渦輪機葉片護罩內核輪廓的製作方法

2023-09-10 00:57:00 3

專利名稱：：渦輪機葉片護罩內核輪廓的製作方法
技術領域：
：本發明涉及具有翼型件(airfoil)和由該翼型件支撐的末梢護罩的渦輪機葉片。更為具體地，本發明涉及由渦輪機葉片的翼型件支撐的末梢護罩的內核輪廓。儘管本發明尤其用於燃氣渦輪機，然而成比例設計的使用也可應用於蒸汽渦輪機或飛行器發動機。
背景技術：
：用於渦輪機的葉片典型地包括翼型件、平臺、柄部和燕尾榫。燕尾榫固定在渦輪葉輪中的互補槽中。通常，翼型件包括一體成形的末梢護罩。當然，包括翼型件和末梢護罩的葉片在運行過程中可關於發動機中心線旋轉，且翼型件和末梢護罩位於熱氣通道中。因為末梢護罩安裝在翼型件的末梢，在末梢護罩和翼型件末梢之間的末梢護罩內圓角區域中產生大量應力。無論空心或實心的末梢護罩，典型地設計用來平^f翼型件頂部周圍護罩的質量分布。空心護罩的優點在於提供了具有減輕重量的護罩，而保持了可觀的結構剛度。這通常導致翼型件至末梢護罩內圓角中較低的應力及提高的蠕變壽命。而且，某些現有末梢護罩不覆蓋翼型件喉部，這由於末梢護罩上的流洩漏造成對級效率的負面影響。
發明內容根據本發明的一個示範性實施例，提供了包括具有空心末梢護罩的葉片翼型件的製品，所述空心末梢護罩具有空心核，該空心核具有大體上根據表I中所列的以英寸為單位的笛卡爾坐標值X、Y和Z的標稱輪廓，其中核的形狀由分布在護罩各表面周圍的列出的點雲限定，並且末梢護罩的完整空心部分可通過經過列出的點限定光〉'骨氺反表面而一勾造。本發明也可以包括具有空心末梢護罩的葉片翼型件的製品實施，所述空心末梢護罩具有空心核，該空心核具有大體上根據表I中所列的笛卡爾坐標值X、Y和Z的標稱輪廓，在這樣的笛卡爾5坐標系統中，該系統的原點位於點A處，點A位於翼型件中^l線和前緣翼型件表面交叉點處的冷態轉子中心線之上39.600英寸處，其正X軸線由點A和點B限定，點B位於翼型件中弧線和後緣翼型件表面交叉點處的冷態轉子中心線之上39.600英寸處，其正X-Z面由點A、B和點C限定，點C位於翼型件中弧線和翼型件後緣表面交叉點處的10冷態轉子中心線之上49.862英寸處，而其Y軸線使用右手定則方法限定，且其中X、Y和Z是以英寸為單位的距離，其中核的形狀由分布在護罩各表面周圍的列出的點雲限定，並且末梢護罩的完整空心部分可通過經過列出的點限定光滑板表面而構造。本發明還可以包括具有多個葉片的渦輪葉輪的製品實15施，各所述葉片包括翼型件和空心末梢護罩，所述空心末梢護罩具有空心核，該空心核具有大體上根據表I中所示的以英寸為單位的笛卡爾坐標值X、Y和Z的標稱輪廓，其中核的形狀由分布在護罩各表面周圍的列出的點雲限定，並且末梢護罩的完整空心部分可通過經過列出的點限定光滑板表面而構造。20通過仔細研究結合附圖的本發明當前優選示範性實施例的下列更詳細描述，將更完全地理解並領會本發明的這些和其它目的和優點，在附圖中25圖1為根據本發明的一個示範性實施例，具有第二級渦輪機葉片末梢護罩的渦輪機部分的示意圖，該渦輪機葉片末梢護罩具有預先確定的護罩核輪廓；圖2描繪了具有全末梢護罩的渦輪衝幾葉片；圖3顯示了圖2的葉片，且沿圖2中所示截面移除了護罩的頂部以顯露內腔形狀；圖4為圖2的護罩的俯視圖；以及圖5為護罩的另一內視圖，此次沿圖4中所示截面切開。5圖6為渦輪機翼型件的立體圖，示出了用於確定坐標系統的點，該系統用於確定用於表I中所列的點的坐標；以及圖7為立體圖，也示出了用於確定表I中所示的點的坐才示的坐才示系統。10具體實施例方式現在參照附圖，尤其參照圖1,示出了包括多個渦輪診幾級的燃氣渦輪機12的熱氣通道，其一般地標為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和葉片16。噴嘴周向地相互隔開並關於轉子的軸線固定。當然，第一級葉片16安裝在渦輪15機轉子葉輪17上。還示出了渦輪機12的第二級，其包括安裝在轉子上的多個周向地隔開的噴嘴18和多個周向地隔開的葉片20。也示出了第三級，其包括安裝在轉子17上的多個周向地隔開的噴嘴22和葉片24。將會理解噴嘴和葉片位於渦輪機12的熱氣通道10中，穿過熱氣通道10的熱氣的流動方向由箭頭26指示。20各第二級葉片20均具有平臺30、柄部32和燕尾榫34(圖3)，該燕尾榫34用於與在形成轉子17的一部分的轉子葉輪上的互補成形的配合燕尾榫(未示出)連接。各第二級葉片20還包括翼型件34(圖2),該翼型件34從平臺到翼型件末梢沿該翼型件在任意橫截面上具有翼型件輪廓。25各第二級葉片具有一般地標為36的末梢護罩。末梢護罩優選地與翼型件34—體成形，且各末梢護罩36在周向相對端處接合鄰近葉片的鄰近末梢護罩，以形成通常環狀的圓環或護罩，其在第二級葉片的軸向位置處確定熱氣通道的界限。各第二級葉片20的末梢護罩36包括沿其徑向外表面的第一和第二、前和後密封圍欄(sealrail)42、44，且密封圍欄42、44形成關於末梢護罩幾乎連續的密封圓環，從而利用固定到渦輪機外殼的護罩46(圖l)密封。在這點上，在示範性實施例中，前向密封圍欄42不接觸鄰近葉片上的相應密封圍5欄，而後向密封圍欄44實際上接觸鄰近葉片上相應的密封圍欄。由於熱負載和機械負載，渦輪機葉片在苛刻的環境中運行。而且，具有末梢護罩的葉片有額外的挑戰。末梢護罩處於葉片的最外端處，見圖1,因此由於轉速而遭遇到高機械負載。因此^艮難將無圓齒護罩附裝到葉片上。與此相混合的是葉片重量不超過某些最大10值的要求。這些約束針對空心渦輪機護罩的優點。為了限定本發明的核設計所處的包跡或體積，在空間中具有唯一的一組點或一^殳軌跡的點。限定核設計所處的包跡或體積的軌跡包括相對於如圖6和7所示建立的原始坐標系統的帶X、Y和Z坐標的一組789個點。更為具體地，該坐標系統相對於翼型件設定並15完全由點A、B和C限定。點A和B都位於冷態轉子中心線上方39.600英寸處。點A位於翼型件中弧線和前緣翼型件表面的交叉處。點B位於翼型件中弧線和後緣翼型件表面的交叉處。點C位於冷態中心線上方49.862英寸處並位於翼型件中弧線和翼型件後緣表面的交叉處。坐標系統原點位於點A處。點A和B限定正X軸。點A、B和C限定20正X-Z平面。然後Y軸^f吏用右手法則方法限定。在以下表I中給定的X、Y和Z值的笛卡爾坐標系統限定了末梢護罩的完整空心部分。更為具體地，核的形狀由分布在護罩各表面周圍的列出的點雲限定，並且末梢護罩的完整空心部分可通過經過列出的點限定光滑板表面而構造。儘管表I中X、Y和Z坐標的25坐標值以英寸為單位列出，然而如果對值進行適當的轉換可使用其它尺寸單位。為確定護罩核的形狀，以3個小數位生成並顯示錶I的值。這些點代表了護罩核的標稱冷態形狀即室溫形狀。隨著葉片在使用中發熱，機械負載和溫度將引起X、Y和Z的改變。因此，在表I中給定的用於輪廓的值代表了環境、非運行或非熱條件。在護罩核的實際輪廓中必須考慮典型的製造和塗覆公差。所以將會理解包括任意塗覆厚度的+/-典型的製造公差，即，+/-5值，對於下列表I給定的X和Y值是附加的。因此，在正交於沿護罩核輪廓的任意表面位置的方向上的+/-0.042英寸的距離限定了用於此特定的葉片末梢護罩設計和渦輪機的護罩核輪廓包跡，即，在標稱冷態或室溫的實際護罩核表面上的測量的點與在相同溫度下在下列表中給定的這些點的理想位置之間的變化。葉片護罩核設計對此變化範10圍是強健的且沒有損害機械功能。表IXY乙XY乙XYZ0.3202.17010.7001.6741.45310.8化-0.0372.89010.9380.4622.17410.7040.5242.04510.8化0.7381.82610.9390.3732.13210.7071.7631.49510.831-0.0012.93510.9390.7032,12510.7091.3361.94210.8410.8901.73510.9400.5512.21610.7100.1192細10.8421.0411.64510.9420.3442.11910.7100.2402.34410.8461.3441.46410,9430,2932.22810.7121.4341.50310.8501.4961.37310.9440.7922.16710.7130.3862.03410.8501.1931.55410.9450.8542.03510.7200.3532.10510.850-0.0672.90810.9460.6402.25810.7210.5162.52810.8530.4161.97410,9470.9432.07710.7220.8192.34710.853-0.3623.24010.9480.3102.26510.7250.6672.43710.8540.2402.88610.9481扁1.94510.7340.6761.95510.8550,0882.97710.9481.0951.98710.7381.5851.41210.8550.1002.64510.9510.4002.30710.7380.3642.61810.8561.6471.28310.9520.2622.29410.7401.7821.33010.8571.4251.98710.9521.1571.85510.7451.2821.59310.858-0.0982.91410.9530.4892.35010.7501.8261.36410.8590.2162.39910.9560.6142.08510.7530.1232.66710.862-0.3223.15610.9571.2471.89710.7560.8271.86510.8641.0602.30110.9570.3602.08710.7570.9702.25610.864-0.2593.25610.9590.2282.36810.7581.1301.68410.865-0.1302.98310鄰00.8812.21110.7580.9791.77510.868-0.0643.06810.9601.3091.76510.7611.7371.32210.8710.3722.06810.9600.2482.39910.7620.2132.70910.8740.3912.79610.9611.0332.12110.7690.0822.68210.875-0.2713.28210.9610.7302.30210,7700.1882.45710.875-0.2203.17310.9630,3372.44110.7720.3112.19610.876-0.1703.06710.9631.3711.63310.7731.4871.85310.882-0.2753.05710.9680.1872.45510.7741.1222.16610.8862.0401.14410.9700.7651.99510.7751.9151.40710.887-0.1263.20110.9701扁1.67510.7770.4352.00510.8900.0632.72510.9701.3981.80710.7780.0492.75410細0.0263.11010.9710.3272.15710.7820.0612細10.906-0.3723.26310.9711.2201.72310.7821.8881.23310細0.2752.27410.9731.5231.54310.7890,3022.75310.9110.4391.92710.9730.9171.90510.7910.1472.54410.9121.7991.19310.9741.0681.81410.7910.6052.57210.9130.1773.02010.9750.5782.39310.7920.4532.66210.914-0.2073.29910.9751.6121.58510.7971.9771.27510.9170.5432.70610.9750.1862.53210.7990.1502.84310.917-0.2282.95710.9761.1842.03110.7990.7562.48110.920-0.1962.88810.9790.4272.48410.8020.0112.82710.9210.4971.87610.9820.1502.53510.8081.6391.76410.9321.2112.21210.9841.5501,71810.8090.5871.91610.9330.6491.78510.9859tableseeoriginaldocumentpage10tableseeoriginaldocumentpage11XYZXYZXYz0.5162.537".1431.8340.892".1660.8812.22511.2081.2180.116".1430.6841.48411.1671.2640.94911.2081.0252.67411.2081.1571.87111.2491.2022.95111.2852.5570.748".2092.2890.62311.2491.2563.052112851.8670.10011.2111.0362.67011.2502.7700.52711.2861.973-0.120".2112.3701.14711.2512.092-0.11611.2861.3880.684".2121.9691.76711.2521.4432.65411.2881.8160.23711.2121.4421.03411.2532.2660.35711.2882.111-0.346".2131細2.31111.2541.5581.25211.2901.718-0,04111.2132.2000.58111.2542.2350.27511.2911.5130.41911.2141.5670.76911.2561.7192.29911.2911.1041.52111.2162.5300.575".2561.3192.92011.2922.4321.013".2162.1190.05811.2571.2163扁11.2931.8700.58711.2162.065-0.29111.2571.3361.95611.2931.7000.021".2161.6910.50411.2582.2020馬112961.6380.15411.2171.2821.60611.2591.9680.150112970.9332.64911.2181.5682.388"2602.5950.48011.2971.6932.12211.2191.8160.23911.2601.6830.98711.2981扁1.96111,2202細-0.15911.2601.2382.396112992.061-0.化811.2212.105-0.34111.2611.2833.227112992.1370.71311.2211.0242.61811.2622.3680.438112991.8430.41211.2221.2922.74411.2632.2451.413113002.0480.671".2261.1762.83911.2631.1832.858113001.2032.70111.2271.941-0.02611.2642.181-0.074113011.1202.737".2282.化1-0.075".2651.4601.692113021.2911.12411.2281.8442.03311.2652.4780.466113022.3780.66411.2301.1842.04611.2651.2343.11011.3021.1301.69611.2322.7100.56611.2661.3453.09511.3071.4162.47811.2322.1730.407".2661.8700.59011.3081.4150.859".2321.2292.87711.2661.2082.979113092.142-0.251".2341.4071.34111.2671.5851.427113092.0300馬11.2352.1460.233".2691.3093.355113101.5400.594".2352.7080.65911.2731.3632.13211.3101.9680.14811.2351.5311.07711.2732.3160.38811.3111.0332.13611.2371.1202.733".2752.7610.449113112.6280.70211.2371.3091.78111.2761.2553.217113131.9"-0.191".2372.2620.44911.2761.2652.571113142.126-0.35711.2372.127-0.23411.2761.5952.565113142.6190.61611.2382.4400.533".2761.7101.162113161.6650.32911.2392.156-0.18911.2782.2300.143113181.851-O細11.2392.3510.49211.2811.3323.461113200.9352.57611.2401.7180.67911.2821.9961.944113202.0210.49711.2411.8430.41411.2821.2783.325113201.2551.431"2421.2112.22111.2831.2292.879113211.1142.73411.2451.4341.517".2842.1201.679113211.9940.322".2461.1132.66111.2841.4702.830113211.3171.29911.2472.2080.10111.2851.3723.27011321tableseeoriginaldocumentpage13tableseeoriginaldocumentpage14還將理解，在上述表I中公開的護罩核可呈幾何級數地成比例放大或縮小來在其它類似的渦輪機設計中使用。因此，表I中所列的坐標值可成比例放大或縮小以使得護罩核輪廓形狀保持不變。表I中坐標的成比例形式將由乘以或除以一個常數的表I的X、Y和Z5坐標值代表。本^Hf中一個重要用語是輪廓。輪廓是在護罩核表面上測量的點和表I中列出的理想點之間的變化範圍。在製造的葉片上的實際輪廓將不同於表I中的輪廓，且設計對於此變化是強健的意味著機械功能沒有損害。如上所述在本文中使用±0.042英寸的輪廓公差。10空心渦輪機護罩對於形成高性能渦輪機葉片是有優勢的。此特殊的一組點限定了在7FA+e級2葉片上使用的護罩核，並且尤其是當與指定的護罩末梢外輪廓相結合時，優化了壁厚分布、機械負載傳遞和熱傳遞分布。儘管已結合當前被認為是最實用且優選的實施例對本15發明進行了描述，但應當理解的是本發明不限於公開的實施例，而正相反，本發明意圖覆蓋包括在所附權利要求的精神和範圍內的各種變體和等價裝置。權利要求1.一種製品(20)，包括具有空心末梢護罩(36)的葉片翼型件(34)，所述空心末梢護罩具有空心核，該空心核具有大體上根據表I以英寸為單位所列的笛卡爾坐標值X、Y和Z的標稱輪廓，其中，該核的形狀由分布在該護罩各表面周圍的列出的點雲限定，並且該末梢護罩的完整空心部分能夠通過經過列出的點限定光滑板表面而構造。2.根據權利要求1所述的製品，其特徵在於，限定了形成部分渦輪機第二級的渦輪機葉片。3.根據權利要求1所述的製品，其特徵在於，所述空心核形狀位於在正交於任意空心核表面位置的方向上+/-0.042英寸內的包跡內。4.根據權利要求1所述的製品，其特徵在於，X距離、Y距離和Z距離作為相同常數或數字的函數是可縮放的，以提供成比例放大或成比例縮小的葉片末梢護罩。5.根據權利要求2所述的製品，其特徵在於，該笛卡爾坐標系統其原點在點A處，該點A位於翼型件中弧線和前緣翼型件表面交叉點處的冷態轉子中心線上方39.600英寸處，其正X軸線由點A和點B限定，該點B位於翼型件中弧線和後緣翼型件表面交叉點處的冷態轉子中心線上方39.600英寸處，其正X-Z面由點A、點B和點C限定，該點C位於翼型件中弧線和翼型件後緣表面交叉點處的冷態轉子中心線上方49.862英寸處，且其Y軸線使用右手定則方法限定。6.根據權利要求5所述的製品，其特徵在於，所述空心核形狀位於在正交於任意空心核表面位置的方向上+/-0.042英寸內的包跡內。7.—種製品(12),包括具有多個葉片(20)的渦輪機葉輪(17),各葉片包括具有如權利要求1所限定的空心末梢護罩(36)的葉片翼型件(34)。8.根據權利要求7所述的製品，其特徵在於，限定了燃氣渦輪機(12),且其中，該渦輪機葉輪包括該渦輪機的第二級。9.根據權利要求8所述的製品，其特徵在於，表l所列的所述笛卡爾坐標值X、Y和Z在如下笛卡爾坐標系統中，該笛卡爾坐標系統其原點在點A處，該點A位於翼型件中弧線和前緣翼型件表面交叉點處的冷態轉子中心線上方39.600英寸處，其正X軸線由點A和點B限定，該點B位於翼型件中弧線和後緣翼型件表面交叉點處的冷態轉子中心線上方39.600英寸處，其正X-Z面由點A、點B和點C限定，該點C位於翼型件中弧線和翼型件後緣表面交叉點處的冷態轉子中心線上方49.862英寸處，且其Y軸線使用右手定則方法限定。10.根據權利要求7所述的製品，其特徵在於，X距離、Y距離和Z距離作為相同常數或數字的函數是可縮放的，以提供成比例放大或成比例縮小的葉片末梢護罩。全文摘要本發明涉及渦輪機葉片護罩內核輪廓，具體而言，渦輪機葉片(20)包括具有空心末梢護罩(36)的葉片翼型件(34)，空心末梢護罩具有空心核，該空心核具有大體上根據表I中所列的以英寸為單位的笛卡爾坐標值X、Y和Z的標稱輪廓，其中核的形狀由分布在護罩各表面周圍的列出的點雲限定，並且末梢護罩的完整空心部分可通過經過列出的點限定光滑板表面而構造。文檔編號F01D5/14GK101446209SQ200810184809公開日2009年6月3日申請日期2008年11月27日優先權日2007年11月28日發明者C·馬利諾夫斯基,L·J·法拉爾,R·A·布裡廷厄姆,張修章申請人:通用電氣公司