CN101793168A - 涡轮叶片根部构造 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涡轮叶片根部构造。公开了一种在涡轮发动机中使用的转子叶片，其包括根部和从根部沿径向方向延伸的翼型件，其中，根部包括至少一个倾斜的根部对齐表面。倾斜可包括非径向定向。根部对齐表面可包括沿根部的表面，该沿根部的表面构造成与相邻转子叶片的根部的根部对齐表面对齐且相对近地隔开或相接触。转子叶片可包括至少两个根部对齐表面，其中的一个位于转子叶片的压力侧上，而其中的另一个位于转子叶片的吸入侧上。根部对齐表面可为倾斜的。

Description

涡轮叶片根部构造

技术领域

本申请一般地涉及关于改进的涡轮叶片根部构造的设备、方法和/或***。本申请更具体地但并非以限制的方式涉及关于将轴向入口、线性燕尾部和弯曲平台结合的涡轮叶片的设备、方法及/或***。

背景技术

具有大的根部翼弦和弯曲度的涡轮叶片的常规构造和设计通常会导致叶片的翼型件变为“嵌套的”。如普通技术人员将会认识到的，“嵌套”是常用用语，其是指其中相邻翼型件的曲率重叠的状态。此重叠通常是指，涡轮叶片如果对齐成当它们安装在常规涡轮发动机的转子轮中时可能的样子，由于嵌套的翼型件之间的干涉，则涡轮叶片不可通过其中一个叶片的轴向或线性运动来分离，即，翼型件会以此方式进行接触并阻止分离。

为了解决这个问题，常规涡轮叶片常设计成具有弯曲的平台和燕尾部。这容许了翼型件是嵌套的相邻涡轮叶片的分离，因为在分离期间，涡轮叶片遵循弯曲的路线，且因此避开了相邻的翼型件。然而，如本领域的普通技术人员将认识到的，具有弯曲的平台和燕尾部的涡轮叶片其自身存在操作性问题，例如包括增大的制造难度和复杂性。此外，如本领域的技术人员将认识到的，对于具有弯曲的平台和燕尾部的涡轮叶片，很难或不可能从涡轮叶轮上同时拆下成组的相邻叶片，因为在弯曲平台与相邻叶片的根部之间必然会出现干涉。结果，仍然需要改进涡轮的叶片，并且尤其需要涡轮叶片的根部(即，燕尾部、柄部和/或平台构件)的改进设计，该设计容许更为高效的制造、组装和/或操作。此外，假定多种不同的根部几何形状，仍然需要相邻的涡轮转子叶片的根部之间的对齐表面具有有效的构造。

发明内容

因此，本申请描述了一种在涡轮发动机中使用的转子叶片，该转子叶片包括根部和从该根部沿径向延伸的翼型件，其中，根部包括倾斜的至少一个根部对齐表面。倾斜可包括非径向定向。对齐表面可包括构造成与相邻转子叶片根部的对齐表面对齐且与之相对近地间隔开或相接触的沿根部的表面。转子叶片可包括至少两个根部对齐表面，其中的一个位于转子叶片的压力侧上，而其中的另一个位于转子叶片的吸入侧上。所有根部对齐表面均可为倾斜的。

当结合附图和所附权利要求查看优选实施例的如下详细描述后，本申请的这些及其它特征将变得更为明显。

附图说明

结合附图通过仔细研究本发明示例性实施例的以下更为详细的描述，可更为完整地理解和认识本发明的这些及其它目的和优点，在附图中：

图1为其中可使用本发明的某些实施例的示例性涡轮发动机的简图；

图2为图1的燃气涡轮发动机的压缩机段的截面图；

图3为图1的燃气涡轮发动机的涡轮段的截面图；

图4为其中可使用本发明的某些实施例的燃气涡轮发动机的涡轮组件的透视图；

图5为其中可使用本发明的实施例的包括根据常规设计的燕尾部和平台结构的涡轮叶片的视图；

图6为其中可使用本发明的实施例的包括根据另一常规设计的燕尾部和平台结构的涡轮叶片的视图；

图7为其中可使用本发明的实施例的包括燕尾部和平台结构的涡轮叶片的视图；

图8为根据常规设计的相邻叶片之间的对齐表面的视图；

图9为根据本发明实施例的相邻叶片之间的对齐表面的视图；以及

图10为根据本发明备选实施例的相邻叶片之间的对齐表面的视图。

具体实施方式

现参看附图，图1示出了燃气涡轮发动机100的简图。通常，燃气涡轮发动机通过从加压的热气流中提取能量来工作，该热气流通过燃料在压缩空气流中燃烧而产生。如图1中所示，燃气涡轮发动机100可构造成具有轴流式压缩机106，该压缩机通过公共轴机械地联接到下游的涡轮段或涡轮110及定位于压缩机106与涡轮110之间的燃烧器112上。注意，以下发明可用于所有类型的涡轮发动机，例如包括燃气涡轮发动机、蒸汽涡轮发动机和飞行器发动机。在下文中将关于燃气涡轮发动机来描述本发明，但此描述仅为示例性的，而非旨在以任何方式进行限制。

图2示出了可用于燃气涡轮发动机的示例性多级轴流式压缩机118的视图。如图所示，压缩机118可包括多个级。各级均可包括压缩机转子叶片列120，其后跟有压缩机定子叶片列122。因此，第一级可包括压缩机转子叶片列120，该转子叶片列围绕中心轴旋转，其后跟有压缩机定子叶片列122，该定子叶片列在工作期间保持静止。压缩机定子叶片122通常周向地彼此间隔开，且围绕旋转轴线固定。压缩机转子叶片120周向地间隔开，且附接到轴上，以便轴在工作期间旋转时，压缩机转子叶片120围绕其旋转。如本领域的普通技术人员将认识到的，压缩机转子叶片120构造成使得在围绕轴旋转时，它们将动能给予流过压缩机118的空气或工作流体。压缩机118可具有除图2中所示的级之外的许多其它级。附加级可分别包括多个周向间隔开的压缩机转子叶片120，其后跟有多个周向间隔开的压缩机定子叶片122。

图3示出了可用于燃气涡轮发动机中的示例性涡轮段或涡轮124的局部视图。涡轮124也可包括多个级。示出了三个示例性级，但涡轮124中可存在更多或更少的级。各级均可包括在工作期间围绕轴旋转的多个涡轮桨叶或涡轮转子叶片126，以及在工作期间保持静止的多个喷嘴或涡轮定子叶片128。涡轮定子叶片128通常彼此周向地间隔开，且围绕旋转轴线固定。涡轮转子叶片126可安装在涡轮叶轮(未示出)上，以围绕轴(未示出)旋转。热气穿过热气路径的流向由箭头指出。如本领域的普通技术人员将认识到的，涡轮124可具有图3中所示的级以外的许多其它级。各附加的级均可包括涡轮定子叶片列128，其后跟有涡轮转子叶片列126。

注意，如本文所使用的，在没有更多特殊性的情况下，称“转子叶片”是指压缩机118或涡轮124的旋转叶片，其包括压缩机转子叶片120和涡轮转子叶片126。在没有更多特殊性的情况下，称“定子叶片”是指压缩机118或涡轮124的静止叶片，其包括压气机定子叶片122和涡轮定子叶片128。用语“叶片”在本文中将用于指任一类型的叶片。因此，在没有更多特殊性的情况下，用语“叶片”包括所有类型涡轮发动机叶片，包括压缩机转子叶片120、压缩机定子叶片122、涡轮转子叶片126以及涡轮定子叶片128。

在使用中，轴流式压缩机118内的压缩机转子叶片120的旋转可压缩气流。在燃烧器112中，当压缩空气与燃料相混合且被点燃时可释放能量。来自燃烧器112的得到的热气流然后可在涡轮转子叶片126上方引导，这可引起该涡轮转子叶片126围绕轴旋转，从而将热气流中的能量转变成旋转叶片和旋转轴(因为转子叶片和轴之间的连接)的机械能。轴的机械能然后可用于驱动压缩机转子叶片120的旋转，以便产生所需的压缩空气供给，以及例如还驱动发电机来产生电力。

图4描绘了燃气涡轮发动机100的涡轮组件130的一部分。涡轮组件130可安装在燃烧器(图4中未示出)的下游，用于接收来自燃烧器的热燃烧气体131。涡轮组件130通常包括盘132，该盘具有牢固地附接到其上的多个涡轮转子叶片126。典型地，涡轮转子叶片126包括从根部138径向延伸的翼型件136，翼型件通常与根部一体结合。平台140设置在翼型件136的基部处，且通常也与其一体结合。涡轮组件130关于轴向中心线轴线141是轴对称的。环形护罩142围绕叶片126，且合适地连接到静止的定子壳体(未示出)上。护罩142在其与转子叶片126之间提供了相对较小的间隙或空隙，这限制了工作期间燃烧气体131在叶片126上的泄漏。

翼型件136通常包括凹入的压力侧壁或压力侧143，以及周向地或横向地相对的、凸起的吸入侧壁或吸入侧144。压力侧壁143和吸入侧壁144二者均在前缘146与后缘148之间轴向地延伸。压力侧壁143和吸入侧壁144还在平台140处的径向内部的根部138与径向外部的叶片末梢150之间沿径向方向延伸。

如本领域的普通技术人员将认识到的，根部138通常包括柄部152和燕尾部154，柄部152的外部径向表面为平台140。燕尾部154为根部138的内部径向区段，而柄部152为将燕尾部154连接到翼型件136上的区段。如图所示，燕尾部154具有侧面进入型构造，其包括通常为根部138提供锯齿形横截面的多个柄脚(tang)156。柄部152从燕尾部154的外部径向部分延伸至柄部152的外部径向表面，该表面如前文所述为平台140。与翼型件136相似，根部138可描述为具有后缘或后面158和前缘或前面160，并且如图所示，根部138可在线性方向上从后面158延伸至前面160。此外，根部138可描述为具有压力面162和吸入面164，它们分别与翼型件136的压力侧143和吸入侧144对应。

盘132可具有围绕其圆周形成的多个燕尾槽166。各燕尾槽166均可形成为转子叶片126的燕尾部154的配合件，使得各燕尾部154均可轴向地***燕尾槽162中。将会认识到，燕尾部154/燕尾槽166的构造将转子叶片126连接到盘132上，且防止工作期间转子叶片126的径向位移。如图所示，燕尾部154可以是线性的，即，具有从后面158至前面160的线性定向，而燕尾槽162也可以被线性地定向。以此方式形成的转子叶片126可以以线性方式轴向地***燕尾槽162中。如下文更为详细地描述的，对于根部弯曲构造也是可能的。

注意，本发明是结合其在涡轮转子叶片中的用途来讨论的。如前文所述的涡轮转子叶片为涡轮发动机的涡轮段内的旋转叶片。此描述仅为示例性的，因为本文所述的本发明的实施例不限于仅结合涡轮转子叶片的用途。如本领域的普通技术人员将认识到的，本发明还可应用于压缩机转子叶片，其通常为涡轮发动机的压缩机段内的旋转叶片。因此，在没有更多特殊性的情况下，本文中称“转子叶片”意在涵盖涡轮转子叶片和压缩机转子叶片两者。并且，例如应用于涡轮转子叶片的实例并非意在排除本发明在压缩机转子叶片中的用途。

类似于图4中所示的，图5描绘了具有常规线性根部138的转子叶片。线性根部138包括具有从根部138的后面158至前面160的线性定向的平台140和燕尾部154。更具体而言，根部138的压力面162和吸入面164并不是弯曲的，而是通常沿直线从后面158延伸至前面160。将会认识到，线性定向的平台140形状上大致是直线的。平台140的各边缘均可通过其与后面158、前面160、压力面162及吸入面164的关系来辨认。因此，平台140可描述成包括后缘170、前缘172、压力缘174及吸入缘176。根据常规线性设计，压力缘174通常是线性的或直的。同样，吸入缘176通常是线性的或直的。如上文所述，燕尾部154也可以以大致线性的方式从后面158延伸至前面160。柄部152的其它部分也可为线性的。如上文所述，对于翼型件设计的性能标准会要求翼型件在定位成组装好的构造时变成“嵌套的”。当情况如此时，线性地拆下叶片(其为类似于图5的具有线性构造的情况)变得不可能。

图6描绘了具有常规弯曲根部138的转子叶片。弯曲根部可包括弯曲平台140和弯曲燕尾部154。在这种情况下，根部138的压力面162和吸入面164是弯曲的。平台140的压力缘174可形成凹曲线。平台140的吸入缘176可形成类似的曲线，尽管其可为凸曲线。如前文所述，燕尾部154也可形成类似的曲线。柄部152的其它部分可形成类似的曲线。所有这些构件的曲率可为相似的，并且通常为圆弧。

图7描绘了具有弯曲平台140和线性燕尾部154的转子叶片。如图所示，燕尾部154可大致类似于图5的燕尾部154。也就是说，燕尾部154可为大致线性的，且构造成与大致线性的燕尾槽166配合。在一些情况下，线性的燕尾部154和燕尾槽166可对齐成使得在安装时每一个均与中心线轴线141平行地延伸。在其它情况下，线性燕尾部154和燕尾槽166可相对于中心线轴线141的方向歪斜。尽管燕尾部154是线性的，但平台140可为弯曲的，即，大致类似于图6的平台140构造。具体而言，如图所示，平台140的压力缘174可形成可为凹曲线的曲线。同样，平台140的吸入缘176可形成类似的曲线，但吸入缘176可形成凸曲线。吸入缘176和压力缘174的曲率可大致相同，但偏移了平台140的宽度。一个叶片的压力缘174可以以此方式接合相邻叶片的吸入缘176，使得相邻叶片的平台140形成光滑的大致连续的表面。

如图所示，平台140的后缘170和前缘172可保持为线性的，尽管这并非是必需的。平台下方的柄部152的部分通常可形成弯曲平台140与线性燕尾部154之间的过渡段。如前文所述，在一些情况下，压力缘174和吸入缘176的曲率可为大致相同的。此外，压力缘174和吸入缘176的曲率可形成近似圆的弧线。如本领域的普通技术人员将认识到的，与本发明相符的根部构造可提供与线性根部构造(如图5中所示的一个)相关的优点，同时还提供与弯曲根部构造(如图6中所示的一个)相关的优点。

现参看图8至图10，如本领域的普通技术人员将认识到的，由于相邻的转子叶片典型地构造成在转子轮上的安装位置上，因而它们具有相邻或分开相对较小的距离的对齐表面。为了简洁起见，这些表面在本文中将称为根部对齐表面或“对齐表面178”，它们被隔开得非常近，使得它们看起来是彼此抵靠的。然而，如本领域的普通技术人员将认识到的，通常这些表面分开很窄的距离，且彼此并不形成接触，尽管在某些应用场合中，两个表面之间的接触是可能的。因此，如本文所使用的，“根部对齐表面”或“对齐表面”是指与相邻转子叶片的根部对齐表面对齐且间隔开很小的距离、或在一些情况下相接触的沿转子叶片根部的任何表面。将会认识到，对齐表面178通常构造成使得两个表面之间明显的接合处穿过相对的大致平坦的侧表面，且在其间限定狭窄的空隙，当从截面上看时，形成大致为线性的明显的接合线181。按照常规设计，形成在相对的根部对齐表面178的大体上平坦的表面之间的接合线181为大致为径向定向的线，即，与从涡轮的轴线沿径向方向(即，垂直于涡轮的轴线)延伸的线形成大致为0°的角的线。

图8中示出了此类常规构造。如图所示，相邻的转子叶片126具有沿它们的根部部分138的多个对齐表面178。例如，根部对齐表面178可包括与第二(且相邻的)转子叶片126的相对吸入缘176对齐且邻近的第一转子叶片126的压力缘174，以及与第三(且也是相邻的)转子叶片126的压力缘174对齐且邻近的第一转子叶片的吸入缘176。此外，根部对齐表面178可包括盖板180的相对两侧，盖板180可形成在相邻转子叶片126上，如图8中进一步所示。如下文更为详细地讨论的，柄部152的后面158和/或前面160可大致由盖板180“覆盖”或封装，盖板180通常包括相对较薄的矩形板。在常规设计中，形成在任何这些示例性根部对齐表面178(以及可存在于常规涡轮叶片设计中的任何其它对齐表面)之间的接合线181大致径向地定向，且与涡轮的轴线垂直，即，如果接合线181延伸，则其将大致横切涡轮的轴线，且大致与其垂直。

与本发明的示例性实施例一致，相对的根部对齐表面178可构造成使得接合线181是倾斜的，即，并非径向地定向。如本文所规定的，接合线181可与径向定向的线183形成角，且此倾斜提供某些运行性优点。例如，图9示出了多个安装好的涡轮转子叶片126，每个叶片均包括翼型件136和根部138，其中，根部138的构造与本发明一致。类似于本文的其它描述，图9的根部138包括具有外部径向平台140的柄部152，以及燕尾部154。柄部152的后面158和/或前面160可大致由盖板180“覆盖”或封装(或如图10中所示，柄部152的后面158和/或前面160可为“未覆盖的”)。注意，盖板的使用受若干运行性标准驱使，且不论盖板是否包括在柄部设计中，本文所述的本发明都是适用的。此外，盖板可与柄部一体结合或附接于其上，两种情况均不会影响本发明的用途或适用性。

在图9中，如图所示，相邻转子叶片126的根部对齐表面178包括压力缘174与吸入缘176之间的对齐且相邻的表面，以及盖板180的侧面。与本发明一致的是，根部对齐表面178构造成使得它们之间的接合线181与径向定向的线183形成角θ。也就是说，角θ代表1)形成在相对的根部对齐表面178之间的近似接合线181与2)径向定向的线183(即，大致横切且垂直于涡轮发动机的轴线的线)之间的近似角。在一些实施例中，角θ在大约0°至60°之间。更优选的是，角θ在大约15°至45°之间。还更为优选的是，角θ在大约25°至35°之间。并且理想的是，角θ为大约30°。

如图10中所示，在没有盖板180的情况下，当然将会认识到，根部对齐表面178不再包括盖板180的侧表面，且因此主要由相邻转子叶片126的相对的压力面162与吸入面164之间的对齐且相邻的表面构成。例如，第一转子叶片126的压力面162可与邻近第一转子叶片126的第二转子叶片126的吸入面164对齐，而第一转子叶片126的吸入面164可与也邻近第一转子叶片126的第三转子叶片126的压力面162对齐。如本领域的普通技术人员将认识到的，由于常规转子叶片柄部设计的几何形状和构造，沿压力面162和吸入面164的根部对齐表面178通常限于沿压力缘174和吸入缘176的表面区域。无论在什么情况下(即，无论相邻转子叶片的根部138之间的对齐表面178形状如何)，根部对齐表面178均构造成使得形成在其间的接合线181以上文所述的方式与径向定向的线183形成角θ。

在使用中，已经发现可通过形成根据本文所述的本发明的倾斜的根部对齐表面来实现运行性优点。例如，如本领域的普通技术人员将认识到的，此类几何形状有利于某些涡轮叶片附件几何形状，尤其是那些涉及高翼弦、高弯曲度的翼型件，其具有较短的柄部和歪斜的轴向进入的燕尾部。该设计的一个优点在于，其容许叶片的几何形状包括整体式盖板，整体式盖板在柄部区域的前立面和/或后立面上形成连续的回转表面。非径向角(即，角θ)也在密封销钉与转子叶片之间形成更大、更一致的对齐表面，除其它优点外，这还会减小泄漏，且因此改善效率。此外，本发明适用于具有弯曲平台和直线或线性燕尾部结构的涡轮叶片，如上文结合图1至图7进行描述的那些。

本领域的技术人员根据本发明的优选实施例的上述说明将构思出改进方案、变化以及修改。本领域技术人员的能力内的这些改进方案、变化和修改意在由所附权利要求覆盖。此外，显然上文仅涉及本发明所描述的实施例，并且在不脱离由所附权利要求及其等同物所限定的本申请的精神和范围的情况下，可做出许多变化和修改。

Claims (10)

1.一种在涡轮发动机中使用的转子叶片(120)，(126)，所述转子叶片(120)，(126)包括根部(138)和从所述根部(138)沿径向方向延伸的翼型件(136)，其中，所述根部(138)包括至少一个倾斜的根部对齐表面(178)。

2.根据权利要求1所述的转子叶片(120)，(126)，其特征在于：

所述根部对齐表面(178)包括构造成与相邻转子叶片(120)，(126)的所述根部(138)的根部对齐表面(178)对齐且相对近地隔开或与之相接触的沿所述根部(138)的表面；

所述转子叶片(120)，(126)包括至少两个根部对齐表面(178)，其中的一个位于所述转子叶片(120)，(126)的压力侧(143)上，而其中的另一个位于所述转子叶片(120)，(126)的吸入侧(144)上；

所有所述根部对齐表面(178)均是倾斜的；以及

倾斜包括非径向定向。

3.根据权利要求2所述的转子叶片(120)，(126)，其特征在于，所述根部(138)包括柄部(152)和燕尾部(154)，所述柄部(152)从所述燕尾部(154)延伸，且包括在径向外表面处的平台(140)；

其中：

所述平台(140)包括轴向和周向地定向的表面，该表面至少部分地限定通过该涡轮的流径的最内侧径向边界；以及

所述翼型件(136)从所述平台(140)沿径向向外的方向延伸。

4.根据权利要求2所述的转子叶片(120)，(126)，其特征在于，当所述转子叶片(120)，(126)适当安装在所述涡轮发动机中时，如果具有相同设计的转子叶片(120)，(126)适当地安装在各侧上且邻近所述涡轮发动机中的所述转子叶片(120)，(126)，则位于所述转子叶片(120)，(126)的压力侧(143)上的所述根部对齐表面(178)和位于所述转子叶片(120)，(126)的吸入侧(144)上的所述根部对齐表面(178)构造成彼此对齐且彼此相对近地隔开或相接触。

5.根据权利要求1所述的转子叶片(120)，(126)，其特征在于，所述根部对齐表面(178)包括构造成在所述涡轮叶片(120)，(126)适当地安装在所述涡轮发动机中时，与相邻转子叶片(120)，(126)的根部对齐表面(178)相对、对齐且相对近地隔开或相接触的大致平坦的侧表面。

6.根据权利要求5所述的转子叶片(120)，(126)，其特征在于，所述根部对齐表面(178)包括在所述转子叶片(120)，(126)适当地安装在所述涡轮发动机中时，与相对的根部对齐表面(178)形成大致线性的接合线(181)的构造，所述相对的根部对齐表面(178)定向成使得所述接合线(181)与径向定向的基准线形成角θ；以及

其中，所述角θ包括大约0°和60°之间的值。

7.根据权利要求6所述的转子叶片(120)，(126)，其特征在于，所述角θ包括大约25°和35°之间的值。

8.根据权利要求3所述的转子叶片(120)，(126)，其特征在于：

所述柄部(152)包括至少一个盖板(180)，所述盖板(180)包括大致覆盖所述柄部(152)的前面(160)或所述柄部(152)的后面(158)的相对较薄的矩形板；以及

所述根部对齐表面(178)包括所述盖板(180)的至少一个侧面。

9.根据权利要求3所述的转子叶片(120)，(126)，其特征在于，所述根部对齐表面(178)包括沿所述根部(138)的压力面(162)的所述柄部(152)的部分，以及沿所述根部(138)的吸入面(164)的所述柄部(152)的部分；以及

其中，所述根部对齐表面(178)包括所述根部(138)的压力面(162)上的所述平台(140)的压力缘(174)，以及所述根部(138)的吸入面(164)上的所述平台(140)的吸入缘(176)。

10.根据权利要求3所述的转子叶片(120)，(126)，其特征在于，所述燕尾部(154)是大致线性的，而所述平台(140)是弯曲的。

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