CN100445517C - 燕尾接头和燕尾接头在蒸汽涡轮机中的应用 - Google Patents

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Abstract

一种位于转子叶轮和叶片之间的燕尾接头包括一个位于转子叶轮上的凸形燕尾接头部件和一个位于叶片上的凹形燕尾接头部件。该凸形燕尾接头部件具有轴向伸出的钩，所述钩具有沿大致径向向内延伸的表面倾斜的表面。倾斜表面与垂直于转动轴线并平分叶轮燕尾接头的平面形成大于90度的夹角，且所有的钩上的夹角保持恒定。沿倾斜挤压表面和颈部表面之间的过渡表面还设有圆角。因此可使应力集中最小。

Description

燕尾接头和燕尾接头在蒸汽涡轮机中的应用
技术领域
本发明涉及涡轮机，具体地说，本发明涉及蒸汽涡轮机转子的叶轮与蒸汽涡轮机叶片之间的燕尾接头。
背景技术
在本技术领域中，蒸汽涡轮机的涡轮叶片和涡轮转子叶轮之间的燕尾连接技术是众所周知的。人们已发现位于在含杂质的蒸汽环境中工作的低压转子的后级的普通切向切入的燕尾接头容易产生应力腐蚀裂纹(SCC)。典型燕尾结构的钩的圆角区域的应力水平促进了应力腐蚀裂纹的产生。通常，这些应力处于可接受的范围，但在含杂质的蒸汽的情况下，就会产生裂纹，且如果没有被发现，裂纹就会扩大到一定深度，从而使叶轮的钩失效。在极端的情况下，所有的钩都将失效，且叶片会从转子上松脱飞出。长期的经验表明：对于叶片-叶轮的燕尾接头，叶轮的钩会形成裂纹，而叶片的钩则不会形成裂纹。显然，这是因为低压转子所用的NiCrMoV和类似的低合金钢比叶片所用的12Cr钢的抗应力腐蚀裂纹性能低很多。叶轮所用的钢给出了整个低压转子设计依据的性能参数的最优组合。因此，在典型的低压蒸汽环境中表明避免应力腐蚀裂纹的有效办法是将叶轮的燕尾接头中的应力降低到可接受的水平。如果工作在腐蚀环境中的部件的最大应力低于材料的屈服强度，就可大大地提高抗应力腐蚀裂纹性能。
属于同一受让人的美国专利US5474423、US5494408和US5531569就公开了蒸汽涡轮机转子的叶片和叶轮燕尾接头的结构。在US5474423中，所设计的燕尾接头在转子叶轮上具有4个钩，其厚度从径向最外侧的钩到最内侧的钩是减小的。另外，转子叶轮燕尾接头的颈部与上面的钩的底面之间设有具有多个不同半径的圆角，也就是组合圆角，以便于通过增大圆角的半径来减小应力集中。该现有技术结构的另外的特点是包括一个沿钩的径向最外侧表面延伸并与各种组合圆角配合在一起的平表面。在US5494408中，钩与钩之间设有不同半径的圆角。在US5531569中，则公开了组合圆角的半径。
发明内容
根据本发明，提供一种转子叶轮和叶片燕尾接头结构，其可使由叶片离心力在叶轮的钩的圆角处所产生的集中应力最小，并可增大钩的圆角半径来进一步减小应力集中。按照本发明的第一个主要方面，转子叶轮的接触表面，也就是沿叶轮的钩的下面大致面向径向向内的表面，相对于沿燕尾接头处于不同半径处的燕尾接头的每个钩设有相同的倾斜面角度。转子转动使叶片离心力增大，从而沿叶轮的钩的下面通过接触表面作用于燕尾接头。这些力增大了燕尾接头处的应力，且最大的应力处于钩的圆角区域。对于给定的圆角半径，倾斜表面可减小应力集中，并可通过增大钩的圆角半径来进一步减小应力集中。
特别是，普通切向切入的燕尾接头的挤压表面位于带圆角的轴向圆周切面上，该圆角用作沿燕尾接头各个位置处的挤压表面和颈部表面之间的过渡部分。在普通的切向切入的燕尾接头中，这两个表面相隔呈90°。在同一受让人的美国专利US6142737中，这两个表面相隔呈大于90°，但钩与钩是不同的。在本发明中，这些挤压表面被旋转成使挤压表面也就是倾斜表面与颈部表面(在径向平面中)之间的过渡角大于90°，且在每个钩半径处是相同的。被旋转的角被称为倾斜角。当载荷作用路径发生变化时就会产生应力集中。对于倾斜的挤压表面，其方向从90°变化到更大的角度，这种变化度是不剧烈的，因此，就减小了应力集中。倾斜的挤压表面还允许在相同的过渡距离内形成比普通的90°过渡更大的圆角半径，形成更大的圆角半径就可减小应力集中。可以理解，倾斜的挤压表面在轴向产生一个分力，从而增大了叶片臂的弯曲和作用于叶轮燕尾接头根部的轴向载荷。为了使这种作用最小，钩与钩的倾斜角保持恒定，也就是，每个钩半径处具有相同的倾斜角。因为挤压表面的倾斜角从90°开始增大，圆角半径也随着增大，从而减小了应力集中。
另一方面，可以理解，钩的厚度和长度影响钩与钩之间的载荷分布以及钩的弯曲和剪切应力。因此，改变钩的厚度可使集中应力均匀并使其最小，也就是，钩的厚度随着径向高度的降低而增大。
本发明还涉及三个钩和四个钩的燕尾接头结构。本发明还可应用于其它具有任何数目钩的燕尾接头。另外，本发明并不局限于易于发生应力腐蚀裂纹的转子，其还可用于在燕尾接头中出现裂纹的其它应力产生情况，例如，当发生蠕变燕尾接头在高温区域出现裂纹成为破坏模式而不是应力腐蚀裂纹的情况。
在本发明的一个优选实施例中，提供一种用在绕轴线转动的转子叶轮和叶片之间的燕尾接头，其包括一个位于转子叶轮上的凸形燕尾接头部件和一个位于叶片上的凹形燕尾接头部件，该凸形燕尾接头部件沿转子叶轮的切向接纳凹形燕尾接头部件，凸形燕尾接头部件包括多个周向延伸的钩，所述钩位于一个垂直于所述轴线并平分凸形燕尾接头部件的平面的两个相对的侧面，每个钩具有大致沿径向向内面对的表面，位于所述平面的两个相对侧面中的每一个上的至少一对钩的表面确定了离开所述平面并朝着和离开所述轴线延伸的角，位于所述平面的两个相对侧面中的每一个上的每一对钩的表面的角度彼此相等。
在本发明的另一个优选实施例中，提供一种用在可绕轴线转动的转子叶轮和叶片之间的燕尾接头，其中，转子叶轮包括一个用于沿转子叶轮的切向接纳凹形燕尾接头部件的凸形燕尾接头部件，且该凸形燕尾接头部件包括多个周向延伸的钩，所述钩位于一个垂直于所述轴线并平分凸形燕尾接头部件的平面的两个相对的侧面上，每个钩具有大致沿径向向内面对的表面，位于所述平面的两个相对侧面上的每一个钩的表面确定了离开所述平面并朝着和离开所述轴线延伸的角，每个表面的角与每个其它表面的角彼此相等，每个叶片的凹形燕尾接头部件包括多个周向延伸的钩，所述钩基本上与凸形燕尾接头部件的钩互补，并具有基本上与凸形燕尾接头部件的倾斜表面互补的径向向外延伸的倾斜表面，凹形燕尾接头部件的倾斜表面的角度彼此相等。
附图说明
图1是一种典型的涡轮机转子叶轮和叶片燕尾接头的示意图；
图2是本发明涡轮机叶轮燕尾结构的横截面图；
图3是本发明叶轮和叶片燕尾接头的圆角和根部区域的局部放大横截面图；
图4是与图2所示叶轮燕尾的燕尾接头相接合的叶片燕尾接头的横截面图；
图5和6分别是与图2和4相类似的本发明另一个实施例的视图。
具体实施方式
如图1所示，图1示出了例如轴10这样的一个转子，其上固定有转子叶轮12，在转子叶轮12的外周设有一系列的凸形燕尾部件14。每个涡轮机叶片16包括凹形燕尾接头18，该接头沿叶片径向最内侧部分设置，以便与凸形燕尾接头14相连接，叶片16包括从凹形燕尾部件18伸出的片身20。可以理解，燕尾接头是一种切向切入式燕尾结构。
在后面的描述中，燕尾结构在垂直于轴10的转动轴线的径向平面内是对称的，因此，通常只需考虑一半的燕尾结构，也就是沿径向平面一侧的燕尾钩。因此，尽管燕尾接头实际上具有8个钩，但本发明对于附图2-4的描述仅涉及燕尾接头的4个钩。通常，燕尾钩从径向最外侧的钩到径向最内侧的钩顺序地被称为第一、第二、第三和第四钩。另外，叶轮钩和叶片钩之间的接触表面被称为挤压或倾斜表面。切向切入燕尾接头的挤压或倾斜表面位于带圆角的轴向圆周切面上，该圆角用作燕尾接头的挤压表面和颈部表面之间的过渡部分。如图2所示，挤压表面22、颈部表面24以及这些表面之间的圆角26位于叶轮燕尾接头36的每个钩28、30、32和34上，叶轮的燕尾接头36与叶片的凹形燕尾接头38一起构成接头。
如图2所示，每个钩的倾斜挤压表面22与通过燕尾接头每个钩颈部的径向平面形成α角，该角朝离开所述平面以及朝着和离开转子轴线的方向敞开。在图2中示出了4个钩28、30、32和34。因此，每个钩28的倾斜挤压表面22也与平分凸形燕尾接头的径向平面形成α角。因此，倾斜挤压表面22在整个叶轮燕尾接头的高度范围内与水平方向形成恒定的角。对于给定的圆角半径，通过以一定角度与水平方向形成倾斜挤压表面22，可减小应力集中，并可使钩的圆角半径增大而进一步减小应力集中。在载荷作用路径发生变化时就会形成集中的应力。对于倾斜的挤压表面，特别是，每个钩的相同的挤压表面角度α，方向变化得越不剧烈，应力集中就越小。倾斜的挤压表面的另一个优点是：与现有技术的0度(0°)角过渡也就是挤压表面平行于水平方向的情况相比，在相同的过渡距离中其允许有较大的圆角半径。
在一个优选实施例中，每个倾斜挤压表面22的角度α最好是110度(110°)。另外，倾斜挤压表面允许增大圆角的半径，同时可减小应力集中并降低圆角区域的应力。根据本发明的一个优选实施例，可增大倾斜挤压表面22和颈部表面24之间的每个过渡圆角的半径。
钩的厚度和长度也影响钩之间的载荷分布以及钩上的弯曲和剪切应力。所有这些都对应力的集中度有影响。因此，改变钩的厚度和长度可实现应力均匀并使应力集中最小。
如图3所示，叶轮燕尾接头36还包括叶轮槽41，叶轮槽41具有槽角β和面向轴向的表面43，该表面沿径向向内的方向倾斜地偏离垂直于转子轴线的平面。叶轮槽角β与径向平面形成一定的角度，且最好大约是5度(5°)。因此，由于载荷作用路径发生变化而产生的应力集中较小。图3还示出了较小的右和左圆角。通常，可增大这些圆角以便进一步减小应力集中。例如，右圆角40也就是内侧圆角的半径为0.0057m(0.225英寸)。左圆角42也就是外侧圆角的半径为0.0036m(0.140英寸)。钩的圆角44的半径为0.0086m(0.340英寸)，凸缘从槽的底部起的高度46为0.0091m(0.360英寸)，凸缘的厚度48为0.0103m(0.407英寸)。根部的高度和厚度可影响由叶片的轴向载荷所产生的弯曲剪切力，因此，可将其设计成使根部圆角的集中应力最小。
本发明典型实施例的其它重要尺寸如下：
Figure C0214754900081
在图2中，径向高度从每个钩的顶部表面的轴向最外端沿其下侧延伸到倾斜表面的起始位置，并被分别表示为h1-h4。
颈部的轴向长度N如下：
N1-位于钩28与30之间-0.0249m(0.980英寸)
N2-位于钩30与32之间-0.0478m(1.880英寸)
N3-位于钩32与34之间-0.0706m(2.780英寸)
N4-位于钩34与根部之间-0.0935m(3.680英寸)。
如图4所示，图4示出了叶片50的凹形燕尾接头38，其基本上与图2所示的凸形燕尾接头部件互补。叶片燕尾接头的各个互补部件采用与叶轮燕尾接头相同的标号表示，并带有后缀B。除了公差以外，叶片燕尾接头38的尺寸特性与叶轮燕尾接头的尺寸特性相同，或者与叶轮燕尾接头的尺寸呈紧密配合关系，而例外的情况是，钩或根部52包括一个与竖直方向呈20°的增大的角σ。根部52包括面向轴向的表面53，该表面沿径向倾斜地偏离垂直于转子轴线的平面，其倾斜角度大于叶轮槽41的凸形燕尾接头的倾斜表面43的倾斜角度。在图示实施例中：
叶片燕尾接头的高度为0.1066m(4.197英寸)。
钩之间的轴向长度如下：
钩1(28B)-0.0254m(1.000英寸)
钩2(30B)-0.0483m(1.900英寸)
钩3(32B)-0.0711m(2.800英寸)
钩4(34B)-0.0940m(3.700英寸)
颈部的轴向长度NB如下：
NB1-位于钩28B上方-0.0483m(1.900英寸)
NB2-位于钩30B上方-0.0711m(2.800英寸)
NB3-位于钩32B上方-0.0940m(3.700英寸)
NB4-位于钩34B上方-0.1168m(4.600英寸)
对于前述的尺寸，燕尾接头的形状可使应力集中最小，同时可保持一个与现有蒸汽路径相适应的整体尺寸。与US6142737中所描述的结构相比，在同样的载荷情况下，本发明叶轮燕尾接头中的最大集中应力为48920psi，这表明，在同样情况下，集中应力降低了27％。
如图5和6所示，图5和6示出了本发明的另一个实施例，其中，相同的部件采用类似的标号，并带有前缀1。如图所示，在每个凸形燕尾接头136和凹形燕尾接头138上只设有三个钩，而不是前述实施例的四个钩。象前述实施例那样，每个钩128、130和132的挤压表面122具有圆角，作为燕尾接头的挤压表面和颈部之间的过渡部分。因此，每个钩128、130和132上具有挤压表面122、颈部表面124和这些表面之间的圆角126。与前述实施例类似，每个挤压或倾斜表面与通过燕尾接头颈部的径向平面形成夹角α，该角朝离开所述平面以及朝着和离开转子轴线的方向敞开。倾斜挤压表面122在整个叶轮燕尾接头136的高度范围内与水平方向形成恒定的角。象前述实施例那样，对于给定的圆角，这些倾斜挤压表面减少了应力集中，并可使钩的圆角半径增大而进一步减小应力集中。挤压表面的夹角α最好是110度。
如图5所示，在本发明的该实施例中，叶轮槽139具有面向轴向的表面141，该表面沿径向向内的方向倾斜地偏离垂直于转子轴线的平面。而且，根部152包括面向轴向的表面153，该表面沿径向倾斜地偏离垂直于转子轴线的平面，其倾斜角度大于叶轮槽139的凸形燕尾接头的倾斜表面141的倾斜角度。槽139具有半径分别为0.0024m(0.094英寸)和0.0036m(0.140英寸)的右圆角140和左圆角142。3号钩也就是钩132下面的圆角160的半径为0.0057m(0.225英寸)。
本发明第二实施例有关叶轮燕尾接头的其它重要尺寸如下：
Figure C0214754900101
象前述实施例那样，径向高度从每个钩的顶部表面的轴向最外端沿其下侧延伸到倾斜表面的起始位置。
颈部的轴向长度N如下：
N1-位于钩128与130之间-0.0293m(1.154英寸)
N2-位于钩130与132之间-0.0549m(2.160英寸)
N3-位于钩132与根部之间-0.0811m(3.193英寸)。
图6示出了叶片的凹形燕尾接头138，其基本上与图5所示的凸形燕尾接头部件互补。例如，可容纳在叶轮槽139中的根部152。图6所示叶片燕尾接头的各个互补部件采用与叶轮燕尾接头相同的标号表示，并带有后缀B。除了公差以外，叶片燕尾接头138的尺寸特性与叶轮燕尾接头136的尺寸特性相同，或者与叶轮燕尾接头的尺寸呈紧密配合关系。例如：
叶片燕尾接头的高度为0.0848m(3.340英寸)。
钩之间的轴向长度如下：
钩1(128B)-0.0346m(1.362英寸)
钩2(130B)-0.0602m(2.369英寸)
钩3(132B)-0.0857m(3.374英寸)
颈部的轴向长度1NB如下：
1NB1-位于钩128B上方-0.0524m(2.062英寸)
1NB2-位于钩130B上方-0.0779m(3.068英寸)
1NB3-位于钩132B上方-0.1035m(4.074英寸)
尽管结合优选实施例对本发明进行了详细的描述，但应当理解，本发明并不局限于上述的实施例，相反，应当认为本发明还涵盖了符合本发明宗旨并位于本发明的技术方案范围内的各种变型和等效的结构。
零件表
轴10
转子叶轮12
凸形燕尾接头部件14
涡轮机叶片16
凹形燕尾接头部件18
片身20
挤压表面22、122
颈部表面24、124
圆角26、126
钩28、30、32、34、128、130、132
叶轮燕尾接头36
凹形燕尾接头38
夹角α
右圆角40、140
叶轮槽41
槽角β
左圆角42、142
面向轴向的表面43
钩的圆角44
高度46
厚度48
叶片50
根部52、152
面向轴向的表面53、153
凸形燕尾接头136
凹形燕尾接头138
叶轮槽139
面向轴向的表面141
圆角160

Claims (13)

1.一种在可绕轴线转动的转子叶轮和叶片之间的燕尾接头，其包括：
一个位于转子叶轮上的凸形燕尾接头部件和一个位于叶片上的凹形燕尾接头部件，该凸形燕尾接头部件沿转子叶轮的切向接纳所述凹形燕尾接头部件，所述凸形燕尾接头部件包括多个周向延伸的钩，所述钩位于一个垂直于所述轴线并平分所述凸形燕尾接头部件的平面的两个相对的侧面上，每个所述钩具有沿径向面向内的表面；
位于所述平面的两个相对侧面中的每一个上的所有成对的钩的所述表面沿离开所述平面延伸的方向和朝着所述轴线延伸的方向以及沿离开所述平面延伸的方向和离开所述轴线延伸的方向分别确定了角度，位于所述平面的两个相对侧面中的每一个上的所有成对的钩的所述表面的角度彼此相等。
2.根据权利要求1所述的接头，其特征在于，颈部连接所述表面和径向向内位于下部的钩的径向向外面对的部分以及所述颈部和所述表面之间的圆角。
3.根据权利要求2所述的接头，其特征在于，每一个钩，从位于径向最外侧的钩到位于径向最内侧的钩的径向厚度增大。
4.根据权利要求3所述的接头，其特征在于，所述凸形燕尾接头部件在所述平面的两个相对侧面中的每一个上具有至少三个钩。
5.根据权利要求3所述的接头，其特征在于，所述凸形燕尾接头部件在所述平面的两个相对侧面中的每一个上具有四个钩。
6.根据权利要求3所述的接头，其特征在于，所述凸形燕尾接头部件具有靠近底部并位于其两个相对侧面上的叶轮槽，每个叶轮槽具有沿径向向内的方向倾斜地离开所述平面的面向轴向的表面。
7.根据权利要求6所述的接头，其特征在于，所述凹形燕尾接头部件具有用于容纳在所述凸形燕尾接头部件的叶轮槽中的根部，所述根部具有沿径向向内的方向倾斜地离开所述平面的面向轴向的表面，其倾斜的角度大于凸形燕尾接头部件的叶轮槽的倾斜表面的角度。
8.根据权利要求1所述的接头，其特征在于，从位于径向最外侧的钩到位于径向最内侧的钩的径向厚度增大。
9.根据权利要求1所述的接头，其特征在于，所述凸形燕尾接头部件在所述平面的两个相对侧面中的每一个上具有至少三个钩。
10.根据权利要求1所述的接头，其特征在于，所述凸形燕尾接头部件在所述平面的两个相对侧面中的每一个上具有四个钩。
11.根据权利要求1所述的接头，其特征在于，所述凸形燕尾接头部件具有靠近底部并位于其两个相对侧面上的叶轮槽，每个叶轮槽具有沿径向向内的方向倾斜地离开所述平面的面向轴向的表面。
12.根据权利要求11所述的接头，其特征在于，所述凹形燕尾接头部件具有用于容纳在所述凸形燕尾接头部件的叶轮槽中的根部，所述根部具有沿径向向内的方向倾斜地离开所述平面的面向轴向的表面，其倾斜的角度大于凸形燕尾接头部件的叶轮槽的倾斜表面的角度。
13.燕尾接头在蒸汽涡轮机中的应用，所述燕尾接头在可绕轴线转动的转子叶轮和叶片之间具有恒定角度的接触表面，其中，转子叶轮包括一个用于沿转子叶轮的切向接纳凹形燕尾接头部件的凸形燕尾接头部件，所述凸形燕尾接头部件包括多个周向延伸的钩，所述钩位于一个垂直于所述轴线并平分所述凸形燕尾接头部件的平面的两个相对的侧面上，每个钩具有沿径向面向内的表面，位于所述平面的两个相对侧面上的每一个钩的表面沿离开所述平面和朝着所述轴线延伸的方向以及沿离开所述平面延伸的方向和离开所述轴线延伸的方向分别确定了角度，每个表面的角度与每个其它表面的角度彼此相等，每个叶片的所述凹形燕尾接头部件包括多个周向延伸的钩，所述钩与凸形燕尾接头部件的钩互补，并具有与凸形燕尾接头部件的所述倾斜表面互补的径向向外延伸的倾斜表面，凹形燕尾接头部件的所述倾斜表面的角度彼此相等。
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