用于叶片/轮盘应力降低的叶片/轮盘榫接切口

摘要

一种涡轮叶片(12)，其可以包括翼型件(18)和叶片榫接部(16)，叶片榫接部(16)的形状对应于涡轮轮盘(10)中的榫接槽(14)。叶片榫接部(16)可以包括榫接切口(22)，该榫接切口(22)根据叶片几何机构设置并定位成提高轮盘(10)上应力降低、叶片(12)上应力降低以及涡轮叶片(12)有效寿命之间的平衡，并维持或改进涡轮叶片(12)的空气动力学特性。榫接切口(22)的起始点沿着榫接部轴线限定了榫接切口(22)的长度，该榫接切口(22)的起始点可以相对于基准线进行确定，该基准线定位成沿着榫接部轴线的中心线与叶片榫接部(16)的前向面相距固定距离。榫接切口(22)的起始点可以沿着向后方向与基准线至少大约为1.645英寸。

说明书

技术领域

本发明涉及燃气涡轮技术，更详细地讲，本发明涉及一种改进的叶片和/或轮盘榫接部，该叶片和/或轮盘榫接部设计成转换安装了叶片的轮盘应力集中部件周围和/或叶片自身应力集中部件周围的叶片载荷路径。

背景技术

某些燃气涡轮轮盘(turbine disk)在轮盘外缘周围包括多个周向隔开的榫接部，该轮盘在其间限定了榫接槽。其中每个榫接槽沿轴向接收形成有翼型件部分的叶片以及具有与榫接槽互补形状的叶片榫接部。

叶片可以通过经由轮盘内的冷却槽以及形成在叶片榫接部分的凹槽或槽进入的空气进行冷却。典型地，冷却槽经由交替的榫接部和榫接槽周向360°延伸。

已经发现由于突出的叶片载荷和应力集中几何结构，叶片榫接部和榫接槽之间的接口位置成为潜在的寿命限制位置。在过去，榫接切口(backcut)已在某些涡轮发动机中用于消除应力。然而，这些切口本质上是次要的且与在此所提议的问题无关。此外，该位置和除去的材料数量未能优化成提高轮盘上应力降低、叶片上应力降低和叶片使用寿命之间的平衡。

发明内容

因此，本申请描述了一种用于降低涡轮轮盘和涡轮叶片中至少一个上的应力的方法，其中，多个涡轮叶片可装接在轮盘上，并且涡轮叶片中的每个都包括可同轮盘内相应形状的榫接槽接合的叶片榫接部。该方法可以包括：(a)确定榫接切口相对于基准线的起始点，该起始点沿着榫接部轴线限定了榫接切口的长度；(b)确定榫接切口的切口角度；和(c)根据起始点和切口角度从叶片榫接部或轮盘榫接部的至少一个中除去材料以便形成榫接切口。该起始点和切口角度可以根据叶片和轮盘几何机构优化成提高轮盘上应力降低、叶片上应力降低和涡轮叶片有效寿命之间的平衡，并维持或改进涡轮叶片的空气动力学特性。基准线可以沿着榫接部轴线的中心线定位成与叶片榫接部的前向面相距固定距离，并且步骤(a)可以实施成使得榫接切口起始点沿向后方向距基准线至少大约为1.645英寸。

在一些实施例中，其中每个涡轮叶片可以构造成在7FA涡轮的第一级中运行。步骤(b)可以实施成使得切口角度为大约3°的最大值。在其它实施例中，步骤(b)可以实施成使得切口角度为大约0.7°。基准线距叶片榫接部的前向面的固定距离大约为2.470英寸。

在一些实施例中，起始点和切口角度的优化可以通过对叶片和轮盘进行有限元分析而实施。步骤(b)可以通过确定多个切口角度用以在非平面表面上限定榫接切口而实施。步骤(c)可以通过从叶片榫接部中除去材料而实施。在其它实施例中，步骤(c)可以通过从轮盘榫接槽中除去材料而实施。步骤(c)也可以通过从叶片榫接部和轮盘榫接槽中除去材料而实施。步骤(c)还可以实施成使得基于从叶片榫接部和轮盘榫接槽除去材料而得到的角度不超过切口角度。

本申请还描述了可以包括翼型件(airfoil)和叶片榫接部的涡轮叶片，该叶片榫接部的形状对应于涡轮轮盘内的榫接槽。叶片榫接部可以包括榫接切口，该榫接切口根据叶片几何结构设置并定位成提高轮盘上应力降低、叶片上应力降低以及涡轮叶片有效寿命之间的平衡，并且维持或改进涡轮叶片的空气动力学特性。榫接切口起始点沿着榫接部轴线限定了榫接切口的长度，该榫接切口起始点可以相对于基准线进行确定，该基准线定位成沿着榫接部轴线的中心线与叶片榫接部的前向面相距固定距离。榫接切口起始点可以沿向后方向距基准线至少大约为1.645英寸。

在一些实施例中，每个涡轮叶片可以构造成在7FA涡轮的第一级中运行。榫接切口的切口角度可以为大约3°的最大值。在某些实施例中，榫接切口的切口角度可以为大约0.7°。基准线距叶片榫接部前向面的固定距离可以大约为2.470英寸。在一些实施例中，榫接切口可以具有非平面表面。

本申请还描述了可以包括翼型件和叶片榫接部的涡轮叶片，该叶片榫接部的形状对应于涡轮轮盘内的榫接槽。其中每个涡轮叶片可以构造成在7FA涡轮的第一级中运行，并且叶片榫接部包括榫接切口。榫接切口起始点沿着榫接部轴线限定了榫接切口的长度，该榫接切口起始点可以相对于基准线进行确定，该基准线定位成沿着榫接部轴线的中心线与叶片榫接部的前向面相距固定距离。榫接切口起始点可以沿向后方向距基准线至少大约为1.645英寸。榫接切口的切口角度可以为大约3°的最大值。

在一些实施例中，榫接切口的切口角度可以为大约0.7°。基准线距叶片榫接部前向面的固定距离可以大约为2.470英寸。当结合附图和所附权利要求时考虑到下文中优选实施例的详细说明，将会清楚本申请的这些和其它特征。

附图说明

图1为装接了燃气涡轮叶片的示范性燃气涡轮轮盘段的透视图；

图2为示范性燃气涡轮叶片正压侧的透视图；

图3为示范性燃气涡轮叶片负压侧的透视图；

图4至图7图解说明了将要除去材料的叶片或轮盘榫接区域的局部放大图；

图8和图9图解说明了第一类型的第一涡轮类别(6FA涡轮)中级1叶片或轮盘的材料除去区域；

图10和图11图解说明了第二类型的第一涡轮类别(6FA+e涡轮)的级1叶片或轮盘的材料除去区域；

图12示出了第二类型的第一涡轮类别(6FA+e涡轮)中级2叶片或轮盘的材料除去区域；

图13和图14图解说明了第一类型的第二涡轮类别(7FA+e涡轮)中级1叶片或轮盘的材料除去区域；

图15示出了第一类型的第二涡轮类别(7FA+e涡轮)中级2叶片或轮盘的正压侧的材料除去区域；

图16示出了第一类型的第二涡轮类别(7FA+e涡轮)中级2叶片或轮盘的负压侧的材料除去区域；

图17和图18图解说明了第一类型的第三涡轮类别(9FA+e涡轮)中级1叶片或轮盘的材料除去区域；

图19示出了第一类型的第三涡轮类别(9FA+e涡轮)中级2叶片或轮盘的正压侧的材料除去区域；

图20示出了第一类型的第三涡轮类别(9FA+e涡轮)中级2叶片或轮盘的负压侧的材料除去区域；

图21至图30图解说明了对于每一涡轮类别和类型的每一叶片或轮盘的基准线W的确定；

图31和图32图解说明了第二类型的第三涡轮类别(9FA涡轮)中级1叶片或轮盘的材料除去区域；

图33和图34图解说明了第二类型的第二涡轮类别(7FA涡轮)中级1叶片或轮盘的材料除去区域；以及

图35和图36图解说明了第二类型的第二涡轮类别(7FA涡轮)中级2叶片或轮盘的材料除去区域。

元件符号对照表：

燃气涡轮轮盘段    10

涡轮叶片          12

榫接槽            14

叶片榫接部      16

翼型件          18

叶片榫接突部    20

轮盘榫接突部    21

切              22

具体实施方式

图1为固定了燃气涡轮叶片12的示范性燃气涡轮轮盘段10的透视图。燃气涡轮轮盘10包括榫接槽14，榫接槽14接收相应形状的叶片榫接部16以便将燃气涡轮叶片12固定到轮盘10上。图2和图3示出了燃气涡轮叶片12底部部分的对立侧，该燃气涡轮叶片12包括翼型件18和叶片榫接部16。图2图解说明了燃气涡轮叶片12所谓的正压侧，而图3图解说明了燃气涡轮叶片12所谓的负压侧。

榫接槽14典型地称为“轴向进入”槽，这是因为叶片12的榫接部16大致轴向(即对于轮盘10的轴线而言大致平行但有些倾斜)插入到榫接槽14内。

燃气涡轮轮盘应力集中部件的一个示例为冷却槽。叶片和轮盘10的上游面或下游面可以设有环状冷却槽，该环状冷却槽沿整个360°周向延伸并经过每一榫接部16和榫接槽14的径向内部部分。应当理解的是，当叶片安装在转子轮盘10上时，冷却空气(例如压缩机排出空气)供给到冷却槽，而冷却槽反过来将冷却空气供给到榫接槽14的径向内部部分以便经由凹槽或槽(未示出)进行传输，该凹槽或槽经由叶片12的基体部分开口从而冷却叶片翼型件部分18的内部。

燃气涡轮轮盘应力集中部件的第二示例为叶片保持线槽。叶片12和轮盘10的上游面或下游面可以设有环状保持槽，该环状保持槽沿整个360°周向延伸并经过每一榫接部16和榫接槽14的径向内部部分。应当理解的是，当叶片安装到转子轮盘10上时，叶片保持线插入保持线槽内，而保持线槽反过来对叶片提供轴向保持。

文中所述部件通常可应用于任何翼型件和轮盘接口。图1至图3中所述结构仅仅是各种不同类别涡轮的多种不同轮盘和叶片设计的代表。例如，纽约斯卡奈塔第市的通用电气公司(“GE”)制造了包括不同尺寸和构造的轮盘和叶片的至少三种类别的燃气涡轮。这些包括：(1)第一涡轮类别，GE的6FA和6FA+e涡轮；(2)第二涡轮类别，GE的7FA和7FA+e涡轮；以及(3)第三涡轮类别，GE的9FA和9FA+e涡轮。在具有各种叶片和轮盘几何结构的涡轮中，每个涡轮另外包括多个级。

已经发现，叶片榫接部16和轮盘榫接槽14的接口表面经受应力集中，该接口表面为涡轮轮盘10和/或涡轮叶片12潜在的寿命限制位置。值得期望的是，为了降低该种应力集中以便提高轮盘和/或叶片的寿命期限而无需对燃气涡轮叶片的寿命期限或空气动力学特性产生不良影响。

参照图4至图7，燃气涡轮叶片榫接部16在榫接正压侧包括许多压力面或突部20，和在榫接负压侧的许多压力面或突部20。根据涡轮类别以及叶片和轮盘级，可以在叶片榫接突部20或轮盘榫接突部21(图1所示)的负压侧后端和正压侧前端之一或两者上形成切口22。尤其是参照图6和图7，通过从叶片榫接部16或轮盘榫接槽14的压力面20除去材料而形成切口22。通过使用诸如磨削或铣削工艺等任一适当的工艺可以除去材料，这与用于形成叶片榫接部16或轮盘榫接槽14的对应工艺相同或类似。

通过首先相对于基准线确定用于榫接切口的起始点，确定了待除去的材料数量以及随后的切口22的大小，该起始点沿着榫接部轴线限定了榫接切口长度。也确定了榫接切口的切口角度，图6和图7示出的示范性角度为最大值3°。起始点和切口角度根据叶片和轮盘几何结构优化成提高燃气涡轮轮盘10上应力降低、燃气涡轮叶片12的应力降低以及燃气涡轮叶片12的使用寿命之间的平衡，并维持或改进了燃气涡轮叶片的空气动力学特性。因此，如果榫接切口22太大，则切口将对涡轮叶片12具有不良影响。如果榫接切口太小，尽管涡轮叶片的寿命将会增加，但涡轮叶片和轮盘之间接口内的应力集中不会降低，且轮盘不会从增加的寿命期限中获益。

切口22可以是平面的或如图6中虚线所示，切口22‘可以备选为非平面的。本文中，切口角度限定为起始切口角度。对于一些涡轮类别而言，切口角度与起始点相关直至切口22、22’足够深以致于叶片榫接部1 6的叶片载荷面失去同轮盘榫接槽14的接触为止。一旦失去同轮盘槽14的接触，限定的包络外的任一深度或形状的任一切口都将是可接受的。

如上所述，对于包括许多突部20的叶片榫接部16和轮盘榫接槽14而言，用于榫接切口的起始点和/或切口角度可以分别针对多个突部中的每一个进行确定。在关联上下文中，以及参照上文，榫接切口可以在涡轮叶片和/或轮盘的正压侧和负压侧中的一个或两者中形成。

通过对叶片和轮盘几何结构实施有限元分析确定了榫接切口起始点和切口角度的优化。基于工程数据的虚拟热量和结构载荷应用于叶片和轮盘有限元网格以便模拟工程运行条件。通过使用有限元模型，分析了非切口几何结构和一系列不同切口的几何结构。从有限元分析中推断出切口几何结构和轮盘应力之间的传递函数。通过使用专有材料数据，因而预知应力与现场数据相互关联以便预知用于每一切口几何结构的叶片和轮盘寿命以及叶片空气动力学特性。优化的切口几何结构和可接受的切口几何结构范围通过同时对叶片和轮盘寿命以及叶片空气动力学特性的考虑而确定。

基准线W也根据叶片或轮盘的几何结构而改变。基准线W沿着榫接部轴线的中心线定位成与叶片或轮盘榫接部的前向面相距固定距离。图21至图30图解说明了对于上文所参照的其中每一通用电气涡轮类别以及对于每一叶片和轮盘级的基准线W定义。例如，图21图解说明了对于第一类型的第一涡轮类别(6FA涡轮)中级1叶片和轮盘的基准线W定义，在此处基准线W沿着榫接部轴线的中心线(基准线S)与叶片和轮盘榫接部的前向面相距1.704英寸。图22图解说明了对于第二类型的第一涡轮类别(6FA+e涡轮)中级1叶片和轮盘的基准线W定义，在此处基准线W沿着榫接部轴线的中心线(基准线S)与叶片和轮盘榫接部的前向面相距1.698英寸。图23图解说明了对于第二类型的第一涡轮类别(6FA+e涡轮)中级2叶片和轮盘的基准线W定义，在此处基准线W沿着榫接部轴线的中心线(基准线S)与叶片和轮盘榫接部的前向面相距1.936英寸。

图24示出了尺寸为2.470英寸的第一类型的第二涡轮类别(7FA+e涡轮)中级1叶片和轮盘。图25示出了尺寸为2.817英寸的第二类型的第二涡轮类别(7FA+e涡轮)中级2叶片和轮盘。

图26示出了尺寸为2.964英寸的第一类型的第三涡轮类别(9FA+e涡轮)中级1叶片和轮盘。图27示出了尺寸为3.379英寸的第一类型的第三涡轮类别(9FA+e涡轮)中级2叶片和轮盘。图28示出了尺寸为2.964英寸的第二类型的第三涡轮类别(9FA涡轮)中级1叶片和轮盘。

图29示出了尺寸为2.470英寸的第二类型的第二涡轮类别(7FA涡轮)中级1叶片和轮盘。图30示出了尺寸为2.817英寸的第二类型的第二涡轮类别(7FA涡轮)中级2叶片和轮盘。基准线W对于每一涡轮类别的每一级叶片和轮盘提供了可识别的参考点以便确定已优化榫接切口起始点的位置。

对于每一涡轮类别的各个叶片和轮盘级而言，将会参照图8至图20以及图31至图36描述已优化起始点和切口角度的详细情况。正如所提及的那样，通过使用有限元分析确定了每一榫接切口的已优化起始点和切口角度，以便提高燃气涡轮轮盘上应力降低、燃气涡轮叶片上应力降低以及燃气涡轮叶片使用寿命之间的平衡，并维持和改进了燃气涡轮叶片的空气动力学特性。尽管将要描述的是特定尺寸，但本发明并非必要地限定于该种特定尺寸。通过与基准线W所示起始点的标称距离测量了最大榫接切口。经由有限元分析，确认了较大的榫接切口将会导致燃气涡轮叶片有效使用寿命的损失。在描述优化尺寸时，各值可用于确定叶片榫接部16和/或轮盘榫接槽14的突部20的数目。

图8和图9图解说明了第一类型的第一涡轮类别(6FA涡轮)中级1叶片和轮盘的值，级1叶片和轮盘包括在此通过突部组之间的大致宽度进行识别的三组榫接突部，在此处榫接切口起始点对于宽突部而言沿向后方向距基准线W至少为1.619英寸，对于中间突部而言沿向后方向距基准线W至少为1.552英寸，以及对于窄突部而言沿向后方向距基准线W至少为1.419英寸。切口角度为最大值3°。

图10和图11图解说明了第二类型的第一涡轮类别(6FA+e涡轮)中级1叶片和轮盘的值，级1叶片和轮盘包括在此通过突部组之间的大致宽度进行识别的三组榫接突部，在此处榫接切口起始点对于宽突部而言沿向后方向距基准线W至少为1.549英寸，而对于窄突部而言沿向后方向距基准线至少为1.466英寸。切口角度为最大值3°。图12图解说明了第二类型的第一涡轮类别(6FA+e涡轮)中级2叶片和轮盘，级2叶片和轮盘包括在此通过突部组之间的大致宽度进行识别的三组榫接突部。图12示出了榫接切口起始点，该榫接切口起始点对于宽突部而言沿向后方向距基准线W至少为0.923英寸，而对于中间突部而言沿向后方向距基准线W至少为1.654英寸。切口角度为最大值5°。

图13和图14图解说明了第一类型的第二涡轮类别(7FA+e涡轮)中级1叶片和轮盘的值，级1叶片和轮盘包括三组榫接突部。榫接切口起始点沿向后方向距基准线至少为1.945英寸，而切口角度为最大值3°。对于第一类型的第二涡轮类别(7FA+e涡轮)中级2叶片和轮盘的正压侧而言，级2叶片和轮盘包括在此通过突部组之间的大致宽度进行识别的三组榫接突部，图15图解说明了榫接切口的起始点，该榫接切口起始点对于宽突部而言沿向前方向距基准线W至少为1.574英寸，对于中间突部而言沿向前方向距基准线W至少为1.400英寸，而对于窄突部而言沿向前方向距基准线至少为1.226英寸。切口角度为最大值5°。对于第一类型的第二涡轮类别(7FA+e涡轮)中级2叶片和轮盘的负压侧而言，级2叶片和轮盘包括三组榫接突部，如图16所示，榫接切口起始点沿向后方向距基准线至少为1.725英寸。切口角度为最大值5°。图17和图18图解说明了第一类型的第三涡轮类别(9FA+e涡轮)中级1叶片和轮盘，级1叶片和轮盘包括三组榫接突部，其中榫接切口起始点沿向后方向距基准线W至少为1.839英寸。切口角度为最大值3°。在图19中图解说明了第一类型的第三涡轮类别(9FA+e涡轮)中级2叶片和轮盘的正压侧，该级2叶片和轮盘包括三组榫接突部。榫接切口起始点沿向前方向距基准线W至少为1.848英寸。切口角度为最大值5°。在图20中图解说明了第一类型的第三涡轮类别(9FA+e涡轮)中级2叶片和轮盘的负压侧，该级2叶片和轮盘包括三组榫接突部。榫接切口起始点沿向后方向距基准线W至少为2.153英寸，而切口角度为最大值5°。

根据本申请的示范性实施例，图31和图32图解说明了用于第三涡轮类别(9FA)的第二类型的级1叶片和轮盘。图31示出了切口的除去区域，如图解说明的那样，该除去区域位于榫接部后端的负压侧。对于三个榫接压力面(即突部)中的每个而言，切口可以沿向后方向距基准线W至少大约为1.539英寸。切口角度可以在大约0°和3°之间变化。在某些实施例中，如图32所示，切口角度可以大约为0.7°。因此，例如在一些实施例中，切口可以以0.7°的角度进入上文所述位置处的每一压力面，随后继续以0.7°的角度通过榫接部的剩余部分。

根据本申请的示范性实施例，图33和图34图解说明了用于第二涡轮类别(7FA)的第二类型的级1叶片和轮盘。图33示出了切口的除去区域，如图解说明的那样，该除去区域位于榫接部后端的负压侧。对于三个榫接压力面(即突部)中的每个而言，切口可以沿向后方向距基准线W至少大约为1.645英寸。切口角度可以在大约0°和3°之间变化。在某些实施例中，如图34所示，切口角度可以大约为0.7°。因此，例如在一些实施例中，切口可以以0.7°的角度进入上文所述位置处的每一压力面，随后继续以0.7°的角度通过榫接部的剩余部分。

根据本申请的示范性实施例，图35和图36图解说明了用于第二涡轮类别(7FA)的第二类型的级2叶片和轮盘。图35示出了切口的除去区域，如图解说明的那样，该除去区域位于榫接部后端的负压侧。对于三个榫接压力面(即突部)中的每个而言，切口可以沿向后方向距基准线W至少大约为1.215英寸开始。切口角度可以在大约0°和3°之间变化。在某些实施例中，如图36所示，切口角度可以大约为0.7°。因此，例如在一些实施例中，切口可以以2.0°的角度进入上文所述位置处的每一压力面，随后继续以2.0°的角度通过榫接部的剩余部分。

可以预料的是，榫接切口可以在正常的热气体检验工艺期间形成一单元。通过这种配置，叶片载荷路径将在轮盘和/或叶片应力集中部件内的高应力区周围转向。包括相对于基准线的优化起始点和优化切口角度的卸荷切口参数限定了榫接切口，该榫接切口提高了燃气涡轮轮盘中应力降低、燃气涡轮叶片中应力降低以及燃气涡轮叶片有效寿命之间的平衡，并维持或改进了燃气涡轮叶片的空气动力学特性。降低的应力集中用以降低燃气涡轮轮盘的损坏，从而实现了整个轮盘的重要的疲劳寿命益处。

尽管本发明联结了目前认为是最实用和最优选的实施例进行了说明，但应当理解的是，本发明并不限于已公开的实施例，而恰好相反，本发明试图覆盖包括在所附权利要求精神和范围内的各种修改和等效配置。