具有最佳化翼片元件角度的燃气轮的制造方法
【专利摘要】一种用于在燃气涡轮发动机中安装的涡轮机翼片组件。该翼片组件包括端壁和从端壁径向向外延伸的翼片。该翼片包括形成按弦距间隔的翼片前缘和后缘的压力和吸力侧壁。在压力和吸力侧壁之间的中央位置形成有翼片中线。中线和在前缘和后缘处平行于发动机轴线的直线之间的角度形成气流入口角α和出口角β。翼片入口和出口角基本上与表1、3、5、7之一所列的成对入口角值α和出口角值β一致。
【专利说明】具有最佳化翼片元件角度的燃气轮机
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本专利申请要求于2011年10月6日提交的名称为〃具有最佳化翼片元件角度的燃气轮机〃的美国临时专利申请61/543，850的权益，其全部公开内容通过引用结合在此。
【技术领域】
[0003]本发明涉及用于某级燃气轮机的涡轮机导叶和轮叶，更具体地说，涉及第三和第四级涡轮机导叶和轮叶的翼片构造。
【背景技术】
[0004]在涡轮机中(例如燃气涡轮发动机)，空气在压缩机中增压，然后在燃烧室中与燃料混合并燃烧，以产生高温燃烧气体。高温燃烧气体在涡轮段内膨胀，能量从涡轮段提取，以驱动压缩机并产生有用功，例如转动发电机来发电。高温燃烧气体穿过一系列涡轮机级。涡轮机级可包括一排静止导叶，后面是一排涡轮机旋转轮叶，涡轮机轮叶从高温燃烧气体提取驱动压缩机的能量，并且还可提供输出功率。
[0005]涡轮机的总功输出量分配到各级中。静止导叶用于加速气流，并使气流转向，送入下游转动轮叶中，以产生驱动上游压缩机的扭矩。气流在各片转动轮叶中的旋转在轮叶上产生反作用力，从而产生扭矩。从气流至转盘的功转换与发动机效率直接相关，功在每级的分布可通过针对每级的导叶和轮叶设计进行控制。
【发明内容】
[0006]根据本发明的一个方面，提供一种用于安装在具有纵轴的燃气涡轮发动机中的涡轮机翼片组件。所述涡轮机翼片组件包括形成轴向延伸的高温工作气体通路的内边界的端壁、以及从端壁径向向外延伸的翼片。翼片具有外壁，外壁包括压力侧壁和吸力侧壁，压力侧壁和吸力侧壁在按弦距间隔的翼片前缘和后缘处接合。在压力和吸力侧壁之间的中央位置形成有沿弦向延伸的翼片中线。在翼片的前缘和后缘处形成有翼片入口和出口角，翼片入口和出口角基本上与表1、3、5、7之一所列的成对入口角值α和出口角值β —致。入口和出口角值一般地定义为在Χ、Υ、Ζ直角坐标系的X-Y平面中与纵轴平行的线和翼片中线之间的角度，其中，Z是垂直于X-Y平面并相对于纵轴径向延伸的尺寸，每对入口和出口角值相对于距端壁的距离(与Z值对应，Z值以从端壁算起的翼片总跨度的百分比表示)来定义。每对翼片入口和出口角之间的预定差值由表中的Λ值定义，任何一对翼片入口和出口角之间的差值与表中的Λ值的偏差至多为5%。
[0007]根据本发明的另一个方面，提供具有纵轴的燃气涡轮发动机中的第三和第四级导叶和轮叶的翼片组件。每个翼片组件包括形成轴向延伸的高温工作气体通路的内边界的端壁、以及从端壁径向向外延伸的翼片。翼片具有外壁，外壁包括压力侧壁和吸力侧壁，压力侧壁和吸力侧壁在按弦距间隔的翼片前缘和后缘处接合。在压力和吸力侧壁之间的中央位置形成有沿弦向延伸的翼片中线。在翼片的前缘和后缘处形成有翼片入口和出口角，翼片入口和出口角基本上与一对入口角值α和出口角值β —致，入口和出口角值一般地定义为在X、Y、Z直角坐标系的X-Y平面中与纵轴平行的线和翼片中线之间的角度，其中，Z是垂直于X-Y平面并相对于纵轴径向延伸的尺寸。每对入口和出口角值相对于距端壁的距离(与Z值对应，Z值以从端壁算起的翼片总跨度的百分比表示)来定义，其中:
[0008]b)第三级导叶的成对入口角值α和出口角值β在表I中列出；
[0009]b)第三级轮叶的成对入口角值α和出口角值β在表3中列出；
[0010]c)第四级导叶的成对入口角值α和出口角值β在表5中列出；
[0011]d)第四级轮叶的成对入口角值α和出口角值β在表7中列出；并且
[0012]其中，每对翼片入口和出口角之间的预定差值由所述表中的Δ值定义,任何一对翼片入口和出口角之间的差值与相应表中的Λ值的偏差至多为5%。
[0013]根据本发明的另一个方面，提供一种用于安装在具有纵轴的燃气涡轮发动机中的涡轮机翼片组件。所述涡轮机翼片组件包括形成轴向延伸的高温工作气体通路的内边界的端壁、以及从端壁径向向外延伸的翼片。翼片具有外壁，外壁包括压力侧壁和吸力侧壁，压力侧壁和吸力侧壁在按弦距间隔的翼片前缘和后缘处接合。在压力和吸力侧壁之间的中央位置形成有沿弦向延伸的翼片中线。在翼片的后缘处形成有翼片出口角，翼片出口角基本上与表1、3、5、7之一所列的出口角值β —致，出口角值一般地定义为在Χ、Υ、Ζ直角坐标系的X-Y平面中与纵轴平行的线和翼片中线之间的角度，其中，Z是垂直于X-Y平面并相对于纵轴径向延伸的尺寸。每个出口角值相对于距端壁的距离(与Z值对应，Z值以从端壁算起的翼片总跨度的百分比表示)来定义，其中，每个翼片出口角与表中列出的相应值的偏差在约1%范围之内。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]虽然本说明书所附的权利要求书具体、明确地提出了本发明的权利要求，但是通过参照附图做出的以下说明，能够更好地理解本发明，在附图中，相似的参考数字标示相似的元件。
[0015]图1是燃气涡轮发动机的涡轮段的横截面图；
[0016]图2是根据本发明的多个方面构成的第三级导叶组件的立面侧视图；
[0017]图3是图2所示的导叶组件的透视图；
[0018]图4是图2所示的导叶组件的翼片的平面截面图；
[0019]图5是沿图2所示的导叶组件的翼片的翼展形成的入口和出口角的示意图；
[0020]图6是根据本发明的多个方面构成的第三级轮叶组件的立面侧视图；
[0021]图7是图6所示的轮叶组件的透视图；
[0022]图8是图6所示的轮叶组件的翼片的平面截面图；
[0023]图9是沿图6所示的轮叶组件的翼片的翼展形成的入口和出口角的示意图；
[0024]图10是根据本发明的多个方面构成的第四级导叶组件的立面侧视图；
[0025]图11是图10所示的导叶组件的透视图；
[0026]图12是图10所示的导叶组件的翼片的平面截面图；
[0027]图13是沿图10所示的导叶组件的翼片的翼展形成的入口和出口角的示意图；
[0028]图14是根据本发明的多个方面构成的第四级轮叶组件的立面侧视图；[0029]图15是图14所示的轮叶组件的透视图；
[0030]图16是图14所示的轮叶组件的翼片的平面截面图；和
[0031]图17是沿图14所示的轮叶组件的翼片的翼展形成的入口和出口角的示意图。
【具体实施方式】
[0032]在以下优选实施例的详细说明中，将参照构成本说明书的一部分的附图以示例性方式而非限定性方式说明可实施本发明的具体优选实施例。应理解，也可以利用其它实施例，并且在不脱离本发明的精神和范围的前提下做出各种变化。
[0033]请参考图1，其中示出了燃气涡轮发动机的涡轮段12。涡轮段12包括交替布置的多排静止导叶和转动轮叶，这些叶片径向延伸至贯穿整个涡轮段12的轴向流路13中。特别是，涡轮段12包括由第一排静止导叶14和第一排转动轮叶16形成的第一级、由第二排静止导叶18和第二排转动轮叶20形成的第二级、由第三排静止导叶22和第三排转动轮叶24形成的第三级、以及由第四排静止导叶26和第四排转动轮叶28形成的第四级。
[0034]在燃气涡轮发动机工作过程中，发动机的压缩机(未示出)向燃烧室(未示出)输送压缩空气，在燃烧室中，空气与燃料混合，混合气体点燃，产生燃烧产物，燃烧产物包括形成工作流体的高温工作气体。工作流体穿过涡轮段12的各级，在其中膨胀，并使轮叶16、20、24、28旋转。涡轮段12的总体功输出量分配到所有级中，其中，静止导叶14、18、22、26用于加速气流，并使气流转向并流入各片下游轮叶16、20、24、28，在支撑轮叶16、20、24、28的转子30上产生扭矩，绕发动机的纵轴32产生转动输出，从而驱动上游压缩机。
[0035]在各片转动轮叶16、20、24、28上发生的气流旋转在轮叶16、20、24、28上产生反作用力，从而产生输出扭矩。在各级间分配的功可通过由各片导叶14、18、22、26和各片轮叶
16、20、24、28引起的流动方向的角度变化来控制，功的分配对发动机的效率有影响。根据本发明的一个方面，提供一种第三和第四级导叶22、26和轮叶24、28的设计，以优化或改善流过第三和第四级的气流的角度变化。具体而言，如下所述，第三和第四级22、26和轮叶24、28的设计能使入口和出口气流角度发生径向变化，以产生流入涡轮段12的下游的排气扩压器34的气流的最佳化流量剖面。流过涡轮段12的第三和第四级的气流的最佳化流量剖面有利于减小流出第四级导叶26的气流的平均马赫数，并相应地提高发动机效率，因为流量损失通常与马赫数的平方成正比。
[0036]请参考图2-5,其中示出了第三级导叶22的构造。具体而言,请首先参考图2和图3，其中所示的第三级导叶翼片结构36包括三片翼片或导叶22，它们可被支撑为跨流路13径向延伸。请再参考图4，每片导叶22包括外壁，外壁包括总体上内凹的压力侧壁38、以及相对的总体上外凸的吸力侧壁40。侧壁38、40在内径端壁42和外径端壁44之间径向延伸，并在每片导叶22的前缘46和后缘48之间沿弦向总体上轴向延伸。端壁42、44位于导叶22的对端，并布置在构成边界(即，内外边界)的位置，形成工作流体的一部分流路13。相对的径向内配合面45a、47a和径向外配合面45b、47b由翼片结构36的相应内径和外径端壁42、44形成。
[0037]图4是处于翼展Sv3(图2)的50%左右处的径向位置的一片导叶22沿具有彼此正交的X、Y和Z轴的直角坐标系(图3)的Z轴方向的横截面，其中，Z轴垂直延伸至与从发动机的纵轴32算起的半径正交的平面(即，与包含X和Y轴的平面正交)，并大体上与导叶22的翼片的翼展Sv3平行。请注意，此处所示的配合面45a、47a和45b、47b以相对于纵轴32的方向呈一定角度的方向延伸。
[0038]图4所示的横截面处于X-Y平面。如图4所示，导叶22限定翼片中线CV3，翼片中线Cv3包括位于压力和吸力侧壁38、40之间的中央或中间位置的弦向延伸线。在前缘46处，与前缘46邻接的压力和吸力侧壁38、40的每个表面的叶片金属件角度用于把进入气流导向至导叶22，并形成翼片前缘(LE)或入口角α。翼片入口角α定义为平行于纵轴32的直线32Ρ与前缘46处的翼片中线Cv3的延长线之间的角度，即，与翼片前缘46处的线Cv3相切的角度。
[0039]在后缘48处，与后缘48邻接的压力和吸力侧壁38、40的表面的叶片金属件角度用于导引从导叶22流出的气体，并形成翼片后缘(TE)或出口角β。翼片出口角β定义为平行于纵轴32的直线32Ρ与后缘48处的翼片中线Cv3的延长线之间的角度，g卩，与翼片后缘48处的线Cv3相切的角度。
[0040]导叶22的翼片的入口角α和出口角β在下面的表1中说明。Z坐标位置表示为导叶22的总翼展的百分比。入口角α和出口角β的值在沿导叶22的翼展按10%递增量间隔的选定Z位置定义，其中，O %位于与内端壁42相邻的位置，100%位于与外端壁44相邻的位置。入口角α和出口角β还在图5中以图形方式示出。
[0041]表1
[0042]
【权利要求】
1.一种用于安装在具有纵轴的燃气涡轮发动机中的涡轮机翼片组件，包括形成轴向延伸的高温工作气体通路的内边界的端壁、以及从端壁向外径向延伸的翼片，所述翼片具有外壁，该外壁包括压力侧壁和吸力侧壁，所述压力侧壁和吸力侧壁在所述翼片的按弦距间隔的前缘和后缘处接合在一起，在所述压力和吸力侧壁之间的中央位置形成有沿弦向延伸的翼片中线，在所述翼片的如缘和后缘处形成有翼片入口角和出口角，所述翼片入口角和出口角基本上与表1、3、5、7之一所列的成对入口角值α和出口角值β —致，其中，所述入口和出口角值一般地定义为平行于纵轴的直线与处于Χ、Υ、Ζ直角坐标系的X-Y平面的翼片中线之间的角度，其中，Z是垂直于X-Y平面并相对于纵轴径向延伸的尺寸，其中，每对入口和出口角值相对于距所述端壁的距离定义，所述距离与Z值对应，Z值以从所述端壁算起的所述翼片的总翼展的百分比表示，每对所述翼片入口和出口角之间的预定差值由所述表中的Λ值定义，任何一对所述翼片入口和出口角之间的差值与所述表中的Λ值的偏差至多为5%。
2.如权利要求1所述的涡轮机翼片组件，其中，所述翼片包括用于涡轮发动机中的第三级导叶的翼片，定义所述翼片入口和出口角的所述表是表1。
3.如权利要求1所述的涡轮机翼片组件，其中，所述翼片包括用于涡轮发动机中的第三级轮叶的翼片，定义所述翼片入口和出口角的所述表是表3。
4.如权利要求1所述的涡轮机翼片组件，其中，所述翼片包括用于涡轮发动机中的第四级导叶的翼片，定义所述翼片入口和出口角的所述表是表5。
5.如权利要求1所述的涡轮机翼片组件，其中，所述翼片包括用于涡轮发动机中的第四级轮叶的翼片，定义所述翼片入口和出口角的所述表是表7。
6.如权利要求1所述的涡轮机翼片组件，包括所述翼片组件中的四个，依次包括用于具有表1所定义的翼片入口和出口角的第三级导叶的翼片、用于具有表3所定义的翼片入口和出口角的第三级轮叶的翼片、用于具有表5所定义的翼片入口和出口角的第四级导叶的翼片、以及用于具有表7所定义的翼片入口和出口角的第四级轮叶的翼片。
7.如权利要求6所述的涡轮机翼片组件，其中，任何一对所述翼片入口和出口角之间的差值与相应的表中给出的所述Λ值的偏差至多为3%。
8.如权利要求6所述的涡轮机翼片组件，其中，任何一对所述翼片入口和出口角之间的差值与相应的表中给出的所述Λ值的偏差至多为1%。
9.一种具有纵轴的燃气涡轮发动机中的第三和第四级导叶和轮叶的翼片组件，每个翼片组件包括: 形成轴向延伸的高温工作气体通路的内边界的端壁、以及从端壁向外径向延伸的翼片，所述翼片具有外壁，该外壁包括压力侧壁和吸力侧壁，所述压力侧壁和吸力侧壁在按弦距间隔的翼片前缘和后缘处接合在一起，在所述压力侧壁和吸力侧壁之间的中央位置形成有按弦向延伸的翼片中线，在所述翼片的如缘和后缘处形成有翼片入口和出口角，所述翼片入口和出口角基本上与成对的入口角值α和出口角值β —致，其中，所述入口和出口角值一般地定义为平行于纵轴的直线与处于Χ、Υ、Ζ直角坐标系的X-Y平面的翼片中线之间的角度，其中，Z是垂直于X-Y平面并相对于纵轴径向延伸的尺寸，其中，每对入口和出口角值相对于距所述端壁的距离定义，所述距离与Z值对应，Z值以从所述端壁算起的所述翼片的总翼展的百分比表示，其中:a)所述第三级导叶的成对入口角值α和出口角值β在表1中列出； b)所述第三级轮叶的成对入口角值α和出口角值β在表3中列出； c)所述第四级导叶的成对入口角值α和出口角值β在表5中列出； d)所述第四级轮叶的成对入口角值α和出口角值β在表7中列出；并且 其中，每对所述翼片入口和出口角之间的预定差值由所述表中的△值定义，任何一对所述翼片入口和出口角之间的差值与相应表中的Λ值的偏差至多为5%。
10.如权利要求9所述的涡轮机翼片组件，其中，任何一对所述翼片入口和出口角之间的差值与相应的表中给出的所述Λ值的偏差至多为3%。
11.如权利要求9所述的涡轮机翼片组件，其中，任何一对所述翼片入口和出口角之间的差值与相应的表中给出的所述Λ值的偏差至多为1%。
12.一种用于安装在具有纵轴的燃气涡轮发动机中的涡轮机翼片组件，包括形成轴向延伸的高温工作气体通路的内边界的端壁、以及从端壁向外径向延伸的翼片，所述翼片具有外壁，该外壁包括压力侧壁和吸力侧壁，所述压力侧壁和吸力侧壁在按弦距间隔的翼片前缘和后缘处接合在一起，在所述压力和吸力侧壁之间的中央位置形成有沿弦向延伸的翼片中线，在所述翼片的后缘处形成有翼片出口角，该翼片出口角基本上与表1、3、5、7之一所列的出口角值β —致，其中，所述出口角值一般地定义为平行于纵轴的直线与处于Χ、Υ、Z直角坐标系的X-Y平面的翼片中线之间的角度，其中，Z是垂直于X-Y平面并相对于纵轴径向延伸的尺寸，其中，每个所述出口角值相对于距所述端壁的距离定义，所述距离与Z值对应，Z值以从所述端壁算起的所述翼片的总翼展的百分比表示，每个所述翼片出口角与所述表所列的相应值的偏差在约1%范围之内。
13.如权利要求12所述的涡轮机翼片组件，其中，所述翼片包括用于涡轮发动机中的第三级导叶的翼片，定义所述翼片出口角的所述表是表1。
14.如权利要求12所述的涡轮机翼片组件，其中，所述翼片包括用于涡轮发动机中的第三级轮叶的翼片，定义所述翼片出口角的所述表是表3。
15.如权利要求12所述的涡轮机翼片组件，其中，所述翼片包括用于涡轮发动机中的第四级导叶的翼片，定义所述翼片出口角的所述表是表5。
16.如权利要求12所述的涡轮机翼片组件，其中，所述翼片包括用于涡轮发动机中的第四级轮叶的翼片，定义所述翼片出口角的所述表是表7。
17.如权利要求12所述的涡轮机翼片组件，包括所述翼片组件中的四个，依次包括用于具有表1所定义的翼片出口角的第三级导叶的翼片、用于具有表3所定义的翼片出口角的第三级轮叶的翼片、用于具有表5所定义的翼片出口角的第四级导叶的翼片、以及用于具有表7所定义的翼片出口角的第四级轮叶的翼片。
18.如权利要求12所述的涡轮机翼片组件，包括所述翼片组件中的至少两个，依次包括用于具有表3所定义的翼片出口角的第三级轮叶的翼片、以及用于具有表5所定义的翼片出口角的第四级导叶的翼片。
【文档编号】F01D5/14GK103975128SQ201280060353
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2012年10月5日 优先权日:2011年10月6日
【发明者】A.J.玛兰德拉, 李经邦, B.J.布朗, E.穆诺兹 申请人:西门子能量股份有限公司