CN104791019A - 涡轮叶片及用于延长涡轮叶片寿命的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种涡轮叶片，所述涡轮叶片包括限定在压力侧壁与吸入侧壁之间的冷却通道。销设置在所述冷却通道中并且包括连接到所述压力侧壁的第一端以及连接到所述吸入侧壁的第二端。具有最大曲率半径值的径向定向圆角沿所述第一端或所述第二端中的至少一端的外周设置在峰值稳态应力区域内。具有最大曲率半径值的轴向定向圆角沿所述第一端或所述第二端中的至少一端的外周设置在峰值振动应力区域内。所述轴向定向圆角的最大曲率半径值大于所述径向定向圆角的最大曲率半径值。

Description

涡轮叶片及用于延长涡轮叶片寿命的方法

技术领域

本发明总体上涉及一种燃气涡轮机的涡轮叶片。具体来说，本发明涉及一种具有布置在销组阵列中的销的涡轮叶片以及用于增强所述涡轮叶片的机械性能的方法。

背景技术

燃气涡轮机的涡轮部分通常包括连接到转子轴的多行或多级涡轮叶片。第一行固定轮叶可以设置在第一行涡轮叶片上游的涡轮部分入口处。后续行的定子轮叶在后续行的涡轮叶片之间设置在涡轮部分内。外壳围绕各行固定轮叶和涡轮叶片，以限定穿过所述涡轮部分的高温气体通道。运行中，高温燃烧气体穿过所述第一行固定轮叶以及限定在涡轮部分内的高温气体通道。通过固定轮叶和涡轮叶片提取燃烧气体中的热能和/或动能，致使涡轮叶片移动，从而使得转子轴旋转。

由于高温气体通道内的高温环境，一些涡轮叶片至少部分中空，从而限定其中的内部冷却通道。诸如压缩空气或蒸汽等冷却介质可以穿过冷却通道，从而提高涡轮叶片的热性能。具体来说，在涡轮叶片设计中，多个销或针状翼片通常在涡轮叶片的后缘部分附近延伸在所述冷却通道内位于涡轮叶片的压力侧与吸入侧之间。所述销可提高传热效率并且可以向涡轮叶片提供结构支撑。

多个因素，例如旋转力、吸入侧与压力侧之间的不均匀热增长以及来自前一行固定轮叶的燃烧气体的压力波动所导致的振动力，可能导致涡轮叶片上位于销的第一端与第二端之间以及压力侧与吸入侧之间的连接点处产生峰值稳态应力和峰值振动应力。传统销设计在静止和振动条件下的硬度均匀，而这在任一条件下均不是最佳的。因此，可能需要改进销以及用于增强涡轮叶片的整体机械性能的方法。

发明内容

本发明的各个方面和优点如以下说明中所述，或者可以从说明书中清楚地了解到，或者可以通过实践本发明了解到。

本发明的一个实施例是一种涡轮叶片。所述涡轮叶片包括前缘、后缘、压力侧壁和吸入侧壁。所述压力侧壁和吸入侧壁延伸在所述前缘与后缘之间。冷却通道限定在所述压力侧壁与吸入侧壁之间。销设置在所述冷却通道内。所述销包括连接到所述压力侧壁的第一端以及连接到所述吸入侧壁的第二端。径向定向圆角沿所述第一端或所述第二端中的至少一端的外周设置在峰值稳态应力区域内。所述径向定向圆角具有最大曲率半径值。轴向定向圆角沿所述第一端或所述第二端中的至少一端的外周设置在峰值振动应力区域内。所述轴向定向圆角具有最大曲率半径值，所述最大曲率半径值大于所述径向定向圆角的所述最大曲率半径值。

本发明的另一个实施例是一种燃气涡轮机。所述燃气涡轮机包括压缩机、设置在所述啊压缩机下游的燃烧器以及具有多个可旋转涡轮叶片的涡轮。至少一个所述涡轮叶片包括翼片，所述翼片具有前缘、后缘、压力侧壁和吸入侧壁，所述压力侧壁和吸入侧壁径向延伸在根部与肩部之间以及所述前缘与后缘之间。冷却通道限定在所述后缘附近的所述压力侧壁与吸入侧壁之间。所述涡轮叶片包括销，所述销设置在所述冷却通道内。所述销包括连接到所述压力侧壁的第一端以及连接到所述吸入侧壁的第二端。径向定向圆角沿所述第一端或所述第二端中的至少一端的外周设置在峰值稳态应力区域内。所述径向定向圆角具有最大曲率半径值。轴向定向圆角沿所述第一端或所述第二端中的至少一端的外周设置在峰值振动应力区域内。所述轴向定向圆角具有最大曲率半径值，所述最大曲率半径值大于所述径向定向圆角的所述最大曲率半径值。

本发明还包括一种增强涡轮叶片的机械耐久性的方法，所述涡轮叶片具有压力侧壁、吸入侧壁、限定在两者之间的冷却通道以及设置在所述冷却通道内的至少一个销。所述销包括连接到所述压力侧壁的第一端以及连接到所述吸入侧壁的第二端。所述方法包括：沿所述销的所述第一端和所述第二端中的至少一端的外周确定至少一个峰值稳态应力区域；沿所述峰值稳态区域附近的相应外周限定径向定向圆角，其中所述径向定向圆角具有沿所述相应外周的限定最大曲率半径值的点。所述方法进一步包括沿所述销的所述第一端和所述第二端中的至少一端的外周确定至少一个峰值振动应力区域。所述方法还包括沿所述峰值振动应力区域附近的相应外周限定轴向定向圆角，其中所述轴向定向圆角包括限定最大曲率半径值的点，其中所述轴向定向圆角的所述最大曲率半径值大于所述径向定向圆角的所述最大曲率半径值。

阅读说明书之后，所属领域中的普通技术人员将更好地了解此类实施例的特征和方面以及其他内容。

附图说明

说明书的剩余部分，包括附图参考，向所属领域的技术人员更具体地阐述了本发明的完整和可实施内容，包括其最佳模式，在附图中：

图1是可包括本发明多个实施例的示例性燃气涡轮机的实例；

图2是可包括本发明多个实施例的示例性涡轮叶片的透视图；

图3是根据本发明一个实施例的沿图2中的线3-3截取的涡轮叶片的截面俯视图；

图4是根据本发明一个实施例的沿图2中的线4-4截取的涡轮叶片的截面侧视图；

图5是根据本发明一个实施例的图3中所示的涡轮叶片的局部放大俯视图，其中所述涡轮叶片包括设置在冷却通道内的示例性销；

图6是根据本发明一个实施例的图2中所示的涡轮叶片的局部放大正视图，其中所述涡轮叶片包括图5中所示的设置在冷却通道内的示例性销；

图7是根据本发明一个实施例的如图5和图6中所示的销的一端的截面侧视图；

图8是根据本发明至少一个实施例的如图5和图6中所示的销的第一端的截面放大侧视图；

图9是根据本发明至少一个实施例的涡轮叶片的局部放大截面正视图，其中所述涡轮叶片包括如图8中所示的销；

图10是根据本发明至少一个实施例的如图9中所示的销的第二端的截面放大侧视图；

图11是根据本发明至少一个实施例的如图2中所示的涡轮叶片的局部放大截面俯视图；

图12是根据本发明至少一个实施例的示例性销的放大截面侧视图，其中所述示例性销代表所述示例性销的第一端或第二端；

图13是根据本发明至少一个实施例的涡轮叶片的局部放大截面俯视图，其中所述涡轮叶片包括如图12中所示的销；以及

图14是根据本发明至少一个实施例的一种用于增强涡轮叶片的耐久性的方法的方框图。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的各项实施例，附图中图示了本发明实施例的一个或多个实例。具体实施方式使用数字和字母标识来指示附图中的特征。附图和说明中的相同或类似标识用于指代本发明中的相同或类似部分。本说明书中所用的术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用以区分不同部件，并且这些术语并不旨在表示各个部件的位置或重要性。术语“上游”和“下游”是指相对于流体通路中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体流动的来向，而“下游”是指流体流动的去向。术语“径向”是指实质垂直于特定部件的轴向中心线的相对方向，而术语“轴向”是指实质平行于特定部件的轴向中心线或与其共轴对齐的相对方向。

每个实例均以解释本发明，而非限制本发明的方式提供。事实上，所属领域的技术人员将清楚地了解，在不脱离本发明的范围或精神的前提下，可以对本发明做出各种修改和改变。例如，可以将说明或描述为某个实施例的一部分的特征用到另一个实施例中，从而得到又一个实施例。因此，本发明应涵盖随附权利要求书及其等效物的范围内的此类修改和改变。尽管出于说明目的，本发明的示例性实施例将在工业或陆上燃气涡轮机的上下文中做一般性地描述，但所属领域的普通技术人员可清楚地认识到，除非在权利要求中做特别说明，否则本发明的各个实施例可以用于航空燃气涡轮机或船用燃气涡轮机等任何涡轮机，且不限于工业或陆上燃气涡轮机。

现在参见附图，其中类似的数字是指类似部件，图1示出了可包括本发明多个实施例的燃气涡轮机10的实例。如图所示，燃气涡轮机10包括：压缩机部分12；燃烧部分14，所述燃烧部分具有设置在压缩机部分12下游的一个或多个燃烧器16；以及涡轮部分18，所述涡轮部分设置在燃烧部分14的下游。涡轮部分18通常包括连接到转子轴22的多行或多级涡轮叶片20。第一行24的固定轮叶26可以设置在第一行28的涡轮叶片20的上游位于涡轮部分18的入口处。后续行的固定轮叶26设置在涡轮部分18内位于后续行的涡轮叶片20之间处。外壳30围绕这些行固定轮叶和涡轮叶片以至少部分限定穿过涡轮部分18的高温气体通道。

运行中，空气等工作流体32进入压缩机部分12的压缩机36的入口34。随着工作流体32穿过压缩机36流向燃烧部分14，该工作流体渐进地压缩，以向燃烧部分14提供压缩工作流体38。燃料在每个燃烧器16内与压缩工作流体38混合，所述混合物燃烧以产生高温高速的燃烧气体40。燃烧气体40从每个燃烧器16经由第一行24的固定轮叶26流过限定在涡轮部分18内的高温气体通道。通过固定轮叶26和涡轮叶片20提取燃烧气体40中的热能和/或动能以使涡轮叶片旋转，从而旋转转子轴22。

图2是可包括本发明多个实施例并且可以替代图1中所示的涡轮叶片20并入涡轮部分18内的示例性涡轮叶片100的透视图。如图2中所示，涡轮叶片100通常包括翼片或叶片102，其从涡轮叶片100的底座104径向向外延伸。底座104可以适用于将涡轮叶片100连接到转子轴22(如图1所示)。例如，底座104可以具有鸠尾榫或槽形(未图示)等轮廓，其适用于与限定在附接到转子轴22的转子盘(未图示)内的互补槽(未图示)接合。

在特定实施例中，如图2中所示，翼片102从底座104的平台部分106径向向外延伸。翼片102的根部108限定在翼片102与平台部分106相交处。翼片102的径向端部或尖部110位于根部108的远端。翼片102包括前缘112，所述前缘延伸在涡轮叶片100的前部或上游部分114附近的根部108与尖部110之间处。前缘112通常面对燃烧气体40的流动方向F。后缘116延伸在涡轮叶片100的后部或下游部分118附近的根部108与尖部110之间处。压力侧壁120径向延伸在根部108与尖部110之间以及前缘112和后缘116处。吸入侧壁122与压力侧壁120隔开。吸入侧壁122径向延伸在根部108与尖部110之间以及前缘112与后缘116之间处。

图3提供了根据本发明一个实施例的沿图2中的线3-3截取的涡轮叶片100的截面俯视图。图4提供了根据一个实施例的沿图2中的线4-4截取的涡轮叶片的截面侧视图。在特定实施例中，如图3和图4中所示，至少一个冷却通道124至少部分延伸穿过翼片102。如图3中所示，冷却通道124至少部分限定在压力侧壁120与吸入侧壁122之间。

运行中，如图4中所示，冷却介质，例如压缩工作流体38的一部分，流过冷却通道124，以向翼片102提供传导冷却和/或对流冷却。在特定实施例中，多个冷却孔126提供冷却通道124到翼片102的流体连通。例如，如图2、图3和图4中所示，冷却孔126可以设置在前缘112、压力侧壁120、后缘116或尖部110(如图2和图4中所示)中的每一个或任一个处。通过这种方式，冷却介质可以流过冷却孔126以向翼片102的外表面提供薄膜冷却，从而增强涡轮叶片100的整体耐久性。

在一个实施例中，如图3和图4中所示，冷却通道128限定在后缘116附近的压力侧壁120与吸入侧壁122处。一个或多个冷却孔130提供与冷却通道128外部的流体连通，从而提供后缘116附近的翼片102的局部冷却。一个或多个销132或针状翼片设置在冷却通道128内。如所属领域中公知，销132可以形成销组或阵列，其通过冷却通道128增强翼片102的冷却。

图5是根据本发明一个实施例的如图3中所示的涡轮叶片100的局部放大俯视图，其中所述涡轮叶片包括设置在冷却通道128内的示例性销132。图6是根据本发明一个实施例的沿图2中的线6-6截取的涡轮压片100的局部放大正视图，其中所述涡轮叶片包括设置在冷却通道128内的示例性销132(如图5所示)。

如图5和图6中所示，销132包括主体134，其延伸在压力侧壁120与吸入侧壁122之间。主体134包括连接到压力侧壁120的第一端136以及连接到吸入侧壁122的第二端138。销132可以通过铸造、机械加工或3D打印或或者所属领域中已知的可在翼片内形成销的其他任何方法就地成形。或者，销132可以焊接、铜焊或以其他方式机械固定到压力侧壁120和吸入侧壁122。

在运行中，涡轮叶片100暴露于稳态应力和振动应力下。首先，稳态应力通常是压力侧壁120与吸入侧壁122之间的不均匀径向热增长所产生的剪力以及/或者涡轮叶片100旋转所产生的离心力的结果。在任一情况下，剪力可在销132的第一端136和第二端138上产生径向稳态应力，该应力可限制涡轮叶片100的耐久性或机械性能。所述稳态应力通常与涡轮叶片100的低循环疲劳关联。

图7是如图5和图6中所示的销132的一端的截面侧视图。本发明的意图在于，图7可代表销132的第一端136和第二端138两者。如图7所示，峰值或最大稳态应力140的区域通常是在销132的径向内部142附近的销132的外周沿侧以及/或者第一端136和第二端138上的销132的径向外部144的外周沿侧。如图所示，销132的径向内部142朝向翼片102的根部108并且销132的径向外部144朝向翼片102的肩部110。

振动应力通常是涡轮叶片100上的不均匀或不稳定气动载荷所产生的流致振动，并且通常受惯性驱动。例如，不稳定气动载荷可能是由于从上游行的固定轮叶26流向旋转涡轮叶片100的燃烧气体40的速度和/或压力变化引起的，因此引起翼片102的低幅振动载荷。流致振动通常与涡轮叶片100的高循环疲劳关联。振动应力可能作用于任何方向。但是，峰值振动应力最典型地不作用于径向，而是趋于具有较大的轴向分量。换言之，峰值振动应力趋于作用于6点与12点位置之间的销132的外周沿侧的一个或多个点处。

如图7中所示，峰值或最大振动应力146的区域通常在销132前部148附近或所在方向的销132外周沿侧以及/或者第一端136和第二端138上的销132后部150的外周沿侧。如图所示，销132的前部148朝向翼片102的前缘112并且销132的后部150通常朝向翼片102的后缘116。在许多情况下，如图7中所示，峰值或最大稳态应力140的区域以及峰值或最大振动应力146的区域沿第一端136和第二端138上的销外周错开。例如，在特定情况下，峰值或最大稳态应力140的区域与峰值或最大振动应力146的区域可彼此大体垂直或正交。

涡轮叶片传统设计方法包括使用直径恒定或均匀的销132并且加入围绕第一端136和/或第二端138上的销132外周具有均匀半径的单个圆角152，以便解决峰值或最大振动应力146。在其他方法中，围绕销132的第一端136和/或第二端138上具有恒定或均匀直径的外周形成具有不均匀半径的单个圆角，以特别解决峰值或最大振动应力146。这些方法使用可将载荷分布在较宽区域中的相对较大圆角。与载荷受销的刚性驱动的稳态应力条件不同，振动载荷基本上恒定。因此，使用传统设计方法，调整销直径和圆角152的大小时的主要问题在于广泛地分散载荷，同时维持连接的机械完整性，从而减小峰值或最大振动应力146，从而优化高循环疲劳设计。因此，在第一端136和/或第二端138处，圆角152可能无法提供围绕销132外周的理想灵活性以优化峰值或最大稳态应力140。因此，无法优化低循环疲劳，从而可能影响涡轮叶片100的寿命。

图8是根据本发明多个实施例的销132的第一端136的放大截面侧视图。图9是根据本发明多个实施例的涡轮叶片100的局部放大截面正视图，其中所述涡轮叶片包括如图8中所示的销132。图10是根据本发明多个实施例的销132的第二端138的放大截面侧视图。在一个实施例中，如图8中所示，峰值或最大稳态应力140的范围或区域被标识为沿销132的第一端136的外周缘，接近销的径向内部142和/或径向外部144。

附加地或替代地，如图10中所示，峰值或最大稳态应力140的区域被标识为沿销132的第二端138的外周缘，接近销132径向内部142和径向外部144。在特定实施例中，如图8、图9和图10中所示，至少一个径向定向圆角154设置在第一端136(如图8和图9中所示)和/或第二端138(如图9和图10中所示)的外周沿侧，其中每个径向定向圆角154设置在单独的特定峰值或最大稳态应力140区域附近。

在一个实施例中，如图8和图9中所示，径向定向圆角154从第一端136向涡轮叶片100的尖部110延伸或者朝向该尖部。在一个实施例中，径向定向圆角154从第一端136向涡轮叶片100的根部108延伸或者朝向该根部。在一个实施例中，如图9和图10中所示，径向定向圆角154从第二端138向涡轮叶片100的尖部110延伸或者朝向该尖部。在一个实施例中，径向定向圆角154从第二端138向涡轮叶片100的根部108延伸或者朝向该根部。

在一个实施例中，如图8和图9中所示，一对径向定向圆角154设置在第一端136的外周沿侧，以使每个径向定向圆角154位于相对的峰值或最大稳态应力140区域附近。例如，一个径向定向圆角154向尖部110延伸或朝向该尖部并且另一个径向定向圆角154向根部108延伸或朝向该根部。

在一个实施例中，如图9和图10中所示，一对径向定向圆角154设置在第二端138的外周沿侧，以使每个径向定向圆角154位于相对的峰值或最大稳态应力140区域附近。例如，一个径向定向圆角154向尖部110延伸或朝向该尖部并且另一个径向定向圆角154向根部108延伸或朝向该根部。

图9示出了四个独立的径向定向圆角154的轮廓156，所述圆角位于大体垂直于压力侧壁120的方向上围绕销132的第一端136外周的两个位置处以及大体垂直于吸入侧壁122的方向上围绕销132的第二端138外周的两个位置处。在一个实施例中，每个径向定向圆角154的轮廓156通常是凹入的。每个径向定向圆角154的轮廓156可以描述为简单曲线，所述简单曲线在沿峰值或最大稳态应力140的对应区域内的对应第一端136或第二端138的外周的任何点处具有单一曲率半径值。本发明意图包括径向定向圆角154的其他轮廓，包括但不限于复合曲线和椭圆曲线。

在一个实施例中，如图8中所示，点158沿第一端136的外周和/或第二端138的外周限定在每个峰值或最大稳态应力140区域内含有径向定向圆角154处。点158对应于对应径向定向圆角154的局部最大曲率半径值。例如，限定在点158处的最大曲率半径值大于对应峰值或最大稳态应力140内沿对应第一端136和第二端138外周的与点158相邻的所有其他点的半径。

在一个实施例中，如图8中所示，点158大体朝向第一端136处涡轮叶片100的尖部110或者沿其此方向延伸，以特别解决该特定峰值或最大稳态应力区域内的峰值或最大稳态应力，并且改进销132的第一端136处的低循环疲劳。在一个实施例中，如图8中所示，点158大体朝向涡轮叶片100的根部108或者沿此方向延伸，以特别解决该特定峰值或最大稳态应力140区域中的峰值或最大稳态应力，并且改进或减小销132的第一端136处的低循环疲劳。

在一个实施例中，如图10中所示，点158大体朝向第二端138处涡轮叶片100的尖部110或者沿其此方向延伸，以特别解决该特定峰值或最大稳态应力140区域内的峰值或最大稳态应力，从而改进销132的第二端138处的低循环疲劳。在一个实施例中，如图10中所示，点158大体朝向第二端138处涡轮叶片100的根部108或者沿此方向延伸，以特别解决该特定峰值或最大稳态应力140区域中的峰值或最大稳态应力，从而改进或减小销132的第二端138处的低循环疲劳。

在一个实施例中，通过提供优化的灵活性，同时在压力侧壁120与销132的第一端136的径向外部144和/或径向内部142之间的对应接点处以及/或者在吸入侧壁122与销132的第二端138的径向外部144和/或径向内部142之间的对应接点处提供结构完整性，调整一个或多个径向定向圆角154的大小和/或形状，，从而减小特定或对应峰值或最大稳态应力140区域内的剪力。

图11是根据本发明多个实施例的如图2中所示的涡轮叶片100的局部放大截面俯视图。在一个实施例中，如图8中所示，峰值或最大稳态应力146的范围或区域位于销132的前部148和/或后部150附近、销132的第一端136的外周沿侧。

附加地或替代地，如图10中所示，峰值或最大稳态应力146的区域位于销132的前部148和/或后部150附近、销132的第二端138的外周沿侧。在特定实施例中，如图8、图10和图11中所示，至少一个中轴向定向圆角160设置在第一端136(如图8和图11中所示)和/或第二端138(如图10和图11中所示)的外周沿侧，其中每个轴向定向圆角160设置在单独的特定峰值或最大振动应力146区域附近。

在一个实施例中，如图8和图11中所示，轴向定向圆角160从第一端136向涡轮叶片100的前缘112延伸或者朝向该部分。在一个实施例中，轴向定向圆角160从第一端136向涡轮叶片100的后缘116延伸或者朝向该根部。在一个实施例中，如图10和图11中所示，轴向定向圆角160从第二端138向涡轮叶片100的前缘112延伸或者朝向该部分。在一个实施例中，轴向定向圆角160从第二端138向涡轮叶片100的后缘116延伸或者朝向该部分。

在一个实施例中，如图8和图11中所示，一对轴向定向圆角160设置在第一端136的外周沿侧，以使每个轴向定向圆角160位于相对的峰值或最大振动应力146区域附近。例如，一个轴向定向圆角160向前缘112延伸或朝向该部分并且另一个轴向定向圆角160向后缘116延伸或朝向该部分。

在一个实施例中，如图10和图11中所示，一对轴向定向圆角160设置在第二端138的外周沿侧，以使每个轴向定向圆角160位于相对的峰值或最大振动应力146区域附近。例如，一个轴向定向圆角160向前缘112延伸或朝向该部分并且另一个轴向定向圆角160向后缘116延伸或朝向该部分。

图11示出了四个独立的轴向定向圆角160的轮廓162，所述圆角位于大体垂直于压力侧壁120的方向上围绕销132的第一端136外周的两个位置处以及大体垂直于吸入侧壁122的方向上围绕销132的第二端138外周的两个位置处。在一个实施例中，每个轴向定向圆角160的轮廓162通常是凹入的。每个轴向定向圆角160的轮廓162可以描述为简单曲线，所述简单曲线在沿对应峰值或最大稳态应力146区域内的对应第一端136或第二端138的外周的任何点处具有单一曲率半径值。本发明意图包括轴向定向圆角160的其他轮廓，包括但不限于复合曲线和椭圆曲线。

在一个实施例中，如图8中所示，点164沿第一端136的外周和/或第二端138的外周限定在每个峰值或最大振动应力146区域内含有轴向定向圆角160处。点164对应于对应轴向定向圆角160的局部最大曲率半径值。例如，限定在点164处的最大曲率半径值大于对应峰值或最大振动应力146内沿对应第一端136或第二端138外周的与点164相邻的所有其他点的半径。

在一个实施例中，如图8中所示，点164大体朝向第一端136处涡轮叶片100的前缘112或者沿此方向延伸，以解决该特定峰值或最大振动应力146区域内的峰值或最大振动应力。在一个实施例中，如图8中所示，点164大体朝向第一端136处涡轮叶片100的后缘116或者沿此方向延伸，以解决该特定峰值或最大振动应力146区域内的峰值或最大振动应力。

在一个实施例中，如图10中所示，点164大体朝向第二端138处涡轮叶片100的前缘112或者沿此方向延伸，以解决该特定峰值或最大振动应力146区域内的峰值或最大振动应力。在一个实施例中，如图10中所示，点164大体朝向第二端138处涡轮叶片100的后缘116或者沿此方向延伸，以解决该特定峰值或最大振动应力146区域内的峰值或最大振动应力。

调整一个或多个轴向定向圆角160的大小以减小/消除灵活性或者硬化压力侧壁120与销132的第一端136和/或第二端138的前部148之间的接点，以减小或优化高循环疲劳，从而增强或延长涡轮叶片寿命。例如，在特定实施例中，限定在峰值或最大振动应力146区域内的点164处的最大曲率半径值大于限定在一个或多个最大或峰值稳态应力140区域内的点162处的最大曲率半径值。

在多个实施例中，如图8和图10中所示，过渡性配料或圆角165延伸在径向定向圆角154与轴向定向圆角160之间。每个过渡性配料或圆角165的轮廓可以描述为简单曲线，所述简单曲线在沿对应峰值或最大稳态应力140区域内的对应第一端136或第二端138的外周的任何点处具有单一曲率半径值。本发明意图包括过渡性配料或圆角165的其他轮廓，包括但不限于复合曲线和椭圆曲线。

图12是根据本发明一个实施例的销132的第一端136或第二端138的放大截面侧视图。图13是根据一个实施例的涡轮叶片100的局部放大截面俯视图，其中所述涡轮叶片包括如图12中所示的销132。如图12和图13中所示，在峰值或最大稳态应力140区域内，销132可以具有非圆形或非圆柱形形状或轮廓。在特定实施例中，截面径向宽度小于销132的截面轴向宽度168。因此，所述非圆形或非圆柱形形状可以与径向定向圆角154一致，以减小第一端136和第二端138这两端或任一端处的销132的截面径向宽度166，从而软化或减小峰值或最大稳态应力140区域内的刚性，从而减小或改进低循环疲劳。

通过利用峰值或最大稳态应力140区域相对于峰值或最大振动应力146区域的错位，可以优化径向定向圆角154和轴向定向圆角160的大小、形状或轮廓以及/或者销132的形状，以同时提供足够刚性从而减小和/或改进峰值或最大振动应力146产生的高循环疲劳，同时优化灵活性和结构完整性以减小和/或改进低循环疲劳。因此，相对于单一半径圆角改进了整体涡轮叶片的寿命/机械性能。

如本说明书中所述以及图8和图13中所示的多个实施例提供了一种用于增强涡轮叶片100的耐久性的方法200，以通过利用峰值或最大稳态应力140区域的朝向与峰值或最大振动应力146区域之间的错位同时优化高循环疲劳寿命和低循环疲劳寿命，以增强和/或改进涡轮叶片100的整体耐久性或机械性能。图14提供了根据本发明一个实施例的方法200的方框图。

在步骤202中，如图14中所示，方法200包括沿销132的第一端136和第二端138中的至少一端的外周确定至少一个峰值稳态应力140区域。在一个实施例中，峰值或最大稳态应力140区域通过以下项中的至少一项确定：手动计算、计算机执行的计算和/或能够对涡轮叶片执行有限元分析的计算机执行的算法。

在步骤204中，方法200包括沿一个或多个峰值稳态应力140区域附近的对应外周限定径向定向圆角154。径向定向圆角154包括沿对应外周的点158，其限定最大曲率半径值。径向定向圆角可以是简单曲线或复合曲线。

在步骤206中，方法200包括沿销132的第一端136和第二端138中的至少一端的外周确定至少一个峰值振动应力146区域。在一个实施例中，峰值或最大振动应力146区域通过以下项中的至少一项确定：手动计算、计算机执行的计算和/或能够对涡轮叶片执行有限元分析的计算机执行的算法。

在步骤208中，所述方法进一步包括沿对应峰值振动应力146区域附近的对应外周限定轴向定向圆角160。轴向定向圆角160包括沿点164，其限定最大曲率半径值。轴向定向圆角160的最大曲率半径值大于径向定向圆角154的最大曲率半径值。

在一个实施例中，方法200可以进一步包括限定一对径向定向圆角154，其设置在第一端136或第二端138处的相对峰值稳态应力140区域附近。在一个实施例中，所述方法可以包括限定一对轴向定向圆角160，其设置在第一端136或第二端138处的相对峰值振动应力146区域附近。在另一个实施例中，方法200包括沿第一端136和第二端138中的至少一端调整销132的形状，以具有截面径向宽度166和截面轴向宽度168，其中截面径向宽度166小于截面轴向宽度168。

本说明书中所述以及图8到图14中所示的多个实施例提供了相对于传统涡轮叶片以及涡轮叶片寿命延长方法的一个或多个技术优势。例如，销组或阵列中的销通常是低循环疲劳或高循环疲劳或这两者的寿命限制位置。销组阵列的传统销设计在静止(稳态)条件和振动条件下的硬度均匀，而这在任一条件下均不是最佳的。通过利用峰值稳态应力区域与峰值振动应力区域之间存在错位这一理解，可获得更最佳的销设计。因此，通过优化销的第一端和第二端处的涡轮叶片设计，可以改进涡轮叶片寿命，从而通过避免或推迟疲劳故障来允许该部分安全地运行更长时间。

本说明书使用了各种实例来公开本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或***，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书限定，并可包含所属领域的技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包含的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也应在权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种涡轮叶片，所述涡轮叶片包括：

前缘、后缘、延伸在所述前缘与后缘之间的压力侧壁和吸入侧壁，以及限定在所述压力侧壁与吸入侧壁之间的冷却通道；

设置在所述冷却通道内的销，其中所述销包括连接到所述压力侧壁的第一端以及连接到所述吸入侧壁的第二端；

径向定向圆角，所述径向定向圆角沿所述第一端或所述第二端中的至少一端的外周设置在峰值稳态应力区域内，其中所述径向定向圆角具有最大曲率半径；以及

轴向定向圆角，所述轴向定向圆角沿所述第一端或第二端中的至少一端的外周设置在峰值振动应力区域内，其中所述轴向定向圆角具有最大曲率半径值，所述最大曲率半径值大于所述径向定向圆角的所述最大曲率半径值。

2.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其中所述径向定向圆角向所述涡轮叶片的尖部延伸。

3.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其中所述径向定向圆角向所述涡轮叶片的根部延伸。

4.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其中所述轴向定向圆角向所述涡轮叶片的所述前缘延伸。

5.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其中所述轴向定向圆角向所述涡轮叶片的所述后缘延伸。

6.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其中所述涡轮叶片包括一对沿所述第一端或第二端的外周设置的所述径向定向圆角，每个径向定向圆角接近相对的峰值稳态应力区域。

7.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其中所述涡轮叶片包括一对沿所述第一端或第二端的外周设置的所述轴向定向圆角，每个轴向定向圆角接近相对的峰值振动应力区域。

8.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其中所述销具有限定在所述第一端和所述第二端中的每一端处的截面径向宽度和截面轴向宽度，其中所述第一端和所述第二端中的至少一端的所述截面径向宽度小于所述截面轴向宽度。

9.一种燃气涡轮机，所述燃气涡轮机包括：

压缩机；

位于所述压缩机下游的燃烧器；以及

涡轮，所述涡轮具有多个可旋转涡轮叶片，其中至少一个所述涡轮叶片包括：

翼片，所述翼片具有前缘、后缘、径向延伸在根部与尖部之间以及所述前缘与后缘之间的压力侧壁和吸入侧壁以及限定在所述后缘附近的所述压力侧壁与所述吸入侧壁之间的冷却通道；

设置在所述冷却通道内的销，其中所述销包括连接到所述压力侧壁的第一端以及连接到所述吸入侧壁的第二端；

径向定向圆角，所述径向定向圆角沿所述第一端或所述第二端中的至少一端的外周设置在峰值稳态应力区域内，其中所述径向定向圆角具有最大曲率半径；以及

轴向定向圆角，所述轴向定向圆角沿所述第一端或第二端中的至少一端的外周设置在峰值振动应力区域内，其中所述轴向定向圆角具有最大曲率半径值，所述最大曲率半径值大于所述径向定向圆角的所述最大曲率半径值。

10.根据权利要求9所述的燃气涡轮机，其中所述径向定向圆角向所述涡轮叶片的尖部延伸。

11.根据权利要求9所述的燃气涡轮机，其中所述径向定向圆角向所述涡轮叶片的根部延伸。

12.根据权利要求9所述的燃气涡轮机，其中所述轴向定向圆角向所述涡轮叶片的所述前缘延伸。

13.根据权利要求9所述的燃气涡轮机，其中所述轴向定向圆角向所述涡轮叶片的所述后缘延伸。

14.根据权利要求9所述的燃气涡轮机，其中所述涡轮叶片包括一对沿所述第一端或第二端的外周设置的所述径向定向圆角，每个径向定向圆角接近相对的峰值稳态应力区域。

15.根据权利要求9所述的燃气涡轮机，其中所述涡轮叶片包括一对沿所述第一端或第二端的外周设置的所述轴向定向圆角，每个轴向定向圆角接近相对的峰值振动应力区域。

16.根据权利要求9所述的燃气涡轮机，其中所述销具有限定在所述第一端和所述第二端中的每一端处的截面径向宽度和截面轴向宽度，其中所述第一端和所述第二端中的至少一端的所述截面径向宽度小于所述截面轴向宽度。

17.一种增强涡轮叶片的机械耐久性的方法，所述涡轮叶片具有压力侧壁、吸入侧壁、限定在两者之间的冷却通道以及设置在所述冷却通道内的至少一个销，所述销具有连接到所述压力侧壁的一端以及连接到所述吸入侧壁的相对端，所述方法包括：

沿所述销的所述第一端和所述第二端中的至少一端的外周确定至少一个峰值稳态应力区域；

沿所述峰值稳态应力区域附近的对应外周限定径向径向的圆角，所述径向定向圆角具有沿所述对应外周的限定最大曲率半径值的点；

沿所述销的所述第一端和所述第二端中的至少一端的外周确定至少一个峰值振动应力区域；以及

沿所述峰值振动应力区域附近的对应外周限定轴向定向圆角，其中所述轴向定向圆角包括限定最大曲率半径值的点，其中所述轴向定向圆角的所述最大曲率半径值大于所述径向定向圆角的所述最大曲率半径值。

18.根据权利要求17所述的方法，其中限定径向定向圆角的步骤包括限定一对径向定向圆角，其设置在所述第一端或第二端中的一端处的相对的峰值稳态应力区域附近。

19.根据权利要求17所述的方法，其中限定轴向定向圆角的步骤包括限定一对轴向定向圆角，其设置在所述第一端或第二端中的一端处的相对的峰值振动应力区域附近。

20.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括沿所述第一端和第二端中的至少一端调整所述销的形状以具有截面径向宽度和截面轴向宽度，其中所述截面径向宽度小于所述截面轴向宽度。