CN102245859A - 具有相对于轮盘锁定叶片的轴向保持装置的涡轮机叶轮 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及涡轮机叶轮，其包括多个叶片(14)，每个所述叶片(14)包括翼面(144)，平台(142)和夹头(140)，轮盘(12)，所述叶片(14)安装于所述轮盘(12)的外缘上，每个所述叶片(14)的夹头(140)位于壳体(120)中，该壳体(120)括展成所述轮盘(12)的外缘并且在所述轮盘的两个相对表面(128，130)之间轴向延伸，所述壳体之间由齿(121)隔开；以及用于保持叶片的轴向保持装置(16)。轮盘包括第一停止构件(126)，叶片的平台包括轴向突出至所述轮盘的一个表面之外的突出部(150)。该突出部包括第二停止构件(146)。所述轴向突出部，第二停止构件以及轮盘的所述表面形成朝向所述轮盘的轴线(A)的槽，该槽用于容纳轴向保持装置。

Description

具有相对于轮盘锁定叶片的轴向保持装置的涡轮机叶轮
本发明大体上涉及燃气轮机中的叶轮，更具体地涉及相对于叶轮的轴线轴向保持叶片。本发明的应用领域具体为工业燃气轮机和燃气轮机航空发动机。
涡轮机叶轮通常包括多个叶片，轮盘，以及用于轴向保持叶片的装置。每个叶片通常包括翼面，平台，及连接构件。叶片安装在轮盘的外缘上，每个叶片的连接构件位于壳体中，该壳体扩展成轮盘的外缘，并在轮盘的两个相对表面之间轴向延伸，壳体之间由齿隔开。叶片的轴向保持装置相对于轮盘的旋转轴轴向锁定叶片。
已知的涡轮机叶轮在运行过程中，叶片有时要承受振动性移动或振动。这种振动是有害的，因为它可能会导致叶轮的动态不稳定，由此损坏叶轮，还会导致叶轮的各个元件之间接触区域的过早磨损。
本发明的一个目的是提供一种涡轮机叶轮，其中的叶片在叶轮的运行过程中承受实质上更少的振动。
该目的通过以下方式实现，即，在上述类型的叶轮中，至少一个叶片与轮盘的第一停止构件邻接，以在第一轴向相对于轮盘而阻挡所述叶片，所述叶片的平台包括轴向突出至轮盘的一个表面之外的突出部，该突出部包括第二停止构件，所述轴向突出部，第二停止构件以及轮盘的所述表面形成朝向轮盘的轴线的槽，该槽的作用为容纳轴向保持装置，使得轴向保持装置在装配位置上在第一轴向上与第二停止构件邻接，并在与第一轴向相反的第二轴向上与轮盘的所述表面邻接，由此在第二轴向上阻止所述叶片相对于轮盘移动。
由此能够理解，轴向保持装置相对于轮盘轴向锁定每个叶片。首先通过轮盘的第一停止构件，其次通过轴向保持装置，从而阻止叶片轴向移动。第一停止构件的作用为在第一轴向上轴向地阻挡叶片，轴向保持装置的作用为在第二轴向上轴向地阻挡叶片。术语“轴向”是指沿叶轮或轮盘的轴线延伸的方向。自然，在径向上，叶片以公知的方式通过叶片的形状和轮盘的两个齿之间的配合而被保持在壳体中。
例如，并且优选地，第一轴向为将叶片插入轮盘中的壳体的方向，第二轴向为将叶片从轮盘上移除的方向。
叶片平台包括具有第二停止构件的轴向突出部。该轴向突出部设计为当叶片安装至轮盘上时轴向地突出到轮盘的一个表面之外。第二停止构件位于所述平台的下面，并且朝向轮盘的轴线径向突出。
当叶片安装至轮盘上时，轮盘的所述表面，轴向突出部，以及第二停止构件形成朝向轮盘的轴线的槽。由此，与承载叶片翼面的表面相对的平台的底面形成槽的底部，而轮盘的所述表面与第二停止构件形成槽的侧面。如上定义的槽的作用为容纳轴向保持装置。
轴向保持装置在第一轴向上通过第二停止构件，并在第二轴向上通过轮盘的所述表面而被固定在槽中。轴向保持装置还在离心方向上通过槽的底部而被径向固定。
当叶片将要在第二轴向上轴向移动时，第二停止构件与轴向保持装置邻接，轴向保持装置再与轮盘的所述表面邻接。由此，叶片在第二轴向上被轴向地固定。
此外，在叶轮的旋转过程中，施加到轴向保持装置上的离心力会以一定量的接触压力将轴向保持装置挤向槽的底部，该接触压力随叶轮转速的增加而增加。这提供了两点优势。首先，通过这样的施压，能够将轴向保持装置相对于槽的底部进行固定。这样就保证了轴向保持装置适当地容纳于槽的侧面之间。由此，轴向保持装置很难从槽脱离。
此外，这有利于提供叶片和轴向保持装置之间的机械耦合。相对于叶片和轮盘的抗挠性，轴向保持装置的灵活性能够抑制振动的方位角分量(azimuth component)。通过以上方式抑制叶片振动，叶片移动的振幅减小，由此，特别是当振动的频率为叶片的共振频率时，能够有利地避免叶片的损坏。
借助本发明的装置，首先，叶片被适当地轴向固定在轮盘上，其次，叶片的振动被抑制。
根据本发明的一个有利方面，在轴向保持装置和叶片之间提供有至少一个凸起，以形成叶片和轴向保持装置之间的机械接触。
在叶片和轴向保持装置之间存在凸起改善了叶片和轴向保持装置之间的机械接触，该机械接触的作用为抑制叶片振动。此外，凸起还可以作用为阻止轴向保持装置在方位角方向上的任何移动，由此改善轴向保持叶片的可靠性。
在一变型中，凸起形成在轴向保持装置上。
在另一变型中，凸起形成在轴向突出部的下面以及槽的底部上，即，朝向轴向保持装置的表面上。
有利地，与凸起形状互补的凹槽以容纳所述凸起的方式形成在正对凸起的元件中。
可以理解，如果凸起形成在轴向保持装置上，与凸起正对的元件是平台，因此凹槽形成在平台的下面。相反，如果凸起形成在平台的下面，与凸起正对的元件是轴向保持装置，因此凹槽形成在轴向保持装置上。与凸起形状互补的凹槽的作用还为通过将由简单凸起的存在所带来的优势以及不带凸起的正对表面的存在所带来的优势相结合，从而进一步改善叶片和轴向保持装置之间的机械接触。凸起使接触永久地存在，并且由于正对表面非常接近——因为与凸起形状互补的凹槽的存在，它们在叶轮的旋转过程中由于离心力而提供额外的接触。此外，凸起容纳于凹槽中，这也可以起到防止轴向保持装置转动的作用。
优选地，凸起和/或凹槽形成在平台的不径向支撑叶片翼面的部分之上或之中。
通过如上所述的凸起相对于叶片翼面的安排，可以理解的是，不管凸起位于平台的下面，还是位于轴向保持装置上，它位置并不靠近对叶片翼面提供径向支撑的区域。因此，由叶片和轴向保持装置之间的相互作用产生的机械应力被施加到一个区域中，在该区域中，平台承受很小的机械应力。平台的与叶片翼面接近的区域通常承受翼面带来的巨大应力。
有利地，轮盘包括抗旋转停止器，该抗旋转停止器适于防止轴向保持装置相对于轮盘在方位角方向上移动。
抗旋转停止器的作用为确保轴向保持装置自身在叶轮的旋转过程中开始旋转。此外，由于抗旋转停止器的存在，轴向保持装置保持适当的定位。优选地，抗旋转停止器被制造为保证叶轮的平衡。在这种情况下，抗旋转停止器平衡轴向保持装置的质量，该质量不一定沿叶轮均匀分布。由此，由轴向保持装置和抗旋转停止器构成的组件使质量沿叶轮均匀分布，不会使叶轮在旋转时失衡。
有利地，轮盘还包括至少一个适于防止轴向保持装置做向心移动的安全停止器。
如上设置的安全停止器的作用为防止轴向保持装置在槽中径向移动。这进一步提高了轴向锁定的安全性。优选地，本发明的叶轮包括三个安全停止器，它们沿着轮盘以120度的角度均匀分布。
优选地，轴向保持装置为开口环。
存在开口环的优点为，其单独一个部件就可以将所有的叶片保持在轮盘上。此外，环被开口，提供了一定的相对径向形变的灵活性，从抑制叶片方位角振动的角度来看，这是有利的。因此，有利地，环带有弹性，这样既抑制了叶片的振动，又使将环装配至叶轮上的操作变得更加容易。
此外，将轴向保持装置设置为环的形式能够同时实现环和多个叶片之间的机械耦合。除了在叶轮安装时环存在这一实际方面，环还令人满意地抑制每个叶片的振动，由此避免叶片被损坏。
此外，在另一变型中，环被预加应力以与平台进行压力接触，由此使得机器静止时环相对于叶轮的位置得到保证。
有利地，第二停止构件形成尖头，优选地，尖头形成环的一部分，该环在叶片平台的轴向突出部的方位长度的至少一部分上延伸。
上述第二停止构件的优选实施方式的作用为沿每个叶片平台分配轴向保持力，避免产生任何局部机械应力峰。
本发明还提供包括本发明的涡轮机叶轮的涡轮机。
借助下面对作为非限制性例子提供的各种实施方式进行的详细描述，可以更好地理解本发明和它的优点。下面的描述参考如下附图：
·图1为本发明的涡轮机叶轮的透视图；
·图2A为显示了图1所示涡轮机叶轮的一部分的分解图，图2B示出了组装后的涡轮机的同一部分；
·图3为图2B所示平面III的截面图；
·图4为图2B所示平面IV的截面图；
·图5A至5E示出了轴向保持环在图4所示剖面V中的各种实施方式；
·图6示出了具有本发明的涡轮机叶轮的涡轮机。
图1示出了本发明的涡轮机叶轮10的实施方式。叶轮10由具有轴线A的轮盘12，多个叶片14，以及轴向保持装置16组成。在该实施例中，轴向保持装置16为开口环。在下面对本发明实施方式进行的描述中，“环”或者“开口环”用来指代“轴向保持装置”。
每个叶片14包括形式为枞树形的根的连接构件140，平台142，以及叶片翼面144。连接构件140位于轮盘12的壳体120中。壳体120在轮盘的两个相对表面之间轴向延伸，并由齿121分开。每个叶片14借助其连接构件140通过临近所述连接构件的两个齿121而被径向固定。
轮盘12装有三个安全停止器122，彼此相隔120度分布在轮盘上。这些安全停止器122将环16相对于轮盘12和叶片14固定在其径向位置。轮盘12还装有抗旋转停止器124，用于将环16相对于轮盘12和叶片14固定在其方位角位置(azimuthposition)。抗旋转停止器124插入环16的开口中。
图2A以分解图示出了图1所示叶轮10的角度部分。在图2A中可以看到第一停止构件126和第二停止构件146。当叶片沿第一轴向X安装到轮盘12上时，第一停止构件126容纳于叶片14的腔室148中。
第二停止构件146位于平台142的底部表面上，并且轴向突出于平台150，所述平台150从轮盘12的表面128突出。每个第二停止构件146形成尖头，由此在将叶片14从轮盘12的表面130装配到轮盘12上时，叶片连接构件140能够在壳体120中滑动，直至第一停止构件126容纳于腔室148中。在该实施例中，每个尖头的方位角边缘(azimuth edge)经过额外加工，避免在装配中干涉齿121。下面，术语“尖头”用于指“第二停止构件”。
在该实施例中，每个尖头146形成环的一部分，由此，当叶片14装配到轮盘12上时，尖头146一起形成不连续的环。
图2B示出了参考图2A描述的叶轮装配后的一部分。轴向突出部150的底部表面，轮盘的表面128，以及尖头146的与轮盘12的表面128相对的表面(或与叶片连接构件140相对的表面)一起形成朝向轮盘的轴线A的槽。环16容纳于该槽中。下面参考图3和图4，描述轴向保持装置的装配。图3为图2B所示实施例在剖面III上的轴向截面图。图3中的叶片14在第一轴向X位于其壳体120中，直至平台142的接触表面152中的一个与轮盘12的第一停止构件126邻接。然后叶片在第一轴向X被阻挡。
此后，如同在图4(图2B所示平面IV的截面图)中看到的，环16位于突出部150的下面，并位于叶片连接构件140的沿轮盘12的表面128延伸的表面154和尖头146的朝向表面154的表面156之间。由此，叶片通过与环16邻接的尖头146在与第一轴向X相反的第二轴向Y被轴向固定，环自身抵靠在轮盘12的表面128和第一停止构件126的表面128上(参见图3)。由此，首先通过轴向保持装置16与第一停止构件126之间的相互作用，其次通过轴向保持装置16与第二停止构件146之间的相互作用，叶片在相反的轴向X和Y上都能够被固定。
继续参考图4，可以看到在本发明的有利方面，平台142包括至少一个凸起170。凸起170位于平台142的底部表面上，特别是其轴向突出部150的底部表面上。更准确地，相对于容纳环16的槽而言，凸起170形成于槽的底部上。
此外，在径向上，凸起170的位置不与叶片翼面144对齐，即，叶片翼面144和凸起170在轴向上是互相偏移的。叶片翼面144被平台的一部分径向支撑，该部分被叶片连接构件140支撑，并且叶片翼面144不侵占轴向突出部150。也就是说，凸起170不位于平台142的径向支撑叶片翼面144的部分上。
图5A至5E示出了几种图4所示剖面V上的几种变型的环/平台接口。
图5A对应于图4所示实施方式。如同图4中那样，图5A示出了单个凸起170。环/平台接口由凸起170和环16之间的接触提供。环16的朝向槽158的底部的表面160基本上是平滑的。
图5B示出了可选实施方式，其中，与上述的实施方式不同，环16包括多个位于环的圆周上的凸起162(图中仅示出了一个凸起)，而槽158的底部是平滑的。
图5C和5D分别与图5A和5B相似，示出了凸起170和162，它们分别位于与其形状互补且对齐形成的凹槽中。在图5C所示的结构中，凸起170位于平台142的下面，环16包括与凸起形状互补的凹槽。在图5D所示的结构中，凸起162形成于环16的圆周上，凹槽形成于叶片平台142中。无论哪种方式，环16都能在方位角方向上通过凸起和与其形状互补的凹槽之间的相互作用而被有利地固定。
图5E示出了一种变型，其结合了同时形成于环16和突出部150上的凸起和凹槽。
图6示出了装配有本发明的涡轮机叶轮的涡轮机200。在该实施例中，气体发生器210的涡轮机叶轮和自由涡轮叶轮220都与本发明一致。

Claims (12)

1.涡轮机叶轮(10)，该涡轮机叶轮包括：
多个叶片(14)，每个所述叶片(14)包括翼面(144)，平台(142)，和连接构件(140)；
轮盘(12)，所述叶片(14)安装于所述轮盘(12)的外缘，每个所述叶片(14)的所述连接构件(140)位于壳体(120)中，该壳体(120)括展成所述轮盘(12)的外缘并且在所述轮盘(12)的两个相对表面(128，130)之间轴向延伸，所述壳体(120)之间由齿(121)隔开；
轴向保持装置(16)，用于通过将所述叶片(14)相对于所述轮盘(12)锁定而对所述叶片(14)进行保持；
所述叶轮(10)的特征在于：
至少一个所述叶片(14)与所述轮盘(12)的第一停止构件(126)邻接，以在第一轴向(X)上相对于所述轮盘(12)而阻挡所述叶片(14)；
所述叶片(14)的所述平台(142)包括轴向突出至所述轮盘(12)的所述表面(128)之外的突出部(150)，该突出部(150)包括第二停止构件(146)；以及
所述轴向突出部(150)，第二停止构件(146)以及轮盘的所述表面(128)形成朝向所述轮盘的轴线(A)的槽，该槽的作用为容纳所述轴向保持装置(16)，使得该轴向保持装置(16)在装配位置上在第一轴向(X)上与所述第二停止构件(146)邻接，并在与所述第一轴向(X)相反的第二轴向(Y)上与轮盘的所述表面(128)邻接，由此在所述第二轴向(Y)上阻止所述叶片(14)相对于所述轮盘(12)移动。
2.根据权利要求1所述的涡轮机叶轮(10)，特征在于在所述轴向保持装置(16)和所述叶片(14)之间提供有至少一个凸起(162，170)，以在所述叶片(14)和所述轴向保持装置(16)之间建立机械接触。
3.根据权利要求2所述的涡轮机叶轮(10)，特征在于至少一个凸起(162)形成于所述轴向保持装置(16)上。
4.根据权利要求2或3所述的涡轮机叶轮(10)，特征在于至少一个凸起(170)形成在所述轴向突出部(150)的下面以及所述槽的底部上。
5.根据权利要求2-4中任意一项所述的涡轮机叶轮(10)，特征在于与所述凸起(162，170)形状互补的凹槽以容纳所述凸起(162，170)的方式形成在正对所述凸起(162，170)的元件中。
6.根据权利要求2-5中任意一项所述的涡轮机叶轮(10)，特征在于所述凸起(162，170)和/或所述凹槽形成于所述平台(142)的不径向支撑所述叶片翼面(144)的部分上或之中。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的涡轮机叶轮(10)，特征在于所述轮盘(12)包括抗旋转停止器(124)，该抗旋转停止器适于防止所述轴向保持装置(16)相对于所述轮盘(12)在方位角方向上移动。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的涡轮机叶轮(10)，特征在于所述轮盘(12)还包括至少一个安全停止器(122)，该安全停止器适于防止所述轴向保持装置(16)做向心移动。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的涡轮机叶轮(10)，特征在于所述轴向保持装置为开口环(16)。
10.据权利要求1-9中任意一项所述的涡轮机叶轮(10)，特征在于所述第二停止构件形成尖头(146)。
11.据权利要求10所述的涡轮机叶轮(10)，特征在于所述尖头(146)形成环的一部分，该环在所述叶片(14)平台(142)的轴向突出部(150)的方位长度的至少一部分上延伸。
12.涡轮机(200)，该涡轮机包括至少一个根据权利要求1至11任意一项所述的涡轮机叶轮(210，220)。
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