专利名称：：涡轮机轮叶叶冠的边缘轮廓的制作方法
技术领域：
：本发明涉及涡轮机轮叶，其具有翼型件(airfoil)以及由翼型件承载的叶冠(tipshroud)。更具体而言，本发明涉及由涡轮叶片的翼型件所承载的叶冠的前缘轮廓、后缘轮廓以及Z形边缘轮廓。
背景技术：
：用于涡轮的轮叶典型地包括翼型件、平台、柄部以及榫接部。#^妄部紧固在涡轮叶轮中的互补的槽内。翼型件时常包括一体形成的叶冠。当然，包括翼型件和叶冠的轮叶在运行时可绕着发动机中心线旋转，并且翼型件和叶冠位于热气通道中。因为叶冠安装在翼型件的末梢，所以在叶冠和翼型件末梢之间的叶冠圆角区存在相当大的应力。具体而言，由于相对于翼型件的叶冠质量不均衡，因此在翼型件与叶冠相交处的翼型件压力侧和吸入侧之间出现了圆角应力的显著差异。这种质量不均衡负面地影响了轮叶的蠕变寿命。也就是说，在前轮叶中的叶冠质量分布造成了叶冠圆角被高度加荷的并缩短了蠕变寿命。此外，某些在前的叶冠未盖住翼型件喉部，结果由于在叶冠上的流动泄漏而对级效率具有负面影响。
发明内容根据本发明的示例实施例，提供了一种包括具有叶冠的轮叶翼型件的涡轮机轮叶，该叶冠具有前缘轮廓和后缘轮廓，用来优化叶冠的质量分布以平衡叶冠的圆角应力，从而使得蠕变寿命达到最大值并且还保证了翼型件喉部的覆盖来改善级效率。具体而言，叶冠的前缘，即在涡轮的热气通道中通常轴向地面向上游的边缘，具有预定的轮廓，该轮廓包括大体上根据在点1-6和7-21处在笛卡尔坐标系中的X坐标值和Y坐标值的第一扇形凹口(scalloped)部分和第二扇形凹口部分，这些X坐标值和Y坐标值分别在表I中列出，其中，X和Y为以英寸为单位的距原点的距离，且当点1-6和点7-21分别由平滑连续的弧连接时，这些点限定了前缘叶冠轮廓的第一扇形凹口部分和第二扇形凹口部分。本发明还可以在包括具有叶冠的轮叶翼型件的涡轮机轮叶中实施，所述叶冠具有前缘和后缘，所述后缘具有预定的轮廓，该轮廓包括大体上根据在点22-41处在笛卡尔坐标系中的X坐标值和Y坐标值，这些X坐标值和Y坐标值在表I中列出，其中，X和Y为以英寸为单位的距原点的距离，且当点22-41由平滑连续的弧连接时，这些点限定了后缘叶冠轮廓的扇形凹口部分。在本发明的又一个示例实施例中，提供了一种包括具有叶冠的轮叶翼型件的涡轮机轮叶，所述叶冠具有前缘和后缘以及第一Z形边缘轮廓和第二Z形边缘轮廓，所述第一Z形边缘轮廓和第二Z形边缘轮廓具有预定的轮廓，该轮廓大体上才艮据在点42-59和60-77处在笛卡尔坐标系中的X坐标值和Y坐标值，这些X坐标^i和Y坐标值分别在表II中列出，其中，X和Y为以英寸为单位的距原点的距离，且当点42-59和点60-77分别由平滑连续的弧或线连《^妄时，这些点限定了第一Z形边缘轮廓和第二Z形边缘轮廓。通过结合附图仔细地研究本发明当前优选的示例实施例的下列更详细的说明，将会更完整地理解和懂得本发明的这些及其它的目的和优点，附图中图1为根据本发明的优选实施例的涡轮部分的示意图，该涡轮部分具有带有预定的前缘轮廓和后缘轮廓的第三级涡轮机轮叶叶冠；图2为径向向内地观察时的实施本发明的叶冠的it大端祸L图，且示出了用来确定用于表I和表II中所列点的坐标的坐标系；图3为径向向内观察时的实施本发明的叶冠的方文大端^L图，且示出了表I中所列出的点的位置；图4为径向向内观察时的实施本发明的叶冠的放大端视图，且示出了表II中所列出的点的位置；和图5为类似于图2的视图，其中，略去了坐标系且在本发明的示例实施例中示出了叶冠各部分之间的量纲关系(dimensionalrelationship)。零件清单热气通道10燃气涡轮机12喷嘴14轮叶16涡轮转子叶轮17喷嘴18轮叶20喷嘴22轮叶24热气流的方向26平台30柄部32翼型件34叶冠36叶冠端部38,40密封导轨42,44叶冠46叶冠前缘48和叶冠后缘50扇形凹口部分52，54，56切齿62,60头见定距离yl和y2石更面区6具体实施例方式现在参看附图，具体地参看图1,示出了包括多个涡轮级的燃气涡轮机12的热气通道，其一般地标示为10。示出了三个级。例如，第一级包括多个周向地隔开的喷嘴14和轮叶16。这些喷嘴彼此周向地隔开并围绕转子的轴线固定。当然，第一级4仑叶16安装在涡轮转子叶轮17上。还示出了涡轮机12的第二级，包括多个周向地隔开的喷嘴18和安装在转子上的多个周向地隔开的轮叶20。还示出了应懂得的是，喷嘴和轮叶位于涡轮机12的热气通道10中，由箭头26指示了经过热气通道10的热气流向。第三级的各轮叶24均设有平台30、柄部32以及用于与互补形状的匹配榫接部相连接的榫接部(未示出)，该匹配榫接部(也未示出)位于形成转子一部分的转子叶轮上。第三级轮叶24中的各轮叶还包括翼型件34(图2),该翼型件34在沿着翼型件从平台至翼型件末梢的任何截面处具有翼型件轮廓，如图2至图5中的虚线所示。提供了用于F类涡轮3级轮叶的实施了本发明的叶冠。参看图2至图5,各第三级轮叶均设有一般地标示为36的叶冠。叶冠36优选与轮叶一体地形成，且各叶冠在周向对置的端部38,40处接合相邻轮叶的相邻的叶冠，以在第二级轮叶的轴向位置处形成限定热气通道的大致环形的环或叶冠。如图2至图5所示，各第三级轮叶24的叶冠36包括沿着其径向外表面的第一密封导轨和第二密封导轨(即前密封导轨和后密封导轨)42,44,这些密封导轨42,44在叶冠附近形成连续的密封环，以便与固定到涡轮外壳上的叶冠46(图l)相密封。如图2所示，应懂得的是，叶冠36包括分别成形的前缘48和后缘50。成形的前缘包括第一和第二扇形凹口部分52，54，而后缘包括单个的扇形凹口部分56。前缘和后纟彖位于热气通道中的叶冠36的相反的轴向表面侧上。为了分別地限定前缘扇形凹口52,54和后缘扇形凹口56,具体地在如图2所示意性描绘的X轴和Y轴的笛卡尔坐标系中，提供了一组在空间中独特的点或点的轨迹。对于相应的扇形凹口面52，54，56,在以下表I中给出了如图3所标记的代表点的X值和Y值，且这些X值和Y值限定了前缘和后缘在沿其各个位置处的豸仑廓。用于X坐标和Y坐标的值在表I中以英寸为单位列出，尽管当这些值经过适当地转换可以采用其它的尺寸单位。通过相对于X轴和Y轴的原点限定在选定位置处的X坐标值和Y坐标值，可以确定编号为1至41的点的位置。通过用平滑的连续的弧沿着如此限定的各扇形凹口面来连接X值和Y值，可以确定各边缘轮廓。应懂得的是，这些值表示在外界条件、非运行条件或不热条件，即冷条件时的前扇形凹口边缘轮廓和后扇形凹口边缘轮廓。表I<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>的第一和第二(根据所示构造为上部和下部)周向相反的端部，具体地在如图2所示意性描绘的X轴和Y轴的笛卡尔坐标系中，提供了一组在空间中独特的点或点的轨迹。对于相应的z形，在以下表n中给出了如图4所标记的代表点的X值和Y值，并且这些X值和Y值限定了叶冠的周向相反的端部在沿其各个位置处的轮廓。用于X坐标和Y坐标的值在表II中以英寸为单位列出，尽管当这些值经过适当地转换可以采用其它的尺寸单位。通过相对于X轴和Y轴的原点限定在选定位置处的X坐标值和Y坐标值，可以确定编号为42至77的点的位置。通过用平滑的连续的线或弧沿着如此限定的各Z形来连接X值和Y值，可以确定各周向的端部边缘轮廓。应懂得的是，这些值表示在外界条件、非运行或不热条件即冷条件时的周向的端部Z形轮廓。<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>应懂得的是，存在典型的制造公差以及涂层，这些必须在叶冠边缘面的实际轮廓中予以说明。因此，在表i和表n中所给出的用于叶冠轮廓的值是用于公称(nominal)叶冠的。所以将要懂得的是，包括任何涂层厚度的+/-典型制造公差即+/-值对以上表I和表II所给出的X值、Y值是附加的。因此，在与沿着前缘、后缘和Z形的任何表面位置相垂直的方向上的+/-0.080英寸的距离，对于此具体的叶冠设计限定了沿着相应前缘、后缘和Z形的叶冠的边缘轮廓包络(envelope),即，在额定的j氐温或室温时在实际边缘轮廓上的所测点之边缘轮廓的理想位置。该叶冠设计对于此变化范围是稳健的，不会削弱机械和气动的功能，并且由大致根据表I和表II中所列出的点1-77的笛卡尔坐标值的轮廓所包含。CV7241热气通道需要第三级叶冠来满足气动效率要求。文中所限定的叶冠设计对于该系统是特有和特定的，但可相对于其它的机架尺寸缩放。因此，还要懂得的是，在以上表I和表II中所公开的叶冠可以几何地放大或缩小，以便用在其它相似的涡轮机设计中。因此，在表I和表II中所列出的坐标值可以放大或缩小，以便叶冠的前缘扇形凹口轮廓和叶冠的后缘扇形凹口轮廓以及上部Z形轮廓和下部Z形轮廓保持不变。表I和表II的坐标的缩放型式将由通过乘以或除以相同的数的表I和表II的X坐标值和Y坐标值来表示。根据本发明另外的特征，叶冠形状的特征还在于密封导轨的安放，以便优化气动益处和机械要求。更具体地，参看图5，在示例实施例中，双导轨44，42分别位于距翼型件34(图5中虚线示出)的后缘分别规定的距离a和距离b处。在所示的示例实施例中，从翼型件34的后缘到后密封导轨44的距离a为0.81+/-0.13英寸，而到前密封导轨42的距离b为1.81+/-0.13英寸。所示的密封导轨还包括分别地位于距翼型件34的后缘为规定距离yl和y2处的切齿(cuttertooth)62,60。在所示的示例实施例中，到后密封导轨44的切齿62的中点的距离yl为1.44+/-0.13英寸，而从后缘到前密封导轨42的切齿60的中点的距离y2为2.43+/-0.13英寸。还如所示的那样，所示示例实施例的再一个特性特征在于后密封导轨44和硬面区64因机械益处而定位在一起(co-located)。在示例实施例中，以及如图5中所示，硬面64相对于后密封导轨44的纵轴线成大约30至35度的角度。如图1至图5所示，所示叶冠的又一个特性特征在于,为了气动益处，在叶冠36的前缘48上具有位于翼型件的压力侧和吸入侧上的不均匀的叶冠覆盖，而在叶冠36的后缘50上具有单侧的覆盖。在上文所限定的独特的叶冠形状和导轨的安放用于优化气动益处和机械要求。提供了本发明独特的叶冠设计，以满足CV7241的气动效率要求，但同时满足叶片的机械限制。所公开的设计通过在气动设计和机械设计之间的迭代(iteration)而达成，并允许CV7241以安全和平稳的方式运转。尽管本发明已结合当前认为是最实用和优选的实施例进行了描述，但应理解的是本发明不限于所公开的实施例，而是相反地意欲涵盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同装置。权利要求1.一种包括具有叶冠(36)的轮叶翼型件(34)的涡轮机轮叶(24)，所述叶冠具有前缘(48)和后缘(50)，所述前缘(48)具有预定轮廓，所述预定轮廓包括大体上根据在点1-6和点7-21处在笛卡尔坐标系中的X坐标值和Y坐标值的第一扇形凹口部分(52)和第二扇形凹口部分(54)，所述X坐标值和Y坐标值在表I中分别列出，其中，X和Y为距原点以英寸为单位的距离，当点1-6和点7-21分别由平滑连续的弧连接时，所述点限定了所述前缘叶冠轮廓的第一扇形凹口部分和第二扇形凹口部分。2.根据权利要求1所述的涡轮机轮叶，其特征在于，所述前缘轮廓位于在与沿着所述前缘轮廓的任何位置相垂直的方向上的+/-0.080英寸的范围内的包络中。3.根据权利要求1所述的涡轮机轮叶，其特征在于，在表I中列出的所述X值和所述Y值可以作为相同的数的函数而缩》文，以提供放大或缩小的前缘轮廓。4.根据权利要求1所述的涡轮机轮叶，其特征在于，所述后缘(50)具有预定轮廓，所述预定轮廓包括大体上根据在点22-41处在笛卡尔坐标系统中的X坐标值和Y坐标值的扇形凹口部分，所述X坐标值和所述Y坐标值在表I中列出，其中，X和Y为距原点以英寸为单位的距离，当点22-41由平滑连续的弧连接时，所述点限定了所述后缘叶冠轮廓的扇形凹口部分。5.根据权利要求1所述的涡轮机轮叶，其特征在于，所述叶冠还包括第一Z形边缘轮廓和第二Z形边缘轮廓(38,40)，所述第一Z形边缘轮廓和所述第二Z形边缘轮廓具有大体上根据在点42-59和点60-77处在笛卡尔坐标系统中的X坐标值和Y坐标值的预定轮廓，所述X坐标值和所述Y坐标值在表II中分别列出，其中，X和Y为距原点以英寸为单位的距离，当点42-59和点60-77分别由平滑连续的弧或线连接时，所述点限定了所述第一z形边缘轮廓和所述第二z形边缘轮廓。6.根据权利要求1所述的涡轮机轮叶，其特征在于，所述叶冠还包括在所述叶冠的周向边缘之间延伸的第一密封导轨和第二密封导轨，即前密封导轨和后密封导轨，其中，从所述翼型件的所述后缘到所述后密封导轨的距离为大约0.81英寸而到所述前密封导轨的距离(b)为大约1.81英寸。7.根据权利要求1所述的涡轮机轮叶，其特征在于，所述叶冠还包括在所述叶冠的周向边缘之间延伸的第一密封导轨和第二密封导轨，即前密封导轨和后密封导轨，其中，所述密封导轨还包括切齿，其中，从所述翼型件的后缘到所述后密封导轨的所述切齿的中点的距离为大约1.44英寸，并且其中，从所述后缘到所述前密封导轨的所述切齿的中点的距离为大约2.43英寸。8.根据权利要求1所述的涡轮机轮叶，其特征在于，所述叶冠还包括第一Z形边缘轮廓和第二Z形边缘轮廓，其中，所述叶冠还包括在所述Z形边缘之间延伸的第一密封导轨和第二密封导轨，即前密封导轨和后密封导轨，其中，所述后密封导轨与所述Z形边缘的硬面区定位在一起。9.根据权利要求4所述的涡轮机轮叶，其特征在于，所述叶冠还包括第一Z形边缘轮廓和第二Z形边缘轮廓(38,40)，所述第一Z形边缘轮廓和所述第二Z形边缘轮廓具有大体上根据在点42-59和点60-77处在笛卡尔坐标系统中的X坐标值和Y坐标值的预定轮廓，所述X坐标值和所述Y坐标值在表II中分别列出，其中，X和Y为距原点以英寸为单位的距离，当点42-59和点60-77分别由平滑连续的弧或线连接时，所述点限定了所述第一Z形边缘轮廓和所述第二Z形边缘轮廓。10.根据权利要求4所述的涡轮机轮叶，其特征在于，所述叶冠还包括在所述叶冠的周向边缘之间延伸的第一密封导轨和第二密封导轨，即前密封导轨和后密封导轨，其中，从所述翼型件的所述后缘到所述后密封导轨的距离为大约0.81英寸，而到所述前密封导轨的距离(b)为大约1.81英寸。全文摘要本发明涉及涡轮机轮叶叶冠的边缘轮廓。涡轮机轮叶(24)包括具有叶冠(36)的轮叶翼型件(34)，该叶冠(36)带有包括两个扇形凹口面(52，54)的前缘(48)和包括第三扇形凹口面(56)的后缘(50)，限定了大体上根据如表I中所列出的点1-41的X和Y的笛卡尔坐标值的前缘轮廓和后缘轮廓。X值和Y值是以英寸为单位的距离，当由平滑连续的弧连接时，它们限定了前缘叶冠扇形凹口轮廓和后缘叶冠扇形凹口轮廓。该叶冠还具有第一Z形边缘轮廓和第二Z形边缘轮廓(38，40)即上Z形边缘轮廓和下Z形边缘轮廓，其大体上根据如表II中分别列出的点42-59和点60-77的X和Y的笛卡尔坐标值。文档编号F01D5/14GK101372895SQ20081021368公开日2009年2月25日申请日期2008年8月22日优先权日2007年8月22日发明者B·R·赖卡,J·C·佩里二世,S·B·B·陈,S·巴鲁亚,T·丘拉托申请人:通用电气公司