專利名稱：：用于渦輪機(jī)葉片的z形缺口形狀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，且具體地涉及用于渦輪機(jī)葉片(即渦輪機(jī)輪葉)的護(hù)罩末梢的設(shè)計。
背景技術(shù)：
：燃?xì)鉁u輪機(jī)包括許多運(yùn)動件，各運(yùn)動件在運(yùn)行過程中可能經(jīng)受應(yīng)力。例如，燃?xì)鉁u輪機(jī)包括用于從燃燒室中排出的熱氣體提取能量的渦輪。為了提取該能量，將多個輪葉設(shè)置在一系列的級中。各輪葉包括多個構(gòu)件。例如，各輪葉通常包括翼型件(airfoil)(作為吸收能量的表面)、根部(用于將輪葉錨定到軸上)和護(hù)罩末梢(在運(yùn)行過程中使葉片保持對中)。各輪葉承受極高的溫度和機(jī)械應(yīng)力。這些因素通常影響整個葉片。從維護(hù)和耐用性的角度來看這是成問題的。例如，熱膨脹可在相護(hù)罩末梢處？1起特定程度的應(yīng)力，此時相鄰的末梢彼此接觸。因此，所需要的是用于護(hù)罩末梢的改進(jìn)的設(shè)計。優(yōu)選地，用于護(hù)罩末梢的改進(jìn)的設(shè)計用來P爭低應(yīng)力，并由此使得輪葉的性能和耐用性提高。
發(fā)明內(nèi)容在一個實施例中，渦輪輪葉包括帶有前緣和后緣的末梢護(hù)罩，前緣和后緣包括才艮據(jù)表I中列出的X，Y和Z的笛卡爾坐標(biāo)值的Z形缺口輪廓；其中坐標(biāo)值為代表離用于輪葉的內(nèi)坐標(biāo)系的原點(diǎn)的距離的尺寸值；并且當(dāng)用光滑連續(xù)的弧線連接X和Y值時限定了Z形缺口輪廓。在另一個實施例中，渦輪包括具有多個輪葉的渦輪葉輪，各輪葉包括帶有前緣和后緣的末梢護(hù)罩，前緣和后緣包括根據(jù)表I中列出的X,Y和Z的笛卡爾坐標(biāo)值的Z形缺口輪廓；其中坐標(biāo)值為代表離用于葉片的內(nèi)坐標(biāo)系的原點(diǎn)的距離的尺寸值；并且當(dāng)用光滑連續(xù)的弧線連接X和Y值時限定了Z形缺口輪廓。在另一個實施例中，渦輪包括具有多個輪葉的渦輪葉輪，各輪葉包括帶有前緣和后緣的末梢護(hù)罩，前緣和后緣包括根據(jù)按比例增大及按比例縮小的表I中列出的X,Y和Z的笛卡爾坐標(biāo)值中的一項的Z形缺口輪廓；其中坐標(biāo)值為代表離用于葉片的內(nèi)坐標(biāo)系的原點(diǎn)的距離的尺寸值；并且當(dāng)用光滑連續(xù)的弧線連接X和Y值時限定了Z形缺口輪廓。圖1顯示燃?xì)鉁u輪機(jī)各方面的示范性實施例；圖2顯示第二級輪葉的各方面；以及圖3是Z形缺口末梢護(hù)罩的各方面。部件列表熱氣路徑10燃?xì)鉁u4侖才幾12第一級隔開噴嘴14第一級隔開^"葉16第二級隔開噴嘴18第二級隔開輪葉20第三級隔開噴嘴22第三級隔開輪葉24術(shù)《5r26平臺30,28柄部32鳩尾榫40氣流23翼型件末梢29末梢護(hù)罩21密封件42,44靜止護(hù)罩45前緣46后緣48具體實施例方式所公開的是用于渦輪輪葉的末梢護(hù)罩的設(shè)計。被稱作"z形缺口"設(shè)計(或z形缺口輪廓)該設(shè)計在運(yùn)行過程中在相鄰的輪葉之間形成聯(lián)鎖狀態(tài)，在降低應(yīng)力的同時提供相鄰的輪葉的接合。z形缺口設(shè)計可稱作包括"z形成形輪廓，，。除了其它作用之外，z形缺口的成形輪廓還提供了高壓渦輪機(jī)中渦輪機(jī)葉片之間改善的接觸相互作用；發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下改善的機(jī)械葉片載荷；末梢護(hù)罩中改善的質(zhì)量分布，以及Z形缺口區(qū)域中相鄰護(hù)罩之間任意間隙的改善的控制。在對實施例進(jìn)行詳細(xì)討論之前給出一些定義。用語"燃?xì)鉁u輪機(jī)"指連續(xù)燃燒的發(fā)動機(jī)。在示范性的實施例中，燃?xì)鉁u輪機(jī)通常包括壓縮機(jī)、燃燒室(稱作"燃燒器")和渦輪。在運(yùn)行過程中，燃燒室釋放出被引向渦輪的熱氣體。用語"輪葉"涉及包括在渦輪中的葉片。各輪葉通常具有翼面形狀，以用來將沖擊在輪葉上的熱氣體轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)功。用語"渦輪級"涉及繞著渦輪軸的一部分周向地布置的多個葉片。渦輪級的輪葉繞著軸按環(huán)形模式排列?，F(xiàn)在參照附圖，尤其是圖1,其顯示了一般地標(biāo)識為IO的包括多個渦輪級的燃?xì)鉁u輪機(jī)12的熱氣通道。在該實例中顯示了三級。第一級包括多個周向地隔開的噴嘴14和葉片16。噴嘴14周向地;波此隔開并繞著轉(zhuǎn)子的軸線固定。第一級葉片16當(dāng)然安裝到渦輪轉(zhuǎn)子葉輪(未示出)上。還顯示了渦輪機(jī)12的第二級，其包括多個周向地隔開的噴嘴18和多個周向地隔開的輪葉20，輪葉20也安裝到轉(zhuǎn)子上。還顯示了第三級，其包括多個周向地隔開的噴嘴22和安裝到轉(zhuǎn)子上的葉片24。將會認(rèn)識到，噴嘴和葉片位于渦輪機(jī)12的熱氣通道10中，穿過熱氣通道10的熱氣流向由箭頭26指示?，F(xiàn)在又參照圖2，第二級的各輪葉20設(shè)有平臺30、柄部(shank)(未示出)和鴻尾榫40,雞尾榫40用于與形狀互補(bǔ)的配合鳩尾榫連接，該配合的鳩尾榫位于形成轉(zhuǎn)子的一部分的轉(zhuǎn)子葉輪上。各第二級輪葉20還包括翼型件23(圖2)，翼型件23在從平臺28到翼型件末梢29的任意橫截面上具有翼面輪廓。各第二級輪葉20還設(shè)有一般地標(biāo)識為21(圖2)的末梢護(hù)罩。各末梢護(hù)罩21優(yōu)選地與輪葉20—體地形成，并且各末梢護(hù)罩21在靠近相鄰輪葉20的末梢護(hù)罩21的相對端處接合，以在第二級葉片的位置處形成限定熱氣通道的通常為環(huán)狀的環(huán)或護(hù)罩。如圖2中所示，第二級輪葉20的末梢護(hù)罩21包括至少一個(例如一對)沿著其徑向外表面軸向地隔開的密封件42和44,該密封件42和44形成一對繞著末梢護(hù)罩21的軸向地隔開的連續(xù)密封環(huán)，用于密封固定到渦輪殼體上的靜止護(hù)罩45(圖1)。如圖3中所示，將會認(rèn)識到，末梢護(hù)罩21包括成形的前緣46和后緣48。即前緣46和后緣48位于熱氣通道10中末梢護(hù)罩21的相反的軸向相對的側(cè)邊上。在圖3中還顯示了標(biāo)注為A到V的一系列的點(diǎn)。注意相對于轉(zhuǎn)子總體的轉(zhuǎn)動方向R而言，點(diǎn)A到K沿著末梢護(hù)罩21的前緣46分布，而點(diǎn)L到V沿著末梢護(hù)罩21的后緣48分布。為了分別限定前緣46和后緣48的形狀(即由這些邊緣形成的輪廓)，提供了空間中特有的一組點(diǎn)或點(diǎn)的軌跡。具體地，在X,Y和Z軸線的笛卡爾坐標(biāo)系中，X和Y值在下表I中給出并限定沿著前緣46和后緣48的不同位置的前緣46和后緣48的輪廓。坐標(biāo)系提供為用于輪葉的內(nèi)坐標(biāo)系。相應(yīng)地，輪葉20的某些方面可以改變(諸如鳩尾榫40的尺寸)，而不影響限定特有的一組點(diǎn)或點(diǎn)的軌跡的坐標(biāo)。在該實例中，坐標(biāo)系相對于翼型件23設(shè)置并完全由點(diǎn)X,Y和Z限定。點(diǎn)X和Y均位于冷態(tài)的轉(zhuǎn)子中心線上方39.600英寸處。點(diǎn)X位于翼型件的中弧線(meancamberline)與前緣翼型件表面的交叉位置。點(diǎn)Y位于翼型件的中弧線與后緣翼型件表面的交叉位置。點(diǎn)Z位于冷態(tài)的轉(zhuǎn)子中心線上方49.862英寸處，并位于翼型件的中弧線與翼型件后緣表面的交叉位置。坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于點(diǎn)X處。點(diǎn)X和Y限定了正向的X-軸線。點(diǎn)X,Y和Z限定了正向的X-Z平面。Y-軸線然后用右手法則的方法限定。X,Y和Z的坐標(biāo)值在表I中以英寸為單位列出，但進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)值轉(zhuǎn)換之后也可以使用其它的尺寸單位。通過在所選擇的位置相對于X,Y和Z軸線的原點(diǎn)限定X和Y的坐標(biāo)值，可確定標(biāo)注為A到V的點(diǎn)的位置。通過用光滑的連續(xù)弧線沿著各前緣46和后緣48連接X，Y和Z值，可確定各邊緣輪廓。將會認(rèn)識到，這些數(shù)值表示環(huán)境狀態(tài)、非運(yùn)行或非高溫狀態(tài)(即冷態(tài))下的前緣和后緣輪廓。更具體地講，末梢護(hù)罩21具有前緣46，前緣46大體上根據(jù)在表I列出的在參考點(diǎn)A到K處的X和Y的笛卡爾坐標(biāo)值限定前緣輪廓，其中X和Y值為以英寸為單位的離原點(diǎn)的距離。當(dāng)點(diǎn)A到K用光滑連續(xù)的弧線連接時，點(diǎn)A到K限定前緣末梢護(hù)罩輪廓。類似地，末梢護(hù)罩21具有后緣48,后緣48大體上根據(jù)在表I列出的在參考點(diǎn)L到V處的X和Y的笛卡爾坐標(biāo)值限定后緣輪廓，其中X和Y值為以英寸為單位的離相同原點(diǎn)的距離。當(dāng)點(diǎn)L到V用光滑連續(xù)的弧線連接時，點(diǎn)L到V限定后緣末梢護(hù)罩輪廓。通過在具有單一原點(diǎn)的X和Y的坐標(biāo)系中限定用于前緣46和后緣48的每一個的輪廓，限定了沿著前緣46和后緣48的末梢護(hù)罩21的形狀。為了方便起見，本文所描述的輪廓總稱為"Z形缺口"輪廓。通常，Z形缺口設(shè)計降低或相當(dāng)大地降低末梢護(hù)罩21和輪葉20中的應(yīng)力。更具體地講，Z形缺口輪廓解決了與末梢護(hù)罩21中的應(yīng)力相關(guān)的主失效模式。第一失效模式(未按特定順序)為LCF，即可歸因于疲勞的裂紋。第二失效模式為蠕變，其自身可通過裂紋或應(yīng)力區(qū)中的升高的應(yīng)變及局部變形來體現(xiàn)。例如，應(yīng)力區(qū)可以是Z形缺口圓角區(qū)，或連接末梢護(hù)罩21與翼型件23的圓角區(qū)。笫三失效模式為高循環(huán)疲勞(HCF)。HCF由交變應(yīng)力結(jié)合平均應(yīng)力引起，導(dǎo)致裂紋并由此導(dǎo)致局部失效。交變應(yīng)力通常由振動引起，而平均應(yīng)力通常由才幾械載荷和熱載荷引起。本文所公開的Z形缺口輪廓可結(jié)合到渦輪12中的各個級的輪葉20中。在本文所提供的實例中，包括Z形缺口設(shè)計的末梢護(hù)罩21是第二級葉片20的一部分。然而，Z形缺口輪廓可有利地用于其它級中。Z形缺口輪廓解決了現(xiàn)有設(shè)計的限制(即與圓角區(qū)域緊靠的高應(yīng)力)。附加地，Z形缺口設(shè)計提供充分的空氣動力阻尼及改進(jìn)的質(zhì)量分布，以解決末梢護(hù)罩21和輪葉20的LCF和蠕變壽命問題。應(yīng)當(dāng)注意到，所形成的改善的質(zhì)量分布對于翼型件23和翼型件23與柄部之間的圓角區(qū)域中的應(yīng)力降低具有進(jìn)一步的有利影響。Z形缺口輪廓可根據(jù)需要進(jìn)行修改。例如，Z形缺口輪廓可進(jìn)行修改，以考慮翼型件23相對于平臺28的一定程度的傾斜或歪曲。相應(yīng)地，可使用某些統(tǒng)計分析或其它建才莫方法。提供了Z形缺口設(shè)計的示范性的參數(shù)。在一個實施例中，Z形缺口輪廓包括硬化表面輪廓和三十七(37)度的硬化表面角度。在一個實施例中，Z形缺口圓角半徑為大約0.090"。在該實施例中，Z形缺口圓角半徑M了局部應(yīng)力并改進(jìn)應(yīng)力分布。側(cè)面輪廓選擇成為Z形缺口設(shè)計提供必要的彈性并恰當(dāng)?shù)胤植几髂┥易o(hù)罩21的質(zhì)量。同樣在該實施例中，所形成的Z形缺口輪廓改善了應(yīng)力分布、降低了擠壓的可能性、并提高了末梢護(hù)罩21的壽命。表I用于Z形缺口輪廓的點(diǎn)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>通常，Z形缺口輪廓以2-維(2D)進(jìn)行描述。在該實例中，提供Z-坐標(biāo)以將2-維曲線置于3-維空間中(如圖2中所示)。曲線沿著矢量凸出(extrude)以形成平坦的表面。在一些實施例中，4壬<可點(diǎn)在X,Y和Z方向中的4壬一個方向或多個方向上的公差為提供在表I中的公稱輪廓附近的土0.015"。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，本文所提供的尺寸僅僅是說明性的而不是限制性的。即，例如其它實施例也可以實現(xiàn)。實例包括按比例設(shè)置尺寸(按比例增大或按比例縮小)的實施例，或具有其它維數(shù)或尺寸(由各種模型確定)的實施例。相應(yīng)地，通過外插、內(nèi)插、按比例調(diào)節(jié)及通過其它方法設(shè)計出的變型也在本文的教導(dǎo)之內(nèi)。在一些實施例中，輪葉20的硬化表面輪廓包括大約三十七(37)度的硬化表面角度(e)(顯示在圖3中)。用于末梢護(hù)罩輪葉的Z形缺口輪廓具有許多有利之處，其中一些有利之處包括對Z形缺口中及圍繞Z形缺口的質(zhì)量分布有更好的控制，這可導(dǎo)致更低的應(yīng)力并提高葉片的機(jī)械壽命；渦輪輪葉在發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中平滑的接合；降低擠壓的可能性并由此減少失效。盡管已參照示范性的實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但將會理解，可做出多種變化，并且可用等同物取代其中的要素，而不背離本發(fā)明的范圍。另外，可進(jìn)行多種變更，以使具體的情況或材料適應(yīng)本發(fā)明的教導(dǎo)，而不背離其本質(zhì)范圍。因此，本發(fā)明旨在不限于作為所設(shè)想用來實施本發(fā)明的最佳模式而公開的特定的實施例，而本發(fā)明將包括落入所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有實施例。.權(quán)利要求1.一種渦輪機(jī)(12)輪葉(16，20，24)，包括帶有前緣(46)和后緣(48)的末梢護(hù)罩(21)，所述前緣(46)和所述后緣(48)包括根據(jù)表I中列出的X，Y和Z的笛卡爾坐標(biāo)值的Z形缺口輪廓；其中，所述坐標(biāo)值為尺寸值，該尺寸值代表離用于所述輪葉(16，20，24)的內(nèi)坐標(biāo)系的原點(diǎn)的距離；以及其中，當(dāng)用光滑的連續(xù)弧線連接所述X和Y值時，限定所述Z形缺口輪廓。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)(12)輪葉(16,20，24),其特征在于，所述渦輪機(jī)(12)輪葉(16,20，24)形成渦輪機(jī)(12)的第二級的一部分。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)(12)輪葉(16,20，24)，其特征在于，硬化表面輪廓和硬化表面角度各包括大約三十七(37)度的角度。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)(12)輪葉(16,20，24),其特征在于，所述末梢護(hù)罩包括至少一個軸向地隔開的密封件(42,44)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)(12)輪葉(16,20,24)，其特征在于，Z形缺口圓角半徑為大約0.090英寸。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)(12)輪葉(16,20,24),其特征在于，所述Z形缺口輪廓降低低循環(huán)疲勞、蠕變和高循環(huán)疲勞中的至少一項。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)(12)輪葉(16，20,24)，其特征在于，用于所述坐標(biāo)值中任一個坐標(biāo)值的公差為在X,Y和Z方向中的任一個方向或多個方向上大約士0.015英寸。8.—種渦輪才幾(12),包括具有多個輪葉(16,20，24)的渦輪機(jī)(12)葉輪，各輪葉(16,20，24)包括帶有前緣(46)和后緣(48)的末梢護(hù)罩(21)，所述前緣(46)和所述后緣(48)包括根據(jù)表I中列出的X，Y和Z的笛卡爾坐標(biāo)值的Z形缺口輪廓；其中，所述Z值為尺寸值，該尺寸值代表離用于所述輪葉(16,20，24)的內(nèi)坐標(biāo)系的原點(diǎn)的距離；以及其中，當(dāng)用光滑的連續(xù)弧線連接所述X和Y值時，限定所述Z形缺口輪廓。'9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的渦輪機(jī)(12),其特征在于，所述輪葉(16，20,24)形成所述渦輪機(jī)(12)的第二級的一部分。10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的渦輪機(jī)(12)，其特征在于，對于至少一個所述輪葉(16，20，24),硬化表面輪廓和硬化表面角度各包括大約三十七(37)度的角度。全文摘要本發(fā)明公開了用于渦輪機(jī)葉片的Z形缺口形狀，具體而言，在一個實施例中，渦輪機(jī)(12)葉片(16，20，24)包括帶有前緣(46)和后緣(48)的末梢護(hù)罩(21)，前緣(46)和后緣(48)包括根據(jù)表I中列出的X，Y和Z的笛卡爾坐標(biāo)值的Z形缺口輪廓；其中坐標(biāo)值為尺寸值，該尺寸值代表離用于輪葉(20)的內(nèi)坐標(biāo)系的原點(diǎn)的距離；且當(dāng)用光滑的連續(xù)弧線連接X和Y值時限定Z形缺口輪廓。提供了渦輪機(jī)(12)。文檔編號F01D5/14GK101429875SQ20081017609公開日2009年5月13日申請日期2008年11月7日優(yōu)先權(quán)日2007年11月8日發(fā)明者A·I·安薩里,R·A·布里廷厄姆申請人:通用電氣公司