專利名稱：：用于渦輪機葉片的翼型件形狀的制作方法
技術領域：
：本發明涉及渦輪機葉片。渦輪機葉片通常為渦輪發動機中的、將經過渦輪機的工作流體的流動轉化成機械能的旋轉輪葉。更具體地，但并非以限制的方式，本發明涉及一種改進的用于渦輪機葉片的翼型件形狀。盡管對本文中公開的本發明進行了描述并意圖用于燃氣渦輪發動機，但是如以下更詳細地描述的那樣，成比例的設計可有效地用于蒸汽輪機或航空渦輪發動機。
背景技術：
：燃氣渦輪發動機的工作流體通常包括由燃料的燃燒所產生的熱氣體流。導引熱氣體流經過發動機的渦輪機段，該渦輪機段通常包括多級渦輪機葉片。各葉片均包括葉片翼型件(airfoil)或翼型件，翼型件是葉片的與工作流體流相互作用的部分。因為翼型件的形狀，工作流體促使葉片級繞轉子旋轉，從而將工作流體的能量轉化成機械6匕如本領域的普通技術人員將理解的那樣，多級中的翼型件的設計和形狀可顯著地影響渦輪機的整體性能。用于各級的翼型件具有有待滿足的獨特的一組設計需求，對于渦輪機性能目標(例如總體發動機效率)而言必須滿足這些需求。在一些情況下，翼型件設計和形狀的微小變化可對發動機運行效率或運行過程中渦輪機葉片的負載特性產生重大影響。當然，隨著能量成本似乎不可避免地增加，設計提高效率的渦輪發動機是持續且重要的目標。因此，一直存在對于通過渦輪發動機的若千級提供高效的渦輪機運行的改進的翼型件形狀的需求。
發明內容本申請因此描述了一種可包括翼型件的渦輪機葉片，該翼型件具有基本上依據表l中列出的X、Y和Z的笛卡爾坐標值的標稱輪廓，其中，Z值為從大約O至1的無量綱值，該Z值可通過用以英寸為單位的翼型件高度乘以該Z值而轉換成以英寸為單位的Z距離，并且其中，X和Y為以英寸為單位的距離，在由基本平滑的連續弧連接時，該X和Y限定了各距離Z處的翼型件縱剖面，Z距離處的縱剖面基本平滑地彼此相連以形成完整的翼型件形狀。在一些實施例中，渦輪機葉片可構造成以便用作渦輪機中的第二級渦輪機葉片。渦輪機可為燃氣輪機。翼型件的形狀可位于在垂直于翼型件的任意表面位置的方向上大約+/-0.04英寸內的包絡中。渦輪機葉片高度可為大約17至19英寸。翼型件的高度為大約IO至11英寸。本申請還描述了一種包括翼型件的渦輪機葉片，該翼型件具有基本依據表l中列出的X、Y和Z的笛卡爾坐標值的未涂層的標稱輪廓，其中，Z值為從大約0至1的無量綱值，該Z值可通過用以英寸為單位的翼型件高度乘以該Z值而轉換成以英寸為單位的Z距離，并且其中，X和Y為以英寸為單位的距離，在由平滑的連續弧連接時，該X和Y限定了各Z距離處的翼型件縱剖面，Z距離處的縱剖面平滑地彼此連結以形成完整的翼型件形狀，X、Y和Z距離可作為同一常數或數值的函數而按比例變化，以提供按比例放大或按比例縮小的翼型件。渦輪機葉片可構造成以便用作渦輪機中的第二級渦輪機葉片。翼型件的形狀可位于在垂直于翼型件的任意表面位置的方向上大約+/-0.04英寸內的包絡中。翼型件的高度可為大約IO至11英寸。在結合附圖和所附權利要求查閱對優選實施例的以下詳細描述之后，本申請的這些以及其它特征將變得顯而易見。通過結合附圖仔細研究對本發明的示例性實施例的以下更詳細的描述，將更完全地理解和領會本發明的這些和其它目的以及優點，其中圖1為通過燃氣輪機的多個級的熱氣體通道的示意圖，且其示出了根據本發明的實施例的示例性第二級葉片翼型件；圖2為根據本發明的示例性實施例的渦輪機葉片的透視圖，其中示出了結合了其平臺(platform)和榫接的葉片翼型件；以及圖3為圖2的渦輪機葉片的備選透視圖。部件列表10熱氣體通道；12燃氣輪機；14第一級噴嘴；16第一級葉片；17渦輪機葉輪；18第二級噴嘴；20第二級葉片；22第三級噴嘴；24第三級葉片；30平臺；32柄部；34榫部；36端罩；38翼型件。具體實施例方式現在來看附圖，圖1示出了包括多個渦輪機級的燃氣輪機12的、大體以10表示的熱氣體通道。示出了三個級。笫一級可包括多個沿周向間隔開的噴嘴14和渦輪機輪葉或葉片16。第一級噴嘴14大體沿周向彼此間隔開，并繞轉子的軸線(未示出)而固定。第一級葉時繞轉子旋轉。還示出了渦輪機12的第二級。第二級類似地可包括多個沿周向間隔開的噴嘴18和安裝在渦輪機葉輪17上的多個沿周向間隔開的葉片20。還示出了第三級，且第三級包括多個沿周向間隔開的噴嘴22和安裝在渦輪機葉輪17上的葉片24。應當理解，噴嘴和葉片位于渦輪機12的熱氣體通道10內，熱氣體經過熱氣體通道10的流向用箭頭26指示。本領域的普通技術人員將理解的是，如圖2和3所示，渦輪機葉片大體包括平臺30、柄部32以及用于將葉片連接到渦輪機葉輪17上的榫部34。端罩36可設置在各葉片20的梢端。各葉片20還可包括葉片翼型件或翼型件38,其大體沿葉片20的長度而處于平臺30與端罩36之間。沿著翼型件38，葉片20大體具有翼型件的截面形狀。由于翼型件形狀，熱氣體流促使葉片級繞轉子旋轉，從而將膨脹的熱氣體的能量轉化成旋轉轉子的機械能。圖2和3示出了根據本發明的翼型件形狀的示例性實施例。圖2和3中的示例性實施例例如可用作燃氣輪機中的渦輪機葉片20,但是其它用途也是可行的，例如用于蒸汽輪機或航空發動機中。更具體地說，盡管不限于此，但是圖2和3中的示例性實施例可用作燃氣渦輪發動機中的第二級葉片。此外，盡管不限于此，但是圖2和3中的示例性實施例可用作由紐約斯卡奈塔第(Schenectady,NewYork)的通用電氣公司(GE)制造的7FA+e燃氣渦輪發動機中的第二級葉片。如本文中所述的那樣，為了限定圖2和3的示例性實施例的翼型件38的形狀，可描繪空間中的獨特的點組或點的軌跡。如表l所示，限定翼型件38的形狀的軌跡可包括一組大約1200個點，這些點具有相對于圖2和3中建立的原點坐標系的X、Y和Z坐標。更具體地說，如本領域的普通技術人員將理解的那樣，坐標系相對于翼型件而設并由點A、B和C完全限定。點A和B均位于冷轉子中線上方39.600英寸處。點A位于翼型件中弧線與前緣翼型件表面的相交處。點B位于翼型件中弧線與后緣翼型件表面的相交處。點C位于冷轉子中線上方49.862英寸處，并位于翼型件中弧線與翼型件后緣表面的相交處。坐標系原點位于點A處。點A和B限定了正X軸。點A、B和C限定了正向X-Z平面。然后使用右手定則方法來限定Y軸。因此，如圖所示，在一些實施例中，翼型件的高度可為大約IO至11英寸。在一些實施例中葉片的總高可以為17至19英寸。如下面所討論的那樣，其它高度也是可行的。下表1中給出的X、Y和Z值的笛卡爾坐標系限定了根據本申請的示例性實施例的翼型件38的形狀。更具體地說，翼型件38的形狀由所列出的點云來限定，使得可通過限定經過列出的點的大致平滑的薄表面來構造翼型件38。X、Y和Z坐標的坐標值在表1中以7英寸為單位列出，但是如果這些值進行了適當轉換，還可采用其它尺寸單位。如本領域的普通技術人員將理解的那樣，生成表1中的數值并顯示到3位小數位，以確定翼型件38的輪廓。這些點代表翼型件38的標稱的低溫或室溫形狀。隨著葉片在運行中變熱，機械負載和溫度將導致X、Y和Z坐標發生改變。因此，表l中給出的用于翼型件形狀的值代表環境狀態、非運行狀態或非熱狀態。此外，對于翼型件形狀的實際輪廓，還必須考慮典型的制造和涂層公差。因此，應理解的是，包括任意涂層厚度的+A典型制造公差(即+/-數值)是下表1中給出的X和Y值的附加值。因此，在垂直于沿翼型件38的任何表面位置的方向上的+/-0.04英寸的距離可限定根據表l的示例性實施例的翼型件輪廓。因此，在標稱的低溫或室溫下于實際翼型件上測得的點與下表中給出的相同溫度下這些點的理想位置之間可能存在公差值內的偏差。翼型件38設計對于該范圍的變化是健壯的而不會損害機械功能。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>XYXYZXY3.622'0細a術o.鄉0.2723.5130.0780.273O.,15970.2721.7210.2723.3310.0330.2730.7191,583G.2722.515a鄉0.2723,579Q.0170.2730細1,594(127218050,2723.406'0.0170.2730.9891.5920.2720.7930,2723,481-0.0630,2731.0781細0.2722,58807990,2723.481-O扁02730,631，,鄉0.2720.7890.2723,腦-0.0650,273"671.5640-272l.鵬0.7760,272067416320.3630.5451,5370,2722細07460.2720,7621-6410,3631,2551,5430.272a鄉0,7330.2720.8501.6430.3631.34115160.2721.9720.7410.2720.9381.6380.363O.啦1加10,272-0.0590.7000.2720.5881,6141.426I4860.2722爆G.7040.2721.0251.6260.3630,3841,4560.2722.733a微0,2721.1121,6100.3631.5101,4530.2720,3970.6700.2720..5041.5&80.3630.3121.4020,2722.1360.6670,2721.1971細0.3631.5921,4170.2722.2180備0,2720.4231.5520,3631.6741.3780.2722細0.S380,2721,2811細0.3630—2461.34Q0.272-0.0590.6100.2721.3641.53103631,3360.2720.333國70.2720,3471.郷0,3631,8331.2930,2722.3000,5910,2721.4鄉1.柳0.3630.1861.2730.2722,877a鄉0,2720.2761.4鄰0.3631.9121.2480.2722,3810.5520,2721.5261.4620.363Q.1331,2000,2720.267眼50.2721朋51,4230.3631.9891.202d2720,523'0,2720.2111,3960.3632.0661'1M0,2722扁(3.5280.2721說31.3820.3630細1,1240,2722.4630.5130.2720,1531,3290-3632,1421,鄉0.2720.195a柳02721,7601郷0,3632,2181,0570,2722,5430、4730.2721.8361,2040.363(X0431,0440.2723細0,4730.2720,1011.2580細1,9"1.2470.363O,湖0.6070.3630,1751,451a頓1,9861.20Q0.3632.276Q.5970.3631,6131.4加0,4540,0561,1820,3632,8420,5790,36301191,3850崩2細，.1520,3632.3550.5570，1.6871.3870.4541,103…'T:麗…'2.911…n…0.524…固廠0.3631,761….6.「6.f6…"1343….m3….JM、2.2061,0530,3632.5"0.47S0,3S31.8341,2970.4540細1鄉0,3632鄰0a鄉(X3631.9071,250O.頓0鄰21.0450.3632-589CU350為30,0281.239CU541廁1涵G.3633扁0,4140,3631.柳1,2020.45412<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table>具有該性質的翼型件形狀處于本申請的范圍內。如上所述，渦輪機葉片尤其是渦輪機翼型件用于將工作流體的膨脹流的動能轉化成旋轉軸的機械能，該機械能然后可通過發電機用于發電。如本文中本發明所體現的那樣，翼型件的構造(以及其與周圍翼型件的相互作用)提供級效率、增強的航空力學、級與級之間的平滑層流、減小的熱應力、用以有效地在級與級之間傳遞氣流的增強的級間相互關系、減小的機械應力，以及其它有利方面。可通過各種方式來驗證流體流動動力學和層流的合乎需要的運行方面以及源自根據本發明的翼型件的其它方面(包括與周圍翼型件的合乎需要的相互作用)。例如，如本發明所體現的那樣，來自之前的/上游翼型件的流體流與翼型件相互作用，并借助于即時的翼型件構造，使得翼型件上和周圍的流動增強。具體而言，如本發明所體現的那樣，來自翼型件的流體動力學和層流得以增強。存在來自之前/上游翼型件和噴嘴的平滑過渡流體流，以及到鄰近的/下游翼型件和噴嘴的平滑過渡流體流。此外，來自根據本發明的翼型件的流繼續向鄰近的/下游翼型件前進，且由于離開翼型件的增強的層流流體流而增強了噴嘴。因此，如本發明所體現的那樣，翼型件的形狀有助于防止渦輪機單元中的紊流流體流，并因此有助于提高通過渦輪機單元將流的動能轉化成旋轉軸的機械能的更高效率轉化。此外但絕非限制本發明，根據本發明的翼型件構造的有效性(存在或不存在流體流相互作用)可通過以下方法進行量化計算流體動力學(CFD);傳統流體動力學分析；歐拉和納維斯托克斯(Navier-Stokes)公式；對于傳遞函數、算法、制造手動定位、流動測試(例如在風洞中)以及翼型件的修改；現場測試；建;f莫應用科學原理來設計或開發翼型件，機器，裝置或制造工藝；翼型件流動測試和修改；它們的組合以及其它設計工藝和實踐。這些確定方法僅是示例性的，并且不意圖以任何方式限制本發明。如上所述，與具有類似用途的其它相似的翼型件相比，如本發明所體現的翼型件構造(以及其與周圍翼型件的相互作用)，包括其周邊面，提供了級氣流效率、增強的航空力學、級與級之間的平滑層流、減小的熱應力、用以使空氣流有效地在級與級之間傳遞的增強的級間相互關系，減小的機械應力，以及本發明的其它合乎需要的方面。例如且絕非限制本發明，本發明的翼型件可提供比可用于同樣功用的傳統翼型件高出多達5%-10%的提高了的效率。除了上面所提到的優點，該提高的效率在減少所需燃料的情況下提供動力輸出，因此內在地降低了排放。當然，其它的這種優點也在本發明的范圍內。盡管已經結合目前所認為的最實用的和優選的實施例描述了本發明，但是要理解的是，本發明將不限于所公開的實施例，而是相反，本發明意圖覆蓋包括在所附權利要求的精神和范圍內的各種修改和等效布置。權利要求1.一種包括翼型件(38)的渦輪機葉片，所述翼型件(38)具有基本依據表1中列出的X、Y和Z的笛卡爾坐標值的標稱輪廓，其中，所述Z值為從大約0至1的無量綱值，其可通過用以英寸表示的翼型件(38)的高度乘以所述Z值而轉換成以英寸表示的Z距離，并且其中，X和Y為以英寸表示的距離，在由基本平滑的連續弧連接時，所述X和Y限定了各距離Z處的翼型件(38)縱剖面，所述Z距離處的所述縱剖面基本平滑地彼此連結，以形成完整的翼型件(38)形狀。2.根據權利要求1所述的渦輪機葉片，其特征在于，所述渦輪機葉片構造成以便用作渦輪機中的第二級渦輪機葉片(20)。3.根據權利要求2所述的渦輪機葉片，其特征在于，所述渦輪機為燃氣輪機(12)。4.根據權利要求1所述的渦輪機葉片，其特征在于，所述翼型件(38)的形狀位于在垂直于所述翼型件(38)的任意表面位置的方向上大約+/-0.04英寸內的包絡內。5.根據權利要求1所述的渦輪機葉片，其特征在于，所述渦輪機葉片的高度為大約17至19英寸。6.根據權利要求1所述的渦輪機葉片，其特征在于，所述翼型件(38)的高度為大約10至11英寸。7.—種包括翼型件(38)的渦輪機葉片，所述翼型件(38)具有基本依據表l中列出的X、Y和Z的笛卡爾坐標值的未涂層的標稱翼型件(38)輪廓，其中，所述Z值為從大約0至1的無量綱值，其可通過用以英寸表示的翼型件(38)的高度乘以所述Z值而轉換成以英寸表示的Z距離，并且其中，X和Y為以英寸表示的距離，在由平滑的連續弧連接時，所述X和Y限定了各Z距離處的翼型件(38)縱剖面，所述Z距離處的所述縱剖面平滑地彼此連結，以形成完整的翼型件(38)形狀，所述X、Y和Z距離可作為同一常數或數值的函數而按比例變化，以提供按比例放大或按比例縮小的翼型件(38)。8.根據權利要求7所述的渦輪機葉片，其特征在于，所述渦輪機葉片構造成以便用作渦輪機中的笫二級渦輪機葉片(20)。9.根據權利要求7所述的渦輪機葉片，其特征在于，所述翼型件(38)的形狀位于在垂直于所述翼型件(38)的任意表面位置的方向上大約+/-0.04英寸內的包絡內。10.根據權利要求7所述的渦輪機葉片，其特征在于，所述翼型件(38)的高度為大約10至11英寸。全文摘要本發明涉及用于渦輪機葉片的翼型件形狀。一種包括翼型件38的渦輪機葉片，翼型件38具有基本依據本文中所包含的表1中列出的X、Y和Z的笛卡爾坐標值的標稱輪廓，其中，Z值為從大約0至1的無量綱值，該Z值可通過用以英寸為單位的翼型件38的高度乘以該Z值而轉換成以英寸為單位的Z距離，并且其中，X和Y為以英寸為單位的距離，在由基本平滑的連續弧連接時，該X和Y限定了各距離Z處的翼型件38縱剖面，Z距離處的縱剖面基本平滑地彼此連結以形成完整的翼型件38形狀。文檔編號F01D5/14GK101566075SQ20091013798公開日2009年10月28日申請日期2009年4月24日優先權日2008年4月25日發明者B·L·史密斯,C·A·馬利諾夫斯基,R·A·布里廷厄姆申請人:通用電氣公司