CN1629450A - 具有成形后缘基座的翼型 - Google Patents

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Abstract

一种用于燃气涡轮发动机的叶片，其包括有后缘冷却腔，其中压力面和吸力面通过间隔开的基座的阵列而连接起来。最易受到热应力的区域中的基座形成为椭圆形的，使得热应力分散在较大的区域上。这样就降低了应力集中。同时也可在其它位置处使用不同尺寸的圆柱形基座。

Description

具有成形后缘基座的翼型
技术领域
本发明涉及一种用于涡轮叶片的翼型，其中与后缘冷却腔中的相对壁相连的基座(pedestal)具有设计成可适应热应力的截面。
背景技术
涡轮叶片用于燃气涡轮发动机中。如众所周知的那样，涡轮叶片通常包括叶根缘板，以及延伸到叶根缘板之上的翼型形状。翼型是弯曲的，并从前缘延伸到后缘。另外，翼型具有压力面和吸力面。在工作期间，压力面比吸力面热得多。
在翼型主体中形成了冷却通道以使冷却空气循环。一类尤其在后缘的附近使用的冷却通道是敞开式腔，其具有与相对的吸力面和压力面的壁相连的圆柱形基座。冷却空气在这些基座的周围流动，并流经敞开腔。这些基座通常具有大致相等的直径。
在现有技术中，这些圆柱形基座有时会受到集中的热应力。尤其是因为压力面比吸力面热得多，因此在压力面上有更大的热膨胀。在叶根缘板的附近更是如此。由于翼型的压力面比吸力面膨胀得更多，因此会有集中的应力作用在这些基座上。这是不希望发生的。
发明内容
在本发明的一个公开实施例中，非圆柱形的基座与后缘冷却腔的相对壁相连。具体地说，基座形成为在大致平行于叶根缘板平面的方向上具有较大的直径。这一较大的尺寸将应力集中扩展到更大的长度上。基座的形状最好是椭圆形的，其长轴直径是在大致平行于叶根缘板的方向上测量的。这种形状产生了可降低应力集中的更大半径。
在本发明的其它特征中，椭圆形基座只在一些选出的区域内使用。具体地说，椭圆形基座最好在应力集中具有更重要意义的叶根缘板的附近处使用。
在其它区域中使用圆柱形基座可以降低形成本发明翼型的制造复杂性。如将在下面解释的那样，形成圆柱形的基座比形成椭圆形的基座更加容易。
在另一广泛的意义上，可以说基座在基座阵列的范围内具有不同的截面。在一个优选实施例中，在冷却腔的前缘端部的附近设有第一较小直径的圆柱形基座，而在后缘的附近则设有较大直径的圆柱形基座。椭圆形的基座最好布置在这两种尺寸的圆柱形基座的中间。这种布置的目的将在下文中更详细地介绍。
附图说明
从下述说明和附图中可以最好地理解本发明的这些及其它的特征，下面是附图的简短介绍。
图1是结合有本发明的燃气涡轮发动机的示意图。
图2是单个涡轮叶片的视图。
图3是本发明的涡轮叶片的截面视图。
图4是通过图3的一部分截面的视图。
图5显示了本发明的基座。
具体实施方式
如图1所示，燃气涡轮发动机10、例如用于发电或驱动的燃气涡轮机围绕着发动机的中心线或轴向中心轴线12周向地设置。发动机10包括风扇14、压缩机16、燃烧部分18和涡轮11。如在本领域中众所周知的那样，在压缩机16中被压缩的空气与燃料混合，燃料在燃烧部分18中燃烧并膨胀到涡轮11中。在压缩机中被压缩的空气和膨胀到涡轮11中的燃料混合物均可称为热燃气流。涡轮11包括转子13和15，其可响应于膨胀而旋转，驱动压缩机16和风扇14。涡轮11包括交错行列的旋转叶片20和静态翼型或叶片19。图1只是用于说明性目的的示意性视图，并不将本发明限制在用于发电和飞机的燃气涡轮中使用。
图2显示了具有叶根缘板22的叶片20。如众所周知的那样，弯曲的翼型24从叶根缘板22中向上延伸。
如图3所示，翼型24具有前缘25和后缘23。压力面26比吸力面28接触到更热的流体。冷却通道35延伸成可提供一条或多条穿过翼型24的大部分体积的蜿蜒或平直的冷却流动路径。
在后缘23的附近形成了敞开的冷却腔30。壁33将通道35与腔30隔开。如在腔30中所示，基座34和36将相对的压力壁26和吸力壁28相连。除了这些分散的基座34和36(以及基座32，见图4)之外，腔室30是比较敞开的，使得冷却空气可以流动。
如图4所示，基座以阵列的形式沿着翼型的长度间隔开。其中形成了具有椭圆形基座34的区域38。如图所示，椭圆形的基座34尤其用在阵列下边缘的周围，并且邻近于叶根缘板22。可以理解的是，腔30围绕并穿过这些基座32，34和36而延伸。基座32和36是圆柱形的。
通常来说，形成圆柱形的基座要比形成椭圆形的基座容易一些。这种将椭圆形基座34限制在最需要它们的区域38中确实简化了制造过程。特别是，叶片20通常由移去型芯浇铸(lost core casting)技术铸造而成。在这种技术中，型芯最初具有可形成基座32，34和36的开孔。这些开孔具有要被移走的护板(flashing)。圆柱形的开孔最容易清洁，这是因为可将简单的圆柱形工具***到开孔中。椭圆形的开孔需要更多的工作来进行清洁。
如从图5中了解到的那样，椭圆形基座34具有比短轴直径Y更大的长轴直径X。长轴直径X通常平行于叶根缘板22。这样，在现有技术中会引发某些问题的应力就被扩散到较大的区域中，从而降低了应力集中。1.25到1.75的长轴直径与短轴直径的比值是合适的。一个优选实施例具有约1.5的比值。特别是，一个示例性的基座具有0.090英寸的长轴直径，以及0.065英寸的短轴直径。对应于长轴直径设定为0.05英寸到0.175英寸的优选范围而言，短轴直径的优选范围是0.040英寸到0.10英寸。
在一个最优选的实施例中，圆柱形基座32以及通常位于区域38之上的其余基座都具有比靠近后缘的圆柱形基座36更小的第一直径。邻近前缘的基座32可以更好地承受热应力，即使邻近叶根缘板22时也是如此，因为它们要比更离后缘更近的基座更长。如从图3中可理解的那样，位于排气面26和吸力面28之间的腔30的宽度随着从后缘朝向前缘的移动而增加。因此，相对较小直径的基座32相对较长，并仍然可以承受应力。越移向后缘，由更短的基座来承受应力将变得愈加困难。
长度与直径之比(或L/D)的测量值可以定义为基座的长度或腔室壁之间的距离与基座的直径之比。这一L/D比值有助于确定较小直径的基座34何时可以承受热应力。如果L/D比值大于1.5，那么基座会更加柔韧，并且能够适应热梯度而不产生高应力。出于这种考虑，参数D可采用较小直径基座32的公称直径。当L/D比值小于1.5时，那么可以认为是属于椭圆形或较大直径基座的概念。
出于这种原因，将较大直径的基座36布置在后缘的附近。处于基座32及36之间的椭圆形基座34最好具有与圆柱形基座36的直径大致接近的长轴直径，同时椭圆形基座34具有与圆柱形基座32的直径大致接近的短轴直径。较大直径的基座36与较小直径的基座34的直径比值的范围最好如上所述地也设定为1.25到1.75的比值范围。
后缘附近的圆柱形基座36将是其中最短的，从而也最容易受到热应力的危害。本领域的普通技术工作人员可以认识到，将基座34制成较大直径的圆柱形而非椭圆形是有好处的。然而，如果将基座34制成较大的圆柱形，那么将很难形成用于基座成型的适当移去型芯。基座之间将缺乏空间，并且很难形成功能型芯。出于这种原因，简单地将基座34制成较大的圆柱形是不合适的。
这样，本发明为基座提供了一种独特的形状，其可降低应力集中，并提高转子叶片承受热应力的能力。
虽然已经公开了本发明的一个优选实施例，然而本领域的普通技术人员应当理解，在本发明的范围内可进行一些修改。出于此原因，应当研究所附的权利要求来确定本发明的真实范围和内容。

Claims (32)

1.一种涡轮叶片，包括：
叶根缘板和从所述叶根缘板中向外延伸出来的翼型，所述翼型具有带有前缘和后缘的曲线形状，以及相互间隔开并将所述前缘和后缘连接起来的压力壁和吸力壁；和
形成于所述压力壁和吸力壁之间并邻近于所述后缘的冷却腔，所述冷却腔是大致敞开的，并且所述压力壁和吸力壁通过所述冷却腔中的基座相连，而且至少一些所述基座是非圆柱形的。
2.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述非圆柱形的基座在大致平行于所述叶根缘板的顶面的平面中的尺寸大于其在垂直于所述叶根缘板的所述顶面的平面中的尺寸。
3.根据权利要求2所述的叶片，其特征在于，所述非圆柱形的基座是大致椭圆形的。
4.根据权利要求3所述的叶片，其特征在于，与所述冷却腔间隔开并朝向所述前缘形成了冷却通道。
5.根据权利要求3所述的叶片，其特征在于，所述椭圆形基座的长轴直径与短轴直径的比值处于1.25到1.75之间。
6.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，设有将所述压力壁与吸力壁相连的所述基座的阵列，所述基座中的一些是圆柱形的，而所述基座中的其它一些是非圆柱形的。
7.根据权利要求6所述的叶片，其特征在于，所述非圆柱形的基座设置在受到更多热应力的区域中的所述叶根缘板的附近。
8.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述基座中的一些是圆柱形的，并且存在有不同直径的圆柱形基座。
9.根据权利要求8所述的叶片，其特征在于，在所述冷却腔的前缘一侧上设有较小直径的圆柱形基座，还设有朝向所述后缘并与之间隔开的较大直径的圆柱形基座。
10.根据权利要求9所述的叶片，其特征在于，所述较大直径的圆柱形基座的直径与所述较小直径的圆柱形基座的直径的比值处于1.25到1.75之间的范围内。
11.根据权利要求9所述的叶片，其特征在于，所述基座具有限定在所述吸力壁和压力壁之间的长度，如果所述基座的长度与直径的比值小于1.5，那么可将所述基座制成为所述较大直径的基座和所述非圆柱形基座中的一种。
12.一种燃气涡轮发动机，包括：
风扇；
压缩机；
燃烧部分；和
具有转子叶片的涡轮，各所述转子叶片具有叶根缘板和从所述叶根缘板中向外延伸出来的翼型，所述翼型具有带有前缘和后缘的曲线形状，以及相互间隔开并将所述前缘和后缘连接起来的压力壁和吸力壁，所述叶片还具有形成于所述压力壁和吸力壁之间并邻近于所述后缘的冷却腔，所述冷却腔是大致敞开的，并且所述压力壁和吸力壁通过所述冷却腔中的基座相连，其中设有具有不同截面形状的基座。
13.根据权利要求12所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述非圆柱形的基座在大致平行于所述叶根缘板的顶面的平面中的尺寸大于其在垂直于所述叶根缘板的所述顶面的平面中的尺寸。
14.根据权利要求13所述的叶片，其特征在于，所述非圆柱形的基座是大致椭圆形的。
15.根据权利要求14所述的叶片，其特征在于，与所述冷却腔间隔开并朝向所述前缘形成了冷却通道。
16.根据权利要求14所述的叶片，其特征在于，所述椭圆形基座的长轴直径与短轴直径的比值处于1.25到1.75之间。
17.根据权利要求12所述的叶片，其特征在于，设有将所述压力壁与吸力壁相连的所述基座的阵列，所述基座中的一些是圆柱形的，而所述基座中的其它一些是非圆柱形的。
18.根据权利要求17所述的叶片，其特征在于，所述非圆柱形的基座设置在受到更多热应力的区域中的所述叶根缘板的附近。
19.根据权利要求18所述的叶片，其特征在于，所述基座中的一些是圆柱形的，并且存在有不同直径的圆柱形基座。
20.根据权利要求19所述的叶片，其特征在于，在所述冷却腔的前缘一侧上设有较小直径的圆柱形基座，还设有朝向所述后缘并与之间隔开的较大直径的圆柱形基座。
21.根据权利要求20所述的叶片，其特征在于，所述较大直径的圆柱形基座的直径与所述较小直径的圆柱形基座的直径的比值处于1.25到1.75之间的范围内。
22.根据权利要求18所述的叶片，其特征在于，所述基座具有限定在所述吸力壁和压力壁之间的长度，如果所述基座的长度与直径的比值小于1.5，那么可将所述基座制成为所述较大直径的基座和所述非圆柱形基座中的一种。
23.一种涡轮叶片，包括：
叶根缘板和从所述叶根缘板中向外延伸出来的翼型，所述翼型具有带有前缘和后缘的曲线形状，以及相互间隔开并将所述前缘和后缘连接起来的压力壁和吸力壁；和
形成于所述压力壁和吸力壁之间并邻近于所述后缘的冷却腔，所述冷却腔是大致敞开的，并且所述压力壁和吸力壁通过所述冷却腔中的基座相连，其中存在有不同截面形状的基座。
24.根据权利要求23所述的叶片，其特征在于，所述不同截面形状的基座中的一些是圆柱形的，而另一些是非圆柱形的。
25.根据权利要求24所述的叶片，其特征在于，所述圆柱形基座包括不同直径的基座。
26.根据权利要求25所述的叶片，其特征在于，较小直径的基座设置在所述冷却腔中的更接近所述前缘的位置处，而较大直径的基座形成在所述冷却腔中的更接近所述后缘的位置处，所述非圆柱形的基座处于所述较小直径和所述较大直径的基座之间。
27.根据权利要求26所述的叶片，其特征在于，所述较大直径的圆柱形基座的直径与所述较小直径的圆柱形基座的直径的比值处于1.25到1.75之间的范围内。
28.根据权利要求24所述的叶片，其特征在于，所述非圆柱形的基座是大致椭圆形的，并且具有长轴直径和短轴直径，所述较小直径的圆柱形基座具有与所述椭圆形基座的所述短轴直径大致相等的直径，而所述较大直径的圆柱形基座具有与所述椭圆形基座的所述长轴直径大致相等的直径。
29.根据权利要求28所述的叶片，其特征在于，所述长轴直径与所述短轴直径的比值处于1.25到1.75之间的范围内。
30.根据权利要求23所述的叶片，其特征在于，较小直径的基座设置在所述冷却腔中的更接近所述前缘的位置处，而较大直径的基座形成在所述冷却腔中的更接近所述后缘的位置处。
31.根据权利要求30所述的叶片，其特征在于，所述较大直径与所述较小直径的比值处于1.25到1.75之间。
32.根据权利要求30所述的叶片，其特征在于，所述基座具有限定在所述吸力壁和压力壁之间的长度，如果所述基座的长度与直径的比值小于1.5，那么可将所述基座制成为所述较大直径的基座和所述非圆柱形基座中的一种。
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