法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2015-09-23
授权
授权
2014-08-13
实质审查的生效 IPC(主分类):F01D5/14 申请日:20120919
实质审查的生效
2013-04-03
公开
公开
技术领域
本发明涉及用于燃气涡轮的级的轮叶的翼型，并且更具体而言，涉及限定涡轮轮叶翼型轮廓的形状。
背景技术
在燃气涡轮中，在燃气涡轮的流径区段的各个级处应当满足许多系统要求，以满足设计目标。这些设计目标包括(但不限于)改进的整体效率和翼型负荷能力。例如，并且决不限制本发明，压缩机的叶片应达到关于那个特定的级的热运行要求和机械运行要求。另外，例如，并且决不限制本发明，涡轮的叶片或轮叶应达到关于那个特定的级的热运行要求和机械运行要求。
发明内容
本发明的一方面可由一种包括具有翼型形状的轮叶翼型的涡轮轮叶体现，轮叶翼型具有基本根据表1中阐述的X、Y和Z的笛卡尔坐标值的标称轮廓，其中，Z值是从0%至100%的无量纲值，通过用Z值乘以以英寸计的翼型的高度以及加上翼型基部的半径而能够将该无量纲值转换成以英寸计的Z距离，以及其中，X和Y是当由平滑连续弧连接时限定各个距离Z处的翼型轮廓截面的以英寸计的距离，在Z距离处的轮廓截面平滑地彼此连结，以形成完整的翼型形状。
本发明的一方面可在一种包括轮叶翼型的涡轮轮叶中体现，轮叶翼型具有基本根据表1中阐述的X、Y和Z的吸力侧笛卡尔坐标值的吸力侧未涂覆标称翼型轮廓，其中，Z值是从0%至100%的无量纲值，通过将Z值乘以以英寸计的翼型的高度以及加上翼型基部的半径而能够将该无量纲值转换成以英寸计的Z距离，以及其中，X和Y是当由平滑连续弧连接时限定各个距离Z处的翼型轮廓截面的以英寸计的距离，在Z距离处的轮廓截面平滑地彼此连结，以形成完整的吸力侧翼型形状，X、Y和Z距离能够按照同一常数或数量来按比例缩放，以提供按比例放大或缩小的翼型。
本发明的一方面可在一种包括具有多个轮叶的涡轮叶轮的涡轮中体现，各个轮叶包括具有翼型形状的翼型，翼型具有基本根据表1中阐述的X、Y和Z的笛卡尔坐标值的标称轮廓，其中，Z值是从0%至100%的无量纲值，通过将Z值乘以以英寸计的翼型的高度以及加上翼型基部的半径而能够将该无量纲值转换成以英寸计的Z距离，以及其中，X和Y是当由平滑连续弧连接时限定各个Z距离处的翼型轮廓截面的以英寸计的距离，在Z距离处的轮廓截面平滑地彼此连结，以形成完整的翼型形状。
本发明的一方面可体现在一种包括具有多个轮叶的涡轮叶轮的涡轮中，各个轮叶包括具有吸力侧翼型形状的翼型，翼型具有基本根据表1中阐述的X、Y和Z的吸力侧笛卡尔坐标值的标称轮廓，其中，Z值是从0%至100%的无量纲值，通过将Z值乘以以英寸计的翼型的高度以及加上翼型基部的半径而能够将该无量纲值转换成以英寸计的Z距离，以及其中，X和Y是当由平滑连续弧连接时限定各个距离Z处的翼型轮廓截面的以英寸计的距离，在Z距离处的轮廓截面平滑地彼此连结，以形成完整的吸力侧翼型形状。
附图说明
通过仔细地研究结合附图而得到的本发明的目前优选的示例实施例的以下更加详细的描述，将更加完整地理解和懂得本发明的这些和其它目标与优点，其中：
图1是通过燃气涡轮的多个级的热气路径的示意图，并且示出了根据本发明的示例实施例的轮叶翼型；以及
图2是根据本发明的示例实施例的轮叶的透视图。
部件列表：
10 热气路径
12 燃气涡轮
14 喷嘴
16 轮叶
17 转子
18 喷嘴
20 轮叶
22 喷嘴
24 轮叶
26 箭头
32 轮叶根部
34 翼型
36 尖部
38 基部
51 压力侧
52 吸力侧。
具体实施方式
现在参照附图，特别参照图1，示出了包括多个涡轮级的燃气涡轮12的热气路径，其大体由10指示。示出了三个级。例如，第一级包括多个沿周向隔开的喷嘴14和轮叶16。喷嘴彼此沿周向隔开，并且围绕转子的轴线而固定。当然，第一级轮叶16安装在涡轮转子17上。也示出了涡轮12的第二级，其包括多个沿周向隔开的喷嘴18和安装在转子上的多个沿周向隔开的轮叶20。也示出了第三级，其包括多个沿周向隔开的喷嘴22和安装在转子17上的轮叶24。将理解，喷嘴和轮叶位于涡轮的热气路径10中，通过热气路径10的热气流的方向由箭头26指示。
参照图2，将理解，轮叶具有安装在转子叶轮上的轮叶根部32(未详细显示)，从而形成转子17的一部分。也将理解，各个轮叶24具有如图2中示出的那样的轮叶翼型34。翼型34具有压力侧51和吸力侧52。压力侧在图2中显示，并且吸力侧位于翼型34的相反的侧部上。因而，各个轮叶24在从轮叶平台或根部到轮叶尖部36的任何横截面处具有成翼型34的形状的轮叶翼型轮廓。基部38在翼型34的底部处或底部附近，并且尖部在翼型34的顶部处或顶部附近。基部38对应于表1的在Z等于0处的无量纲Z值。轮叶翼型的尖部36对应于表1的在Z等于100处的无量纲Z值。Z值以翼型长度的百分比值来给出。仅作为一个示例，涡轮轮叶或翼型34的高度可为从大约10英寸至大约40英寸。但是，将理解的是，也可在特定应用中如期望的那样采用低于或高于这个范围的高度。
燃气涡轮热气路径需要满足空气动力学和机械叶片负荷和效率的系统要求的翼型。为了限定各个轮叶翼型的翼型形状，在空间中存在满足级要求且可制造出来的与别个不同的点集合或点轨迹。这个与别个不同的点轨迹满足级效率的要求，并且通过在空气动力学和机械负荷之间的迭代而得出，从而使得涡轮能够以高效、安全和平稳的方式运行。这些点与别个不同且对系统而言专有，并且对本领域技术人员而言不是显而易见的。限定本发明的轮叶翼型轮廓的轨迹包括成集合的具有相对于基准原点坐标系的X、Y和Z维度的大约2200个点。下面的表1中给出的X、Y和Z值的笛卡尔坐标系在沿着轮叶翼型的长度的各种位置处限定其轮廓。表1列出了关于未经涂覆的翼型的数据，并且关于坐标的包络/容差在垂直于任何翼型表面位置的方向上为大约+/-5%。点数据原点是根部的前缘。X、Y和Z坐标的坐标值由表1中的叶片高度以无量纲化的单位阐述，但是在值经过合适地转换时，可使用其它维度单位。表1中阐述的Z值也呈从叶片或翼型高度的0%至100%的无量纲形式(Z)。为了使Z值转换成例如以英寸计的Z坐标值，表1中给出的无量纲Z值乘以以英寸计的翼型的Z长度，并且加上翼型基部的半径。如上面描述的那样，笛卡尔坐标系具有互相垂直相关的X、Y和Z轴，并且X轴定位成大体平行于涡轮转子中心线，即，旋转轴线，并且正的X坐标值沿轴向朝向后部，即，涡轮的排气端。正的Y坐标值在转子的旋转方向上沿切向延伸，并且正的Z坐标值沿径向向外朝向轮叶尖部。表1中的所有值均在室温下给出，并且未进行倒角(unfilleted)。
通过限定在垂直于X、Y平面的Z方向上的选定位置处的X和Y坐标值，可确定沿着翼型的长度在各个Z距离处的轮叶翼型的轮廓截面或翼型形状。通过用平滑连续弧连接X和Y值，固定了在各个距离Z处的各个轮廓截面。通过平滑地将邻近的轮廓截面连接到彼此上以形成翼型轮廓来确定距离Z之间的各种表面位置的翼型轮廓。
以三个小数位来产生和显示表1的值，以确定翼型的轮廓。随着叶片在表面中加热，应力和温度将致使X、Y和Z有所变化。因此，表1中给出的轮廓的值表示环境、非运行状况或非热状况(例如，室温)，并且针对未经涂覆的翼型。
存在在翼型的实际轮廓中必须考虑的典型制造容差以及涂层。各个截面平滑地与其它截面连结，以形成完整的翼型形状。因此，将理解，可将包括任何涂层厚度的+/?典型制造容差(即，+/?值)添加到下面的表1中给出的X和Y值。因此，在垂直于沿着翼型轮廓的任何表面位置的方向上的+/?5%的距离限定用于这个特定的轮叶翼型设计和涡轮的翼型轮廓包络，即，实际翼型表面上在标称低温或室温处测得的点和如在下表中给出的那样在同一温度处的那些点的理想位置之间的差异的范围。数据可按比例缩放，并且几何构造涉及在3600 RPM处、以上和/或以下的所有空气动力学比例。轮叶翼型设计对于这个差异范围是稳定可靠的，而不会损害机械功能和空气动力学功能。
表1
也将理解，上面的表1中公开的翼型可在几何构造方面按比例放大或按比例缩小，以用于其它类似的涡轮设计中。因此，表1中阐述的坐标值可按比例放大或缩小，使得翼型轮廓形状保持不变。表1中的坐标的比例形式将由表1的X、Y和Z坐标值表示，X和Y以及无量纲Z坐标值乘以或除以常数而转换成英寸。
本公开中的一个重要用语是轮廓。轮廓是翼型表面上的实测点和表1中列出的理想位置之间的差异的范围。制造好的叶片上的实际轮廓将不同于表1的那些，并且设计对于此差异是稳定可靠的，这表示机械功能和空气动力学功能不会受到损害。如上面提到的那样，在本文中使用了+5%或–5%的轮廓容差。X、Y和Z值都关于翼型高度而被无量纲化。
公开的翼型形状优化的机器状况和规范，并且是对于机器状况和规范而言专有的。公开的翼型形状提供了与别个不同的轮廓，以实现下者：1)在高压涡轮中的其它级之间的相互作用；2)空气动力学效率；以及3)归一化的空气动力学和机械叶片负荷。公开的点轨迹允许燃气涡轮或任何其它适当的涡轮以高效、安全且平稳的方式运行。如还提到的那样，可采用公开的翼型的任何比例，只要在按比例缩放的涡轮中保持下者即可：1)高压涡轮中的其它级之间的相互作用；2)空气动力学效率；以及3)归一化的空气动力学和机械叶片负荷。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及实行任何结合的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例具有不异于权利要求的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构要素，则它们意于处在权利要求的范围之内。
机译： 涡轮叶片系统，包括具有翼型形状的叶片翼型和用于该涡轮叶片系统的环形平台
机译： 装有具有翼型形状的叶片翼型的涡轮叶片系统，以及用于涡轮叶片系统的环平台
机译： 涡轮机叶片的翼型形状和包含该翼型的涡轮机
