定子叶片的型面优化转让专利
申请号 : CN200610126621.X
文献号 : CN1924299B
文献日 : 2013-12-25
发明人 : H·I·诺施
申请人 : 通用电气公司
摘要 :
一种用于定子叶片(40)的翼面件(60)，翼面件具有大致按照表I中设定的只有四个小数位的X、Y和Z的笛卡儿坐标值的未涂层型面，其中Z是离开安装有翼面件的平台(62)的距离，并且X和Y是在离开平台的每个距离Z处限定该型面的坐标。
权利要求 :
1.一种用于定子叶片(40)的翼面件(60)，翼面件具有按照表I中设定的只有三个小数位的X、Y和Z的笛卡儿坐标值的未涂层型面，其中Z是离开安装有翼面件的平台(62)的距离，并且X和Y是在离开平台的每个距离Z处限定该型面的坐标。
2.如权利要求1所述的翼面件(60)，其特征在于，所述翼面件包括压缩器(12)的第九级。
3.如权利要求1所述的翼面件(60)，其特征在于，所述翼面件型面在垂直于任何翼面件表面位置的方向上位于±0.160英寸内的范围内。
4.如权利要求1所述的翼面件(60)，其特征在于，所述翼面件型面有助于优化所述翼面件的空气动力效率。
5.如权利要求1所述的翼面件(60)，其特征在于，所述翼面件从所述平台整体延伸，所述翼面件经由铸造工艺形成。
6.一种压缩器(12)，该压缩器包括至少一排定子叶片(40)，其中每个所述定子叶片包括底座(62)和从所述底座延伸的翼面件(60)，至少一个所述翼面件具有翼面形状，所述翼面形状具有按照表I中设定的只有三个小数位的X、Y和Z的笛卡儿坐标值的标定型面，其中Z是离开所述翼面件从中延伸的所述底座的上表面的距离，并且X和Y是在离开所述底座的每个距离Z处限定该型面的坐标。
7.如权利要求6所述的压缩器(12)，其特征在于，每个所述翼面形状通过相互平滑连接以便形成完整翼面形状的Z距离处的型面截面限定。
8.如权利要求6所述的压缩器(12)，其特征在于，至少一个所述翼面件(60)还包括在至少一个所述翼面件上延伸的涂层，所述涂层具有0.100英寸或更小的厚度。
9.如权利要求6所述的压缩器(12)，其特征在于，所述至少一排定子叶片(40)包括所述压缩器的第九级。
10.一种定子组件，所述定子组件包括具有底座(62)和从所述底座延伸的翼面件(60)的至少一个定子叶片(40)，所述翼面件具有按照表I中设定的只有三个小数位的X、Y和Z的笛卡儿坐标值的未涂层型面，其中Z是离开所述翼面件从中延伸的所述底座的上表面的距离，并且X和Y是在离开所述底座的每个距离Z处限定该型面的坐标，所述型面通过预定常数η缩放，并且可以按照预定制造误差制造。
说明书 :
定子叶片的型面优化
技术领域
[0001] 本发明总体涉及一种用于燃气涡轮机的定子叶片，并且更特别是涉及一种用于第九级压缩器定子叶片的新型和改进型面。
背景技术
[0002] 在涡轮发动机的结构、制造和使用中，越来越趋于以较高温度和较高操作压力进行操作以便优化涡轮性能。同样，在现有技术涡轮机翼面件和定子叶片达到其寿命循环结束时，希望更换翼面件，同时经由翼面件的重新构造来增加燃气涡轮机的性能，以便适应增加的操作温度和压力。
[0003] 针对传统的翼面件，已经提出多种用于燃气涡轮机的翼面型面来提供改进的性能、较低的操作温度、增加的蠕变余量和延长的寿命。参考描述增加涡轮机叶片翼面型面的例如US专利NO.5980209。与至少某些公知的涡轮发动机相比，先进的材料和新型蒸汽冷却系统现在允许燃气涡轮机在较高的操作温度、机械负载和压力下操作，并且与其适应。因此，对于用于涡轮发动机的每个压缩器的每级来说必须满足许多系统要求，以便满足包括总体改进效率和翼面负载的设计目的。特别是，对于每个特定级来说，定位在压缩器内的定子叶片的翼面件必须满足热和机械操作要求。
发明内容
[0004] 在一个方面中，提供用于定子叶片的翼面件。翼面件具有大致按照表I中设定的只有四个小数位的X、Y和Z的笛卡儿坐标值的未涂层型面，其中Z是离开安装有翼面件的平台的距离，并且X和Y是在离开平台的每个距离Z处限定该型面的坐标。
[0005] 在另一方面中，提供一种包括至少一排定子叶片的压缩器。每个定子叶片包括底座和从中延伸的翼面件。至少一个翼面件具有翼面形状。翼面形状具有大致按照表I中设定的只有三个小数位的X、Y和Z的笛卡儿坐标值的标定型面，其中Z是离开安装有翼面件的平台的距离，并且X和Y是在离开平台的每个距离Z处限定该型面的坐标。
[0006] 在另一方面，提供一种定子组件。定子组件包括具有底座和从底座延伸的翼面件的至少一个定子叶片。翼面件具有大致按照表I中设定的只有三个小数位的X、Y和Z的笛卡儿坐标值的未涂层型面，其中Z是离开安装有翼面件的平台的距离，并且X和Y是在离开底座的每个距离Z处限定该型面的坐标。型面通过预定常数η缩放，并且可以按照预定制造误差制造。
附图说明
[0007] 图1是示例性燃气涡轮发动机的示意图；
[0008] 图2是用于图1的燃气涡轮发动机中的示例性定子叶片的放大透视图；以及[0009] 图3是图2所示的一对定子叶片的前视图，并表示在组装在例如图1所示的燃气涡轮发动机的发动机内时相邻定子叶片定位的相对周向取向。
[0010] 部件列表
[0011] 燃气涡轮发动机10、压缩器12、涡轮14、发电机16、单件转子或轴18、燃烧器20、燃料22、燃烧气体28、纵向轴线30、定子叶片40、翼面件60、底座或平台62、第一侧壁70、第二侧壁72、翼面导前边缘74、翼面拖尾边缘76、根部78、翼面尖端80、侧面90、侧面91、上游面92、下游面94、吊耳100、吊耳102、径向外表面104。
具体实施方式
[0012] 图1是连接到发电机16上的示例性燃气涡轮发电机10的示意图。在示例性实施例中，燃气涡轮系统10包括压缩器12、涡轮14、和布置在单个转子或轴18内的发电机16。在可选择实施例中，轴18分成多个轴区段，其中每个轴区段连接到相邻轴区段上以便形成轴18。压缩器12将压缩空气供应到燃烧器20，其中空腔与供应其中的燃料22混合。在一个实施例中，发动机10是可以从General ElectricCompany，Greenville，South Carolina购买的6C燃气涡轮发动机。
[0013] 在操作中，空气流过压缩器12，并且压缩空气供应到燃烧器20。来自于燃烧器20的燃烧气体28驱动涡轮14。涡轮14围绕纵向轴线30转动轴18、压缩器12和发电机16。
[0014] 图2是可以用于燃气涡轮发电机10的示例性定子叶片40的放大透视图(图1所示)。更特别是，在示例性实施例中，定子叶片40连接在例如压缩器12的压缩器内(图1所示)。图3是一对定子叶片的前视图，并且表示组装在例如燃气涡轮发电机10的转子组件内时相邻定子叶片40的相对周向取向(图1所示)。在示例性实施例中，定子叶片40形成例如压缩器12的压缩的第九级的一部分(图1所示)。本领域普通技术人员将理解到，这里描述的定子翼面可有利于本领域公知的其它转子构件的应用。这里的描述因此只是示例性的，而不打算将本发明的应用局限于特定的定子叶片、压缩器或涡轮。
[0015] 如下所述，本发明的翼面型面确信在压缩器12的第九级内是最佳的，从而在压缩器12内的其它级之间实现所需的相互作用，改进压缩器12的空气动力效率，并且在压缩器操作期间优化每个定子一圈的空气动力和机械负载。
[0016] 在组装在转子组件内时，每个定子叶片40连接到围绕例如轴18的转子轴(图1所示)周向延伸的发电机壳体(未示出)上。如本领域公知那样，在完全组装时，每个定子叶片40的周向排轴向定位在定子叶片的相邻排之间(未示出)。更特别是，定子叶片40进行取向，以便以有助于提供发动机性能的方式引导流过转子组件的流体。在示例性实施例中，周向相邻的定子叶片40是相同的，并且各自径向延伸通过限定在转子组件内的流动通路。此外，每个定子叶片40包括从底座或平台62向外延伸的翼面件60，并在示例性实施例中与底座和平台62形成整体。
[0017] 每个翼面件60包括第一侧壁70和第二侧壁72。第一侧壁70是凸起的并限定翼面件60的抽吸侧，并且第二侧壁72是凹入的并且限定翼面件60的压力侧。侧壁70和72在翼面件60的导前边缘74以及轴向隔开的拖尾边缘76处结合在一起。更特别是，翼面拖尾边缘76与翼面导前边缘74弦向隔开，并定位在翼面导前边缘74的下游。第一和第二侧壁70和72分别从靠近底座62的根部78纵向或径向向外横跨延伸翼面尖端80。
[0018] 底座62有助于将定子叶片40固定在壳体上。在示例性实施例中，底座62公知为“方面”底座，并且包括通过上游面92和下游面94连接在一起的一对周向隔开的侧面90和91。侧面90和91是相同的，并且大致相互平行。此外，在示例性实施例中，上游面92和下游面94大致相互平行。
[0019] 一对整体形成的吊耳100和102从各自面92和94延伸。吊耳100和102如同现有技术公知那样接合壳体，以便有助于将定子叶片40固定在转子组件内。在示例性实施例中，每个吊耳100和102靠近底座62的径向外表面104从各自面92和94向外延伸。
[0020] 在示例性实施例中，翼面件60由定向固化合金与每个底座62整体铸成，该合金经过溶液强化以及进行沉积硬化热处理。定向固化提供避免横向晶粒边界的优点，由此增加蠕变寿命。
[0021] 经由开发源代码、模型和设计原则，在适用的操作参数下，考虑叶片的空气动力负载和机械负载，确定空间中满足压缩器12的第九级要求的独特需要的1456个点的位置。所述点的位置确信实现了所需压缩器其它级之间的所需相互作用、压缩器的空气动力效率；以及压缩器操作期间定子叶片的最佳空气动力和机械负载。另外，点的位置提供用于制造定子叶片的可制造翼面型面，并且使得压缩器以有效、安全和平稳方式运行。
[0022] 参考图2，表示下面表格I中提出的用于X、Y、Z数值的笛卡儿坐标系统。笛卡儿坐标系统具有垂直相关的X、Y、Z轴，其中Z轴或基准点大致垂直于平台62定位并且大致在径向上延伸通过翼面件。Y轴平行于机器中心线(即转动轴线)定位。通过在径向上(即Z方向)在所选位置处限定X和Y坐标值，可以确定翼面件60的型面。通过将X和Y数值用平滑连续弧线连接，在每个径向距离Z处的每个型面截面固定。在径向距离Z之间的多个表面处的表面型面可通过连接相邻的型面来确定。
[0023] 用于确定每个径向位置或翼面高度Z处的翼面截面型面的X和Y坐标在下面表格I中列出，其中Z是在平台62的上表面处等于0的非尺寸数值，并且在翼面尖端部分80处等于1.593。用于X、Y、Z坐标的表格数值是以英寸为单位提供，并且代表用于未涂覆翼面的环境、非操作或非受热条件下的实际翼面型面，涂层将在下面描述。另外，如笛卡儿坐标系统通常使用那样，符号规定将正值对应于数值Z，并且将正值和负值对应于坐标X和Y。
[0024] 表格I的数值是计算机产生的，并且表示三个小数位。但是，考虑到加工的限制，对于确定翼面型面来说，认为仅仅的三个小数位足够用于形成翼面的实际数值。另外，在翼面型面中必须考虑典型的加工误差。因此，表格I中给出的型面数值用于标定型面。因此，将理解到正负典型加工误差适用于这些X、Y、Z数值，并且具有大致按照这些数值的型面的翼面件包括这种误差。例如，大约±0.160英寸的加工误差在翼面件的设计极限内。因此，翼面件的机械和空气动力性能不受到加工误差和缺陷的影响，在不同实施例中这些误差可大于或小于以上提出的数值。本领域普通技术人员将理解到，可以确定加工误差，从而相对于表格I中提出的各个理想翼面型面的点，实现加工翼面件的所需措施和标准偏差。
[0025] 另外，并如上所述，在按照表格I的数值并在所述的加工误差内进行翼面件加工之后，翼面件还可进行涂覆，以便受到保护而不腐蚀和氧化。在示例性实施例中，一个或多个耐腐蚀涂层设置成大约0.100英寸的总平均厚度。因此，除了表格I中提出的X和Y数值的加工误差之外，还可对这些数值进行添加以便补偿涂层厚度。理解到在本发明的可选择实施例中可以采用或大或小的涂层厚度。
[0026] 在包括所述翼面件的第九级定子叶片组件在操作过程中加热，涡轮叶片上施加的应力和温度不可避免地造成翼面形状的某些变形，并且因此在发动机操作时在表格I中提出的X，Y，Z坐标中出现某些变化或偏差。虽然在操作中不能测量翼面件坐标的变化，已经确定的是将表格I中提出的点位置加上使用中的变形，使得压缩器以有效、安全和平稳的方式运行。
[0027] 理解到表格I中提出的翼面型面可以几何放大或缩小，以便引入其它类似的机器设计中。因此考虑到表格I中提出的翼面型面的缩放形式可通过将每个X和Y坐标值乘以或除以预定常数η来获得。认识到表格I可认为是将η设置成等于1时的缩放型面，并且具有或大或小尺寸的型面可以通过将η分别调节成大于或小于1来获得。
[0028] 所述定子叶片提供了成本有效和可靠的方法，以便优化转子组件的性能。更特别是，每个定子叶片翼面件具有有助于在压缩器操作期间在压缩器的其它级之间实现所需相互作用、压缩器的空气动力效率以及定子叶片的最佳空气动力和机械负载的翼面形状。因此，重新限定的翼面几何形状有助于延长定子组件的使用寿命以及以成本有效和可靠的方式改善压缩器的操作效率。
[0029] 上面详细地描述了定子叶片和定子组件的示例性实施例。定子叶片不局限于这里描述的特定实施例，而是每个定子叶片的部件可单独并与这里描述的其它部件分开使用。例如，每个定子叶片凹入部分还可限定在其它定子叶片内或与其结合使用，或与其它转子组件结合，并且只不局限于通过这里描述的定子叶片40实施。相反，本发明可结合许多其它叶片和转子构造利用和使用。
[0030] 虽然对于不同的特定实施例进行描述，本领域普通技术人员将理解到本发明可在权利要求的精神和范围内进行变型。
[0031] 表格IX-LOC Y-LOC Z-LOC X-LOC Y-LOC Z-LOC X-LOC Y-LOC Z-LOC
0.61 -0.717 0 -0.684 0.03 0 -0.46 -0.039 0
0.61 -0.718 0 -0.708 0.068 0 -0.42 -0.072 0
0.609 -0.719 0 -0.73 0.106 0 -0.377 -0.106 0
0.607 -0.722 0 -0.748 0.141 0 -0.335 -0.139 0
0.603 -0.724 0 -0.764 0.173 0 -0.292 -0.171 0
0.595 -0.726 0 -0.776 0.203 0 -0.248 -0.202 0
0.584 -0.722 0 -0.786 0.229 0 -0.204 -0.233 0
0.57 -0.717 0 -0.794 0.252 0 -0.159 -0.264 0
0.553 -0.711 0 -0.8 0.272 0 -0.114 -0.294 0
0.529 -0.703 0 -0.805 0.289 0 -0.069 -0.323 0
0.503 -0.693 0 -0.808 0.303 0 -0.023 -0.352 0
0.474 -0.684 0 -0.811 0.316 0 0.022 -0.381 0
0.442 -0.673 0 -0.812 0.325 0 0.068 -0.409 0
0.407 -0.66 0 -0.813 0.333 0 0.114 -0.437 0
0.368 -0.647 0 -0.813 0.339 0 0.159 -0.464 0
0.327 -0.632 0 -0.812 0.343 0 0.203 -0.489 0
0.284 -0.617 0 -0.81 0.346 0 0.245 -0.513 0
0.24 -0.6 0 -0.807 0.348 0 0.286 -0.536 0
0.195 -0.583 0 -0.805 0.349 0 0.325 -0.558 0
0.148 -0.564 0 -0.801 0.348 0 0.363 -0.579 0
0.099 -0.543 0 -0.797 0.346 0 0.399 -0.598 0
0.049 -0.522 0 -0.793 0.342 0 0.435 -0.617 0
-0.002 -0.498 0 -0.788 0.336 0 0.467 -0.633 0
-0.053 -0.474 0 -0.783 0.329 0 0.495 -0.648 0
-0.104 -0.449 0 -0.776 0.32 0 0.521 -0.661 0
-0.154 -0.422 0 -0.768 0.308 0 0.546 -0.672 0
-0.203 -0.394 0 -0.759 0.294 0 0.567 -0.682 0
-0.251 -0.366 0 -0.748 0.277 0 0.583 -0.69 0
-0.299 -0.335 0 -0.735 0.257 0 0.596 -0.695 0
-0.346 -0.304 0 -0.719 0.235 0 0.606 -0.7 0
-0.392 -0.271 0 -0.701 0.21 0 0.61 -0.707 0
-0.436 -0.237 0 -0.68 0.183 0 0.611 -0.711 0
-0.479 -0.201 0 -0.656 0.154 0 0.611 -0.714 0
-0.521 -0.163 0 -0.629 0.123 0 0.61 -0.716 0
-0.559 -0.125 0 -0.599 0.092 0 0.61 -0.716 0
-0.594 -0.086 0 -0.568 0.06 0 0.61 -0.717 0
-0.627 -0.047 0 -0.534 0.027 0
-0.657 -0.008 0 -0.498 -0.006 0
X-LOC Y-LOC Z-LOC X-LOC Y-LOC Z-LOC X-LOC Y-LOC Z-LOC
0.628 -0.707 0.037 -0.674 0.038 0.037 -0.447 -0.027 0.037
0.627 -0.707 0.037 -0.699 0.076 0.037 -0.406 -0.06 0.037
0.627 -0.709 0.037 -0.722 0.113 0.037 -0.364 -0.093 0.037
0.625 -0.711 0.037 -0.741 0.147 0.037 -0.321 -0.126 0.037
0.621 -0.714 0.037 -0.758 0.179 0.037 -0.277 -0.158 0.037
0.613 -0.715 0.037 -0.771 0.207 0.037 -0.233 -0.189 0.037
0.602 -0.712 0.037 -0.782 0.233 0.037 -0.188 -0.22 0.037
0.588 -0.707 0.037 -0.791 0.256 0.037 -0.143 -0.25 0.037
0.571 -0.7 0.037 -0.797 0.276 0.037 -0.098 -0.28 0.037
0.548 -0.692 0.037 -0.803 0.293 0.037 -0.053 -0.31 0.037
0.521 -0.682 0.037 -0.807 0.307 0.037 -0.007 -0.339 0.037
0.493 -0.672 0.037 -0.81 0.319 0.037 0.039 -0.367 0.037
0.461 -0.661 0.037 -0.811 0.329 0.037 0.085 -0.395 0.037
0.425 -0.648 0.037 -0.812 0.336 0.037 0.132 -0.423 0.037
0.386 -0.634 0.037 -0.812 0.342 0.037 0.177 -0.45 0.037
0.346 -0.619 0.037 -0.811 0.347 0.037 0.221 -0.475 0.037
0.303 -0.603 0.037 -0.809 0.35 0.037 0.263 -0.5 0.037
0.259 -0.586 0.037 -0.807 0.351 0.037 0.304 -0.523 0.037
0.214 -0.568 0.037 -0.804 0.352 0.037 0.343 -0.545 0.037
0.167 -0.549 0.037 -0.801 0.351 0.037 0.381 -0.566 0.037
0.118 -0.529 0.037 -0.797 0.349 0.037 0.417 -0.586 0.037
0.068 -0.507 0.037 -0.793 0.346 0.037 0.452 -0.605 0.037
0.017 -0.483 0.037 -0.788 0.341 0.037 0.484 -0.621 0.037
-0.034 -0.459 0.037 -0.782 0.333 0.037 0.513 -0.636 0.037
-0.085 -0.434 0.037 -0.774 0.324 0.037 0.539 -0.649 0.037
-0.135 -0.407 0.037 -0.766 0.312 0.037 0.564 -0.661 0.037
-0.184 -0.38 0.037 -0.756 0.299 0.037 0.585 -0.671 0.037
-0.233 -0.351 0.037 -0.745 0.282 0.037 0.601 -0.679 0.037
-0.281 -0.322 0.037 -0.731 0.263 0.037 0.614 -0.685 0.037
-0.328 -0.29 0.037 -0.714 0.242 0.037 0.624 -0.69 0.037
-0.374 -0.258 0.037 -0.695 0.217 0.037 0.628 -0.697 0.037
-0.419 -0.224 0.037 -0.673 0.191 0.037 0.629 -0.701 0.037
-0.463 -0.189 0.037 -0.648 0.163 0.037 0.629 -0.704 0.037
-0.505 -0.151 0.037 -0.62 0.132 0.037 0.628 -0.705 0.037
-0.545 -0.113 0.037 -0.589 0.101 0.037 0.628 -0.706 0.037
-0.581 -0.075 0.037 -0.557 0.07 0.037 0.628 -0.706 0.037
-0.615 -0.037 0.037 -0.522 0.038 0.037
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