專利名稱：透平葉片的翼面形狀的制作方法
背景技術：
本發(fā)明涉及燃氣透平一個級的葉片的翼面，尤其涉及第二級透平葉片翼面輪廓。
為了達到包括總體提高的效率和翼面負荷在內的設計目標，對于燃氣透平的熱燃氣通道部分的每一級來說，必須滿足許多系統(tǒng)要求。詳細地說，第二級透平葉片部件必須滿足該特定級的熱的和機械的運轉要求。
發(fā)明簡述根據本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，提供一種用于燃氣透平葉片的特殊翼面形狀，特別是第二級葉片的翼面形狀，該翼面形狀提高了燃氣透平的性能。此處的翼面形狀還提高了透平的各個級之間的交互作用，并在降低第二級翼面熱應力和機械應力的同時，提供提高的空氣動力學效率。
葉片翼面輪廓由多個點的一種特殊分布確定，以達到必要的效率和負載要求，借此提高透平性能。點的這種特殊分布形成了標稱翼面輪廓，并由下面表I中的X、Y和Z笛卡兒坐標確定。在表I中示出的笛卡兒坐標值的1100個點與透平中心線有關，且是在低溫(即室溫)下在沿著葉片翼面的長度方向的各橫截面處取得的。正的X、Y和Z的方向分別為軸向朝向透平排氣端的方向、發(fā)動機旋轉方向的切線方向和徑向向外朝向葉片頂端的方向。X和Y的坐標以長度單位給出，例如以英寸為單位，并在每個Z值處將其平滑地連接起來，從而形成一個平滑、連續(xù)的翼面橫截面。Z坐標以無量綱形式在5％到95％范圍內給出，從而將平臺和頂罩上的倒角區(qū)域排除在外。通過使翼面高度尺寸(例如以英寸為單位)乘以表I中的無量綱Z值，就可以獲得葉片翼面的翼面形狀，即輪廓。將在每個X和Y平面中形成的翼面截面與Z方向上相鄰的翼面截面連結起來，則形成整個翼面形狀。
應該理解，當每個葉片翼面在應用中升溫時，由于機械負載和溫度的原因輪廓會發(fā)生變形。因此，由X、Y和Z坐標給出的低溫或室溫輪廓是用于制造的目的。由于制造的葉片翼面輪廓可能與下面表中給出的標稱翼面輪廓不同，所以在垂直于沿著標稱輪廓任何表面位置的方向上，將標稱輪廓加上或減去0.160英寸的長度，則確定用于這種葉片翼面的輪廓包絡，其中加上或減去0.160英寸的長度包括任何涂層工藝。該翼面的形狀對于這個變化足以承受，不會損害葉片的機械性能和空氣動力學性能。
還應該理解，該翼面可以按幾何比例擴大或縮小，從而用于引入相似的透平設計中。因此，下面給出的標稱翼面輪廓的以英寸為單位的X和Y坐標可以是相同常數或數值的一個函數。也就是說，以英寸為單位的X和Y坐標值可以乘以或除以相同的常數或數值，以在保持翼面截面形狀不變的同時，提供該葉片翼面輪廓按比例擴大或縮小的輪廓。
根據本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式，提供一種透平葉片，該葉片包括具有一種翼面形狀的葉片翼面，該翼面具有與表I中列出的X、Y和Z笛卡兒坐標值基本上一致的標稱輪廓，其中Z值是從0.05到0.95的無量綱值，通過使Z值乘以以英寸為單位的翼面高度，Z值可以換算成以英寸為單位的Z長度，其中X和Y是以英寸為單位的長度，當由平滑連續(xù)的弧將X和Y值連結時，在每個長度Z處形成翼面輪廓截面，將在各Z長度處的輪廓截面彼此平滑地連結，則形成整個翼面形狀。
在根據本發(fā)明的另一種優(yōu)選實施方式中，提供一種透平葉片，該葉片包括一種葉片翼面，該翼面具有與表I中列出的X、Y和Z笛卡兒坐標值基本上一致的未涂層標稱輪廓，其中Z值是從0.05到0.95的無量綱值，通過使Z值乘以以英寸為單位的翼面高度，Z值可以換算成以英寸為單位的Z長度，其中X和Y是以英寸為單位的長度，當由平滑連續(xù)的弧將X和Y值連結時，在每個長度Z處形成翼面輪廓截面，將在各Z長度處的輪廓截面彼此平滑地連結，則形成整個翼面形狀，X和Y長度作為相同常數或數值的函數可以按比例變化，從而提供按比例擴大或縮小的翼面。
在根據本發(fā)明的另一種優(yōu)選實施方式中，提供一種透平，該透平包括具有多個葉片的透平葉輪，每個葉片包括具有一種翼面形狀的翼面，該翼面具有與表I中列出的X、Y和Z笛卡兒坐標值基本上一致的標稱輪廓，其中Z值是從0.05到0.95的無量綱值，通過使Z值乘以以英寸為單位的翼面高度，Z值可以換算成以英寸為單位的Z長度，其中X和Y是以英寸為單位的長度，當由平滑連續(xù)的弧將X和Y值連結時，在每個長度Z處形成翼面輪廓截面，將在各Z長度處的輪廓截面彼此平滑地連結，則形成整個翼面形狀。
在根據本發(fā)明的另一種優(yōu)選實施方式中，提供一種透平，該透平包括具有多個葉片的透平葉輪，每個葉片包括一種葉片翼面，該翼面具有與表I中列出的X、Y和Z笛卡兒坐標值基本上一致的未涂層標稱輪廓，其中Z值是從0.05到0.95的無量綱值，通過使Z值乘以以英寸為單位的翼面高度，Z值可以換算成以英寸為單位的Z長度，其中X和Y是以英寸為單位的長度，當由平滑連續(xù)的弧將X和Y值連結時，在每個長度Z處形成翼面輪廓截面，將在各Z長度處的輪廓截面彼此平滑地連結，則形成整個翼面形狀，X和Y長度作為相同常數或數值的函數可以按比例變化，從而提供按比例擴大或縮小的葉片翼面。
附圖簡述

圖1是穿過一種燃氣透平的多個級的熱氣通道示意圖，示出了根據本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式的第二級葉片翼面；圖2是根據本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式的葉片透視圖，其中葉片翼面與它的平臺和軸向入口楔形榫連接件一起示出；圖3和圖4分別是從負壓側和壓力側在基本上圓周方向上看圖2中葉片和與之相連的平臺和楔形榫連接件的側視圖；和圖5是基本上從翼面的負壓側看葉片的透視圖。
發(fā)明詳述參照附圖，尤其是圖1，示出了包括多個透平級的燃氣透平12的熱氣通道，該通道總體上用10表示。圖中示出了三個級。例如，第一級包括多個周向間隔開的噴嘴14和葉片16。噴嘴彼此沿周向間隔開并圍繞轉子軸線固定。當然，第一級葉片16通過一個葉輪19安裝到透平轉子17上。圖中也示出了燃氣透平12的第二級，包括多個周向間隔開的噴嘴18和多個安裝到轉子17上并周向間隔開的葉片20。圖中也示出了第三級，包括多個周向間隔開的噴嘴22和通過葉輪23安裝到轉子17上的葉片24。應該理解，噴嘴和葉片位于透平的熱氣通道10中，穿過熱氣通道10的熱氣流的方向由箭頭26指示。
應該理解，葉片，例如第二級的葉片20安裝到葉輪21上形成轉子17的一部分。每個葉片20配有一個平臺30、一個葉根32和一個基本上軸向的入口楔形榫34，該楔形榫34用于和葉輪21上的形狀互補搭配的楔形榫(未示出)相連接。還應該理解，每個葉片20都有一個如圖2-5所示的葉片翼面36。因此，在從平臺30中點處的翼面根部31到葉片頂部33間的任一橫截面處，每個葉片20都有一個翼面輪廓截面38，該截面形狀如圖3中的翼面所示。
為了確定第二級葉片翼面36的翼面形狀，空間中有一組獨特的點的分布能夠滿足該級需求并且能夠制造。這些點的這種獨特分布滿足了級效率、相對減少熱應力和機械應力的需求。通過在能夠使透平以高效、安全和平穩(wěn)的方式運轉的空氣動力學負載和機械負載之間應用迭代法，可以獲得這組點。確定葉片翼面輪廓的點的這種分布包括與透平轉動軸線相關的1100個點。在下面表I中給出的X、Y和Z值的笛卡兒坐標系確定了葉片翼面沿著其長度方向在不同位置處的輪廓。雖然當數值作適當變換時也可以應用其它的長度單位，但是在表I中以英寸為單位列出X和Y坐標的坐標值。在表I中從5％～95％范圍內的Z值以無量綱形式列出。這些數值將平臺和頂罩的倒角區(qū)域排除在外。要將Z值轉換成Z的坐標值，例如以英寸為單位，那么需要將表中給出的無量綱Z值乘以以英寸為單位的葉片高度。笛卡兒坐標系具有正交關系的X、Y和Z坐標軸，并且X軸與透平轉子中心線平行，即旋轉軸線和正的X坐標值是軸向朝向尾部，也就是透平的排氣端。正的Y坐標值在轉子的旋轉方向上切向向后延伸，正的Z坐標值徑向向外朝向葉片頂部。
在垂直于X和Y平面的Z方向上，通過確定給定位置處的X和Y的坐標值，沿著翼面的長度方向在每個Z值處就可以確定葉片翼面的輪廓截面，例如，如圖3所示的輪廓截面38。通過用光滑連續(xù)的弧將X和Y值連結，就可以固定每個長度Z處的每個輪廓截面38。通過光滑地連結彼此相鄰的輪廓截面38以形成翼面輪廓，就可以確定介于長度Z之間的各表面位置的翼面輪廓。這些值描繪出在周圍的非運行或非熱條件下的翼面輪廓，并且用于未涂層的翼面。
表I的數值被產生并示出至小數點后四位，用于確定翼面輪廓。但是小數點后第四位并不重要且可以上下浮動。在實際的翼面輪廓中，必須考慮典型的制造公差以及涂層。因此，表I中給出的用于輪廓的值是用于標稱的翼面。因此應當理解，±典型制造公差，即±包括任何涂層厚度在內的值被添加到下面表I給出的X和Y值中。因此，沿著翼面輪廓在垂直于任意一個表面位置的方向上，±0.160英寸的長度確定了一個用于這種特殊的葉片翼面設計和透平的翼面輪廓包絡，即確定了在標稱低溫或室溫下在實際的翼面表面所測量的點和下面表中給出的相同溫度下那些點的理想位置之間的波動范圍。該葉片翼面的設計對于這個波動范圍是足以承受的，不會損害它的機械性能和空氣動力學性能。
下面表I中給出的坐標值提供了優(yōu)選的標稱輪廓包絡。
表I
在第二級透平葉片的這個優(yōu)選實施方式中，有92個葉片翼面是用空氣冷卻的。在第二級透平葉片的該優(yōu)選實施方式中，在0％～100％的跨度內，葉片徑向高度為14.290英寸。在從發(fā)動機中心線的0％跨度處翼面徑向高度是46.828英寸，而在100％跨度處翼面徑向高度是61.118英寸。表I中的翼面截面從Z＝5％跨度處開始，并在Z＝95％跨度處截止，這樣就除去了倒角區(qū)域。雖然每個第二級葉片翼面36沒有形成本發(fā)明的部分，但是每個第二級葉片翼面36包括多個內部空氣冷卻通道(未示出)，這些內部空氣冷卻通道將冷卻空氣排入與頂罩42相鄰的熱氣通道中。
還應該理解，在上面表中公開的翼面可以按幾何比例擴大或縮小，從而應用到其它相似的透平設計中。因此，在表I中列出的坐標值可以按比例增加或減小，這樣翼面輪廓形狀保持不變。通過將表中的X和Y坐標值乘以或除以一個常數，就可以提供一個按比例變化的輪廓。
要在Z方向上按比例變化葉片翼面，也可以將該常數應用到表I中給出的5％～95％徑向跨度范圍內。
雖然在與目前認為是最實用的和最優(yōu)選的實施方式相關的描述中說明了本發(fā)明，但是應該理解，本發(fā)明并不局限于所公開的實施方式，相反的，本發(fā)明旨在涵蓋包括在所附權利要求書的精神和范圍內的各種改進和等效設置。
用于一種透平葉片的翼面形狀零件列表熱氣通道 10燃氣透平 12噴嘴 14，18，22葉片 16，20，24透平轉子 17葉輪 19，21，23箭頭 26平臺 30翼面根部 31葉根 32葉片頂部 33楔形榫 34葉片翼面 36輪廓截面 38
權利要求
1.一種透平葉片(20)，包括具有一種翼面形狀的葉片翼面(36)，該翼面具有與表I中列出的X、Y和Z笛卡兒坐標值基本上一致的標稱輪廓，其中Z值是從0.05到0.95的無量綱值，通過使Z值乘以以英寸為單位的翼面高度，Z值可以換算成以英寸為單位的Z長度，其中X和Y是以英寸為單位的長度，當由平滑連續(xù)的弧將X和Y值連結時，在每個長度Z處即定翼面輪廓截面(38)，將在各Z長度處的輪廓截面彼此平滑地連結，則形成完整的翼面形狀。
2.如權利要求1所述的透平葉片，其特征在于形成透平第二級的一部分。
3.如權利要求1所述的透平葉片，其特征在于，該翼面形狀是一個沿垂直于任意翼面表面位置的方向±0.406cm(±0.160英寸)內的包絡面。
4.如權利要求1所述的透平葉片，其特征在于從Z＝0.0％到Z＝100％跨度的透平翼面高度為36.297cm(14.290英寸)。
5.一種透平葉片(20)，包括一個葉片翼面(36)，該翼面具有與表I中列出的X、Y和Z笛卡兒坐標值基本上一致的未涂層的標稱翼面輪廓，其中Z值是從0.05到0.95的無量綱值，通過使Z值乘以以英寸為單位的翼面高度，Z值可以換算成以英寸為單位的Z長度，其中X和Y是以英寸為單位的長度，當由平滑連續(xù)的弧將X和Y值連結時，在每個Z長度處限定翼面輪廓截面(38)，將在各Z長度處的輪廓截面彼此平滑地連結，則形成完整的翼面形狀，X和Y值作為相同常數或數值的函數可以按比例變化，從而提供按比例放大或縮小的翼面。
6.如權利要求5所述的透平葉片，其特征在于形成透平第二級的一部分。
7.如權利要求5所述的透平葉片，其特征在于，該翼面形狀是一個沿垂直于任意翼面表面位置的方向±0.406cm(±0.160英寸)內的包絡面。
8.如權利要求5所述的透平葉片，其特征在于從Z＝0.0％到Z＝100％跨度內的葉片翼面高度為36.297cm(14.290英寸)。
全文摘要
第二級透平葉片(20)具有與表I中列出的X、Y和Z笛卡兒坐標值基本上一致的翼面輪廓(36)，其中X和Y值以英寸為單位，Z值是從0.05到0.95的無量綱值，通將Z值乘以以英寸為單位的翼面高度可以將Z值換算成以英寸為單位的Z長度。X和Y值是長度，當將其用平滑連續(xù)的弧連結時，在每個長度Z處形成翼面輪廓截面(38)。將在每個長度Z處的輪廓截面彼此平滑地連結，則形成整個翼面形狀。X和Y長度可以作為相同常數或數值的函數按比例變化，從而提供用于葉片的按比例擴大或縮小的翼面截面。由X、Y和Z長度給出的標稱翼面處于一個在垂直于翼面表面的方向上±0.160英寸的包絡中。
文檔編號F01D5/06GK1661199SQ20041008997
公開日2005年8月31日 申請日期2004年10月9日 優(yōu)先權日2003年10月9日
發(fā)明者T·B·貝達, D·S·佩塞特斯基 申請人:通用電氣公司