专利名称：用于涡轮叶片的内部芯轮廓的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃气涡轮级的叶片，并且更特别是本发明涉及一种第一级涡轮叶片的内部芯轮廓。
背景技术：
对于燃气涡轮的热燃气路径段来说必须满足许多系统需要，以便满足包括改善总体效率以及翼面负载的设计要求。特别是，涡轮节的第一级的叶片必须满足特定阶段的操作需要，并且还要满足叶片冷却区域和壁厚的需要。内部冷却需要必须最佳化，从而需要独特的内部芯轮廓满足级性能要求，使得涡轮以安全、有效和平稳的方式操作。
发明内容
按照本发明的优选实施例，提供一种用于最好是第一级叶片的燃气涡轮叶片的内部芯轮廓，从而提高燃气涡轮的性能。将理解到叶片的外部翼面形状改善涡轮各级之间的相互作用，并提供改善的空气动力效率以及改善的第一级翼面的空气动力和机械负载。优选叶片的外部翼面轮廓在2003年3月13日提交的题为“Airfoil Shape for a TurbineBucket”(律师案卷号839-1375)并且序列号为10/386,676的相关中请中提出，其披露内容结合于此作为参考。同时，内部芯形状同样对于结构的原因来说是很重要的，以便以适当的壁厚使得内部冷却最佳化。通过点的独特位置来限定叶片内部芯轮廓，从而实现实现结构和冷却要求，由此获得改善的涡轮性能。点的独特位置限定内部标定芯轮廓并通过以下的表I的X、Y和Z的笛卡儿坐标来限定。表I所示的3700个点的座标值用于叶片翼面沿着其长度的不同截面处的冷(室温)叶片。正X、Y和Z方向分别是轴向朝着涡轮排出端、向后看时发动机转动方向的切向以及径向向外朝向叶片尖端。X和Y座标以距离尺寸(例如单位为英寸)给出，并在每个Z位置处平滑连接以便形成平滑连续的内部芯轮廓的截面。Z座标以从0～1的无量纲形式给出。通过将表I无量纲的Z值与翼面高度尺寸相乘，可以获得叶片的内部芯轮廓。X、Y平面内的每个限定的内部芯轮廓截面与Z方向上的相邻轮廓截面平滑连接以便形成完整的内部叶片芯轮廓。
优选的第一级涡轮叶片包括外部凹入和凸出的侧壁表面，其中凸肋在限定外侧壁表面的侧壁之间在内侧延伸并与其形成整体。凸肋在叶片翼面的前边缘和后边缘之间相互间隔开并且与叶片侧壁的内壁表面一起沿着翼面的长度限定最好是曲折形状的内部冷却通道。在X、Y座标之间延伸以便在每一距离Z上限定每个轮廓截面的平滑连续圆弧沿着冷却通道的内壁表面并沿着每个侧壁在相邻通道之间延伸，以便大致与相邻外壁表面相对应。因此，每个内部芯轮廓截面具有包围部分，该部分沿着冷却通道的侧壁通过凸肋和每个侧壁之间的接合部。这些内部芯轮廓截面总体是翼面的形状并通常与每个Z距离处的叶片翼面的外部翼面形状减去壁厚相对应。
将理解到当每个叶片翼面在使用时受到加热时，内部芯轮廓将由于机械负载和温度而变化。因此，通过X、Y和Z座标给出冷或室温曲线以便于制造。由于制造的内部叶片芯轮廓可不同于以下表格给出的标定轮廓，在垂直于沿着标定轮廓的任何表面位置的方向上离开标定轮廓的正或负0.039英寸的距离限定该内部叶片芯轮廓的轮廓范围。该轮廓可经受这种变化而不降低叶片的机械、冷却和空气动力功能。
同样将理解到叶片可在几何上放大或缩小以便引入类似的涡轮设计。因此，下面给出的内部芯轮廓的X和Y座标(英寸)和无量纲的Z座标(当转换成英寸时)可以是同一常数或数字的函数。即，X、Y和Z座标值(英寸)可乘以或除以同一常数或数字以便提供内部叶片芯轮廓的放大或缩小形式，同时保持芯轮廓截面的形状。
在本发明的优选实施例中，提供一种涡轮叶片，其包括翼面、平台、柄部和鸠尾件，叶片具有大致按照表I提出的X、Y和2的笛卡儿坐标值的内部标定芯轮廓，其中Z值是从0～1的无量纲值，该值可通过将Z值乘以叶片高度(英寸)而转换成Z距离(英寸)，并且其中在由平滑连续圆弧连接时X和Y是沿着叶片在每个距离Z上限定内部芯轮廓截面的距离(英寸)，Z距离上的轮廓截面相互平滑连接以便形成叶片内部芯轮廓。
按照本发明的另一优选实施例，提供一种涡轮叶片，其包括翼面、平台、柄部和鸠尾件，叶片具有大致按照表I提出的X、Y和Z的笛卡儿坐标值的内部标定芯轮廓，其中Z值是从0～1的无量纲值，该值可通过将Z值乘以叶片高度(英寸)而转换成Z距离(英寸)，并且其中在由平滑连续圆弧连接时X和Y是沿着叶片在每个距离Z上限定内部芯轮廓截面的距离(英寸)，Z距离上的轮廓截面相互平滑连接以便形成叶片内部芯轮廓，X、Y和Z距离可作为同一常数或数字的函数进行缩放以便提供放大或缩小的内部芯轮廓。
按照本发明的又一优选实施例，提供一种涡轮，涡轮包括具有多个叶片的涡轮叶轮，每个叶片包括翼面、平台、柄部和鸠尾件，叶片具有大致按照表I提出的X、Y和Z的笛卡儿坐标值的内部标定芯轮廓，其中Z值是从0～1的无量纲值，该值可通过将Z值乘以叶片高度(英寸)而转换成Z距离(英寸)，并且其中在由平滑连续圆弧连接时X和Y是沿着叶片在每个距离Z上限定内部芯轮廓截面的距离(英寸)，Z距离上的轮廓截面相互平滑连接以便形成叶片内部芯轮廓。
图1是通过涡轮的多个级的热燃气路径的示意图并表示本发明优选实施例的第一级叶片翼面；图2是结合叶片翼面、平台及其大致或几乎轴向的鸠尾件连接形式表示本发明优选实施例的叶片的透视图；图3是大致周向看到的图2叶片以及相关的翼面、平台和鸠尾件连接形式的透视图；图4是叶片的透视图，叶片包括相关的翼面、平台和鸠尾件连接形式，其中叶片在其翼面切过并以截面图表示其外部截面轮廓以及通过虚线表示内部芯轮廓；图5～7是叶片的各个外部透视图，叶片包括其相关的翼面、平台和鸠尾件连接形式，所有部件以虚线表示，并且内部芯轮廓由通过叶片的实线表示；以及图8是沿着通过叶片的割线看到的概括截面图，以便表示其内部芯轮廓。
部件列表热燃气路径10、燃气涡轮12、喷嘴14、18、22、叶片16、20、24、涡轮转子17、箭头26、平台30、柄部29、鸠尾件34、翼面32、叶片根部31、冷却通道35、受压表面42、负压表面44、内部芯轮廓40、凸肋46、侧壁48、前和后边缘52、54、壁表面部分49。
具体实施例方式
现在参考附图，特别是参考图1，其中表示包括多个涡轮级的燃气涡轮12的热燃气路径10。表示出有三个级。例如，第一级包括多个周向间隔开的喷嘴14和叶片16。喷嘴在周向上相互间隔开并围绕转子的轴线固定。当然，第一级叶片16安装在涡轮转子17上。还表示涡轮12的第二级，其包括多个周向间隔开的喷嘴18和多个安装在转子17上的周向间隔开的叶片20。还表示出第三级，其包括多个周向间隔开的喷嘴22和安装在转子17上的叶片。将理解到喷嘴和叶片位于涡轮的热燃气路径10上，热燃气流过热燃气路径10的方向由箭头26表示。
参考图2，将理解到例如第一级的叶片16的叶片安装在形成转子17一部分的转子叶轮上(未示出)，并包括平台30、柄部29和鸠尾件34。每个叶片16设置大致或几乎轴向的鸠尾件34(例如大约偏离轴线7度)，以便与转子叶轮上的互补形状的配合鸠尾件(未示出)连接。但是可以设置轴向的鸠尾件。还将理解到每个叶片16具有图2～4所示的外部叶片翼面32。因此，每个叶片16从叶片根部31到叶片尖端33的任何截面处具有翼面32形状的叶片翼面轮廓。在第一级涡轮叶片的优选实施例中，有六十个(60)叶片翼面。虽然不形成本发明的一部分，每个第一级叶片16包括多个内部的大致曲折形状的冷却通道35，该通道形成从鸠尾件的基部延伸到叶片翼面的尖端的多个空气冷却回路。这些空气冷却回路在靠近前边缘和后边缘的排放位置从翼面32向热燃气路径进行排放。
更特别是，每个叶片翼面32分别包括凹入和凸出的外壁表面(即受压表面和负压表面42和44)，该表面和内部芯轮廓40一起限定翼面壁厚“t”。每个叶片16还包括在叶片的相对侧壁48之间延伸或从中伸出的多个凸肋46。凸肋46分别在叶片前边缘和后边缘之间相互间隔开并大致从鸠尾件的基部延伸到叶片翼面尖端以便和叶片侧壁48的内部壁表面部分49一起限定多个内部的大致曲折形状的冷却通道35。某些凸肋在不到鸠尾件的基部和翼面的尖端的位置上终止。
为了限定从鸠尾件的基部到叶片翼面的尖端的每个第一级叶片的内部芯形状，在空间上提供独特的一组点的位置，该点满足级的要求、叶片冷却和壁厚，并可以制造。限定内部叶片芯轮廓40的点的独特位置包括一组相对于涡轮转动轴线的3700个点。下面表I给出的X、Y和Z值的笛卡儿座标系限定叶片16沿着其长度的不同位置上内部芯轮廓40。表I中的X和Y座标的座标值以英寸给出，当这些值适当转换时也可以使用其他单位的尺寸。表I中的Z值以0～1的无量纲形式给出。表中给出的无量纲Z值乘以叶片的高度(英寸)以便将Z值转换成Z座标值(例如英寸)。对于优选的第一级叶片，从鸠尾件的基部到翼面的尖端的叶片高度是6.2716英寸。优选叶片的Z＝0的无量纲值是离开中心线的18.8387。优选叶片的Z＝1的无量纲值是离开转子中心线(发动机轴线)Z＝25.1003。笛卡儿坐标系具有垂直的X、Y和Z轴，并且X轴平行于涡轮转子中心线(即转动轴线)并且正X座标值是轴向朝着后部(即涡轮的排出端)。正Y座标值在转子转动方向(向后看)的切向上延伸，并且正Z座标值径向向外朝着叶片尖端。
通过限定垂直于X、Y平面的Z方向上给定位置的X和Y座标值，可以确定沿着叶片长度的每个Z距离上的叶片的内部芯轮廓40(图4和8虚线示意表示)。通过以平滑连续圆弧连接X和Y值，确定每个距离Z上的每个内部芯轮廓截面40。距离Z之间的不同内部位置的内部芯轮廓通过平滑地相互连接相邻的轮廓截面40来确定以便形成芯轮廓。这些值表示环境温度下的非操作或非热条件下的内部芯轮廓。
用来限定每个距离Z上的每个轮廓截面40的X、Y座标之间延伸的平滑连续圆弧沿着内壁表面部分49并沿着侧壁48从鸠尾件的基部到叶片翼面尖端在相邻通道35之间延伸。因此，每个内部芯轮廓40具有通过凸肋46和侧壁48的接合部并沿着冷却通道的侧壁的包围部分。用于叶片16的内部芯轮廓40在图5～7以56表示，并延伸通过翼面32、平台30和鸠尾件34。
表I值产生并表示成具有三个小数位以便确定叶片的内部芯轮廓。在叶片的实际内部轮廓中还必须考虑到典型的制造误差和涂层。因此，表I中给出的轮廓值是标定内部叶片芯轮廓。因此将理解到包括任何涂层厚度的±典型制造误差(即±值)加入下面表I给出的X和Y值中。因此，在垂直于沿着内部芯轮廓的任何表面位置的方向上的±0.039的距离限定特定叶片结构和涡轮的的内部芯轮廓范围，即在冷或室温下的实际内部芯轮廓上的测量点和相同温度下下面表格给出的那些点的理想位置之间变化的范围。内部芯轮廓在该变化范围内经久耐用而不降低机械和冷却功能。
下面表I给出的座标值提供优选的标定内部芯轮廓范围。
表I
同样将理解到以上表中披露的叶片可以在几何尺寸上放大或缩小以便用于其他类似的涡轮结构中。因此，表I中提出的座标值可向上或向下缩放，使得叶片的内部轮廓形状保持不变。表I中座标的缩放类型将由表I的X、Y和Z座标值表示，其中无量纲的Z座标值通过乘以和除以恒定值转换成英寸。
虽然本发明已经结合当前认为是最实用和优选的实施例进行描述，将理解到本发明不局限于所披露的实施例，相反，本发明旨在覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的变型和等同配置。
权利要求
1.一种涡轮叶片(16)，其包括翼面(32)、平台(30)、柄部(29)和鸠尾件(34)，所述叶片具有大致按照表I提出的X、Y和Z的笛卡儿坐标值的内部标定芯轮廓，其中Z值是从0～1的无量纲值，该值可通过将Z值乘以单位为英寸的叶片高度而转换成单位为英寸的Z距离，并且其中在由平滑连续圆弧连接时X和Y是沿着叶片在每个距离Z上限定内部芯轮廓截面的单位为英寸的距离，Z距离上的轮廓截面相互平滑连接以便形成所述叶片内部芯轮廓。
2.如权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述叶片具有侧壁(48)和在侧壁之间延伸的凸肋(46)，所述凸肋在叶片的前边缘和后边缘之间相互间隔开并且与所述侧壁的内壁表面一起限定沿着叶片长度的内部冷却通道(35)，所述平滑连续圆弧沿着冷却通道的内壁表面并在沿着所述侧壁的相邻通道之间延伸。
3.如权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述叶片翼面(32)具有外部翼面形状，所述内部芯轮廓截面包括叶片翼面内的大致的翼面形状部分并通常与叶片翼面的所述外部翼面形状减去其中的壁厚相对应。
4.如权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述内部芯轮廓在垂直于任何内部芯表面位置的方向上位于±0.039英寸的范围内。
5.一种涡轮叶片(16)，其包括翼面(32)、平台(30)、柄部(29)和鸠尾件(34)，所述叶片具有大致按照表I提出的X、Y和Z的笛卡儿坐标值的内部标定芯轮廓，其中Z值是从0～1的无量纲值，该值可通过将Z值乘以单位为英寸的叶片高度而转换成单位为英寸的Z距离，并且其中在由平滑连续圆弧连接时X和Y是沿着叶片在每个距离Z上限定内部芯轮廓截面的单位为英寸的距离，Z距离上的轮廓截面相互平滑连接以便形成所述叶片内部芯轮廓，X、Y和Z距离可作为同一常数或数字的函数缩放以便提供放大或缩小的内部芯轮廓。
6.如权利要求5所述的涡轮叶片，其特征在于，所述叶片具有侧壁(48)和在侧壁之间延伸的凸肋(46)，所述凸肋在叶片的前边缘和后边缘之间相互间隔开并且与所述侧壁的内壁表面一起限定沿着叶片长度的内部冷却通道(35)，所述平滑连续圆弧沿着冷却通道的内壁表面并在沿着所述侧壁的相邻通道之间延伸。
7.一种涡轮，涡轮包括具有多个叶片的涡轮叶轮(17)，每个所述叶片包括翼面(32)、平台(30)、柄部(29)和鸠尾件(34)，所述叶片具有大致按照表I提出的X、Y和Z的笛卡儿坐标值的内部标定芯轮廓，其中Z值是从0～1的无量纲值，该值可通过将Z值乘以单位为英寸的叶片高度而转换成单位为英寸的Z距离，并且其中在由平滑连续圆弧连接时X和Y是沿着叶片在每个距离Z上限定内部芯轮廓截面的单位为英寸的距离，Z距离上的轮廓截面相互平滑连接以便形成所述叶片内部芯轮廓。
8.如权利要求7所述的涡轮，其特征在于，每个所述叶片具有侧壁(48)和在侧壁之间延伸的凸肋(46)，所述凸肋在叶片的前边缘和后边缘之间相互间隔开并且与所述侧壁的内壁表面一起限定沿着叶片长度的内部冷却通道(35)，所述平滑连续圆弧沿着冷却通道的内壁表面并在沿着所述侧壁的相邻通道之间延伸。
9.如权利要求7所述的涡轮，其特征在于，涡轮叶轮具有60个叶片，并且X表示平行于涡轮转动轴线的距离。
10.如权利要求7所述的涡轮，其特征在于，X、Y和Z距离可作为同一常数或数字的函数进行缩放以便提供放大或缩小的内部芯轮廓。
全文摘要
第一级涡轮叶片(16)具有大致按照表I提出的X、Y和Z的笛卡儿坐标值的内部标定芯轮廓，其中Z值是从0～1的无量纲值，该值可通过将Z值乘以单位为英寸的叶片高度而转换成单位为英寸的Z距离，并且其中在由平滑连续圆弧连接时X和Y是沿着叶片在每个距离Z上限定内部芯轮廓截面的单位为英寸的距离，Z距离上的轮廓截面相互平滑连接以便形成所述叶片内部芯轮廓。X、Y和Z距离可作为同一常数或数字的函数进行缩放以便提供放大或缩小的内部芯轮廓。标定内部芯轮廓在垂直于任何内部芯表面位置的方向上位于±0.039英寸的范围内。
文档编号F01D5/14GK1530517SQ20041002873
公开日2004年9月22日 申请日期2004年3月12日 优先权日2003年3月12日
发明者R·A·布里廷哈姆, R A 布里廷哈姆, E·D·本亚明, 本亚明, J·C·佩里二世, 佩里二世 申请人:通用电气公司