用于渦輪轉子的包括肋的中空葉片的制作方法

專利名稱：用于渦輪轉子的包括肋的中空葉片的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于渦輪轉子的葉片，更具體地，本發明涉及用于高壓氣體渦輪，特別 是用于直升飛機的中空葉片。然而，本發明還可用于飛機引擎，且更常見地涉及任何氣體渦 輪。本發明更具體地涉及具有封閉端壁的類型的中空葉片，即其中端壁不包括口，這不同于 具有開放端壁的類型的中空葉片(所稱的“被冷卻”類型，不形成本發明的主題)。
背景技術：
如圖1和2中所示，渦輪葉片10在其根部與其葉片尖端12之間沿徑向延伸，其 中，通常設置開放腔14(被稱為“浴盆”)，其由封閉端壁16和側邊沿18限定。葉片的徑向 R是相對于支撐葉片的轉子而言，軸向是引擎軸線方向并垂直于徑向。這樣的葉片在傳統上 包括壓力側24、吸收側沈、前緣28和后緣30。與實心葉片尖端相比，腔14的存在用于葉片減重，并用于修改氣體流的結構，由 此限制不希望出現的從葉片壓力側M朝向葉片吸收側26的氣體流。然而，來自燃燒室的 位于渦輪上游的熱氣體在流動到腔14內時通過對流而加熱腔14的壁。

發明內容
本發明的目的在于，構建腔中的熱氣體流，以減小熱氣體與腔壁之間的熱交換。本發明通過以下事實而實現此目的腔的側邊沿承載至少一個肋，所述肋在葉片 的前緣與后緣之間延伸。因而可理解，所述肋在腔內延伸。這種葉片的優點在于，側邊沿的所述至少一個肋產生氣體環流，以針對大多數可 能透入腔中的熱氣體而阻隔腔入口。因此，在熱氣體與腔壁之間的熱交換減少，由此，從熱 學角度而言，腔壁應力達到更小的程度。有利地，所述至少一個肋在與所述葉片的徑向大致垂直的平面中延伸，應理解，所 用的“大致垂直”是指所述平面相對于嚴格垂直于葉片徑向的平面的角度在士30°范圍 內。優選地，所述至少一個肋在與所述葉片的徑向嚴格垂直的平面中延伸。發明人已經發 現，在這種構造中，所述至少一個肋有效阻隔可能進入腔中并由此加熱腔壁的熱氣體流。在一變例中，所述側邊沿包括至少兩個肋。所存在的兩個肋用于進一步改善在腔 入口處的氣體阻隔。優選地，這兩個肋相互面對。有利地，所述側邊沿具有的至少兩個肋被設置在與所述葉片的徑向大致垂直的公 共平面中。這樣，腔的開口被限制在單一的公共平面中，由此用于限制氣體進入腔中。可替代地，側邊沿所承載的至少兩個肋被設置在與所述葉片的徑向大致垂直的兩 個不同平面中。各肋沿徑向的這種不同定位用于阻隔可能透入腔中的氣體流。更進一步，腔的所述側邊沿包括與所述葉片的壓力側接近的第一邊沿部分和與 所述葉片的吸收側接近的第二邊沿部分，有利地，所述側邊沿具有的至少兩個肋處于所述 邊沿的公共部分上。在這種構造中，可精調針對可能透入腔中的氣體流的阻隔，并可減少葉 片上的肋所具有的多余重量。
應注意到，所用術語“邊沿部分”是指邊沿的在葉片的前緣與后緣之間延伸的部 分。兩個邊沿部分是鄰接的。因而邊沿包括兩個邊沿部分在葉片壓力側旁邊在前緣與后緣 之間延伸的第一邊沿部分，和在葉片吸收側旁邊在前緣與后緣之間延伸的第二邊沿部分。可替代地，仍設計為所述側邊沿包括與所述葉片的壓力側接近的第一邊沿部分 和與所述葉片的吸收側接近的第二邊沿部分，所述側邊沿具有至少兩個位于兩個邊沿部分 上的肋。這樣，通過肋使得腔入口顯著變小，且僅有少量氣體流可透入腔中。有利地，沿著沿所述葉片的徑向，所述至少一個肋從所述葉片尖端回退。結果，在 葉片尖端處保持剩余間隙，從而能夠有效限制可能透入腔中的氣體并由此改進在腔入口處 的阻隔。優選地，所述至少一個肋具有大致矩形的截面。發明人已經發現，這樣的肋可改進 阻隔功能。所用術語“大致矩形截面”涵蓋矩形截面，以及梯形、正方形或平行四邊形的截所述肋也可以是斜切的。斜切的肋形狀用于減少肋重量而同時保持肋間的連接接 觸，其足以確保所述連接的機械整體性。此外，肋的斜切形狀用于形成特定邊緣效應的氣體 流，并由此改進對可能透入腔中的氣體流的阻隔。本發明還提供一種包括至少一個本發明葉片的渦輪轉子，并且提供一種包括至少 一個渦輪轉子的渦輪機，例如直升飛機氣體渦輪。


通過閱讀以下對以非限制性示例給出的各種實施例的詳細描述，本發明及其優點 可被更好地理解。參照附圖進行描述，其中圖1是現有技術葉片的尖端的透視圖；圖2是圖1的葉片在圖1的平面II上的截面圖；圖3是本發明第一實施例的葉片的尖端的透視圖；圖4A是圖3的葉片在圖3的平面IV上的截面圖，而圖4B、4C和4D顯示出本發明 的葉片的其它實施例；圖5A是圖3的葉片在沿圖3中的箭頭V所見的視圖，而圖5B和5C顯示出本發明 的葉片的其它實施例；和圖6是具有渦輪轉子的氣體渦輪的視圖，其中渦輪轉子裝配有本發明的葉片。
具體實施例方式參照圖3描述本發明第一實施例。圖3顯示出高壓渦輪葉片10在葉片根部與葉 片尖端12之間徑向延伸，其中形成有開放的腔14其被稱為浴盆。此腔14由封閉，即無口 的端壁16和側邊沿18限定。側邊沿18包括與葉片壓力側M接近的第一邊沿部分18a和 與葉片吸收側26接近的第二邊沿部分18b。根據本發明，側邊沿18具有至少一個肋，所述 肋在葉片10的前緣觀與后緣30之間延伸。在此示例中，側邊沿18具有兩個肋32和34，肋32和34分別在第一邊沿部分18a 和第二邊沿部分18b上延伸，每個肋從部分18a和18b中相應的一個突出。肋32從側邊沿18突出以在封閉端壁16與所述肋32之間形成槽。因而可理解，
4肋32從封閉端壁16脫離，在封閉端壁16與肋32之間限定一空間。換句話說，肋32位于 封閉端壁16與葉片尖端12之間。肋32因而不與封閉端壁16鄰接。肋34也是如此。這樣，在葉片前緣觀與后緣30之間延伸的肋32、34的存在，用于在葉片尖端處阻 隔熱氣體，使得很少或沒有熱氣體透入腔14中。與現有技術相比，在腔14的壁上由于對流 所產生的加熱得以減少。肋的存在使得氣體流中產生擾動(或邊緣效應)。發明人已經發現，肋使得沿葉片 徑向產生三個氣體流級別的渦流結構。這樣，在圖4A中，來自葉片壓力側M的經過間隙J 的氣體在由肋32和34“限定”的葉片尖端處以固定旋轉運動13 (或旋渦)的方式受阻。氣 體在與肋32和34平齊處存在不同的旋轉運動15，旋轉運動15以與旋轉運動13相反的方 向旋轉。在腔14內，在肋32和34之下，氣體具有與旋轉運動13的旋轉方向相同的旋轉運 動17。這樣，當入射氣體是熱氣體時，渦流結構能夠使可能加熱腔14的壁的入射氣體限制 到葉片尖端并限制熱氣體在腔14內更新的速度。此外，這種渦流環流氣體結構用于限制在 氣體的不同旋轉運動之間的熱交換。此外，這些旋轉運動用于使腔14的端壁16的溫度在 壓力側M與吸收側26之間更均勻，因而由于壁中的溫度梯度的原因產生較低程度的機械 應力。這樣，不同于現有技術的是，來自氣體渦輪燃燒室的熱氣體很少或完全不加熱腔壁， 腔壁具有更好的溫度均勻性。圖4A是圖3的葉片在圖3的平面IV上的截面圖。在此示例中，肋32和34位于 相同的平面P中，平面P嚴格垂直于葉片10的徑向R。通過在腔中產生氣體反旋環流，肋 32和34用于在腔入口處形成邊緣效應，由此防止腔14之外的氣體進入腔中。在圖4B中，肋36和38設置在兩個不同平面P'和P"中，平面P'和P"嚴格垂 直于葉片的徑向R。在這種構造中，由肋所形成的邊緣效應有效阻隔相對于徑向R基本傾斜 的氣體流。由于葉片的高部分是葉片尖端12，因此，在此示例中位于較高處的肋處于壓力側 24旁邊的第一邊沿部分18a上(即，位于較低處的肋處于吸收側沈旁邊的第二邊沿部分 18b上)。自然地，在另一實施例中，位于較高處的肋可處于吸收側沈旁邊的第二邊沿部分 18b上(即，位于較低處的肋處于壓力側M旁邊的第一邊沿部分18a上)。在圖4A和4B中，肋32、34和肋36、38具有大致矩形的截面。在圖4C和4D中，肋 40、42是斜切的。這樣，可調節肋的形狀以改進邊緣效應，并由此改進在腔14的入口處的氣 體阻隔，而同時還使得裝置更輕。在圖4A、4B、4C、4D中，葉片10被設計為沿其徑向R，肋32、34、36、38、40、42從葉片
尖端12回退。通過在葉片尖端12與由肋所限定的腔的入口之間留出間隙，可將可能透入 腔14中的氣體限制在此間隙內。此間隙用于在渦輪殼體22與葉片尖端12之間產生氣體 環流。這改進了在腔14的入口處的氣體阻隔。圖5A是沿圖3的箭頭V所見的視圖。此圖對應于圖4A的視圖。在圖4B的變例 中的俯視圖(其中“頂部”為葉片尖端12)是類似的。這樣，此示例顯示出肋32、34、36、38 如何可沿兩個邊沿部分18a和18b就位。圖5B顯示出單一肋34在吸收側沈旁邊的第二邊沿部分18b上延伸的實施例。 根據葉片的使用條件，此變例足以阻隔可能透入腔14中的氣體流。在邊沿的可替代實施例 中，單一肋在壓力側M旁邊的第一邊沿部分18a上延伸。
圖5C顯示出圖5B的變例。兩個肋34'、34〃位于相同的邊沿部分18b上(或者 可替代地位于邊沿部分18a上)。這樣，與圖5B的實施例相比所省略的肋的長度用于減小 所示肋34的多余重量。這種類型的實施例還用于將多個肋容易地定位在相同的邊沿部分 上，其中的肋沿徑向錯開。這樣，可精調對可能透入腔14中的氣體流形成擾動的邊緣效應， 并由此改進在腔14的入口處的氣體阻隔。此外，根據所選實施例，兩個肋34'、34"可被選擇為相互對準(二者被設置在相 同平面中或相同表面中)，或者在一變例中，它們沿徑向錯開。在圖5C的示例中，雖然顯示出兩個肋，然而可設計任意數量的肋。在另一實施例 中，可提供單一的肋34'、34〃等。在本示例中，肋34'長于肋34〃，但在一變例中，肋34'可等長于或短于肋34〃， 這取決于所希望的效果。自然地，可設計其它實施例例如，可在壓力側M和吸收側沈旁邊的每個邊沿部 分18a和18b上提供多個肋。可替代地，可在壓力側M旁邊的邊沿部分18a上提供單一肋， 在吸收側26旁邊的邊沿部分18b上提供多個肋，或者反之亦然。肋可具有矩形、梯形或正 方形的截面。類似地，一個、幾個或所有的肋可以是斜切的。這樣，以不同的組合，可在腔14 中限定肋構造以根據具體的葉片使用條件而滿足一系列特定需求。圖6顯示出渦輪機200，例如直升飛機氣體渦輪，其具有高壓渦輪轉子100，所述轉 子承載根據本發明的葉片10。
權利要求
1.一種渦輪葉片(10)，其在葉片根部與葉片尖端(12)之間沿徑向延伸，在所述葉片尖 端中形成一開放的腔(14)，所述腔由封閉的端壁(16)和側邊沿(18)限定，其特征在于所 述腔(14)的側邊沿(18)承載至少一個肋(32)，所述至少一個肋(3 在所述葉片(10)的 前緣08)與后緣(30)之間延伸。
2.根據權利要求1所述的葉片(10)，其特征在于所述至少一個肋(32)在與所述葉片 (10)的徑向(R)大致垂直的平面(P)中延伸。
3.根據權利要求1或2所述的葉片(10)，其特征在于所述側邊沿(18)具有至少兩個 肋(32，34)。
4.根據權利要求3所述的葉片(10)，其特征在于所述肋(32，34)被設置在與所述葉 片(10)的徑向(R)大致垂直的公共平面(P)中。
5.根據權利要求3所述的葉片(10)，其特征在于所述肋(36，38)被設置在與所述葉 片(10)的徑向(R)大致垂直的兩個不同平面(P'，P")中。
6.根據權利要求3至5中任何一項所述的葉片(10)，其特征在于所述側邊沿(18)包 括與所述葉片(10)的壓力側04)接近的第一邊沿部分(18a)，和與所述葉片(10)的吸 收側(26)接近的第二邊沿部分(18b)，所述肋(34'，34")位于所述邊沿部分(18a, 18b) 的公共部分上。
7.根據權利要求3至5中任何一項所述的葉片(10)，其特征在于所述側邊沿(18)包 括與所述葉片(10)的壓力側04)接近的第一邊沿部分(18a)，和與所述葉片(10)的吸收 側(26)接近的第二邊沿部分(18b)，所述肋(32,34 ；36, 38)位于兩個邊沿部分(18a, 18b)上。
8.根據權利要求1至7中任何一項所述的葉片(10)，其特征在于沿著所述葉片(10) 的徑向(R)，所述至少一個肋(32)從所述葉片(10)的葉片尖端(12)回退。
9.根據權利要求1至8中任何一項所述的葉片(10)，其特征在于所述肋(3 從所述 側邊沿(18)突出，以在所述封閉的端壁(16)與所述肋(3 之間限定一槽。
10.根據權利要求1至9中任何一項所述的葉片(10)，其特征在于所述至少一個肋 (32)具有大致矩形的截面。
11.根據權利要求1至10中任何一項所述的葉片(10)，其特征在于所述至少一個肋 (40)是斜切的。
12.一種渦輪轉子(100)，包括至少一個根據權利要求1至11中任何一項所述的葉片 (10)。
13.—種渦輪機000)，例如直升飛機氣體渦輪，包括至少一個根據權利要求12所述的 渦輪轉子(100)。
全文摘要
一種渦輪葉片(10)，其在葉片根部與葉片尖端(12)之間沿徑向延伸，在所述葉片尖端中具有一開放的腔(14)，被稱為形成在其中的浴盆，所述腔由封閉的端壁(16)和側邊沿(18)限定。所述腔(14)的側邊沿(18)承載至少一個肋(32)，所述至少一個肋(32)在所述葉片(10)的前緣(28)與后緣(30)之間延伸。
文檔編號F01D5/20GK102099549SQ200980128498
公開日2011年6月15日 申請日期2009年7月21日 優先權日2008年7月21日
發明者勞倫斯·威爾, 洛倫佐·龐斯 申請人:渦輪梅坎公司