CN101089369A - 汽轮机的混合叶片 - Google Patents

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Abstract

为解决混合叶片中作为填料的碳纤维材料(144，244，344)的某些不足，在叶片的碳纤维树脂填料和金属主体之间设置玻璃复合物层(146，246，346)。该玻璃复合物层还有利地给碳纤维复合物和叶片主体(钢)之间的热膨胀提供梯度以减小界面残余应力。

Description

汽轮机的混合叶片
技术领域
本发明一般地涉及到燃气轮机和汽轮机，更具体地，涉及到一种由不同材料制成的两种或更多种的部件组成的汽轮机叶片。
背景技术
汽轮机叶片在遭受高离心负荷和振动应力的环境中运行。当叶片的固有频率与运转速度或其他传递频率(考虑到上游动叶片或喷嘴，或其他主要每/转特征)共振时，振动应力增加。当叶片发生共振时振动应力的幅值与系统中存在的阻尼量(阻尼包括材料、空气动力学和机械分量，以及振动激励水平)成正比。对于连续安装的叶片，振动频率是整个一排叶片系统的函数，而不一定是在该排中单个叶片的函数。
更进一步，对于涡轮机动叶或叶片来说，离心负荷是运转速度，叶片的质量，以及在该质量所在位置离发动机中心线的半径的函数。随着叶片质量的增加，需要增加位于较低径向高度处的物理面积或者横截面积，这样才能够使其在不超过给定材料的允许应力情况下支撑位于其上的质量。这种在较低跨度处的叶片横截面积的增加导致了根部的过量流量的堵塞从而使性能下降。叶片重量的增加会引起盘应力增加，故其是可靠性下降的可能原因。
现有技术中几份美国专利/申请涉及所谓“混合”叶片，其中通过采用金属和聚合物填料材料的组合制成翼面来减轻其重量。特别地，在翼面部分形成一或多个凹槽并在其中填入聚合物填料。这些现有技术的专利/申请包括美国专利6854959，6364616，6139278，6042338，5931641和5720597；以及于2004年7月28日递交的申请号为10/900222的申请以及2004年8月7日递交的申请号为10/913407的申请，以上每个专利/申请的公开内容在此一并作为参考引用。
发明内容
本发明提供一种金属动叶(叶片)，其带有在其中容纳复合填料的凹槽或穿透的壁窗口。在示例性的实施例中，复合填料是一种碳纤维复合物。进一步地，在示例性实施例中，在碳复合物和金属叶片之间设置玻璃纤维(纤维织物)隔离分界面。
这样，本发明实施为一种汽轮机叶片，该汽轮机叶片包括：翼面部分，其具有工作温度范围、设计转速、叶片根部、叶片顶部和向外延伸到所述叶片顶部并向内延伸到所述叶片根部的轴线，其中所述翼面部分包括：(1)基本上由金属组成并具有第一质量密度的金属部，其中所述金属部从大约所述叶片根部径向延伸至大约所述叶片顶部；以及(2)至少一个纤维复合物部，其具有小于所述第一质量密度的第二质量密度；其中所述纤维复合物部包括碳纤维复合物和布置于所述碳纤维复合物和所述金属部之间的玻璃隔离层。
本发明可以进一步实施为一种燃气轮机，所述燃气轮机包括：具有多个从其延伸的叶片的转动部件，所述多个叶片包括：至少一个第叶叶片类型，其限定第一叶片组，所述第一叶片组的每一个第一叶片具有第一共振频率；至少一个第二叶片类型，限定第二叶片组，所述第二叶片组的每一个第二叶片具有第二共振频率，所述第二共振频率与所述第一共振频率不同，其中所述第一叶片型包括：翼面部分，其具有工作温度范围、设计转速、叶片根部、叶片顶部和向外延伸到所述叶片顶部并向内延伸到所述叶片根部的轴线，其中所述翼面部分包括：  (1)基本上由金属组成并具有第一质量密度的金属部，其中所述金属部从大约所述叶片根部径向延伸至大约所述叶片顶部；以及(2)至少一个纤维复合物部，其具有小于所述第一质量密度的第二质量密度；其中所述纤维复合物部包括碳纤维复合物和布置于所述碳纤维复合物和所述金属部之间的玻璃隔离层。
本发明还可以实施为汽轮机叶片，该汽轮机叶片包括：a)汽轮机叶片柄部；b)汽轮机叶片金属翼面部，其连接于所述柄部，并具有压力侧和负压侧，其中压力侧和负压侧中的至少一个包括至少一个凹槽，其中所述至少一个凹槽具有空的容积；以及c)布置并粘结于所述至少一个凹槽处的填料，其基本上完全填满了上述空的容积，其中所述填料整体上具有比前述金属翼面部整体小的平均质量密度，其中所述填料包括碳纤维复合物和布置于所述碳纤维复合物和所述金属翼面部之间的玻璃隔离层。
附图说明
附图1示出了双流式低压涡轮机的示意图；
附图2示出了部分完成的混合叶片的示意图；
附图3示出了涡轮机叶轮的侧视图，该叶轮具有多个安装于其上的涡轮叶片；
附图4示出了沿附图2中线4-4所取的截面图；
附图5示出了类似附图4的截面图，其示出了根据本发明的一个示例性实施例的带有玻璃隔离层的混合叶片；
附图6示出了类似于附图5的截面图，其示出了具有玻璃隔离层的混合叶片，其包括在凸起侧的窗；以及
附图7示出了根据本发明又一示例性实施例的截面示意图，其带有布置于窗口中的填料。
具体实施方式
附图1是双流式低压涡轮机10的示意图，其包括涡轮机壳体12，转子14和位于两个涡轮段16，18中的多个叶轮。用虚线圈出区域20，22表示末级叶片径向上最外侧区域，该区域在部分负荷工况下经历最大的鼓风加热。
附图2示意性地示出了可在其中应用本发明的汽轮机叶片24的示例性结构。该汽轮机叶片包括叶柄部26和翼面部28。该翼面部具有工作温度范围，设计转速，与叶柄部相连的叶片根部，叶片顶部和向外延伸到叶片顶部向内延伸到叶片根部的径向轴线。柄部典型地包括用于将叶片连接到转子盘(附图3)的燕尾榫，和帮助径向容纳蒸汽流的叶片平台。翼面部具有前缘和后缘，其中蒸汽流的方向一般为从前缘流向后缘。该翼面还具有压力侧和负压(凸起)侧。在示出的例子中，在翼面部28的压力侧形成径向上的内外凹槽30，32，它们由相对宽的腹板或肋和中间跨越挡板36分隔开。在此种叶片设计中可以采用更多(或更少)的凹槽。附图3示意性地示出了一排混合叶片24，其被安装于涡轮转子盘42上，下面对此详细描述。
所述翼面包括主要由金属构成的主体或者主要部分34。在此，术语“金属”包括“合金”但出于描述此发明的目的不能被认为是指“金属泡沫”。在本文描述的示例性实施例中，主体部是单片的金属部，尽管本发明不必要对此进行限制。该金属部具有第一质量密度并基本上在径向上从叶片根部延伸至叶片顶部。在翼面中省掉或者去除掉金属处限定出凹槽或凹入30，32。对于此，叶片主体或金属部34可由锻造，冲压或铸造形成，凹槽或凹入30，32可通过例如化学铣削，电化学加工，喷水铣削，放电加工或高速加工等加工方法形成。
附图4是附图2混合叶片结构的截面示意图，其中填料部40设置在金属部的凹槽30中而主要并不含金属，其具有不同于第一质量密度的第二质量密度。例如，美国专利6287080和5931641公开了一些合适的填料复合物，这些专利在此一并作为参考引用。
如果认为必要或者期望，布置用于填充凹槽32的填料部38可以具有与用于填充凹槽30的填料部40不同的属性，例如耐温能力。采用不同的填料部，或更特别地，采用不同的填料允许了在花费减小的情况下改善混合叶片的耐温能力。使用每种材料可以根据填料的温度特性以及任意给定级的叶片的耐温能力的需要对叶片上特定位置来配置。在叶片限的有限位置采用更昂贵的耐高温材料使混合叶片的设计特别对于那些处于高鼓风环境下，即末级区域20，22中的叶片更加具有可行性。
将填料与翼面部28的金属面相连接的选择包括，而不仅限于，自粘合、将填料材料与翼面部28的金属面之间的粘合、粘胶粘合(粘性膜或涂胶)以及熔融结合。
因为其产生允许更长或更宽弦长的叶片的较轻叶片，混合动叶(或叶片)设计带来了几个好处。但是，典型的混合叶片设计在凹槽中的复合材料并不具备足够的刚度以帮助加强叶片。这样，传统地，混合叶片中凹槽的数量(深度)由于应力限制而受到限制。这样就限制了制造更长，更宽或调节动叶(叶片)的能力。克服传统混合叶片设计的此种限制将会是有利的。
在混合叶片中采用碳纤维材料作为填料是有利的，因为它比金属叶片部分硬，从而在保持了叶片机械强度的同时允许叶片具有更激进的凹槽。这样，因为刚性碳复合物弥补了被移除的金属，故使用它有助于减小叶片外侧部分的应力水平。但是，发明者也意识到了位于金属部和碳复合物之间的界面可能会导致电流腐蚀，随着时间变化电流腐蚀会使金属部的强度和效率下降。另外，在碳纤维复合物(其一般低至0.01ppm/华氏度)和例如钢(其典型地为7ppm/华氏度)之间热膨胀中的较大的失配会导致产生界面应力。
因此，在本发明的示例性实施方式中，混合叶片中的填料材料包含带有树脂的碳纤维层，和至少设置于金属叶片材料和碳复合物之间的玻璃型纤维连接件(隔离物)。对于此，玻璃复合物层提供了在叶片金属和碳复合填料之间用作隔离物和减小这些热膨胀失配部件之间的界面应力的双重好处。进一步地，还可以通过控制纤维取向和纤维百分率来调节玻璃复合物中间层膨胀率。
因此，如上文建议使用碳复合物具有足够的刚度以克服应力限制，从而允许更激进的凹槽，并且布置于碳复合物和金属主体之间的玻璃纤维(纤维织物)隔离层保护金属免于电流腐蚀并减小了界面残余应力。
在一些情况下，因为碳在蒸汽环境下可能不够坚固，所以碳和蒸汽交界面可能也需要被保护。对此，一些证据说明蒸汽和碳可能并不总是相兼容的。因此，如果认为有必要或者希望，玻璃复合物也能作为设置于碳和蒸汽环境之间的防腐蚀罩或隔离物。因此，还根据本发明的示例性实施方式的其他可选特征，玻璃纤维隔离层可以作为碳纤维复合物面对蒸汽通道的表面的保护性覆盖层使用。但是，玻璃复合物覆盖不一定需要用于蒸汽通道表面上。
附图5示出了本发明示例性的实施方式的示意图，其中包含有碳纤维层144的填料部140布置于凹槽130中，凹槽形成于翼面主体部134中。在附图5中也可以看到，玻璃纤维层146布置于金属叶片主体和碳纤维填料144之间。附图5还示意性地示出玻璃复合物层148作为蒸汽环境和碳纤维填料144之间的分界面的可选的使用。叠层还可以在每层之间采用不同的纤维取向从而特别地对翼面频率进行“调节”，或者使得叶片“失调”，下文对此进行描述。
如下面将要详细进行描述的，为了进一步的减小在本发明示例性的实施方式中的叶片重量，其凹槽或部分可以限定为作为一个或多个到叶片的相反负压侧的窗口而完全延伸穿过叶片。然后再向凹槽和/或窗口中填入复合材料以重塑原始翼面形状或设计翼面形状。
因此，附图6的实施方式与附图5的实施方式相类似，区别在于其凹槽包括限定为从浅凹槽部230延伸穿过叶面主体到翼面224的负压侧的窗口231。因此，在该实施方式中每个窗口231在叶片宽度方向上具有小于浅凹槽部230的宽度。在示例性的实施例中，玻璃隔离材料246填入窗口231本身而碳纤维填料244限于浅凹槽部230。窗口231不但进一步减小了叶片结构224的重量，而且用于协助减小复合物244和金属叶片之间交界面处的剪应力。附图6的实施方式还示意性地示出破璃复合物层248作为蒸汽环境和碳纤维填料244之间的分界面的可选的使用。
附图7还进一步地示出了本发明的示例性实施例，其中包含有窗口的凹槽330限定在叶片324的主体中。因此，在该实施例中窗口具有对应于凹槽的宽度。窗口或者通槽330采用碳纤维复合材料344填充。更进一步地，在填料和翼面主体之间的连接处，窗口外围，设置玻璃纤维的隔离物346(带树脂基质)。在示出的例子中，玻璃纤维隔离层布置为，以348表示，在刚性碳材料344和蒸汽通道之间延伸。如上面所提到的，如果不使用刚性碳材料，就不可能将凹槽限定为完全穿过叶片壁的通槽330。如本文公开的，使用带有玻璃分界面346，348的碳纤维344给进一步减小靠近翼面外侧区域的叶片重量提供了极大可能性。
本发明进一步提供了一种通过便于混合调节叶片排内的固有频率来抑制叶片排(连续安装或自由竖立)的空气动力弹性响应的手段。混合调节包括将具有一个频率特性的叶片的特定段与一组或多组其他频率的叶片相结合。然后将叶片选择性地安装于一排中以获得改善的系统机械阻尼。根据期望的效果可以采用多于一组的叶片。
为此，通过改变凹槽/窗口130；230，231；330中碳纤维144，244，344相对于玻璃隔离纤维146，148；246，248；346，348的量，可以可预测地改变叶片124，224，324的刚度。这可以通过改变碳纤维相对于玻璃隔离纤维的层数来实现；更多的碳可以加强单个叶片的刚度，较少的碳则可以使其更具柔性。这种刚度的改变典型地与固有频率的改变相关联。具有不同频率特性(刚度)的叶片可以组合起来以改变叶片组的固有频率。这样，可以设置多个叶片，每个均具有相同的空气动力学外形和外部轮廓，但是填料部各不相同，从而产生至少两组不同的叶片组，一组可以使用较高强度或更高刚度的材料而另外一组可以使用较低刚度或较高阻尼的材料。这样，采用此种概念2组或更多组的叶片可以进行有目的的加工并合理地组装从而利用它们固有频率的内在不同，来作为阻尼系统响应于同步或非同步振动的方法，而并不会不利地影响叶片设计的空气动力学属性。
因此，可以采用上文描述的叶片124，224，324来在附图3所示出的汽轮机转子轮上形成一排叶片。特别地，组A和组B可以以预定映射配置，例如模式ABAB，组装在涡轮机叶轮上，这样组A的叶片总是与组B的叶片相邻。按照此种方式，两组(或更多组)叶片可以有目的地进行加工和合理地组装以利用它们共振频率的内在不同来作为减小系统对于同步和非同步振动的响应的方法，而并不会不利地影响叶片设计的空气动力学属性。在此更进一步地，存在这样一种可能，即设计一组叶片，其固有频率均等地布置在两个“每转”标准之间(例如4每转和5每转被划分)，以及设计另一组叶片，其具有不同的填料部从而使其关于另外一组“每转”激励(例如3每转和4每转被划分)均等布置。
还有可能通过改变叶片组分布模式来同样获得预期的频率特性。例如，也可以应用模式AABBAA或AABAAB...。映射配置通过利用在每组叶片中不同的叶片阻尼响应来使叶片排或组阻尼增强，从而达到对叶片组进行混合调节的目的。这样还可以转换每个叶片的频率从而甚至更好的利用混合调节概念。
虽然本发明是结合被认为是目前最具有实践性和优选的实施方式进行描述的，应该了解到本发明不限于公开的实施方式，相反，本发明在于覆盖包括在后附的权利要求的精神和范畴内的各种不同的修改和等同配置。
部件列表
双流式低压涡轮机10
涡轮机壳体12
转子14
涡轮机段16，18
末级叶片的径向最外侧区域20，22
混合汽轮机叶片24
柄部26
翼面部28
内凹槽/腔和外凹槽/腔30，32
主体或主要部分34
中间跨越挡板36
填料38，40
转子盘42
凹槽130
翼面主体134
填料部140
碳纤维层144
玻璃纤维层146
玻璃复合物层148
翼面224
凹槽部230
窗口231
碳纤维填料244
玻璃隔离材料246
玻璃复合物层248
叶片的主体324
窗口或通槽330
碳纤维复合材料344
玻璃隔离物346
玻璃隔离层348

Claims (10)

1.一种汽轮机叶片，包括：
翼面部分，其具有工作温度范围、设计转速、叶片根部、叶片顶部和向外延伸到所述叶片顶部并向内延伸到所述叶片根部的轴线，其中所述翼面部分包括：
(1)基本上由金属组成并具有第一质量密度的金属部(134)，其中所述金属部从大约所述叶片根部径向延伸至大约所述叶片顶部；以及
(2)至少一个纤维复合物部，其具有小于所述第一质量密度的第二质量密度；
其中所述纤维复合物部包括碳纤维复合物(144，244，344)和布置于所述碳纤维复合物和所述金属部之间的玻璃隔离层(146，246，346)。
2.根据权利要求1所述的汽轮机叶片，其特征在于：所述玻璃隔离层包括布置于金属叶片和碳纤维复合物之间的带有树脂的玻璃纤维层。
3.根据权利要求1所述的汽轮机叶片，其特征在于：所述碳纤维复合物部布置在所述金属部的压力侧中限定出的凹槽(130，230，330)中。
4.根据权利要求3所述的汽轮机叶片，其特征在于：所述凹槽包括至少一个窗口(231，330)，所述窗口限定为穿过所述金属部至所属金属部的凸起负压侧。
5.根据权利要求4所述的汽轮机叶片，其特征在于：所述凹槽进一步包括浅凹槽部(230)，并且其中所述至少一个窗口(231)从所述浅凹槽部的基部延伸至所述负压侧。
6.根据权利要求5所述的汽轮机叶片，其特征在于：所述玻璃隔离层(246)布置为基本填充所述至少一个窗口(231)。
7.根据权利要求1所述的汽轮机叶片，进一步包括位于所述碳复合材料面对蒸汽通道的表面上并覆盖该表面的玻璃纤维层(148，248，348)。
8.一种燃气轮机，其具有转动部件，该转动部件具有从其上延伸的多个叶片，所述多个叶片包括：
至少一个第一叶片类型，其限定第一叶片组，所述第一叶片组的每一个第一叶片具有第一共振频率；
至少一个第二叶片类型，限定第二叶片组，所述第二叶片组的每一个第二叶片具有第二共振频率，所述第二共振频率与所述第一共振频率不同，
其中所述第一叶片类型由如权利要求1所述的叶片组成。
9.根据权利要求8所述的燃气轮机，包括多个第一叶片组和多个第二叶片组，并且其中所述第一和第二叶片组围绕所述转动部件彼此相邻地交替布置。
10.根据权利要求9所述的燃气轮机，其特征在于：所述第一和第二叶片组中的至少一组仅有单个叶片，以使得所述第一和第二叶片组中的所述一组的单个叶片布置于所述第一和第二叶片组的另一组的叶片之间。
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