡兒坐標值的標定輪廓，其中Z值是從0～1的無量綱值，該值可通過將Z值乘以單位為英寸的翼面高度而轉換成單位為英寸的Z距離，并且其中在由平滑連續(xù)圓弧連接時X和Y是沿著葉片在每個距離Z上限定翼面輪廓截面的單位為英寸的距離，Z距離上的輪廓截面相互平滑連接以便形成完整的翼面形狀。
7.如權利要求6所述的渦輪，其特征在于，渦輪葉輪包括渦輪的第一級。
8.如權利要求6所述的渦輪，其特征在于，其包括用于所述葉片的平臺(30)，所述渦輪葉輪的軸向中心線和平臺中心處的每個翼面的根部(31)之間的徑向高度是28英寸，并與0.000處的無量綱Z值相對應。
9.如權利要求8所述的渦輪，其特征在于，從平臺中心的根部(31)到翼面尖端(33)的渦輪翼面的高度是4.3英寸。
10.一種渦輪，渦輪包括具有多個葉片(16)的渦輪葉輪，每個所述葉片包括翼面(36)，所述翼面具有大致按照表I提出的X、Y和Z的笛卡兒坐標值的未涂層的標定輪廓，其中Z值是從0～1的無量綱值，該值可通過將Z值乘以單位為英寸的翼面高度而轉換成單位為英寸的Z距離，并且其中在由平滑連續(xù)圓弧連接時X和Y是沿著葉片在每個距離Z上限定翼面輪廓截面(38)的單位為英寸的距離，Z距離上的輪廓截面相互平滑連接以便形成完整的翼面形狀，X、Y和Z距離可作為同一常數(shù)或數(shù)字的函數(shù)進行縮放以便提供放大或縮小的翼面。
全文摘要
第一級渦輪葉片(16)具有大致按照表I提出的X、Y和Z的笛卡兒坐標值的翼面輪廓(36)，其中Z值是從0～1的無量綱值，該值可通過將Z值乘以單位為英寸的翼面高度而轉換成單位為英寸的Z距離，并且其中在由平滑連續(xù)圓弧連接時X和Y是沿著葉片在每個距離Z上限定翼面輪廓截面(38)的單位為英寸的距離，Z距離上的輪廓截面相互平滑連接以便形成完整的翼面形狀。X、Y和Z距離可作為同一常數(shù)或數(shù)字的函數(shù)進行縮放以便提供放大或縮小的翼面截面。通過X、Y和Z給出的標定翼面在垂直于翼面表面的方向上位于±0.055寸的范圍內。
文檔編號F01D5/14GK1573021SQ20041004577
公開日2005年2月2日 申請日期2004年5月28日 優(yōu)先權日2003年5月29日
發(fā)明者X·J·張, A·A·丘拉托, R·K·布拉克, D·S·佩塞特斯基 申請人:通用電氣公司