專利名稱：第二級(jí)透平葉片翼面的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于燃?xì)馔钙郊?jí)的透平葉片，更具體的是，涉及一種第二級(jí)透平葉片的翼形線。
背景技術(shù)：
在透平葉片，特別是其翼面的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)上有多種考慮，包括優(yōu)化空氣動(dòng)力學(xué)效率及空氣動(dòng)力學(xué)和機(jī)械葉片載荷。此外，葉片翼面的設(shè)計(jì)還必須考慮與具有葉尖護(hù)罩的葉片翼面相關(guān)的潛在錯(cuò)位或接合問(wèn)題。應(yīng)當(dāng)理解，透平中某些葉片設(shè)有在圓周方向沿著前緣和后緣相互圓周地接合的葉尖護(hù)罩。通常的，護(hù)罩上安裝有一個(gè)密封件，該密封件和一個(gè)固定護(hù)罩一起密封彎路流經(jīng)葉翼相對(duì)兩側(cè)的高壓和低壓區(qū)域之間的熱氣體。護(hù)罩還設(shè)于長(zhǎng)而細(xì)的葉片上，通過(guò)護(hù)罩的相互接合以增加葉翼的強(qiáng)度。然而，氣冷葉片、不同的熱增長(zhǎng)和扭曲有時(shí)使護(hù)罩相互之間只能形成不良的接合。也就是說(shuō)，護(hù)罩的一邊緣是徑向向內(nèi)鄰近護(hù)罩的相對(duì)邊緣上。相鄰護(hù)罩之間缺乏理想的接合方式，并且不利的負(fù)載導(dǎo)致在接觸點(diǎn)產(chǎn)生更高的應(yīng)力。隨著接觸的損失或最小化，通過(guò)使用護(hù)罩以避免高循環(huán)疲勞的阻尼振動(dòng)的益處也被最小化或喪失。比最優(yōu)的葉尖護(hù)罩更少的接合，反而影響該葉尖護(hù)罩的蠕變壽命，并減少零件壽命。還應(yīng)該理解，包括其翼面的單個(gè)葉片的破裂導(dǎo)致整個(gè)透平不能聯(lián)機(jī)工作。這就會(huì)造成耗時(shí)而昂貴的維修，包括透平使用者儲(chǔ)運(yùn)損耗的花費(fèi)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例，提供一種獨(dú)特的透平葉片翼形線，更優(yōu)選的是燃?xì)馔钙降牡诙?jí)的氣冷葉尖護(hù)罩翼面。這種葉片翼形線可以充分提高護(hù)罩與護(hù)罩之間的接合，從而可顯著增加零件的壽命并減少維修費(fèi)用。此外，翼面減小了局部蠕變，并且在最終的翼面中提供了提高的HCF邊界。葉片翼形線由一個(gè)為達(dá)到必需的效率、載荷和葉尖護(hù)罩接合的要求的獨(dú)特的點(diǎn)軌跡形成。這些獨(dú)特的點(diǎn)軌跡形成了在翼面高度10～90％跨度范圍的公稱翼形線，并按照其后表I笛卡兒坐標(biāo)的X、Y和Z進(jìn)行區(qū)別。表I所示的坐標(biāo)值的點(diǎn)是冷溫，即室溫時(shí)在翼面高度10～90％跨度范圍內(nèi)葉片翼面的不同橫截面的翼形線。給定X、Y和Z坐標(biāo)為距離尺寸，如以英寸為單位。X和Y的坐標(biāo)值在各Z區(qū)域內(nèi)相互平滑連接起來(lái)，以形成光滑連續(xù)的弓形葉翼形線部。Z坐標(biāo)值為垂直于經(jīng)過(guò)透平旋轉(zhuǎn)軸線的平面并與之離開的距離。各個(gè)在各Z距離處形成的葉翼形線部與相鄰的葉翼形線部平滑連接，以形成完整的翼型。
可以理解，當(dāng)每個(gè)葉片翼面在使用中變熱時(shí)，因應(yīng)力和溫度作用的結(jié)果，形線會(huì)產(chǎn)生變化。因此，由X、Y和Z坐標(biāo)給定用于加工目的的冷溫或室溫形線。因?yàn)橹圃斓娜~翼形線可能與下表所給出的公稱葉翼形線有所不同，從公稱形線沿法線方向到沿公稱形線上的任一表面位置的距離加或減0.016英寸，其包括任何涂覆過(guò)程，形成了該葉片翼面的形線包絡(luò)面。這種設(shè)計(jì)在不損害機(jī)械和空氣動(dòng)力學(xué)功能的情況下具有豐富的變化。
還應(yīng)當(dāng)理解，翼面可以在幾何上按比例放大或縮小，以便在相似的透平設(shè)計(jì)中使用。因此，下面所給的公稱翼形線的X和Y坐標(biāo)英寸值是相同常數(shù)或數(shù)值的函數(shù)。也就是說(shuō)，X、Y和任意Z坐標(biāo)英寸值可以通過(guò)與這個(gè)相同常數(shù)或數(shù)值相乘或相除，來(lái)提供一個(gè)按比例放大或縮小的葉翼形線同時(shí)保留翼面部的形狀。
在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，其提供一種包括一具有翼型的葉片翼面的透平葉片，該翼面具有在翼面高度10～90％跨度范圍內(nèi)的公稱葉翼形線，基本上與表I中設(shè)定的笛卡兒坐標(biāo)X、Y和Z值一致，其中Z坐標(biāo)值為垂直于經(jīng)過(guò)透平的旋轉(zhuǎn)軸線的平面并與之離開的英寸距離，其中，X、Y是英寸距離，當(dāng)用平滑連續(xù)的弧線連接時(shí)，該距離限定了在各Z距離處的各葉翼形線部，在Z距離處，各葉翼形線部相互平滑連接以形成完整的翼型。
在根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)的優(yōu)選實(shí)施例中，其提供一種包括一具有翼型的葉片翼面的透平葉片，該翼面具有在翼面高度10～90％跨度范圍內(nèi)的無(wú)涂覆層的公稱形線，基本上與表I中設(shè)定的笛卡兒坐標(biāo)X、Y和Z值一致，其中Z坐標(biāo)值為垂直于經(jīng)過(guò)透平的旋轉(zhuǎn)軸線的平面并與之離開的英寸距離，其中，X、Y是英寸距離，當(dāng)用平滑連續(xù)的弧線連接時(shí)，該距離限定了在各Z距離處的各葉翼形線部，在Z距離處，各葉翼形線部相互平滑連接以形成完整的翼型，X和Y距離作為相同常數(shù)的函數(shù)是可以量度的，以便提供一個(gè)按比例放大或縮小的葉翼面。
在根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，其提供一種包括具有多個(gè)葉片的葉輪的透平，每個(gè)葉片都包括一具有翼型的葉片翼面，該翼面具有在翼面高度10～90％跨度范圍內(nèi)的公稱形線，基本上與表I中設(shè)定的笛卡兒坐標(biāo)X、Y和Z值一致，其中Z坐標(biāo)值為垂直于經(jīng)過(guò)透平的旋轉(zhuǎn)軸線的平面并與之離開的英寸距離，其中，X、Y是英寸距離，當(dāng)用平滑連續(xù)的弧線連接時(shí)，該距離限定了在各Z距離處的各葉翼形線部，在Z距離處，各葉翼形線部相互平滑連接以形成完整的翼型。
在根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，其提供一種包括具有多個(gè)葉片的葉輪的透平，每個(gè)葉片都包括一具有翼型的葉片翼面，該翼面具有在翼面高度10～90％跨度范圍內(nèi)的公稱剖面，基本上與表I中設(shè)定的笛卡兒坐標(biāo)X、Y和Z值一致，其中Z坐標(biāo)值為垂直于經(jīng)過(guò)透平的旋轉(zhuǎn)軸線的平面并與之離開的英寸距離，其中，X、Y是英寸距離，當(dāng)用平滑連續(xù)的弧線連接時(shí)，該距離限定了在各Z距離處的各葉翼形線部，在Z距離處，各葉翼形線部相互平滑連接以形成完整的翼型，X和Y距離作為相同常數(shù)的函數(shù)是可以量度的，以便提供一個(gè)按比例放大或縮小的葉翼形線。


圖1是表示具有使用葉片和葉片翼面的第二級(jí)葉輪的透平的簡(jiǎn)化示意圖；圖2示出了徑向向內(nèi)看時(shí)形成于葉片翼面上的護(hù)罩的端視圖；圖3示出了有關(guān)葉片的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的側(cè)視圖；圖4A～4K是大致沿圖3所示各線截取的各種剖視圖；圖5是有關(guān)與圖3中相似但從反面觀察得到的葉片的正視圖；圖6是從前緣觀察葉片將出現(xiàn)在葉輪中時(shí)葉片的軸向視圖；圖7是有關(guān)葉片的透視圖；圖8是在未對(duì)準(zhǔn)情況下相鄰護(hù)罩之間接合的透視圖；和圖9是未對(duì)準(zhǔn)護(hù)罩的代表性示意圖，如擠壓的護(hù)罩。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參看圖1，示出了總體上由附圖標(biāo)記10表示的透平的一部分，在該透平中使用了一第二級(jí)透平葉片22，該葉片22具有如本文所述的翼型23。透平10包括一轉(zhuǎn)子12，該轉(zhuǎn)子12具有一級(jí)轉(zhuǎn)子葉輪14、二級(jí)轉(zhuǎn)子葉輪16和三級(jí)轉(zhuǎn)子葉輪18，它們具有的葉片20、22和24分別與不同轉(zhuǎn)子級(jí)的定子葉片26、28和30配合。以一個(gè)三級(jí)透平為例進(jìn)行說(shuō)明可以被較好地理解。
第二級(jí)包括葉輪16，其上固定有在軸向上與上游定子葉片28相對(duì)的葉片22?？梢岳斫?，多個(gè)葉片22一個(gè)接一個(gè)間隔開地呈圓周狀分布在第二級(jí)葉輪16的周圍，在該示例中有92個(gè)葉片固定在第二級(jí)葉輪16上。
現(xiàn)在參看圖5和圖6，示出了第二級(jí)葉輪的葉片22。每個(gè)葉片22都包括一安裝在葉臺(tái)32之上的葉片翼面30，該葉片還包括一根部34和一燕尾結(jié)合部36。在翼面30的葉尖附近是安裝密封件40和切割齒42的護(hù)罩38。該護(hù)罩38位于與固定護(hù)罩徑向相對(duì)的位置上，該固定護(hù)罩形成透平的部分固定殼體。密封件40設(shè)置成為位于透平熱氣路內(nèi)的翼面的相對(duì)兩側(cè)的高壓和低壓區(qū)域之間提供密封。各個(gè)護(hù)罩上的切割齒42在固定的護(hù)罩內(nèi)通常形成一更寬的槽，以允許經(jīng)過(guò)密封件40存在輕微地泄漏流。
參看圖2、圖8和圖9，護(hù)罩38在圓周方向上有分別與相鄰護(hù)罩的前緣和后緣接合的前緣和后緣。護(hù)罩彼此間不是機(jī)械地一個(gè)連接到另一個(gè)上，而是成形為便于維持接合。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，相鄰護(hù)罩的前緣和后緣可能存在不利于零件壽命的不匹配的接合，這種不匹配在其他事情中也有。例如，護(hù)罩相對(duì)于彼此可能存在相互擠壓的傾向。也就是說(shuō)，一個(gè)護(hù)罩的后緣可能位于相鄰護(hù)罩前緣的上面或反過(guò)來(lái)位于下面，如圖8和9所示。葉片翼面對(duì)護(hù)罩接合有特別的作用，此處的翼型減小了局部蠕變，增加了翼面中的高循環(huán)疲勞邊界，最終導(dǎo)致更高的零件壽命。
表I中所給的X、Y和Z值的笛卡兒(Cartesian)坐標(biāo)系統(tǒng)形成了翼面30的形線。X、Y和Z坐標(biāo)的坐標(biāo)值在表I中以英寸值設(shè)定，盡管也可以使用其他尺寸單位。笛卡兒坐標(biāo)系統(tǒng)具有X、Y和Z軸的正交關(guān)系。Z軸垂直于經(jīng)過(guò)透平轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線的平面延伸，其法線方向向含有X和Y值的平面延伸。表I中Z坐標(biāo)值代表了遠(yuǎn)離并垂直于經(jīng)過(guò)透平的旋轉(zhuǎn)軸線的平面的距離的英寸值。X軸沿平行于透平轉(zhuǎn)子中心線的方向延伸，而Y軸沿切線方向延伸。
通過(guò)沿與X和Y平面垂直的Z方向，在已選擇的位置處形成X和Y坐標(biāo)值，翼面40的形線就可以被確定下來(lái)。通過(guò)用光滑連續(xù)的弧線連接X和Y值，各Z距離上的各個(gè)形線部被固定下來(lái)。在各Z距離之間不同表面位置的表面形線由相互光滑連接的相鄰形線部確定，從而形成翼型。這些值代表室溫環(huán)境，即非工作或非熱環(huán)境下的翼型，并且是無(wú)涂覆層的翼面。
表I中的值形成并表示為三位小數(shù)，用于確定翼面的形線。在實(shí)際翼面的形線中，還必須考慮通常的制造公差和涂覆。因此，表I所給的形線值為公稱翼面。由此可以理解，±通常的制造公差，也就是±值，包括任何涂覆厚度被附加到下述表I所給的X和Y值上。因此，沿葉翼形線任何表面位置的法線方向的距離±0.016英寸就形成了特殊的葉片翼面設(shè)計(jì)和透平的葉翼形線包絡(luò)面。
下述表I所給的坐標(biāo)值提供了翼面高度10～90％跨度范圍內(nèi)的優(yōu)選公稱形線包絡(luò)面。
表I








同樣可以理解，上表所公開的翼面可以被幾何地按比例放大或縮小，以便用在其他相似的透平設(shè)計(jì)中。因此，表I所設(shè)定的坐標(biāo)值可以被按比例放大或縮小，以致于翼面部的形狀保持不變。表I中坐標(biāo)的比例大小將由X、Y和任選的Z坐標(biāo)值，與相同常數(shù)或數(shù)值相乘或相除來(lái)表示。
雖然本發(fā)明結(jié)合目前考慮到的最實(shí)用和優(yōu)選的實(shí)施例得到了描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不僅限于所公開的實(shí)施例中，相反，應(yīng)當(dāng)是試圖包括在本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)和所附權(quán)利要求書范圍內(nèi)的各種修改和等同設(shè)計(jì)。
第二級(jí)透平葉片翼面零部件清單透平10轉(zhuǎn)子12第一級(jí)葉輪14第二級(jí)葉輪16第三級(jí)葉輪18透平葉片20，22，24翼型面形線23定子葉片26，28，30葉臺(tái)32葉根34燕尾結(jié)合部36護(hù)罩38密封件40刀齒4權(quán)利要求
1.一種透平葉片(22)，它包括一具有翼型的葉片翼面(23)，所述翼面具有在翼面高度10～90％跨度范圍內(nèi)的公稱形線，基本上與表I中設(shè)定的笛卡兒(Cartesin)坐標(biāo)X、Y和Z值一致，其中Z坐標(biāo)值為垂直于經(jīng)過(guò)透平的旋轉(zhuǎn)軸線的平面并與之離開的英寸距離，其中X、Y是英寸距離，當(dāng)用平滑連續(xù)的弧線連接時(shí)，該距離限定在各Z距離處的各葉翼形線部，在Z距離處，各葉翼形線部相互平滑連接以形成完整的翼型。
2.如權(quán)利要求1所述的透平葉片，其特征在于，其形成一透平的第二級(jí)的一部分。
3.如權(quán)利要求1所述的透平葉片，其特征在于，所述翼型位于沿任一翼面表面位置的法線方向±0.016英寸的包絡(luò)面中。
4.如權(quán)利要求1所述的透平葉片，其特征在于，翼面具有鄰近翼面的葉尖的護(hù)罩(38)。
5.一種透平葉片(22)，它包括一具有翼型的葉片翼面(23)，所述翼面具有在翼面高度10～90％跨度范圍內(nèi)無(wú)涂覆層的公稱翼面形線，基本上與表I中設(shè)定的笛卡兒坐標(biāo)X、Y和Z值一致，其中Z坐標(biāo)值為垂直于經(jīng)過(guò)透平的旋轉(zhuǎn)軸線的平面并與之離開的英寸距離，其中，X、Y是英寸距離，當(dāng)用平滑連續(xù)的弧線連接時(shí)，該距離限定在各Z距離處的各葉翼形線部，在Z距離處，各葉翼形線部相互平滑連接以形成完整的翼型，X和Y距離作為相同常數(shù)的函數(shù)是可以量度的，以提供一個(gè)按比例放大或縮小的葉翼形線。
6.如權(quán)利要求5所述的透平葉片，其特征在于，形成一透平的第二級(jí)的一部分。
7.如權(quán)利要求5所述的透平葉片，其特征在于，所述翼型位于沿任一翼面表面位置的法線方向±0.016英寸的包絡(luò)面中。
8.如權(quán)利要求5所述的透平葉片，其特征在于，翼面具有鄰近翼面的葉尖的護(hù)罩(38)。
9.一種透平，它包括具有多個(gè)葉片(22)的葉輪，每個(gè)所述葉片都包括具有翼型的葉片翼面(23)，該翼面具有在翼面高度10～90％跨度范圍內(nèi)的公稱翼面形線，基本上與表I中設(shè)定的笛卡兒坐標(biāo)X、Y和Z值一致，其中Z坐標(biāo)值為垂直于經(jīng)過(guò)透平的旋轉(zhuǎn)軸線的平面并與之離開的英寸距離，其中，X、Y是英寸距離，當(dāng)用平滑連續(xù)的弧線連接時(shí)，該距離限定在各Z距離處的各葉翼形線部，在Z距離處，各葉翼形線部相互平滑連接以形成完整的翼型。
10.如權(quán)利要求9所述的透平，其特征在于，透平葉輪包括一第二級(jí)透平。
11.如權(quán)利要求9所述的透平，其特征在于，透平葉輪包括一第二級(jí)透平，每個(gè)所述翼型都位于沿任一翼面表面位置的法線方向±0.016英寸的包絡(luò)面中。
12.如權(quán)利要求9所述的透平，其特征在于，透平葉輪包括一第二級(jí)透平，所述透平葉輪有92個(gè)葉片，并且X表示平行于透平的旋轉(zhuǎn)軸線方向的距離。
13.一種透平，它包括具有多個(gè)葉片(22)的葉輪(16)，每個(gè)所述葉片都包括具有翼型的葉片翼面(23)，該翼面具有在翼面高度10～90％跨度范圍內(nèi)的公稱形線，基本上與表I中設(shè)定的笛卡兒坐標(biāo)X、Y和Z值一致，其中Z坐標(biāo)值為垂直于經(jīng)過(guò)透平的旋轉(zhuǎn)軸線的平面并與之離開的英寸距離，其中，X、Y是英寸距離，當(dāng)用平滑連續(xù)的弧線連接時(shí)，該距離限定在各Z距離處的各葉翼形線部，在Z距離處，各葉翼形線部相互平滑連接以形成完整的翼型，X和Y距離作為相同常數(shù)的函數(shù)是可以量度的，以提供一個(gè)按比例放大或縮小的葉翼形線。
全文摘要
一種第二級(jí)葉片(22)，它具有基本上與表I所設(shè)定的X、Y和Z的笛卡兒坐標(biāo)值一致的翼型(23)，其中X、Y和Z值為英寸值。Z表示垂直于通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)中線的平面并與之相距的英寸距離。X、Y是英寸距離，當(dāng)用平滑連續(xù)的弧線連接時(shí)，該距離限定了在各Z距離處的各葉翼形線部。在Z距離處，各葉翼形線部相互平滑連接以形成完整的翼型。X和Y距離和任選的Z距離作為相同常數(shù)或數(shù)值的函數(shù)是可以量度的，以便為葉片提供一個(gè)按比例放大或縮小的翼面部。由X、Y和Z距離值所給出的公稱翼面位于±0.016英寸的包絡(luò)面的范圍內(nèi)。
文檔編號(hào)F01D5/18GK1550640SQ20041004519
公開日2004年12月1日 申請(qǐng)日期2004年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月7日
發(fā)明者J·P·烏爾班, J P 烏爾班 申請(qǐng)人:通用電氣公司