用于涡轮机的气冷式叶片.pdf

用于涡轮机的气冷式叶片(20，22，24)，包括设置成将叶片连接至涡轮机叶轮(16)的燕尾榫部分(46)，所述燕尾榫部分具有下表面(78)。所述叶片还包括从燕尾榫部分伸出的接头部分(44)和翼面(40)，翼面具有底部(120)和顶部(122)，翼面形状，和基本根据表I中列出的X，Y和Z的直角坐标值(54)的标称轮廓。所述叶片还包括多条冷却通道(100)。所述多条冷却通道包括不超过五条在所述翼面的底部和顶部之间延伸的冷却通道(102，104，106，108，110)。每条冷却通道都在所述顶部引出所述翼面，所述多条冷却通道被设置为弧线模式(140)。

1、  一种用于涡轮机(10)的叶片(20，22，24)，所述叶片包括：
设置成将所述叶片连接至涡轮机叶轮(16)的燕尾榫部分(46)，所述燕尾榫部分包括下表面(78)；
从所述燕尾榫部分伸出的接头部分(44)；
翼面(40)，翼面包括底部(120)，顶部(122)，翼面形状，和基本根据表I中列出的X，Y和Z直角坐标值(54)的标称轮廓，其中Z是从所述燕尾榫部分的所述下表面算起的距离，而X和Y是在从所述下表面算起的各距离Z处限定所述轮廓的坐标；和
多条冷却通道(100)，所述多条冷却通道包括不超过五条在所述翼面的所述底部和所述顶部之间延伸的冷却通道(102，104，106，108，110)，所述冷却通道中的每一条的出口都在所述顶部，所述多条冷却通道被设置为弧线模式(140)。

2、  如权利要求1所述的叶片(20，22，24)，其中所述多条冷却通道(100)基本上根据表II中列出的X和Y直角坐标值(54)被设置在所述翼面(40)的所述顶部和底部(120，122)。

3、  如权利要求1所述的叶片(20，22，24)，其中所述多条冷却通道(100)被排列成彼此基本平行。

4、  如权利要求1所述的叶片(20，22，24)，其中所述多条冷却通道(100)中的第一，第二，第三和第四冷却通道(102，104，106，108)均具有从所述翼面的所述底部(120)到所述顶部(122)的大约为0.070英寸±0.005英寸的直径(160，162，164，166)，而所述多条冷却通道中的第五冷却通道(110)具有从所述翼面的所述底部到所述顶部的大约为0.050英寸±0.005英寸的直径(168)。

5、  如权利要求4所述的叶片(20，22，24)，其中所述第一，第二，第三，第四和第五冷却通道(102，104，106，108，110)中的至少一条具有的在所述燕尾榫(46)和所述接头部分(44)内限定的直径(160，162，164，166，168)比在所述翼面(40)内限定的直径大。

6、  如权利要求1所述的叶片(20，22，24)，其中所述多条冷却通道(100)有助于延长所述翼面(40)的可用寿命。

7、  如权利要求1所述的叶片(20，22，24)，其中通过使预定气流穿过所述多条冷却通道，所述多条冷却通道(100)有助于在所述翼面(40)内保持所需的翼面温度。

8、  如权利要求1所述的叶片(20，22，24)，其中所述多条冷却通道(100)有助于增加整个所述翼面(40)的蠕变余量。

9、  如权利要求1所述的叶片(20，22，24)，其中所述翼面(40)进一步包括在所述翼面的每个侧面上至少部分延伸的涂层。

10、  一种燃气涡轮发动机，包括：
包括至少一个转子叶轮(14)的转子(12)；和
自所述至少一个转子叶轮径向延伸的多个叶片(20，22，24)，所述多个叶片中的每一个都包括燕尾榫部分(46)，接头部分(44)，翼面(40)，和多条延伸穿过叶片的冷却通道(100)，所述翼面具有基本根据表I中列出的X，Y，Z直角坐标值(54)形成的标称轮廓，其中Z是从所述燕尾榫部分的下表面算起的距离，而X和Y是在从所述燕尾榫部分的下表面(78)算起的各距离Z处限定所述轮廓的坐标，所述多条冷却通道中的每一条都在所述燕尾榫部分的所述下表面和每个翼面的顶部(122)之间延伸，所述多条冷却通道包括不超过五条以弧线模式(140)设置的冷却通道(102，104，106，108，110)。

用于涡轮机的气冷式叶片
相关申请的参见
本申请要求2007年9月28日提交的，申请号为60/976,238，发明名称为“涡轮机叶片翼面冷却孔的位置、形式与结构”的美国临时专利申请的受益权。
技术领域
本发明整体上涉及涡轮机叶片领域，更特别地，涉及一种包括具有冷却孔的冷却回路的涡轮机叶片，冷却孔的尺寸和位置被设置为有助于优化冷却能力和涡轮机的效率。
背景技术
在公知的燃气涡轮发动机中，燃烧气体使得驱动压缩机的涡轮机旋转。压缩机将加压空气送至燃烧室以生成燃烧气体。因为这种发动机在相对较高的温度下运行，所以这种发动机的容量可能会被用于制造涡轮机叶片(blades)，本文中有时称作“叶片(buckets)”的材料所限制。更具体地，较高的温度可能导致在叶片中产生可以限制其运转的热应力。这种应力在工业燃气涡轮发动机中可能会因为涡轮机叶片相对较大的尺寸而更加严重。
涡轮机被设计成在有助于实现所需性能和效率的预定温度下运行。通常，较新的涡轮机被设计成在较高的温度下运行，与在较低温度下运行的涡轮机中使用的叶片相比这需要更好地冷却叶片。在连续暴露在高温中以后，涡轮机叶片可能就需要更换。
为了使涡轮机能够在较高的工作温度和增大的发动机效率下运行而不用冒叶片故障的风险，至少某些涡轮机使用的是中空的对流冷却式涡轮机叶片。至少部分这种叶片包括给叶片内部提供冷却气流的内部冷却通道以便于将叶片保持在相对稳定的温度下。涡轮机气流被从压缩机转入叶片内的内部通道。在替换涡轮机叶片时，可能希望保持与先前使用的叶片基本类似的冷却气流水平。
发明内容
在一种应用中，提供了一种用于涡轮机的叶片。该叶片包括设置成将叶片连接至涡轮机叶轮的燕尾榫部分。燕尾榫部分包括下表面。该叶片还包括从燕尾榫部分伸出的接头部分和翼面，翼面包括底部，顶部，翼面形状，和基本根据表I中列出的X，Y，Z直角坐标值的标称轮廓(nomianl profile)。Z是从燕尾榫部分的下表面算起的距离，而X和Y是在从下表面算起的各距离Z处限定所述轮廓的坐标。该叶片还包括多条冷却通道。多条冷却通道包括不超过五条在翼面的底部和顶部之间延伸的冷却通道。每条冷却通道的出口都在所述顶部，且多条冷却通道被以弧线模式设置。
在另一种应用中，提供了一种燃气涡轮发动机。该燃气涡轮发动机包括转子和多个叶片，其中转子包括至少一个转子叶轮，多个叶片从至少一个转子叶轮径向延伸。多个叶片中的每一个都包括燕尾榫部分，接头部分，翼面，和多条延伸穿过其中的冷却通道。翼面具有基本根据表I中列出的X，Y，Z直角坐标值形成的标称轮廓，其中Z是从燕尾榫部分的下表面算起的距离，而X和Y是在从下表面算起的各距离Z处限定轮廓的坐标。多条冷却通道中的每一条都在燕尾榫部分的下表面和每个翼面的顶部之间延伸。多条冷却通道包括不超过五条以弧线模式设置的冷却通道。
附图说明
图1是包括第二级涡轮机叶轮的示范性涡轮机的截面示意图；
图2是可以被用于图1所示的涡轮机中的示范性涡轮机叶片的正视图；
图3是图2中所示涡轮机叶片的侧视图；
图4示出了图2中所示涡轮机叶片的透视图并示出了针对表I中所列的X，Y和Z值的直角坐标系；
图5是沿图4中所示各线截取的涡轮机叶片的截面图；
图6是图2中所示涡轮机叶片沿1-1线截取的截面图；
图7是图2中所示涡轮机叶片沿2-2线截取的截面图；
图8是图2中所示涡轮机叶片沿3-3线截取的截面图。
具体实施方式
图1示出了示范性涡轮机10的截面图。在示范性实施例中，涡轮机10包括转子12，转子12具有各自的第一，第二和第三级转子叶轮14，16和18，其包括各自的叶片(buckets)20，22和24以及各自的定子叶片(stator vanes)26，28和30。每排叶片20，22和24以及定子叶片26，28和30限定出涡轮机10的后续级。在示范性实施例中，涡轮机10是三级涡轮机。可选地，涡轮机10可以包括多于或少于三级。在一个实施例中，涡轮机10是由纽约州斯克内克塔迪市的通用电气公司生产的通用电气6B型燃气涡轮机。
在第二涡轮级中，转子叶轮16包括与上游的定子叶片30轴向相对安装的叶片22。叶片22被环绕第二级叶轮16设置。在示范性实施例中，第二级叶轮16包括92个叶片22。
图2和图3示出了示范性涡轮机叶片22的正面透视图和侧面透视图。在示范性实施例中，叶片22包括从平台42向外延伸的翼面40，和从平台42的相对侧向外延伸的接头44。接头44的径向内端从燕尾榫46伸出，用于将叶片22连接至涡轮机叶轮16(如图1所示)。如图所示，燕尾榫46与在涡轮机叶轮16内形成的对应燕尾榫开口(未示出)配合。叶片22还包括从接头44轴向向外延伸的叶轮空间密封部件也就是角翼(angel wing)52。在示范性实施例中，翼面40由公知的镍基高温合金例如738号合金制成。
图4示出了图2中所示涡轮机叶片22的透视图并示出了针对随后的表I中所列的X，Y和Z值的直角坐标系54。直角坐标系54具有垂直关系的X轴，Y轴和Z轴，其中Z轴或基准轴基本垂直于平台42并大体上沿穿过翼面40的径向方向延伸。图中示出了翼面40的第一部分58，第二部分60，第三部分62，第四部分64，第五部分66，第六部分68，第七部分70，第八部分72，第九部分74，和第十部分76。
图5是从翼面40的第一部分58，第二部分60，第三部分62，第四部分64，第五部分66，第六部分68，第七部分70，第八部分72，第九部分74，和第十部分76截取的截面图。Y轴基本平行于涡轮机的中心线也就是旋转轴延伸。通过确定径向方向也就是Z方向上选定位置的X和Y坐标值，即可确定翼面40的轮廓。通过用平滑的连续弧线连接X和Y坐标值，在各径向距离Z处的各个轮廓部分就都被确定。在径向距离Z之间的不同表面位置处的表面轮廓可以通过连接相邻的轮廓而确定。用于在每一个径向位置或翼面高度Z处确定翼面部分轮廓的X和Y坐标被制成下述的表格I，其中叶片22的下表面78处的Z坐标等于零。这些表格中的数据以英寸的形式给出并表示在大气环境，非运行或不热的条件下并且是未涂层翼面的实际翼面轮廓。翼面40可以被至少部分地用涂层覆盖(图4中未示出)，这可能会增加翼面40的尺寸。在一个示范性实施例中，涂层保护翼面40免受腐蚀和/或氧化。另外，表I中使用的符号规定指定Z值为正值而X和Y坐标为直角坐标系中通常使用的正值和负值。
表I中的数值是计算机生成的并显示四位小数。但是，从制造的约束条件的角度来看，用于成型翼面40的实际数值仅被认定三位小数有效以确定翼面40的轮廓。而且，在翼面40的轮廓中还存在有标准制造公差。因此，表I中给出的轮廓数值是针对标称翼面而给出的。因此应该理解对于X，Y和Z值允许有正或负的标准制造公差并且具有基本根据这些数值的轮廓的翼面也包括这样的公差。例如，大约±0.010英寸的制造公差是处于翼面设计限制范围内的但优选地保持大约±0.008英寸的制造公差。因此，可接受带有三位小数并具有大约±0.010英寸但优选为大约±0.008英寸的制造公差的X和Y值，以在遍及翼面整个长度方向上的每个径向位置限定翼面40的轮廓。
翼面40将动能给予气流并因此提供所需的通过压缩机(未示出)的流量。翼面40在各自的参照翼面框架内改变流体流动的方向，降低流体流动的相对速度，并形成流体流动的静态压力的增加。翼面40，以及周围与其互相作用的翼面以及外围表面，在某些示范性实施例中有助于：分级气流效率，提高空气动力性能，平滑级间层流，降低热应力，增强级间互动以有效地在级间通过气流，并降低机械应力。通常，多排翼面级例如但不限定于转子/定子叶片被定向为实现所需的排气进气压力比。翼面40可以利用燕尾榫46被连接至叶轮(如图2和图3所示)。
翼面40的朝向，以及与周围翼面的相互作用，有助于提供所需的流体流动的动力性能和层流。流体流动与翼面相交并被增强，更具体地，流体动力性能和来自翼面40的层流被增强。这样，有助于向附近/下游的翼面流体流动的平滑过渡。而且，来自每个翼面40的流体继续向着下游的附近/下游翼面流动并因来自翼面40的增强的层流流体而被增强。因此，翼面40的朝向有助于防止包括翼面40的单元内的流体湍流。
在示范性实施例中，翼面40的结构(与或者不与流体流动互相作用)可以利用各种设计方法和实践决定。这些设计方法和实践可以包括但不仅限于包括：计算流体动力学(CFD)，常规流体动力学分析，欧拉方程和纳维叶-斯托克斯方程，手动定位，流动测试(例如在风洞中)，和翼面修正，原地测试，建模，应用科学原理设计并研发翼面，机器，装置，或加工过程，以及翼面流动测试与修正等。
如上所述，翼面40的结构，以及翼面40与周围翼面和外围表面的相互作用，与其他具有相似应用的类似翼面相比，除了其他需要的效果之外，还有助于分级气流效率，提高空气动力性能，平滑级间层流，降低热应力，增强级间互动以有效地在级间通过气流，并降低机械应力。在示范性实施例中，翼面40与使用公知翼面的涡轮机相比有助于提高涡轮机运行效率。效率的提高除了上述优点之外还提供了增大的动力输出以及所需燃料量的降低。同样，还降低了发动机生成的排放物。
如上所述，翼面40还可以被涂敷以保护翼面40在根据表I中的数值和在上述介绍的公差范围内被加工完成后免受腐蚀和氧化。因此，除了针对表I中列出的X值和Y值的公差以外，还可以另外有对应于涂层厚度的数值。
表I