CN102536331B - 结合了阻尼器和密封销的涡轮机叶片及其相关方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种结合了阻尼器和密封销的涡轮机叶片及其相关方法。所述阻尼器销包括细长的主体部分，所述主体部分具有实质均一的第一横截面形状，以及轴向对齐的前端部分和后端部分，它们位于所述主体部分的相对端且具有相对较小的第二横截面形状。密封元件，其设置于所述相对的前端部分和后端部分中的一个或两个上，径向向外伸到所述主体部分之外。
Description
技术领域
本发明大体上涉及涡轮机，更确切地说，涉及设于转子叶轮的相邻叶片之间用于减弱叶片振动的阻尼器销。
背景技术
众所周知，涡轮机大体上包括转子，其包括多个转子叶轮，所述转子叶轮中每者安装有多个在圆周上相隔分布的叶片。每个叶片通常包括机翼、平台、柄和鸠尾榫，所述鸠尾榫可收纳于涡轮机叶轮的鸠尾槽中。机翼伸到涡轮机燃烧室下游的热气通道内，并将动能转化为转动机械能。在发动机运行过程中，会有振动进入涡轮机叶片中，如果不进行消除，就会造成叶片过早损坏。
已经有很多不同形式的阻尼器被提议用于最小化或消除振动。振动阻尼器通常呈细长的阻尼器销的形状，所述阻尼器销固定在相邻叶片之间，并通过吸收因改变气动载荷而产生的谐波刺激能量来提供减振功能。阻尼器销通常设于凹槽中，所述凹槽沿着圆周向的“斜面”(slash face)形成于每对相邻叶片中的一个的涡轮机叶片柄部中。阻尼器销在运行过程中受到离心负载力，并且为防止叶片与叶片间发生粘合，必须机加工凹槽以便阻尼器销能在凹槽中相对自由地摆动。
同时，经常要从轴流式涡轮机的压缩机中提取高度压缩的空气用于冷却涡轮机部件。必需通过这种冷却空气将涡轮机部件的温度保持在运行可接受的水平，但这同时会对涡轮机的整体效率和产出造成损失。从涡轮机部件漏出的任何冷却流实际上被浪费了。阻尼器销凹槽所形成的凹穴是冷却流从叶片柄部大量泄漏的通道。冷却效率还会因为热气从热气通道进入叶片柄部而降低。
因此，另外需要为传统阻尼器销增加密封功能，以防止、最小化或控制冷却流逸出受压式柄腔，防止或最小化在非受压式柄腔的情况下冷却流穿过涡轮机叶片从前轮空间流到后轮空间，和/或防止热气通道的空气进入柄部。
发明内容
根据第一示例性但非限制性实施例，本发明提供一种用于涡轮机叶片的阻尼器销，包括：细长的主体部分，其具有实质一致的第一横截面形状以及轴向对齐的前端部分和后端部分，所述前端部分和后端部分位于所述主体部分的相对端、且具有相对较小的第二横截面形状，所述前端部分和后端部分在各自侧翼上与所述细长的主体部分接合；以及密封元件，其位于所述相对设置的前端部分和后端部分中的一个或两个，径向向外伸到所述主体部分之外。
所述主体部分的所述实质一致的横截面形状为圆形，且由第一直径界定。所述轴向对齐的前端部分和后端部分的横截面形状实质都是半圆形。每个所述相对的前端和后端的所述较小横截面形状的弧形范围在180度到200度之间。每个所述的密封元件的形状实质是圆形，其外围表面的直径大于所述第一直径。所述密封元件由镍基或钴基合金构成。
所述密封元件的形状实质为圆盘形，其中具有一个孔以允许将所述密封元件收纳到所述轴向对齐的前端部分和后端部分中相应的一个上。所述密封元件也可一体形成于所述主体部分与所述轴向对齐的前端部分和后端部分之间相应的一个或两个界面上，使所述密封元件形成对应的一个所述侧翼。所述密封元件与一个对应的所述各自侧翼相配合。所述密封元件位于所述前端部分和后端部分的一个或两个自由端。
在另一示例性但非限制性实施例中，本发明提供一种涡轮机转子叶轮，包括多个在圆周上配置的叶片，其中每个相邻的叶片对之间插入有阻尼器销，所述阻尼器销包括细长的主体部分，其具有实质一致的第一横截面形状，及相对设置的、具有另一横截面形状的前端部分和后端部分；以及密封元件，其位于所述相对的前端部分和后端部分中的一个或两个，径向向外伸到所述主体部分之外。
所述主体部分的所述实质均一的横截面形状为圆形，且由第一直径界定；且每个密封元件外围表面的直径大于所述第一直径。所述轴向对齐的前端部分和后端部分的横截面形状实质都是半圆形。所述密封元件的形状实质是圆盘形，其中具有一个孔以允许将所述密封元件收纳于所述轴向对齐的前端部分和后端部分中对应的一个上。所述密封元件一体形成于所述主体部分与所述轴向对齐的前端部分和后端部分之间的一个或两个相应的界面上，使所述密封元件形成对应的一个所述侧翼。每个所述密封元件与所述各自侧翼中的一个相配合。所述密封元件位于所述前端部分和后端部分的一个或两个自由端。所述密封元件处于各自相称的凹口中，所述凹口形成于所述相邻叶片对的至少一个中。
在又一示例性但非限制性实施例中，本发明提供一种用于涡轮机转子叶轮中的方法，所述涡轮机转子叶轮包括多个在圆周上配置的叶片，其中每个相邻的叶片对之间插入有阻尼器销，所述阻尼器销包括细长的主体部分，其具有实质一致的第一横截面形状，并包括相对设置、具有另一横截面形状的前端和后端；所述方法用于控制冷却空气沿着所述阻尼器销从所述叶片的柄部分中的腔逸出，包括：在所述阻尼器销上提供至少一个密封元件；以及在所述叶片的所述柄部分提供至少一个凹口或槽；以及确定阻尼器销的位置，使所述至少一个密封元件位于所述至少一个凹口中。
现在将结合下文的图片详细说明本发明。
附图说明
图1为燃气涡轮机叶片和阻尼器销组件的透视图；
图2为显示一对在圆周上相邻的叶片的局部侧视图，其中阻尼器销位于这对相邻叶片之间；
图3为根据本发明第一示例性但非限制性实施例的附接有密封元件的阻尼器销的透视图；
图4为图3所示的从阻尼器销上取下的一个密封元件的透视图；
图5为类似于图3所示的阻尼器销的侧面正视图，但本图中密封元件已与阻尼器销形成整体；
图6为图5所示的阻尼器销的端视图；
图7为图5所示的阻尼器销的平面示意图；
图8为叶片柄的局部透视图，本图所示的是适于收纳图3或图5的阻尼器销的凹槽；
图9为图4-图6(如虚像所示)中安装在两个相邻叶片之间的阻尼器销的顶部平面图；
图10为根据本发明另一示例性但非限制性实施例的包括密封元件的替代性阻尼器销的侧面正视图
图11为图10所示的阻尼器销的端视图；以及；
图12为图10所示的阻尼器销的顶部平面图
具体实施方式
图1所示的是传统叶片10，其包括机翼12、平台14、柄16和鸠尾榫18。如所属领域的一般技术人员所了解，鸠尾榫18用于将叶片10紧固到转子叶轮(未在图中显示)外围。阻尼器销20沿着与叶片平台14相邻(即径向向肉)的一个轴向边缘(或斜面)22定位，其中阻尼器销20的前端24位于叶片的前缘附近，后端26位于叶片的后缘附近。
应了解，在涡轮机叶轮上的每对相邻叶片18、118之间都有一个类似的销20，如图2中明示。特定而言，阻尼器销20位于凹槽28中，凹槽28沿叶片118的整个斜面22延伸。阻尼器销20包括实质为圆柱形的主体部分30，所述主体部分30位于实质为半圆柱形的一对相对端24、26之间、并与相对端在其侧翼39处相接合。这种构造形成了平坦的支撑表面32、34(图1中清晰可见)，所述支撑表面32、34适于设置于机加工形成的叶片平台表面或侧翼(其中一个如图2中36所示)上，所述叶片平台表面或侧翼位于叶片斜面中所形成的凹槽28的相对端上，从而对所述销进行有效的支撑，并在机器运行过程中防止发生意想不到的过度旋转情况。
现在参考图3和图4，其中所示为根据第一示例性但非限制性实施例的阻尼器销38。与上述传统销类似，销38包括实质为圆柱形的主体部分40和一对具有较小的横截面面积、实质为半圆柱形的相对端42、44。现在，阻尼器销38可具备密封功能，一对附接的密封元件46、48分别设置在圆柱形主体部分40与相对端42、44之间的界面(或侧翼39)上。每个镜像密封元件形成了拥有环形外围边缘52的实质为圆形的圆盘50，圆盘50包括一个实心的半部54和开放的半部，开放的半部由实质为半圆形的开口或孔56界定，这样就可以将密封元件收纳到阻尼器销38的各个端42或44上。
密封元件46、48可能由与阻尼器销38相同或不同的合金材料构成。例如，阻尼器销46和密封元件46、48中的一或两个可能是镍基合金(如X-750)，也可以是钴基合金(如L-605)。然而应了解，无论是对于销38还是对于密封元件46、48，本发明对于其合金材料的选择都并不限于此。
可调整密封元件46、48的大小，使其能稍微宽松地在阻尼器销42的端42、44上滑动，以便可以根据下文中进一步的说明，让密封元件轻松地进入到形成于斜面(图8)上的叶片柄62中的用于配合的机加工槽或凹口58、60中。在允许公差宽松的情况下，当阻尼器销38由于离心力在其斜向凹槽64(图8)中径向移动时，涡轮机运行过程中的大部分(即便不是全部)径向负载应该被阻尼器销38吸收。与槽或凹口58、60和凹槽64以及阻尼器销/密封元件46、48相关的公差还允许在涡轮机运行期间阻尼器销发生某种最小程度的旋转，但密封元件本身不会吸收离心力。
在先前的设计中，阻尼器销38在相邻叶片之间提供预期的阻尼作用，而密封元件42、44提供屏障，以防止、最小化或控制冷却空气沿着阻尼器销从柄部分的受压式腔中逸出，特别是比较靠近叶片前缘的地方。如果是非受压式腔，那么密封元件还可以防止、最小化或控制气流跨过叶片从前轮空间泄漏到后轮空间。此外，密封元件还用于防止或最小化任何热燃烧气体沿着销进入到柄部，特别是比较靠近叶片后缘的地方。
图5-图7所示为图3和图4中所示的阻尼器销38的变体。本图中，阻尼器销68和密封元件70、72一体形成为一个零件。所述阻尼器销或者可实质上与阻尼器销38相同。本图中，密封元件70、72仍然可相对宽松地处于机加工槽或凹口58、60中。
具有横截面面积减小的端78、80的端面74、76倾斜以配合相邻的叶片边缘，如图9清晰显示。
图8所示为形成于叶片的斜面82中的凹槽64。调整凹槽64的形状使其包括机加工支撑面84、86，所述支撑面84、86适于与阻尼器销38的半圆形端42、44的平面88、90，或阻尼器销68的半圆柱形端96、98的平面92、94相配合。
图9所示为位于两个相邻叶片100、102之间的阻尼器销68。所述阻尼器销实质平行于相对的叶片斜面延伸，从而要求以不垂直于阻尼器销纵轴的角度切割销的端面74、76(如上文所述)，使所述销的端面74、76与叶片端面保持齐平。
图10-图12所示为具备密封功能的阻尼器销的另一示例性但非限制性实施例。阻尼器销104经形成为如前述实施例中那样包括横截面实质为半圆形的圆柱形主体部分106和相对端108、110。然而，在此实施例中，密封元件112、114一体形成于相对端108、110的外部顶端。因为密封元件完全相同，所以只需对其中一个进行说明。密封元件112向各个方向径向延伸至销的半圆形端108的弧形部分之外，包括延伸至平坦的支撑表面116之外，从而形成实质平行于支撑表面116延伸的平面118。因此，密封元件的弧形范围大于180°，如图10和图11中清晰所示。请注意，如前述实施例所述，密封件的边缘表面120是机加工形成的，与阻尼器销104的纵轴呈一定角度，以便安装时密封件边缘表面与相邻叶片的表面保持齐平，这类似于上文所述的阻尼器销68的端边缘74、76。另一个倾斜边缘部分122(图11)形成于密封元件的端面120上，向着与平面118呈约60°角的方向延伸，并与密封件的外部或外围表面相交。密封元件的形状仍然经设计成可以宽松地配合或嵌入到形成于叶片柄中的具有相应形状的槽或凹口中，以提供所需的密封功能。
应了解，密封件的位置和形状(以及相应的凹槽和收纳密封件的凹口)可根据具体应用而改变。
还应了解，阻尼器销的横截面形状不需要为上文所述的圆柱形，且直径较小端的横截面形状也不需要为上文所述的半圆柱形。其他非圆形或非标准形状的阻尼器销也包括在本发明的范围之内。此外，阻尼器销可能仅收纳一个密封元件，或仅由一个密封元件构成。对于受压式柄，优先选用两个密封件，而对于非受压式柄，一个密封件已足够。
虽然已结合目前被认为是最具实用性和较佳的实施例说明了本发明，但应了解本发明不限于已公开的实施例，而是应涵盖所附权利要求书的精神和范围内的各种修改和等效配置。
Claims (15)
1.一种用于涡轮机叶片的阻尼器销，包括：一个细长的主体部分，其具有实质一致的第一横截面形状以及轴向对齐的前端部分和后端部分，所述前端部分和所述后端部分具有第二横截面形状、且位于所述主体部分的相对端，所述前端部分和所述后端部分在所述主体部分相应的肩部与所述主体部分接合；以及密封元件，其位于相对的所述前端部分和所述后端部分中的一个或两个、并且紧靠所述主体部分的所述肩部设置，所述密封元件径向向外伸到所述主体部分之外、且围绕所述主体部分的整个外周；其中，所述密封元件为圆盘状，其上设有孔，以允许所述主体部分对应的所述前端部分和所述后端部分从中穿过。
2.根据权利要求1所述的阻尼器销，其特征在于：所述主体部分的所述实质一致的横截面形状为圆形，且由第一直径界定。
3.根据权利要求2所述的阻尼器销，其特征在于：每个所述的密封元件的形状实质是圆形，其外围表面的直径大于所述第一直径。
4.根据权利要求2所述的阻尼器销，其特征在于：所述轴向对齐的前端部分和后端部分的横截面形状实质都是半圆形。
5.根据权利要求1所述的阻尼器销，其特征在于：所述密封元件由镍基或钴基合金构成。
6.根据权利要求1所述的阻尼器销，其特征在于：所述密封元件的形状实质为圆盘形，其中具有一个孔以允许将所述密封元件收纳到所述轴向对齐的前端部分和后端部分中对应的一个上。
7.根据权利要求1所述的阻尼器销，其特征在于：所述密封元件一体形成于所述主体部分与所述轴向对齐的前端部分和后端部分之间的一个或两个相应的界面上，使所述密封元件形成所述侧翼中相应的一个。
8.根据权利要求1所述的阻尼器销，其特征在于：所述密封元件与所述各自侧翼中的一个相配合。
9.根据权利要求1所述的阻尼器销，其特征在于：所述密封元件位于所述前端部分和后端部分中的一个或两个自由端。
10.根据权利要求4所述的阻尼器销，其特征在于：每个所述相对的前端和后端的所述较小横截面形状的弧形范围在180度到200度之间。
11.一种涡轮机转子叶轮，其包括多个在圆周上配置的叶片，其中每个相邻的叶片对之间插入有一个阻尼器销，所述阻尼器销包括一个细长的主体部分，其具有实质一致的第一横截面形状，其中相对的前端和后端具有第二横截面形状，所述前端部分和所述后端部分在所述主体部分相应的肩部与所述主体部分接合；以及密封元件，其位于所述相对的前端部分和后端部分中的一个或两个、并且紧靠所述主体部分的所述肩部设置，所述密封元件径向向外伸到所述主体部分之外、且围绕所述主体部分的整个外周；其中，所述密封元件为圆盘状，其上设有孔，以允许所述主体部分对应的所述前端部分和所述后端部分从中穿过。
12.根据权利要求11所述的涡轮机转子叶轮，其特征在于：所述主体部分的所述实质均一的横截面形状为圆形，且由第一直径界定；且每个密封元件外围表面的直径大于所述第一直径。
13.根据权利要求11所述的涡轮机转子叶轮，其特征在于：所述密封元件的形状实质是圆盘形，其中具有一个孔以允许将所述密封元件收纳于所述轴向对齐的前端部分和后端部分中对应的一个上。
14.根据权利要求11所述的涡轮机转子叶轮，其特征在于：所述密封元件一体形成于所述主体部分与所述轴向对齐的前端部分和后端部分之间的一个或两个相应的界面上，使所述密封元件形成一个相应的所述侧翼。
15.根据权利要求11所述的涡轮机转子叶轮，其特征在于：所述密封元件位于所述前端部分和后端部分中中的一个或两个自由端。
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