专利名称：根部开有缺口的涡轮叶片的制作方法
背景技术：
本发明总体上涉及气体涡轮引擎，更具体地，涉及引擎中的涡轮叶片。
在气体涡轮引擎中，空气在压缩机中被压缩，并且在燃烧室中与燃料混合，为的是产生热的燃烧气体，这些燃烧气体通过涡轮的各级向下游流动。高压涡轮和低压涡轮包括相应的几排涡轮转子叶片，这些叶片在径向上由支承的转子盘向外伸展，转子叶片从热的燃烧气体中提取能量，用来使盘旋转，进而在典型的涡轮风扇飞机引擎的应用中用来为压缩机和上游的风扇提供动力。
对于飞机引擎的一个主要的设计目标是使它的性能达到最高，同时使重量为最小。因此，气体涡轮引擎的各种部件设计成从中除去尽可能多的重量，而不超出涡轮中可接受的应力的限制。
在引擎转子的部件中减轻重量特别困难，这是因为它们在工作过程中高速旋转，必须承受相当大的离心载荷，这些载荷在涡轮中产生相应的应力。除了离心载荷以外，转子叶片还经受气动载荷或者压力载荷，这些载荷是由于空气被压缩或者燃烧气体通过压缩机和涡轮膨胀而产生的。
因为在工作过程中涡轮转子叶片要经受热的燃烧气体，典型地，采用由压缩机流出的空气冷却转子叶片。典型的涡轮叶片包括一种中空的翼型(或形状)，它在其中有多个冷却线路，将由压缩机获得的冷却空气送到这些线路，这些冷却空气通过入口孔进入涡轮叶片，这些入口孔在径向上穿过叶片的支承鸠尾伸展。
涡轮叶片的鸠尾典型地包括枞树构形的相应的上和下鸠尾圆形突部对或鸠尾柄状部对。转子盘的周边包括一排在相应的盘柱部之间形成的轴向的鸠尾槽，盘柱部有形状互补的上和下鸠尾圆形突部对或鸠尾柄状部对。
典型地采用一种传统的拉削过程制造盘的狭缝，在该拉削过程中，使得一系列越来越大的切削工具在轴向上通过转子的周边，直到获得盘狭缝的最后的枞树构形为止。
因此，盘的柄状部在轴向上在盘的前端面与后端面之间是直的。并且，相应的鸠尾柄状部在轴向上也是直的，为的是与形状互补的盘柄状部配合。
这样，两对鸠尾柄状部提供了四个轴向上直的压力表面，它们与盘柄状部的相应的压力表面接合，用来将离心载荷和其它载荷在运行过程中由每个叶片传递到支承叶片的盘的周边。
在其它设计中，鸠尾狭缝可以关于引擎的中心线或者轴线倾斜地或者成一定角度地通过盘的边缘，并且，叶片的鸠尾件也相应地倾斜或者成一定的角度。
因为鸠尾柄状部沿着圆周彼此相对地伸展，所以它们直接在下柄状部对和上柄状部对的每一个上方形成相应的有局部的最小面积的颈部。必须将这些鸠尾颈部的尺寸确定成在面积上足以使离心载荷在横向上分布开，为的是将鸠尾件中的最大应力或峰值应力减到最小。必须限制鸠尾件中的峰值应力，为的是确保在运行中叶片有适当的使用寿命。因此，叶片的鸠尾的最小尺寸由在其中的可接受的最大峰值应力控制。
为了增强在径向上最里面的或者下面的鸠尾柄状部对的强度，它的根部端可以包括一个附加材料的长方形块体，在鸠尾件的前端面与后端面之间的整个轴向长度上伸展，并且在鸠尾件的在相应的相对柄状部的底座端之间的横向宽度或沿圆周的宽度上伸展。典型地根部块体在有适当半径的相应倒角处与下柄状部相连接，为的是减小在那里的应力集中。
由于对于它所要求的枞树构形，所形成的叶片鸠尾相当复杂，要求它有枞树构形是为了将所有的运行载荷由每个叶片传递到转子盘。
当前，单个的叶片鸠尾的质量或重量的减轻由其中可接受的最大峰值应力限制。因为典型的气体涡轮引擎在每一级排中包括相当大数量的涡轮叶片，所以通过相应地减少鸠尾件的重量进一步减少引擎的重量可能是希望的，只要不超过可接受的峰值应力就可以。
因此，希望提供一种改进的鸠尾件，它进一步地减轻了重量，而不会超过其中最大可接受的峰值应力。
发明内容
涡轮叶片包括翼型和鸠尾件。该鸠尾件包括一对支承柄状部。长方形的根部块体在它的根端部的主要部分上方将柄状部桥接起来。块体在不到鸠尾件的一个端面的位置终止，在那里形成一个根部缺口，为的是有利地减轻重量。
按照优选实施例和示例性实施例，在下面结合附图所作的详细描述中将更具体地描述本发明与其进一步的目的和优点。在附图中图1是一对邻接的涡轮转子叶片的部分剖开的等角投影图，该对叶片通过轴向的鸠尾安装在支承转子盘的周边上；图2是在图1中所示的叶片的鸠尾部分的放大图，轴向的鸠尾将该鸠尾部分安装在转子盘中，该轴向的鸠尾在其中有一个根部缺口，为的是有利地减轻其重量；图3是在图2中所示的叶片鸠尾的放大的等角投影图，在该鸠尾中有根部缺口的优选实施例；图4是在图3中所示的一部分叶片鸠尾和根部缺口的放大端视图；以及图5是在图1中所示的叶片之一的顶视图，示出了设在下面的鸠尾上方的翼型的取向；具体实施方式
在图1中示出了涡轮风扇气体涡轮飞机引擎的示例性涡轮叶片10。该引擎包括一个传统的压缩机(未示出)，用来对空气12加压，该空气与一个燃烧室(未示出)中的燃料混合并被点燃，为的是产生热的燃烧气体14，这些热的燃烧气体通过高压涡轮和低压涡轮向下游流动，这些涡轮由气体中提取出能量。
在图1中所示的示例性的涡轮转子叶片10可以在两级高压涡轮的第二级中使用，这一级涡轮由燃气中提取出能量用来为压缩机提供动力。一个低压涡轮(未示出)由燃气中提取出另外的能量，用来为在典型的涡轮风扇飞机引擎应用中安装在压缩机的上游的一个风扇(未示出)提供动力。
每个涡轮叶片10包括最好是中空的翼型16，该翼型在一个平台20上整体地连接到一个在轴向上进入的鸠尾18上，该平台形成燃烧气体的径向上的内边界。
如在图2中附加地示出的那样，每个翼型包括一个首先接纳燃烧气体的前边缘22和一个在轴向上相对的后边缘24，在它们之间伸展一个大致中凹的压力侧面和一个相对的中凸的抽吸侧面，将这些侧面构形成用来由燃烧气体中提取出能量。
如在图2和3中所示，叶片鸠尾18的优选实施例包括上面的一对横向上或者圆周上相对的圆形突部或柄状部26和下面的一对柄状部26，它们构形成典型的枞树构形，用来在支承转子盘30的周边上形成的形状互补的轴向鸠尾槽28中支承单个的叶片，如在图1和2中所示出的那样。每个鸠尾槽28在圆周上形成在径向向外伸展的转子盘柱部之间，这些柱部具有在轴向上伸展的圆形突部或柄状部32，与双鸠尾柄状部的形状是互补的，用于其间提供四个压力接触表面，来自叶片的离心载荷和其它载荷通过这些压力接触表面传递到支承转子盘。
如最清楚地在图3中示出的那样，上和下鸠尾柄状部关于涡轮叶片的径向上的轴线或者纵向轴线是对称的且宽度较窄，以在每对上和下柄状部对的上方形成有最小局部截面积的对应的长方形颈部34。在引擎中转动运行的过程中叶片所产生的离心载荷首先通过上颈部径向向内传递到上鸠尾柄状部，为的是传递到在支承转子盘中的鸠尾槽的相应的上柄状部。
这些离心载荷中的某些载荷也通过鸠尾件的下颈部传递并由下鸠尾柄状部传递到在转子盘中的鸠尾槽的相应的下柄状部。这样，结合起来使用两对鸠尾柄状部用来在转子运行过程中将涡轮叶片中产生的所有离心载荷和其它载荷传递到支承转子盘。
为了减少单个的涡轮叶片的重量，将对应的鸠尾件18制作得尽可能地小，但是，要受到在鸠尾件内的最大可接受的峰值应力的限制，为的是确保在运行过程中叶片在引擎中有适当的使用寿命。因为鸠尾颈部34有最小的截面积，所以它们典型地是鸠尾件中的峰值应力的部位。
如在图1和3中所示，鸠尾件最好也包括一个整体的长方形根部块体36，此块体在横向上或者沿着圆周在它的根部端的主要部分上方将下柄状部26桥接起来。在传统的叶片鸠尾件中，根部块体可能在鸠尾件的前端面开始，且一直伸展到鸠尾件的后端面，并在该后端面终止。长方形的块体增强了鸠尾件的结构整体性和强度，但是，在径向的跨度上相当薄，从而限制了由此提供的重量的增加。
本发明人发现，例如在图1中所示的转子盘柄状部32的轴向上直的构形在其支承刚硬度方面产生轴向变化。特别是，盘的柄状部32在它们的轴向上的中部比在它们的轴向上相对的端部更刚硬，这些端部靠近盘周边的前面和后面。
因此，在盘的柄状部的刚硬度方面的轴向变化导致在鸠尾柄状部26与盘的柄状部32之间传递的离心作用力的轴向变化。
如在图3中所示，详细的应力分析显示，峰值应力或者最大应力SM出现在下鸠尾颈部34，靠近鸠尾件在它的两个相对的端面38、40之间的轴向中部。因此，在图3中所示的双柄状部的鸠尾件的尺寸在传统的实现方式中不能比这样的尺寸减少得更多，在该尺寸下，局部的最大应力SM接近但是不超过用于鸠尾件所使用的特定材料所容许的或者可以接受的峰值应力。
相应地，本发明人还发现，在鸠尾件中的运行应力在鸠尾件的两个端面38、40明显地低于最大应力SM，这是由于盘的柄状部的刚硬度的轴向变化造成的。
按照本发明，图3中所示的根部块体36没有完全在鸠尾件的整个根部端上伸展，而是在没有达到前端面40的位置终止，在那里形成一个对应的根部缺口42。这个优选设置的根部缺口局部降低了鸠尾件的强度，这与在运行过程中应力的局部提高相对应。因此，通过使缺口42的尺寸为最大而不让在叶片鸠尾件中的最大应力提高到超过给定的可接受的最大应力，可以明显地在鸠尾件18中提供更多的重量减少。
如在图3中所示，根部块体36是下柄状部对的整体延伸部，并且在与之共同铸造中径向上设在下柄状部对的下面。初始时，通过适于经受高压涡轮中的恶劣温度和应力环境的一种超耐热合金的铸造制造出整个的涡轮叶片。将包括它的双柄状部对的鸠尾件初始铸造成有多余的材料，通过传统的精密研磨可以除去这些多余的材料，以获得它最后的构形和尺寸以及它的最终的平滑表面。
如在图3和4中所示，最好根部块体36在第一倒角44处连接到下柄状部26上，该第一倒角有适当地较大的半径A，为的是使在那里的应力集中减到最小。如在图3中所示，根部缺口42是平的，并且在第二倒角46处与根部块体相连接，该第二倒角有相应地较大的半径B，也为的是减小在那里的应力集中。例如，第一倒角半径可以是大约50密耳(1.27毫米)，而第二倒角半径可以是大约100密耳(2.54毫米)。
根部块体有由与第一倒角44的切线延伸出的高度C，并且，第二倒角46的深度D最好至少与块体的高度C一样大。这样，根部缺口的深度可以达到最大，为的是在鸠尾件的前端最大限度地除去多余的材料，而不过多地增加超过最大容许的应力的鸠尾件的应力。
在优选实施例中，第二倒角46和相应的根部缺口42的宽度D比块体的高度C大。如在图4中所示，第二倒角46伸展进第一倒角44中，稍微超过第一倒角与根部块体36的直的侧壁的切线。
这样，可以由鸠尾件的靠近前端面40的根端部局部地除去最多的材料，这与减小支承鸠尾柄状部的相应的盘柄状部的刚硬度相对应。根部缺口造成在靠近前端面的下颈部34中局部应力的相应增加。
如在图3中所示，根部块体36有在圆周方向上在下柄状部26之间横向上伸展的宽度E，此宽度处在块体的对应的第一倒角44处。相应地，根部缺口42的宽度等于块体宽度E，为的是在缺口的局部区域中除去的材料数量达到最多。
根部缺口42也有由前端面40伸展到第二倒角46的轴向长度F，该缺口长度F的数量级为块体宽度E的数量级。这样，根部缺口在轴向方向上相对较短，而在圆周方向上或在横向方向上有最大的宽度，并且，根部缺口在位置上直接设置在鸠尾件的前端面40的附近，转子盘的柄状部的刚硬度相对较低的部分相应地支承着该前端面40。
结合起来将根部缺口42的深度D和长度F的尺寸确定成不仅用来减轻整个鸠尾件的重量，而且使得在下颈部34直接在根部缺口上方的那部分的应力SL非常接近但是不超过在下颈部的其余部分中的最大应力SM。
如上所述，转子盘柄状部的轴向构形实现了靠近这些柄状部的轴向上的中部处的刚硬度比它的轴向上的相对的端部处的刚硬度大。这典型地造成鸠尾件的最大应力SM出现在鸠尾件的在下颈部34中的轴向上的中点附近，如在图3中所示出的那样。在下颈部中靠近前端面处的应力SL相应地比此最大应力SM小，并且，由于引入根部缺口42，较低的应力SL的数值提高了，但它被限制为不超过在颈部中点处的最大应力SM。
这样，通过在前端面40局部地引入根部缺口42可以实现鸠尾件重量的明显减轻，这相应地增加了在下颈部中靠近前端面处的应力。因为局部的应力SL无论如何也比最大应力SM小，所以涡轮叶片的使用寿命不会缩短，但是可以实现重量的明显减轻。
例如，在下柄状部的根部端的整个宽度E上的缺口深度D大约为40密耳(1毫米)，缺口的长度F大约为400密尔(10毫米)的条件下，根部缺口42可以相对较小。在一个示例性的第二级转子叶片中，这将导致鸠尾件重量的大约百分之一的降低，在涡轮风扇引擎中这是一个不小的数量。
因为为了增强鸠尾件的强度特别地引入了图3中所示的根部块体36，所以不希望过度地将这部分去掉，而这部分的去掉最好是有限的。在优选实施例中，在根部缺口42的引入处根部块体完全终止，根部缺口的深度比根部块体的高度大，以使由该部分减轻的重量达到最大，而没有过高的局部应力。在替代的实施例中，根部块体在一个相应地较浅的根部缺口的引入位置可以仅只部分地终止，该根部缺口的深度比根部块体的高度小，为的是减小应力的局部增加，同时重量的减轻较少。
如在图5中所示，翼型的前边缘22设在鸠尾件的前端面40的上方，在纵向上或者在径向上与根部缺口42对准。因为翼型16由于气动的原因被扭曲，尾边缘24在横向上或者沿着圆周上由鸠尾件的后端面38偏置，并在鸠尾件的侧面上方产生一个向外伸出的部分。
向外伸出的尾边缘起通过鸠尾柄状部将载荷传递到盘的柱部作用。应力分析表明，在鸠尾件的下颈部中靠近后端面在尾边缘的伸出部分的下面的应力的大小比在下颈部中在前端面处的应力更接近在下颈部中靠近鸠尾件的中点的最大应力SM。
因此，在优选实施例中，在根部块体中仅只将根部缺口42设置在前端面处，而不设置在后端面处。并且，根部块体36的轮廓由根部缺口一直到后端面最好是均匀的。
这样，使根部块体36的构形达到最大化，由后端面到未达到前端面的位置终止，为的是使鸠尾件的强度达到最大，根部缺口提供了鸠尾件的重量的局部减轻，其位置与在鸠尾件中的一个轴向位置相对应，该位置与转子盘柄状部的轴向刚硬度减小的位置相匹配。
在图1和2中所示出的涡轮翼型16最好是中空的，并且包括内部的冷却线路48，这些冷却线路可以有任何传统的构形。相应地，鸠尾件包括多个轴向上对准的入口孔50，例如四个，在纵向上或者在轴向上穿过鸠尾件伸展，与翼型的冷却线路处于流体连通状态。适当地使来自引擎压缩机的冷却空气12以通道穿过转子盘狭缝28，并进入几个入口孔50，用于提供通过鸠尾件并进入翼型的冷却空气。
在图3所示的优选实施例中，根部缺口42在长度上在最靠近鸠尾的前端面40的第一入口孔50内部终止。
应力分析表明，如果根部缺口终止在图3中所示的第一与第二入口孔之间的肋上，在该肋中可能出现不希望的局部压缩应力，该应力可能会缩短涡轮叶片的使用寿命。通过在不到孔之间的肋的位置终止根部缺口，例如在第一孔的中间终止，在鸠尾件中可以获得相当大的重量减轻，而不会超过在运行过程中其中的最大应力，并且在孔之间的肋中不会产生不希望的应力。
尽管在示例性的涡轮转子叶片中的双柄状部的鸠尾件有很复杂的构形，但是在其中可以获得明显的重量减轻，而不会超过在它的原来位置的最大应力，并且不会引入可能缩短叶片的使用寿命的过高的局部应力。在一种优选的构形中选择性地仅只靠近鸠尾件的前端面引入根部缺口，带有相互合作的第一和第二倒角，用来减少与之相关的应力集中。所获得的涡轮叶片可以与没有根部缺口的相应叶片有相同的使用寿命，但是，有显著地减轻了重量的附加优点。
尽管在这里已经描述了本发明的优选实施例和示例性实施例，对于本领域技术人员来说由这里的内容产生本发明的其它改型是显然的，因此，希望在所附的权利要求书中保护落在本发明的真实精神和范围内的所有这样的改型。
权利要求
1.一种涡轮叶片(10)，其包括一整体地连接到一鸠尾件(18)上的翼型(16)，它包括一个前边缘(22)和轴向上相对的尾边缘(24)；所述鸠尾件包括一对横向上相对的上柄状部和一对在其间通过一颈部(34)连接到其上的下柄状部(26)，所述双柄状部对是对称的，用于将所述叶片支承在一在转子盘(30)的周边上的形状互补的狭缝(28)中；以及所述鸠尾件还包括一个长方形的根部块体(36)，在其根部端的主要部分上方将所述下柄状部桥接起来，并起始于所述鸠尾件的后端面(38)，且终止于至少部分地不到所述鸠尾件的轴向上相对的前端面(40)的位置，以在那里形成一根部缺口(42)。
2.按照权利要求1所述的叶片，其特征在于，在第一倒角(44)处所述根部块体(36)连接于下柄状部(26)，并且，在第二倒角(46)处所述根部缺口(42)连接于所述块体。
3.按照权利要求2所述的叶片，其特征在于，所述根部块体(36)的高度由所述第一倒角(44)处伸展，并且所述根部缺口(42)的深度至少与所述块体的高度一样大。
4.按照权利要求3所述的叶片，其特征在于，所述根部块体的宽度在横向上在相应的第一倒角(44)处的所述下柄状部(26)之间伸展，并且，所述根部缺口(42)的宽度等于所述块体的宽度。
5.按照权利要求4所述的叶片，其特征在于，根部缺口(42)所述根部块体中仅设置在所述鸠尾件的所述前端面处，而不布置在所述后端面处，并且，所述根部块体的轮廓由所述缺口一直到所述后端面是均匀的。
6.按照权利要求5所述的叶片，其特征在于所述翼型(16)是中空的，并且，所述鸠尾件包括多个入口孔(50)，这些孔穿过鸠尾件在纵向上伸展，与所述翼型处于流体连通状态；并且所述根部缺口(42)终止在最靠近所述鸠尾件的第二端面(40)的入口孔(50)内。
7.按照权利要求5所述的叶片，其特征在于，所述第二倒角(46)的深度比所述块体的高度大，并且所述第二倒角伸展进所述第一倒角(46)中。
8.按照权利要求5所述的叶片，其特征在于，所述根部缺口(42)的长度由所述前端面(40)伸展到所述第二倒角(46)，其数量级为所述块体的宽度的数量级。
9.按照权利要求5所述的叶片，其特征在于，结合起来将所述根部缺口的深度和长度的尺寸确定成使得在所述颈部中在所述缺口上方的应力非常接近但是不超过在所述颈部中的最大应力。
10.按照权利要求5所述的叶片，其特征在于，所述缺口的深度大约为1毫米，而所述缺口的长度大约为10毫米。
全文摘要
一种涡轮叶片(10)，其包括翼型(16)和鸠尾件(18)。该鸠尾件包括一对支承柄状部(26)。长方形的根部块体(36)在它的根端部的主要部分上方将柄状部桥接起来。块体在不到鸠尾件的一个端面(40)的位置终止，在那里形成一个根部缺口(42)，为的是有利地减轻重量。
文档编号F01D5/30GK1456791SQ0312414
公开日2003年11月19日 申请日期2003年5月6日 优先权日2002年5月6日
发明者W·C·赫尔曼, B·A·诺尔顿, B·D·凯斯 申请人:通用电气公司