專利名稱：渦輪翼型件-側壁的一體化的制作方法
技術領域：
本發明大體上涉及渦輪葉片和結合有葉片的渦輪。盡管本發明主要涉及蒸汽渦輪 機和燃氣渦輪機，但其也可適用于其它渦輪和壓縮機。用語"渦輪"用于包括具有翼型葉 片的此類機器。本發明更具體地涉及用于改善葉片空氣動力性能的渦輪翼型件與側壁的界 面(interface)。
背景技術：
渦輪效率很重要，尤其是在少量的效率提高就可產生很大成本節省的大型設備 中。在對葉片設計的研究中，不斷地耗費相當多的資源，這是因為其相對于渦輪的總體性能 而言為關鍵構件。在燃氣渦輪發動機中，空氣在壓縮機中加壓，且在燃燒器中與燃料相混合以便產 生熱燃燒氣體。渦輪級從燃燒氣體獲取能量以向壓縮機供能，而在渦輪風扇式航空發動機 應用中還向上游風扇供能，或對于海洋和工業應用而言向外部驅動軸供能。在蒸汽渦輪機 中，利用蒸汽向渦輪級供能。渦輪可包括轉子葉片和對應渦輪噴嘴的一個或多個級。各渦輪噴嘴均包括一列定 子導葉，這些定子導葉具有呈支承導葉的弓形帶段形式的徑向外側壁和徑向內側壁。對應 的是，渦輪轉子葉片包括一體地連結到徑向內側壁或依次由對應的燕尾部所支承的平臺上 的翼型件，該燕尾部將單獨的葉片安裝到形成在支承性轉子盤的周邊中的燕尾槽內。環形 護罩包繞各渦輪級中的轉子翼型件的徑向外末梢。定子導葉和轉子葉片均具有對應的翼型 件，這些翼型件包括在相對的前緣與后緣之間的弦線上沿軸向延伸的大致凹入的壓力側和 大致凸出的吸入側。相鄰的導葉和相鄰的葉片在其間形成由徑向內側壁和徑向外側壁所界 定的對應的流動通路。在運行期間，工作流體經由限定在定子導葉與轉子葉片之間的相應的流動通路沿 軸向向下游流動。導葉和葉片的空氣動力輪廓(contour)，以及其間對應的流動通路都精確 地構造成用于從燃燒氣體中最大限度地獲取能量，該燃燒氣體繼而又使葉片自其延伸出的 轉子旋轉。為了最大限度地提高運行效率，將修整導葉和葉片的翼型件的復雜三維(3D)構 造，且改變在徑向上沿翼型件和在軸向上沿前緣與后緣之間的翼型件弦線的跨距。因此，還 改變了翼型件表面上和對應的流動通路內的工作流體的速度和壓力分布。工作流體流動通道中的不希望的壓力損失因而對應于總體渦輪機效率的不希望 的降低。例如，工作流體進入對應的多列導葉和葉片內，位于其間的流動通路中，且必然地 在翼型件各自的前緣處分流。進入的工作流體的駐點軌跡沿各翼型件的前緣延伸，且對應的邊界層沿共同界定 各流動通路的四側的各翼型件的壓力側和吸入側以及各徑向外側壁和徑向內側壁形成。在 邊界層中，工作流體的局部速度沿側壁和翼型件表面從零變至工作流體在邊界層終止處的 未受約束的速度。
盡管用于噴嘴和旋轉葉片的翼型件的主跨距利用了上述的復雜3D構造，且因此 促進了效率，但鄰近側壁的翼型件區域不太適應局部空氣動力狀態，且引起比主跨距明顯 更大的損失。因此，需要構造鄰近側壁的翼型件區域，以便更好地促進翼型件性能
發明內容

本發明涉及用于渦輪輪葉或噴嘴翼型件的設計，其解決了對于鄰近內側壁和外側 壁的流動邊界層而言入口流動角的徑向變化。根據本發明的第一方面，提供了一種渦輪級。該渦輪級包括翼型件列，這些翼型件 一體地連結到對應的側壁上，且沿橫向間隔開以在其間限定用于引導工作流體的相應流動 通路。各翼型件均包括凹入的壓力側和在橫向上相對的凸出的吸入側。翼型件沿相對的前 緣與后緣之間的弦線延伸。各翼型件均以弓形圓角(fillet)形式與側壁結合。靠近對應 側壁和相關聯的弓形圓角的翼型件區域形成了根據靠近該區域的工作流體的入口流動角 的徑向變化而優化的表面。根據本發明的第二方面，提供了一種渦輪，其包括渦輪殼體；轉子；定子；以及翼 型件列。各翼型件均一體地連結到對應的側壁上且沿橫向間隔開，以便在其間限定用于引 導工作流體的相應流動通路。各翼型件均可包括沿相對的前緣與后緣之間的弦線延伸的凹 入的壓力側和在橫向上相對的凸出的吸入側。各翼型件均以弓形圓角形式與側壁結合。靠 近對應的側壁和相關聯的弓形圓角的翼型件區域形成了適于根據靠近該區域的工作流體 的入口流動角的徑向變化來優化翼型件性能的表面。


當參照附圖研讀以下詳細描述時，本發明的這些及其它特征、方面和優點將變得 更容易理解，所有附圖中的相似標號表示相似的零件，在附圖中圖1示出了由噴嘴和輪葉形成的簡化的系列渦輪級的側視圖；圖2示出了渦輪級的噴嘴與輪葉之間的工作流體流的頂視圖，包括相關聯的速度 三角形；圖3示出了渦輪級所采用的級角出口流動角分布的測試數據；圖4示出了沒有圓角的現有技術的翼型件；圖5示出了如在現有技術中所使用的噴嘴上的半徑固定的同心圓角；圖6示出了用于渦輪葉片的針對壁附近的流動排列的發明性圓角的實施例；以及圖7示出了包括從翼型件到側壁的連續形狀變化的發明性翼型件的實施例。零件清單5渦輪級6工作流體10 第一級41第一級噴嘴42第一級輪葉51第二級噴嘴52第二級輪葉
61第三級噴嘴62第三級輪葉101工作流體102靜止噴嘴105 速度 vl110旋轉葉片111絕對速度 Wl 11120速度三角形125 矢量 v2310上側壁處的流動角320下側壁處的流動角400現有技術的翼型件510入口工作流體600渦輪葉片610-640軸向切線輪廓625第一徑向高度處的壁附近的入口流動635第一徑向高度處的壁附近的入口流動645第一徑向高度處的壁附近的入口流動650 前緣655單一半徑的圓角656單一半徑的圓角660吸入側670壓力側700 葉片701內側壁702 平臺703外側壁704 護罩705 圓角706 圓角710徑向區域715 末梢720下部徑向區域740 前緣745 后緣750上部區域的入口流動角755下部區域的入口流動角760弦線長度770翼型件
具體實施例方式本發明的以下實施例具有許多優點，包括改善靠近側壁的渦輪噴嘴和葉片的翼型 件區域的空氣動力性能，從而導致改善渦輪的性能。側壁的粘性流動效果導致葉片列的入口流動角顯著不同于工作流體通道內徑的 徑向外側或外徑的徑向內側所存在的那些。這導致流動同樣地偏離設計的流動角，設計流 動角的選擇通常與壁邊界層狀態(behavior)無關。流動角的偏差與能量損失和渦輪性能 下降相關聯。本發明改進了氣體通道或蒸汽通道的側壁附近的渦輪靜止或運動翼型件的設 計，以便相對于緊鄰壁的入口流動角的變化來優化翼型件的幾何形狀。此改進導致壁附近 的翼型件區段提供變化的最佳進入角來匹配預計的流動角。該翼型件區段在壁-翼型件的 相交處與圓角半徑合為一體，但可沿徑向延伸超過圓角。所產生的翼型件的一體的側壁構 件將具有特殊的外形。圖1示出了由噴嘴和輪葉所形成的系列渦輪級5的簡化側視圖。工作流體6沿軸 向流動穿過第一級10的噴嘴41和輪葉42，穿過第二級20的噴嘴51和輪葉52，以及穿過 第三級30的噴嘴61和輪葉62。應當認識到的是，對于給定的渦輪或壓縮機而言級的數目 將隨尺寸和應用而變化。圖2示出了所選徑向位置處的一個渦輪級的噴嘴與輪葉之間的工作流體流的頂 視圖，包括相關聯的速度三角形。工作流體101經過靜止噴嘴102，且以速度力105沿旋轉 葉片110的方向受到引導。葉片110以絕對速度Will旋轉。速度三角形120示出了矢量 值％125，也即作SViIOS-WIII的入口蒸汽相對于旋轉葉片110的速度。V2125也關于葉片 110示出。在翼型件的設計中，至少部分地基于工作流體相對于葉片的入口角來實施渦輪葉 片的輪廓以優化級性能。盡管工作流體相對于葉片的入口角是相對恒定的，但已經確定的 是，在靠近側壁的葉片區域中會遇到工作流體入口角的顯著變化。圖3示出了渦輪級所采用的級角出口流動角分布300的測試數據。縱坐標以百分 比的形式提供了沿該級噴嘴出口的測量結果的徑向位置。橫坐標以度數形式提供了測得的 相對于軸向的流動角。噴嘴下游的下一渦輪級的旋轉葉片假定了相對于軸向為大約20度 的級進入角。然而，上側壁處的流動角310和下側壁處的流動角320相對于軸向為大約50 度。此外，在槳轂附近的徑向位置的底部5%內，流動角變化大約35度，以及在末梢附近的 徑向位置的頂部5%內，流動角變化大約30度。而在大約5%至大約95%的徑向位置之間， 流動角僅在大約10度至大約20度之間變化。因此，與后續噴嘴的非優化入口流動角相關聯 的流動損失集中在圓角和壁附近的區域，除非改進靠近側壁的區域以校正入口流動偏差。圖4示出了現有技術的翼型件400，其接收入口工作流體流510，但不包括用以解 決工作流體的入口角偏差的上側壁和下側壁(未示出)區域內的圓角或特殊定形。圖5示出了包括同心圓角的現有技術的翼型件110。對于圖2中的元件編號保留 為圖5中的編號。如Haller等人(US 5，906，474)的現有技術試圖通過提供半徑優化的圓 角來改善端壁區域中的翼型件性能。在Haller的專利中，翼型件及其端壁一體地形成，且 加工成在葉片表面與端壁之間提供優化的圓角150，其中半徑固定為與相鄰葉片之間的喉 部尺寸成比例。然而，盡管Haller的圓角在沒有圓角的端壁區域上進行了改進，但它們并未解決用以減少上文所述的壁附近的入口流動方向損失的圓角形狀優化。圖6示出了用于渦輪葉片的針對壁附近的流動排列的發明性圓角的實施例。渦輪 葉片600包括從翼型件本身(proper) 610降至側壁640水平的壁附近高度處的葉片翼型件 和圓角的示范性軸向 切線輪廓610，620，630和640。范圍從翼型件至側壁的高度上的圓角 輪廓針對壁附近的流動而優化。輪廓620針對第一徑向高度處的壁附近的流動入口 625而 優化。輪廓630針對在第二徑向高度處的壁附近的流動635而優化。輪廓640針對在側壁 處的壁附近的流動645而優化。然而，計算機化的數字加工容許連續定形翼型件和圓角與 側壁的壁附近的界面來確認隨徑向高度變化的入口流動角。盡管相交的翼型件和圓角圍繞 前緣650最佳地定形，但可以看到的是，相交的輪廓可沿翼型件的吸入側和壓力側中的一 個或兩個延續。端部區域中最佳定形的翼型件和圓角可沿吸入側660和壓力側670漸縮成 單一半徑的圓角。在不同的壁附近徑向距離處的輪廓定形對于前緣650區域中的翼型件效率而言 通常是最關鍵的。因此，出于加工時間和成本的目的，可能期望的是將隨徑向距離而定的輪 廓合并到對于翼型件下游區段660，670的優化的單一半徑的圓角655，656中。圖7示出了本發明的葉片700的實施例，其包括從翼型件到平臺702的側壁701 和護罩704的側壁703的連續形狀變化，其中，形狀變化得到優化以便相對于工作流體的入 口流動角來提高翼型件的性能。這里，翼型件端部區域707，708的形狀與將翼型件700連 結到側壁上的圓角705，706的形狀合為一體。本發明的定形優選為在靠近末梢715的大約 10%的翼型件徑向區域710和靠近槳轂平臺702處的側壁701的徑向區域720上執行，但 更小的徑向區域或更大的徑向區域也可如此定形。翼型件700的上部徑向區域710可選地 針對該上部區域中的入口流動角750的徑向分布予以定形。下部徑向區域720可選地針對 下部區域處的入口流動角755的徑向分布予以定形。此外，示出的是，該定形可優選為應用 于前緣740直至沿翼型件的前緣和后緣745上的弦線長度760的大約一半的區域中。如上文所述的本發明包括用于渦輪輪葉或噴嘴翼型件的設計，其解決了入口流動 角隨鄰近內側壁和外側壁的流動邊界層的徑向變化。這需要以提供連續翼型件最佳進入角 徑向分布為主要目的的在上述區域中對翼型件區段進行局部切角(chamfering)。用于實現 此目的的現有技術的工藝忽視了鄰近側壁的入口流動角的較大偏差，從而導致在損失已經 很高的該區域中有更高能量損失的潛在可能。本發明已相對于用于渦輪級的工作流體進行了描述，但應當理解的是，其同樣可 應用于蒸汽渦輪機和燃氣渦輪機的翼型件上，且包括壓縮機翼型件和渦輪翼型件，以及噴 嘴翼型件和旋轉葉片翼型件兩者。盡管本文描述了各種實施例，但根據說明書將認識到的 是，本文中可以進行各種元件的組合、變型或改進，并且處在本發明的范圍內。
權利要求
1.一種葉片(700)，包括翼型件(770)，其一體地連結到側壁(701，703)上并包括凹入的壓力側(670)和在橫 向上相對的凸出的吸入側(660)，且沿相對的前緣(740)與后緣(745)之間的弦線延伸，從 而接收工作流體(750，755)的入口流動角；其中，所述翼型件(770)在靠近對應側壁(701， 703)的弓形圓角(705，706)的區域(710，720)中圍繞所述前緣(740)與所述側壁(701， 703)結合，從而形成有利于靠近所述區域(710，720)的所述工作流體(750，755)的入口流 動角的徑向變化的表面。
2.根據權利要求1所述的葉片(700)，其特征在于，靠近對應側壁(703，701)的所述翼 型件的所述區域(710，720)包括距離對應側壁有大約5%的翼型件長度的徑向位置。
3.根據權利要求1所述的葉片(700)，其特征在于，靠近對應側壁的所述翼型件的所述 區域(710，720)包括距離對應側壁有大約10%的翼型件長度。
4.根據權利要求1所述的葉片(700)，其特征在于，所述結合包括所述吸入側(660)和 所述壓力側(670)中的至少一個上的所述翼型件的前緣(740)。
5.根據權利要求4所述的葉片(700)，其特征在于，所述結合提供為從所述翼型件 (770)的前緣(740)至所述翼型件(770)的吸入側(660)和壓力側(670)中的至少一個上 的大約50%的弦線長度(760)。
6.根據權利要求1所述的葉片(700)，其特征在于，所述翼型件(770)包括固定的定子 噴嘴。
7.根據權利要求1所述的葉片(700)，其特征在于，所述翼型件(770)包括旋轉葉片。
8.根據權利要求1所述的葉片(700)，其特征在于，所述葉片(700)包括用于燃氣渦輪 機的葉片。
9.根據權利要求1所述的葉片(700)，其特征在于，所述葉片(700)包括用于蒸汽渦輪 機的葉片。
10.根據權利要求1所述的葉片(700)，其特征在于，所述葉片(700)包括用于壓縮機 的葉片。
全文摘要
本發明涉及渦輪翼型件-側壁的一體化。具體而言，包括翼型件(770)的輪葉(700)解決了對于工作流體(750，755)的入口流動角隨鄰近內側壁(701)和外側壁(703)的流動邊界層的徑向變化。側壁(701，703)區域(707，708)中的翼型件(770)的局部切角提供了具有高效地適應對于側壁區域中的工作流體的入口流動角徑向分布的形狀的翼型件和圓角(705，706)。
文檔編號F01D5/14GK102052091SQ201010539520
公開日2011年5月11日 申請日期2010年10月28日 優先權日2009年10月28日
發明者A·D·馬道斯 申請人:通用電氣公司