用于压缩器的翼型形状的制作方法
【专利摘要】本发明提供用于压缩器的翼型形状，该压缩器的翼型形状所对应的制品具有大致根据可缩放表中所述的X、Y和Z的笛卡尔坐标值的标称翼型轮廓，可缩放表选自表1-11，其中X、Y和Z的笛卡尔坐标值是无量纲值，通过X、Y和Z的笛卡尔坐标值乘以某个数使该无量纲值可转换为量纲距离，并且其中X和Y是当由连续弧连接时限定每个Z高度处的翼型轮廓部段的坐标，每个Z高度处的翼型轮廓部段彼此联接以形成完整的翼型形状。
【专利说明】用于压缩器的翼型形状
[0001]相关申请[0002]本申请与以下美国专利申请相关，申请号分别为:13/526832，13/526893，13/526920，13/526941，上述申请均通过引用完整地被合并于本申请中并且构成本申请的一部分。
【技术领域】
[0003]本发明总体上涉及一种用于涡轮机械中的翼型，并且更特别地涉及一种用于压缩器中的翼型轮廓或翼型形状。
【背景技术】
[0004]在涡轮机械中，应当在涡轮机械的流动路径的每一级满足许多系统要求以符合设计目标。这些设计目标包括但不限于改善总效率、减小振动响应和改善翼型负荷能力。例如，压缩器翼型轮廓应当实现压缩器中的特定级的热和机械操作要求。而且，也应当满足部件寿命、可靠性和成本目标。
【发明内容】
[0005]根据本发明的一个方面，提供一种制品，该制品具有大致根据可缩放表中所述的X、Y和Z的笛卡尔坐标值的标称翼型轮廓，可缩放表选自表1-11，其中X、Y和Z的笛卡尔坐标值是无量纲值，通过X、Y和Z的笛卡尔坐标值乘以某个数使无量纲值可转换为量纲距离，并且其中X和Y是当由连续弧连接时限定每个Z高度处的翼型轮廓部段的坐标，每个Z高度处的翼型轮廓部段彼此联接以形成完整的翼型形状。
[0006]所述制品包括翼型。
[0007]所述制品包括配置成用于与压缩器一起使用的定子轮叶。
[0008]所述吸力侧翼型形状位于在下列的至少一个内的包络中:
[0009]在垂直于吸力侧翼型表面位置的方向上的弦长的+/-5% ;以及
[0010]在垂直于吸力侧翼型表面位置的方向上的+/-0.25英寸。
[0011]用于将无量纲值转换为量纲距离的所述数是下列的至少一种:分数、小数、整数和带分数。
[0012]所述制品的高度为大约I英寸至大约20英寸。
[0013]所述制品还包括具有大致根据所述可缩放表中所述的X、Y和Z的压力侧笛卡尔坐标值的压力侧标称翼型轮廓的制品，其中Χ、Y和Z的笛卡尔坐标值是无量纲值，通过所述X、Y和Z的笛卡尔坐标值乘以某个数使所述无量纲值可转换为量纲距离，并且其中X和Y是当由连续弧连接时限定每个Z高度处的翼型轮廓部段的坐标，每个Z高度处的翼型轮廓部段彼此联接以形成完整的压力侧翼型形状，x、Y和Z值可根据所述数缩放以提供非缩放、放大和缩小翼型中的至少一种。
[0014]根据本发明的另一方面，提供一种制品，该制品具有大致根据可缩放表中所述的X、Y和Z的吸力侧笛卡尔坐标值的吸力侧标称翼型轮廓，可缩放表选自表1-11，其中X、y和Z的笛卡尔坐标值是无量纲值，通过X、Y和Z的笛卡尔坐标值乘以某个数使无量纲值可转换为量纲距离，并且其中X和Y是当由连续弧连接时限定每个Z高度处的翼型轮廓部段的坐标，每个Z高度处的翼型轮廓部段彼此联接以形成完整的吸力侧翼型形状，X、y和Z坐标值可根据上述某个数缩放以提供非缩放、放大和缩小翼型轮廓中的至少一种。根据本发明的又一方面，提供一种包括多个定子轮叶的压缩器，定子轮叶的每一个包括具有吸力侧翼型形状的翼型，翼型具有大致根据可缩放表中所述的X、Y和Z的吸力侧笛卡尔坐标值的标称轮廓，可缩放表选自表1-11，其中X、Y和Z的笛卡尔坐标值是无量纲值，通过X、y和Z的笛卡尔坐标值乘以某个数使无量纲值可转换为量纲距离，并且其中X和Y是当由连续弧连接时限定每个Z高度处的翼型轮廓部段的坐标，每个Z高度处的翼型轮廓部段彼此联接以形成完整的吸力侧翼型形状。
[0015]所述吸力侧翼型形状位于在下列的至少一个内的包络中:
[0016]在垂直于吸力侧翼型表面位置的方向上的弦长的+/-5% ;以及
[0017]在垂直于吸力侧翼型表面位置的方向上的+/-0.25英寸。
[0018]用于将无量纲值转换为量纲距离的所述数是下列的至少一种:分数、小数、整数和带分数。
[0019]每个可变定子轮叶的高度为大约1英寸至大约20英寸。
[0020]所述压缩器还包括多个定子轮叶，每个定子轮叶具有大致根据所述可缩放表中所述的X、y和Z的压力侧笛卡尔坐标值的压力侧标称翼型轮廓，其中X、y和Z的笛卡尔坐标值是无量纲值，通过所述X、Y和Z的笛卡尔坐标值乘以所述数使所述无量纲值可转换为量纲距离，并且其中X和Y是当由连续弧连接时限定每个Z高度处的翼型轮廓部段的坐标，每个Z高度处的翼型轮廓部段彼此联接以形成完整的压力侧翼型形状。
[0021]所述压力侧翼型形状位于在下列的至少一个内的包络中:
[0022]在垂直于压力侧翼型表面位置的方向上的弦长的+/-5% ;以及
[0023]在垂直于压力侧翼型表面位置的方向上的+/-0.25英寸。
[0024]用于将无量纲值转换为量纲距离的所述数是下列的至少一种:分数、小数、整数和带分数。
[0025]通过回顾结合若干附图和附带的权利要求进行的以下详细描述，本领域的普通技术人员将易于理解本发明的这些和其它特征和改进。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是通过多个级的压缩器流动路径的示意图并且示出根据本发明的一个方面的示例性压缩器级；
[0027]图2是根据本发明的一个方面的定子轮叶的透视图；以及
[0028]图3是根据本发明 的一个方面的大体关于图2中的线3-3获得的定子轮叶翼型的横截面图。
【具体实施方式】
[0029]下面将描述本发明的一个或多个具体方面/实施例。为了设法提供这些方面/实施例的简明描述，可能未在说明书中描述实际实现方式的所有特征。应当领会在任何这样的实际实现方式的开发中，与任何工程或设计项目中一样，必须做出许多具体实施的决定以实现开发者的特定目标，例如符合可能在实现方式之间不同的机器相关、系统相关和商业相关限制。而且，应当领会这样的开发工作可能是复杂且耗时的，但是仍然是受益于本发明的普通技术人员能够进行设计、生产和制造的常规工作。
[0030]当介绍本发明的各实施例的要素时冠词“一”、“上述”和“所述”旨在表示有一个或以上的要素。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在是包含性的并且表示可以有除了列出要素以外的附加要素。操作参数和/或环境条件的例子不排除所公开的实施例的其它参数/条件。另外，应当理解提及本发明的“一个实施例”、“一个方面”或“实施例”或“方面”不应当解释为排除也包含叙述特征的附加实施例或方面的存在。涡轮机械被限定为在转子和流体之间或反过来传递能量的一个或多个机器，包括但不限于燃气涡轮机、蒸汽涡轮机和压缩器。
[0031]现在参考附图，图1示出包括多个压缩器级的压缩器2的轴向压缩器流动路径I。压缩器2可以与燃气涡轮机结合或作为燃气涡轮机的一部分使用。仅仅作为一个非限定性例子，压缩器流动路径I可以包括大约十八个转子/定子级。然而，转子和定子级的实际数量是工程设计的选择，并且可以大于或小于所示的十八个级。应当理解任何数量的转子和定子级可以设在压缩器中，如本发明所体现的。十八个级仅仅是一个涡轮机/压缩器设计的示例，并且不旨在以任何其他方式限制本发明。
[0032]压缩器转子叶片22将动能施加到气流并且因此引起期望的压力升高。定子压缩器轮叶23的级紧跟转子叶片22。然而，在一些设计中定子轮叶可以在转子叶片之前。转子叶片和定子轮叶都使气流转向、减慢气流速度(在相应的翼型参考系中)并且使气流的静压力升高。典型地，多排转子/定子级布置在轴流式压缩器中以获得期望的排放-入口压力比(discharge to inlet pressure ratio)。每个转子叶片和定子轮叶包括翼型，并且这些翼型可以通过适当的附连配置固定到转子轮或定子罩，所述附连配置也被称为“根部”、“基部”或“鸠尾榫”。另外，压缩器也可以包括入口引导轮叶(IGVs) 21、可变定子轮叶(VSVs)25以及出口或排出口引导轮叶(EGV) 27s。VSVs和EGVs级的具体数量不限于图示，并且可以在特定应用中根据需要发生变化。所有这些叶片和轮叶具有翼型，所述翼型作用于穿过压缩器流动路径I的介质(例如，空气)。
[0033]在图1中示出压缩器2的示例性级。压缩器2的一个级包括安装在转子轮51上的多个周向间隔转子叶片22和附连到静态压缩器罩59的多个周向间隔定子轮叶23。每个转子轮51可以附连到后驱动轴58，所述后驱动轴可以连接到发动机的涡轮机部段。转子叶片22和定子轮叶23位于压缩器2的流动路径I中。如本发明所体现，通过压缩器流动路径I的气流的方向由箭头60 (图1)指示，并且在图示中大体上从左向右流动。本文中的压缩器2的转子叶片和定子轮叶仅仅是在本发明的范围内的压缩器2的级的示例。另外，每个入口引导轮叶21、转子叶片22、定子轮叶23、可变定子轮叶25和出口引导轮叶27可以被视为制品(article of manufacture)。此外,制品可以包括配置成用于与压缩器一起使用的定子轮叶。
[0034]图2中所示的定子轮叶23带有翼型200。每个定子轮叶23具有在从翼型根部220到翼型尖端210的任何横截面处的翼型轮廓。翼型连接到安装基部260，安装基部260也可以被称为鸠尾榫。安装基部配合到罩59中的形状互补的凹槽或狭槽中。
[0035]参考图3，将领会每个定子轮叶23具有翼型200，如图所示。翼型200具有吸力侧310和压力侧320。吸力侧310相对于压力侧320位于翼型的相对侧。因此，每个定子轮叶23具有从翼型200的形状中的任何横截面处所得的翼型轮廓。翼型200也包括前缘330和后缘340，以及在前缘和后缘之间延伸的弦长350。翼型的根部对应于可缩放表1-11的最低无量纲Z值。翼型的尖端对应于可缩放表1-11的最高无量纲Z值。翼型可以延伸超出压缩器流动路径并且可以翻转以获得期望端壁间隙(endwall clearances)。仅仅作为非限定性例子，翼型200的高度可以为大约I英寸至大约20英寸或以上、大约2英寸至大约12英寸、或者大约4英寸至大约9英寸。然而，可以根据需要在特定应用中使用任何特定翼型高度。
[0036]压缩器流动路径I需要满足空气动力学和机械叶片/轮叶负荷和效率的系统要求的翼型。例如，理想的翼型是设计成能够减小相应叶片和/或轮叶的振动响应或振动应力响应。诸如高强度合金、不腐蚀合金和/或不锈钢的材料可以用于叶片和/或轮叶中。为了限定每个叶片翼型和/或轮叶翼型的翼型形状，存在满足级要求并且可以被制造的空间中的点的唯一集合或轨迹。点的这些唯一轨迹满足级效率的要求，并且由能够使涡轮机和压缩器以高效、安全、可靠和平稳的方式运转的空气动力学和机械负荷之间的迭代获得(arrived at by iteration)。这些点是系统唯一和特定的。限定翼型轮廓的轨迹包括相对于参考原点坐标系具有X、Y和Z坐标的点的集合。在下面的可缩放表1-11中给出的X、Y和Z值的三维笛卡尔坐标系限定沿其长度的各位置处的可变定子轮叶翼型的轮廓。可缩放表1-11列出无涂层翼型的数据。坐标的包络/公差(envelope/tolerance)是在垂直于任何翼型表面位置的方向上的弦长350的大约+/-5%，或在垂直于任何翼型表面位置的方向上的大约+/-0.25英寸。然而，也可以在特定应用中根据需要使用在垂直于翼型表面位置的方向上的大约+/-0.15英寸至大约+/-0.25英寸、或大约+/-3%至大约+/-5%的公差。
[0037]点数据原点230可以根据需要是翼型的基部的吸力侧或压力侧的中点、翼型的基部的前缘或后缘、或任何其它合适的位置。X、Y和Z坐标的坐标值由可缩放表1-11中的无量纲单位描述，但是当适当地转换所述值时可以使用其它量纲单位。仅仅作为一个例子，通过Χ、Υ和Z值乘以常数(例如100)，Χ、Υ和Z的笛卡尔坐标值可以转换为量纲距离。用于将无量纲值转换为量纲距离的数可以是分数(例如1/2、1/4等)、小数(例如0.5、1.5、
10.25等)、整数(例如1、2、10、100等)或带分数(例如11/2、101/4等)。量纲距离可以是任何合适的格式(例如英寸、英尺、毫米、厘米、米等)。仅仅作为一个非限定性例子，笛卡尔坐标系具有正交相关(orthogonally-related)的X、Y和Z轴，并且X轴大体平行于压缩器转子中心线(即，旋转轴)定位，并且正X坐标值轴向向后，即朝着涡轮机的排气端。正Y坐标值在转子的旋转方向上切向地延伸，并且正Z坐标值径向向外朝着转子叶片尖端、或定子轮叶基部。可缩放表1-11中的所有值在室温下给出并且未填充(unfilleted)。
[0038]通过限定在垂直于X、Y平面的Z方向(或高度)上的选定位置处的X和Y坐标值，在沿着翼型的长度的每个Z高度处的翼型的轮廓截面或翼型形状可以被确定。通过用平滑连续弧连接X和Y值，在每个Z高度处的每个轮廓截面被固定。通过使相邻轮廓截面彼此平滑地连接以形成翼型轮廓，确定每个Z高度之间的各表面位置的翼型轮廓。
[0039]翼型的轮廓以从零至四或以上的小数位生成并且由显示在表1-11中的值来确定。当翼型升温时，相关应力和温度将导致X、Y和Z的变化。因此，表1-11中给出的翼型的轮廓的值表示自然环境、非操作或非热条件(例如室温)并且用于无涂层翼型。
[0040]在翼型的实际轮廓中必须考虑典型的制造公差以及可选涂层。每个部段与其它部段平滑地联接以形成完整的翼型形状。所以将领会包括任何涂层厚度的+/_典型制造公差(即+/-值)加入下面的表1-11中给出的X和Y值。因此，在垂直于沿着翼型轮廓的表面位置的方向上的弦长的大约+/-5%和/或+/-0.25英寸的距离用于限定该特定叶片翼型设计和压缩器的翼型轮廓包络，即在标称冷温或室温下实际翼型表面上的被测量点和在相同温度下如下面的表中给出的那些点的理想位置之间的变化范围。另外，在垂直于沿着翼型轮廓的翼型表面位置的方向上的弦长的大约+/-5%的距离也可以限定该特定翼型设计的翼型轮廓包络。数据是可缩放的，并且几何形状涉及等于、高于和/或低于大约3，600RPM的所有空气动力学比例。定子轮叶翼型设计对于该变化范围是稳定的而不损害机械和空气动力学功能。
[0041]在下面的可缩放表1-11中给出的坐标值提供用于压缩器定子轮叶的示例性级的标称轮廓(nominal profile)。
[0042]表1
【权利要求】
1.一种制品，所述制品具有大致根据可缩放表中所述的X、Y和Z的吸力侧笛卡尔坐标 值的吸力侧标称翼型轮廓，所述可缩放表选自表1-11，其中所述X、Y和Z的笛卡尔坐标值是 无量纲值，通过所述X、Y和Z的笛卡尔坐标值乘以某个数使所述无量纲值可转换为量纲距 离，并且其中X和Y是当由连续弧连接时限定每个Z高度处的翼型轮廓部段的坐标，每个Z 高度处的翼型轮廓部段彼此联接以形成完整的吸力侧翼型形状，X、Y和Z坐标值可根据所 述数缩放以提供非缩放、放大和缩小翼型轮廓中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的制品，其特征在于，所述制品包括翼型。
3.根据权利要求1所述的制品，其特征在于，所述制品包括配置成用于与压缩器一起 使用的定子轮叶。
4.根据权利要求1所述的制品，其特征在于，所述吸力侧翼型形状位于在下列的至少 一个内的包络中：在垂直于吸力侧翼型表面位置的方向上的弦长的+/_5% ;以及在垂直于吸力侧翼型表面位置的方向上的+/-0. 25英寸。
5.根据权利要求1所述的制品，其特征在于，用于将无量纲值转换为量纲距离的所述 数是下列的至少一种：分数、小数、整数和带分数。
6.根据权利要求1所述的制品，其特征在于，所述制品的高度为大约1英寸至大约20 英寸。
7.根据权利要求1所述的制品，其特征在于，所述制品还包括具有大致根据所述可缩 放表中所述的X、Y和Z的压力侧笛卡尔坐标值的压力侧标称翼型轮廓的制品，其中X、Y和 Z的笛卡尔坐标值是无量纲值，通过所述X、Y和Z的笛卡尔坐标值乘以某个数使所述无量 纲值可转换为量纲距离，并且其中X和Y是当由连续弧连接时限定每个Z高度处的翼型轮 廓部段的坐标，每个Z高度处的翼型轮廓部段彼此联接以形成完整的压力侧翼型形状，X、Y 和Z值可根据所述数缩放以提供非缩放、放大和缩小翼型中的至少一种。
8.一种包括多个定子轮叶的压缩器，所述定子轮叶的每一个包括具有吸力侧翼型形状 的翼型，所述翼型具有大致根据可缩放表中所述的X、Y和Z的吸力侧笛卡尔坐标值的标称 轮廓，所述可缩放表选自表1-11，其中X、Y和Z的笛卡尔坐标值是无量纲值，通过所述X、Y 和Z的笛卡尔坐标值乘以某个数使所述无量纲值可转换为量纲距离，并且其中X和Y是当 由连续弧连接时限定每个Z高度处的翼型轮廓部段的坐标，每个Z高度处的翼型轮廓部段 彼此联接以形成完整的吸力侧翼型形状。
9.根据权利要求8所述的压缩器，其特征在于，所述吸力侧翼型形状位于在下列的至 少一个内的包络中：在垂直于吸力侧翼型表面位置的方向上的弦长的+/_5% ;以及在垂直于吸力侧翼型表面位置的方向上的+/-0. 25英寸。
10.根据权利要求8所述的压缩器，其特征在于，用于将无量纲值转换为量纲距离的所 述数是下列的至少一种：分数、小数、整数和带分数。
11.根据权利要求8所述的压缩器，其特征在于，每个可变定子轮叶的高度为大约1英 寸至大约20英寸。
12.根据权利要求8所述的压缩器，其特征在于，所述压缩器还包括多个定子轮叶，每 个定子轮叶具有大致根据所述可缩放表中所述的X、Y和Z的压力侧笛卡尔坐标值的压力侧标称翼型轮廓，其中χ、Y和Z的笛卡尔坐标值是无量纲值，通过所述Χ、Y和Z的笛卡尔坐标值乘以所述数使所述无量纲值可转换为量纲距离，并且其中X和Y是当由连续弧连接时限定每个Z高度处的翼型轮廓部段的坐标，每个Z高度处的翼型轮廓部段彼此联接以形成完整的压力侧翼型形状。
13.根据权利要求12所述的压缩器，其特征在于，所述压力侧翼型形状位于在下列的至少一个内的包络中:在垂直于压力侧翼型表面位置的方向上的弦长的+/-5% ;以及在垂直于压力侧翼型表面位置的方向上的+/-0.25英寸。
14.根据权利要求12所述的压缩器，其特征在于，用于将无量纲值转换为量纲距离的所述数是下列的至少一种:分数、小数、整数和带分数。
【文档编号】F04D29/38GK103511343SQ201310244011
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年6月19日 优先权日:2012年6月19日
【发明者】M.J.麦基弗, 刘罡, U.贾格, R.W.墨菲, E.C.舒尔, M.J.杜特卡, G.伦加拉延, P.G.德尔弗诺瓦, 邱亚天, R.C.贝哈里辛赫, M.E.布罗姆, S.K.纳伦德兰 申请人:通用电气公司