[发明专利]穿孔的涡轮机轮叶末梢盖

说明书

技术领域

本发明一般地涉及用于涡轮发动机的涡轮机叶片，且更具体地涉及用于涡轮机叶片的末梢护罩。

背景技术

涡轮机叶片是成连续级的旋转翼型件状部件，其设计成将来自工作流体(如气体或蒸汽)的热能转换成使转子旋转的机械功。涡轮机的性能可通过密封叶片末梢的外边缘以防止工作气体逸出工作流径进入叶片末梢和涡轮机的外壳之间的间隙而被提高。用于密封涡轮机叶片末梢和涡轮机壳体之间的间隙的常见的方法是通过叶片末梢护罩。护罩不仅可以增强涡轮机性能，也可以用作振动阻尼器，尤其是对于大的、径向长度的涡轮机叶片。护罩充当提高叶片的固有频率的机构，并且又由于固有频率下叶片延长的共振时间而使得失效最小化。

图1中所示为典型的带护罩(也称为涡轮机轮叶盖或末梢盖)的涡轮机叶片。涡轮机叶片10包括翼型件段11和护罩12。护罩12可结合到翼型件11上制造。翼型件还包含前缘15和后缘16，其通常垂直于护罩12延伸。护罩12具有厚度并具有侧壁17，其可被切削以形成当邻近涡轮机叶片存在时的互锁机构。互锁机构沿两个支承面13出现，此处邻近的涡轮机叶片(未示出)接触在扩罩12上。是涡轮机叶片护罩12在支承面13处的互锁产生用于降低振动，以及用于密封涡轮机气路内的工作流体的手段。典型的涡轮机叶片护罩的另一个特征可为刀口末梢密封件(齿密封件)14。根据叶片护罩的大小，可使用一个或多个末梢密封件。这些密封件彼此平行延伸，典型地垂直于发动机轴线，并从护罩12向外延伸。这些密封件的目的是接合涡轮机壳体(未示出)的护罩块以进一步最小化叶片末梢周围的泄漏，并降低轮叶末梢摩擦壳体情况下的机械冲击。末梢泄漏使工作流体转向，工作流体否则将在主流径中流动并在涡轮机叶片上做功。末梢泄漏还可进一步导致升高的梢涡(votex)大小和强度，这会渗入位于叶片下游的主蒸汽流径，提高背压，并从而降低级的效率。然而，需要在末梢密封件和壳体护罩之间提供间隙以解决热膨胀和旋转不对称的问题。完全覆盖的涡轮机叶片末梢由于降低的梢涡大小、强度和末梢泄漏而比未覆盖的轮叶末梢具有更好的空气动力学性能。

虽然护罩的目的是密封流径内的工作流体以及提供抑制振动的手段，但护罩也有其缺点。护罩概念的一个缺点是护罩增加至涡轮机叶片的重量。在运行过程中，涡轮机叶片在圆盘上绕发动机轴线18旋转。典型的工业应用包括速度高达3600转每分钟的圆盘。叶片通过叶片根部和圆盘之间的互锁切口保持在圆盘中。当涡轮机叶片旋转时，离心力使得叶片在此连接点处在涡轮机圆盘上向外施加负载。圆盘以及因而叶片根部(其将叶片保持在圆盘中)上的负载的量是叶片重量的函数。就是说，对于给定的每分钟转数，叶片越重，在叶片根部和圆盘之间的交界面上发现的负载和应力越大。叶片根部和圆盘上的过多负载会降低各部件的总寿命。护罩的另一缺点是叶片护罩的蠕变卷曲(creep curling)。取决于护罩的厚度，护罩边缘可在其末端处“卷曲”起来并在护罩和叶片末梢之间的圆角中引入严重的弯曲应力。护罩由于因为气压负载及离心力负载引起的护罩边缘上的弯曲负载而卷曲。护罩的卷曲类似于悬梁由于在梁的自由端处的负载的弯曲。对此卷曲现象的业内已知解决方法是均匀地增加护罩的截面厚度，这将导致更具刚性和更能抗卷曲的护罩。简单地均匀增加护罩厚度的缺点是由此附加的材料增加到护罩上的附加的重量。

如上所述，为了防止末梢盖摩擦涡轮机壳体壁，并进一步降低末梢泄漏，可在末梢盖的顶部上放置一个或几个密封齿。根据对48英寸低压涡轮的最后级轮叶的最近的计算流体动力学(CFD)分析，增加密封齿可降低级效率约0.5％，因为增加的轮叶末梢体积会导致梢涡更深地渗入主流。

因此，限制对于涡轮机叶片的末梢泄漏，而同时提供增强的级效率将是所期望的。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于涡轮发动机的叶片，其包括根部、末梢、前缘、后缘以及相对的压力侧壁和吸力侧壁，压力侧壁和吸力侧壁大致沿涡轮发动机的内壳体内的径向轴线延伸。叶片包括在末梢盖压力侧壁和末梢盖吸力侧壁之间延伸的末梢盖。末梢盖上的顶部表面在末梢盖压力侧壁和末梢盖吸力侧壁之间延伸。

顶部表面构造成允许叶片以到涡轮发动机的壳体的护罩的有限间隙而旋转。末梢盖的厚度从顶部表面延伸至叶片的末梢。在末梢的基本上全部顶部表面上提供多个凹陷。凹陷伸入末梢盖的厚度并且适于限制末梢盖和涡轮发动机的壳体的护罩之间的泄漏流。