专利名称：：涡轮机喷嘴的翼面形状的制作方法
技术领域：
：本发明涉及用于燃气轮机的翼面，且特别地，本发明涉及一种用于燃气轮机的第一级定子喷嘴的翼面轮廓。
背景技术：
：在燃气轮机中，在燃气轮机流路剖面的每个级处应该满足多种系统需求以达到设计目标。这些设计目标包括，但不限于，全面提高效率和翼面负载能力。例如，且绝不旨在限制本发明，涡轮机的喷嘴应该达到用于该特定级的热运行要求和机械运行要求。翼面点(Airfoilpoints)已经有了取得专利权的先例，正如Barry等在美国专利No.5，980，209中所证实地那样。Barry等确定了每个剖面有IOO-150个点，且各个剖面隔开0.52"。所确定的点的数量可取决于剖面的曲率变化率。换句话说，在具有更大曲率的区域可能要用到更多的点以便限定该区域。
发明内容根据本发明的一个示例性方面，提供了一种制品，所述制品具有大体上如表I列出的X、Y和Z的笛卡儿坐标值所表示的标称轮廓。X和Y是距离值，单位为英寸，所迷X和Y在通过平滑连续的弧相连时在每个距离Z处限定出翼面轮廓剖面，所迷距离Z的单位为英寸。在所述距离Z处的轮廓剖面可彼此平滑地相联以便形成完整的翼面形状。根据本发明的另一示例性方面，一种涡轮机包括一个涡轮机级(aturbinestage)。所述涡轮机级包括多个制品。所迷制品中的每个制品包括具有翼面形状的翼面。所述翼面包括大体上如表I列出的X、Y和Z的笛卡儿坐标值所表示的标称翼面轮廓。X和Y是距离值，单位为英寸，所述X和Y在通过平滑连续的弧相连时在每个距离Z处限定出翼面轮廓剖面，所述距离Z的单位为英寸。在所述距离Z处的轮廓剖面彼此平滑地相联以便形成完整的翼面形状。根据本发明的第三示例性方面，提供了一种包括涡轮机级的涡轮机，所述涡轮机级具有多个制品。所述制品中的每个制品可包括翼面，所述翼面具有大体上如表I列出的X、Y和Z的笛卡儿坐标值所表示的标称翼面轮廓。X和Y是距离值，单位为英寸，所述X和Y在通过平滑连续的弧相连时在每个距离Z处限定出翼面轮廓剖面，所述距离Z的单位为英寸，在所述距离Z处的轮廓剖面彼此平滑地相联以便形成完整的翼面形状。距离X、Y和Z可作为相同常数或数量的函数是可缩放的以便提供按比例放大或按比例缩小的喷嘴翼面。图1示意性地示出了具有采用喷嘴和喷嘴翼面的第一级涡轮机喷嘴布置的涡轮机；图2示出了作为用于燃气轮机中的一个级的本发明的翼面的一个实施例而被采用的制品的坐标系；图3示出了包括本发明的翼面的一个实施例的后缘的前视图4示出了本发明的一个实施例的后视图5示出了通过本发明的翼面的一个实施例的典型剖面，所述翼面包括在剖面Z处的示例性剖面点；和图6示出了影响用于本发明的翼面的一个实施例的标称轮廓的变化的因素。具体实施例方式本发明的实施例具有许多优点，这包括限定出了满足了涡轮机喷嘴嘴i面，、、'，'、、》、z'根据本发明的一个方面，提供了一种用于制品的独特轮廓。所述制品可被用作涡轮机级喷嘴的翼面，所述喷嘴优选是燃气轮机的第一级喷嘴。用于燃气轮机的典型第一级喷嘴的翼面形状被建立起来从而对设计因素进行优化，所述设计因素包4舌1)涡轮工作分流(turbineworksplit);2)通过燃气轮机的空气流；3)空气动力学效率；4)机械寿命需求和5)冲击管道的可插入性。翼面形状可由满足了级设计需求的空间中的点的轨迹限定出来且也可被制造出来。这些点对于系统而言是独特且特有的且并不是本领域的技术人员显而易见的。燃气轮机包括采用喷嘴和喷嘴翼面的多个涡轮机级。涡轮机包括多个级。每个级包括与相应叶片相结合的喷嘴布置，所述相应叶片与转子轮的级相关。转子轮中的每个转子轮被连接至涡轮机的轴，所述轴进一步可与发电机和压缩机相联。然而，应该意识到涡轮机可具有多种不同构型和数量的级、喷嘴布置和叶片(bucket)。图1示意性地示出了燃气轮机10的轴向涡轮机流路12，所述燃气轮机包括采用喷嘴和叶片的多个涡轮机级。正如本发明所实施地，通过渴轮机流路12的热气体的方向由箭头表示。例如，燃气轮机10可包括带有喷嘴20和叶片16的第一级、带有喷嘴26和叶片22的第二级和带有喷嘴32和叶片28的第三级。每个叶片由涡轮机轮(未示出)的相应的级支承。第一级喷嘴20包括翼面25和侧壁38、40。喷嘴20包括外侧壁40和内侧壁38。侧壁提供了与周围涡轮机硬件相容的适当安装和支承。翼面25具有包括三维形状的轮廓，所述三维形状分别具有吸力侧和压力侧以及前缘和后缘。应该意识到多个喷嘴沿周向彼此隔开地被布置在第一级喷嘴布置周围。本发明的一个重要方面是冷却翼面形状，所述冷却翼面形状具有优化的性能且包括三维(3D)后缘轮廓。表I中包括的用于翼面的X、Y和Z坐标的列表满足了在级效率、喷嘴喉部面积、涡轮机工作分流、沖击管道可插入行和机械寿命方面的燃气轮机需求。这些点是通过在气体动力学与机械设计优化之间进行反复来达到的。这些仅是允许燃气轮机以高效、安全且平滑的方式运行的点的轨迹。翼面形状可作为由1342个点构成的点组而被给出，所述由1342个点构成的点组来自ll个剖面，每个剖面有122个点。在坐标系中形成了给出了翼面形状的X、Y和Z坐标，所述坐标系是相对燃气轮机的冷却引擎中心轴线(Y坐标轴)而限定出的。冷却引擎中心轴线上的坐标系的原点被限定为X=0.0、Y=0.0和Z=0.0。Z坐标轴被限定为来自Y坐标轴的辐射线。X坐标轴被限定为正交于Y-Z平面。以与该辐射线(Z坐标轴)正交的方式切割翼面剖面。在每个剖面处构成翼面形状的X和Y点的单位是英寸。用于剖面平面的单位为英寸的辐射向Z值从距离冷却引擎中心轴线最远的Z=46.628直到距离冷却引擎中心轴线最近的Z=40.628英寸。介于相邻剖面中的每个剖面之间的辐射向距离隔开了0.6英寸，从而使得从Z。至Z,。的总的辐射向距离为6英寸。可通过实际部件壳体中的填料分别对底部剖面Z。和顶部剖面Z!。进行模糊化，在所述填料处，翼面与侧壁相遇。其余的9个剖面则处于不存在填料的翼面区域中。所有的1342个点都是在喷嘴的每个剖面的标称冷却温度或室温下取得的。每个剖面与其它剖面平滑地相联以便形成整个翼面形状。应该意识到当每个喷嘴翼面在使用过程中变热时，轮廓将由于应力和温度的原因而产生变化。因此，冷却温度或室温的轮廓是由X、Y和Z坐标给出的以便实现制造目的。由于制造出的喷嘴翼面轮廓可能不同于由下表给出的标称翼面轮廓，因此沿正交于任何翼面表面位置的方向与标称轮廓相距正0.130英寸至负0.030英寸的距离限定出了该喷嘴翼面的轮廓界限。该设计对于这种变化而言是稳固的，不会损害机械和空气动力学功能。还应该意识到翼面的几何形状可按比例放大或缩小以便被引入具有更小或更大的框体尺寸的相似涡轮机设计内。因此，下面给出的标称翼面轮廓的单位为英寸的X、Y和Z坐标是相同常数或数量的函数。即，单位为英寸的X、Y和Z坐标值可乘以或除以相同的常数或数量从而提供按比例放大或按比例缩小的喷嘴翼面轮廓型式，同时仍保持翼面剖面形状和特有的性质。现在参见图2、图3和图4，图中示出了根据本发明的一个方面构造出的用于第一级涡轮喷嘴的翼面，所述第一级涡轮喷嘴包括被安装在内侧壁与外侧壁之间的翼面。填料未被包括在点的限定范围内。图2示出了作为用于燃气轮机中的级的本发明的翼面的实施例而被采用的制品的坐标系。坐标系200是相对于燃气轮机的冷却引擎中心轴线205而限定出来的。坐标系包括X、Y和Z坐标Xc215、Yc220和Zc225。XYZ坐标系的原点(X=0、Y=0、Z=0)位于冷却引擎中心轴线205上的中心处。Yc220与冷却引擎中心轴线205重合。Zc225具有沿与冷却引擎中心轴线205相正交的辐射线的取向。Zc225的正辐射方向被限定为朝向翼面230。Xc215净皮限定为正交于由Yc220和Zc225形成的平面。Xc215和Yc220的正向由方位标记表示。喷嘴包括翼面，所述翼面具有后缘、前缘、外侧壁和内侧壁。图3示出了包括本发明的翼面的一个实施例的后缘的前视图。喷嘴300可包括翼面310、外侧壁320和内侧壁330以及前缘340。才艮据表l给出的坐标点对翼面310的后缘350进行优化，从而改进级的空气动力学效率。剖面Z。至Zm被分别标记为470、460、450、440、430、420、410、400、390、380和370。再次参见图2，以与Zc225(来自冷却引擎中心轴线205的辐射线)相正交的方式切割翼面部分250。在每个剖面处构成翼面形状的X和Y点的单位为英寸。用于剖面平面的辐射向Z值从距离冷却引擎中心轴线最近的Zfl(470)=40.628直到距离冷却引擎中心轴线最远的Z，(370)=46.628英寸。引擎中心线位于Z=0英寸处。限定出喷嘴剖面的点被标于表I中。图4示出了本发明的翼面的实施例的后视图，图中标出了翼面310所包括的外侧壁320、内侧壁330、前缘340和后缘350。图5示出了通过本发明的翼面的一个实施例的典型剖面，所述剖面包括在Z,=41.228处的典型剖面点。通过翼面的典型剖面500可包括压力侧510、吸力侧520、前缘540和后缘550。图5示出了取自表I的用于剖面的坐标点560的典型分布。坐标点560被限定成使得后缘550包括更为集中的点，这表示该表面具有更大的曲率，由此使得用来运行的翼面形状的真正目的和关键性都集中于此。图6示出了影响本发明的翼面的一个实施例的标称轮廓的变化的因素。轮廓是在翼面表面上测得的点与其理想位置之间的变化范围。表I中产生和示出的值是用来确定翼面轮廓的。这些是典型的制造容限，以及涂层，所述涂层必需被考虑在翼面的实际轮廓中。因此，表I中给出的轮廓的值是用于标称翼面的。因此，应该意识到士典型制造容限，即±值，是对下表I中给出的X和Y值的增补。这种变化的特征在于两个分量，即每种工艺的平均偏差和标准偏差。考虑到加工能力数据，对于该设计而言，采用与标称轮廓630交叠的0.160英寸的容限610是适当的。这意味着在标称轮廓630周围存在+0.130英寸的容限615和-0.030英寸的容限620。该设计对于这种变化是稳固的，这意味着不会损害机械和空气动力学性能。因此，在与沿翼面轮廓的任何表面位置相正交的方向上具有+O.130英寸/-0.030英寸的距离使得限定出了用于该特定喷嘴翼面设计和涡轮机的翼面轮廓界限。表I:下面给出的坐标值提供了与经过优化的用于第一级喷嘴的XYZ坐标相关的优选标称轮廓界限信息。<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage20</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage21</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage22</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage23</column></row><table>20第一级喷嘴22第二级叶片25翼面26第二级喷嘴28第三级叶片32第三级喷嘴40外侧壁38内侧壁200翼面坐标系205冷却引擎中心轴线215Xc220Yc225Zc230翼面250剖面300喷嘴310翼面320外侧壁330内侧壁340前缘350后缘370-470剖面Z10-Z0500典型翼面剖面510压力侧520吸力侧540前缘550后缘560坐标点610轮廓615容限620容限630标称轮廓权利要求1、一种制品，所述制品具有大体上如表I列出的X210、Y215和Z220的笛卡儿坐标值所表示的标称轮廓，且其中X和Y是距离值，单位为英寸，所述X和Y在通过平滑连续的弧相连时在每个距离Z处限定出翼面轮廓剖面(250)，所述距离Z的单位为英寸，在所述距离Z处的所述轮廓剖面(250)彼此平滑地相联以便形成完整的翼面形状。2、根据权利要求1所述的制品，其中所述制品包括翼面(230)。3、根据权利要求2所述的制品，其中所述制品形状沿正交于任何制品表面位置的方向位于+0.130英寸(615)至-0.030英寸(620)范围内的界限中。4、根据权利要求1所迷的制品，其中所述制品包括定子(28、30、40)。5、一种涡轮机(10)，所述渴轮机包括涡轮机级(16、20)，所述涡轮机级具有多个制品，所述制品中的每个制品包括具有翼面形状的翼面(230)，所述翼面(230)具有大体上如表I列出的X210、Y215和Z220的笛卡儿坐标值所表示的标称翼面轮廓，其中X和Y是距离值，单位为英寸，所述X和Y在通过平滑连续的弧相连时在每个距离Z处限定出翼面轮廓剖面(250)，所述距离Z的单位为英寸，在所述距离Z处的所述轮廓剖面(250)彼此平滑地相联以便形成完整的翼面形状。6、根据权利要求5所述的涡轮机(10),其中所述制品包括定子。7、根据权利要求5所述的涡轮机(10)，其中所述翼面形状沿正交于任何翼面表面位置的方向位于+0.130英寸(615)至-0.030英寸(620)范围内的界限中。8、一种涡轮机(10)，所述涡轮机包括涡轮机级(16、20)，所述涡轮机级具有多个制品，所述制品中的每个制品包括翼面(230),所述翼面具有大体上如表I列出的X210、Y215和Z220的笛卡儿坐标值所表示的标称翼面轮廓，其中X和Y是距离值，单位为英寸，所述X和Y在通过平滑连续的弧相连时在每个距离Z处限定出翼面轮廓剖面，所述距离Z的单位为英寸，在所述距离Z处的所述轮廓剖面彼此平滑地相联以便形成完整的翼面形状，所述距离X、Y和Z可作为相同常数或数量的函数是可缩放的以便提供按比例放大或按比例缩小的喷嘴翼面。9、根据权利要求8所述的涡轮机(10)，其中所述制品包括定子(28、30、40)。10、根据权利要求8所述的涡轮机(10)，其中所述翼面形状沿正交于任何制品表面位置的方向位于+0.130英寸(615)至-O.030英寸(620)范围内的界限中。全文摘要本发明涉及涡轮机喷嘴的翼面形状。一种制品(230)具有大体上如表I列出的X、Y和Z的笛卡儿坐标值所表示的标称轮廓。所述X和Y是距离值，单位为英寸，所述X和Y在通过平滑连续的弧相连时在每个距离Z处限定出翼面轮廓剖面(250)，所述距离Z的单位为英寸。所述距离X、Y和Z可作为相同常数或数量的函数是可缩放的以便为喷嘴提供按比例放大或按比例缩小的翼面剖面。由距离X、Y和Z给出的所述标称翼面处在+0.130英寸至-0.030英寸的界限内。文档编号F23R3/58GK101377306SQ20081021426公开日2009年3月4日申请日期2008年8月29日优先权日2007年8月31日发明者D·D·斯努克,D·J·哈曼楚克,E·D·本杰明,T·W·范德普特申请人:通用电气公司