專利名稱：定子葉片的型面優(yōu)化的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及一種用于燃?xì)鉁u輪機(jī)的定子葉片，并且更特別是涉及一種用于第九級(jí)壓縮器定子葉片的新型和改進(jìn)型面。
背景技術(shù)：
在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、制造和使用中，越來(lái)越趨于以較高溫度和較高操作壓力進(jìn)行操作以便優(yōu)化渦輪性能。同樣，在現(xiàn)有技術(shù)渦輪機(jī)翼面件和定子葉片達(dá)到其壽命循環(huán)結(jié)束時(shí)，希望更換翼面件，同時(shí)經(jīng)由翼面件的重新構(gòu)造來(lái)增加燃?xì)鉁u輪機(jī)的性能，以便適應(yīng)增加的操作溫度和壓力。
針對(duì)傳統(tǒng)的翼面件，已經(jīng)提出多種用于燃?xì)鉁u輪機(jī)的翼面型面來(lái)提供改進(jìn)的性能、較低的操作溫度、增加的蠕變余量和延長(zhǎng)的壽命。參考描述增加渦輪機(jī)葉片翼面型面的例如US專利NO.5980209。與至少某些公知的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)相比，先進(jìn)的材料和新型蒸汽冷卻系統(tǒng)現(xiàn)在允許燃?xì)鉁u輪機(jī)在較高的操作溫度、機(jī)械負(fù)載和壓力下操作，并且與其適應(yīng)。因此，對(duì)于用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)壓縮器的每級(jí)來(lái)說(shuō)必須滿足許多系統(tǒng)要求，以便滿足包括總體改進(jìn)效率和翼面負(fù)載的設(shè)計(jì)目的。特別是，對(duì)于每個(gè)特定級(jí)來(lái)說(shuō)，定位在壓縮器內(nèi)的定子葉片的翼面件必須滿足熱和機(jī)械操作要求。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)方面中，提供用于定子葉片的翼面件。翼面件具有大致按照表I中設(shè)定的只有四個(gè)小數(shù)位的X、Y和Z的笛卡兒坐標(biāo)值的未涂層型面，其中Z是離開(kāi)安裝有翼面件的平臺(tái)的距離，并且X和Y是在離開(kāi)平臺(tái)的每個(gè)距離Z處限定該型面的坐標(biāo)。
在另一方面中，提供一種包括至少一排定子葉片的壓縮器。每個(gè)定子葉片包括底座和從中延伸的翼面件。至少一個(gè)翼面件具有翼面形狀。翼面形狀具有大致按照表I中設(shè)定的只有三個(gè)小數(shù)位的X、Y和Z的笛卡兒坐標(biāo)值的標(biāo)定型面，其中Z是離開(kāi)安裝有翼面件的平臺(tái)的距離，并且X和Y是在離開(kāi)平臺(tái)的每個(gè)距離Z處限定該型面的坐標(biāo)。
在另一方面，提供一種定子組件。定子組件包括具有底座和從底座延伸的翼面件的至少一個(gè)定子葉片。翼面件具有大致按照表I中設(shè)定的只有三個(gè)小數(shù)位的X、Y和Z的笛卡兒坐標(biāo)值的未涂層型面，其中Z是離開(kāi)安裝有翼面件的平臺(tái)的距離，并且X和Y是在離開(kāi)底座的每個(gè)距離Z處限定該型面的坐標(biāo)。型面通過(guò)預(yù)定常數(shù)η縮放，并且可以按照預(yù)定制造誤差制造。


圖1是示例性燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的示意圖；圖2是用于圖1的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的示例性定子葉片的放大透視圖；以及圖3是圖2所示的一對(duì)定子葉片的前視圖，并表示在組裝在例如圖1所示的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)時(shí)相鄰定子葉片定位的相對(duì)周向取向。
部件列表燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10、壓縮器12、渦輪14、發(fā)電機(jī)16、單件轉(zhuǎn)子或軸18、燃燒器20、燃料22、燃燒氣體28、縱向軸線30、定子葉片40、翼面件60、底座或平臺(tái)62、第一側(cè)壁70、第二側(cè)壁72、翼面導(dǎo)前邊緣74、翼面拖尾邊緣76、根部78、翼面尖端80、側(cè)面90、側(cè)面91、上游面92、下游面94、吊耳100、吊耳102、徑向外表面104。
具體實(shí)施例方式
圖1是連接到發(fā)電機(jī)16上的示例性燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)10的示意圖。在示例性實(shí)施例中，燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)10包括壓縮器12、渦輪14、和布置在單個(gè)轉(zhuǎn)子或軸18內(nèi)的發(fā)電機(jī)16。在可選擇實(shí)施例中，軸18分成多個(gè)軸區(qū)段，其中每個(gè)軸區(qū)段連接到相鄰軸區(qū)段上以便形成軸18。壓縮器12將壓縮空氣供應(yīng)到燃燒器20，其中空腔與供應(yīng)其中的燃料22混合。在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)動(dòng)機(jī)10是可以從General ElectricCompany，Greenville，South Carolina購(gòu)買的6C燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。
在操作中，空氣流過(guò)壓縮器12，并且壓縮空氣供應(yīng)到燃燒器20。來(lái)自于燃燒器20的燃燒氣體28驅(qū)動(dòng)渦輪14。渦輪14圍繞縱向軸線30轉(zhuǎn)動(dòng)軸18、壓縮器12和發(fā)電機(jī)16。
圖2是可以用于燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)10的示例性定子葉片40的放大透視圖(圖1所示)。更特別是，在示例性實(shí)施例中，定子葉片40連接在例如壓縮器12的壓縮器內(nèi)(圖1所示)。圖3是一對(duì)定子葉片的前視圖，并且表示組裝在例如燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)10的轉(zhuǎn)子組件內(nèi)時(shí)相鄰定子葉片40的相對(duì)周向取向(圖1所示)。在示例性實(shí)施例中，定子葉片40形成例如壓縮器12的壓縮的第九級(jí)的一部分(圖1所示)。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解到，這里描述的定子翼面可有利于本領(lǐng)域公知的其它轉(zhuǎn)子構(gòu)件的應(yīng)用。這里的描述因此只是示例性的，而不打算將本發(fā)明的應(yīng)用局限于特定的定子葉片、壓縮器或渦輪。
如下所述，本發(fā)明的翼面型面確信在壓縮器12的第九級(jí)內(nèi)是最佳的，從而在壓縮器12內(nèi)的其它級(jí)之間實(shí)現(xiàn)所需的相互作用，改進(jìn)壓縮器12的空氣動(dòng)力效率，并且在壓縮器操作期間優(yōu)化每個(gè)定子一圈的空氣動(dòng)力和機(jī)械負(fù)載。
在組裝在轉(zhuǎn)子組件內(nèi)時(shí)，每個(gè)定子葉片40連接到圍繞例如軸18的轉(zhuǎn)子軸(圖1所示)周向延伸的發(fā)電機(jī)殼體(未示出)上。如本領(lǐng)域公知那樣，在完全組裝時(shí)，每個(gè)定子葉片40的周向排軸向定位在定子葉片的相鄰排之間(未示出)。更特別是，定子葉片40進(jìn)行取向，以便以有助于提供發(fā)動(dòng)機(jī)性能的方式引導(dǎo)流過(guò)轉(zhuǎn)子組件的流體。在示例性實(shí)施例中，周向相鄰的定子葉片40是相同的，并且各自徑向延伸通過(guò)限定在轉(zhuǎn)子組件內(nèi)的流動(dòng)通路。此外，每個(gè)定子葉片40包括從底座或平臺(tái)62向外延伸的翼面件60，并在示例性實(shí)施例中與底座和平臺(tái)62形成整體。
每個(gè)翼面件60包括第一側(cè)壁70和第二側(cè)壁72。第一側(cè)壁70是凸起的并限定翼面件60的抽吸側(cè)，并且第二側(cè)壁72是凹入的并且限定翼面件60的壓力側(cè)。側(cè)壁70和72在翼面件60的導(dǎo)前邊緣74以及軸向隔開(kāi)的拖尾邊緣76處結(jié)合在一起。更特別是，翼面拖尾邊緣76與翼面導(dǎo)前邊緣74弦向隔開(kāi)，并定位在翼面導(dǎo)前邊緣74的下游。第一和第二側(cè)壁70和72分別從靠近底座62的根部78縱向或徑向向外橫跨延伸翼面尖端80。
底座62有助于將定子葉片40固定在殼體上。在示例性實(shí)施例中，底座62公知為“方面”底座，并且包括通過(guò)上游面92和下游面94連接在一起的一對(duì)周向隔開(kāi)的側(cè)面90和91。側(cè)面90和91是相同的，并且大致相互平行。此外，在示例性實(shí)施例中，上游面92和下游面94大致相互平行。
一對(duì)整體形成的吊耳100和102從各自面92和94延伸。吊耳100和102如同現(xiàn)有技術(shù)公知那樣接合殼體，以便有助于將定子葉片40固定在轉(zhuǎn)子組件內(nèi)。在示例性實(shí)施例中，每個(gè)吊耳100和102靠近底座62的徑向外表面104從各自面92和94向外延伸。
在示例性實(shí)施例中，翼面件60由定向固化合金與每個(gè)底座62整體鑄成，該合金經(jīng)過(guò)溶液強(qiáng)化以及進(jìn)行沉積硬化熱處理。定向固化提供避免橫向晶粒邊界的優(yōu)點(diǎn)，由此增加蠕變壽命。
經(jīng)由開(kāi)發(fā)源代碼、模型和設(shè)計(jì)原則，在適用的操作參數(shù)下，考慮葉片的空氣動(dòng)力負(fù)載和機(jī)械負(fù)載，確定空間中滿足壓縮器12的第九級(jí)要求的獨(dú)特需要的1456個(gè)點(diǎn)的位置。所述點(diǎn)的位置確信實(shí)現(xiàn)了所需壓縮器其它級(jí)之間的所需相互作用、壓縮器的空氣動(dòng)力效率；以及壓縮器操作期間定子葉片的最佳空氣動(dòng)力和機(jī)械負(fù)載。另外，點(diǎn)的位置提供用于制造定子葉片的可制造翼面型面，并且使得壓縮器以有效、安全和平穩(wěn)方式運(yùn)行。
參考圖2，表示下面表格I中提出的用于X、Y、Z數(shù)值的笛卡兒坐標(biāo)系統(tǒng)。笛卡兒坐標(biāo)系統(tǒng)具有垂直相關(guān)的X、Y、Z軸，其中Z軸或基準(zhǔn)點(diǎn)大致垂直于平臺(tái)62定位并且大致在徑向上延伸通過(guò)翼面件。Y軸平行于機(jī)器中心線(即轉(zhuǎn)動(dòng)軸線)定位。通過(guò)在徑向上(即Z方向)在所選位置處限定X和Y坐標(biāo)值，可以確定翼面件60的型面。通過(guò)將X和Y數(shù)值用平滑連續(xù)弧線連接，在每個(gè)徑向距離Z處的每個(gè)型面截面固定。在徑向距離Z之間的多個(gè)表面處的表面型面可通過(guò)連接相鄰的型面來(lái)確定。
用于確定每個(gè)徑向位置或翼面高度Z處的翼面截面型面的X和Y坐標(biāo)在下面表格I中列出，其中Z是在平臺(tái)62的上表面處等于0的非尺寸數(shù)值，并且在翼面尖端部分80處等于1.593。用于X、Y、Z坐標(biāo)的表格數(shù)值是以英寸為單位提供，并且代表用于未涂覆翼面的環(huán)境、非操作或非受熱條件下的實(shí)際翼面型面，涂層將在下面描述。另外，如笛卡兒坐標(biāo)系統(tǒng)通常使用那樣，符號(hào)規(guī)定將正值對(duì)應(yīng)于數(shù)值Z，并且將正值和負(fù)值對(duì)應(yīng)于坐標(biāo)X和Y。
表格I的數(shù)值是計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的，并且表示三個(gè)小數(shù)位。但是，考慮到加工的限制，對(duì)于確定翼面型面來(lái)說(shuō)，認(rèn)為僅僅的三個(gè)小數(shù)位足夠用于形成翼面的實(shí)際數(shù)值。另外，在翼面型面中必須考慮典型的加工誤差。因此，表格I中給出的型面數(shù)值用于標(biāo)定型面。因此，將理解到正負(fù)典型加工誤差適用于這些X、Y、Z數(shù)值，并且具有大致按照這些數(shù)值的型面的翼面件包括這種誤差。例如，大約±0.160英寸的加工誤差在翼面件的設(shè)計(jì)極限內(nèi)。因此，翼面件的機(jī)械和空氣動(dòng)力性能不受到加工誤差和缺陷的影響，在不同實(shí)施例中這些誤差可大于或小于以上提出的數(shù)值。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解到，可以確定加工誤差，從而相對(duì)于表格I中提出的各個(gè)理想翼面型面的點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)加工翼面件的所需措施和標(biāo)準(zhǔn)偏差。
另外，并如上所述，在按照表格I的數(shù)值并在所述的加工誤差內(nèi)進(jìn)行翼面件加工之后，翼面件還可進(jìn)行涂覆，以便受到保護(hù)而不腐蝕和氧化。在示例性實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)耐腐蝕涂層設(shè)置成大約0.100英寸的總平均厚度。因此，除了表格I中提出的X和Y數(shù)值的加工誤差之外，還可對(duì)這些數(shù)值進(jìn)行添加以便補(bǔ)償涂層厚度。理解到在本發(fā)明的可選擇實(shí)施例中可以采用或大或小的涂層厚度。
在包括所述翼面件的第九級(jí)定子葉片組件在操作過(guò)程中加熱，渦輪葉片上施加的應(yīng)力和溫度不可避免地造成翼面形狀的某些變形，并且因此在發(fā)動(dòng)機(jī)操作時(shí)在表格I中提出的X，Y，Z坐標(biāo)中出現(xiàn)某些變化或偏差。雖然在操作中不能測(cè)量翼面件坐標(biāo)的變化，已經(jīng)確定的是將表格I中提出的點(diǎn)位置加上使用中的變形，使得壓縮器以有效、安全和平穩(wěn)的方式運(yùn)行。
理解到表格I中提出的翼面型面可以幾何放大或縮小，以便引入其它類似的機(jī)器設(shè)計(jì)中。因此考慮到表格I中提出的翼面型面的縮放形式可通過(guò)將每個(gè)X和Y坐標(biāo)值乘以或除以預(yù)定常數(shù)η來(lái)獲得。認(rèn)識(shí)到表格I可認(rèn)為是將η設(shè)置成等于1時(shí)的縮放型面，并且具有或大或小尺寸的型面可以通過(guò)將η分別調(diào)節(jié)成大于或小于1來(lái)獲得。
所述定子葉片提供了成本有效和可靠的方法，以便優(yōu)化轉(zhuǎn)子組件的性能。更特別是，每個(gè)定子葉片翼面件具有有助于在壓縮器操作期間在壓縮器的其它級(jí)之間實(shí)現(xiàn)所需相互作用、壓縮器的空氣動(dòng)力效率以及定子葉片的最佳空氣動(dòng)力和機(jī)械負(fù)載的翼面形狀。因此，重新限定的翼面幾何形狀有助于延長(zhǎng)定子組件的使用壽命以及以成本有效和可靠的方式改善壓縮器的操作效率。
上面詳細(xì)地描述了定子葉片和定子組件的示例性實(shí)施例。定子葉片不局限于這里描述的特定實(shí)施例，而是每個(gè)定子葉片的部件可單獨(dú)并與這里描述的其它部件分開(kāi)使用。例如，每個(gè)定子葉片凹入部分還可限定在其它定子葉片內(nèi)或與其結(jié)合使用，或與其它轉(zhuǎn)子組件結(jié)合，并且只不局限于通過(guò)這里描述的定子葉片40實(shí)施。相反，本發(fā)明可結(jié)合許多其它葉片和轉(zhuǎn)子構(gòu)造利用和使用。
雖然對(duì)于不同的特定實(shí)施例進(jìn)行描述，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解到本發(fā)明可在權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)進(jìn)行變型。
表格I






權(quán)利要求
1.一種用于定子葉片(40)的翼面件(60)，翼面件具有大致按照表I中設(shè)定的只有四個(gè)小數(shù)位的X、Y和Z的笛卡兒坐標(biāo)值的未涂層型面，其中Z是離開(kāi)安裝有翼面件的平臺(tái)(62)的距離，并且X和Y是在離開(kāi)平臺(tái)的每個(gè)距離Z處限定該型面的坐標(biāo)。
2.如權(quán)利要求1所述的翼面件(60)，其特征在于，所述翼面件包括壓縮器(12)的第九級(jí)。
3.如權(quán)利要求1所述的翼面件(60)，其特征在于，所述翼面件在垂直于任何翼面表面位置的方向上位于±0.160英寸內(nèi)的范圍內(nèi)。
4.如權(quán)利要求1所述的翼面件(60)，其特征在于，所示翼面型面有助于優(yōu)化所述翼面件的空氣動(dòng)力效率。
5.如權(quán)利要求1所述的翼面件(60)，其特征在于，與從所述平臺(tái)整體延伸的底座(62)相結(jié)合，所述翼面件經(jīng)由鑄造工藝形成。
6.一種壓縮器(12)，該壓縮器設(shè)置包括至少一排定子葉片(40)，其中每個(gè)所述定子葉片包括底座(62)和從中延伸的翼面件(60)，至少一個(gè)所述翼面件具有翼面形狀，所述翼面形狀具有大致按照表I中設(shè)定的只有三個(gè)小數(shù)位的X、Y和Z的笛卡兒坐標(biāo)值的標(biāo)定型面，其中Z是離開(kāi)所述翼面件從中延伸的所述底座的上表面的距離，并且X和Y是在離開(kāi)所述底座的每個(gè)距離Z處限定該型面的坐標(biāo)。
7.如權(quán)利要求6所述的壓縮器(12)，其特征在于，每個(gè)所述翼面形狀通過(guò)相互平滑連接以便形成完整翼面形狀的Z距離處的型面截面限定。
8.如權(quán)利要求6所述的壓縮器(12)，其特征在于，所述至少一個(gè)翼面件(60)還包括在所述至少一個(gè)翼面件上延伸的涂層，所述涂層具有大約0.100英寸或更小的厚度。
9.如權(quán)利要求6所述的壓縮器(12)，其特征在于，所述至少一排定子葉片(40)包括所述壓縮器的第九級(jí)。
10.一種定子組件，所述定子組件包括具有底座(62)和從所述底座延伸的翼面件(60)的至少一個(gè)定子葉片(40)，所述翼面件具有大致按照表I中設(shè)定的只有三個(gè)小數(shù)位的X、Y和Z的笛卡兒坐標(biāo)值的未涂層型面，其中Z是離開(kāi)所述翼面件從中延伸的上表面的距離，并且X和Y是在離開(kāi)所述底座的每個(gè)距離Z處限定該型面的坐標(biāo)，所述型面通過(guò)預(yù)定常數(shù)η縮放，并且可以按照預(yù)定制造誤差制造。
全文摘要
一種用于定子葉片(40)的翼面件(60)，翼面件具有大致按照表I中設(shè)定的只有四個(gè)小數(shù)位的X、Y和Z的笛卡兒坐標(biāo)值的未涂層型面，其中Z是離開(kāi)安裝有翼面件的平臺(tái)(62)的距離，并且X和Y是在離開(kāi)平臺(tái)的每個(gè)距離Z處限定該型面的坐標(biāo)。
文檔編號(hào)F01D9/02GK1924299SQ20061012662
公開(kāi)日2007年3月7日 申請(qǐng)日期2006年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月30日
發(fā)明者H·I·諾施 申請(qǐng)人:通用電氣公司