專利名稱：：渦輪機輪葉葉冠的邊緣輪廓的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及渦輪機輪葉，其具有翼型件(airfoil)以及由翼型件承載的葉冠(tipshroud)。更具體而言，本發(fā)明涉及由渦輪葉片的翼型件所承載的葉冠的前緣輪廓、后緣輪廓以及Z形邊緣輪廓。
背景技術(shù)：
：用于渦輪的輪葉典型地包括翼型件、平臺、柄部以及榫接部。#^妄部緊固在渦輪葉輪中的互補的槽內(nèi)。翼型件時常包括一體形成的葉冠。當(dāng)然，包括翼型件和葉冠的輪葉在運行時可繞著發(fā)動機中心線旋轉(zhuǎn)，并且翼型件和葉冠位于熱氣通道中。因為葉冠安裝在翼型件的末梢，所以在葉冠和翼型件末梢之間的葉冠圓角區(qū)存在相當(dāng)大的應(yīng)力。具體而言，由于相對于翼型件的葉冠質(zhì)量不均衡，因此在翼型件與葉冠相交處的翼型件壓力側(cè)和吸入側(cè)之間出現(xiàn)了圓角應(yīng)力的顯著差異。這種質(zhì)量不均衡負面地影響了輪葉的蠕變壽命。也就是說，在前輪葉中的葉冠質(zhì)量分布造成了葉冠圓角被高度加荷的并縮短了蠕變壽命。此外，某些在前的葉冠未蓋住翼型件喉部，結(jié)果由于在葉冠上的流動泄漏而對級效率具有負面影響。
發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的示例實施例，提供了一種包括具有葉冠的輪葉翼型件的渦輪機輪葉，該葉冠具有前緣輪廓和后緣輪廓，用來優(yōu)化葉冠的質(zhì)量分布以平衡葉冠的圓角應(yīng)力，從而使得蠕變壽命達到最大值并且還保證了翼型件喉部的覆蓋來改善級效率。具體而言，葉冠的前緣，即在渦輪的熱氣通道中通常軸向地面向上游的邊緣，具有預(yù)定的輪廓，該輪廓包括大體上根據(jù)在點1-6和7-21處在笛卡爾坐標(biāo)系中的X坐標(biāo)值和Y坐標(biāo)值的第一扇形凹口(scalloped)部分和第二扇形凹口部分，這些X坐標(biāo)值和Y坐標(biāo)值分別在表I中列出，其中，X和Y為以英寸為單位的距原點的距離，且當(dāng)點1-6和點7-21分別由平滑連續(xù)的弧連接時，這些點限定了前緣葉冠輪廓的第一扇形凹口部分和第二扇形凹口部分。本發(fā)明還可以在包括具有葉冠的輪葉翼型件的渦輪機輪葉中實施，所述葉冠具有前緣和后緣，所述后緣具有預(yù)定的輪廓，該輪廓包括大體上根據(jù)在點22-41處在笛卡爾坐標(biāo)系中的X坐標(biāo)值和Y坐標(biāo)值，這些X坐標(biāo)值和Y坐標(biāo)值在表I中列出，其中，X和Y為以英寸為單位的距原點的距離，且當(dāng)點22-41由平滑連續(xù)的弧連接時，這些點限定了后緣葉冠輪廓的扇形凹口部分。在本發(fā)明的又一個示例實施例中，提供了一種包括具有葉冠的輪葉翼型件的渦輪機輪葉，所述葉冠具有前緣和后緣以及第一Z形邊緣輪廓和第二Z形邊緣輪廓，所述第一Z形邊緣輪廓和第二Z形邊緣輪廓具有預(yù)定的輪廓，該輪廓大體上才艮據(jù)在點42-59和60-77處在笛卡爾坐標(biāo)系中的X坐標(biāo)值和Y坐標(biāo)值，這些X坐標(biāo)^i和Y坐標(biāo)值分別在表II中列出，其中，X和Y為以英寸為單位的距原點的距離，且當(dāng)點42-59和點60-77分別由平滑連續(xù)的弧或線連《^妄時，這些點限定了第一Z形邊緣輪廓和第二Z形邊緣輪廓。通過結(jié)合附圖仔細地研究本發(fā)明當(dāng)前優(yōu)選的示例實施例的下列更詳細的說明，將會更完整地理解和懂得本發(fā)明的這些及其它的目的和優(yōu)點，附圖中圖1為根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的渦輪部分的示意圖，該渦輪部分具有帶有預(yù)定的前緣輪廓和后緣輪廓的第三級渦輪機輪葉葉冠；圖2為徑向向內(nèi)地觀察時的實施本發(fā)明的葉冠的it大端禍L圖，且示出了用來確定用于表I和表II中所列點的坐標(biāo)的坐標(biāo)系；圖3為徑向向內(nèi)觀察時的實施本發(fā)明的葉冠的方文大端^L圖，且示出了表I中所列出的點的位置；圖4為徑向向內(nèi)觀察時的實施本發(fā)明的葉冠的放大端視圖，且示出了表II中所列出的點的位置；和圖5為類似于圖2的視圖，其中，略去了坐標(biāo)系且在本發(fā)明的示例實施例中示出了葉冠各部分之間的量綱關(guān)系(dimensionalrelationship)。零件清單熱氣通道10燃氣渦輪機12噴嘴14輪葉16渦輪轉(zhuǎn)子葉輪17噴嘴18輪葉20噴嘴22輪葉24熱氣流的方向26平臺30柄部32翼型件34葉冠36葉冠端部38,40密封導(dǎo)軌42,44葉冠46葉冠前緣48和葉冠后緣50扇形凹口部分52，54，56切齒62,60頭見定距離yl和y2石更面區(qū)6具體實施例方式現(xiàn)在參看附圖，具體地參看圖1,示出了包括多個渦輪級的燃氣渦輪機12的熱氣通道，其一般地標(biāo)示為10。示出了三個級。例如，第一級包括多個周向地隔開的噴嘴14和輪葉16。這些噴嘴彼此周向地隔開并圍繞轉(zhuǎn)子的軸線固定。當(dāng)然，第一級4侖葉16安裝在渦輪轉(zhuǎn)子葉輪17上。還示出了渦輪機12的第二級，包括多個周向地隔開的噴嘴18和安裝在轉(zhuǎn)子上的多個周向地隔開的輪葉20。還示出了應(yīng)懂得的是，噴嘴和輪葉位于渦輪機12的熱氣通道10中，由箭頭26指示了經(jīng)過熱氣通道10的熱氣流向。第三級的各輪葉24均設(shè)有平臺30、柄部32以及用于與互補形狀的匹配榫接部相連接的榫接部(未示出)，該匹配榫接部(也未示出)位于形成轉(zhuǎn)子一部分的轉(zhuǎn)子葉輪上。第三級輪葉24中的各輪葉還包括翼型件34(圖2),該翼型件34在沿著翼型件從平臺至翼型件末梢的任何截面處具有翼型件輪廓，如圖2至圖5中的虛線所示。提供了用于F類渦輪3級輪葉的實施了本發(fā)明的葉冠。參看圖2至圖5,各第三級輪葉均設(shè)有一般地標(biāo)示為36的葉冠。葉冠36優(yōu)選與輪葉一體地形成，且各葉冠在周向?qū)χ玫亩瞬?8,40處接合相鄰輪葉的相鄰的葉冠，以在第二級輪葉的軸向位置處形成限定熱氣通道的大致環(huán)形的環(huán)或葉冠。如圖2至圖5所示，各第三級輪葉24的葉冠36包括沿著其徑向外表面的第一密封導(dǎo)軌和第二密封導(dǎo)軌(即前密封導(dǎo)軌和后密封導(dǎo)軌)42,44,這些密封導(dǎo)軌42,44在葉冠附近形成連續(xù)的密封環(huán)，以便與固定到渦輪外殼上的葉冠46(圖l)相密封。如圖2所示，應(yīng)懂得的是，葉冠36包括分別成形的前緣48和后緣50。成形的前緣包括第一和第二扇形凹口部分52，54，而后緣包括單個的扇形凹口部分56。前緣和后纟彖位于熱氣通道中的葉冠36的相反的軸向表面?zhèn)壬稀榱朔謩e地限定前緣扇形凹口52,54和后緣扇形凹口56,具體地在如圖2所示意性描繪的X軸和Y軸的笛卡爾坐標(biāo)系中，提供了一組在空間中獨特的點或點的軌跡。對于相應(yīng)的扇形凹口面52，54，56,在以下表I中給出了如圖3所標(biāo)記的代表點的X值和Y值，且這些X值和Y值限定了前緣和后緣在沿其各個位置處的豸侖廓。用于X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)的值在表I中以英寸為單位列出，盡管當(dāng)這些值經(jīng)過適當(dāng)?shù)剞D(zhuǎn)換可以采用其它的尺寸單位。通過相對于X軸和Y軸的原點限定在選定位置處的X坐標(biāo)值和Y坐標(biāo)值，可以確定編號為1至41的點的位置。通過用平滑的連續(xù)的弧沿著如此限定的各扇形凹口面來連接X值和Y值，可以確定各邊緣輪廓。應(yīng)懂得的是，這些值表示在外界條件、非運行條件或不熱條件，即冷條件時的前扇形凹口邊緣輪廓和后扇形凹口邊緣輪廓。表I<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>的第一和第二(根據(jù)所示構(gòu)造為上部和下部)周向相反的端部，具體地在如圖2所示意性描繪的X軸和Y軸的笛卡爾坐標(biāo)系中，提供了一組在空間中獨特的點或點的軌跡。對于相應(yīng)的z形，在以下表n中給出了如圖4所標(biāo)記的代表點的X值和Y值，并且這些X值和Y值限定了葉冠的周向相反的端部在沿其各個位置處的輪廓。用于X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)的值在表II中以英寸為單位列出，盡管當(dāng)這些值經(jīng)過適當(dāng)?shù)剞D(zhuǎn)換可以采用其它的尺寸單位。通過相對于X軸和Y軸的原點限定在選定位置處的X坐標(biāo)值和Y坐標(biāo)值，可以確定編號為42至77的點的位置。通過用平滑的連續(xù)的線或弧沿著如此限定的各Z形來連接X值和Y值，可以確定各周向的端部邊緣輪廓。應(yīng)懂得的是，這些值表示在外界條件、非運行或不熱條件即冷條件時的周向的端部Z形輪廓。<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>應(yīng)懂得的是，存在典型的制造公差以及涂層，這些必須在葉冠邊緣面的實際輪廓中予以說明。因此，在表i和表n中所給出的用于葉冠輪廓的值是用于公稱(nominal)葉冠的。所以將要懂得的是，包括任何涂層厚度的+/-典型制造公差即+/-值對以上表I和表II所給出的X值、Y值是附加的。因此，在與沿著前緣、后緣和Z形的任何表面位置相垂直的方向上的+/-0.080英寸的距離，對于此具體的葉冠設(shè)計限定了沿著相應(yīng)前緣、后緣和Z形的葉冠的邊緣輪廓包絡(luò)(envelope),即，在額定的j氐溫或室溫時在實際邊緣輪廓上的所測點之邊緣輪廓的理想位置。該葉冠設(shè)計對于此變化范圍是穩(wěn)健的，不會削弱機械和氣動的功能，并且由大致根據(jù)表I和表II中所列出的點1-77的笛卡爾坐標(biāo)值的輪廓所包含。CV7241熱氣通道需要第三級葉冠來滿足氣動效率要求。文中所限定的葉冠設(shè)計對于該系統(tǒng)是特有和特定的，但可相對于其它的機架尺寸縮放。因此，還要懂得的是，在以上表I和表II中所公開的葉冠可以幾何地放大或縮小，以便用在其它相似的渦輪機設(shè)計中。因此，在表I和表II中所列出的坐標(biāo)值可以放大或縮小，以便葉冠的前緣扇形凹口輪廓和葉冠的后緣扇形凹口輪廓以及上部Z形輪廓和下部Z形輪廓保持不變。表I和表II的坐標(biāo)的縮放型式將由通過乘以或除以相同的數(shù)的表I和表II的X坐標(biāo)值和Y坐標(biāo)值來表示。根據(jù)本發(fā)明另外的特征，葉冠形狀的特征還在于密封導(dǎo)軌的安放，以便優(yōu)化氣動益處和機械要求。更具體地，參看圖5，在示例實施例中，雙導(dǎo)軌44，42分別位于距翼型件34(圖5中虛線示出)的后緣分別規(guī)定的距離a和距離b處。在所示的示例實施例中，從翼型件34的后緣到后密封導(dǎo)軌44的距離a為0.81+/-0.13英寸，而到前密封導(dǎo)軌42的距離b為1.81+/-0.13英寸。所示的密封導(dǎo)軌還包括分別地位于距翼型件34的后緣為規(guī)定距離yl和y2處的切齒(cuttertooth)62,60。在所示的示例實施例中，到后密封導(dǎo)軌44的切齒62的中點的距離yl為1.44+/-0.13英寸，而從后緣到前密封導(dǎo)軌42的切齒60的中點的距離y2為2.43+/-0.13英寸。還如所示的那樣，所示示例實施例的再一個特性特征在于后密封導(dǎo)軌44和硬面區(qū)64因機械益處而定位在一起(co-located)。在示例實施例中，以及如圖5中所示，硬面64相對于后密封導(dǎo)軌44的縱軸線成大約30至35度的角度。如圖1至圖5所示，所示葉冠的又一個特性特征在于,為了氣動益處，在葉冠36的前緣48上具有位于翼型件的壓力側(cè)和吸入側(cè)上的不均勻的葉冠覆蓋，而在葉冠36的后緣50上具有單側(cè)的覆蓋。在上文所限定的獨特的葉冠形狀和導(dǎo)軌的安放用于優(yōu)化氣動益處和機械要求。提供了本發(fā)明獨特的葉冠設(shè)計，以滿足CV7241的氣動效率要求，但同時滿足葉片的機械限制。所公開的設(shè)計通過在氣動設(shè)計和機械設(shè)計之間的迭代(iteration)而達成，并允許CV7241以安全和平穩(wěn)的方式運轉(zhuǎn)。盡管本發(fā)明已結(jié)合當(dāng)前認為是最實用和優(yōu)選的實施例進行了描述，但應(yīng)理解的是本發(fā)明不限于所公開的實施例，而是相反地意欲涵蓋包括在所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的各種修改和等同裝置。權(quán)利要求1.一種包括具有葉冠(36)的輪葉翼型件(34)的渦輪機輪葉(24)，所述葉冠具有前緣(48)和后緣(50)，所述前緣(48)具有預(yù)定輪廓，所述預(yù)定輪廓包括大體上根據(jù)在點1-6和點7-21處在笛卡爾坐標(biāo)系中的X坐標(biāo)值和Y坐標(biāo)值的第一扇形凹口部分(52)和第二扇形凹口部分(54)，所述X坐標(biāo)值和Y坐標(biāo)值在表I中分別列出，其中，X和Y為距原點以英寸為單位的距離，當(dāng)點1-6和點7-21分別由平滑連續(xù)的弧連接時，所述點限定了所述前緣葉冠輪廓的第一扇形凹口部分和第二扇形凹口部分。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機輪葉，其特征在于，所述前緣輪廓位于在與沿著所述前緣輪廓的任何位置相垂直的方向上的+/-0.080英寸的范圍內(nèi)的包絡(luò)中。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機輪葉，其特征在于，在表I中列出的所述X值和所述Y值可以作為相同的數(shù)的函數(shù)而縮》文，以提供放大或縮小的前緣輪廓。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機輪葉，其特征在于，所述后緣(50)具有預(yù)定輪廓，所述預(yù)定輪廓包括大體上根據(jù)在點22-41處在笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)中的X坐標(biāo)值和Y坐標(biāo)值的扇形凹口部分，所述X坐標(biāo)值和所述Y坐標(biāo)值在表I中列出，其中，X和Y為距原點以英寸為單位的距離，當(dāng)點22-41由平滑連續(xù)的弧連接時，所述點限定了所述后緣葉冠輪廓的扇形凹口部分。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機輪葉，其特征在于，所述葉冠還包括第一Z形邊緣輪廓和第二Z形邊緣輪廓(38,40)，所述第一Z形邊緣輪廓和所述第二Z形邊緣輪廓具有大體上根據(jù)在點42-59和點60-77處在笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)中的X坐標(biāo)值和Y坐標(biāo)值的預(yù)定輪廓，所述X坐標(biāo)值和所述Y坐標(biāo)值在表II中分別列出，其中，X和Y為距原點以英寸為單位的距離，當(dāng)點42-59和點60-77分別由平滑連續(xù)的弧或線連接時，所述點限定了所述第一z形邊緣輪廓和所述第二z形邊緣輪廓。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機輪葉，其特征在于，所述葉冠還包括在所述葉冠的周向邊緣之間延伸的第一密封導(dǎo)軌和第二密封導(dǎo)軌，即前密封導(dǎo)軌和后密封導(dǎo)軌，其中，從所述翼型件的所述后緣到所述后密封導(dǎo)軌的距離為大約0.81英寸而到所述前密封導(dǎo)軌的距離(b)為大約1.81英寸。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機輪葉，其特征在于，所述葉冠還包括在所述葉冠的周向邊緣之間延伸的第一密封導(dǎo)軌和第二密封導(dǎo)軌，即前密封導(dǎo)軌和后密封導(dǎo)軌，其中，所述密封導(dǎo)軌還包括切齒，其中，從所述翼型件的后緣到所述后密封導(dǎo)軌的所述切齒的中點的距離為大約1.44英寸，并且其中，從所述后緣到所述前密封導(dǎo)軌的所述切齒的中點的距離為大約2.43英寸。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機輪葉，其特征在于，所述葉冠還包括第一Z形邊緣輪廓和第二Z形邊緣輪廓，其中，所述葉冠還包括在所述Z形邊緣之間延伸的第一密封導(dǎo)軌和第二密封導(dǎo)軌，即前密封導(dǎo)軌和后密封導(dǎo)軌，其中，所述后密封導(dǎo)軌與所述Z形邊緣的硬面區(qū)定位在一起。9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的渦輪機輪葉，其特征在于，所述葉冠還包括第一Z形邊緣輪廓和第二Z形邊緣輪廓(38,40)，所述第一Z形邊緣輪廓和所述第二Z形邊緣輪廓具有大體上根據(jù)在點42-59和點60-77處在笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)中的X坐標(biāo)值和Y坐標(biāo)值的預(yù)定輪廓，所述X坐標(biāo)值和所述Y坐標(biāo)值在表II中分別列出，其中，X和Y為距原點以英寸為單位的距離，當(dāng)點42-59和點60-77分別由平滑連續(xù)的弧或線連接時，所述點限定了所述第一Z形邊緣輪廓和所述第二Z形邊緣輪廓。10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的渦輪機輪葉，其特征在于，所述葉冠還包括在所述葉冠的周向邊緣之間延伸的第一密封導(dǎo)軌和第二密封導(dǎo)軌，即前密封導(dǎo)軌和后密封導(dǎo)軌，其中，從所述翼型件的所述后緣到所述后密封導(dǎo)軌的距離為大約0.81英寸，而到所述前密封導(dǎo)軌的距離(b)為大約1.81英寸。全文摘要本發(fā)明涉及渦輪機輪葉葉冠的邊緣輪廓。渦輪機輪葉(24)包括具有葉冠(36)的輪葉翼型件(34)，該葉冠(36)帶有包括兩個扇形凹口面(52，54)的前緣(48)和包括第三扇形凹口面(56)的后緣(50)，限定了大體上根據(jù)如表I中所列出的點1-41的X和Y的笛卡爾坐標(biāo)值的前緣輪廓和后緣輪廓。X值和Y值是以英寸為單位的距離，當(dāng)由平滑連續(xù)的弧連接時，它們限定了前緣葉冠扇形凹口輪廓和后緣葉冠扇形凹口輪廓。該葉冠還具有第一Z形邊緣輪廓和第二Z形邊緣輪廓(38，40)即上Z形邊緣輪廓和下Z形邊緣輪廓，其大體上根據(jù)如表II中分別列出的點42-59和點60-77的X和Y的笛卡爾坐標(biāo)值。文檔編號F01D5/14GK101372895SQ20081021368公開日2009年2月25日申請日期2008年8月22日優(yōu)先權(quán)日2007年8月22日發(fā)明者B·R·賴卡,J·C·佩里二世,S·B·B·陳,S·巴魯亞,T·丘拉托申請人:通用電氣公司