CN102365424B - 具有解调叶片和包括阻尼装置的涡轮机叶轮 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种涡轮机叶轮(10)，包括多个第一叶片(20)和多个第二叶片(22)，第一叶片至少之一邻近第二叶片至少之一；轮盘(12)，它具有旋转轴，并且周边带有安装在其上的叶片，每个叶片都具有带根部的实心的头部，该根部接合在开口朝向轮盘周边的凹部(16)中，每个叶片包括由设置在所述叶片的头部和根部之间的各自支架所构成的键控装置，第一叶片(20)的支架具有不同于第二叶片(22)的支架的方位角长度(L2)的方位角长度(L1)；和阻尼装置(30)，至少设置在所述相邻叶片之间，所述阻尼装置设置在叶片(20、22)的支架和轮盘(12)周边之间。

Description

具有解调叶片和包括阻尼装置的涡轮机叶轮

技术领域

本发明涉及涡轮机叶轮的领域，诸如特别地，但不是唯一地在涡轮机，诸如燃气涡轮机中将要发现的涡轮机叶轮的领域。例如，可以在高压涡轮机或自由涡轮机中发现的这样的叶轮。

本发明更特别地涉及涡轮机叶轮，包括：

·多个叶片；和

·轮盘，它具有旋转轴，该旋转轴带有安装在其周边的叶片，每个叶片具有带根部的实心的头部，该根部本身接合在开口朝向轮盘周边的凹部中。

背景技术

公知当涡轮机叶轮，特别地在涡轮发动机内工作时，它们会受到振动激振力的大的振动。

在某些情况下，这些振动激振可以产生高水平振动，这些高水平振动是有害的，并且可以导致涡轮机叶轮破裂。如果振动激振引起涡轮机叶轮进入共振，即，如果振动激振的频率对应于涡轮机叶轮的共振频率，并且如果叶轮的共振变形模式由于作用于叶轮上的振动激振力而是可激振的，那么叶轮将有非常大振幅的振动，使得叶轮材料受到机械疲劳，并且极端情况下导致其损坏。

一种技术方案可以加强涡轮机叶轮的机械强度，以致于它可以更好地抵抗振动。

然而，特别地当涡轮机叶轮是用于安装在涡轮机中时，这种技术方案是不可以接受的。

在涡轮机的设计中，关于性能、燃料消耗或涡轮机质量的非常严格的目标，以及使得加速度足够的转子惯性目标，以及符合可靠性要求的目标或者符合规定的目标一起强加于设计上多个限制，并且有时减少了在改进机械强度方面的机动空间。

举例说明，技术规范包括设计限制：如果涡轮机叶轮超速，在轮盘破裂之前叶片必须破裂，以限制任何碎片的能量来制动转子，和保护传动轮系的其它部件。例如，如果涡轮机传动轮系的一部分破裂，就可能出现这种情况，以致连接传动轮系的涡轮机叶轮不再受到相反的旋转扭矩。在这种情况下，可以理解，涡轮机叶轮接着能高速旋转，涡轮机然后被说成受到了“超速”。为了避免将严重地损害涡轮机的涡轮机叶轮爆裂或更快旋转，并且也为了排除旋转驱动转矩，设计叶片尺寸以便于它们在给定的旋转速度破裂，该给定的旋转速度比涡轮机叶轮将要破裂的速度要慢。

因此，涡轮机叶轮的设计需要满足矛盾的目标，并且需要发现一种折衷，这可以理解。

举例说明，为了应对振动共振的问题，在叶片之间或者叶片和轮盘之间放置阻尼器，这已经是已知的。然而，阻尼器的使用可能是非常昂贵的，因为它们的作用只能在设计过程末期通过对发动机进行测试被验证。如果阻尼器不能转移共振到振动激振是有害的工作范围之外或者如果阻尼器不能使振动的振幅足够地减小，振动共振的问题就保持不会减少。叶片或其它阻尼系统的外面平台通过它们建立在相邻叶片之间的接触，也可以进行等同的功能。

发明内容

本发明的一个目的是提供涡轮机叶轮，该涡轮机叶轮对振动激振具有良好的耐受性，同时在没有附加困难情况下符合所有其它的外观限制，例如，包括设计叶片尺寸以在轮盘破裂之前破裂的限制。

本发明通过下列事实达到了其目的：本发明的涡轮机叶轮，其包括：

·多个第一叶片和多个第二叶片，第一叶片至少之一邻近第二叶片至少之一；

·轮盘，它具有旋转轴，并且周边带有安装在其上的叶片，每个叶片具有带根部的实心的头部，该根部接合在开口朝向轮盘周边的凹部中，每个叶片包括由设置在所述叶片的头部和根部之间的各自支架所构成的键控装置，第一叶片的支架具有不同于第二叶片支架的方位角长度的方位角长度；和

·阻尼装置，至少设置在所述相邻叶片之间，所述阻尼装置设置在叶片支架和轮盘周边之间；

涡轮机叶轮中，第二叶片具有小于第一叶片质量的质量，第二叶片根部的质量小于第一叶片根部的质量，同时第一和第二叶片的头部轮廓相同，因此第一叶片的共振频率不同于第二叶片的共振频率；和

其中第一和第二叶片沿着轮盘周边成角度地分布，这样涡轮机叶轮的重力中心位于轮盘的旋转轴上，第二叶片不同于第一叶片，因为第二叶片的根部局部地具有方位角宽度，该方位角宽度小于第一叶片根部的方位角宽度，第一和第二叶片的每个根部都具有柄脚和附件，头部从柄脚径向地延伸，而附件设计为安装在凹部中，第二叶片的柄脚的方位角宽度小于第一叶片的柄脚的方位角宽度，这样，设计第二叶片的尺寸为如果涡轮机叶轮超速，第二叶片在第一叶片之前破裂。

发明人已经观察到使用具有不同共振频率的至少两种类型叶片用于加强阻尼装置的效率最有利。只要第一叶片具有不同于第二叶片共振频率的共振频率，涡轮机叶轮的共振就会随着共振期间振动变形而被改变，该共振期间的振动具有在相邻叶片之间非常不同的振幅。这种作用被称为解调。

而且，本发明人也观察到当相邻叶片之间的相对移动是大的时候，插入在相邻叶片之间并且用于减少叶片振动的振幅的阻尼装置变得更加有效。在这个效率方面改进的越大，振动的振幅被减少的越多或者共振频率被转移到其它频率及随后被转移到涡轮机的其它运行速度的越多。在最优的情况下，这种补偿通过从叶轮的有害振动激振的频带转移出叶轮的共振频率，用于减少涡轮机叶轮进入共振的风险。因此，本发明能够使涡轮机叶轮首先不太倾向于进入共振，并且其次具有更小的并且可以被叶轮材料所接受的振幅，在振动疲劳的情况下，该材料不会严重地被磨损或损坏。

也可以选择具有不同质量分布的叶片。

优选地，阻尼装置可以是摩擦类型的。例如，它可以由插入在相邻叶片支架之下的大量金属片构成。它也可以具有其它形式，并且它可以定位在叶片之间的别处。通过对金属片的质量作用，可以调整阻尼的强度。两个相邻叶片之间的阻尼装置也可以涉及其它部件：例如，已知的叶片外部平台本身可以作为阻尼装置。

优选地，第一叶片的共振频率比第二叶片的共振频率大至少10％。

在优选的方式中，第二叶片的根部比第一叶片的根部要弱。

具有相同轮廓的优点是具有稳定的流量，并且也具有获得部件的简单和廉价方法。

术语“方位角”用于意指与轴向和径向方向一起形成参考正交标架的方向，它被理解为相对于轮盘的旋转轴考虑的轴向和径向方向。

第一和第二叶片的每个根部具有支架、柄脚和附件，并且头部从柄脚径向地延伸，而附件设计为安装在凹部，并且柄脚从附件延伸到支架，第二叶片的柄脚具有小于第一叶片柄脚的方位角宽度的方位角宽度。因此，可以理解柄脚优选地不会有助于固定叶片于轮盘上。

第二叶片优选地获自第一叶片，通过机械加工第一叶片的柄脚以减少它们的方位角宽度而获得第二叶片。

为了将叶片固定于轮盘，附件优选地，但是不是必须地具有圣诞树形状。

并且优选地，第一叶片的附件与第二叶片的附件相同，以方便轮盘中凹部的机械加工。

每个叶片都包括键控装置，以避免叶片被错误地安装在轮盘上。可以理解如果叶片不被正确地安装在轮盘上，涡轮机叶轮的重力中心运行会有不位于轮盘旋转轴上的风险，这将产生叶轮的不平衡，因此当它旋转时会引起不平衡振动出现。

键控装置能够使安装叶片在轮盘上的操作者避免犯错误。

键控装置是在相应叶片的头部和柄脚之间设置的支架形式，并且第一叶片的支架在方位角方向具有不同于第二叶片支架长度的长度。

这种支架通常出现在涡轮机叶片上。因此它可以理解为在本发明中，通过选择支架的适合形状，例如，在方位角方向它们的长度，有利地使用支架作为键控装置。

支架的另一个优点是它们也可以有助于提供解调，只要第一叶片支架的质量不同于第二叶片支架的质量。

优选地，但不是必须地，第二支架在方位角方向上的长度大于第一支架的长度。

而且，叶片的强度可以自由地选择，只要第一叶片或第二叶片在轮盘之前破裂。

利用本发明，仅仅在一些叶片中，优选地第二叶片中出现有意的和程序化的破裂，因此用以保护轮盘防止其在超速时爆裂和制动涡轮机叶轮。

有利地，第一和第二叶片交替地围绕着轮盘的周边设置。

举例说明，可以交替地设置第一叶片，然后第二叶片，然后第一叶片等。在另一个变化形式中，每隔两个叶片可以是第二叶片，只要第二叶片组维持着中心对称。任何其它的组合也是可能的，只要叶轮的重力中心基本上与轮盘的中心重合。

可以提供多于两个的叶片类型数，这不超出本发明的范围。

最后，本发明提供了涡轮机，其包括至少一个本发明的涡轮机叶轮。

优选地，但不是必须地，涡轮机是直升机用燃气轮机，并且涡轮机叶轮对应于高压涡轮机叶轮和/或自由涡轮机的涡轮机叶轮。

通过阅读非限制性实施例方式所给出的下面的说明书和实施方式，可以更好地理解本发明和更好地显示其优点。说明书参考了下面的附图，其中：

附图说明

·图1表示具有第一和第二叶片的本发明的涡轮机叶轮。

·图2是表示图1细节的视图，包括设置在两个第二叶片之间的第一叶片，第二叶片柄脚的方位角宽度比第一叶片柄脚的方位角宽度要窄。

·图3A是图表，表示对涡轮机叶轮振幅的阻尼效果，而图3B表示根据振动频率，对涡轮机叶轮振幅的解调效果；和

·图4表示涡轮机，包括本发明的涡轮机叶轮。

具体实施方式

图1的实施例表示如通常在涡轮机，诸如直升机燃气轮机100中所发现的涡轮机叶轮10。通常，燃气轮机，诸如图4中所示的燃气轮机，包括由离开燃烧室104的热气流所旋转驱动的高压涡轮机102。高压涡轮机102驱动压缩机106旋转以压缩新鲜空气进入到燃气轮机100中，并且将该新鲜空气带入到燃烧室104中，在燃烧室中为了燃烧目的，该新鲜空气与燃料混合。

离开高压涡轮机102的过量热气流被用于驱动自由涡轮机108旋转。这种涡轮机特别地连接直升机的主转子以驱动它旋转。

本发明的涡轮机叶轮10可以有利地被应用在高压涡轮机102中或实际上自由涡轮机108中。

再次参考图1，可以看到涡轮机叶轮10由轮盘12组成，该轮盘12具有中心O和周边14。轮盘12设计为绕着通过中心O的它的旋转轴旋转。

在下面的说明中，术语“轴向”，“径向”和“方位角”是相对于轮盘的旋转轴而使用的。为了清楚的原因，图1表示叶片20的径向和方位角方向为R和Az。

也可以看到在轮盘12中形成的多个凹部16。更精确地，凹部16径向开口进入周边14内，并且在轮盘12的两个相对面之间轴向延伸。如图1所见，两个连续的凹部限定齿部18.

涡轮机叶轮10也包括多个叶片20、22，在这个实施例中它们是30个，其中叶片安装在凹部16中。

常规地，叶片20、22轴向地插入到凹部16中，并且它们通过这里未示出轴向保持装置被轴向固定。

每个叶片20、22都包括头部20a、22a，该头部是实心的带有根部20b、22b，该根部接合在它的凹部16中。

每个头部20a、22a具有已知的其本身的气动轮廓，并且所示的仅仅是示意形式。

根据本发明，头部20a、22a的轮廓优选地，但不是必须地是相同的。

参考图2，可以看出每个根部20b、22b都具有圣诞树形状的附件20c、22c与接合的凹部16的边缘配合。这种特别的形状本身是已知的，用于径向地固定叶片20、22在轮盘12中。第一叶片20的附件20c优选地与第二叶片22的附件22c相同。

而且，每个根部20b、22b也具有柄脚20d、22d，对应于位于附件20c、22c和头部20a、22a之间的根部部分。更精确地，在该实施例中，柄脚20d、22d是不会对固定叶片20、22在凹部16中起作用的根部的一部分。

在这里所示的实施例中，每个叶片20、22也包括位于头部20a、22a和根部20b、22b之间，并且更精确地位于头部20a、22a和柄脚20d、22d之间的支架20e、22e。

支架20e、22e是在弯曲表面上延伸的细板形式，该弯曲的表面与径向方向R正交。

如图1中所看到的，所有叶片的并列支架20e、22e一起形成与轮盘12同心的有角度的表面S，其中所述的有角度表面S构成气体流动的内壁。

根据本发明，叶片20、22包括大量第一叶片20和不同于第一叶片的大量第二叶片22。

具体地，第一叶片20和第二叶片22交替设置在轮盘14的周边。在这个实施例中，有15个第一叶片20和同样多的第二叶片22。

而且，根据本发明的一个方面，第二叶片22具有小于第一叶片20质量的质量。换而言之，所有的第一叶片20都具有相同的质量，它的质量要大于第二叶片22的质量，因此第一叶片的共振频率不同于第二叶片的共振频率。

因为第一和第二叶片交替设置在轮盘的周围，可以理解第一叶片20组和第二叶片22组的的重力中心都位于轮盘12的旋转轴上，因此叶轮10的重力G中心同样地位于轮盘的旋转轴上，因此确保涡轮机叶轮10在运行中不会出现任何不平衡。

有利地，第二叶片22的根部22b具有小于第一叶片20的根部20b的质量的质量，而第一和第二叶片20、22的头部20a、22a的轮廓相同。

为此目的，如图2中所看到的，第二叶片22不同于第一叶片20，因为第二叶片22的根部22b局部地具有方位角宽度E2，该方位角宽度E2小于第一叶片20的根部20b的方位角宽度，更精确地，第二叶片22的柄脚22d具有方位角宽度E2，该方位角宽度E2小于第一叶片20的柄脚20d的方位角宽度E1。

为了获得第二叶片22，因此可以从第一叶片22开始，通过使用机械加工工具，诸如表面修整切割机，来减少它的柄脚20d的方位角宽度。因此，使用本发明的方法可以容易地工业化生产第二叶片22。

根据本发明，通过在轮盘12和支架20e、22e之间增加阻尼装置30进一步减少了进入共振的任何风险，以及伴随共振的任何影响。

阻尼装置30优选地是摩擦类型。举例说明，它是连续地设置在支架下面并且同时在两个相邻叶片20、22之间延伸的金属片32形式。

如上所述，具有两种类型不同质量和不同硬度的叶片的优点用于获得具有不同共振频率的叶片并且解调叶片，同时阻尼系统用于偏移涡轮机叶轮的共振频率以避免涡轮机叶轮10在运行时进入共振。

为了避免叶片20、22被错误地安装在轮盘12，这将具有偏移径向方向叶轮10的重力中心，因此诱导对涡轮机叶轮10有害的不平衡的后果，每个叶片20、22有利地包括键控装置60、62。

设置键控装置60、62使得它们的形状机械上不可能错误地安装叶片，或者至少它们确保容易地检测到错误安装。

当正确地安装时，两个相邻叶片的支架20e、22e的方位角端部是平齐的，以至于在两个相邻支架之间除了必要的功能间隙外，没有方位角间隙。

如上所述，在这个实施例中，叶片20、22有利地交替地设置。换而言之，键控装置用于防止两个第一叶片20(或两个第二叶片22)并排放置。

为此目的，这个实施例中的键控装置60、62由叶片20、22的支架20e、22e构成。更精确地，第一叶片20的支架20e具有不同于第二叶片22的支架22e的方位角长度L2的方位角长度L1。

因此可以理解不可能并排放置两个第二叶片，在这个范围内第二叶片中一个叶片的支架会防止另一个第二叶片被径向地插入。相似地，如果操作者一旦并排插入两个第一叶片，可以立刻看到这个错误，因为在两个相邻支架之间会有大的方位角间隙。

而且，因为第二叶片22的柄脚相对于第一叶片20的柄脚是细的，第二叶片22有利地制成以便于如果涡轮机叶轮超速，它在第一叶片20之前破裂的形状。

Claims (5)

1.一种涡轮机叶轮(10)，包括

·多个第一叶片(20)和多个第二叶片(22)，第一叶片至少之一邻近第二叶片至少之一；

·轮盘(12)，它具有旋转轴，并且周边(14)带有安装在其上的叶片，每个叶片都具有带根部(20b、22b)的实心的头部(20a、22a)，该根部(20b、22b)接合在开口朝向轮盘周边(14)的凹部(16)中，每个叶片包括由设置在所述叶片的头部和根部之间的各自支架(20e、22e)所构成的键控装置(60、62)，第一叶片(20)的支架(20e)具有不同于第二叶片(22)的支架(22e)的方位角长度(L2)的方位角长度(L1)；和

·阻尼装置(30)，至少设置在所述相邻叶片之间，所述阻尼装置设置在叶片(20、22)的支架(20e、22e)和轮盘(12)周边之间；

其中涡轮机叶轮中，第二叶片具有小于第一叶片质量的质量，第二叶片(22)根部(22b)的质量小于第一叶片(20)根部(20b)的质量，而第一和第二叶片的头部(20a、22a)轮廓相同，因此第一叶片的共振频率不同于第二叶片的共振频率；和

其中第一和第二叶片沿着轮盘周边(14)成角度地分布，这样涡轮机叶轮(10)的重力(G)的中心位于轮盘的旋转轴上，第二叶片(22)不同于第一叶片(20)，因为第二叶片的根部(22b)局部地具有小于第一叶片(20)根部(20b)的方位角宽度(E1)的方位角宽度(E2)，第一和第二叶片的每个根部都具有柄脚(20d、22d)和附件(20c、22c)，头部从柄脚径向地延伸，而附件设计为安装在凹部(16)中，第二叶片(22)的柄脚(22d)的方位角宽度(E2)小于第一叶片的柄脚的方位宽度(E1)，这样，设计第二叶片(22)的尺寸为如果涡轮机叶轮超速，第二叶片(22)在第一叶片(20)之前破裂。

2.根据权利要求1所述的涡轮机叶轮，其特征在于附件(20c、22c)是圣诞树形状。

3.根据权利要求1所述的涡轮机叶轮，其特征在于第一叶片(20)的附件(20c)与第二叶片(22)的附件(22c)相同。

4.根据权利要求1所述的涡轮机叶轮，其特征在于第一和第二叶片(20、22)交替地设置在轮盘(12)的周边(14)。

5.一种涡轮机(100)，其包括根据权利要求1所述的至少一个涡轮机叶轮(10)。