用于减少叶片/圆盘(9FA,第一级)应力的叶片/圆盘燕尾榫顶槽

摘要

本发明涉及一种用于减少叶片/圆盘(9FA，第一级)应力的叶片/圆盘燕尾榫顶槽，其中涡轮机叶片(12)，包括翼面(18)和叶片燕尾榫(16)，叶片燕尾榫(16)具有与涡轮机圆盘(10)中的燕尾槽(14)相匹配的形状。叶片燕尾榫(16)包括燕尾榫顶槽(22)，按照叶片几何结构设定所述燕尾榫顶槽的尺寸和位置，使圆盘(10)上的应力减少、叶片(12)上的应力减少、涡轮机叶片(12)的使用寿命与维持或者提高涡轮机叶片(12)的空气动力学特性之间的平衡达到最大化。相对于基准线从叶片燕尾榫(16)的前面起沿着燕尾榫轴的中心线的一固定距离确定了限定沿燕尾榫轴的燕尾榫顶槽(22)长度的燕尾榫顶槽(22)的起始点。燕尾榫顶槽(22)的起始点从基准线起在向后方向至少大约1.539英寸处。

说明书

技术领域

本发明涉及燃气涡轮机技术，并且更特别地是，涉及一种修正的叶片和/或圆盘燕尾榫(dovetail)，设计用于在安装叶片的圆盘的应力集中特征和/或叶片自身的应力集中特征周围转移叶片负荷路径。

背景技术

某些燃气涡轮机圆盘包括一些周向布置的燕尾榫，圆盘的外围限定了它们之间的燕尾槽。每个燕尾槽在轴向上容纳形成翼面部分的叶片，并且叶片燕尾榫具有与燕尾槽互补的形状。

叶片可以被进入到圆盘的冷却槽和形成在叶片燕尾榫部分中槽的空气所冷却。通常，冷却槽周向360°延伸通过交替的燕尾榫和燕尾槽。

已经发现由于悬垂的叶片负荷和应力集中几何所导致叶片燕尾榫和燕尾槽之间的界面位置是潜在的寿命极限位置。过去，在某些涡轮机上使用燕尾榫顶槽(backcut)减轻压力。然而，这些顶槽实质上较小并且与这里提及的问题不相关。而且，所述位置和移除的材料量并没有最大优化圆盘上的应力减少、叶片上的应力减少和叶片的使用寿命之间的平衡。

发明内容

本发明描述一种减少涡轮机圆盘和涡轮机叶片中的至少一个的应力的方法，涡轮机叶片附接在圆盘上，每个涡轮机叶片包括叶片燕尾榫，其嵌在圆盘中的与其形状相匹配的燕尾槽中。所述方法可以包括：(a)确定燕尾榫顶槽相对于基准线的起始点，起始点限定了燕尾榫顶槽沿着燕尾榫轴的长度；(b)确定燕尾榫顶槽的切角；以及(c)按照起始点和切角，从叶片燕尾榫或者圆盘燕尾槽的至少一个中移除材料，形成燕尾榫顶槽。按照叶片和圆盘几何优化起始点和切角，使圆盘应力减少、叶片应力减少、涡轮机叶片的使用寿命与维持或提高涡轮机叶片空气动力学特性之间的平衡达到最大化。从叶片燕尾榫的前面沿燕尾榫轴中心线的一段固定距离设定基准线，实施步骤(a)使得燕尾榫顶槽的起始点是在基准线向后至少大约1.539英寸处。

在某些实施例中，设定每个涡轮机叶片在9FA涡轮机的第一级中工作。实施步骤(b)使得切角最大值为大约3°。在其它实施例中，实施步骤(b)使得切角为大约0.7°。从叶片燕尾榫的前面离基准线的固定距离大约2.964英寸。

在某些实施例中，通过对叶片和圆盘几何采用有限元分析，优化起始点和切角。通过用非平面限定燕尾榫顶槽确定多个切角来实施步骤(b)。通过从叶片燕尾榫移除材料实施步骤(c)。在其它实施例中，通过从圆盘燕尾槽移除材料实施步骤(c)。也可以通过从叶片燕尾榫和圆盘燕尾槽移除材料来实施步骤(c)。还可以实施步骤(c)，使移除叶片燕尾榫和圆盘燕尾槽材料基础上所形成的角不超过切角。

本发明还描述了涡轮机叶片，其包括翼面和叶片燕尾榫，叶片燕尾榫具有与涡轮机圆盘中的燕尾槽相匹配的形状。叶片燕尾榫包括燕尾榫顶槽，按照叶片几何设定所述燕尾榫顶槽的尺寸和位置，使圆盘应力减少、叶片应力减少、涡轮机叶片的使用寿命与维持或者提高涡轮机叶片的空气动力学特性之间的平衡达到最大化。限定了沿着燕尾榫轴的燕尾榫顶槽长度的燕尾榫顶槽的起始点，确定从叶片燕尾榫的前面沿着燕尾榫轴中心线一段固定距离。燕尾榫顶槽的起始点在基准线向后至少大约1.539英寸处。

在某些实施例中，设定每个涡轮机叶片在9FA涡轮机的第一级中工作。所述燕尾榫顶槽的切角最大值为大约3°。在其它实施例中，所述燕尾榫顶槽的切角是大约0.7°。从叶片燕尾榫的前面离基准线的固定距离大约2.964英寸。在某些实施例中，燕尾榫顶槽具有非平面。

本发明还描述了涡轮机叶片，其包括翼面和叶片燕尾榫，叶片燕尾榫具有与涡轮机圆盘中的燕尾槽相匹配的形状。设定每个涡轮机叶片在9FA涡轮机的第一级中工作，并且所述叶片燕尾榫包括燕尾榫顶槽。沿燕尾榫轴限定燕尾榫顶槽长度的燕尾榫顶槽起始点，可以在叶片燕尾榫的前面沿燕尾榫轴中心线一段固定距离处确定。燕尾榫顶槽的起始点在基准线向后至少大约1.539英寸处。燕尾榫顶槽的切角最大值为大约3°。

在某些实施例中，所述燕尾榫顶槽的切角是大约0.7°。从叶片燕尾榫的前面离基准线的固定距离大约2.964英寸。通过下面的优选实施例结合附图和所附权利要求将更容易理解本发明的这些特征。

附图说明

图1具有燃气涡轮机叶片的燃气涡轮机圆盘部段的透视图；

图2燃气涡轮机叶片的压力侧的透视图；

图3燃气涡轮机叶片的吸力侧的透视图；

图4-7在把材料移走的区域中叶片或者圆盘燕尾榫区域的封闭视图；

图8和9第一类型(6FA涡轮机)的第一涡轮级中的第一级叶片或者圆盘的材料移除区域；

图10和11第二类型(6FA+e涡轮机)的第一涡轮级中的第一级叶片或者圆盘的材料移除区域；

图12第二类型(6FA+e涡轮机)的第一涡轮级中的第二级叶片或者圆盘的材料移除区域；

图13和14第一类型(7FA+e涡轮机)的第二涡轮级中的第一级叶片或者圆盘的材料移除区域；

图15第一类型(7FA+e涡轮机)的第二涡轮级中的第二级叶片或者圆盘的压力侧的材料移除区域；

图16第一类型(7FA+e涡轮机)的第二涡轮级中的第二级叶片或者圆盘的吸力侧的材料移除区域；

图17和18第一类型(9FA+e涡轮机)的第三涡轮级中的第一级叶片或者圆盘的材料移除区域；

图19第一类型(9FA+e涡轮机)的第三涡轮级中的第二级叶片或者圆盘的压力侧的材料移除区域；

图20第一类型(9FA+e涡轮机)的第三涡轮级中的第二级叶片或者圆盘的吸力侧的材料移除区域；

图21-30对每个涡轮机级和类型的每个级叶片或者圆盘确定基准线W。

图31和32第二类型(9FA涡轮机)的第三涡轮级中的第一级叶片或者圆盘的材料移除区域；

图33和34第二类型(7FA涡轮机)的第二涡轮级中的第一级叶片或者圆盘的材料移除区域；和

图35和36第二类型(7FA涡轮机)的第二涡轮级中的第二级叶片或者圆盘的材料移除区域。

具体实施方式

图1是装有燃气涡轮机叶片12的典型燃气涡轮机圆盘部段10的透视图。燃气涡轮机圆盘10包括燕尾槽14，燕尾槽接受相应形状的叶片燕尾榫16，以固定燃气涡轮机叶片12到圆盘10上。图2和3示出了包括翼面18和叶片燕尾榫16的燃气涡轮机叶片12底部的相对面。图2是燃气涡轮叶片12的压力侧，而图3是燃气涡轮叶片12的吸力侧。

特别地，燕尾槽14被限定为“轴向进气”槽，在该槽中叶片12的燕尾榫16在大致轴向方向插入燕尾槽14中，即，大致平行但歪斜于圆盘10的轴。

燃气涡轮圆盘应力集中特征的一个例子是冷却槽。叶片和圆盘10的上游或下游面可以提供具有周向整个360°延伸的环形冷却槽，通过每个燕尾榫16和燕尾槽14的径向内部分。当安装叶片在转子圆盘10上时，提供冷却空气(例如压缩机排放空气)到冷却槽，依次提供冷却空气进入燕尾槽14的径向内部分，通过开口的槽(未示出)传输通过叶片12的底部，以冷却叶片翼面部分18的内部。

燃气涡轮圆盘应力集中特征的另一个例子是叶片保持线槽。叶片12和圆盘10的上游或下游面可以提供具有周向整个360°延伸的环形保持槽，通过每个燕尾榫16和燕尾槽14的径向内部分。当安装叶片在转子圆盘10上时，将叶片保持线插入保持线槽中，依次提供叶片轴向保持力。

这里所描述的特征通常可以应用到任意的翼面和圆盘表面。图1-3描述的结构仅仅是不同类型涡轮机中许多不同圆盘和叶片设计的代表。例如，包括不同尺寸和结构的圆盘和叶片的至少三种燃气涡轮机类型是由纽约的斯卡奈塔第的通用电气公司(GE)生产。这包括：(1)第一涡轮类型，GE的6FA和6FA+e涡轮机；(2)第二涡轮类型，GE的7FA和7FA+e涡轮机；(3)第三涡轮类型，GE的9FA和9FA+e涡轮机。每个涡轮机另外还包括具有变化的叶片和圆盘几何结构的涡轮机多个级。

已经发现，叶片燕尾榫16和圆盘燕尾槽14之间的界面所遭受的应力集中，是涡轮圆盘10和/或涡轮叶片12的潜在的寿命极限位置。理想的做法是，减小应力集中，增加圆盘和/或叶片的寿命，而不消极地影响燃气轮机叶片的寿命或者空气动力学特性。

参看图4-7，燃气涡轮机叶片燕尾榫1 6包括在燕尾榫压力侧上的一些压力面或者柄脚20和在燕尾榫吸力侧上的一些压力面或者柄脚20。依赖于涡轮级以及叶片和圆盘级，顶槽22可以在叶片燕尾榫柄脚20或者圆盘燕尾榫柄脚21(参看图1)的吸力侧尾端和压力侧前端的任一个或者两者之上。特别参看图6和图7，通过从叶片燕尾榫16或者圆盘燕尾槽14的压力面20移走材料形成顶槽22。采用适当的过程移走材料，例如：磨削或者磨碎过程或者其他类似的过程，可以采用与相应过程相同或者类似的过程形成叶片燕尾榫16或者圆盘燕尾槽14。

首先通过确定相对应基准线的燕尾榫顶槽的起始点，确定移走的材料量和顶槽22的尺寸，起始点限定燕尾榫顶槽沿着燕尾榫轴方向的长度。也确定燕尾榫顶槽的切角，在图6和图7中示出例子中的角最大为3°。按照叶片和圆盘几何优化起始点和切角，使燃气轮机圆盘10上的应力较少、燃气轮机叶片12的应力减少、燃气轮机叶片12的使用寿命与维持或者提高燃气轮机叶片的空气动力学特性之间达到平衡。同样地，如果燕尾榫顶槽22太大，则顶槽将在涡轮机叶片12的寿命方面产生负面影响。如果燕尾榫顶槽太小，虽然增大涡轮机叶片的寿命，但是涡轮机叶片和圆盘之间的界面上的应力集中没有变小，圆盘也就不会达到最大寿命。

顶槽22可以是平坦的，或者如图6的虚线示出的，顶槽22’可以可替换的是非平坦的。在本文中，限定切角为起始切角。对于一些涡轮类型，切角与起始点有关，直到顶槽22、22’足够深以致于叶片燕尾榫16的叶片负载面不与圆盘燕尾槽12接触为止。一旦不与圆盘槽14接触，限定的包络线外的任何深度或者形状的切割都是允许的。

如上所述，叶片燕尾榫16和圆盘燕尾槽14包括大量柄脚20，可以通过柄脚的数量分别确定燕尾榫顶槽的起始点和/或切角。与上文描述相关的内容是，在涡轮机叶片和/或圆盘的压力侧和吸力侧中的一个或者两者中形成燕尾榫顶槽。

通过在叶片和圆盘几何上执行有限元分析，确定燕尾榫顶槽的起始点和切角的最优化。以发动机数据为基础的影象热应力和结构荷载被应用到叶片和圆盘的有限元网格来模拟发动机操作条件。使用有限元模型分析非顶槽几何和一系列变化的顶槽几何结构。从有限元分析中推断顶槽几何结构和叶片、圆盘的应力之间的转移函数。为了预测叶片和圆盘的寿命以及每个顶槽几何的叶片空气动力学特性，将预计的应力与使用专有材料数据的现场数据相关联。通过考虑叶片和圆盘寿命以及叶片空气动力学特性，确定优化顶槽几何结构和可接受的顶槽几何范围。

基准线W也随着叶片或者圆盘几何结构而变化。设定基准线W是从叶片或者圆盘燕尾榫的前面沿燕尾榫轴中心线的固定距离的位置。图21-30示出了上文提到的每个通用电气涡轮类型以及每个叶片和圆盘级的基准线W。例如，图21示出了第一型号(6FA涡轮机)的第一涡轮类型中的第一级叶片和圆盘的基准线W，设定基准线W是在从叶片和圆盘燕尾榫的前面沿着燕尾榫轴的中心线(基准S)的1.704英寸位置处。图22示出了第二型号(6FA+e涡轮机)的第一涡轮类型中的第一级叶片和圆盘的基准线W，设定基准线W是在从叶片和圆盘燕尾榫的前面沿着燕尾榫轴的中心线(基准S)的1.698英寸位置处。图23示出了第二型号(6FA+e涡轮机)的第一涡轮类型中的第二级叶片和圆盘的基准线W，设定基准线W是在从叶片和圆盘燕尾榫的前面沿着燕尾榫轴的中心线(基准S)的1.936英寸位置处。

图24示出的尺寸为第一类型(7FA+e涡轮机)的第二涡轮级中的第一级叶片和圆盘的2.470英寸。图25示出的尺寸为第二类型(7FA+e涡轮机)的第二涡轮级中的第二级叶片和圆盘的2.817英寸。

图26示出第一型号(9FA+e涡轮机)的第三涡轮类型中的第一级叶片和圆盘的尺寸为2.964英寸。图27示出第一型号(9FA+e涡轮机)的第三涡轮类型中的第二级叶片和圆盘的尺寸为3.379英寸。图28示出第二型号(9FA涡轮机)的第三涡轮类型中的第一级叶片的尺寸为2.964英寸。

图29示出第二型号(7FA涡轮机)的第二涡轮类型中的第一级叶片和圆盘的尺寸为2.470英寸。图30示出第二型号(7FA涡轮机)的第二涡轮类型中的第二级叶片和圆盘的尺寸为2.817英寸。基准线W为每个涡轮类型的每级叶片和圆盘提供可确认的参考点，设置最优燕尾榫顶槽起始点。

参考图8-20和31-36，对于每个涡轮类型各个叶片和圆盘级中的起始点和切角的优化将进行详细描述。注意，为了使燃气轮机圆盘上的应力减少、燃气轮机叶片上的应力减少、燃气轮机叶片的使用寿命与维持或者提高燃气轮机叶片的空气动力学特性之间的平衡达到最大化，使用有限元分析来确定每个燕尾榫顶槽被优化的起始点和切角。虽然这里描述了特定的尺寸，但是本发明并不意味着局限于这些特定的尺寸。通过从所示的基准线W到起始点的公称尺寸来测量最大燕尾榫顶槽。通过有限元分析，确定了较大的燕尾榫顶槽将导致燃气轮机叶片的可接受寿命的减少。在描述中，可以确定叶片燕尾榫16和/或圆盘燕尾槽14的柄脚20的最佳尺寸、个别值。

图8和9显示了第一型号(6FA涡轮机)的第一涡轮类型中的第一级叶片和圆盘的值，包括由柄脚之间的总宽度确定的三套燕尾榫柄脚，燕尾榫顶槽的起始点是：对于宽柄脚从基准线W起在向后方向至少1.619英寸，对于中柄脚从基准线W起在向后方向至少1.552英寸，对于窄柄脚从基准线起在向后方向至少1.419英寸。切角最大为3°。

图10和11显示了第二型号(6FA+e涡轮机)的第一涡轮类型中的第一级叶片和圆盘的值，包括由柄脚之间的总宽度确定的三套燕尾榫柄脚，燕尾榫顶槽的起始点是：对于宽柄脚和中柄脚从基准线W起在向后方向至少1.549英寸，对于窄柄脚从基准线起在向后方向至少1.466英寸。切角最大为3°。图12显示了第二类型(6FA+e涡轮机)的第一涡轮级中的第二级叶片和圆盘的值，包括由柄脚之间的总宽度确定的三套燕尾榫柄脚。图12显示了燕尾榫顶槽的起始点是：对于宽柄脚从基准线W起在向后方向至少0.923英寸，对于中柄脚从基准线W起在向后方向至少1.654英寸。切角最大为5°。

图13和14显示了第一型号(7FA+e涡轮机)的第二涡轮类型中的第一级叶片和圆盘的值，包括三套燕尾榫柄脚。燕尾榫顶槽的起始点是从基准线起在向后方向至少1.945英寸，切角最大为3°。第一型号(7FA+e涡轮机)的第二涡轮类型中的第二级叶片和圆盘的压力侧，包括由柄脚之间的总宽度确定的三套燕尾榫柄脚，图15显示了燕尾榫顶槽的起始点是：对于宽柄脚从基准线W起在向前方向至少1.574英寸，对于中柄脚从基准线W起在向前方向至少1.400英寸，对于窄柄脚从基准线W起在向前方向至少1.226英寸。切角最大为5°。如图16所示，第一型型(7FA+e涡轮机)的第二涡轮类型中的第二级叶片和圆盘的吸力侧，包括三套燕尾榫柄脚，燕尾榫顶槽的起始点是从基准线起在向后方向至少1.725英寸。切角最大为5°。图17和18示出了第一型号(9FA+e涡轮机)的第三涡轮类型中的第一级叶片和圆盘，包括三套燕尾榫柄脚，燕尾榫顶槽的起始点是从基准线W起在向后方向至少1.839英寸。切角最大为3°。图19示出了第一型号(9FA+e涡轮机)的第三涡轮类型中的第二级叶片的压力侧，包括三套燕尾榫柄脚。燕尾榫顶槽的起始点是从基准线W起在向前方向至少1.848英寸。切角最大为5°。图20示出了第一型号(9FA+e涡轮机)的第三涡轮类型中的第二级叶片和圆盘的吸力侧，包括三套燕尾榫柄脚。燕尾榫顶槽的起始点是从基准线W起在向后方向至少2.153英寸，切角最大为5°。

按照本发明的实施例，图31和32示出了第三涡轮类型(9FA)的第二型号的第一级叶片和圆盘。图31示出了顶槽的移除区域设置在燕尾榫的吸力侧后端。顶槽可以为从三个燕尾榫压力面(即柄脚)的基准线W起在向后方向至少大约1.539英寸。切角可以在0°和3°之间变化。在其它实施例中，如图32所示，切角可以大约0.7°。那么，在某些实施例中，例如，顶槽可以进入每个压力面如所述的0.7°角，然后以0.7°角通过燕尾榫的其它部位。

按照本发明的实施例，图33和34示出了第二涡轮类型(7FA)的第二型号的第一级叶片和圆盘。图33示出了顶槽的移除区域设置在燕尾榫的吸力侧后端。顶槽可以为从三个燕尾榫压力面(即柄脚)的基准线W起在向后方向至少大约1.645英寸。切角可以在0°和3°之间变化。在其它实施例中，如图34所示，切角可以大约0.7°。那么，在某些实施例中，例如，顶槽可以进入每个压力面如所述的0.7°角，然后以0.7°角通过燕尾榫的其它部位。

按照本发明的实施例，图35和36示出了第二涡轮类型(7FA)的第二型号的第二级叶片和圆盘。图35示出了顶槽的移除区域设置在燕尾榫的吸力侧后端。顶槽可以从三个燕尾榫压力面(即柄脚)的基准线W起在向后方向至少大约1.215英寸处开始。切角可以在0°和3°之间变化。在其它实施例中，如图36所示，切角可以为大约2.0°。那么，在某些实施例中，例如，顶槽可以进入每个压力面如所述的2.0°角，然后以2.0°角通过燕尾榫的其它部位。

在标准热气路检验过程中，希望燕尾榫顶槽能够形成一个单元。通过这样布置，叶片负载迹线可以在环绕圆盘和/或叶片应力集中特征的高压范围周围转移。包括优化相对应基准线的起始点和优化切角的减轻切口参数限定了燕尾榫顶槽，这使燃气轮机圆盘的应力减少、燃气轮机叶片的应力减少、燃气轮机叶片的使用寿命与维持或者提高燃气轮机叶片的空气动力学特性之间的平衡达到最大。减少的应力集中足以减少燃气轮机圆盘的事故，因此，提高了全部圆盘的疲劳寿命。

虽然就目前认为是最实际和优先的实施例说明了本发明，但是应当理解本发明不局限于公开的实施例，相反，要涵盖在所附权利要求的精神和范围之内的各种修改和等价结构。