专利名称：径流式涡轮机叶轮的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种径流式涡轮机叶轮，尤其是，涉及一种可以限制由于热应力而导致裂纹产生和扩张的涡轮机叶轮，同时提高了涡轮机的效率。
背景技术：
通常，燃气轮机通过一种由一个燃烧器的燃烧过程产生的高温高压的膨胀的工作流体获得动力，从而驱动一个与该燃气轮机同轴连接的压缩机。被压缩机压缩的高压气体被供给到一个内燃机的燃烧缸或者燃烧电池。
图1为一个通过燃气轮机驱动的常规涡轮增压器的剖视图。参照图1，在一个连接到涡轮增压器上的内燃机(没有显示)的工作过程中，排气F首先流入涡轮机的一个螺旋形流入腔6。排气F在流入腔6中加速，并且流入到涡轮机叶轮30。排气F在涡轮机叶轮30中膨胀，因此产生一个输出，用于驱动一个旋转轴5以及一个压缩机叶轮4。压缩机叶轮4压缩空气A从而把压缩空气供给一个燃烧缸(没有显示)。附图标记C表示旋转轴5的一条中心线。
图2示出了一种传统的径流式涡轮机叶轮30，该涡轮机叶轮包括一个轮毂10以及多个以固定间隔围绕轮毂10形成的涡轮机叶片20。流入涡轮机叶轮30的排气F沿着涡轮机叶片20流动。在该过程中，涡轮机叶片20在一个旋转方向上被排气F推动，从而使涡轮机叶轮30旋转。根据现有技术，为了降低燃气轮机的热应力以及重量，涡轮机叶片20之间的一个所需部分被切除从而形成扇形凹口60。因此，涡轮机叶片之间的轮毂后周边10a具有一个向内的凹陷状。
然而，这样的扇形凹口60的过多的形成会导致涡轮机效率的恶化。尤其是，参照图3，当扇形凹口被过多的形成(也就是说，周边10a的一个外半径R2相对于涡轮机叶片20的外半径R1被显著地减小)，通过一个路径流入涡轮机叶轮30的排气可能会与周边10a碰撞(用F1表示)或者会通过涡轮机叶轮30和壁15之间的间隙朝着后部区域B泄漏(用F2表示)。因此与周边10a碰撞的或者朝着后部区域B泄漏的排气不会作为能量来驱动涡轮机叶轮30，因而具有一个驱动损失，这将恶化涡轮机的效率。
发明内容
本发明提供一种可以改善涡轮机效率的径流式涡轮机叶轮。
同样地，本发明还提供一种可以限制由于热应力而导致裂纹产生和扩张的径流式涡轮机叶轮。
根据本发明的一个方面，提供一种径流式涡轮机叶轮，包括一个轮毂，该轮毂具有从前端向后端逐渐增大的外半径，在一个与中心轴线相垂直的平面内径向延伸的轮毂的后周边；以及多个以固定间隔围绕轮毂形成的涡轮机叶片，其中通过在涡轮机叶片之间的轮毂的后周边处向内切割而形成多个狭缝。
狭缝可以具有一个圆形的内端部。狭缝具有至少3mm的深度。
轮毂的后周边可在涡轮机叶片之间具有一个向内的凹陷状。周边最靠内处的外半径至少为涡轮机叶片外半径的75％。
本发明上述的和其它的特征和优点将通过对具体实施例的详细描述和参照附图变得更清楚，其中图1为传统涡轮增压器的示意剖视图；图2为传统涡轮机的部分透视图；图3为图2所示涡轮机的示意剖视图；图4为根据本发明第一实施例的涡轮机叶轮的透视图；图5为图4中所示涡轮机叶轮的后视图；
图6为应力强度因子随着裂纹尺寸变化的图表；图7为裂纹尺寸随着涡轮机叶轮循环次数变化的图表；图8为根据本发明第二实施例的涡轮机叶轮的透视图；以及图9为图8中所示涡轮机叶轮的后视图。
发明的详细描述下面将参照附图详细地描述根据本发明实施例的一个径流式涡轮机。
图4示出了根据本发明一个实施例的涡轮机叶轮130。参照图4，涡轮机叶轮130包括一个轮毂110和多个以固定间隔围绕轮毂110形成的涡轮机叶片120。
轮毂110具有从前端向后端逐渐增大的外半径。轮毂110包括在一个垂直于中心轴线C的平面内径向延伸的后侧周边110a(此后称之为后周边)。一根用于支撑涡轮机叶轮130的旋转轴(没有显示)被插入到轮毂110的中心，旋转动能通过旋转轴从涡轮机叶轮130传递到与旋转轴同轴连接的压缩机叶轮上。轮毂110支撑多个围绕轮毂形成的涡轮机叶片120。
涡轮机叶片120把排气的压力能转化为涡轮机叶轮的旋转动能。为了有效地把排气的压力能转化到涡轮机叶轮130上，涡轮机叶片120在圆周方向上具有所需的曲率，如附图所示。
扇形凹口(scallop)160形成在涡轮机叶片120之间，因此轮毂的后周边形成一个向内的凹陷状。这样的扇形凹口160可以通过切割轮毂后部的所需部分形成。通过切割轮毂后部的直接与从燃烧室排出的热气体相接触的部分可以降低热应力，因此阻止由于热应力所导致的裂纹的产生。
支撑涡轮机叶轮130的旋转轴可能承受由于涡轮机叶轮130重量的弯曲变形，或者由于旋转轴旋转的过程中所产生的离心力(惯性力矩)的弯曲振动。弯曲变形或者弯曲振动导致对旋转轴的应力。涡轮机叶轮130的重量通过该实施例中的扇形凹口被减少从而降低了施加到旋转轴上的应力。
优选地限制扇形凹口160的尺寸在一个所需的范围内。参照图5，扇形凹口160优选地形成以至于周边的最内侧的外半径R2至少为涡轮机叶片外半径R1的75％。如果扇形凹口过大，流入涡轮机叶轮的气体可能会朝着后部区域泄漏，或者排出的气体不能平稳地流入涡轮机叶轮。因此，本发明可以阻止涡轮机效率的降低。
从图4可以看出，本发明的涡轮机叶轮130具有多个狭缝(slot)150，这些狭缝向内形成在涡轮机叶片120之间的后周边110a上。狭缝150以固定间隔径向形成在涡轮机叶片120之间。从图5中可以看出，狭缝150的内端部为一个圆形的形状，因此施加到端部150a上的应力被分散从而阻止由于应力集中而产生的裂纹。
如果狭缝150形成在排气的燃烧热量集中处的周边110a上，就可以抑制由于热应力所导致的裂纹的产生和扩张，该效果现在将参照图4详细地进行描述。
在一个过渡期间中，例如涡轮机叶轮130的加速期间(也就是说，燃气轮机的启动期间)或者涡轮机叶轮的减速期间(也就是说，燃气轮机的停止期间)，与排气直接接触的涡轮机叶轮130的后周边110a与涡轮机叶轮中心上的轮毂110之间具有很大的温度差。具体地，在涡轮机叶轮130的加速期间，流入涡轮机叶轮130的排气温度上升。因此与排气直接接触的周边110a的温度迅速地上升，但是在涡轮机叶轮130中心的轮毂110温度上升之前需要一定的时间。因此，一个过渡温度差在周边110a和轮毂110之间产生。同样，在涡轮机叶轮130的减速期间，流入涡轮机叶轮130的排气温度下降，并且与排气直接接触的周边110a的温度迅速地下降。然而，在涡轮机叶轮130的中心轮毂110处，需要一段时间轮毂110的温度才会下降。因此，过渡温度差发生在周边110a和轮毂110之间。
过渡温度差导致热膨胀的不同，因此施加热应力(还作为一个环向应力(hoop stress))在周边110a上。具体是，在燃气轮机的启动期间，一个超过涡轮机叶轮弹性极限的过大的压缩应力被施加到周边110a上。在燃气轮机停机期间中，一个超过该弹性极限的过大的拉伸应力施加到周边110a上。燃气轮机的重复启动和停机导致热应力周期性地施加到涡轮机叶轮130上，因此产生裂纹并且缩短了涡轮机叶轮的使用寿命。如果涡轮机叶轮130具有狭缝150，那么对裂纹的抵抗力增大，并且裂纹的增长速度被降低。本发明的这种效果可以从图6和图7所示的计算机分析数据证实。
计算机分析通过使用有限元分析法计算出在裂纹顶端的应力强度因子。应力强度因子为一个用于限定在裂纹端部的应力分布的系数，其中靠近裂纹端部的一点上的应力由应力集中因子以及对裂纹端部的一点的位置决定。这样的应力集中因子的大小由裂纹的尺寸和形状决定。
虽然在附图中没有显示，计算机分析使用了一个有限元模型，该模型具有从轮毂的后周边朝着涡轮机叶片之间的轮毂的内侧切割的裂纹以及扇形凹口。作为参考，有限元分析法可以计算应力强度因子，而不会受到裂纹形状的限制。在一定的载荷条件下输入的涡轮机叶轮应力分布可以从一个在过渡状态下的温度分布的分析结果获得。尤其是，涡轮机叶轮的温度分布可以通过对从启动到停机过程中的涡轮机叶轮的温度分布分析获得，并且计算应力分布被叠加到载荷条件下。
图6示出了应力强度因子随着裂纹尺寸的变化。参照图6，如果裂纹尺寸小于3mm，那么随裂纹的尺寸增大，应力强度因子也增大。然而，如果裂纹的尺寸大于3mm，则随裂纹尺寸增大，应力强度因子减小。应力强度因子的减小表示作用在裂纹端部的应力的减小从而减低裂纹的增长速度，优选地，在图6中所示的分析结果的基础上从周边向内的狭缝的切割深度‘d’(图5)被设计为至少为3mm以上。
裂纹的扩张可以通过下述的巴黎(Paris)方程式计算，该方程式为一个偏微分方程式(疲劳设计机器部件的寿命，Eliahu Zahavi，CRC Press，pp.163-166，1996)。
dαdN=C×(ΔKm)]]>其中， 为一个循环变化中的裂纹尺寸的变量，其中循环表示涡轮机叶轮的从启动到停机的一系列操作过程。还有，ΔK为应力强度因子的变量，应力强度因子相对于裂纹尺寸的变量值可以从图6所示的结果获得。此外，C和m为常量，它们可以从试验的测试结果获得。
对于每一个循环的裂纹尺寸可以通过对巴黎方程式求积分进行计算，该结果显示在图7中。一个初始的状态被设想为在运行300循环之后初始的裂纹尺寸为0.5mm，其中裂纹的通常产生状态得到了反映。
参照图7，当循环增加时，也就是说，裂纹增长，裂纹的增长速度被降低。尤其是，裂纹在300循环至900循环中迅速增长。当裂纹的尺寸在900循环时变为5mm。当高于900循环(也就是说，裂纹的尺寸大于5mm)，裂纹的增长速度降低。尤其是，在5000循环后，裂纹尺寸到达8.6mm，裂纹的增长速度被显著地降低。因此，当裂纹的尺寸被保持在一个不变的水平。从上述的分析结果可以清楚地看出当裂纹尺寸大于一个给定值时，裂纹的增长速度降低。根据本发明，狭缝的切割深度‘d’(图5)可以在图7所示的分析结果上决定。在裂纹的尺寸为5mm的基础上，裂纹的增长速度开始降低。优选地，狭缝的切割深度‘d’为5mm以上。
图8示出了根据本发明第二实施例的涡轮机叶轮。参照图8，涡轮机叶轮230包括一个接收旋转轴(没有显示)的轮毂210，多个以固定间隔围绕轮毂210形成的涡轮机叶片220。轮毂210还包括多个在后周边210a向内形成的狭缝250。狭缝250的切割深度‘d’(图9)以及狭缝端部250a的圆形形状基本上与第一实施例中的相同，因此不再重复描述。
第二实施例的一个特征在于扇形凹口没有形成在涡轮机叶片之间，这与第一实施例不同。换句话说，轮毂210的后周边210a形成一个光滑的形状，因此流入涡轮机叶轮230的排气不会泄漏到一个后部区域或者排气流入部分的扰动被降低(参见图3)，因此改善了涡轮机叶轮230的工作效率。
通过上述的描述，本发明的径流式涡轮机叶轮可以获得下述的效果
径流式涡轮机叶轮限制扇形凹口在一个所需的尺寸，以便阻止流入涡轮机叶轮的排气的泄漏或者在流入部分的扰动。因此，可以阻止涡轮机效率的下降并且期望增大涡轮机的工作效率。
此外，径流式涡轮机叶轮具有向内的切割狭缝，因此抑制由于热应力所导致的裂纹的产生和扩张。尤其是，本发明所提供的在狭缝切割深度上的特殊设计可以最大程度地抑制裂纹。
虽然本发明参照涡轮增压器进行了描述，本发明的特征不仅限于此。本发明可以应用到一个用于燃料电池或者辅助电力单元上的空气供给单元上。
当本发明参照附图中所示的具体实施例被具体图示并描述时，本领域的普通技术人员可以理解的是，可以在形式上和细节上进行各种改变和修改而不会偏离本发明的精神和范围。因此，本发明的实质的精神和范围由要求保护的内容进行限定。
权利要求
1.一种径流式涡轮机叶轮，包括一个轮毂，该轮毂具有从前端向后端逐渐增大的外半径，轮毂的后周边在一个垂直于中心轴线的平面内径向延伸；以及多个以固定间隔围绕轮毂形成的涡轮机叶片，其中通过在涡轮机叶片之间的轮毂后周边上的向内切割形成多个狭缝。
2.根据权利要求1所述的径流式涡轮机叶轮，其中狭缝具有一个圆形的内端部。
3.根据权利要求1所述的径流式涡轮机叶轮，其中狭缝具有至少3mm的深度。
4.根据权利要求1所述的径流式涡轮机叶轮，其中狭缝具有至少5mm的深度。
5.根据权利要求1所述的径流式涡轮机叶轮，其中轮毂的后周边在涡轮机叶片之间具有一个向内的凹陷状。
6.根据权利要求5所述的径流式涡轮机叶轮，其中周边的最内侧的外半径为涡轮机叶片外半径的75％以上。
全文摘要
提供一种径流式涡轮机叶轮。径流式涡轮机叶轮包括一个具有从前端向后端逐渐增大的外半径的轮毂，轮毂的后周边在一个垂直于中心轴线的平面内径向延伸，多个以固定间隔围绕轮毂形成的涡轮机叶片。多个狭缝通过在轮轴的涡轮机叶片之间的轮毂后周边上的向内切割形成。涡轮机叶轮限制由于热应力引起的裂纹的产生和扩张，并且改善涡轮机的效率。
文档编号F01D5/04GK1737378SQ20041009834
公开日2006年2月22日 申请日期2004年12月3日 优先权日2004年8月20日
发明者金暻熙 申请人:三星Techwin株式会社