渦輪葉片及用于延長渦輪葉片壽命的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及一種燃?xì)鉁u輪機(jī)的渦輪葉片。具體來說，本發(fā)明涉及一種具有布置在銷組陣列中的銷的渦輪葉片以及用于增強(qiáng)所述渦輪葉片的機(jī)械性能的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]燃?xì)鉁u輪機(jī)的渦輪部分通常包括連接到轉(zhuǎn)子軸的多行或多級渦輪葉片。第一行固定輪葉可以設(shè)置在第一行渦輪葉片上游的渦輪部分入口處。后續(xù)行的定子輪葉在后續(xù)行的渦輪葉片之間設(shè)置在渦輪部分內(nèi)。外殼圍繞各行固定輪葉和渦輪葉片，以限定穿過所述渦輪部分的高溫氣體通道。運(yùn)行中，高溫燃燒氣體穿過所述第一行固定輪葉以及限定在渦輪部分內(nèi)的高溫氣體通道。通過固定輪葉和渦輪葉片提取燃燒氣體中的熱能和/或動(dòng)能，致使渦輪葉片移動(dòng)，從而使得轉(zhuǎn)子軸旋轉(zhuǎn)。
[0003]由于高溫氣體通道內(nèi)的高溫環(huán)境，一些渦輪葉片至少部分中空，從而限定其中的內(nèi)部冷卻通道。諸如壓縮空氣或蒸汽等冷卻介質(zhì)可以穿過冷卻通道，從而提高渦輪葉片的熱性能。具體來說，在渦輪葉片設(shè)計(jì)中，多個(gè)銷或針狀翼片通常在渦輪葉片的后緣部分附近延伸在所述冷卻通道內(nèi)位于渦輪葉片的壓力側(cè)與吸入側(cè)之間。所述銷可提高傳熱效率并且可以向渦輪葉片提供結(jié)構(gòu)支撐。
[0004]多個(gè)因素，例如旋轉(zhuǎn)力、吸入側(cè)與壓力側(cè)之間的不均勻熱增長以及來自前一行固定輪葉的燃燒氣體的壓力波動(dòng)所導(dǎo)致的振動(dòng)力，可能導(dǎo)致渦輪葉片上位于銷的第一端與第二端之間以及壓力側(cè)與吸入側(cè)之間的連接點(diǎn)處產(chǎn)生峰值穩(wěn)態(tài)應(yīng)力和峰值振動(dòng)應(yīng)力。傳統(tǒng)銷設(shè)計(jì)在靜止和振動(dòng)條件下的硬度均勻，而這在任一條件下均不是最佳的。因此，可能需要改進(jìn)銷以及用于增強(qiáng)渦輪葉片的整體機(jī)械性能的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的各個(gè)方面和優(yōu)點(diǎn)如以下說明中所述，或者可以從說明書中清楚地了解到，或者可以通過實(shí)踐本發(fā)明了解到。
[0006]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是一種渦輪葉片。所述渦輪葉片包括前緣、后緣、壓力側(cè)壁和吸入側(cè)壁。所述壓力側(cè)壁和吸入側(cè)壁延伸在所述前緣與后緣之間。冷卻通道限定在所述壓力側(cè)壁與吸入側(cè)壁之間。銷設(shè)置在所述冷卻通道內(nèi)。所述銷包括連接到所述壓力側(cè)壁的第一端以及連接到所述吸入側(cè)壁的第二端。徑向定向圓角沿所述第一端或所述第二端中的至少一端的外周設(shè)置在峰值穩(wěn)態(tài)應(yīng)力區(qū)域內(nèi)。所述徑向定向圓角具有最大曲率半徑值。軸向定向圓角沿所述第一端或所述第二端中的至少一端的外周設(shè)置在峰值振動(dòng)應(yīng)力區(qū)域內(nèi)。所述軸向定向圓角具有最大曲率半徑值，所述最大曲率半徑值大于所述徑向定向圓角的所述最大曲率半徑值。
[0007]本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例是一種燃?xì)鉁u輪機(jī)。所述燃?xì)鉁u輪機(jī)包括壓縮機(jī)、設(shè)置在所述啊壓縮機(jī)下游的燃燒器以及具有多個(gè)可旋轉(zhuǎn)渦輪葉片的渦輪。至少一個(gè)所述渦輪葉片包括翼片，所述翼片具有前緣、后緣、壓力側(cè)壁和吸入側(cè)壁，所述壓力側(cè)壁和吸入側(cè)壁徑向延伸在根部與肩部之間以及所述前緣與后緣之間。冷卻通道限定在所述后緣附近的所述壓力側(cè)壁與吸入側(cè)壁之間。所述渦輪葉片包括銷，所述銷設(shè)置在所述冷卻通道內(nèi)。所述銷包括連接到所述壓力側(cè)壁的第一端以及連接到所述吸入側(cè)壁的第二端。徑向定向圓角沿所述第一端或所述第二端中的至少一端的外周設(shè)置在峰值穩(wěn)態(tài)應(yīng)力區(qū)域內(nèi)。所述徑向定向圓角具有最大曲率半徑值。軸向定向圓角沿所述第一端或所述第二端中的至少一端的外周設(shè)置在峰值振動(dòng)應(yīng)力區(qū)域內(nèi)。所述軸向定向圓角具有最大曲率半徑值，所述最大曲率半徑值大于所述徑向定向圓角的所述最大曲率半徑值。
[0008]本發(fā)明還包括一種增強(qiáng)渦輪葉片的機(jī)械耐久性的方法，所述渦輪葉片具有壓力側(cè)壁、吸入側(cè)壁、限定在兩者之間的冷卻通道以及設(shè)置在所述冷卻通道內(nèi)的至少一個(gè)銷。所述銷包括連接到所述壓力側(cè)壁的第一端以及連接到所述吸入側(cè)壁的第二端。所述方法包括:沿所述銷的所述第一端和所述第二端中的至少一端的外周確定至少一個(gè)峰值穩(wěn)態(tài)應(yīng)力區(qū)域；沿所述峰值穩(wěn)態(tài)區(qū)域附近的相應(yīng)外周限定徑向定向圓角，其中所述徑向定向圓角具有沿所述相應(yīng)外周的限定最大曲率半徑值的點(diǎn)。所述方法進(jìn)一步包括沿所述銷的所述第一端和所述第二端中的至少一端的外周確定至少一個(gè)峰值振動(dòng)應(yīng)力區(qū)域。所述方法還包括沿所述峰值振動(dòng)應(yīng)力區(qū)域附近的相應(yīng)外周限定軸向定向圓角，其中所述軸向定向圓角包括限定最大曲率半徑值的點(diǎn)，其中所述軸向定向圓角的所述最大曲率半徑值大于所述徑向定向圓角的所述最大曲率半徑值。
[0009]閱讀說明書之后，所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員將更好地了解此類實(shí)施例的特征和方面以及其他內(nèi)容。
【附圖說明】
[0010]說明書的剩余部分，包括附圖參考，向所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員更具體地闡述了本發(fā)明的完整和可實(shí)施內(nèi)容，包括其最佳模式，在附圖中:
[0011]圖1是可包括本發(fā)明多個(gè)實(shí)施例的示例性燃?xì)鉁u輪機(jī)的實(shí)例；
[0012]圖2是可包括本發(fā)明多個(gè)實(shí)施例的示例性渦輪葉片的透視圖；
[0013]圖3是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的沿圖2中的線3-3截取的渦輪葉片的截面俯視圖；
[0014]圖4是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的沿圖2中的線4-4截取的渦輪葉片的截面?zhèn)纫晥D；
[0015]圖5是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的圖3中所示的渦輪葉片的局部放大俯視圖，其中所述渦輪葉片包括設(shè)置在冷卻通道內(nèi)的示例性銷；
[0016]圖6是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的圖2中所示的渦輪葉片的局部放大正視圖，其中所述渦輪葉片包括圖5中所示的設(shè)置在冷卻通道內(nèi)的示例性銷；
[0017]圖7是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的如圖5和圖6中所示的銷的一端的截面?zhèn)纫晥D；
[0018]圖8是根據(jù)本發(fā)明至少一個(gè)實(shí)施例的如圖5和圖6中所示的銷的第一端的截面放大側(cè)視圖；
[0019]圖9是根據(jù)本發(fā)明至少一個(gè)實(shí)施例的渦輪葉片的局部放大截面正視圖，其中所述渦輪葉片包括如圖8中所示的銷；
[0020]圖10是根據(jù)本發(fā)明至少一個(gè)實(shí)施例的如圖9中所示的銷的第二端的截面放大側(cè)視圖；
[0021]圖11是根據(jù)本發(fā)明至少一個(gè)實(shí)施例的如圖2中所示的渦輪葉片的局部放大截面俯視圖；
[0022]圖12是根據(jù)本發(fā)明至少一個(gè)實(shí)施例的示例性銷的放大截面?zhèn)纫晥D，其中所述示例性銷代表所述示例性銷的第一端或第二端；
[0023]圖13是根據(jù)本發(fā)明至少一個(gè)實(shí)施例的渦輪葉片的局部放大截面俯視圖，其中所述渦輪葉片包括如圖12中所示的銷；以及
[0024]圖14是根據(jù)本發(fā)明至少一個(gè)實(shí)施例的一種用于增強(qiáng)渦輪葉片的耐久性的方法的方框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]現(xiàn)在將詳細(xì)參考本發(fā)明的各項(xiàng)實(shí)施例，附圖中圖示了本發(fā)明實(shí)施例的一個(gè)或多個(gè)實(shí)例。【具體實(shí)施方式】使用數(shù)字和字母標(biāo)識(shí)來指示附圖中的特征。附圖和說明中的相同或類似標(biāo)識(shí)用于指代本發(fā)明中的相同或類似部分。本說明書中所用的術(shù)語“第一”、“第二”和“第三”可以互換使用以區(qū)分不同部件，并且這些術(shù)語并不旨在表示各個(gè)部件的位置或重要性。術(shù)語“上游”和“下游”是指相對于流體通路中的流體流動(dòng)的相對方向。例如，“上游”是指流體流動(dòng)的來向，而“下游”是指流體流動(dòng)的去向。術(shù)語“徑向”是指實(shí)質(zhì)垂直于特定部件的軸向中心線的相對方向，而術(shù)語“軸向”是指實(shí)質(zhì)平行于特定部件的軸向中心線或與其共軸對齊的相對方向。
[0026]每個(gè)實(shí)例均以解釋本發(fā)明，而非限制本發(fā)明的方式提供。事實(shí)上，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將清楚地了解，在不脫離本發(fā)明的范圍或精神的前提下，可以對本發(fā)明做出各種修改和改變。例如，可以將說明或描述為某個(gè)實(shí)施例的一部分的特征用到另一個(gè)實(shí)施例中，從而得到又一個(gè)實(shí)施例。因此，本發(fā)明應(yīng)涵蓋隨附權(quán)利要求書及其等效物的范圍內(nèi)的此類修改和改變。盡管出于說明目的，本發(fā)明的示例性實(shí)施例將在工業(yè)或陸上燃?xì)鉁u輪機(jī)的上下文中做一般性地描述，但所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可清楚地認(rèn)識(shí)到，除非在權(quán)利要求中做特別說明，否則本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例可以用于航空燃?xì)鉁u輪機(jī)或船用燃?xì)鉁u輪機(jī)等任何渦輪機(jī)，且不限于工業(yè)或陸上燃?xì)鉁u輪機(jī)。
[0027]現(xiàn)在參見附圖，其中類似的數(shù)字是指類似部件，圖1示出了可包括本發(fā)明多個(gè)實(shí)施例的燃?xì)鉁u輪機(jī)10的實(shí)例。如圖所示，燃?xì)鉁u輪機(jī)10包括:壓縮機(jī)部分12 ;燃燒部分14，所述燃燒部分具有設(shè)置在壓縮機(jī)部分12下游的一個(gè)或多個(gè)燃燒器16 ;以及渦輪部分18，所述渦輪部分設(shè)置在燃燒部分14的下游。渦輪部分18通常包括連接到轉(zhuǎn)子軸22的多行或多級渦輪葉片20。第一行24的固定輪葉26可以設(shè)置在第一行28的渦輪葉片20的上游位于渦輪部分18的入口處。后續(xù)行的固定輪葉26設(shè)置在渦輪部分18內(nèi)位于后續(xù)行的渦輪葉片20之間處。外殼30圍繞這些行固定輪葉和渦輪葉片以至少部分限定穿過渦輪部分18的高溫氣體通道。
[0028]運(yùn)行中，空氣等工作流體32進(jìn)入壓縮機(jī)部分12的壓縮機(jī)36的入口 34。隨著工作流體32穿過壓縮機(jī)36流向燃燒部分14，該工作流體漸進(jìn)地壓縮，以向燃燒部分14提供壓縮工作流體38。燃料在每個(gè)燃燒器16內(nèi)與壓縮工作流體38混合，所述混合物燃燒以產(chǎn)生高溫高速的燃燒氣體40。燃燒氣體40從每個(gè)燃燒器16經(jīng)由第一行24的固定輪葉26流過限定在渦輪部分18內(nèi)的高溫氣體通道。通過固定輪葉26和渦輪葉片20提取燃燒氣體40中的熱