CN106121734B - 一种叶片，包括该叶片的燃气涡轮机，以及制造该叶片的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种叶片(10)，其包括前缘(12)、后缘(14)、压力面(16)、吸力面(18)、根端(23)和尖端(24)，叶片(10)包括附接至尖端(24)的尖端罩(22)，所述尖端罩(22)包括平台(31，32)和翼片(40)，其中翼片(40)包括面朝叶片前缘(12)的前缘侧(43)、面朝叶片后缘(14)的后缘侧(44)、后端(42)和前端(41)，所述前缘侧(43)和所述后缘侧(44)在后端(42)和前端(41)之间延伸，翼片(40)在叶片的尖端(24)处以与叶片(10)的弦成一角度延伸穿过叶片尖端(24)，其中平台包括第一平台部(31)和第二平台部(32)。

Description

一种叶片，包括该叶片的燃气涡轮机，以及制造该叶片的方法

技术领域

本发明涉及一种具有尖端罩的叶片，尤其是涉及包括翼片和平台的具有尖端罩的叶片。

背景技术

重型燃气涡轮机的涡轮机叶片被要求在不利环境中可靠高速地运转。对于倾向于很长的、将相当大应变置于叶片的末级涡轮机叶片尤其如此。现有的叶片设计能够提供振动阻尼，轻量设计，或者最小的尖端上泄露流，但是难以同时在这几个方面都具有优良的性能，尤其是末级涡轮机叶片，在该处离心力最高并且对刚度和轻量设计的要求尤为急需。结果是，已理解的是涡轮机叶片的设计可改进以提供改进的涡轮机叶片性能，尤其是末级涡轮机叶片。

发明内容

本发明限定在独立权利要求中，现将做出引用。本发明的进一步特征在从属权利要求中阐明。

本发明的第一方面提供一种叶片，其包括前缘、后缘、压力面、吸力面、根端和尖端，叶片包括附接到尖端的尖端罩，尖端罩包括平台和翼片，其中翼片包括面向叶片前缘的前缘侧、面向叶片后缘的后缘侧、后端和前端，前缘侧和后缘侧在后端和前端之间延伸，翼片以与叶片弦在叶片尖端处成一定角度延伸穿过叶片尖端，其中平台包括第一平台部和第二平台部，其中第一平台部从在翼片的前端和叶片尖端吸力面之间的翼片前缘侧延伸至在叶片前缘和翼片前缘侧之间叶片尖端处的吸力面，其中第二平台部从在翼片后端和叶片尖端处压力面之间的翼片后缘侧延伸至在叶片后缘和翼片后缘侧之间的叶片尖端处的压力面，并且其中尖端罩由在后缘和翼片后缘侧之间的叶片尖端处的吸力面限定，以及由在叶片尖端处吸力面和翼片前端之间的翼片后缘侧限定。

相比于现有的叶片，这能提供性能的全面提升。尤其是，它能够在最小化尖端上泄露流和最小化尖端罩中的材料数量方面提供良好表现，以减少在叶片铸造期间必须穿过狭窄叶片空间的材料数量，并且减少叶片翼部，叶片根和转子上的离心负荷。后缘压力面区域处的平台部能够减少泄露并提供刚度。前缘吸力面区域处的平台部能够提升刚度。

在一个实施例中，翼片包括平台附近的翼片平台端和位于平台远端的翼片尖端，并且在翼片平台端处从翼片前缘侧至翼片后缘侧的距离大于在翼片尖端处从翼片前缘侧至翼片后缘侧的距离。翼片的可变厚度在保持刚度和最小化泄露的同时能够提供最小的重量。

在一个实施例中，在翼片前端附近，翼片后端附近和/或叶片尖端附近的翼片前缘侧至翼片后缘侧的距离，大于翼片上的其他地方。在前端和/或后端附近提供翼片的更厚部分，在使用时尽管翼片和下一个翼片之间接触，也能够提供足够的刚度。能够将相邻叶片联接可以增加阻尼。在叶片尖端附近提供更厚部分能够提供良好的结构强度和刚度，同时将翼片中的材料数量最小化。

在一个实施例中，在前缘侧和后缘侧之间的宽度更大的靠近翼片前端的翼片部相比于翼片后缘侧上的翼片前端更接近翼片前缘侧上的翼片前端。这可以在翼片两侧上最有用的位置提供更厚的部分。

在一个实施例中，平台包括第三平台部，其中第三平台部从压力面和翼片前缘侧相交的点延伸，其中第三平台部沿着在叶片的前缘和翼片的前缘侧之间的叶片尖端处的压力面延伸，并且沿着在叶片尖端处吸力面和翼片后端之间的翼片前缘侧延伸。这能改进结构强度和刚度并减少泄露。在一个实施例中，第三平台部的区域至少小于第一平台部区域的三分之一。

在一个实施例中，尖端罩由在前缘和翼片前缘侧之间的叶片尖端处的压力面限定，以及由压力面和翼片后端之间的翼片前缘侧限定。这可以将尖端罩中的材料数量最小化。

在一个实施例中，第一平台部的边缘以直线或者大体直线从前缘延伸至翼片的前端，并且/或者第二平台部的边缘以直线或者大体直线从后缘延伸至翼片的后端。这可以将泄漏最小化并提升尖端罩的刚度。

在一个实施例中，提供了穿过第一和/或第二平台部的孔。这可以将材料使用和重量最小化同时仍然提供刚度和结构强度。

在一个实施例中，提供在翼片前缘侧和前缘之间的叶片尖端中的第一灰孔，和/或在翼片后缘侧和后缘之间的叶片尖端中的第二灰孔。

在一个实施例中，第二灰孔通向灰孔通道，其在叶片纵向方向上延伸穿过叶片，其中灰孔通道比叶片中的其他部分更加远离叶片尖端的后缘。以这种方式设置第二灰孔能够具有结构优势，尤其是灰孔能够提供在叶片尖端的相对宽的部分中，同时使大多数灰孔通道更接近后缘。

在一个实施例中，翼片和叶片尖端相交的圆角半径大于平台和叶片尖端相交的圆角半径。圆角半径变化能够有助于减轻重量。

本发明的第二方面提供包括如前所述的叶片的燃气涡轮机。本发明的第三方面提供如前所述叶片的制造方法，其中叶片通过铸造形成。

附图说明

本发明的实施例将仅通过实例方式进行描述，并参照附图，在附图中：

图1示出示例性叶片的俯视图；

图2示出图1的叶片的部分透明的透视图，其包括显示表面形状的线；

图3示出穿过图2叶片的翼片的两个截面60、62；以及

图4示出根据图1至3的实施例的在燃气涡轮机中互相邻近的三个叶片的部分透明的透视图。

具体实施方式

图1和2示出叶片10，其包括前缘12，后缘14，压力面16，吸力面18，附接到叶片根20的根端，以及尖端24。尖端罩22附接到尖端24，尖端罩22包括平台31，32，33以及翼片40。

翼片40包括面朝叶片前缘12的前缘侧43，面朝叶片后缘14的后缘侧44，后端42和前端41，前缘侧43和后缘侧44在后端和前端之间延伸。翼片延伸穿过叶片的尖端24在叶片的尖端24处与叶片10的弦（从前缘至后缘的线）成一角度。

平台包括第一平台部31和第二平台部32，其中第一平台部31从在翼片的前端41和叶片尖端24的吸力面18之间的翼片前缘侧43延伸至叶片前缘12和翼片前缘侧43之间叶片尖端24处吸力面18。

相似地，在翼片的另一侧，第二平台部32从在翼片后端42和叶片尖端24处压力面16之间的翼片后缘侧44延伸至在叶片后缘14和翼片后缘侧44之间的叶片尖端24处的压力面16。

尖端罩22由尖端罩22的后缘14和后缘侧44之间的叶片尖端24处的吸力面18限定，以及由叶片尖端24处吸力面18和翼片前端41之间的翼片后缘侧44限定。

尖端罩的平台部可以认为是在由翼片40和叶片尖端24限定的四个独立区域上延伸。第一区域（前缘-吸力侧）包括第一平台部31，并且第二区域（后缘-压力侧）包括第二平台部32。第三区域（前缘-压力侧）（其在叶片尖端24的压力面16和翼片前缘侧43之间延伸）能够选择性地包含第三平台部33。第三平台部33（见图1和2）从在叶片的前缘12和翼片的前缘侧43之间的叶片尖端24压力面16处延伸至在叶片尖端24吸力面18和翼片后端42之间的翼片前缘侧43。在第四区域（后缘-吸力侧），其从在翼片后端42和尖端吸力面18之间的翼片40的后缘侧44延伸至在翼片后缘侧44和前缘侧14之间的尖端吸力面18，此处无平台。

在第三区域不包含第三平台部分33的实施例中，尖端罩22由在前缘12和翼片的前缘侧43之间的叶片尖端24处的压力面16限定，以及由叶片尖端24处的压力面16和翼片后端42之间的翼片前缘侧43限定。

第一平台部31在大致三角形区域上延伸，其第一和第二侧在如前所述的翼片40和叶片吸力面18之后。第三侧从翼片前端41延伸至前缘12。第三侧可以是直的，或者可以具有轻微的凹曲线或者凸曲线。附图中示出的实施例具有轻微的凹曲线，其朝向翼片40和叶片尖端24相交的点弯曲。曲率一般是和缓的，其中曲率半径大于第三侧的长度。在最接近翼片的第三侧的部分（例如，最接近翼片的第三侧的10%或者20%）上可以存在例外，其曲率显著地更小（例如小于翼片最薄部分的宽度）。具有更大曲率的这部分可能是在实施例的制造中所必须的，例如附图中所示的实施例，其中第一平台部分31的端部略微设置在翼片前端41的后面。

相似地，第二平台部32在大致三角形区域上延伸，其第一和第二侧在如前所述的翼片40和压力面16之后。第三侧可以是直的（如附图中所示），或者可以具有轻微的凹曲线或者凸曲线。如同第一平台部31，第二平台部32具有靠近翼片40的部分（例如，接近翼片40的第三侧的10%或者20%），其中弯曲显著地更小（例如小于翼片40最薄部分的宽度）。更大弯曲的这部分可能是在例如附图所示的实施例的制造中所必需的，其中第二平台部分32的端部略微设置在翼片40后端42的后面。

在其他实施例中，曲率也可以不同于前述，例如是更大的曲率。

第三平台部33优选地显著小于第一和第二平台部31，32（优选地至少小于第一平台的三分之一，更优选地小于第一平台区域的20%，并且最优选地小于第一平台部区域的10%；优选地第三平台区域相对于第二平台区域的比例相似或者相同），并且不延伸至前缘12或者至翼片的后端42。然而，其可选地以相似方式延伸至第一和第二平台部，一直从前缘延伸至翼片的后端。

翼片40主要通过以上进行描述并将更详细地阐述细节。翼片40在平行或大致平行于叶片10的纵向方向上延伸超过叶片尖端24。翼片40呈通常立方形，最长的尺寸在前端41和后端42之间，并且最短的尺寸在前缘侧43和后缘侧44之间。

翼片尖端46呈通常大致直的，在使用时轻微的凹曲率反映相邻燃气涡轮机部件的曲率。在翼片尖端46处的前缘侧43和后缘侧44之间的距离通常与沿着翼片尖端46从前端41到后端42的长度相同。

沿着翼片尖端46，前缘侧43和后缘侧44之间的距离是不变的。前缘侧43和后缘侧44之间的距离在翼片平台端45处大于在翼片尖端46处。在翼片平台端45处的在前缘侧43和后缘侧44之间的距离是可变的；这将在下文更详细地阐述。

翼片的前端41和后端42可以成一定角度；即，翼片40垂直于叶片10的纵向方向的截面不是长方形，而代替的是具有不等于90度的拐角的平行四边形（尤其如图3所示）。相似地，翼片尖端46通常也描述为平行四边形，其中拐角不等于90度。翼片的前端41和后端42的面通常应当互相平行，因为它们将与相邻叶片10上的相应面相互作用（一个翼片的后端42与相邻叶片10的翼片的前端41相互作用），如图4中所示。

相邻于翼片尖端46的前缘侧43和后缘侧44的部分优选为平面或者大致平面的，如图中所示。离翼片尖端46较远的前缘侧43和后缘侧44的形状转变为非平面的表面，其具有偏离平面表面的若干凸出。即，离翼片尖端46较远的前缘侧43和后缘侧44的形状包括从平面表面延伸的若干较宽的部分。第一，前缘侧43和后缘侧44之间的距离增加接近于翼片的前端41和后端42。第二，前缘侧43和后缘侧44之间的距离增加接近于叶片尖端24。与在后缘侧44上相比，在前缘侧43上更接近于前端41，这导致与后缘侧44相比前缘侧43上的更宽部的偏移，并导致非对称的翼片40。

尤其在图2中，能够看出从翼片尖端46至翼片平台端45的宽度增加并不必须平滑。在图2中，这种增加在后端42和前端41是平滑的，但在叶片的纵向方向上接近叶片的翼片尖端24的部分处并非如此，此处可以看出宽度的增加呈阶梯式或大致阶梯式。然而，在翼片的纵向方向上（通常也是叶片旋转方向）上宽度的增加通常不会是阶梯式的，如图中所示。

为进一步示出宽度的变化以及上述翼片40的特征，图3示出翼片40的两个互相叠加的截面60，62，以进行对比。图2上标识出截面60，62。截面60在一个方向上以线示出，截面62在第二方向上以线示出。这导致图3中截面中大部分区域上的剖面线，其呈现两组线。截面62更接近翼片平台端45，并且总是更宽于截面60或者与截面60的宽度相等—即，在截面60处的翼片40的宽度（从前缘侧43至后缘侧44）总是薄于截面62处的翼片40宽度或者与其相等。

两个灰孔50，52也存在于叶片尖端24中。第一灰孔50位于前缘12和翼片40之间，且第二灰孔52在翼片40和后缘14之间。第一灰孔50，和第二灰孔52通向灰孔通道53。灰孔通道在叶片的纵向方向72上（和/或平行于后缘14）大部分延伸穿过叶片，但接近叶片的尖端24，灰孔通道弯曲远离后缘14。灰孔通道53优选为平滑的，因为其负载有护罩凸起，并且在铸造期间也是（灰孔的一个目的是在铸造期间可以保持芯部）。

上述叶片优选为用在燃气涡轮机中的（旋转的）涡轮机叶片。叶片可替代地用在蒸汽涡轮机中。图4示出叶片在燃气涡轮机中如何设置成互相邻近。一个叶片10的翼片后端42与相邻叶片10翼片的前端41相邻。通常，叶片并不互相附接，而是能够相互相对的轻微移动。

优选地，叶片根20，主要的叶片部21和尖端罩22作为单个部件整体地铸造，因为这能够提供极强的部件。替代地，各部分的一些或者全部可以分开制造并附接到叶片。

上述叶片的形状仅仅是个示例，并且可以使用其他的叶片形状。例如，叶片根20是可选的，并且可以是单独的部分。具体的特征（例如前缘12，后缘14等等）可以是与图所示不同的另一个形状。叶片可以包括内冷却。

叶片尖端24的端面（其上安装有翼片）可以垂直于叶片的纵向方向72。替代地，端面可以略微自平行倾斜，特别是在翼片后缘侧和后缘之间的叶片尖端部分上。

在上述实施例中详细地描述平台，但是平台在形状和结构的变化是可能的。第一和第二平台部可以延伸至翼片的前端/后端，或者如图所示一个或多个能够在设置成自翼片前/后端略微向后退。相似地，第一和第二平台部可以延伸至叶片尖端的前缘/后缘，或者一个或多个可以从叶片尖端的前/后缘的略微向后退。平台可以具有变化的厚度（在叶片的纵向方向上）。可选地，孔可以设置成穿过第一和/或第二平台部，尤其是穿过第二平台部。孔在纵向叶片方向上72上延伸穿过第一和/或第二平台部。图1中的虚线55示出第二平台孔的可能位置和范围，尽管其他的形状（例如圆形或者椭圆形的孔）也可以使用。在孔的形状是三角形或者大致三角形、或者具有尖拐角的其他形状的地方，这些拐角可以是倒圆的。替代地，与该位置的孔不同，平台的该区域可以薄于平台的其余部分（例如盲孔）。

上述尖端罩的边界可以认为是在垂直于叶片的纵向方向72的平面中，或者在包含叶片尖端24的平面中。尖端罩可以认为是从翼片延伸向上至边界点（对于翼片的一些部分仅至翼片自身的边缘）。

如同叶片和平台部一样，除了以上所描述之外，翼片的各种实施例也是可能的，并且可以与叶片和平台的各种不同的实施例结合。例如，后缘侧和/或前缘侧可以是平面的。更薄部分（从前缘到后缘的距离更大的地方）可以部分地在翼片平台端和翼片尖端之间延伸，或者可以从翼片平台端一直延伸至翼片尖端（向上到翼片尖端并且包括翼片尖端）。后缘侧和前缘侧之间的距离可以在翼片平台缘和翼片尖端缘处相等。通常，翼片宽度（从后缘侧至前缘侧的宽度）的变化是渐进的，但宽度阶梯式地变化也是可能的。尽管翼片通常从翼片尖端到翼片平台端变宽，在一些实施例中可以存在翼片的部分是相反的情况，或者翼片在翼片尖端处比翼片平台端更宽。

优选地，翼片的角度确定成使得当使用时，翼片的纵向范围（从后端到前端）平行于叶片旋转方向70。优选地，对任何给定叶片仅提供单个翼片。优选地，后端和前端具有相同的宽度（从后缘侧到前缘侧）。

上述是具有双灰孔的实施例，但替代地，可以设置一个、三个或者更多个灰孔。

优选地，翼片与叶片尖端相交的圆角半径大于平台与叶片尖端相交的圆角半径。

对上述实施例进行各种修改对于本领域技术人员而言是可能的并且容易想到的，而不会偏离所附权利要求书所限定的本发明。

附图标记

10 叶片 42 翼片后端

12 前缘 43 翼片前缘侧

14 后缘 44 翼片后缘侧

16 压力面（压力侧） 45 翼片平台端

46 翼片尖端

18 吸力面（吸力侧） 50 第一灰孔

20 叶片根 52 第二灰孔

21 主要的叶片部 53 灰孔通道

22 尖端罩 55 第二平台孔

23 叶片根端 60 翼片截面

24 叶片尖端 62 翼片截面

31 第一平台部 70 刀片旋转方向

32 第二平台部 72 叶片的纵向方向

33 第三平台部

40 翼片

41 翼片前端

Claims (12)

1.一种叶片，包括前缘、后缘、压力面、吸力面、根端和尖端，

-附接至尖端的尖端罩，尖端罩具有平台和翼片，

-其中，所述翼片包括

面朝叶片前缘的前缘侧，面朝叶片后缘的后缘侧，

后端和前端，所述前缘侧和所述后缘侧在所述后端和所述前端之间延伸，

-所述翼片在叶片的尖端处以与叶片的弦成一角度延伸穿过叶片尖端，

-其中所述平台包括第一平台部和第二平台部，

-其中，所述第一平台部从在翼片前端和叶片尖端处吸力面之间的翼片前缘侧延伸至在叶片前缘和翼片前缘侧之间的叶片尖端处的吸力面，

-其中，所述第二平台部从在翼片后端和叶片尖端处的压力面之间的翼片后缘侧延伸至在叶片后缘和翼片后缘侧之间的叶片尖端处的压力面，以及

-其中，所述尖端罩由在后缘和翼片后缘侧之间的叶片尖端处的吸力面限定，以及由在叶片尖端处的吸力面和翼片前端之间的翼片后缘侧限定，

其中在翼片前端附近、翼片后端附近和/或叶片尖端附近的部分中从翼片前缘侧至翼片后缘侧的距离大于翼片上其他地方从翼片前缘侧至翼片后缘侧的距离;

其中，靠近翼片前端的翼片的部分在翼片前缘侧上比在翼片后缘侧上更接近翼片前端，在靠近翼片前端的翼片的部分处在前缘侧和后缘侧之间的宽度更大。

2.根据权利要求1所述的叶片，其中翼片包括与平台相邻的翼片平台端和位于平台远端的翼片尖端，并且在翼片平台端处从翼片前缘侧至翼片后缘侧的距离大于在翼片尖端处从翼片前缘侧至翼片后缘侧的距离。

3.根据权利要求1所述的叶片，其中平台包括第三平台部，其中第三平台部从压力面和翼片前缘侧相交的位置延伸，其中第三平台部沿着在叶片的前缘和翼片前缘侧之间的叶片尖端处的压力面延伸，并且沿着在叶片尖端处吸力面和翼片后端之间的翼片前缘侧延伸。

4.根据权利要求3所述的叶片，其中第三平台部的区域至少小于第一平台部的区域的三分之一。

5.根据权利要求1所述的叶片，其中尖端罩由在前缘和翼片前缘侧之间的叶片尖端处的压力面，以及由压力面和翼片后端之间的翼片前缘侧限定。

6.根据权利要求1所述的叶片，其中第一平台部的边缘从前缘以直线延伸至翼片的前端，和/或第二平台部的边缘以直线从后缘延伸至翼片的后端。

7.根据权利要求1所述的叶片，包括穿过第一平台部和/或第二平台部的孔。

8.根据权利要求1所述的叶片，包括翼片前缘侧和前缘之间的叶片尖端中的前缘侧灰孔，和/或翼片后缘侧和后缘之间的叶片尖端中的后缘侧灰孔。

9.根据权利要求8所述的叶片，其中所述后缘侧灰孔通向灰孔通道，其在叶片的纵向方向上延伸穿过叶片，其中灰孔通道比叶片中其他部分更远离叶片尖端处的后缘。

10.根据权利要求1所述的叶片，其中翼片和叶片尖端相交的圆角半径大于平台和叶片尖端相交的圆角半径。

11.一种包括根据权利要求1至10中任一项所述的叶片的燃气涡轮机。

12.一种根据权利要求1至10中任一项所述的叶片的制造方法，其中叶片是由铸造形成的。

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