CN101046159B - 用于降低涡轮机叶片中的应力的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于降低涡轮机叶片中的应力的方法和设备。提供了一种用于在具有金属的基金属的涡轮机叶片(10)内降低应力和调谐频率的方法，包括以在树脂基质(18)内具有连续的纤维(16)的聚合物复合物(14)填充叶片内的槽或多个槽(11)，其中纤维具有根据叶片的预先选择的频率调谐或阻尼确定的取向。还提供了具有至少一个叶片(10)的调谐的涡轮机轮叶(20)，该一个或多个叶片具有金属的基金属，带有以具有在树脂基质(18)内结合的连续纤维(16)的聚合物复合物(14)填充的槽或多个槽(11)。纤维具有根据叶片的预先选择的频率调谐和混合频率调谐的一个确定的取向。

Description

用于降低涡轮机叶片中的应力的方法和设备

技术领域

本发明一般地涉及用于降低涡轮机叶片中的应力的方法和设备，且更特定地涉及用于使用复合物材料降低这样的应力和阻尼叶片频率的方法和设备。

背景技术

涡轮机叶片(轮叶)在其中它们受到高离心载荷、振动应力和到叶片的变化的流动入射角的环境中运行。当这些载荷和应力接近叶片的自然共振频率时振动应力增加。当叶片共振时振动应力的幅值一般地与在系统中存在的阻尼(此处阻尼包括材料阻尼、空气动力学阻尼和机械部件阻尼)的量和激励水平成比例。对于连续地联接的叶片，振动频率是整个轮叶系统的函数，且不必然地是单独的轮叶的函数。

混合叶片包括主要由金属物质制成但带有至少一个非金属复合物填充物材料的“槽(pocket)”的涡轮机叶片(例如，蒸汽涡轮机叶片或燃气涡轮机叶片)。填充物材料可以包括带有连续的玻璃纤维、碳纤维、

纤维或其他纤维强化物的聚酰亚胺或其他类型的聚合物树脂(或它们的组合)，以实现具有最初的翼片表面的复合物基质。复合物基质现在设计为使用于在风阻(windage)条件(叶片的低流动、高速“旋转(wind milling)”)期间具有高叶片温度的涡轮机中。然而，刚性非常高的高温复合物不很好地附着到金属。

许多已颁发的专利已致力于由复合物材料制造涡轮机轮叶。例如，名为“Multi-Component Blade for Gas Turbine”的美国专利5,720,597描述了由金属和泡沫材料构成的燃气涡轮机飞行器轮叶提供有复合物外皮、腐蚀涂层或二者，且名为“Poly-Component Blade fora Steam Turbine”美国专利6,139,728披露的构造类似于在美国专利5,720,597中披露的构造，但是美国专利6,139,728披露的构造用于蒸汽涡轮机。然而，这些专利的都未描述或建议频率调谐和/或阻尼的益处。类似地，名为“Steam Turbine Blading Having Areas of DifferentDensities”的美国专利5,931,641描述了以复合物材料制造的涡轮机轮叶，但也未讨论频率调谐或阻尼。另外，名为“Hybrid blade withsubmerged ribs”的欧洲专利EP 1152 123 A2描述了混合技术，但未描述频率调谐或将混合技术应用于蒸汽或燃气涡轮机轮叶。此外，这些专利中一个也没有提供任何用于纤维取向的方法或装置，也没有取向或层叠(lay-up)技术可以用于改变使用了混合调谐技术的一套叶片中的叶片的自然频率的任何知识。

发明内容

在一个方面中，本发明的一些构造提供了用于降低具有金属的基金属的涡轮机叶片内的应力的方法。方法包括以在树脂基质内具有连续的纤维的聚合物复合物填充叶片内的槽或多个槽，其中纤维具有根据叶片的预先选择的频率调谐和叶片的阻尼的至少一个确定的取向。

在另一个方面中，本发明的一些构造提供了调谐的涡轮机轮叶。轮叶具有至少一个叶片。该一个或多个叶片具有金属的基金属，带有以具有在树脂基质内结合的连续纤维的聚合物复合物填充的槽或多个槽。纤维具有根据叶片的预先选择的频率调谐和混合频率调谐的一个确定的取向。

附图说明

图1是在涡轮机轮叶中的多窗槽的构造的透视图；

图2是用于填充例如在图1中示出的槽的复合物的部分的透视图；

图3是在本发明的一些构造中组装为涡轮机的多个轮叶组的一些的透视图；

图4是单向纤维取向的例子；

图5是双向纤维取向的例子；

图6是准各向同性纤维取向的例子；

图7是示出了末级叶片的位置的双流LP蒸汽涡轮机的侧剖视图；

图8是多窗槽的构造的侧视图。图8中的虚线代表了凹入的界面。更特定地，围绕通透窗的一个的实线代表了凸出的界面，而围绕通透窗的两个的实线代表了凹入的界面；

图9是带有多窗的叶片截面构造的顶视图；

图10是具有多个织物层的复合物填充物的构造的部分侧视图。

具体实施方式

如在此所使用，以单数形式叙述的且冠以“a”、“an”或“一个”(且特别地“至少一个”)的元件或步骤应理解为不排除所述的元件或步骤的复数，除非明确地陈述这样的排除。此外，参考本发明的“一个实施例”(或“其他实施例”)不意图于解释为排除另外的也合并了所叙述的特征的实施例的存在或排除结合本发明描述的其他特征。此外，除非明确地作相反的陈述，“包括”或“具有”带有特定的特性的元件或多个元件的实施例可以包括另外的不具有此特性的元件。

在本发明的一些构造中且参考图1和图2，提供了用于调谐一排连续地联接的涡轮机轮叶20或独立式涡轮机轮叶20的方法，方法便于降低振动的幅值和/或阻尼特征。方法包括在混合叶片10构造内使用方向性纤维16的取向。叶片10可以由金属的基金属制成，带有可以由聚合物复合物填充的槽或多个槽11。复合物14可以是聚酰亚胺基复合物或其他合适的材料类型。复合物14包括纤维16，例如玻璃纤维、碳纤维、

纤维或其他纤维，它们例如可以在树脂基质18内结合在一起。纤维16可以包括在单层内，包括在多层内，包括在一个或多个织物层内，或遍及基质18。纤维16的取向选择为便于以特定的方式调谐叶片10和/或可以用于“混合调谐”该套。换言之，纤维取向根据叶片10的预先选择的调谐确定。在本发明的一些构造中通过在复合物14层叠(lay up)和固化期间定制纤维16取向来控制频率特征。通过微调纤维16取向和/或织物16的织造，本发明的一些构造便于在由这些纤维构成的织物中控制在不同的方向的强度和弹性模量。

在本发明的一些构造中且参考图3至图7，纤维16的特定取向也用于调谐单独的叶片10的频率。“混合调谐”包括将带有一个频率特征的特定的组22与一个或多个另一个频率的其他的组24组合。然后将轮叶20的组22和24组装(例如交替地组装)为排，以便于改进涡轮机26(例如蒸汽涡轮机或燃气涡轮机)的机械阻尼。取决于希望的最终结果“混合调谐”，可能存在轮叶20的多于一个或两个不同的组。

本发明的构造可以与其他的蒸汽涡轮机或燃气涡轮机叶片或轮叶在被环境允许时(例如燃气涡轮机前方级压缩机轮叶)一起使用。

本发明的一些构造提供了连续地联接的或独立式叶片10排的自然频率解调和动力学响应，而不改变空气动力学形状和效率。本发明的一些构造也提供了单独地调谐叶片10的排的能力，或调谐不满足设计要求的特定模态的能力，而不改变空气动力学形状和效率。

本发明的一些构造提供了使用复合物取向以控制在混合叶片的带槽区中的刚度调谐单独的叶片频率的能力，而不改变空气动力学效率。纤维16可以以多种方式取向以在方向上控制刚度，这将控制特定的叶片自然频率(多个自然频率)。复合物14可以设计为基于纤维的类型、织造和取向在不同的方向上具有大体上不同的强度和弹性模量。

参考图4至图6，本发明的一些构造通过对在排内的轮叶20的自然频率的混合调谐提供了便于抑制轮叶排(连续地联接或独立式)的空气弹性响应的能力。这些构造使用混合的长叶片10设计，带有对纤维16的强化刚度的调整。此调整可以使用纤维材料16、织造和取向的多种组合实现，以控制在不同方向的刚度。频率和特征变化的叶片10也可以用于改变轮叶组的自然频率。(以上参考的美国专利No.5,931,641描述了混合叶片基部设计)。本发明的这些构造产生了轮叶20的至少两个截然不同的组22和24。每个组22和24具有相同的空气动力学形状和外部轮廓，但在带槽的轮叶20内包括了不同的复合物填充物14，因此有意地改变了两个(或更多的)轮叶组22和24的自然频率。例如，在本发明的一些构造中，一个组22使用了强度更高的或“更硬”的复合物材料14，而另一个组24使用了刚度更低或阻尼更高的材料14。也例如，在一些构造中，第一组22使用了在一个方向(见图4)取向的纤维16，且第二组24使用了在第二方向取向的纤维16。因此，两个或更多的轮叶20的群被有目的地制造且合理地组装，以利用它们在自然频率上的固有差异来阻尼轮叶对同步振动和非同步振动的响应，而没有不利地影响轮叶的空气动力学特性。

在本发明的多种构造中，纤维取向或加工技术，或二者被用于改变单独的叶片的基本自然频率、连续地联接的叶片排的特定的模态调谐，或二者。因此，在一些构造中，复合物层叠具有更多在优选的方向对齐的纤维，这影响了在关心的方向上的刚度，以因此控制或移动频率。本发明的一些构造使用了数个在不同的方向取向的织物材料的不同的层，因此在两个或更多的方向上影响了刚度，从而允许在这些方向的每个上不同地控制刚度。

在本发明的一些构造中且参考图6，利用了准各向同性层叠(例如[0/45/90/-45]_n，其中n是重复堆叠次序数)或在基质内随机取向的长纤维(例如片状模制化合物或“SMC”)，主要地利用为如上所述的“混合-调谐”设备。至少两套截然不同的叶片和相应的自然频率响应以选择为降低叶片排的净频率响应的方式布置。

在一些构造中，纤维取向用于混合调谐叶片排。更特定地，两个或更多套的带有主要地沿轮叶的压力侧的凹进部分，或“槽”的轮叶组组装为环。这些轮叶组包括一套在涡轮机的级内的叶片。一个轮叶组比其他套或其他的多套具有更高的共振频率或阻尼特征。在一个作为例子的构造中，一个轮叶组构造为使得一个自然频率相等地布置在两个“每旋转”标准之间(例如，4每旋转和5每旋转之间的缝隙内)，而另一个轮叶组具有替代的纤维层叠取向，它构造为相等地布置在大约另一套“每频率”激励(例如3每旋转和4每旋转之间的缝隙内)。当在复合物树脂基质中使用不同的纤维材料和取向时，发生固有的不同的阻尼和频率响应。复合物纤维织物与树脂粘结剂一起使用，以造成在“挖槽”操作前存在的希望的翼片形状。

多种轮叶/槽的几何构造的例子在图中图示。图7图示了在涡轮机构造中低压末级叶片的典型的位置。本发明的构造可以使用在涡轮机的其中温度足够低且允许叶片尺寸足够大以允许的多个级中。本发明的构造也可以使用在单一流涡轮机中。

本发明的一些构造提供了降低在金属和复合物之间的粘合剂层内的剪应力的方法，以及提供将复合物确定的机械锁定到叶片的方法。本发明的构造适用于一个或多个不同层的纤维或织物取向的复合物基质。

在本发明的一些构造中且参考图8和图9，为混合叶片10结构提供了几何通透“窗”12的槽11的构造。在这些构造的一些中，槽11具有逐渐的倾斜，直至与流道表面的界面56。窗12有助于将复合物材料14确定机械接附到叶片10。另外，窗12提供了在复合物14和金属叶片10之间的附着层内的降低的剪应力。

本发明的一些构造提供了多窗12的构造，它促进了在以模具铺层的复合物材料14和叶片10之间的改进的机械界面。因为复合物材料14的高的刚度，通过叶片10的壁是可行的。(在至少一个具有混合叶片的现有技术构造中，使用了具有低的温度能力和非常低的刚度的聚合物。以柔性低温聚合物在此现有技术构造中通过叶片壁是不可能的。)

在本发明的一些构造中，用于混合叶片10的槽11的几何构造包括多个“窗”12，它们延伸一直通过叶片壁52。槽11围绕边缘是凹入的或凸出的。取决于在复合物层压加工期间哪个是最有利的和/或哪个具有最佳的保持特征来经验地选择凹入或凸出构造。窗12位于选择为最小化或至少降低了在槽11和叶片设计内的应力集中的区54内。窗12可以具有多种形状，如通过对带有窗12的叶片进行有限元分析确定。在一些构造中，窗12使用围绕其边缘的凹入和凸出的表面，如通过经验测试确定。

在本发明的一些构造中，复合物材料14包括织物16，例如玻璃、碳、KEVLAR或其他材料，它们使用树脂粘结剂/填充物18构造为层。例如使用预先浸渍的单向或织造织物带制成了分层的复合物14。用于制成分层的复合物的合适的方法的一个其他的例子包括在铸造期间在纤维上注树脂。在一些构造中使用高温聚酰亚胺基，但带有高温性能的其他聚合物也是合适的。

本发明的金属到填充物边缘设计的构造不限制于使用在前缘处，且可以应用于所有的边缘，包括但不限制于外侧边缘。内侧边缘可以见到带有高的入射角的径向流场或来自离心载荷的纯径向流，从而导致“湿”蒸汽径向地向外流动。取决于翼片在所关心的边缘附近的厚度，底切具有小的或大的半径。底切将以降低应力集中的方式逐渐变化到槽的后壁内。

本发明的一些构造在翼片的两侧上具有“衬片(caul sheet)”，而复合物材料在槽内固化。衬片在加工出槽的位置处造成了翼片形状。树脂填充物用于再造在“挖槽”前存在的翼片形状。

另外，本发明的一些构造提供了用于添加将复合物材料接附到叶片槽内的附加的机械接附的方法，因此降低了在复合物和金属翼片之间的粘合剂层内的剪应力。本发明的一些构造也添加了复合物基质在叶片内的确定的机械保持。

因此，作为总结，且再次参考图1和图2，本发明的一些构造提供了用于降低在包括金属的基金属的涡轮机叶片10内的应力的方法。方法包括以在树脂基质18内具有连续的纤维16的聚合物复合物14填充在叶片10内的槽或多个槽11。纤维16具有根据叶片的预先选择的频率调谐确定的取向。

参考图3至图7，此方法可以对于在多个涡轮机轮叶20内的多个涡轮机轮叶叶片10重复，其中叶片10的预先选择的频率调谐在至少轮叶20的第一组22和轮叶20的第二组24之间不同。此外，一些方法包括组装轮叶20的第一组22和轮叶20的第二组24，以实现涡轮机26的机械阻尼。方法也可以包括将来自第一组22的轮叶20和来自第二组24的轮叶20交替地组装。在一些构造中，多个涡轮机轮叶20也具有相同的外部空气动力学形状和轮廓，且轮叶20包括至少两个组22、24，一个组24在叶片10内的复合物14比其他的组或多个组24具有更高的强度或更高的刚度的任一个或二者。在本发明的其中多个涡轮机轮叶20具有相同的外部空气动力学形状和轮廓且轮叶20包括至少两个组22、24的一些构造中，方法进一步包括使纤维16在树脂基质18内取向为在一个组22内与在其他的组或多个组24内在不同的方向。

参考图4至图6，本发明的一些构造进一步包括带有在至少两个方向取向的纤维16的填充复合物14，使得在第一优选方向36上取向的纤维比在不同的第二方向38取向的纤维更多。参考图10，本发明的一些构造也包括带有多个不同层40，42的织物材料的填充复合物14，使得纤维16在不同的层中以不同的方向取向。复合物14可以包括准各向同性层叠，且方法可以进一步包括将两套截然不同的叶片布置为降低叶片排的净频率响应的构造。在一些构造中，复合物包括在基质18内随机取向的长纤维16，且方法包括将两套截然不同的叶片布置为降低叶片排的净频率响应的构造。

在另一个方面中且再次参考图1至图7，本发明的一些构造提供了调谐的涡轮机轮叶20。轮叶具有至少一个叶片10，叶片10包括金属的基金属，带有填充以聚合物复合物14的槽或多个槽11，聚合物复合物14具有在树脂基质18内结合的连续的纤维16。纤维16具有根据叶片的预先选择的频率调谐确定的取向。本发明的一些构造包括多个涡轮机轮叶20，多个涡轮机轮叶20包括具有调谐到第一频率的叶片10的轮叶20的至少第一组22和具有调谐到不同的第二频率的叶片10的轮叶20的第二组24。轮叶20被组装以实现燃气涡轮机或蒸汽涡轮机26的机械阻尼。在一些构造中，多个叶片10包括仅第一组22和第二组24，且具有第一组22的叶片10的轮叶20与具有第二组24的叶片10的轮叶20交替地组装。本发明的一些构造包括多个具有相同的外部空气动力学形状和轮廓的涡轮机轮叶20，且轮叶20包括至少两个组22、24，每个组在叶片10内具有不同的复合物14。本发明的再另外的构造包括多个具有相同的外部空气动力学形状和轮廓的涡轮机轮叶20，且轮叶包括至少两个组22、24。在这些构造中，一个组22在叶片10内的复合物14比其他的组或多个组24具有更高的强度或更高的刚度任一个或二者。再其他的构造包括具有相同的外部空气动力学形状和轮廓的多个涡轮机轮叶20。然而，轮叶20包括至少两个组22、24，其中一个组22的纤维16在与另一个组或多个组24不同的方向上取向。

本发明的一些构造提供了其中复合物14具有在至少两个方向取向的涡轮机轮叶20，使得在第一优选方向36上取向的纤维16比在不同的第二方向38取向的纤维更多。参考图10，本发明的一些构造也提供了其中复合物14包括多个不同层40、42的织物材料使得纤维16在不同的层40、42内以不同的方向取向的涡轮机轮叶20。

本发明的再其他的构造提供了多个涡轮机轮叶20，其中复合物14包括准各向同性的层叠或在基质18内随机取向的长纤维16。至少两套截然不同的叶片10布置为降低了叶片排的净频率响应的构造。

本发明的再另一个构造提供了具有带多个一直通过叶片10的壁52的窗槽11的叶片10的涡轮机轮叶20。窗12定位在最小化或至少降低了在窗槽11上的应力集中的区域54内，且轮叶20进一步包括复合物材料14，复合物材料14包括树脂基质18和织物材料16的层。

因此将承认的是，本发明的构造便于降低在涡轮机叶片内的应力，和/或用于特别地改变叶片频率和/或阻尼特征。

虽然本发明已根据多个特定的实施例描述，但本领域技术人员将认识到本发明可以以权利要求书的精神和范围内的修改来实践。

零件列表

10	叶片
		11	槽
12	窗
		14	复合物
16	纤维
		18	基质
20	涡轮机轮叶
		22	第一组
24	第二组
		26	涡轮机
36	优选方向
		38	第二方向
40	不同的层
		42	不同的层
52	叶片壁

54	区域
		56	界面

Claims (10)

1.一种用于降低包括金属基金属的涡轮机叶片(10)内的应力的方法，所述的方法包括：

提供一种涡轮机叶片，其包括至少一个形成于其中的槽；

选择叶片将要被调谐到的频率；

确定出可用于将叶片调谐到所选择的频率的纤维取向；和

以具有在树脂基质(18)内取向的连续纤维(16)的聚合物复合物(14)填充限定于叶片内的所述至少一个槽(11)，从而纤维具有根据叶片的预先选择的频率调谐而确定的取向，其中所产生的叶片的频率响应近似等于所选择的频率。

2.一种调谐的涡轮机轮叶(20)，所述的轮叶包括至少一个叶片(10)，该叶片包括：

金属基金属，带有以具有在树脂基质(18)内结合的连续纤维(16)的聚合物复合物(14)填充的至少一个槽(11)，其中纤维具有根据所述的叶片的预先选择的频率调谐而确定的取向，其中所产生的叶片的频率响应近似等于所选择的频率。

3.多个涡轮机轮叶(20)，每个根据权利要求2所述且每个包括多个所述的叶片(10)，包括具有多个调谐到第一频率的叶片的轮叶的至少第一组(22)和调谐到不同的第二频率的轮叶的第二组(24)，其中所述的第一组和第二组轮叶被组装以实现预先确定的机械阻尼。

4.根据权利要求3所述的多个涡轮机轮叶(20)，其中所述的多个轮叶包括所述的第一组(22)和所述的第二组(24)，且所述的第一组的所述的轮叶与所述的第二组的所述的轮叶交替地组装。

5.根据权利要求3所述的多个涡轮机轮叶(20)，其中所述的多个涡轮机轮叶具有相同的外部空气动力学形状和轮廓，且所述的轮叶包括至少两个组(22、24)，每个组在所述的叶片(10)内具有不同的复合物(14)。

6.根据权利要求3所述的多个涡轮机轮叶(20)，其中所述的多个涡轮机轮叶具有相同的外部空气动力学形状和轮廓，且所述的轮叶包括至少两个组(22、24)，一个组在所述的叶片(10)内的复合物比其他的组具有更高的强度和更高的刚度的至少一个。

7.根据权利要求3所述的多个涡轮机轮叶(20)，其中所述的多个涡轮机轮叶具有相同的外部空气动力学形状和轮廓，且所述的轮叶包括至少两个组(22、24)，一个组具有与其他的组在不同的方向取向的纤维(16)。

8.根据权利要求2所述的涡轮机轮叶(20)，其中所述的复合物(14)具有在至少两个方向取位的纤维(16)，使得在第一优选方向(36)上取向的所述的纤维比在不同的第二方向(38)取向的所述的纤维更多。

9.根据权利要求2所述的涡轮机轮叶(20)，其中所述的复合物(14)包括多个不同层(40、42)的织物材料，使得纤维(16)在不同的层内在不同的方向取向。

10.根据权利要求2所述的涡轮机轮叶(20)，其中所述的复合物(14)包括准各向同性层叠或在基质(18)内随机取向的长纤维，其中至少两套截然不同的所述的叶片(10)布置为降低了叶片排的净频率响应的构造。

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