渦輪機翼型件的同步的製作方法
2023-05-06 05:06:11
專利名稱：渦輪機翼型件的同步的製作方法
技術領域：
本申請涉及渦輪發動機。更具體而言，但並非通過限制的方 式，本申請涉及將一排中的翼型件相對於鄰近或相鄰排中的翼型件進 行定位，以便實現一定的工作益處。
背景技術：
燃氣渦輪發動機通常包括壓縮機、燃燒器和渦輪。壓縮機和
渦輪通常包括軸向地疊置成多級的成排的翼型件或葉片。各級通常均 包括一排固定的周向間隔開的定子葉片，以及一組圍繞中心軸線或軸
旋轉的周向間隔開的轉子葉片。通常在工作中，壓縮機轉子中的轉子 葉片圍繞軸旋轉，以壓縮空氣流。所供送的壓縮空氣用於燃燒器中， 以燃燒供送來的燃料。由燃燒產生的熱氣流擴散穿過渦輪，致使渦輪 轉子葉片圍繞軸旋轉。以此方式，燃料中所含有的能量轉換成旋轉葉 片的機械能，該機械能可用於旋轉壓縮機的轉子葉片以及使發電機的 線圈旋轉來發電。在工作期間，由於極端溫度、工作流體的速度，以 及轉子葉片的轉速，穿過壓縮機和渦輪二者的定子葉片和轉子葉片都 為高應力零件。通常，在渦輪發動機的壓縮機段和渦輪段中，相鄰或鄰近級 的定子葉片排或轉子葉片排構造成具有數目大致相同的周向間隔開 的葉片。在致力於改善渦輪發動機的航空效率期間，已經努力使一排 中的葉片的周向位置相對於相鄰或鄰近排中的葉片的周向位置變換 角度(index)或"同步(clock)"。然而，儘管僅極小地或可忽視地改善了 發動機的航空效率，但已發現這類常規同步方法的作用通常會增大工 作期間作用在翼型件上的機械應力。當然，增大的工作應力會引起葉片故障，這可導致對燃氣渦輪發動機的大範圍損壞。至少，增大的工 作應力會縮短翼型件的零件壽命，這會增加運行發動機的成本。對能量日益增加的需求使得設計出效率更高的渦輪發動機 成為正在進行的且相當重要的一個目標。然而，使渦輪發動機更為高 效的許多方法將附加的應力置於發動機的壓縮機段和渦輪段的翼型 件上。也就是說，渦輪機的效率通常可通過多種方式來提高，包括較 大的尺寸、點火溫度和/或轉速，所有這些都在工作期間將較大的應變 置於翼型件上。結果，需要減小渦輪機翼型件上的應力的新的方法及 系統。減小作用於翼型件上的工作應力的用於使渦輪機翼型件同步的 新的方法及系統將成為朝向設計出更為高效的渦輪發動機的重要一 步。
發明內容
因此，本申請描述了一種渦輪發動機的壓縮機中的翼型件 組件，其包括至少三個軸向疊置的翼型件排中間翼型件排、第一上 遊翼型件排，以及第一下遊翼型件排。中間翼型件排可由第一上遊翼 型件排和第一下遊翼型件排在各側限定邊界，該第一上遊翼型件排包 括在中間翼型件排上遊方向的第一排翼型件，該第一下遊翼型件排包 括在中間翼型件排下遊方向的第一排翼型件。第一上遊翼型件排和第 一下遊翼型件排可具有大致相同數目的相似形狀的翼型件。第一上遊 翼型件排和第 一下遊翼型件排均可包括在工作期間以大致相同速度 旋轉的一排轉子葉片。中間翼型件排可包括在工作期間保持大致靜止 的一排定子葉片。第一上遊翼型件排的至少90%的翼型件和第一下遊 翼型件排的至少90%的翼型件可構成處於25%至75%的間距之間的同 步關係。本申請還描述了一種運行具有壓縮機的渦輪發動才幾的方 法。該壓縮^L可具有至少三個軸向疊置的翼型件排中間翼型件排， 第一上遊翼型件排，以及第一下遊翼型件排。中間翼型件排可由第一
7上遊翼型件排和第一下遊翼型件排在各側限定邊界，該第一上遊翼型 件排包括在中間翼型件排上遊方向的第 一排翼型件，該第 一下遊翼型 件排包括在中間翼型件排下遊方向的第 一排翼型件。第 一上遊翼型件 排和第一下遊翼型件排可具有大致相同數目的相似形狀的翼型件。第 一上遊翼型件排和第一下遊翼型件排均可包括在工作期間以大致相 同速度旋轉的一排轉子葉片。中間翼型件排可包括在工作期間保持大 致靜止的一排定子葉片。該方法可包括步驟構造第一上遊翼型件排
的翼型件和第一下遊翼型件排的翼型件，^:得第一上遊翼型件排的至 少90%的翼型件和第一下遊翼型件排的至少90%的翼型件構成處於 25%至75%的間距之間的同步關係。在燃氣渦輪發動機的壓縮機中，壓縮機包括至少六個軸向 疊置的翼型件排第一轉子葉片排、跟隨之後的是第一定子葉片排、 跟隨之後的是第二轉子葉片排、跟隨之後的是第二定子葉片排、跟隨 之後的是第三轉子葉片排、跟隨之後的是第三排定子葉片，其中，第 一排轉子葉片、第二排轉子葉片和第三排轉子葉片都具有大致相同數
目的相似形狀的轉子葉片，該轉子葉片在工作期間以大致相同的速度 旋轉，本申請還描述了一種運行渦輪發動機的方法，其包括步驟構 造第一排轉子葉片的翼型件和第二排轉子葉片的翼型件，使得大致所 有的第 一排轉子葉片翼型件和大致所有的第二排轉子葉片翼型件都 構成處於25%至75%的間距之間的同步關係；以及構造第二排轉子葉 片的翼型件和笫三排轉子葉片的翼型件，使得大致所有的第二排轉子 葉片的翼型件和大致所有的第三排轉子葉片的翼型件都構成處於25% 和75%的間距之間的同步關係。通過對優選實施例的如下詳細描述，同時結合附圖和所附權 利要求，本申請的這些及其它特徵將變得更為明顯。
通過仔細研究本發明示例性實施例的如下更為詳細的描述
8並結合附圖，可更為完全地理解和認識本發明的這些及其它目的和優 點，在附圖中圖l為本申請的實施例可用於其中的示例性渦輪發動機的簡
圖；圖2為本申請的實施例可用於其中的燃氣渦輪發動機的壓縮 機的截面圖；圖3為本申請的實施例可用於其中的燃氣渦輪發動機的壓縮 機的截面圖；圖4為示出示例性同步關係的鄰近翼型件排的簡圖； [114]圖5為示出示例性同步關係的鄰近翼型件排的簡圖； 卩15]圖6為示出示例性同步關係的鄰近翼型件排的簡圖；以及 [116]圖7為示出示例性同步關係的鄰近翼型件排的簡圖；以及 [117]圖8為示出根據本申請的示例性實施例的同步關係的鄰近翼 型件排的簡圖。
零件清單
100燃氣渦輪發動機
106壓縮4幾
110渦專侖
112燃燒器
118壓縮才幾
120壓縮機轉子葉片
122壓縮機定子葉片
124渦輪
126渦輪轉子葉片
128渦輪定子葉片
130翼型件
134第一翼型件排136第二翼型件排
138第三翼型件排 140，142箭頭 171第一翼型件排 172第二翼型件排 173第三翼型件排 174第四翼型件排 175第五翼型件排
具體實施例方式現參看附圖，圖1示出了燃氣渦輪發動機100的簡圖。通常， 燃氣渦輪發動機通過從加壓的熱氣流中獲取能量來運行，該熱氣流通 過燃燒壓縮氣流中的燃料而產生。如圖1中所示，燃氣渦輪發動機100 可構造成具有軸向壓縮機106，以及位於壓縮機106與渦輪110之間 的燃燒器112，其中，軸向壓縮機106通過公共的軸或轉子機械地聯 接到下遊的渦輪段或渦輪110上。注意，如下發明可用於所有類型的 渦輪發動機，包括燃氣渦輪發動機、蒸汽渦輪發動機、飛行器發動機 等。此外，本文所述的發明可用於具有多個軸和再加熱構造的渦輪發 動機，以及在燃氣渦輪機的情形下具有帶不同結構的燃燒器，例如， 環形或筒形燃燒器構造。在下文中，將參照如圖1中所示的示例性燃 氣渦輪發動機進行描述。如本領域的普通技術人員將會認識到的那 樣，這些描述僅為示例性的，而非以任何形式進行限制。圖2示出了可用於燃氣渦輪發動機的示例性多級軸向壓縮機 118的視圖。如圖所示，壓縮機118可包4舌多個級。各級均可包括一 排壓縮機轉子葉片120,跟隨之後的是一排壓縮機定子葉片122。因 此，第一級可包括圍繞中心軸旋轉的一排壓縮機轉子葉片120,跟隨 之後的是在工作期間保持靜止的一排壓縮機定子葉片122。壓縮機定 子葉片122通常彼此周向地隔開，且圍繞旋轉軸線固定。壓縮機轉子葉片120圍繞轉子軸線周向地隔開並在工作期間圍繞軸旋轉。如本領
域的普通技術人員將認識到的那樣，壓縮機轉子葉片120構造成使得 當圍繞軸自旋時，它們就將動能施加給流過壓縮機118的空氣或工作 流體。如本領域的普通技術人員將認識到的那樣，壓縮機118可具有 超出圖2中所示級以外的一些其它級。各個附加級均可包括多個周向 間隔開的壓縮機轉子葉片120，跟隨之後的是多個周向間隔開的壓縮 機定子葉片122。
視圖。渦輪124可包括多個級。雖然示出了三個示例性的級，但渦輪 124中可存在更多或更少的級。第一級包括在工作期間圍繞軸旋轉的 多個渦輪動葉或渦輪轉子葉片126，以及在工作期間保持靜止的多個 噴嘴或渦輪定子葉片128。渦輪定子葉片128通常彼此周向地隔開並 圍繞旋轉軸線固定。渦輪轉子葉片126可安裝在渦輪葉輪(未示出)上 以便圍繞軸(未示出)旋轉。還示出了渦輪124的第二級。第二級同樣 包括多個周向間隔開的渦輪定子葉片128，跟隨之後的是多個周向間 隔開的渦輪轉子葉片126，其同樣安裝在渦輪葉輪上以便旋轉。還示 出了第三級，且其同樣包括多個周向間隔開的渦輪定子葉片128和渦 輪轉子葉片126。將會認識到，渦輪定子葉片128和渦輪轉子葉片126 位於渦輪124的熱氣通路中。熱氣穿過熱氣通路的流向由箭頭標示。 如本領域的普通技術人員將認識到的那樣，渦輪124可具有超出圖3 中所示級以外的一些其它級。各個附加級均可包括多個周向間隔開的 壓縮機定子葉片128,跟隨之後的是多個周向間隔開的渦輪轉子葉片 126。注意如本文所用，在沒有進一步專指的情況下，參看"轉子 葉片"是指參看或壓縮機118或渦輪124的旋轉葉片，其包括壓縮機轉 子葉片120和渦輪轉子葉片126 二者。在沒有進一步專指的情況下， 參看"定子葉片"是指參看或壓縮機118或渦輪124的靜止葉片，其包 括壓縮機定子葉片122和渦輪定子葉片128。用語"翼型件"將在文中用於指示任一類型的葉片。因此，在沒有進一步專指的情況下，用語 "翼型件"包括所有類型的渦輪發動機葉片，包括壓縮機轉子葉片120、
壓縮機定子葉片122、渦輪轉子葉片126,以及渦輪定子葉片128。在使用中，軸向壓縮機118內的壓縮機轉子葉片120的旋轉 可壓縮氣流。在燃燒器112中，當壓縮空氣與燃料相混合且被點燃時， 可釋》文出能量。來自於燃燒器112的最終所形成的熱氣流然後可引導 到渦輪轉子葉片126上，這可引起該渦輪轉子葉片126圍繞軸旋轉， 從而將熱氣流的能量轉換成旋轉軸的機械能。軸的機械能然後可用於 驅動壓縮機轉子葉片120旋轉，以便產生需要供給的壓縮空氣，以及 例如還驅動發電機來發電。通常，在燃氣渦輪機的壓縮機106和渦輪110中，相鄰或鄰 近排的翼型件130可具有大致相同的構造，即具有數目相同的尺寸相 似的翼型件，其類似地圍繞該排的圓周間隔開。當在這種情況時，以 及此外，當兩排或多排運行使得在各排之間(如在這種情況下，例如， 在兩排或多排轉子葉片之間或在兩排或多排定子葉片之間)沒有相對 運動時，這些排中的翼型件可為"同步的"。如本文所用，用語"同步的" 或"同步"是指在一排中的翼型件的周向定位相對於相鄰排中的翼型件 的周向定位是固定的。圖4至圖7示出了成排的翼型件130可怎樣同步的實例的簡 化示意圖。這些附圖包括並排示出的三排翼型件130。圖4至圖7中 的外部兩排翼型件130可分別表示轉子葉片排，而中間的一排可表示 定子葉片排，或如本領域的普通技術人員將認識到的那樣，外部的兩 排可表示定子葉片排，而中間的一排可表示轉子葉片排。如本領域的 普通技術人員將認識到的那樣，外部的兩排，不論它們為定子葉片或 轉子葉片，在它們之間基本上沒有相對運動(即在工作期間都保持靜止 或都以同樣的速度旋轉)，同時，該兩個外部排均具有相對於中間排的 大致相同的相對運動(即兩個外部排旋轉而中間排保持靜止，或兩個外 部排保持靜止而中間排旋轉)。此外，如已經描述的那樣，為了使兩個
12外部排之間最為有效地同步，它們必須分別相似地進行構造。因此， 圖4至圖7中的兩個外部排可^R定為具有數目大致相同的翼型件，且 各排上的翼型件均可假定為尺寸相似和相似地圍繞各排的圓周間隔 開。對於圖4至圖7中的實例，外部的第一排翼型件可稱為第一 上遊翼型件排或第一翼型件排134,中間的一排翼型件可稱為中間翼 型件排或第二翼型件排136,以及外部的另一排翼型件可稱為第一下 遊翼型件排或第三翼型件排138。第一翼型件排134和第三翼型件排 138的相對運動由箭頭140標示。可表示穿過壓縮機118或渦輪124 的流動方向的流向，不論在何種情況下，都可由箭頭142標示。注意， 圖4至圖7中所用的示例性翼型件排已經用用語"第一"、"第二，，以及 "第三"進行了描述。在各圖中，該描述僅適用於所示排關於其它排的 相對定位，而並未示出相對於渦輪發動機中的其它翼型件排的總體定 位。例如，其它翼型件排可定位在"第一翼型件排136"的上遊(即第一 翼型件排136不必是渦輪發動機中的第一排翼型件)。 —排翼型件的"間距"在文中用於表示圍繞特定排的圓周的 重複式樣(pattem)的尺寸。因此，間距可描述為例如特定排中的翼型件 的前緣與同一排中的任一鄰近翼型件的前緣之間的周向距離。例如， 間距還可描述為特定排中的翼型件的後緣與同一排中的任一鄰近翼 型件的後緣之間的周向距離。將會認識到，為了使同步更為有效，兩 排通常將具有相似的間距尺寸。如圖所示，第一翼型件排134和第三 翼型件排138具有大致相同的間距，其已在圖4的第三翼型件排138 中表示為距離144。還要注意，提供了圖4至圖7的同步實例，以便 可繪出和理解描述相鄰或鄰近翼型件排之間的各種同步關係的 一致 方法。總而言之，如下文更為充分地描述，兩排之間的同步關係將給 定為間距尺寸的百分比。也就是說，間距尺寸的百分比指出了兩排上 的翼型件同步或偏移的距離。因此，間距尺寸的百分比例如可描述特 定排上的翼型件前緣和第二排上的對應翼型件的前緣相對於彼此偏移的周向距離。圖4至圖7提供了兩個外部排(即第一翼型件排134與第三 翼型件排138)之間的不同同步關係的幾個實例。在圖4中，如將認識 到的那樣，第三翼型件排138相對於第一翼型件排134偏移大約0% 的間距。因此，如圖所示，第三翼型件排138中的翼型件130的周向 位置落後第一翼型件排134中的對應翼型件130大約0%的間距尺寸 的偏移，這當然意指第三翼型件排138中的翼型件130保持與第一翼 型件排134中的對應翼型件130大致相同的周向位置。同樣，第一翼 型件排134中的翼型件130的前緣(其中的一個以參考標號148標示) 領先第三翼型件排138中的對應翼型件130前緣(其以參考標號150標 示)大約0%的間距尺寸的周向距離，這意指對應翼型件的前緣佔據大 致相同的周向位置。在圖5中，如將認識到的那樣，第三翼型件排138相對於第 一翼型件排134偏移大約25%的間距。因此，如圖所示，第三翼型件 排138中的翼型件130的周向位置落後(給定外部排的相對運動方向) 第一翼型件排134中的對應翼型件130大約25%的間距尺寸的偏移。 同樣，第一翼型件排134中的翼型件130的前緣(其中的一個以參考標 號154標示)領先第三翼型件排138中的對應翼型件130前糹彖(其以參 考標號156標示)大約25%的間距尺寸的周向距離。在圖6中，如將認識到的那樣，第三翼型件排138相對於第 .一翼型件排134偏移大約50%的間距。因此，如圖所示，第三翼型件 排138中的翼型件130的周向位置落後(給定外部排的相對運動方向) 第一翼型件排134中的對應翼型件130大約50%的間距尺寸的偏移。 同樣，第一翼型件排134中的翼型件130的前緣(其中的一個以參考標 號158標示)領先第三翼型件排138中的對應翼型件130前緣(其以參 考標號160標示)大約50%的間距尺寸的周向距離。在圖7中，如將認識到的那樣，第三翼型件排138相對於第 一翼型件排134偏移大約75%的間距。因此，如圖所示，第三翼型件
14排138中的翼型件130的周向位置落後(給定外部排的相對運動方向) 第一翼型件排134中的對應翼型件130大約75%的間距尺寸的偏移。 同樣，第一翼型件排134中的翼型件130的前緣(其中的一個以參考標 號162標示)領先第三翼型件排138中的對應翼型件130前緣(其以參 考標號164標示)大約75%的間距尺寸的周向距離。當然，翼型件130可與上述關係(即0%、 25%、 50%、 75% 的間距)不同地同步(即保持第 一翼型件排與第三翼型件排之間的不同 偏移)。儘管上述的一些同步關係是在當前發明(如下文更為詳細地描 述)的一些實施例內，但它們也是示例性的，且旨在使用於描述多個相 鄰或鄰近的翼型件排之間的同步關係的方法變得清楚。本領域的普通 技術人員將認識到其它方法也可用於描述同步關係。本文所用的示例 性方法並非旨在以任何方式進行限制。相反，如下文和權利要求中所 述，重要的是相鄰翼型件之間的相對定位(即同步關係)，而非描述同 步關係的方法。通過分析模型和實驗數據，已經發現有些同步構造為壓縮機 118和渦輪124提供了一定的工作益處。更具體而言，已發現翼型件 排在工作期間所經受的機械應力或工作應力(這可包括翼型件尤其是 定子葉片的振動和搖擺)可受到鄰近和/或相鄰的翼型件排的同步關係 的顯著影響。 一些同步關係增大了作用在特定翼型件排上的工作應 力，同時其它同步關係減小了作用在該排上的應力。此外，儘管圖4 至圖7僅示出了涉及3個翼型件排的同步構造，但已發現跨越附加排 的同步關係也可以使用，以便能實現更多的工作益處。圖8示出了根據本發明示例性實施例的同步構造。圖8包括 並排示出的五個翼型件排；第一翼型件排171;第二翼型件排172; 第三翼型件排173;第四翼型件排174;以及第五翼型件排175。如本 領域的普通技術人員將認識到的那樣，第一翼型件排171、第三翼型 件排173，以及第五翼型件排175可表示轉子葉片，且在這些轉子葉 片排之間，第二翼型件排172和第四翼型件排174可表示定子葉片排。作為備選，第一翼型件排171、第三翼型件排173和第五翼型件排175
也可表示定子葉片。在這種情況下，在定子葉片排之間，第二翼型件
排172和第四翼型件排174可表示轉子葉片。此外，如本領域的普通 技術人員將認識到的那樣，第一翼型件排171、第三翼型件排173和 第五翼型件排175，不論它們是否分別為定子葉片或是轉子葉片，在 工作期間它們之間大致沒有相對運動(即，所有排如果它們為定子葉片 則保持靜止而如果為轉子葉片則以相同的速度旋轉)。還有，第二翼型 件排172和第四翼型件排174，不論它們是否分別為定子葉片或是轉 子葉片，在工作期間它們之間大致沒有相對運動(即，這兩排如果它們 為定子葉片則保持靜止而如果為轉子葉片則以相同的速度旋轉)。假定 這樣的話，第一翼型件排171、笫三翼型件排173和第五翼型件排175 當然將具有相對於第二翼型件排172和第四翼型件排174的大致相同 的相對運動(即，第一翼型件排171、第三翼型件排173和第五翼型件 排175旋轉而第二翼型件排172和第四翼型件排174保持靜止，或該 三排保持靜止而第二翼型件排172和第四翼型件排174旋轉)。如本領 域的普通技術人員將認識到的那樣，圖8中的翼型件排可定位在渦輪 發動機的壓縮機118或渦輪124中。此外，如已經描述的那樣，為了使同步構造更為有效地執行， 第一翼型件排171、第三翼型件排173和第五翼型件排175通常可構 造成大致相同。同樣，圖8中的第一翼型件排171、第三翼型件排173 和第五翼型件排175通常可具有數目相同的翼型件或數目大致相同的 翼型件。各排上的翼型件也可為大致相同的尺寸，且圍繞各排的圓周 大致相同地間隔開。在圖8中，根據當前申請的示例性實施例，第三翼型件排173 可以大約50%的間距相對於第一翼型件排171同步。因此，如圖所示， 第三翼型件排173中的翼型件的周向位置落後(給定多排的相對運動 方向)第一翼型件排171中的對應翼型件大約50%的間距尺寸的偏移。 同樣，第一翼型件排171中的翼型件的前緣(其中的一個以參考標號
16182標示)領先第三翼型件排173中的對應翼型件的前緣(其以參考標 號184標示)大約50%的間距尺寸的周向距離。除了其它優點之外，分析模型和實驗數據已經證實，所示在 第一翼型件排171與第三翼型件排173之間具有近似值的同步構造(即 50%的間距)減小了在工作期間作用於第二翼型件排172的翼型件上的 應力，包括諸如振動和搖擺的才幾械應力。也就是i兌，已經發現，通過 按照圖8中所示的方式使兩個鄰近的翼型件排(即，位於特定排兩側上 的翼型件排)同步，可實現顯著減小作用於該特定排的翼型件上的工作 應力，以及非常接近或處在50%的間距值的同步構造在一些實施例和 應用中提供了接近最高水平的應力消除。還有，已經確定，在50%的 間距值± 10%範圍內的同步值提供了接近最大應力減小水平的應力減 小。(如本文所用，50%的間距± 10%為在45%至55%之間的間距範圍。) 如本領域的普通技術人員將認識到的那樣，除了其它優點之外，工作 應力的減小可延長翼型件的零件壽命，從而容許渦輪以成本效益更為 合算的方式工作。在一些實施例中，在兩個翼型件排如第一翼型件排171和第 三翼型件排173同步的情況下，第一翼型件排171可為一排壓縮機轉 子葉片120、第二翼型件排172可為一排壓縮機定子葉片122，而第 三翼型件排173可為一排壓縮機轉子葉片120。更具體而言，在本申 請的示例性實施例中，第一翼型件排171可為壓縮機第十四級中的一 排壓縮機轉子葉片120,第二翼型件排172可為壓縮機第十四級中的 一排壓縮機定子葉片122,而第三翼型件排173可為壓縮機第十五級 中的一排壓縮機轉子葉片120。在該示例性實施例的一些情形中，第 十四級和第十五級可為由通用電氣公司(Schenectady, New York)製造 的7F或9F燃氣渦輪發動機的F系列壓縮機的第十四級和第十五級。 此外，在該實例以及一些實施例中，壓縮機可具有總共17級翼型件， 各級均具有單排轉子葉片，跟隨之後的是單排定子葉片。除了 17級， F系列壓縮機還可具有一排進口導葉和兩排出口導葉。第十四級中的轉子葉片排可具有總共64個轉子葉片，而第十五級中的轉子葉片排 可具有總共64個轉子葉片。最後，在一些實施例中，第十四級中的
定子葉片排可具有總共132個定子葉片，而第十五級中的定子葉片排 可具有總共130個定子葉片。通過實驗數據和分析模型已經發現，如 本文所述和要求保護的那樣，同步關係可結合本段以上所述的壓縮機 構造良好地運行。此外，在備選實施例中，第一翼型件排171可為壓縮機第十 五級中的一排壓縮機轉子葉片120，第二翼型件排172可為壓縮機第 十五級中的一排壓縮機定子葉片122，而第三翼型件排173可為壓縮 機第十六級中的一排壓縮機轉子葉片120。在該示例性實施例的一些 情形中，第十五級和第十六級可為由通用電氣公司(Schenectady, New York)製造的7F或9F燃氣渦輪發動機的F系列壓縮機的第十五級和 第十六級。此外，在該實例以及一些實施例中，壓縮機可具有總共17 級翼型件，各級均具有單排轉子葉片，跟隨之後的是單排定子葉片。 第十五級中的轉子葉片排可具有總共64個轉子葉片，而第十六級中 的轉子葉片排可具有總共64個轉子葉片。最後，在一些實施例中， 第十五級中的定子葉片排可具有總共130個定子葉片，而第十六級中 的定子葉片排可具有總共132個定子葉片。通過實驗數據和分析模型 已經發現，如本文所述和要求保護的那樣，同步關係可結合本段以上 所述的壓縮機構造良好地運行。分析模型和實驗數據還證實，通過比上文所述的範圍更寬的 同步構造可以實現工作益處和應力減小，只是在一些實施例中，優點 並非那麼大。在為大約50%的間距±50%的第一翼型件排171和第三 翼型件排173之間的同步構造內，可減小工作應力。(如本文所用，50% 的間距±50%為在25%至75%之間的間距範圍。)如上文所述，當偏移 範圍接近50%的間距水平時可實現更好的結果。大約50%的間距± 30%的範圍(即在35%至65%的間距之間的間距範圍)內的偏移比該較 窄範圍外的值可才是供更為明顯的工作益處和應力減小。[140]圖8還包括兩個附加的翼型件排，第四翼型件排174和第五翼型件排175。以與上述第二翼型件排172相同的方式，通過使第五翼型件排175相對於第三翼型件排173同步，可減小第四翼型件排174上的工作應力。在一些實施例中，在兩個翼型件排同步對於中間的翼型件排有利的情況下，中間的翼型件排可為定子葉片排，而兩個同步
的翼型件排可為轉子葉片排。在其它實施例中，中間的翼型件排可為轉子葉片排，而兩個同步的翼型件排可為定子葉片排。翼型件排可為壓縮機翼型件排或渦輪翼型件排。此外，已經發現，通過使兩個以上的鄰近翼型件排(即直接在各側上的翼型件)同步，可進一步減小作用於特定翼型件排上的工作應力。第一翼型件排171、第三翼型件排173和第五翼型件排175可相對於彼此同步，使得在一些實施例中，位於第四翼型件排174的相對位置上的排可受到更為明顯減小的工作應力。在這種情況下，第三翼型件排173可以大約50%的間距相對於第一翼型件排171同步，而第五翼型件排175可以大約50%的間距相對於第三翼型件排173同步。因此，如圖所示，第一翼型件排171中的翼型件前緣(見參考標號182)領先第三翼型件排173中的對應翼型件的前緣(見參考標號184)大約50%的間距尺寸的周向距離，而第三翼型件排173中的翼型件前緣(見參考標號184)領先第五翼型件排175中的對應翼型件的前緣大約50%的間距尺寸的周向距離。可用於涉及三個同步翼型件排的實施例的間
同。也就是說，當第三翼型件排173以大約50%的間距相對於第一翼型件排171同步且第五翼型件排175以大約50%的間距相對於第三翼型件排173同步時，定位在第四翼型件排174中的翼型件可實現接近最大的應力消除。還已確定，在上述範圍內的第一翼型件排171、第三翼型件排173和第五翼型件排175的其它同步構造提供了明顯且重要的工作益處，以及減小了第四翼型件排174的工作應力。同樣，在45%與55%
19的間距之間、35%至65%的間距之間、或25%至75%的間距之間的間距範圍都可有不同程度地成功使用。此外，第一翼型件排171與第三翼型件排173以及第三翼型件排173與第五翼型件排175之間的同步關係不必為了實現工作益處和減小應力而相同(儘管它們可能大致相同)。也就是說，在三排同步的情況下，只要第一翼型件排171與第三翼型件排173之間的同步關係在其中的一個上述範圍內而第三翼型件排173與第五翼型件排175之間的同步關係也在其中的一個上述範圍內(但不同於第一翼型件排171與第三翼型件排173之間的同步關係)，便可實現工作益處和減小應力。筒而言之，只要兩者都在最寬的間距範圍內，即在25%至75%的間距之間，就將看到工作益處。在一些實施例中，使第一翼型件排171與第三翼型件排173以及第三翼型件排173與第五翼型件排175以相同或接近相同的間距同步可增大所實現的工作益處和減小應力。在一些實施例中，在三個翼型件排同步的情況下，第一翼型件排171、第三翼型件排173和第五翼型件排175可為轉子葉片排，而第二翼型件排H2和第四翼型件排174可為定子葉片排。在其它實施例中，第一翼型件排171、第三翼型件排173和第五翼型件排175可為定子葉片排，而第二翼型件排172和第四翼型件排174可為轉子葉片排。在任一情況下，翼型件排可定位在渦輪發動機的壓縮機或渦輪中。作為另外的優點，還可減小作用在相對於彼此同步的翼型件排上的工作應力，該翼型件排例如可包括第一翼型件排171和第三翼型件排173，或可包括第一翼型件排171、第三翼型件排173和第五翼型件排175。此外，在一些實施例中，在三個翼型件排如第一翼型件排171、第三翼型件排173以及第五翼型件排175同步的情況下，第一翼型件排171可為一排壓縮機轉子葉片120,第二翼型件排172可為一排壓縮機定子葉片122,第三翼型件排173可為一排壓縮機轉子葉片120,第四翼型件排174可為一排壓縮機定子葉片122，而第五翼型件排175可為一排壓縮機轉子葉片120。更具體而言，在本發明的示例性實施例中，第一翼型件排171可為壓縮^L第十四級中的一排壓
縮機轉子葉片120,第二翼型件排172可為壓縮機第十四級中的一排壓縮機定子葉片122,第三翼型件排173可為壓縮機第十五級中的一排壓縮機轉子葉片120，第四翼型件排174可為壓縮機第十五級中的一排壓縮機定子葉片122，而第五翼型件排175可為壓縮機第十六級中的一排壓縮機轉子葉片120。在該示例性實施例的一些情形中，第十四級、第十五級和第十六級可為由通用電氣/>司(Schenectady, NewYork)製造的7F或9F燃氣渦輪發動機的F系列壓縮才幾的第十四級、第十五級和第十六級。此外，在該實例以及一些實施例中，壓縮機可具有總共17級翼型件，各級均具有單排轉子葉片，跟隨之後的是單排定子葉片。第十四級中的轉子葉片排可具有總共64個轉子葉片，第十五級中的轉子葉片排可具有總共64個轉子葉片，而第十六級中的轉子葉片排可具有總共64個轉子葉片。最後，在一些實施例中，第十四級中的定子葉片排可具有總共132個定子葉片，第十五級中的定子葉片排可具有總共130個定子葉片，而第十六級中的定子葉片排可具有總共132個定子葉片。通過實驗數據和分析模型已發現，如本文所述和要求保護的同步關係可結合本段上述的壓縮機構造良好地運行。根據本發明的上述說明和優選實施例，本領域的技術人員可構思出改進方案、變化以及修改。期望的是，本領域技術範圍內的這些改進方案、變化和修改由所附權利要求所覆蓋。此外，顯然的是，上文僅涉及本申請所描述的實施例，以及在不脫離由所附權利要求及其等同方案所限定的本申請的精神和範圍的情況下，可作出許多變化和修改。
權利要求
1.一種渦輪發動機(100)的壓縮機(106)中的翼型件(130)組件，所述組件包括至少三個軸向疊置的翼型件(130)排中間翼型件排(136)、第一上遊翼型件排(134)，以及第一下遊翼型件排(138)；其中所述中間翼型件排(136)由所述第一上遊翼型件排(134)和所述第一下遊翼型件排(138)在各側限定邊界，所述第一上遊翼型件排(134)包括在所述中間翼型件排(136)上遊方向的第一排翼型件，所述第一下遊翼型件排(138)包括在所述中間翼型件排(136)下遊方向的第一排翼型件；所述第一上遊翼型件排(134)和所述第一下遊翼型件排(138)具有大致相同數目的相似形狀的翼型件(130)；所述第一上遊翼型件排(134)和所述第一下遊翼型件排(138)均包括一排轉子葉片(120)，所述一排轉子葉片(120)在工作期間以大致相同的速度旋轉；所述中間翼型件排(136)包括一排定子葉片(122)，所述一排定子葉片(122)在工作期間保持大致靜止；以及所述第一上遊翼型件排(134)的至少90％的翼型件(130)和所述第一下遊翼型件排(138)的至少90％的翼型件(130)構成處於25％至75％的間距之間的同步關係。
2. 根據權利要求1所述的翼型件(130)組件，其特徵在於，所述第一上遊翼型件排(134)的至少90%的翼型件(130)和所述第一下遊翼型件排(138)的至少90%的翼型件(130)構成處於35%至65%的間距之間的同步關係。
3. 根據權利要求1所述的翼型件(130)組件，其特徵在於，所述第一上遊翼型件排(134)的至少90%的翼型件(130)和所述第一下遊翼型件排(138)的至少90%的翼型件(130)構成大約50%的間距的同步關係。
4. 根據權利要求1所述的翼型件(130)組件，其特徵在於所述第一上遊翼型件排(134)包括處於所述壓縮機(106)的第十四級中的一排轉子葉片(120);所述中間翼型件排(136)包括處於所述壓縮機(106)的第十四級中的一排定子葉片(122);以及所述第一下遊翼型件排(138)包括處於所述壓縮機(106)的第十五級中的一排轉子葉片(120)。
5. 根據權利要求4所述的翼型件(130)組件，其特徵在於，所述壓縮機(106)包括由通用電氣公司(Schenectady, NewYork)生產的F系列壓縮機，以及所述渦輪發動機包括由通用電氣公司(Schenectady,
6. 根據權利要求4所述的翼型件(130)組件，其特徵在於，所述第十四級中的所述一排轉子葉片(120)包括64個轉子葉片(120),所述第十五級中的所述一排轉子葉片(120)包括64個轉子葉片(120),以及所述第十四級中的所述一排定子葉片(122)包括132個定子葉片(122)。
7. 根據權利要求1所述的翼型件(130)組件，其特徵在於，所述翼型件(130)組件還包括第二上遊翼型件排(172),其限定所述第一上遊翼型件排(173)的邊界並且包括在所述中間翼型件排(174)上遊方向上的所述第二排翼型件(130);以及第三上遊翼型件排(171),其限定所述第二上遊翼型件排(172)的邊界並且包括在所述中間翼型件排(174)上遊方向上的所述第三排翼型件(130);其中所述第三上遊翼型件排(171)、所述第一上遊翼型件排(173)以及所述第一下遊翼型件排(175)具有大致相同數目的相似形狀的翼型件(130);所述第三上遊翼型件排(171)、所述第一上遊翼型件排(173)以及所 迷第一下遊翼型件排(175)均包括一排轉子葉片(120),所述一排轉子葉 片(120)在工作期間以大致相同的速度旋轉；所述第二上遊翼型件排(172)包括一排定子葉片(122)，所述一排定 子葉片(122)在工作期間保持大致靜止；以及所述第三上遊翼型件排(171)的至少90%的翼型件(130)和所述第 一上遊翼型件排(173)的至少90%的翼型件(130)構成處於25%至75% 的間距之間的同步關係。
8. 根據權利要求7所述的翼型件(130)組件，其特徵在於，所述 第三上遊翼型件排(171)的至少90%的翼型件(130)和所述第一上遊翼 型件排(173)的至少90%的翼型件(130)構成處於35%至65%的間距之 間的同步關係。
9. 根據權利要求7所述的翼型件(130)組件，其特徵在於，所述 第三上遊翼型件排(171)的至少90%的翼型件(130)和所述第一上遊翼 型件排(173)的至少90%的翼型件(130)構成處於45%至55%的間距之 間的同步關係。
10. 根據權利要求7所述的翼型件(130)組件，其特徵在於 所述第三上遊翼型件排(171)包括在所述壓縮機(106)的第十四級中的一排轉子葉片(120);所述第二上遊翼型件排(172)包括在所述壓縮機(106)的第十四級 中的一排定子葉片(122);所述第一上遊翼型件排(173)包括在所述壓縮機(106)的第十五級 中的一排轉子葉片(120);所述中間翼型件排(174)包括在所述壓縮機(106)的第十五級中的 一排定子葉片(122);所述第一下遊翼型件排(175)包括在所述壓縮機(106)的第十六級 中的一排轉子葉片(120);以及在所述第十四級中的所述一排轉子葉片(120)包括64個轉子葉片(120),在所述第十五級中的所述一排轉子葉片(120)包括64個轉子葉 片(120)，在所述第十六級中的所述一排轉子葉片(120)包括64個轉子 葉片(120),在所述第十四級中的所述一排定子葉片(122)包括132個定 子葉片(122)，以及在所述第十五級中的所述一排定子葉片(122)包括 130個定子葉片(122)。
全文摘要
本發明涉及渦輪機翼型件的同步。具體而言，一種渦輪發動機的壓縮機中的翼型件(130)組件，包括至少三個軸向疊置的翼型件排中間翼型件排(136)、第一上遊翼型件排(134)，以及第一下遊翼型件排(138)。中間翼型件排(136)可由第一上遊翼型件排和第一下遊翼型件排在各側限定邊界。第一上遊翼型件排(134)和第一下遊翼型件排(138)均可包括在工作期間以大致相同速度旋轉的一排轉子葉片(120)。中間翼型件排可包括在工作期間保持大致靜止的一排定子葉片(122)。第一上遊翼型件排的至少90％的翼型件(130)和第一下遊翼型件排的至少90％的翼型件(130)可構成在25％至75％的間距之間的同步關係。
文檔編號F04D29/26GK101666327SQ20091017058
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月4日 優先權日2008年9月4日
發明者J·F·賴曼, M·E·弗裡曼, 衛 寧 申請人:通用電氣公司