擴口形葉尖渦輪葉片的製作方法

2023-06-02 19:22:11 2

專利名稱：擴口形葉尖渦輪葉片的製作方法
技術領域：
本發明總的說涉及燃氣渦輪發動機，更具體地說，是其中的渦輪 葉片。
背景技術：
在燃氣渦輪發動機中，空氣在壓縮機內被加壓，並在燃燒室內和 燃料混合產生燃燒氣體。各渦輪級從燃燒氣體提取能量，為發動機提 供動力並做功。高壓渦輪(HPT)緊接在燃燒室後面並從最熱的燃燒氣體提取能 量，通過一條驅動軸為上遊的壓縮機提供動力。低壓渦輪(LPT)接 在HPT後面並從燃燒氣體提取額外的能量，為另一條驅動軸提供動 力。LPT為渦輪風機航空發動機中的上遊風扇提供動力，或者為海洋 和工業應用的外部軸提供動力。發動機效率和燃料消耗率(SFC )在現代燃氣渦輪發動機中是最重 要的設計目標。各種渦輪轉子葉片和它們的相應噴口翼片具有精確構 建的空氣動力學表面，以控制其上的速度和壓力分布，力求使空氣動 力學效率最大。葉片和翼片的相應翼型具有普通凹壓力面和普通凸吸力面，它們 沿軸伸展在相對的前緣和後緣之間的翼弦中。翼型在徑向截面內具有 新月形輪廓，其寬度從前緣迅速增大到最大寬度區，然後逐漸減小至 後緣。翼型的圓周方向或橫向相對面也沿徑向伸展在從葉根至葉尖的跨 度內。 一般翼型具有薄的側壁，用超級合金鑄成，其內冷卻迴路具有 各種實施例，它們是專門為在運行中保持最大效率的同時有效地冷卻 翼型而設計的。但是，從整行單個翼型的三維UD)結構，和翼肋中導引在各翼 型之間的相應複雜的燃燒氣體流看來，渦輪翼型的空氣動力學設計是 非常複雜的。除了這種結構和環境的複雜性而外，還有渦輪葉片徑向 外葉尖附近的特殊流場，它們在運行中在周圍的固定護罩內高速旋 轉。
葉片葉尖和渦輪護罩之間的運行間隙應儘可能小，以使通過的燃 燒氣體流的洩漏最小，同時還允許葉片和護罩熱膨脹和收縮，而在旋 轉葉尖和固定護罩之間沒有不希望有的摩擦。在運行中，渦輪行中各葉片驅動支撐轉子盤旋轉，此時翼型的吸 力面處在相對翼型壓力面的前頭。各翼型一般是從轉子盤的周邊沿徑 向從葉根至葉尖扭轉的，且前緣是與發動機軸向中心軸線傾斜地面朝 上遊，以便與協同工作的噴口翼片的傾斜排氣渦旋角匹配。燃燒氣體 通常是沿下遊軸線方向流動，其周向即切向分量首先在一個流動方向 與翼型前緣接觸，然後在另一個不同流動方向在其後緣上方離開翼 型。翼型的壓力面和吸力面具有各自不同的3D輪廓，以使其間的不均 勻壓力和從熱燃燒氣體提取的能量最大。凹壓力面和凸吸力面使得其 上的速度和壓力分布不同，它們在前緣和後緣之間從葉根至葉尖產生 相應的變化。但是，洩漏過翼型葉尖的燃燒氣體在要求的葉尖間隙下 幾乎不作什麼有用功。使渦輪葉片的設計進一步複雜化的是外露的葉片葉尖，它們浸泡 在運行中洩漏到上面的燃燒氣體中，並要求適當地冷卻，以保證渦輪 葉片在運行中有較長的壽命.現代渦輪葉片結構中一般包括鳴聲器葉尖翼肋，它們是翼型壓力 面和吸力面從前緣至後緣的徑向伸出小段。葉尖翼肋一般為矩形截面 且在橫向即周向是隔開的，以便在翼型葉根限定一個開放的葉尖腔 體，此腔體有一個整體的葉尖層，它把典型的空心翼型和內冷卻迴路 包圍在腔體內。小的葉尖翼肋在萬一葉尖摩擦時提供犧牲材料，以保護葉尖層和 內冷卻迴路不被損壞。此葉尖翼肋增加了燃燒氣體流場的複雜性，引 起局部二次場，因而影響渦輪效率，流的洩漏和葉尖的冷卻。燃燒氣體的主要流動方向是沿相鄰葉片之間界定的流動通道的軸 向下遊方向。軸向流束也沿徑向從每個翼型的葉根至葉尖變化。而且， 這些軸向和徑向流動變化還在翼型葉尖上方(此處燃燒氣體在每個翼 型的壓力面和吸力面之間洩漏)被進一步複合。因而，以前的技術具有各種各樣的渦輪葉片葉尖，它們有不同的 問題和性能考慮，包括渦輪效率，葉尖洩漏，和葉尖冷卻。這三個重
要考慮至少是部分相互關聯的，但是，在翼型葉尖不同壓力面和吸力面上方和前緣及後緣之間的複雜3D流場，使得對它的評估相當複雜。 然而，現代計算機流體動力學(CFD)包含功能強大的軟體，它改善了對燃氣渦輪發動機中複雜3D流束的數學分析能力，並提供一種實現渦輪葉片設計得以進一步改善的機制.
舉例來說，人們希望通過減少葉尖流洩漏，或增加渦輪效率，或改善葉尖冷卻，或者這些因素單獨的或共同的任意組合，來改進渦輪葉片的設計。 發明內容渦輪葉片包括終結在葉尖的翼型。此葉尖包括與凹壓力面一致的 第一翼肋，和與翼型凸吸力面一致的第二翼肋。第二翼肋是從吸力面 朝外擴口的。


下面參照附圖，對本發明的一些優選實施例及它的其它目的和優 點，進行更詳細的具體說明，附圖中圖l是示例性第一級渦輪轉子葉片的局部剖視軸側圖。圖2是沿圖1中2-2線的通過葉片翼型的徑向剖視圖。圖3是圖1中翼型葉尖的放大吸力面視圖。圖4是沿圖1中4-4線通過翼型葉尖前部的橫向徑向剖視圖。圖5是沿圖1中5-5線通過翼型葉尖後部的橫向徑向剖視圖。
具體實施方式
圖1所示為用於燃氣渦輪發動機HPT內的示例性第一級渦輪轉子 葉片10。此葉片一般是用超級合金鑄造而成，包括翼型12，在其葉根 的平臺14，和支撐燕尾16 (—個整體的單件組件)。燕尾16可以是如圖1所示的任意普通形式軸向進入燕尾，它將葉 片安裝在支撐轉子盤(未示出)的相應燕尾槽內。此盤支撐著一整行 葉片，它們沿周向彼此隔開，在其間形成葉片中間的流通道。運行過程中，燃燒氣體18是在發動機(未示出)的燃燒室內產生 的，並被適當向下遊導引至相應的渦輪葉片IO上方，葉片從燃燒氣體 提取能量，為支撐轉子盤提供動力。單個平臺14為燃燒氣體提供徑向 內邊界，並連接整行渦輪葉片中的各相鄰平臺.圖1和2中所示的翼型12包括周向或橫向相對的壓力面和吸力面 20、 22，它們沿軸伸展在相對的前緣和後緣24，26之間的翼弦內，且翼 型沿徑向伸展在從翼型葉根28的跨度內，以終止在徑向外葉尖蓋即葉 尖30內。翼型壓力面20 —般在前緣和後緣之間是凹陷的，與前緣和 後緣之間的通常為凸出的翼型吸力面22互補。翼型的壓力面和吸力面20、 22的外表面具有典型的新月形狀即輪 廓，通常做成能影響它們在運行中的相應速度和壓力分布，以最大限 度地從氣體中提取能量。翼型12—般是空心的並包括一個內冷卻迴路32，後者可以具有任 意慣用結構，如圖中所示的兩個三通路蛇形迴路，它們終止於前緣後 和後緣前的相應流通路內。此冷卻迴路穿過平臺和燕尾，在燕尾底座 內具有相應的入口，用來以任意慣用方式從發動機的壓縮機(未示出) 接收已加壓的冷卻空氣。按這種方式，葉片從葉根到葉尖並在前緣和後緣之間被內冷卻空 氣從內部冷卻，然後空氣可通過在普通尺寸和結構的各行薄膜冷卻孔 內的薄翼型側壁排出。由於翼型的前緣一般承受著最熱的入射燃燒氣體，將以任何適當 的方式為它提供專用的冷卻。同時翼型薄後緣區域一般包括一行壓力 面前緣冷卻槽，用來排出部分用過的冷卻空氣。如上所述，最初示於圖1的渦輪翼型12具有精確構建的3D外部 輪廓，當燃燒氣體18沿軸向下遊方向從前緣24流向後緣26時，此輪 廓將影響燃燒氣體的速度和壓力分布。葉片被固定在支撐盤的周邊並 在運行時旋轉，從而在燃燒氣體中產生二次流場，此時燃燒氣體沿翼 型跨度具有典型的徑向朝外遷移。另外，燃燒氣體在翼型壓力面20上的相對壓力高於沿翼型吸力面 的壓力，同時連同葉片在運行時相應的旋轉，當燃燒氣體在運行時徑 向朝上並越過外露的翼型葉尖30流動時，將在燃燒氣體流場內引起進 一步的二次或三次偏差。上述渦輪轉子葉片在結構和運行上可以是普通的，可用於包括 HPT第一級等燃氣渦輪發動機中。然後可對此普通葉片按下面所述進 行修改，使翼型葉尖30包括第一和第二鳴聲器葉尖翼肋36、 38,後者 分別是翼型壓力面和吸力面即側壁20、 22的徑向整體延伸，且輪廓或 曲率與其一致。
第一即壓力面翼肋36按翼弦與翼型的凹壓力面20的形狀或輪廓 一致，相應地，笫二或吸力面翼肋38的弦輪廓與翼型的凸吸力面22一致o從圖l和3可以很清楚看出，兩個翼肋36、 38在翼型前緣和後緣 24、 26之間橫向分開，在翼型徑向外葉尖處形成開放即外露的葉尖腔 體40。兩個翼肋36、 38在翼型前緣24和比較薄的翼型後緣26處整體 地連在一起，為葉尖腔體40提供完整的周圍邊界。葉尖腔體包括葉尖層42，它將相對的翼型壓力和真空側壁搭連起 來，以包圍翼型的徑向外端和內冷卻迴路32。葉尖層42 —般是實心的，但可以有小的冷卻孔或塵埃孔(未示出)，以按任何慣常方式從內冷 卻迴路排出一些用過的空氣。如上所迷，兩翼肋36、 38提供相應的壓力和真空側壁短徑向延伸， 並引入凹陷的葉尖腔體，以改善渦輪葉片的性能和壽命。小的翼肋可 適應渦輪內偶爾的葉尖摩擦，並由此保護冷卻迴路。但葉尖腔體還提 供一個局部區域，當燃燒氣體洩漏到壓力面和吸力面之間的葉尖上方 時，運行中燃燒氣體在這個區域上方流動。為進一步改善圖1-3所示渦輪葉片的性能，建議將第二或吸力面 翼肋38從翼型吸力面外表面做成徑向朝外和朝側面的擴口形，以在其 上提供小的突起。例如，可以把第二翼肋38從典型的矩形結構修改成 包括一個外部或外側表面擴口 44，其典型形狀為拱形圓角。吸力面擴 口 44示於圖4的橫截面中，它從翼型吸力面22沿徑向朝外方向側向 朝外擴展到第二葉尖翼肋38的外表面。圖2表示一例翼型徑向截面及其典型的新月形輪廓，它按需要從 翼型的葉根至葉尖部適當地變化，以從燃燒氣體提取能量。各種徑向 截面的共同點是，翼型的橫向寬度W從前緣24以後急劇增加到最大 寬度駝峰位置(正好在翼型中弦前)，然後翼型寬度逐漸減小至窄即 薄的後緣26。建議吸力面擴口 44沿弦連續伸展到前緣24和最大翼型寬度的後面。在翼型吸力面上，擴口 44從翼型前緣24開始伸展，並沿第二翼 肋38按朝後緣的下遊方向連續伸展。擴口 44沿著第二翼肋38延續到終止於葉尖30的最大翼型寬度附 近，如圖2和3所示。擴口可終止於離葉尖最大寬度不遠處，或者就 終止在那個位置，或者稍為延伸到它的後面，如圖2所示的實施例。 擴口 44在吸力面第二翼肋38上的弦長將根據具體的渦輪葉片結構和 翼型葉尖上方的燃燒氣體流場而改變。既然第二翼肋38本身從前緣24連續伸展到後緣26 (它在此處與 第一翼肋36連接)，那麼擴口 44就在葉尖最大翼型寬度緊後處融合 或終止於翼型吸力面內。舉例而言，擴口 44的第二翼肋38可以向後 伸展到前緣和後緣之間翼型弦長的10-30%左右。在吸力面後端剩下 的70-90%弦長可能不擴口，而吸力面22的外表面共平面延拓到已終 止的擴口 44後面的第二翼肋38的全部外側表面上。圖l-3繪出了燃燒氣體18的流線圖的示例，它們在翼型前緣24 附近分開並沿翼型相對兩面向後行進。沿葉尖附近翼型前緣入射的氣 體流線朝側面擴散，並徑向朝外地流到第一和第二翼肋36、 38的相應前部。因而，通過在吸力面第二翼肋38上引進擴口 44，為對抗本地流線 的自由流動而提供了附加的外伸限制。圖4顯示在葉尖最大翼型寬度 附近的翼型橫截面，此葉尖被徑向安裝在周圍的渦輪護罩46內(圖中 顯示了一部分)。翼型的徑向跨度選成能把葉尖30緊靠著護罩46的 內表面，以在其間提供小的徑向間隙，在運行中一些燃燒氣體將通過 此間隙洩漏。當燃燒氣體如圖3和4所示在翼型前緣區域徑向朝外流動時，沿 翼型吸力面的擴口第二翼肋38對它引進有效的流動限制。為補充前緣24附近擴口笫二翼肋的性能，可將圖1-4所示的壓 力面第一翼肋36從前緣24附近的壓力面20相應地向外擴口 ，並與已 擴口的第二翼肋38整體相連。如圖2和4所示，笫一翼肋36的外表面 包括相應的擴口44，用來造成圍繞翼型前緣的相應壓力面突出。圖3和4示意地表示，擴口的第一和第二翼肋36、 38如何圍繞葉 尖處的翼型前緣連續伸展，並在燃燒氣體流過翼型葉尖和通過護罩-翼型間隙時，提供對沿軸向下遊方向燃燒氣體流的相應阻力。如圖1 - 3所示的擴口第一翼肋36最好融合或終止於前緣26附近 的翼型壓力面20內，並且因此在長度上比在遠為上遊處終止的相對吸 力面上的擴口第二翼肋38要長得多。伸出的擴口 44的寬度或長度在變化著的翼型吸力面和壓力面輪廓
上可按需要改變。例如，吸力面擴口 44的寬度從它終端結尾起可以基 本不變，而吸力面圍繞翼型前緣24進入其起始處。如圖2所示，圍繞前緣的擴口寬度然後可以增加到前緣緊後面壓 力面上的最大寬度，以避免最熱的氣體處在直接入射在前緣的燃燒氣 體的臨界點上。然後，壓力面擴口 44在它的前緣附近的終點(它在這 裡與壓力面20的直線徑向輪廓融合)之後可以具有基本不變的寬度。由於如圖1-3所示在相對壓力面和吸力面20、 22之間的不均勻 壓力分布，燃燒氣體流洩漏的主要方向是在前緣和後緣之間的壓力面 全部範圍內，並從翼型吸力面比較平的後段上出來。圖5表示翼型窄後部的側面徑向剖視圖，它在寬度上的錐度比圖4所示的寬翼型前段的寬度要小。在翼型窄後區域的主要洩漏方向是在 壓力面至吸力面的翼型葉尖上，壓力面擴口 44阻止或阻擋在葉尖間隙 上的流洩漏。但是，圖1-3所示的翼型前緣24處的燃燒氣體流線的主要方向 是垂直於前緣，而氣體流是平行於翼型前部的後段。圖3和4所示的 反向擴口的第一和第二翼肋36、 38阻止燃燒氣體圍繞前緣和進入葉尖 間隙的自由流動。圖3顯示，圍繞翼型葉尖的分叉入射流後來可能流過相對的翼肋 上方並流入開放葉尖腔40內。葉尖腔體40在兩個翼肋之間向後收縮， 翼肋將葉尖氣體引向後方，以排至第二翼肋38和相應吸力面22的後 部。圖4和5所示擴口的笫一和第二翼肋36、 38可具有適當的形狀， 以提供阻止流動的突出(最好是如上所述圍繞翼型)。擴口 "最好是 從翼型的相對面側向朝外擴展，而且最好是在葉尖層42上面。由於擴口 44在相對的壓力面和吸力面20、 22的空氣動力學輪廓 中引進了局部阻斷，它們的尺寸應該儘可能小或者實際上能做到多小 就多小，以阻止葉尖洩漏而不會由於擴口本身而降低渦輪效率。擴口 44最好是從翼型相對側壁外凹的，而且是在圖4和5所示的 徑向橫截面內切向與此相融合。凹形擴口 44在壓力面和吸力面的橫截 面內最好是拱形的，且可以是典型圓角形狀的圓弧，或者可以具有所 需的複合曲率，也可以是分段的直線。圖3-5表示，兩個翼肋36、 38具有離公共葉尖層42基本相等的終止於圍繞葉尖腔體40的整個周邊的共平面標 高或跨度。這樣，兩個翼肋36、 38提供與葉尖護罩46基本均勻的徑 向間隙.同時，這兩個翼肋是從如圖1所示的前緣24兩側上的葉尖腔 體40的入口側向朝外局部擴口的，並如上述由此朝後伸展且終止。舉例來說，示於圖4的擴口翼肋36、 38自身在徑向終止於比較尖 的角落，後者伸出各自的翼型葉尖壓力面和吸力面20、 22。因此，擴 口翼肋受到運行中的燃燒氣體的加熱，同時可以用任何慣用的方式冷 卻。例如，可以通過葉尖層42提供各種冷卻孔(未示出)，以從內冷 卻迴路32將用過的冷卻空氣排入葉尖腔體內，從而冷卻兩個翼肋的內 側表面。另外，可通過正好在擴口下面的側壁20、 22提供薄膜冷卻孔， 以冷卻其外薄膜。兩翼肋的內側表面可以是兩側壁20、 22內表面的徑向直線延伸， 在這種場合下，擴口 44將給葉片增加額外的質量。但是，兩翼肋36、 38的內側表面可具有凸出的擴口 (如圖中虛線 所示)，以維持每個翼肋36、 38的厚度基本不變並消除由擴口附加的 重量，與此同時，由於內側表面是徑向朝外張開，相應地增大了葉尖 腔體40的尺寸。曾對上述渦輪葉片設計例子進行過CFD分析。原始的葉片(未示出)是沒有擴口的，並具有典型的矩形截面壓力面和吸力面葉尖翼肋。 分析指出，單獨在前緣和後緣24、 26之間引入壓力面擴口 44，可以顯 著改善渦輪葉片的空氣動力學效率，同時還將顯著減少燃燒氣體在翼 型葉尖上的洩漏。分析還預示，引入吸力面擴口 44雖然不一定進一步增加葉片效 率，但可相當顯著地進一步減少燃燒氣體在翼型葉尖上的洩漏。因此，按上面建議的安排引入吸力面擴口 44具有顯著降低翼肋中 翼型葉尖洩漏的功能，不管其對空氣動力學效率的影響如何，而且基 本上不會使渦輪效率變壞。如上所迷，渦輪效率，葉尖洩漏，和葉尖冷卻是燃氣渦輪中的主 要設計目標，而且根據複雜的3D流場它們是相互關聯的。分析證實， 上述壓力面和吸力面擴口在翼型的相對面上的作用是不相同的。壓力 面葉尖擴口對顯著增加渦輪效率是有效的，而減少葉尖洩漏的作用是
次要的。相反，由於對入射燃燒流線的局部影響，吸力面葉尖擴口對降低 葉尖洩漏是有效的，而對效率幾乎沒有什麼影響。因此，在另一些實施例中，可以獨立使用吸力面葉尖擴口而不用壓力面葉尖擴口a另外，為改善HPT轉子葉片的性能，可以使用具有所需其它特性的任何一面擴口 .雖然此處已說明什麼被認為是優選的，並對本發明的一些實施例 作了說明，但顯然本專業技術人員可根據本說明對本發明作其它修 改，因此我們希望確認，在下面的權利要求書中所有此類修改是屬於 本發明的真實思想和範疇之內。因此，我們希望通過美國專利證確認由下面的權利要求書界定和 鑑別的本發明。部件列表10轉子葉片12翼型14平臺16燕尾18燃燒氣體20壓力面22吸力面24前緣26後緣28翼型葉根30葉尖32冷卻迴路34冷卻空氣36笫一葉尖翼肋38第二葉尖翼肋40葉尖腔體42葉尖層44擴口46渦輪護罩
權利要求
1.一種渦輪葉片(10)，包括翼型(12)，在它葉根的平臺(14)，和支撐燕尾(16)；該翼型(12)具有相對的壓力面和吸力面(20、22)，伸展在前緣和後緣(24、26)之間的弦內及從葉根至葉尖(30)的跨度內；該葉尖(30)包括分別與所述壓力面和吸力面(20、24)一致的所述第一和第二翼肋(36、38)，它們在前緣和後緣(24、26)之間橫向分開以形成葉尖腔體(40)，它具有包圍翼型(12)的一層(42)；及所述第二翼肋(38)包括一個外側表面擴口(44)，它從吸力面(22)橫向朝外擴展。
2. 如權利要求l的葉片，其中所述翼型(12)的寬度從前緣(24) 後部增加到最大寬度，所述擴口 (44)在葉尖處前緣(24)和最大寬 度之間沿弦伸展。
3. 如權利要求2的葉片，其中所述擴口 (44)從前緣(2"後部伸展。
4. 如權利要求3的葉片，其中所述擴口(44)終止於所述葉尖(30)處翼型最大寬度附近，
5. 如權利要求3的葉片，其中所述擴口 (44)橫向朝外擴展到葉 尖層(42)上方。
6. 如權利要求5的葉片，其中所述擴口 (44)從所述吸力面(22)朝外凹並與所述吸力面相融合。
7. 如權利要求5的葉片，其中所述擴口 (")在所述吸力面(22)的橫截面內為拱形。
8. 如權利要求5的葉片，其中所述第一翼肋(36)是圍繞前緣(24)從所述壓力面(20)朝外擴口的，所述第一翼肋(36)在該處與所述 擴口的第二翼肋(38)成為一個整體。
9. 如權利要求8的葉片，其中所述第一和第二翼肋(3" 38)圍 繞葉尖腔體(40)為共平面，且在所述前緣(24)兩側上從腔體口側向朝外擴口。
10. 如權利要求9的葉片，其中所述擴口的第一翼肋(36)在前緣(24)附近融離入壓力面(20)中；以及所述擴口的第二翼肋(38)在葉尖(30)處翼型最大寬度的後部 融離入吸力面(22)中。
全文摘要
渦輪葉片(10)包括翼型(12)，它終止於葉尖(30)內。此葉尖(30)包括與翼型(12)的凹壓力面(20)一致的第一翼肋(36)，和與翼型(12)凸吸力面(22)一致的第二翼肋(38)。第二翼肋(38)是從吸力面(22)向外擴口的。
文檔編號F01D5/14GK101131096SQ20071014173
公開日2008年2月27日 申請日期2007年8月21日 優先權日2006年8月21日
發明者B·D·凱思, K·S·克拉辛, P·H·維特, 李經邦 申請人:通用電氣公司