涡轮机翼型件的同步的制作方法

专利名称：涡轮机翼型件的同步的制作方法
技术领域：
本申请涉及涡轮发动机。更具体而言，但并非通过限制的方 式，本申请涉及将一排中的翼型件相对于邻近或相邻排中的翼型件进 行定位，以4更实现一定的工作益处。
背景技术：
燃气涡轮发动机通常包括压缩机、燃烧器和涡轮。压缩机和 涡轮通常包括轴向地叠置成多级的成排的翼型件或叶片。各级通常均 包括一排固定的周向间隔开的定子叶片，以及一组围绕中心轴线或轴 旋转的周向间隔开的转子叶片。通常在工作中，压缩机转子中的转子 叶片围绕轴旋转，以压缩空气流。所供送的压缩空气用于燃烧器中， 以燃烧供送来的燃料。由燃烧产生的热气流扩散穿过涡轮，致使涡轮 转子叶片围绕轴旋转。以此方式，燃料中所含有的能量转换成旋转叶 片的机械能，该机械能可用于旋转压缩机的转子叶片以及使发电机的 线圈旋转来发电。在工作期间，由于极端温度、工作流体的速度，以 及转子叶片的转速，穿过压缩机和涡轮二者的定子叶片和转子叶片都 为高应力零件。通常，在涡轮发动机的压缩机段和涡轮段中，相邻或邻近级 的定子叶片排或转子叶片排构造成具有数目大致相同的周向间隔开 的叶片。在致力于改善涡轮发动机的航空效率期间，已经努力使一排 中的叶片的周向位置相对于相邻或邻近排中的叶片的周向位置变换 角度(index)或"同步(clock)"。然而，尽管仅极小地或可忽视地改善了 发动机的航空效率，但已发现这类常规同步方法的作用通常会增大工 作期间作用在翼型件上的机械应力。当然，增大的工作应力会引起叶片故障，这可导致对燃气涡轮发动机的大范围损坏。至少，增大的工 作应力会缩短翼型件的零件寿命，这会增加运行发动机的成本。对能量日益增加的需求使得设计出效率更高的涡轮发动机
成为正在进行的且相当重要的一个目标。然而，使涡轮发动机更为高 效的许多方法将附加的应力置于发动机的压缩机段和涡轮段的翼型 件上。也就是说，涡轮机的效率通常可通过多种方式来提高，包括较 大的尺寸、点火温度和/或转速，所有这些都在工作期间将较大的应变 置于翼型件上。结果，需要减小涡轮机翼型件上的应力的新的方法及
系统。减小作用于翼型件上的工作应力的用于使涡轮^L翼型件同步的
新的方法及系统将成为朝向设计出更为高效的涡轮发动机的重要一步。

发明内容
因此，本申请描述了运行涡轮发动机的方法，其中，涡轮发
动机包括位于压缩机和涡轮中的一者中的至少三个相继的轴向叠置
的翼型件排第一翼型件排、第二翼型件排和第三翼型件排。第一翼 型件排和第三翼型件排均可包括一排转子叶片和一排定子叶片中的
一者，而第二翼型件排则包括另一者。该方法包括构造第一翼型件
排的翼型件和第三翼型件排的翼型件，^f吏得第一翼型件排的至少一部
分翼型件和第三翼型件排的至少一部分翼型件构成在25%至75%的间
距(pitch)之间的同步关系。该方法还包括构造第一翼型件排的翼型件和第三翼型件排 的翼型件的步骤，使得第一翼型件排的基本上所有翼型件和第三翼型 件排的基本上所有翼型件构成在25%至75%的间距之间的同步关系。涡轮发动机可构造成使得在工作期间第 一翼型件排与第三 翼型件排之间基本上没有相对运动。涡轮发动机可构造成使得在工作 期间第一翼型件排和第三翼型件排具有相对于第二翼型件排的大致
相同的相对运动。涡轮发动^l可构造成^f吏得第一翼型件排和第三翼型
7件排具有数目大致相同的翼型件。间距可包括在翼型件排中的翼型件上的 一点与同 一排中的
任一邻近翼型件上的同一点之间的周向距离；而在25%至75%的间距 之间的同步关系提供了在第三翼型件排中的翼型件的周向位置落后 或领先第一翼型件排中的对应翼型件的周向位置25%至75%之间的间 ^巨尺寸(measurement)的^扁移。该方法还可包括构造第一翼型件排的翼型件和第三翼型件 排的翼型件的步骤，使得第一翼型件排的至少90%的翼型件和第三翼 型件排的至少90%的翼型件构成在35%至65%的间距之间的同步关 系。该方法还可包括构造第一翼型件排的翼型件和第三翼型件 排的翼型件的步骤，使得第一翼型件排的至少90%的翼型件和第三翼 型件排的至少90%的翼型件构成在45%至55%的间距之间的同步关 系。本申请还描述了运行涡轮发动机的方法，其中，涡轮发动机 包括在压缩机和涡轮中的 一者中的至少五个相继的轴向叠置的翼型 件排第一翼型件排、第二翼型件排、第三翼型件排、第四翼型件排
和第五翼型件排。第一翼型件排、第三翼型件排和第五翼型件排均包 括转子叶片排和定子叶片排中的一者，而第二翼型件排和第四翼型件
排则包括另一者。该方法可包括如下步骤构造第一翼型件」桥的翼型 件和第三翼型件排的翼型件，使得第一翼型件排的至少90%的翼型件 和第三翼型件排的至少90%的翼型件构成在25%至75%的间距之间的 同步关系；以及构造第三翼型件排的翼型件和第五翼型件排的翼型 件，使得第三翼型件排的至少90%的翼型件和第五翼型件排的至少 90%的翼型件构成在25%至75%的间距之间的同步关系。该方法还可包括如下步骤构造第一翼型件排的翼型件和第 三翼型件排的翼型件，使得第一翼型件排的基本上所有翼型件和第三 翼型件排的基本上所有翼型件构成在25%至75%的间距之间的同步关系；以及构造第三翼型件排的翼型件和第五翼型件排的翼型件，使得
第三翼型件排的基本上所有翼型件和第五翼型件排的基本上所有翼
型件构成在25%至75%的间距之间的同步关系。该方法还可包括如下步骤构造第一翼型件排的翼型件和第 三翼型件排的翼型件，^吏得第一翼型件排的至少90%的翼型件和第三 翼型件排的至少90。/。的翼型件构成在35%至65%的间距之间的同步关 系；以及构造第三翼型件排的翼型件和第五翼型件排的翼型件，使得 第三翼型件排的至少90%的翼型件和第五翼型件排的至少90%的翼型 件构成在35%至65%的间距之间的同步关系。该方法还可包括如下步骤构造第一翼型件排的翼型件和第 三翼型件排的翼型件，使得第一翼型件排的至少90%的翼型件和第三 翼型件排的至少90%的翼型件构成在45%至55%的间距之间的同步关 系；以及构造第三翼型件排的翼型件和第五翼型件排的翼型件，使得 第三翼型件排的至少90%的翼型件和第五翼型件排的至少90%的翼型 件构成在45%至55%的间距之间的同步关系。通过对优选实施例的如下详细描述，同时结合附图和所附权 利要求，本申请的这些及其它特征将变得更为明显。


通过仔细研究本发明示例性实施例的如下更为详细的描述 并结合附图，可更为完全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为本申请的实施例可用于其中的示例性涡轮发动机的简
图；图2为本申请的实施例可用于其中的燃气涡轮发动机的压缩 机的截面图；图3为本申请的实施例可用于其中的燃气涡轮发动机的压缩 机的截面9[120]图4为示出示例性同步关系的邻近翼型件排的简图； [121 ]图5为示出示例性同步关系的邻近翼型件排的简图； [122]图6为示出示例性同步关系的邻近翼型件排的筒图；以及 [123]图7为示出示例性同步关系的邻近翼型件排的简图；以及 [124]图8为示出根据本申请的示例性实施例的同步关系的邻近翼 型件排的简图。
零件清单
100燃气涡轮发动机
106 i^缩机
110涡專仑
112燃烧器
118压缩才几
120压缩机转子叶片
122压缩机定子叶片
124涡轮
126涡轮转子叶片
128涡轮定子叶片
130翼型件
134第一翼型件排
136第二翼型件排
138第三翼型件排
140,142箭头
171第一翼型件排
172第二翼型件排
173第三翼型件排
174第四翼型件排
175第五翼型件排
具体实施例方式现参看附图，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获取能量来运行，该热气流通
过燃烧压缩气流中的燃料而产生。如图1中所示，燃气涡轮发动机IOO 可构造成具有轴向压缩机106,以及位于压缩机106与涡轮110之间 的燃烧器112，其中，轴向压缩机106通过公共轴或转子机械地联接 到下游的涡轮段或涡轮110上。注意，如下发明可用于所有类型的涡 轮发动机，包括燃气涡轮发动机、蒸汽涡轮发动机、飞行器发动机等。 此外，本文所述的发明可用于具有多个轴和再加热构造的涡4仑发动 机，以及在燃气涡轮机的情形下具有带不同结构的燃烧器，例如，环 形或筒形燃烧器构造。在下文中，将参照如图1中所示的示例性燃气 涡轮发动机进行描述。如本领域的普通技术人员将会认识到的那样， 这些描述仅为示例性的，而非以任何形式进行限制。图2示出了可用于燃气涡轮发动机的示例性多级轴向压缩机 118的视图。如图所示，压缩机118可包括多个级。各级均可包括一 排压缩机转子叶片120,跟随之后的是一排压缩机定子叶片122。因 此，第一级可包括围绕中心轴旋转的一排压缩机转子叶片120,跟随 之后的是在工作期间保持静止的一排压缩机定子叶片122。压缩机定 子叶片122通常彼此周向地隔开，且围绕旋转轴线固定。压缩机转子 叶片120围绕转子轴线周向地隔开并在工作期间围绕轴旋转。如本领 域的普通技术人员将认识到的那样，压缩机转子叶片120构造成使得 当围绕轴自旋时，它们就将动能施加给流过压缩机118的空气或工作 流体。如本领域的普通技术人员将认识到的那样，压缩机118可具有 超出图2中所示级以外的一些其它级。各个附加级均可包括多个周向 间隔开的压缩机转子叶片120，跟随之后的是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的示例性涡轮124的局部视图。涡轮124可包括多个级。虽然示出了三个示例性的级，但涡轮 124中可存在更多或更少的级。第一级包括在工作期间围绕轴旋转的 多个涡轮动叶或涡轮转子叶片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通常彼此周向地隔开并 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 以便围绕轴(未示出)旋转。还示出了涡轮124的第二级。第二级同样 包括多个周向间隔开的涡轮定子叶片128，跟随之后的是多个周向间 隔开的涡轮转子叶片126,其同样安装在涡轮叶轮上以便旋转。还示 出了第三级，且其同样包括多个周向间隔开的涡轮定子叶片128和涡 轮转子叶片126。将会认识到，涡轮定子叶片128和涡轮转子叶片126 位于涡轮124的热气通路中。热气穿过热气通路的流向由箭头标示。 如本领域的普通技术人员将认识到的那样，涡轮124可具有超出图3 中所示级以外的一些其它级。各个附加级均可包4舌多个周向间隔开的 压缩机定子叶片128,跟随之后的是多个周向间隔开的涡轮转子叶片 126。[128]注意如本文所用，在没有进一步专指的情况下，参看"转子 叶片"是指参看或压缩机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 二者。在没有进一步专指的情况下， 参看"定子叶片，，是指参看或压缩机118或涡轮124的静止叶片，其包 括压缩机定子叶片122和涡轮定子叶片128。用语"翼型件，，将在文中 用于指示任一类型的叶片。因此，在没有进一步专指的情况下，用语 "翼型件"包括所有类型的涡轮发动机叶片，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。[129]在使用中，轴向压缩机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， 可释放出能量。来自于燃烧器112的最终所形成的热气流然后可引导 到涡轮转子叶片126上，这可引起该涡轮转子叶片126围绕轴旋转， 从而将热气流的能量转换成旋转轴的机械能。轴的机械能然后可用于12驱动压缩机转子叶片120旋转，以便产生需要供给的压缩空气，以及 例如还驱动发电机来发电。[130]通常，在燃气涡轮;^几的压缩枳』106和涡轮110中，相邻或邻 近排的翼型件130可具有大致相同的构造，即具有数目相同的尺寸相 似的翼型件，其类似地围绕该排的圓周间隔开。当在这种情况时，以 及此外，当两排或多排运行使得在各排之间(如在这种情况下，例如， 在两排或多排转子叶片之间或在两排或多排定子叶片之间)没有相对 运动时，这些排中的翼型件可为"同步的"。如本文所用，用语"同步的" 或"同步"是指在一排中的翼型件的周向定位相对于相邻排中的翼型件 的周向定位是固定的。[131]图4至图7示出了成排的翼型件130可怎样同步的实例的简 化示意图。这些附图包括并排示出的三排翼型件130。图4至图7中 的外部两排翼型件130可分别表示转子叶片排，而中间的一排可表示 定子叶片排，或如本领域的普通技术人员将认识到的那样，外部的两 排可表示定子叶片排，而中间的一排可表示转子叶片排。如本领域的 普通技术人员将认识到的那样，外部的两排，不论它们为定子叶片或 转子叶片，在它们之间基本上没有相对运动(即在工作期间都保持静止 或都以同样的速度旋转)，同时，该两个外部排均具有相对于中间排的 大致相同的相对运动(即两个外部排旋转而中间排保持静止，或两个外 部排保持静止而中间排旋转)。此外，如已经描述的那样，为了使两个 外部排之间最为有效地同步，它们必须分别相似地进行构造。因此，图4至图7中的两个外部排可假定为具有数目大致相同的翼型件，且 各排上的翼型件均可假定为尺寸相似和相似地围绕各排的圓周间隔 开。[132]对于图4至图7中的实例，外部的第一排翼型件将称为第一 翼型件排134,中间的一排翼型件将称为第二翼型件排136,以及外 部的另一排翼型件将称为第三翼型件排138。第一翼型件排134和第 三翼型件排138的相对运动由箭头140标示。可表示穿过压缩机11813或涡4仑124的流动方向的流向，不{仑在<可种情况下，都可由箭头142 标示。注意，图4至图7中所用的示例性翼型件排已经用用语"第一"、 "第二"以及"笫三"进行了描述。在各图中，该描述仅适用于所示排关 于其它排的相对定位，而并未示出相对于涡4仑发动才几中的其它翼型件 排的总体定位。例如，其它翼型件排可定位在"第一翼型件排136"的 上游(即第一翼型件排136不必是涡轮发动机中的第一排翼型件)。[133] —排翼型件的"间距，，在文中用于表示围绕特定排的圆周的 重复式样(pattem)的尺寸。因此，间距可描述为例如特定排中的翼型件 的前缘与同 一排中的任一邻近翼型件的前缘之间的周向距离。例如， 间距还可描述为特定排中的翼型件的后缘与同一排中的任一邻近翼 型件的后缘之间的周向距离。将会认识到，为了使同步更为有效，两 排通常将具有相似的间距尺寸。如图所示，第一翼型件排134和第三 翼型件排138具有大致相同的间距，其已在图4的第三翼型件排138 中表示为距离144。还要注意，提供了图4至图7的同步实例，以便 可绘出和理解描述相邻或邻近翼型件排之间的各种同步关系的一致 方法。总而言之，如下文更为充分地描述，两排之间的同步关系将给 定为间距尺寸的百分比。也就是说，间距尺寸的百分比指出了两排上 的翼型件同步或偏移的距离。因此，间距尺寸的百分比例如可描述特 定排上的翼型件前缘和第二排上的对应翼型件的前缘相对于彼此偏 移的周向距离。[134]图4至图7提供了两个外部排(即第一翼型件排134与第三 翼型件排138)之间的不同同步关系的几个实例。在图4中，如将认识 到的那样，第三翼型件排138相对于第一翼型件排134偏移大约0% 的间距。因此，如图所示，第三翼型件排138中的翼型件130的周向 位置落后第一翼型件排134中的对应翼型件130大约0%的间距尺寸 的偏移，这当然意指第三翼型件排138中的翼型件130保持与第一翼 型件排134中的对应翼型件130大致相同的周向位置。同样，第一翼 型件排134中的翼型件130的前缘(其中的一个以参考标号148标示)翼型件排138相对于第 一翼型件排134偏移大约25%的间距。因此，如图所示，第三翼型件 排138中的翼型件130的周向位置落后(给定外部排的相对运动方向) 第一翼型件排134中的对应翼型件130大约25%的间距尺寸的偏移。 同样，第一翼型件排134中的翼型件130的前缘(其中的一个以参考标 号154标示)领先第三翼型件排138中的对应翼型件130前缘(其以参 考标号156标示)大约25%的间距尺寸的周向距离。[136]在图6中，如将认识到的那样，第三翼型件排138相对于第 一翼型件排134偏移大约50%的间距。因此，如图所示，第三翼型件 排138中的翼型件130的周向位置落后(给定外部排的相对运动方向) 笫一翼型件排134中的对应翼型件130大约50%的间距尺寸的偏移。 同样，第一翼型件排134中的翼型件130的前缘(其中的一个以参考标 号158标示)领先第三翼型件排138中的对应翼型件130前缘(其以参 考标号160标示)大约50%的间距尺寸的周向距离。[137]在图7中，如将认识到的那样，第三翼型件排138相对于第 一翼型件排134偏移大约75%的间距。因此，如图所示，第三翼型件 排138中的翼型件130的周向位置落后(给定外部排的相对运动方向) 笫一翼型件排134中的对应翼型件130大约75%的间距尺寸的偏移。 同样，第一翼型件排134中的翼型件130的前缘(其中的一个以参考标 号162标示)领先第三翼型件排138中的对应翼型件130前缘(其以参 考标号164标示)大约75%的间距尺寸的周向距离。[138]当然，翼型件130可与上述关系(即0%、 25%、 50%、 75% 的间距)不同地同步(即保持第 一翼型件排与第三翼型件排之间的不同 偏移)。尽管上述的一些同步关系是在当前发明(如下文更为详细地描 述)的一些实施例内，但它们也是示例性的，且旨在使用于描述多个相邻或邻近的翼型件排之间的同步关系的方法变得清楚。本领域的普通 技术人员将认识到其它方法也可用于描述同步关系。本文所用的示例 性方法并非旨在以任何方式进行限制。相反，如下文和权利要求中所 述，重要的是相邻翼型件之间的相对定位(即同步关系)，而非描述同 步关系的方法。[139]通过分析模型和实验数据，已经发现有些同步构造为压缩机118和涡轮124提供了一定的工作益处。更具体而言，已发现翼型件 排在工作期间所经受的机械应力或工作应力(这可包括翼型件尤其是定子叶片的振动和摇摆)可受到邻近和/或相邻的翼型件排的同步关系 的显著影响。 一些同步关系增大了作用在特定翼型件排上的工作应 力，同时其它同步关系减小了作用在该排上的应力。此外，尽管图4 至图7仅示出了涉及3个翼型件排的同步构造，但已发现i^争越附加排 的同步关系可以使用，以便能实现更多的工作益处。[140]图8示出了根据本发明示例性实施例的同步构造。图8包括 并排示出的五个翼型件排；第一翼型件排171;第二翼型件排172; 第三翼型件排173;第四翼型件排174;以及第五翼型件排175。如本 领域的普通技术人员将认识到的那样，第一翼型件排171、第三翼型 件排173，以及第五翼型件排175可表示转子叶片，且在这些转子叶 片排之间，第二翼型件排172和第四翼型件排174可表示定子叶片排。 作为备选，第一翼型件排171、第三翼型件排173和第五翼型件排175 也可表示定子叶片。在这种情况下，在定子叶片排之间，第二翼型件 排172和第四翼型件排174可表示转子叶片。此外，如本领域的普通 技术人员将认识到的那样，第一翼型件排171、第三翼型件排173和 第五翼型件排175,不论它们是否分别为定子叶片或是转子叶片，在 工作期间它们之间大致没有相对运动(即，所有排如果它们为定子叶片 则保持静止而如果为转子叶片则以相同的速度旋转)。还有，第二翼型 件排172和第四翼型件排174，不论它们是否分别为定子叶片或是转 子叶片，在工作期间它们之间大致没有相对运动(即，这两排如果它们为定子叶片则保持静止而如果为转子叶片则以相同的速度旋转)。假定
这样的话，第一翼型件排171、第三翼型件排173和第五翼型件排175 当然将具有相对于第二翼型件排172和第四翼型件排174的大致相同
的相对运动(即，第一翼型件排171、第三翼型件排173和第五翼型件 排175旋转而第二翼型件排172和第四翼型件排174保持静止，或该 三排保持静止而第二翼型件排172和第四翼型件排174旋转)。如本领 域的普通技术人员将认识到的那样，图8中的翼型件排可定位在涡轮 发动机的压缩机118或涡轮124中。此外，如已经描述的那样，为了使同步构造更为有效地执行， 第一翼型件排171、第三翼型件排173和第五翼型件排175通常可构 造成大致相同。同样，图8中的第一翼型件排171、第三翼型件排173 和第五翼型件排175通常可具有数目相同的翼型件或数目大致相同的 翼型件。各排上的翼型件也可为大致相同的尺寸，且围绕各排的圆周 大致相同地间隔开。在图8中，根据当前申请的示例性实施例，第三翼型件排173 可以大约50%的间距相对于第一翼型件排171同步。因此，如图所示， 第三翼型件排173中的翼型件的周向位置落后(给定多排的相对运动 方向)第一翼型件排171中的对应翼型件大约50%的间距尺寸的偏移。 同样，第一翼型件排171中的翼型件的前缘(其中的一个以参考标号 182标示)领先第三翼型件排173中的对应翼型件的前纟彖(其以参考标 号184标示)大约50%的间距尺寸的周向距离。除了其它优点之外，分析模型和实验数据已经证实，所示在 笫一翼型件排171与第三翼型件排173之间具有近似值的同步构造(即 50%的间距)减小了在工作期间作用于第二翼型件排172的翼型件上的 应力，包括诸如振动和摇摆的机械应力。也就是说，已经发现，通过 按照图8中所示的方式使两个邻近的翼型件排(即，位于特定排两侧上 的翼型件排)同步，可实现显著减小作用于该特定排的翼型件上的工作 应力，以及非常接近或处在50%的间距值的同步构造在一些实施例和应用中提供了接近最高水平的应力消除。还有，已经确定，在50%的 间距值± 10%范围内的同步值提供了接近最大应力减小水平的应力减 小。(如本文所用，50%的间距± 10%为在45%至55%之间的间距范围。) 如本领域的普通技术人员将认识到的那样，除了其它优点之外，工作 应力的减小可延长翼型件的零件寿命，从而容许涡轮以成本效益更为 合算的方式工作。在一些实施例中，在两个翼型件排如第一翼型件排171和第 三翼型件排173同步的情况下，第一翼型件排171可为一排压缩机转 子叶片120、第二翼型件排172可为一排压缩机定子叶片122，而第 三翼型件排173可为一排压缩机转子叶片120。更具体而言，在本申 请的示例性实施例中，第一翼型件排171可为压缩机第十四级中的一 排压缩机转子叶片120,第二翼型件排172可为压缩机第十四级中的 一排压缩机定子叶片122,而第三翼型件排173可为压缩机第十五级 中的一排压缩机转子叶片120。在该示例性实施例的一些情形中，第 十四级和第十五级可为由通用电气公司(Schenectady, New .York)制造 的7F或9F燃气涡轮发动机的F系列压缩机的第十四级和第十五级。 此外，在该实例以及一些实施例中，压缩机可具有总共17级翼型件， 各级均具有单排转子叶片，跟随之后的是单排定子叶片。第十四级中 的转子叶片排可具有总共64个转子叶片，而第十五级中的转子叶片 排可具有总共64个转子叶片。最后，在一些实施例中，第十四级中 的定子叶片排可具有总共132个定子叶片，而第十五级中的定子叶片 排可具有总共130个定子叶片。通过实验数据和分析模型已经发现， 如本文所述和要求保护的那样，同步关系可结合本段以上所述的压缩 才几构造良好地运行。此外，在备选实施例中，第一翼型件排171可为压缩机第十 五级中的一排压缩机转子叶片120，第二翼型件排172可为压缩机第 十五级中的一排压缩机定子叶片122，而第三翼型件排173可为压缩 机第十六级中的一排压缩机转子叶片120。在该示例性实施例的一些情形中，第十五级和第十六级可为由通用电气公司(Schenectady, New York)制造的7F或9F燃气涡轮发动机的F系列压缩机的第十五级和 第十六级。此外，在该实例以及一些实施例中，压缩机可具有总共17 级翼型件，各级均具有单排转子叶片，跟随之后的是单排定子叶片。 第十五级中的转子叶片排可具有总共64个转子叶片，而第十六级中 的转子叶片排可具有总共64个转子叶片。最后，在一些实施例中， 第十五级中的定子叶片排可具有总共130个定子叶片，而第十六级中 的定子叶片排可具有总共132个定子叶片。通过实验数据和分析模型 已经发现，如本文所述和要求保护的那样，同步关系可结合本段以上 所述的压缩机构造良好地运行。分析模型和实验数据还证实，通过比上文所述的范围更宽的 同步构造可以实现工作益处和应力减小，只是在一些实施例中，优点 并非那么大。在为大约50%的间距±50%的第一翼型件排171和第三 翼型件排173之间的同步构造内，可减小工作应力。(如本文所用，50% 的间距±50%为在25%至75%之间的间距范围。)如上文所述，当偏移 范围接近50%的间距水平时可实现更好的结果。大约50%的间距± 30%的范围(即在35%至65%的间距之间的间距范围)内的偏移比该较 窄范围外的值可^是供更为明显的工作益处和应力减小。图8还包括两个附加的翼型件排，第四翼型件排1M和第五 翼型件排175。以与上述第二翼型件排172相同的方式，通过^f吏第五 翼型件排175相对于第三翼型件排173同步，可减小第四翼型件排174 上的工作应力。在一些实施例中，在两个翼型件排同步对于中间的翼 型件排有利的情况下，中间的翼型件排可为定子叶片排，而两个同步 的翼型件排可为转子叶片排。在其它实施例中，中间的翼型件排可为 转子叶片排，而两个同步的翼型件排可为定子叶片排。翼型件排可为 压缩机翼型件排或涡轮翼型件排。此外，已经发现，通过使两个以上的邻近翼型件排(即直接 在各侧上的翼型件)同步，可进一步减小作用于特定翼型件排上的工作
19应力。第一翼型件排171、第三翼型件排173和第五翼型件排175可 相对于彼此同步，使得在一些实施例中，位于第四翼型件排174的相 对位置上的排可受到更为明显减小的工作应力。在这种情况下，第三 翼型件排173可以大约50%的间距相对于第一翼型件排171同步，而 第五翼型件排175可以大约50%的间距相对于第三翼型件排173同步。 因此，如图所示，第一翼型件排171中的翼型件前缘(见参考标号182) 领先第三翼型件排173中的对应翼型件的前缘(见参考标号184)大约 50%的间距尺寸的周向距离，而第三翼型件排173中的翼型件前缘(见 参考标号184)领先第五翼型件排175中的对应翼型件的前缘大约50% 的间距尺寸的周向距离。可用于涉及三个同步翼型件排的实施例的间 距值范围与可用于涉及两个同步翼型件排的实施例的间距值范围相 同。也就是说，当第三翼型件排173以大约50%的间距相对于第一翼 型件排171同步且第五翼型件排175以大约50%的间距相对于第三翼 型件排173同步时，定位在第四翼型件排174中的翼型件可实现*接近 最大的应力消除。还已确定，在上述范围内的第一翼型件排171、第三翼型件 排173和第五翼型件排175的其它同步构造提供了明显且重要的工作 益处，以及减小了第四翼型件排174的工作应力。同样，在45%与55% 的间距之间、35%至65%的间距之间、或25%至75%的间距之间的间 距范围都可有不同程度地成功使用。此外，第一翼型件排171与第三 翼型件排173以及第三翼型件排173与第五翼型件排175之间的同步 关系不必为了实现工作益处和减小应力而相同(尽管它们可能大致相 同)。也就是说，在三排同步的情况下，只要第一翼型件排171与第三 翼型件排173之间的同步关系在其中的一个上述范围内而第三翼型件 排173与第五翼型件排175之间的同步关系也在其中的一个上述范围 内(但不同于第 一翼型件排171与第三翼型件排173之间的同步关系)， 便可实现工作益处和减小应力。简而言之，只要两者都在最宽的间距 范围内，即在25%至75%的间距之间，就将看到工作益处。在一些实施例中，使第一翼型件排171与第三翼型件排173以及第三翼型件排
173与第五翼型件排175以相同或接近相同的间距同步可增大所实现 的工作益处和减小应力。在一些实施例中，在三个翼型件排同步的情况下，第一翼型 件排171、第三翼型件排173和第五翼型件排175可为转子叶片4非， 而第二翼型件排172和第四翼型件排174可为定子叶片排。在其它实 施例中，第一翼型件排171、第三翼型件排173和第五翼型件排175 可为定子叶片排，而第二翼型件排172和第四翼型件排174可为转子 叶片排。在任一情况下，翼型件排可定位在涡轮发动机的压缩机或涡 轮中。作为另外的优点，还可减小作用在相对于彼此同步的翼型件排 上的工作应力，该翼型件排例如可包括第一翼型件排171和第三翼型 件排173,或可包括第一翼型件排171、第三翼型件排173和第五翼 型件排175。此外，在一些实施例中，在三个翼型件排如第一翼型件排 171、第三翼型件排173以及第五翼型件排175同步的情况下，第一 翼型件排171可为一排压缩机转子叶片120，第二翼型件排172可为 一排压缩机定子叶片122,第三翼型件排173可为一排压缩机转子叶 片120，第四翼型件排174可为一排压缩机定子叶片122，而第五翼 型件排175可为一排压缩机转子叶片120。更具体而言，在本发明的 示例性实施例中，第一翼型件排171可为压缩机第十四级中的一排压 缩机转子叶片120，第二翼型件排172可为压缩机第十四级中的一排 压缩机定子叶片122，第三翼型件排173可为压缩机笫十五级中的一 排压缩机转子叶片120,第四翼型件排174可为压缩机第十五级中的 一排压缩机定子叶片122，而第五翼型件排175可为压缩机第十六级 中的一排压缩机转子叶片120。在该示例性实施例的一些情形中，第 十四级、第十五级和第十六级可为由通用电气7〉司(Schenectady, New York)制造的7F或9F燃气涡轮发动机的F系列压缩4几的第十四级、 第十五级和第十六级。此外，在该实例以及一些实施例中，压缩机可具有总共17级翼型件，各级均具有单排转子叶片，跟随之后的是单
排定子叶片。第十四级中的转子叶片排可具有总共64个转子叶片， 第十五级中的转子叶片排可具有总共64个转子叶片，而第十六级中 的转子叶片排可具有总共64个转子叶片。最后，在一些实施例中， 第十四级中的定子叶片排可具有总共132个定子叶片，第十五^^中的 定子叶片排可具有总共130个定子叶片，而第十六级中的定子叶片排 可具有总共132个定子叶片。通过实验数据和分析模型已发现，如本 文所述和要求保护的同步关系可结合本段上述的压缩机构造良好地 运行。根据本发明的上述说明和优选实施例，本领域的技术人员可 构思出改进方案、变化以及修改。期望的是，本领域技术范围内的这 些改进方案、变化和修改由所附权利要求所覆盖。此外，显然的是， 上文仅涉及本申请所描述的实施例，以及在不脱离由所附权利要求及 其等同方案所限定的本申请的精神和范围的情况下，可作出许多变化 和修改。
权利要求
1.一种运行涡轮发动机的方法，其中，所述涡轮发动机包括位于压缩机(118)和涡轮(124)中的一者中的至少三个相继的轴向叠置的翼型件(130)排第一翼型件排(134)、第二翼型件排(136)和第三翼型件排(138)；其中，所述第一翼型件排(134)和所述第三翼型件排(138)均包括一排转子叶片(120)和一排定子叶片(122)中的一者，且所述第二翼型件排(136)则包括另一者；所述方法包括构造所述第一翼型件排(134)的翼型件(130)和所述第三翼型件排(138)的翼型件(130)，使得所述第一翼型件排(134)的至少一部分翼型件(130)和所述第三翼型件排(138)的至少一部分翼型件(130)构成处于25％至75％的间距之间的同步关系。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步 骤构造所述第一翼型件排(134)的翼型件(130)和所述第三翼型件排 (138)的翼型件(130)，使得所述第一翼型件排(134)的基本上所有翼型 件(130)和所述第三翼型件排(138)的基本上所有翼型件(130)构成处于 25%至75%的间距之间的同步关系。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于， 所述涡轮发动机构造成使得在工作期间所述第一翼型件排(134)与所述第三翼型件排(138)之间大致没有相对运动；所述涡轮发动机构造成使得在工作期间所述第一翼型件排(134) 和所述第三翼型件排(138)相对于所述第二翼型件排(136)具有大致相 同的相对运动；以及所述涡轮发动机构造成使得所述第一翼型件排(134)和所述第三 翼型件排(138)具有数目大致相同的翼型件(130)。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述间距包括在翼型件排中的翼型件(l30)上的 一点与同 一排中 的任一邻近翼型件(130)上的同一点之间的周向距离；以及处于25%至75%的间距之间的所述同步关系提供了所述第三翼型 件排(138)中的翼型件(130)的周向位置落后或领先所述第一翼型件排 (134)中的对应翼型件(130)的周向位置在25%至75%的间距尺寸之间 的偏移。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步 骤构造所述第一翼型件排(134)的翼型件(130)和所述第三翼型件排 (138)的翼型件(130),使得所述第一翼型件排(134)的至少90%的翼型 件(130)和所述第三翼型件排(138)的至少90%的翼型件(130)构成处于 35%至65%的间距之间的同步关系。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步 骤构造所述第一翼型件排(134)的翼型件(130)和所述第三翼型件排 (138)的翼型件(130),使得所述第一翼型件排(134)的至少90%的翼型 件(130)和所述第三翼型件排(138)的至少90%的翼型件(130)构成处于 45%至55%的间距之间的同步关系。
7. —种运行涡轮发动机的方法，其中，所述涡轮发动机包括位于 压缩机和涡轮中的一者中的至少五个相继的轴向叠置的翼型件(130) 排第一翼型件排(171)、第二翼型件排(172)、第三翼型件排(173)、 第四翼型件排(174),以及第五翼型件排(175);其中，所述第一翼型件 排(171)、所述第三翼型件排(173)和所述第五翼型件排(175)中均包括 一排转子叶片和一排定子叶片中的一者，且所述第二翼型件排(172) 和所述第四翼型件排(174)则包括另一者；所述方法包括如下步骤构造所述第一翼型件排(171)的翼型件(130)和所述第三翼型件排 (173)的翼型件(130)，使得所述第一翼型件排(171)的至少90%的翼型 件(130)和所述第三翼型件排(173)的至少90%的翼型件(130)构成处于 25%至75%的间距之间的同步关系；以及构造所述第三翼型件排(173)的翼型件(130)和所述第五翼型件排 (175)的翼型件(130),使得所述第三翼型件排(173)的至少90%的翼型 件(130)和所述第五翼型件排(175)的至少90%的翼型件(130)构成处于25%至75%的间距之间的同步关系。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括如 下步骤构造所述第一翼型件排(171)的翼型件(130)和所述第三翼型件排 (173)的翼型件(130),使得所述第一翼型件排(171)的基本上所有翼型 件(130)和所述第三翼型件排(173)的基本上所有翼型件(130)构成处于 25%至75%的间距之间的同步关系；以及构造所述第三翼型件排(173)的翼型件(130)和所述第五翼型件排 (175)的翼型件(130)，使得所述第三翼型件排(173)的基本上所有翼型 件(130)和所述第五翼型件排(175)的基本上所有翼型件(130)构成处于 25%至75%的间距之间的同步关系。
9. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括如 下步骤构造所述第一翼型件排(171)的翼型件(130)和所述第三翼型件排 (173)的翼型件(130)，使得所述第一翼型件排(171)的至少90%的翼型 件(130)和所述第三翼型件排(173)的至少90%的翼型件(130)构成处于 35%至65%的间距之间的同步关系；以及构造所述第三翼型件排(173)的翼型件(130)和所述第五翼型件排 (175)的翼型件(130)，使得所述第三翼型件排(173)的至少90%的翼型 件(130)和所述第五翼型件排(175)的至少90%的翼型件(130)构成处于 35%至65%的间距之间的同步关系。
10. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括 如下步骤构造所述第一翼型件排(171)的翼型件(130)和所述第三翼型件排 (173)的翼型件(130)，使得所述第一翼型件排(171)的至少90%的翼型 件(130)和所述第三翼型件排(173)的至少90%的翼型件(130)构成处于 45%至55%的间距之间的同步关系；以及构造所述第三翼型件排(173)的翼型件(130)和所述第五翼型件排(175)的翼型件(130)，使得所述第三翼型件排(173)的至少90%的翼型 件(130)和所述第五翼型件排(175)的至少90%的翼型件(130)构成处于 45%至55%的间距之间的同步关系。
全文摘要
本发明涉及涡轮机翼型件的同步。具体而言，一种运行涡轮发动机的方法，其中，该涡轮发动机包括位于压缩机(118)和涡轮(124)中的一者中的至少三个相继的轴向叠置的翼型件(130)排第一翼型件排(134)、第二翼型件排(136)，以及第三翼型件排(138)；其中，第一翼型件排和第三翼型件排均包括一排转子叶片(120)和一排定子叶片(122)中的一者，而第二翼型件排则包括另一者；该方法包括步骤构造第一翼型件排的翼型件(130)和第三翼型件排的翼型件(130)，使得第一翼型件排的至少一部分翼型件(130)和第三翼型件排的至少一部分翼型件(130)构成处于25％至75％的间距之间的同步关系。
文档编号F02C3/06GK101666269SQ200910170588
公开日2010年3月10日 申请日期2009年9月4日 优先权日2008年9月4日
发明者J·F·赖曼, M·E·弗里德曼, W·凝 申请人:通用电气公司