专利名称：：用于第二级涡轮喷嘴的翼型件轮廓的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种用于燃气涡轮级的涡轮喷嘴，并且具体而言，涉及一种第二级涡轮导叶(vane)翼型件轮廓。
背景技术：
：近年来，高级燃气轮机趋于提高点火温度并努力改进各种涡轮构件的冷却。在受让人的具体燃气轮机设计中，一种使用空气冷却的高输出涡轮正处于研制当中。将理解的是，涡轮叶片和喷嘴的设计和结构需要最优化的空气动力效率，以及空气动力和机械负载。
发明内容根据本发明的一个实施例，涡轮喷嘴具有喷嘴导叶，该喷嘴导叶成在垂直于任何翼型件表面位置的方向上的±0.IOO英寸内的包络(envelop)中的翼型件形状。翼型件具有大体上根据下文列出的表I中以英寸为单位列出的X、Y和Z笛卡尔坐标值的未涂层的标称轮廓，X、Y和Z值开始于翼型件的径向上最内部的空气动力截面处并且然后对于Z坐标值相对于该截面得到X、Y和Z值，距离Z处的轮廓平滑地彼此连结以形成完整的翼型件形状。根据本发明的另一实施例，涡轮喷嘴具有成翼型件形状的喷嘴导叶，该翼型件具有大体上根据表I中以英寸为单位列出的X、Y和Z笛卡尔坐标值的未涂层的标称翼型件轮廓，X、Y和Z值开始于翼型件的径向上最内部的空气动力截面处并且然后对于Z坐标值相对于该截面得到X、Y和Z值。距离Z处的轮廓平滑地彼此连结以形成完整的翼型件轮廓。X、Y和Z值可作为相同常数或数值的函数按比例变化，以提供按比例增大或按比例縮小的导叶翼型件。根据本发明的又一实施例，涡轮包括具有多个导叶的涡轮喷嘴，所述导叶的每一个成在垂直于任何导叶翼型件表面位置的方向上的±0.IOO英寸内的包络中的翼型件形状。该翼型件具有大体上根据表I中以英寸为单位列出的X、Y和Z笛卡尔坐标值的未涂层的标称轮廓，X、Y和Z值开始于翼型件的径向上最内部的空气动力截面处并且然后对于Z坐标值相对于该截面得到X、Y和Z值。距离Z处的轮廓平滑地彼此连结以形成完整的翼型件形状。根据本发明的再一实施例，涡轮包括具有多个导叶的涡轮喷嘴，所述导叶中的每一个成翼型件形状，该翼型件具有大体上根据表I中以英寸为单位列出的X、Y和Z笛卡尔坐标值的未涂层的标称翼型件轮廓，X、Y和Z值开始于翼型件的径向上最内部的空气动力截面处并且然后对于Z坐标值相对于该截面得到X、Y和Z值。距离Z处的轮廓平滑地彼此连结，以形成完整的翼型件形状。X、Y和Z值可作为相同常数或数值的函数按比例变化，以提供按比例增大或按比例縮小的导叶翼型件。图1是具有采用本发明的翼型件或导叶轮廓的第二级喷嘴的涡轮的示意3图2是本发明的喷嘴导叶的透视图；图3是图2中示出的喷嘴导叶的端视图；图4是类似于图1的本发明的透视图；图5是图4的喷嘴导叶的透视图，示出了沿导叶长度的各种翼型件轮廓；以及图6和图7是类似于图3的视图，示出了沿着导叶在不同Z坐标位置处的轮廓截面。具体实施例方式现参看图l，示出了具有第二级喷嘴12的涡轮10的一部分。喷嘴12包括具有翼型件形状或轮廓的彼此周向隔开的多个导叶14。涡轮IO可包括三个级第一级16，其具有多个周向隔开的喷嘴导叶18和绕着可旋转的涡轮叶轮22周向隔开的叶片20;第二级喷嘴12，其包括多个周向隔开的喷嘴导叶14和安装在第二级叶轮26上的多个周向隔开的叶片24;以及第三级28，其安装有喷嘴导叶30和安装在第三级叶轮34上的多个周向隔开的叶片32。喷嘴导叶和叶片处于涡轮的热气体通路中且气体在箭头36的方向中流过涡轮。如图所示，第二级12的喷嘴导叶14分别设置在内带状物(band)38和外带状物40之间，喷嘴通过该内带状物38和外带状物40形成绕着转子轴线的环状部(a皿ulus)。参看图2，喷嘴导叶14分别具有前缘42和后缘44，带有用于将喷嘴导叶区段固定在涡轮的不可旋转壳体上的钩部46和48。将理解的是，喷嘴导叶具有通过其的各种通道，以用于使冷却介质流过导叶。在用于该具体涡轮的第二级喷嘴的实施例中，存在形成第二级的四十八个喷嘴导叶。再次参看图2，用于第二级的喷嘴导叶14具有由用于X、Y和Z值的笛卡尔坐标系所限定的翼型件轮廓。在表I中以英寸为单位列出了坐标值。笛卡尔坐标系具有正交相关的X、Y和Z轴，并且X、Y和Z值开始于翼型件的径向上最内部的空气动力截面50处并且然后相对于针对Z坐标的截面得到X、Y和Z值。通过限定在Z方向上的选定位置处的X和Y坐标值，可确定翼型件14的轮廓。通过利用光滑的连续弧线将X和Y值连接，就可确定各距离Z处的各轮廓截面。将在距离Z之间的各表面位置处的表面轮廓光滑地彼此连接以形成翼型件。下文表I中给出的表值以英寸为单位并且表示在环境的未运行或不热的状态下的翼型件轮廓，并且用于未涂层的翼型件。如笛卡尔坐标系中典型地所使用的，符号规定对Z值赋以正值并对X和Y坐标值赋以正负值。表I的值被生成并显示成四个小数位以用于确定翼型件的轮廓。在值实现为少于四个小数位的情况下，将零增加到右侧以将该值补足为四个小数位。此外，存在典型的制造公差和涂层，其在翼型件的实际轮廓中必须加以考虑。因此，表I中给出的用于轮廓的值用于标称翼型件。因此，将理解的是，典型的制造公差(即，正值或负值)和涂层厚度附加到下文的表I中给出的X和Y值上。因此，在垂直于沿着翼型件轮廓的任何表面位置的方向上的±0.IOO英寸的距离限定了用于该具体的喷嘴导叶设计和涡轮的翼型件轮廓包络。在一个实施例中，下文的表I中给出的喷嘴导叶轮廓用于涡轮的第二级。具有这样的轮廓的四十八个喷嘴导叶绕着转子轴线彼此等距隔开并因此组成第二级。下文中的表I中以英寸为单位给出的坐标值提供优选的标称轮廓包络。表I<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>x坐标Y坐标Z坐标4.2771-2.631310.00001.5169-2.252810.00004.4532-2.764610.00001.6861-2.394610.00001.8529-2.539510.00004.6252-2.903110.00002.0169-2.687410.00004.7929-3.046810.00004.9559-3.195910.00005.1138-3.350310.00005.2661-3.510210.00005.4126-3.675510.00002.7866-3.478510.00002.1780-2.838610.00003.0650-3.821410.00006.3971-5.387810.00006.0432-4.579810.00006.4586-5.599910.00006.1461-4.775310.00004.2250-6.419310.00008<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>20/71页x坐标Y坐标Z坐标6.1837-4.73068.00006.2482-4.93078.00004.4527-7.42408.00004.3759-7.22838.00004.3164-7.02668.00004.2675-6.82218.00004.2245-6.61628.00006.3311-6.38748.00006.2849-6.59258.00006.2226-6.79338.00006.1439-6.98838.00006.0483-7.17558.00005.9349-7.35268.00005.8032-7.51648.00005.6523-7.66268.00005.4814-7.78488.00005.2905-7.87228.00005.0839-7.90688.00004.8787-7.86738.00004.6980-7.76148.000022<table>tableseeoriginaldocumentpage23</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage24</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage25</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage26</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage27</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage28</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage29</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage30</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage31</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage32</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage33</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage34</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage35</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage36</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage37</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage38</column></row><table>37/71页x坐标Y坐标Z坐标6.2752-4.44105.00006.3169-4.63085.00006.3444-4.82325.00006.3572-5.01715.00004.3040-6.28805.00006.3548-5.21155.00004.2820-6.09495.00006.3376-5.40505.00004.2607-5.90175.00006.3055-5.59675.00004.2378-5.70865.00006.2586-5.78535.00004.2115-5.51605.00006.1973-5.96975.00004.1798-5.32425.00004.1420-5.13365.00004.0974-4.94445.00004.0451-4.75725.00003.9851-4.57235.00005.7647-3.40045.000039<table>tableseeoriginaldocumentpage40</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage41</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage42</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage43</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage44</column></row><table>x坐标Y坐标Z坐标6.3283-4.29364.00006.3690-4.47924.00006.3946-4.66744.00006.4047-4.85714.00006.3991-5.04704.00006.3778-5.23584.00006.3412-5.42224.00006.2896-5.60504.00006.2233-5.78314.00006.0492-6.12054.00005.9425-6.27774.00004.2600-5.16924.00004.2289-4.98184.00004.1898-4.79584.00004.1421-4.61194.00004.0856-4.43054.00004.0204-4.25204.00005.8175-3.28284.00003.9466-4.07694.00005.9291-3.43664.000045<table>tableseeoriginaldocumentpage46</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage47</column></row><table>x坐标Y坐标Z坐标-0.6150-0.01093.0000-0.5833-0.00053.00000.3298-0.30213.00000.2329-0.54773.00000.0669-0.46423.0000-0.0999-0.38263.0000-0.2677-0.30273.0000-0.4361-0.22443.0000-0.6053-0.14753.0000-0.6322-0.12773.0000-0.6485-0.09853.0000-0.3741-0.06373.0000-0.6511-0.06523.0000-0.1981-0.12323.0000-0.0221-0.18273.00000.1539-0.24233.00003.7926-1.64203.00003.9584-1.72563.00004.1229-1.81213.00004.2856-1.90173.000048<table>tableseeoriginaldocumentpage49</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage50</column></row><table>x坐标Y坐标Z坐标6.4498-4.70573.00004.3640-5.94663.00006.4409-4.89123.00004.3637-5.76083.00006.4157-5.07523.00004.3638-5.57503.00006.3744-5.25623.00004.3610-5.38933.00006.3179-5.43313.00004.3530-5.20373.00006.2467-5.60473.00004.3377-5.01853.00006.1618-5.76993.00004.3137-4.83433.00006.0639-5.92773.00004.2805-4.65163.00004.2376-4.47083.00004.1849-4.29273.00004.1226-4.11773.00004.0511-3.94633.000051<table>tableseeoriginaldocumentpage52</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage53</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage54</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage55</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage56</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage57</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage58</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage59</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage60</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage61</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage62</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage63</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage64</column></row><table>x坐标Y坐标Z坐标4.3874-5.97271.0000-0.1145-0.03440.00000.1382-0.05930.0000-0.1260-0.06590.00000.3019-0.11470.00001.3262-0.81190.0000-0.1229-0.09930.00000.4654-0.17020.00001.1738-0.73050.0000-0.1060-0.12820.00000.6290-0.22580.00001.0203-0.65140.00000.7924-0.28170.00000.8656-0.57450.00000.9558-0.33770.00000.7099-0.49970.00001.1191-0.39390.00000.5533-0.42680.00001.2824-0.45030.00000.3960-0.35540.000065<table>tableseeoriginaldocumentpage66</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage67</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage68</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage69</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage70</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage71</column></row><table>还将理解的是，在上文的表中所公开的翼型件可几何上按比例增大或縮小以用于其它类似的涡轮设计中。因此，表I中列出的坐标值可按比例增大或縮小，以使得翼型件截面形状保持不变。表I中的坐标按比例变化的变体将通过X、Y和Z坐标值乘以或除以相同的常数或数值来表示。在图3和图4中，示出了径向上最外部的轮廓52，并且在图4中，沿着翼型件的长度示出了各种其它轮廓截面。在图6和图7中还示出了各种轮廓，并且轮廓彼此叠置。用于涡轮级(例如，第二级)的涡轮导叶翼型件轮廓可由点的独特轨迹所限定以实现负载要求中所必需的效率，由此获得改进的涡轮性能。将理解的是，由表I的X、Y和Z坐标所给出的标称轮廓限定点的这种独特的轨迹。表I中以英寸为单位所给出的坐标是用于喷嘴导叶的各横截面的冷的(即，室温)轮廓。将各限定的截面光滑地与邻近的截面相连结以形成完整的翼型件形状。还将理解的是，随着喷嘴在使用中升温，喷嘴导叶的轮廓将由于应力和温度而改变。因此，出于制造目的，由X、Y和Z坐标给出冷的或室温轮廓。由于制成的导叶翼型件轮廓可不同于表中给出的标称翼型件轮廓，因此在垂直于沿着标称轮廓的任何表面位置的方向上距标称轮廓的±0.100英寸的距离(包括任何涂层)限定用于该设计的轮廓包络。该设计对于该变化是强健的，不会削弱机械和空气动力功能。翼型件将动能给予空气流并因此致使期望的流通过涡轮。翼型件使流体流转向，使流体流速度增大(在相应的基准翼型件框架中)，产生流体流的静态压力的降低。如由本发明所体现的翼型件的构造(以及其与周围翼型件的相互作用)，包括其周缘表面，提供级效率、增强的空气力学、级间的流动过渡、减小的热应力、用于有效地在级与级之间传递气流的增强的级间相互关系、减小的机械应力以及本发明的其它期望的方面。典型地，将多排例如(但不限于)叶片/喷嘴翼型件的翼型件级堆叠，以实现期望的排出口压力与入口压力的比。可通过通常称为"根部"、"基部"或"楔形榫"(见图1)的适当的联接构造而将翼型件固定在叶轮或壳体上。提供本发明的流体流动力学的期望方面的如本发明所体现的翼型件的构造以及与周围翼型件的任何相互作用可由各种方式来确定。如本发明所体现的，来自前面的/上游的翼型件的流体流与翼型件相交，并且如本发明所体现的，翼型件上和周围的流动通过即时的翼型件的构造得以增强。尤其地，如本发明所体现的，来自翼型件的流体动力学得以增强。存在来自(多个)前面的/上游的翼型件的平滑过渡流体流以及到(多个)邻近的/下游的翼型件的平滑过渡流体流。此外，来自如本发明所体现的翼型件的流前行至如本发明所体现的(多个)邻近的/下游的翼型件。因此，如本发明所体现的翼型件的构造有助于防止包括如本发明所体现的翼型件的单元中的紊流流体流。72例如，但绝非限制本发明，翼型件构造(具有或不具有流体流相互作用)可由通过下者而确定计算流体动力学(CFD);传统流体动力学分析；欧拉和纳维斯托克斯(Navier-Stokes)方程；对于传递函数、算法、制造翼型件的手动定位、流动测试(例如在风洞中)以及改型；现场测试；建模应用科学原理设计或开发翼型件、机器、设备或制造工艺；翼型件流动测试和改型；它们的组合，以及其它设计工艺和实践。这些确定方法只是示例性的，并且不意在以任何方式限制本发明。如上文所指出的，与具有相似应用的其它类似的翼型件相比，如本发明所体现的翼型件构造(以及其与周围翼型件的相互作用)，包括其周缘表面，提供级气流效率、增强的空气力学、级间的平滑流、减小的热应力、用于使空气流有效地在级与级之间传递的增强的级间相互关系、减小的机械应力以及本发明的其它期望的方面。例如，且绝非限制本发明，相比于先前单独的翼型件组，该翼型件提供了提高的效率。此外且绝非限制本发明，与传统的或增强的(类似于本文中的增强)其它翼型件相结合，如本发明所体现的翼型件与先前单独的翼型件组相比提供了提高的效率。除上文所指出的优点之外，该提高的效率在减少所需燃料的情况下提供动力输出，从而本质地减少了产生能量的排放物。当然，其它的这样的优点也在本发明的范围内。虽然已结合目前认为是最实用且最优选的实施例描述了本发明，但是应该理解的是，本发明并不局限于所公开的实施例，相反地，本发明意在涵盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种改型和等同布置。7权利要求一种涡轮喷嘴(12)，所述涡轮喷嘴(12)具有喷嘴导叶(14)，所述喷嘴导叶(14)成在垂直于任何翼型件表面位置的方向上的±0.100英寸内的包络中的翼型件形状，其中，所述翼型件具有大体上根据表I中以英寸为单位列出的X、Y和Z的笛卡尔坐标值的未涂层的标称轮廓，X、Y和Z值开始于所述翼型件的径向上最内部的空气动力截面处并且然后对于Z坐标值相对于所述截面得到X、Y和Z值，距离Z处的轮廓平滑地彼此连结以形成完整的翼型件形状。2.根据权利要求l所述的涡轮喷嘴，其特征在于，所述涡轮喷嘴形成涡轮(10)的第二级的一部分。3.—种涡轮喷嘴(12)，所述涡轮喷嘴(12)具有成翼型件形状的喷嘴导叶(14)，所述翼型件具有大体上根据表I中以英寸为单位列出的X、Y和Z笛卡尔坐标值的未涂层的标称翼型件轮廓，X、Y和Z值开始于所述翼型件的径向上最内部的空气动力截面处并且然后对于Z坐标值相对于所述截面得到X、Y和Z值，距离Z处的轮廓平滑地彼此连结以形成完整的翼型件轮廓；所述X、Y和Z值作为相同常数或数值的函数按比例变化，以提供按比例增大或按比例縮小的导叶翼型件。4.根据权利要求3所述的涡轮喷嘴，其特征在于，所述涡轮喷嘴形成涡轮(10)的第二级的一部分。5.—种涡轮(IO)，所述涡轮(10)包括具有多个导叶(14)的涡轮喷嘴(12)，所述导叶中的每一个成在垂直于任何导叶翼型件表面位置的方向上的±0.100英寸内的包络中的翼型件形状，其中，所述翼型件具有大体上根据表I中以英寸为单位列出的X、Y和Z笛卡尔坐标值的未涂层的标称轮廓，X、Y和Z值开始于所述翼型件的径向上最内部的空气动力截面处并且然后对于Z坐标值相对于所述截面得到X、Y和Z值，距离Z处的轮廓平滑地彼此连结以形成完整的翼型件形状。6.根据权利要求5所述的涡轮，其特征在于，所述涡轮喷嘴(12)包括所述涡轮(10)的第二级。7.根据权利要求5所述的涡轮，其特征在于，涡轮喷嘴级具有四十八个导叶。8.—种涡轮(IO)，包括具有多个导叶(14)的涡轮喷嘴(12)，所述导叶中的每一个成翼型件形状，所述翼型件具有大体上根据表I中以英寸为单位列出的X、Y和Z笛卡尔坐标值的未涂层的标称翼型件轮廓，X、Y和Z值开始于所述翼型件的径向上最内部的空气动力截面处并且然后对于Z坐标值相对于所述截面得到X、Y和Z值，距离Z处的轮廓平滑地彼此连结以形成完整的翼型件形状；所述X、Y和Z值作为相同常数或数值的函数按比例变化，以提供按比例增大或按比例縮小的导叶翼型件。9.根据权利要求8所述的涡轮，其特征在于，所述涡轮喷嘴(12)包括所述涡轮(10)的第二级。10.根据权利要求8所述的涡轮，其特征在于，涡轮喷嘴级具有四十八个导叶。全文摘要本发明涉及用于第二级涡轮喷嘴的翼型件轮廓，具体而言，第二级喷嘴(12)具有导叶(14)，该导叶(14)包括大体上根据表I中以英寸为单位列出的X、Y和Z的笛卡尔坐标值的翼型件轮廓，X、Y和Z值开始于翼型件的径向上最内部的空气动力截面处并且然后对于Z坐标值相对于该截面得到X、Y和Z值。X、Y和Z值可作为相同常数或数值的函数按比例变化，以提供按比例增大或按比例缩小的用于喷嘴的翼型件截面。文档编号F01D9/04GK101769176SQ20091026686公开日2010年7月7日申请日期2009年12月31日优先权日2009年1月2日发明者B·史密斯,K·T·麦戈文,L·F·波斯申请人:通用电气公司