专利名称：应力得到减小的叶轮叶片的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及一种闭式径流叶轮的叶片，特别是，一种离心应力得到减小和使用寿命得到延长的改进叶片。
径流叶轮一般用于燃气涡轮发动机，在那里它们被用作压缩器叶轮和透平叶轮。另一用途是在制冷设备和气体液化设备中用于使制冷用的气体发生膨胀。由于考虑到空气动力学的要求，径流叶轮在设计中主要受结构方面的约束。
在径流式透平叶轮中，气体以径向的方向流入叶轮，进入由叶轮毂和叶轮叶片形成的通道内。通常，为了获得高的空气动力性能，叶轮叶片的外端头具有一个与叶片连成整体的罩盖，该罩盖形成流体流通道的外围界限。气体在叶轮中膨胀并从径向转变到轴向排出。因此，叶轮的排气面一般是一个径向的面，而叶片边缘是径向的。叶片边缘限定一个用于经膨胀的轴向气流的大的出口截面积。因而，此面被称作叶轮眼口。为了提供大的出口截面积，叶片边缘具有一个大的径向跨距。由于透平叶轮中的这些边缘是后缘，所以它们必须较薄以便提供良好的空气动力性能。
应力都集中在叶片毂入的后缘上。这一部位因此容易开裂，而且在确立叶轮的循环寿命中也是关键性的。在这一关键性的部位上，离心应力是所有的应力中最大的一部分应力。外罩盖是此离心应力的最大的成因。然而，在另一方面，不带罩盖的叶轮在此关键部位处虽然不会遭受这种剧裂的应力，但却具有其空气动力性能极差的缺点。
先有技术曾企图以改变叶片的几何形状来减小关键部位处的应力。其中一种技术是干脆将后缘加厚而宁可伴随有不利的空气动力性能。为了减小空气动力性能上的损失，叶片后缘的厚度也是逐渐变薄的，也就是说，从叶片的毂至叶片的尖端在厚度上逐渐地减小。应力之所以减小是因为将导致作用到关键部位上的离心力的叶片材料的质量减小了。
先有技术中应用的另一种技术是在叶轮毂的眼口面上以略小叶片开始处半径的半径开一条环形凹槽。此条环形凹槽使在眼口面处的叶片边缘与毂的连接具有一些挠曲性，因而减小了叶片边缘在其与毂交接处的应力。
本发明提供了一种其关键部位处的应力得到减小的径流叶轮叶片，因而提供一种使用寿命得到延长的叶片。该叶片包括一个用于与流体交接的面，该面具有一个外罩盖和一条部分限定一个轴向流体流的开口的边缘。该边缘从叶片的毂开始延伸，并且至少在其端头处以大约2°至大约20°的角度与通过叶片的毂处的边缘的径向线轴向隔开深入至叶片内。由此，叶轮旋转时导致作用在叶片毂处边缘上的离心力的叶片材料的质量得以减小，因而，使离心力本身得以减小。
在一个较佳的实施例中，叶轮眼口处的叶片边缘是从叶片毂至叶片端头逐渐地深入至叶轮中的。在另一个实施例中，叶片除了从通过叶片毂处的边缘的径向线起大约2°至大约20°的角度的范围之外都具有一个外罩盖。
附图中
图1是一个透平叶轮的横截面图，图的上半部份示出本发明的一个实施例，而其下半部分则示出本发明的另一个实施例。
图2是一幅显示在一个径向透平叶轮的关键部位处(也就是在叶轮眼口处的叶片的毂边缘处)所测得的相对于没有外罩盖情况下各种角度度数的应力和相对于叶片后缘倾斜情况下各种角度度数的应力曲线图。
图1中所描绘的是一个具有一个毂12的径流叶轮10，毂12带有一个用于将叶轮安装在一根轴上的中央镗孔14。从毂12延伸的是叶片16，叶片16会同毂的外边缘限定了流体流的各条单独的通道。每一叶片与毂的交接处被称作叶片毂18。叶片表面与流体流相接触，并且是流体和叶轮之间传递能量的主要手段。与叶片的外端头20连成一体的是一个在周边上连续的外罩盖22。该外罩盖对由叶片和毂形成的通道内的流体流提供了一个实体的外边缘，从而获得高的效率。外罩盖包括周边连续的突出体24作为一个蓖齿型密封装置。每个叶片与外罩盖的交接处还被称作为叶片尖端25。
在通道的一个终端处，叶片边缘26形成为流体流轴向对准的较大流动面积的通道开口。这个面被称作叶轮的眼口。在通道的另一终端处，叶片边缘28形成为流体流径向对准的较小流动面积的开口。在两个开口间的通道是弯曲的，以便导引和促使流体流在轴向和径向的方向之间变动。当叶轮被用在一个压缩器中时，流体进入叶轮的眼口并在叶轮中加速。当叶轮被用在一涡轮机中时，流体在叶轮的眼口处排出并在叶轮中减速。
在稳定的运转中，叶轮受有稳定的离心流体压力和热负荷。通常，叶片上最大的静应力发生在沿着或靠近每个叶片与毂的交接线处，也就是叶片毂18的地方。在这条线18上的峰值应力发生在靠近或位于叶轮眼口处的叶片边缘上的一个部位30处。不论在膨胀器叶轮或压缩器叶轮中，眼口处的叶片边缘总是薄的以便获得高的空气动力效率。这一特征导致一个小的截面用于承载负荷和高的应力。
除了静载荷外，进入和离开叶轮通道的流体在叶轮中也激发了振荡模式，因而产生了动载荷。在眼口毂处的叶片边缘经受了因叶片弯曲模式的动态激发导致的最大的应力。静载荷和动载荷的结合在叶轮眼口的叶片毂边缘处造成了最大的应力。这一部位30因此最容易引发裂纹，而它的应力状态在确定叶轮的使用寿命方面起关键作用。
在关键部位30处的大份应力是由离心载荷产生的。外罩盖22对这一载荷起了较大的作用。一个没有罩盖的叶片并不经受这种剧裂的应力，也不会形成像带罩盖叶片那样的严重的应力问题。对带罩盖的叶片加以改进以减小由罩盖施加的离心应力对于延长叶轮的工作寿命特别有效。这就是由本发明提供的叶片构形所实现的。
如图1的上半部分所示，在径向离叶片毂较远的部位处，在叶轮中形成轴向流动开口的叶片边缘26相对于在毂处的叶片边缘沿轴向深入至叶轮内。这减少了将离心载荷作用到关键部位上的质量，因而减小了在关键部位处的离心应力。在一较佳的实施例中，叶片边缘26是从叶片毂至叶片端头逐渐地轴向深入至叶轮内的。为了制造上的便利，叶片边缘是直的并称作斜的边缘。因此，在眼口的叶轮面从叶片毂径向向外具有一个圆锥体表面的形状，其锥顶在叶轮的中心线上。
在此较佳实施例的改良型中，倾斜是从叶轮的眼口面的圆周开始，而不是从叶片毂开始。例如，叶片是从叶片的通道中段倾斜至叶片尖端包括罩盖。与全部的叶片边缘倾斜相比，这种部份倾斜具有较高的空气动力效率。然而，为了要达成与在叶片毂开始倾斜的同样的应力减小就要有一个较大的倾斜角度。
在较佳实施例的另一个改良型中，在眼口的叶片边缘不是直线型的，而是曲线形的(未显示)。一条曲线形的叶片边缘，例如一个抛物线段，在关键部位30上要比一个直线形的边缘产生出稍小的应力。在这种构形中，从叶片毂向外的叶轮眼口面具有比一个圆锥体的面更为复杂的表面。制造这样的叶轮要比制造在眼口处为直线形叶片边缘的叶轮困难得多。
在本发明的另一个实施例中，如图1的下半部分所示，在眼口的叶片边缘32是径向的，但是叶片从眼口面有一小段长度34是没有罩盖的。叶片的其余部分包括一个罩盖22以便获得满意的空气动力性能。在关键部位30处的离心载荷得以减小，这是由于作用在关键部位上的物料质量减小了的缘故。为了补救叶片端头未带有罩盖的部分所造成的效率上的些微损失，可以在此部位处装下一个固定的罩盖(未显示)。固定的罩盖非常靠近叶片端头，但并不接触到它。
为了方便起见，一个入射角或斜角36被定义为在一条通过叶片毂处的叶片边缘的径向线与一条从毂的叶片边缘通至叶片边缘端头的线之间的角度。可行的入射角或斜角的辐度大约为2°至20°之间。较好的幅度为大约3°至12°之间。而最好的幅度为大约3°至8°之间。
用7175-T74铝制成的膨胀器叶轮具有一个直径为5.2英寸的径向流体进口。叶片具有一个连成一体的外罩盖，外罩盖上包括有作为蓖齿型密封装置的突出体。在眼口的轴向出口具有一个1.3英寸的叶片毂直径和一个3.5英寸的包括罩盖在内的外直径。空气以300psia(磅/每平方英寸)的压力，440°R的温度进入叶轮，以80psia的压力，300°R的温度排出，而叶轮的转速为55000转/每分钟。在眼口处的叶轮叶片根据本发明的较佳实施例从叶片毂至端头是倾斜的。在图2中，线B显示叶轮中关键部位(也就是在眼口的叶片毂边缘)上的应力，其是斜角的函数。线A显示根据本发明另一个实施例，只是由于没有罩盖而导致在关键部位上的应力，该应力作为从叶轮的眼口面的入射角的函数。在这两个实施例中都能达成应力的显著减小。
由5°的斜角，或在5°的弧度上没有罩盖而引起的效率上的损失估计为0.25%。随着角度的增大，效率的损失也逐步增加。然而，在一个适度的5°斜角的情况中，在关键部位的应力从17000psi减少到10000psi，减小了41%，而效率上的损失只有0.25%。这一应力的减小可以在同样的运转条件下使使用寿命从109循环增长至1012循环。因此，本发明的使用提供了显著的利益。
作为比较，图2中的C线显示出在一个相似的不带罩盖的叶片中眼口毂边缘处的应力不加任何修改的不带罩盖的叶片上的应力要比带罩盖的叶片上的应力为小，并且不会出现带罩盖叶片所遭遇的问题。将眼口边缘斜削则在不带罩盖的叶片上同样会产生应力减小，但带有斜削角的叶轮的应力减小出现得要比带罩盖的叶轮慢很多。
虽然本发明只是参照具体的实施例作为举例来描述，但应该理解到，它意欲包括权利要求书范围内所有的改良型和类似型。
权利要求
1.一种应力得到减小而使用寿命得到延长的径流叶轮叶片，其包括一个用于与流体接触的表面，该表面具有一个外罩盖和一个部分限定一个轴向流体流的开口的边缘，所述边缘从所述叶片的毂处延伸，并至少在其端头处以大约2至20°的角度与通过在所述叶片的毂的所述边缘的径向线轴向隔开深入至叶片内。
2.如权利要求1的叶片，其特征在于其中所述边缘至少在其端头处以大约3至12°的角度与通过在所述叶片的毂的所述边缘的径向线轴向隔开深入至叶片内。
3.如权利要求1的叶处，其特征在于其中所述叶片在所述边缘处以大约2°至大约20°的角度斜削。
4.如权利要求1的叶片，其特征在于其中所述叶片除了在通过叶片毂处的边缘延伸的一条径向线起大约2°至大约20°的角度范围外包括有一个外罩盖。
5.如权利要求1的叶片，其特征在于其中所述叶片表面至少一部份在厚度上是径向斜削的，因而所述叶片的质量在沿径向趋近叶片端头中是逐步减小的。
6.一种离心应力得到减小而使用寿命得到延长的径向叶轮，其中具有用于轴向流动的开口的叶轮面至少在其端头处具有一个圆锥体的表面的形状而其锥顶位于叶轮的中心线上，锥项具有一个大约140至大约176°的夹角。
7.一种在一个径流叶轮叶片上在为轴向流动而形成一个开口的叶边缘的毂处减小离心应力的方法，所述方法包括至少使所述边缘的端头以大约2°至20°的角度与通过在所述叶片的毂的所述边缘的径向线轴向隔开深入至叶片内。
8.如权利要求7的方法，其特征在于其还包括至少使所述边缘的端头以大约3°至12°的角度与通过在所述叶片的毂的所述边缘的径向线轴向隔开深入至叶片内。
9.如权利要求7的方法，其特征在于其还包括使所述叶片在所述边缘处以大约2°至大约20°的角度斜削。
10.如权利要求7的方法，其特征在于其还包括提供一个除了在从通过叶片毂处的边缘延伸的一条径向线起大约2°至大约20°的角度范围之外带有一个外罩盖的叶片。
全文摘要
一种应力得到减小而使用寿命得到延长的流体叶轮叶片，该叶片具有一个从叶片的毂延伸和部分形成轴向流体流界限的边缘。该边缘至少在其端头处以大约2°至大约20°的角度与通过在叶片毂的边缘的径向线轴向隔开深入至叶片内，从而使在叶轮旋转时将离心力作用到叶片毂处的边缘上的叶片材料的质量减小。
文档编号F01D5/14GK1084614SQ9310492
公开日1994年3月30日 申请日期1993年4月22日 优先权日1992年4月23日
发明者M·J·施滕科 申请人:普拉塞尔技术有限公司