專利名稱：具有月牙形斜坡的渦輪級的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及一種燃氣輪機，更具體地說，本發(fā)明涉及一種該燃氣輪機中的渦輪。
背景技術(shù)：
在燃氣輪機中，在壓縮機中將空氣壓縮，在燃燒器中將空氣與燃料混合，從而產(chǎn)生熱的燃燒氣體。渦輪級利用燃燒氣體的能量驅(qū)動壓縮機，渦輪級同時還驅(qū)動渦扇型航空發(fā)動機裝置中的上游風(fēng)扇，或者驅(qū)動船舶和工業(yè)裝置的外部傳動軸。
高壓渦輪(HPT)直接設(shè)置在燃燒器之后，該高壓渦輪包括固定的渦輪噴嘴，該噴嘴把燃燒氣體噴入一組旋轉(zhuǎn)的第一級渦輪轉(zhuǎn)子葉片，該轉(zhuǎn)子葉片從支承用轉(zhuǎn)子葉輪向外徑向延伸。HPT可以包括一個或多個轉(zhuǎn)子葉片級和相應(yīng)的渦輪噴嘴。
緊接在HPT之后的是低壓渦輪(LPT)，該低壓渦輪通常包括多個轉(zhuǎn)子葉片級和相應(yīng)的渦輪噴嘴。
每個渦輪噴嘴包括一組定子輪葉，該定子輪葉具有支承著定子輪葉的弓形帶形式的徑向外端壁和內(nèi)端壁。相應(yīng)地，渦輪轉(zhuǎn)子葉片包括翼片，該翼片與徑向的端壁或平臺成一整體，所述徑向的端壁或平臺被相應(yīng)的楔形榫依次支承，所述楔形榫把各個葉片安裝在成于支承轉(zhuǎn)子葉輪的周邊的楔形槽內(nèi)。特別地，在HPT的每個渦輪級中，環(huán)形覆環(huán)圍繞著轉(zhuǎn)子翼片的徑向外端部。在LPT中，端部覆環(huán)通常與翼片端部整體形成。
定子輪葉和轉(zhuǎn)子葉片具有相應(yīng)的翼片，所述翼片包括在相反的前緣和后緣之間的弦上軸向延伸的大體凹形的壓力側(cè)和大體凸形的負壓側(cè)。相鄰的輪葉和相鄰的葉片形成位于它們之間由徑向內(nèi)、外端壁限定的相應(yīng)流道。
在運行期間，燃燒氣體從燃燒器中排出，并沿著軸向下游方向流過定子輪葉和轉(zhuǎn)子葉片所限定的各個流道。輪葉和葉片以及它們之間相應(yīng)的流道的空氣動力學(xué)輪廓都需要進行精確的構(gòu)型，從而使得從燃燒氣體中利用的能量最大化，所述燃燒氣體用于使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，該葉片從該轉(zhuǎn)子處開始延伸。
對輪葉和葉片翼片的復(fù)合三維(3D)構(gòu)型進行設(shè)計，從而使得運行效率最大化，并使沿翼片的徑向跨距以及沿前緣和后緣之間翼片的弦的軸向跨距都變化。因此，翼片表面上的燃燒氣體以及相應(yīng)流道內(nèi)的燃燒氣體的速度和壓力分布也變化。
燃燒氣體流路內(nèi)不期望的壓力損失對應(yīng)著不期望的整個渦輪效率的降低。例如，燃燒氣體進入相應(yīng)的輪葉組和葉片組之間的流道，必然被翼片的各個前緣分離開。
流入的燃燒氣體的滯留位置沿每個翼片的前緣延伸，相應(yīng)的邊界層沿著每個翼片的壓力側(cè)和負壓側(cè)以及沿著每個徑向外端壁和內(nèi)端壁形成，所述壓力側(cè)和負壓側(cè)以及外端壁和內(nèi)端壁共同界定每個流道的四側(cè)邊界。在邊界層上，燃燒氣體的局部速度從沿著端壁和翼片表面的零變化到邊界層終止處燃燒氣體的自由速度。
渦輪壓力損失的一個共同原因是當(dāng)燃燒氣體繞翼片前緣運動而被分離時產(chǎn)生的馬蹄形渦流。總體壓力梯度受到翼片的前緣和端壁接合處的邊界層流體的影響。翼片前緣處的該壓力梯度形成一對反向旋轉(zhuǎn)的馬蹄形渦流，該馬蹄形渦流在端壁附近的每個翼片的相反側(cè)上向下游方向運動。
所述兩個渦流在后部沿每個翼片的相反的壓力側(cè)和負壓側(cè)運動，由于沿每個翼片的相反的壓力側(cè)和負壓側(cè)上壓力和速度分布的不同，所述兩個渦流的表現(xiàn)也不同。例如，計算的分析顯示，負壓側(cè)渦流離開端壁朝著翼片后緣移動，然后與隨后流過翼片后緣的壓力側(cè)渦流發(fā)生相互作用。
壓力側(cè)和負壓側(cè)渦流的相互作用可以發(fā)生在翼片的中跨區(qū)域附近，從而導(dǎo)致總體壓力損失，以及相應(yīng)地降低渦輪效率。這些渦流還會產(chǎn)生紊流以及增大不期望的端壁發(fā)熱。
由于馬蹄形渦流形成于渦輪轉(zhuǎn)子葉片和它們的整體根部平臺的接合處，以及噴嘴定子輪葉和它們的內(nèi)外帶狀部之間的接合處，因此產(chǎn)生了相應(yīng)的渦輪效率損失，以及產(chǎn)生了相應(yīng)的端壁部件的額外發(fā)熱。
因此，需要提供一種改進的渦輪級以減小馬蹄形渦流的影響。
發(fā)明概述一種渦輪級，包括一組翼片，該組翼片與相應(yīng)的平臺接合從而限定它們之間的流道。每個翼片包括相反的壓力側(cè)和負壓側(cè)，每個翼片在相反的前緣和后緣之間的弦上延伸。每個平臺包括一個月牙形斜坡，從前緣和后緣沿壓力側(cè)向著翼片的弦線中點的方向，該月牙形斜坡的高度增大。
附圖簡述按照本發(fā)明優(yōu)選的和示例性的實施例，根據(jù)如下詳細的說明并結(jié)合附圖，可以更好的描述本發(fā)明以及更多的目的和優(yōu)點。


圖1是低壓渦輪級中示例性的渦輪葉片從前向后看的等距視圖。
圖2是通過圖1所示葉片并沿線2-2的平面剖取的截面圖，其包括平臺表面的等傾線。
圖3是圖2所示葉片并沿線3-3剖取的徑向截面圖。
圖4是與圖2中葉片壓力側(cè)鄰接的平臺斜坡并沿線4-4剖取的側(cè)面等距視圖。
圖5是從前緣透視看，與圖4中翼片壓力側(cè)接合的平臺斜坡的另一個等距視圖。
圖6是圖5中平臺斜坡的放大等距視圖，為了使圖6更清楚而去掉了翼片的外端部。
圖7按照另一個實施例，像圖1那樣具有平臺斜坡的LPT葉片的等距視圖。
圖8是通過圖7所示葉片并沿線8-8剖取的平面截面圖，圖9是圖8所示葉片沿線9-9剖取的徑向截面圖。
具體實施例方式
圖1所示是兩個示例性的第一級LPT渦輪轉(zhuǎn)子葉片10，所述的兩個整組轉(zhuǎn)子葉片10在燃氣輪機的相應(yīng)渦輪級上沿圓周方向相互鄰接。如上所述，在傳統(tǒng)的燃燒器(未示出)內(nèi)產(chǎn)生燃燒氣體12，該燃燒氣體12沿軸向下游方向排出，排出的燃燒氣體首先流過HPT級，然后流過一組LPT葉片10，所述葉片10利用排出氣體的能量來驅(qū)動支承轉(zhuǎn)子葉輪(未示出)，其中葉片安裝在所述轉(zhuǎn)子葉輪上。
渦輪級包括一組完整的葉片，每個葉片具有相應(yīng)的翼片14，在根部端處，每個葉片與相應(yīng)的徑向內(nèi)端壁或平臺16連接成一整體。另外，每個平臺與相應(yīng)的軸向入口楔形榫18連接成一整體，所述楔形榫18具有傳統(tǒng)構(gòu)型，用于支承轉(zhuǎn)子葉輪周邊上相應(yīng)的渦輪葉片。
每個翼片包括大體上凹形的壓力側(cè)20和大體上凸形的負壓側(cè)22，所述負壓側(cè)22與所述壓力側(cè)20在圓周方向或橫向上相反，所述負壓側(cè)22在相反的前緣和后緣24、26之間的弦上軸向延伸。所述前緣和后緣在從翼片的根部到端部之間的范圍內(nèi)徑向延伸。
圖1中示例性的葉片10被構(gòu)型為用于低壓渦輪，該低壓渦輪的LPT翼片14在徑向跨度上長于高壓渦輪通常使用的短翼片。LPT翼片14通常是實心的，具有如圖1和2所示從根部到端部的實心徑向部分，而不具有內(nèi)部空隙或通道，這是由于LPT翼片通常不是從內(nèi)部進行冷卻的，然而，HPT翼片為了從內(nèi)部冷卻通常是空心的。
如圖1所示，每個翼片14包括端部覆環(huán)28，該端部覆環(huán)28與翼片末端部連接成一整體，沿著整組(full row)LPT轉(zhuǎn)子葉片的方向，相鄰的端部覆環(huán)形成完整的分段環(huán)形覆環(huán)。
在LPT構(gòu)型中，平臺16通常沿徑向向外朝著端部覆環(huán)28傾斜，并且在后部從每個葉片的前緣24到后緣26傾斜。每個翼片的徑向跨度或高度通常從前緣到后緣沿著傾斜平臺的軸向下游方向增大。
圖1和2中示例性的渦輪葉片可以具有翼片、平臺和楔形榫的任何傳統(tǒng)構(gòu)型，從而在運行期間從燃燒氣體12中獲取能量。如上所述，平臺16與翼片的根部端連接成一整體，并限定了燃燒氣體12的徑向內(nèi)部流體邊界。
葉片被沿著轉(zhuǎn)子葉輪的周邊安裝成一組，相鄰的翼片14在圓周或橫向方向上被間隔開，從而在它們之間限定出流道30，在運行期間，該流道30用于引導(dǎo)燃燒氣體12沿軸向下游方向流動。
因此，圖1和2中渦輪級的每個內(nèi)部流道30被以下部分限定構(gòu)成并為邊界一個翼片的壓力側(cè)20、另一個相鄰翼片的負壓側(cè)22、相鄰平臺16的壓力側(cè)和負壓側(cè)部分以及徑向外端部覆環(huán)28、及位于整組(complete row)渦輪葉片上翼片的徑向外端部上的徑向外端部覆環(huán)28。
如上面
背景技術(shù)：
部分所述，在運行期間，燃燒氣體12流過相應(yīng)的流道30，并且在需要時被各個翼片14所分離。高速燃燒氣體在相應(yīng)的翼片前緣24處被沿著圓周方向分離，并在該處產(chǎn)生滯留壓力，且沿翼片的相反的壓力側(cè)和負壓側(cè)形成相應(yīng)的邊界層。
另外，由于燃燒氣體在翼片前緣與平臺的接合處會沿著翼片前緣被分離，所以燃燒氣體也會沿著各個葉片平臺16形成邊界層。
因此，如圖1所示，沿著葉片平臺被分離的燃燒氣流會產(chǎn)生一對反向旋轉(zhuǎn)的馬蹄形渦流，所述渦流沿每個翼片的相反的壓力側(cè)和負壓側(cè)并穿過流道向軸向下游流動。這些馬蹄形渦流在邊界層上形成紊流，并且朝著翼片中部區(qū)域徑向向外移動，這樣會導(dǎo)致總壓力的損失和渦輪效率的降低。
圖1中示例性的渦輪轉(zhuǎn)子級可以具有任何傳統(tǒng)的構(gòu)型，例如，可以具體設(shè)計為第一級LPT轉(zhuǎn)子，從而能按照通常的方式利用燃燒氣體的能量來驅(qū)動風(fēng)扇。如上面背景技術(shù)部分所述，流入的(incident)燃燒氣體12沿著翼片前緣24分離，并穿過相應(yīng)的流道30向軸向下游方向流動。
為了使從燃燒氣體中獲得的能量最大化，需要進行不同的速度和壓力分配，因此需要對壓力側(cè)20的凹形面和負壓側(cè)22的凸形面采用特別的構(gòu)型。另外，平臺16限定了徑向內(nèi)端壁，該徑向內(nèi)端壁限制著燃燒氣體，周圍的端部覆環(huán)28還在徑向向外方向上限制著燃燒氣體。
在本構(gòu)型中，在平臺和前緣的接合處，流入的(incident)燃燒氣體受馬蹄形渦流的影響，所述馬蹄形渦流沿著翼片的相反的壓力側(cè)和負壓側(cè)并穿過流道而流動(progress)。如上所述，這些渦流會產(chǎn)生紊流、降低渦輪級的空氣動力效率以及增大平臺的熱傳遞。
因此，圖1中的平臺16首先被構(gòu)型為具有傾斜的流動面，該傾斜的流動面對燃燒氣體進行限制，從而減小馬蹄形渦流的強度。圖1中大體示出了傾斜平臺的示例性構(gòu)型，帶有從標稱(nominally)的軸對稱的平臺開始構(gòu)成的等高等傾線。另外，圖2所示是用平面圖表示的更為詳細的等傾線。
現(xiàn)代計算流體動力學(xué)已經(jīng)被用于研究和確定平臺的詳細3D外形，從而減弱馬蹄形渦流并相應(yīng)地提高渦輪效率。圖1和2中的每個平臺16都包括一個局部的新月形或月牙形斜坡32，所述斜坡32相對于傳統(tǒng)平臺的標稱軸對稱參考外表面34向上(+)升入流道30中，所述參考外表面34用于確定零(θ)基準面。
需要注意的是，可以為了具體的發(fā)動機設(shè)計及其質(zhì)量流率而選擇翼片14的具體尺寸和間距。翼片的弓形側(cè)壁通常在圓周方向上限定了它們之間的流道30，所述流道30沿著軸向下游方向從前緣到后緣會聚。
如圖2所示，每個翼片都具有相對高度數(shù)的曲面，該曲面限定出相應(yīng)的月牙形。由于平臺斜坡32處于翼片壓力側(cè)20的大部分上，因此平臺斜坡32具有月牙形的形狀。另外，在翼片壓力側(cè)20的端部，等高線形成的等傾線也顯示出相應(yīng)的月牙形。
翼片后緣通常在其垂直交會處、靠近相鄰翼片負壓側(cè)的中部形成具有最小流路面積的喉部。流道30的流路面積包括位于喉部的最小流路面積，對于給定的發(fā)動機裝置，該流道30的流路面積被預(yù)先選定，因此，流道30的流路面積被平臺16限定的徑向內(nèi)端壁和端部覆環(huán)28限定的徑向外端壁所控制。
因此，可以方便地用傳統(tǒng)的軸對稱表面作為基準平臺表面34，所述傳統(tǒng)的軸對稱表面由圍繞渦輪級圓周的圓弧限定構(gòu)成，基準平臺表面34可以用作零基準高度，如圖2所示。因此，平臺斜坡32的高度(+)從基準平面或表面徑向向外升高，并且在與根部端接合處局部地減小翼片的徑向跨距。
如圖2和3所示，隨著與每個翼片壓力側(cè)的接近，平臺斜坡32相對于標稱外表面34的標高或高度在徑向上增大。圖2示出了在基準表面34之上具有相等高度(+)的等傾線，所述高度的量值線性增大，具有所標示的任意數(shù)值1-9。
圖2中的每個斜坡32都包括位于翼片中部附近高度最大的高峰或頂峰36，所述高峰或頂峰36相應(yīng)于最大值9，在一個示例性的實施例中可以是5.2mm?？紤]到翼片14的LPT構(gòu)型及其相對高的彎度，頂峰36位于與翼片弦線中點區(qū)域緊密鄰近的位置，該頂峰36與相互相反的前緣和后緣相對，并且與翼片弦線中點的距離是正負10％的弦長。
在圖2所示示例性的實施例中，平臺斜坡32的等傾線顯示，斜坡從頂峰36開始沿壓力側(cè)20基本上對稱地分散開，并在相鄰翼片之間沿著翼片的圓周區(qū)域朝著翼片的前緣和后緣24、26向外分散。
圖2的頂視圖和圖3的徑向截面圖所示的平臺16具有相應(yīng)的軸向?qū)Ψ志€38，該對分線38被其相應(yīng)的圓周邊沿所限定，所述圓周邊沿在圓周方向上把相應(yīng)的流道30分開，所述流道30形成于相鄰的翼片14的相反的壓力側(cè)和負壓側(cè)之間。
因此，從每個翼片的壓力側(cè)20到相應(yīng)的對分線38的圓周方向上，每個平臺斜坡32的高度都在圓周方向上減小。因此，各個平臺斜坡在平臺外表面上提供了局部高度，所述平臺外表面從平臺的周邊開始，向上平滑地與翼片壓力側(cè)融合在一起。
圖2和圖3還示出標稱外表面34，斜坡32的高度從所述標稱外表面34朝著壓力側(cè)20的方向而增加。所述標稱外表面34可以是不具有斜坡的傳統(tǒng)低壓渦輪中的傳統(tǒng)軸對稱或圓柱表面。
圖2極好地示出了平臺斜坡32的月牙形形狀或外形，所述平臺斜坡32緊隨著翼片壓力側(cè)20的月牙形或凹形輪廓。優(yōu)選地，每個斜坡32在前緣和后緣24、26附近軸向終止，并在前緣和后緣24、26附近與標稱外表面34融合在一起。
相應(yīng)地，每個斜坡32也優(yōu)選地在相應(yīng)的軸向?qū)Ψ志€38處或其附近沿圓周方向終止。通過這種方式，平臺斜坡32的整體構(gòu)型為月牙形，該月牙形在頂峰平面處的圓周方向上具有相對大的寬度，并且在朝著翼片的相反的前緣和后緣的軸向方向上減小其寬度，斜坡在翼片的前緣和后緣處終止并與平臺的標稱外表面融合在一起。
對沿著翼片壓力側(cè)的平臺斜坡32的位置和構(gòu)型進行優(yōu)選，從而能有利地降低馬蹄形渦流的強度和提高渦輪效率，這將在后面作進一步的解釋。對于具體的LPT設(shè)計，可以對每個月牙形斜坡32采用具體的設(shè)計和構(gòu)型，從而降低馬蹄形渦流的不利影響?，F(xiàn)代計算機分析技術(shù)可以對斜坡設(shè)計進行迭代計算，從而使其效果最大化。
圖3是截取平臺斜坡頂峰的徑向截面圖，圖中顯示，斜坡在從翼片壓力側(cè)20到斜坡終止的對分線38的外部圓周方向上優(yōu)選是凹形的。圖3還顯示，在頂峰36和互相相反側(cè)上前緣和后緣24、26之間的其它軸向位置處，斜坡的類似凹形截面，在那些位置上，那些截面的尺寸變小。
圖3和4中的凹形斜坡32在外圓周上與平臺平滑地融合在一起，該平臺正是凹形斜坡開始延伸的地方，凹形斜坡沿著相應(yīng)的弓形或凹形圓角40與相應(yīng)的翼片壓力側(cè)20相接合。小的圓角40提供了每個平臺斜坡和相應(yīng)的翼片壓力側(cè)之間的平滑過渡，所述每個平臺斜坡和相應(yīng)的翼片壓力側(cè)之間的平滑過渡是沿著前緣和后緣24、26之間的斜坡的整個軸向范圍延伸的。
如圖4所示，沿著圓角40的軸向方向斜坡32也是凸形的，從前緣和后緣24、26到它們之間具有最大高度的頂峰36，斜坡32的高度是增大的。
圖4-6是平臺斜坡32的優(yōu)選實施例，所述平臺斜坡32與計算機生成的網(wǎng)格圖相重疊，從而更好地表示斜坡的表面輪廓。圖4表示中部頂峰的相反側(cè)上斜坡大體對稱的情形。圖5和6表示斜坡32沿著翼片壓力側(cè)在相反的前緣和后緣融合和終止的情形。
圖4-6是由計算機流體動力學(xué)分析得出的示例性實施例，平臺斜坡32從其標稱外表面的外周邊到翼片壓力側(cè)上的圓角40之間的范圍是平滑的，該范圍即是前緣和后緣24、26之間的斜坡的整個范圍。
圖2還顯示，平臺斜坡32在平臺前側(cè)剛好沒達到前緣24，并且在平臺后側(cè)剛好沒達到后緣26。因此，斜坡的高度減小并且在前緣和后緣返回到標稱外表面34。
圖1中示例性的LPT葉片10具有較低的密實度，并且在整個圓周上具有比傳統(tǒng)高密實度LPT較少的葉片數(shù)，從而能降低重量和成本。但是，較少的葉片數(shù)需要每個葉片從燃燒氣體中取得更高的能量，因此需要每個翼片具有更大的彎度和更大的提升能力。
由于減少了葉片數(shù)量，葉片之間圓周方向上的間隔或間距變大，從而相應(yīng)地增大了徑向端壁的空氣動力學(xué)影響，所述徑向端壁由徑向內(nèi)平臺16和徑向外端部覆環(huán)28所限定。
在空氣動力學(xué)設(shè)計中用傳統(tǒng)的Zweifer值來表示翼片的提升能力。所述Zweifer值是如下參數(shù)的函數(shù)相鄰翼片之間圓周方向上的間隔、翼片的軸向?qū)挾?、翼片沿著前緣和后緣方向的徑向高度以及在前緣和后緣處的流體進出的相對角度。
在當(dāng)代傳統(tǒng)的渦輪級中，Zweifer值等于1.0。由于渦輪葉片數(shù)量的減少，Zweifer值增加到高升力渦輪所需的1.25，以及增加到超高升力渦輪所需的1.35。渦輪級的低密實性和高Zweifer值增大了每個葉片平臺的表面積，因此提高了整個渦輪效率產(chǎn)生的效果。
圖2中實施例的渦輪級具有低密實性和大于1.0的高Zweifer值，并相應(yīng)地具有大的葉片平臺16。平臺斜坡32可以帶來在平臺表面積的大部分到軸向?qū)Ψ志€之間翼片壓力側(cè)上的空氣動力學(xué)優(yōu)勢。
另外，每個平臺還可以包括沿每個翼片負壓側(cè)22的淺的凹部或碗部42，從而與翼片相反側(cè)提高的斜坡32互補。如圖3所示，從靠近相應(yīng)軸向?qū)Ψ志€38的標稱外表面34到翼片14的相應(yīng)負壓側(cè)22，碗部42的深度B增大，所述翼片14位于具有最大高度的相應(yīng)頂峰36后面。
優(yōu)選地，各個葉片平臺上的碗部42是半圓形的，且其中心位于壓力側(cè)20的相應(yīng)頂峰36后面的負壓側(cè)20上。各個碗部42同樣也在標稱外表面34之前終止，或者與碗部相反側(cè)的相應(yīng)前緣和后緣24、26間隔開。
如圖2所示，通過標稱基準表面下面的四個增大深度(-)的等傾線來表示碗部，碗部的最大深度比頂峰最大高度的大約一半還小，在本實施例中，碗部的最大深度是大約-4，頂峰最大高度的一半是大約+9/2。換句話說，與斜坡高度相比，碗部相對較淺，在運行期間，碗部與斜坡互相配合從而減小馬蹄形渦流的不利影響，尤其是在平臺端壁處渦流的影響，從而相應(yīng)地提高渦輪效率。
如圖7-9所示是LPT級的替代實施例，其中渦輪葉片10的排列具有傳統(tǒng)的密實性值，其Zweifer值為1.0。在本構(gòu)型中，與前面所說的在前實施例相比，在各個葉片組中渦輪葉片的較高數(shù)量能相應(yīng)地減小每個葉片的各平臺16的表面積。因此，軸向?qū)Ψ志€38位于接近各個翼片的相互相反的壓力側(cè)和負壓側(cè)的位置，減小了平臺斜坡32所處表面的表面積。
圖7-9中的第二實施例相應(yīng)于圖1-3的第一實施例，第二實施例的特點是，不同的渦輪級沿不同的方向旋轉(zhuǎn)。圖1所示的箭頭表示渦輪級的順時針轉(zhuǎn)動，而圖7所示的箭頭表示渦輪級的逆時針轉(zhuǎn)動，相應(yīng)的翼片14互為鏡像。
然而，這兩個實施例的相似之處在于，它們都包括位于翼片壓力側(cè)20上大體對稱的月牙形平臺斜坡32。
但是，考慮到較小的平臺，尤其是翼片負壓側(cè)上的較小平臺，第一實施例中淺的碗部42沒有被應(yīng)用到第二實施例中。相對，圖8和9顯示，標稱外表面34在平臺的前端和后端沿前緣和后緣24、26延伸，并且進一步朝著相應(yīng)的軸向?qū)Ψ志€的方向沿著各個翼片的負壓側(cè)22充分延伸。
因此，平臺16的整個負壓側(cè)具有傳統(tǒng)的軸對稱表面輪廓，升高的斜坡32被單獨引入到翼片壓力側(cè)上，所述翼片位于朝著相應(yīng)軸向?qū)Ψ志€方向的平臺的大部分可用表面積上。如圖9所示，在翼片壓力側(cè)上，斜坡32的高度向著其頂峰36增大，在翼片另一面的負壓側(cè)上的平臺的外表面具有傳統(tǒng)的徑向位置，所述外表面作為徑向向外對斜坡進行測量的基準。
在上述第一實施例中，斜坡32在大體整個表面積上是平滑的，斜坡32在翼片壓力側(cè)上和相應(yīng)的軸向?qū)Ψ志€上沿圓周方向與圓角40融合在一起。這些斜坡還沿著平臺標稱外表面的相對的前端和后端與平臺標稱外表面沿軸向方向融合在一起。
但是，圖7-9中的替代實施例顯示，可以對平滑的斜坡32進行局部改進以提高其性能。例如，每個斜坡32還可以包括局部凸形的凸起44，該凸起44從頂峰36沿圓周方向向外朝著對分線延伸，并在前緣和后緣24、26之間軸向間隔。
圖8和9中示例性的凸起44是對凹形斜坡32彎曲度的局部改進。凸起44位于斜坡32的軸向和圓周方向中部附近，凸起44在軸向和圓周方向上都具有凸形的形狀，凸起44在其圓周上與凹形斜坡融合在一起。
局部的凸起44與升高的斜坡32互相配合，從而減小在運行期間馬蹄形渦流產(chǎn)生的不利影響，從而相應(yīng)地提高渦輪效率。
在上述示例性的實施例中，各個流道30被限定在一個翼片的壓力側(cè)和另一個相鄰翼片的負壓側(cè)之間，并且在徑向內(nèi)端部被兩個平臺16的相應(yīng)部分所限定，所述兩個平臺16在相應(yīng)的軸向?qū)Ψ志€38處鄰接。
因此，無論是具有圖8中的標稱構(gòu)型還是圖2中淺的碗部構(gòu)型，一個翼片的壓力側(cè)上的平臺斜坡32與另一個平臺的負壓側(cè)上的平臺都相互配合工作。
與沒有凸起或凹下特征的傳統(tǒng)軸對稱平臺相比，如此改進的平臺可以用來有利地減小馬蹄形渦流的不利影響，在運行期間該馬蹄形渦流沿著相應(yīng)的平臺形成。這些實施例中LPT葉片的共同點是翼片具有相對高的彎度，這樣就允許沿著壓力側(cè)的大部分引入互補的月牙形斜坡32。斜坡的最大高度位于各個翼片弦線中點區(qū)域附近的位置，相應(yīng)地，該斜坡在前部向著前緣并且在后部向著后緣的方向上都是大體對稱的。
通過在相鄰翼片之間采用升高的斜坡，沿著斜坡的燃燒氣體的局部蒸汽線的彎曲度可以橫向補償引入的馬蹄形渦流。因此，通過改進的平臺外表面可以盡早地在流道處阻止馬蹄形渦流的徑向向外移動。
前面描述了LPT轉(zhuǎn)子級的斜坡形平臺，但是它也可以應(yīng)用到渦輪噴嘴級上。在渦輪噴嘴中，渦輪輪葉被整體安裝到徑向外端壁和內(nèi)端壁上，或者被整體安裝到相對中心軸線通常具有軸對稱圓形輪廓的內(nèi)外帶狀部上。內(nèi)外帶狀部或平臺可以以與前述相似的方式傾斜，從而減小在渦輪噴嘴輪葉相對端處相應(yīng)的馬蹄形渦流產(chǎn)生的不利影響因此，斜坡形平臺可以用于任何類型的渦輪發(fā)動機和任何類型的渦輪翼片，從而提高空氣動力學(xué)效率。更多的例子還包括渦輪轉(zhuǎn)子葉輪中的翼片與轉(zhuǎn)子葉輪的周邊整體形成。由于LPT葉片通常包括整體的端部覆環(huán)，這些覆環(huán)或平臺還可以包括月牙形斜坡，在所述斜坡處這些覆環(huán)或平臺與各個翼片的末端接合在一起。
目前，現(xiàn)代計算機流體動力學(xué)分析技術(shù)允許對斜坡形平臺的各種改變進行評估，從而減小馬蹄形渦流以提高渦輪效率。月牙形斜坡的具體輪廓將作為具體設(shè)計的函數(shù)而變化，但是，當(dāng)燃燒氣體在翼片前緣處被分離時，為了特別地減小馬蹄形渦流產(chǎn)生的不利影響，翼片壓力側(cè)上斜坡的形式保持為相似的形狀。
盡管在本文中已描述了被認為是本發(fā)明優(yōu)選的和示例性的實施例，但是根據(jù)本文的說明，本發(fā)明的其它改進對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的，因此，要求在所附權(quán)利要求書中所有這些改進都落在本發(fā)明的實際精神和范圍內(nèi)。
因此，美國專利證書要求保護的發(fā)明由我們主張的如下權(quán)利要求來限定和區(qū)分。
權(quán)利要求
1.一種低壓渦輪級，包括一組實心翼片(14)，所述實心翼片與相應(yīng)的平臺(16)接合成一整體，并沿圓周方向間隔，從而在它們之間限定各自的流道(30)，用于引導(dǎo)燃燒氣體(12)；所述翼片(14)中的每一個包括一凹形的壓力側(cè)(20)和在圓周方向上相反的凸形負壓側(cè)(22)，所述壓力側(cè)(20)和負壓側(cè)(22)沿相反的前緣和后緣(24，26)之間的弦軸向延伸；以及所述平臺(16)中的每一個包括一月牙形斜坡(32)，所述月牙形斜坡(32)沿在所述前緣和后緣(24，26)之間延伸的相應(yīng)的圓角(40)與所述壓力側(cè)(20)相鄰接，所述斜坡(32)沿所述圓角(40)在軸向上是凸形的，并從所述前緣和后緣(24，26)至所述翼片(14)弦線中點附近的最大高度頂峰(36)其高度增大。
2.如權(quán)利要求1所述的低壓渦輪級，其特征在于所述平臺(16)包括軸向?qū)Ψ志€(38)，所述對分線(38)在圓周方向上把相鄰翼片(14)之間的所述流道(30)分開；以及所述斜坡(32)從所述壓力側(cè)(20)沿圓周方向向相應(yīng)對分線(38)其高度減小。
3.如權(quán)利要求2所述的低壓渦輪級，其特征在于所述平臺(16)中的每一個包括標稱外表面(34)，所述斜坡(32)的高度從所述標稱外表面(34)向所述壓力側(cè)(20)增大；以及所述斜坡(32)在所述前緣和后緣(24，26)附近終止，并在所述前緣和后緣(24，26)附近與所述外表面(34)融合在一起。
4.如權(quán)利要求3所述的低壓渦輪級，其特征在于所述斜坡(32)從所述頂峰(36)與前緣和后緣(24，26)之間的所述壓力側(cè)(20)沿圓周向外的方向是凹形的，并從所述頂峰(36)向所述前緣和后緣(24，26)是基本上對稱發(fā)散的。
5.如權(quán)利要求4所述的低壓渦輪級，其特征在于所述斜坡(32)在所述前緣和后緣(24，26)之間從所述標稱外表面(34)到所述圓角(40)是平滑的。
6.如權(quán)利要求4所述的低壓渦輪級，其特征在于所述斜坡(32)中的每一個包括一凸形的凸起(44)，所述凸起(44)從所述頂峰(36)沿圓周方向向外延伸，并在所述前緣和后緣(24，26)之間被間隔開。
7.如權(quán)利要求4所述的低壓渦輪級，其特征在于所述標稱外表面(34)環(huán)繞所述前緣和后緣(24，26)并沿著所述頂峰(36)后面的所述翼片(14)的所述負壓側(cè)(22)延伸。
8.如權(quán)利要求4所述的低壓渦輪級，其特征在于所述平臺(16)中的每一個還包括一淺碗部(42)，該淺碗部從所述標稱外表面(34)到所述頂峰后面的所述翼片(14)的相應(yīng)負壓側(cè)(22)，其深度增加。
9.如權(quán)利要求8所述的低壓渦輪級，其特征在于所述碗部(42)為半圓形，且其中心位于所述壓力側(cè)(20)的相應(yīng)頂峰(36)后面的所述負壓側(cè)(20)上，并在所述前緣和后緣(24，26)之前的標稱外表面(34)處終止。
10.如權(quán)利要求4所述的低壓渦輪級，其特征在于所述翼片(14)中的每一個還包括一端部覆環(huán)(28)，所述端部覆環(huán)(28)與翼面末端部連接成一整體，所述平臺(16)從所述前緣(24)到所述后緣(26)朝所述覆環(huán)(28)向外傾斜。
全文摘要
一種渦輪級，該渦輪級包括一組翼片(14)，所述翼片與相應(yīng)的平臺(16)相接合從而在它們之間限定出流道(30)。每個翼片(14)包括互相反的壓力側(cè)和負壓側(cè)(20，22)，每個翼片(14)在互相相反的前緣和后緣(24，26)之間的弦上延伸。每個平臺(16)包括月牙形斜坡(32)，沿著壓力側(cè)(20)從前緣和后緣(24，26)向著翼片(14)的弦線中點的方向，所述斜坡(32)的高度增大。
文檔編號F01D5/34GK1847623SQ20061000895
公開日2006年10月18日 申請日期2006年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月14日
發(fā)明者C·-P·李, A·譚, K·R·柯特利, S·H·拉姆森 申請人:通用電氣公司