CN102839990B - 涡轮叶片及制造大型蒸汽涡轮的叶片的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及复合材料的涡轮翼型及其制造方法。描述一种涡轮叶片，其具有根部、尖端和翼型，该翼型具有由复合材料制成的芯部区段和在暴露于腐蚀的位置或若干位置处连接于复合芯部的保护套或层，其中，翼型的复合芯部从根部附近的位置到叶片的尖端附近的位置是连续的，并且包括区段，其沿着翼型的长度在离旋转轴线一距离的情况下变宽，并且在叶片的尖端附近的位置处结束。保护套或层通过过盈配合与芯部的变宽区段固定。

Description

涡轮叶片及制造大型蒸汽涡轮的叶片的方法
技术领域
本发明涉及特别是用于蒸汽涡轮的复合材料的涡轮翼型(airfoil)和制造这种翼型的方法。
背景技术
在下列描述中，术语“涡轮”用于表示具有通过诸如水、蒸汽或气体的流体介质力联接的旋转部分和定子部分的旋转引擎。本发明特别感兴趣的是轴向涡轮，其包括与移动转子叶片的径向配置交替的径向地配置的固定定子叶片或静叶(vane)。运动通常限定为相对于壳体或外壳的运动。
在大型涡轮，特别是蒸汽涡轮中，目前利用钢或钛基合金制造移动叶片或翼型。在多级涡轮中，叶片的尺寸从级到级增大。在最大低压涡轮的最终级中，涡轮叶片的高度可超过一米或更多。虽然可取的是增大涡轮级的尺寸并且由此增大其流走表面(flow-off)和效率，但是主要由于作用在旋转叶片上的大离心力，因此当前材料的特性已经达到它们的极限。
为了克服由钢和钛的材料特性引起的障碍，已经主要利用碳纤维基材料提议复合材料翼型。虽然已经公开大量的这种设计，但是这种复合叶片的现实应用当前受限于用于先进飞行器引擎的燃气涡轮。
迄今为止阻碍复合叶片在发电领域中大规模采用的原因中的一个是复合材料缺乏对腐蚀的抵抗。特别地，在蒸汽涡轮叶片领域中，材料在长的操作时段内遭受由从穿过涡轮的蒸汽冷凝的水滴引起的腐蚀。在来自水蒸汽的冷凝物的持续冲击下，与当前应用的金属合金相比，复合材料腐蚀得更快，因此不适合作为用于大型蒸汽涡轮叶片的翼型材料。
作为一般腐蚀问题的已知解决方案，自三十年代初已经在诸如德国专利DE 536278 C2的许多公开的专利文献中建议保护层的使用。对于复合叶片，保护层例如描述在公开的美国专利申请US 2008/0152506A1和公开的国际专利申请WO 2011/039075 A1和WO 2010/066648中。
当施加保护层或涂层的解决方案可具有减少在涡轮叶片的暴露部分处的腐蚀的可能时，要求进一步改进以使复合翼型操作。特别地，视为本发明的目的的是改进保护层和涡轮翼型的复合芯部连接的方式。
发明内容
根据本发明的方面，提供具有根部部分和尖端部分的优选为旋转叶片的涡轮叶片的翼型，其中，翼型具有由复合材料制成的连续芯部，并且从根部部分到尖端部分是连续的，并且保护套在暴露于腐蚀的位置或若干位置处连接于复合芯部，其中，芯部至少在尖端部分附近变宽。
根据本发明的该方面的优选实施例，通过变宽芯部和保护套之间的过盈配合防止保护套在径向向外方向上沿着芯部的运动。
当参照径向方向时，该方向限定为从涡轮转子的旋转轴线开始的径向方向。
在本发明的该方面的优选实施例中，通过复合芯部在离旋转轴线一距离的情况下的连续或逐步变宽实现过盈配合。该变宽可导致垂直于径向方向截取的翼型的横截面的增大的周长，或更特别地，对于涡轮叶片，导致在朝向其尖端的方向上的翼型的弦长或轮廓厚度的增大。在该实施例的变型例中，根据径向距离的弦长具有在尖端附近的至少一个区段，在该至少一个区段中，弦长根据径向距离增大；并且可具有弦长根据径向距离减小的第一区段，其当从叶片的根部到尖端沿着叶片观看时由弦长根据径向距离增大的区段跟随。
翼型在本文中理解为叶片的空气动力学地形成的部件，其在相对于周围介质运动时引起转子上的期望反作用力。该术语排除叶片的所谓根部部分和任何护罩部分，该所谓的根部部分用于将叶片锚固在转子中，该任何护罩部分在已知叶片设计中的一些中用于与相邻叶片的护罩部分互锁，以在装配的叶片周围形成密封或稳定圆周环。因此，护罩的主要方位位于圆周方向上，而翼型和翼型的任何特殊尖端延伸(诸如小翼)定向成朝向介质的流动方向。其他的稳定部件(诸如缓冲器)也不包括在如在本文中使用的术语“翼型”中。
新翼型的形状典型地为朝向尖端变宽的复杂三维形状，其可以描述为倒锥形区段。倒锥形形状提供过盈配合，从而防止保护套和复合芯部之间的径向方向上的任何相对运动，因此加强以上两个部件之间的任何附加固定。但是，重要的是注意，叶片的倒锥形形状可具有除了改进保护套和复合芯部之间的连接的稳定性之外的优点。
在本发明的该方面的优选变型例中，芯部的变宽区段在尖端处或非常靠近翼型的尖端结束。然而，变宽区段沿着叶片的长度的开始点的位置在很大程度上服从设计考虑，诸如稳定性、重量和期望的流走区域。
在本发明的该方面的另一个优选实施例中，保护套通过诸如胶箔的结合层或粘合层与复合芯部连接。根据本发明的叶片的新设计用于支撑箔片并且在其故障的情况下替代箔片以防止保护套的破裂或松开。
在又一个优选实施例中，保护套是金属层。该层由若干部件有利地装配，若干部件例如是设计成覆盖叶片的前缘和高腐蚀的任何相邻区域的厚部件、设计成覆盖翼型的后缘的第二部件和覆盖翼型的压力侧和吸力侧上的剩余暴露区域的两个薄片状部件。
根据本发明的复合翼型或叶片的制造通常可按照用于复合叶片的已知制造步骤。这些方法包括例如复合纤维材料的绳股或编织件的使用。在本发明的该方面的优选实施例中，附加纤维材料在翼型的尖端处添加于构成用于连续芯部的纤维材料的主要部分的绳股或编织垫(woven mat)。如在常规设计中，在于尖端处添加纤维材料之后，芯部材料利用基质材料浸渍。
本发明的这些和其他的方面从下列详细的描述和如在下面列出的附图将是显而易见的。
附图说明
现在将参照附图描述本发明的示范实施例，其中：
图1A和图1B示出了用于蒸汽涡轮的常规最后级叶片的三维视图和水平截面图；
图2A和图2B示意性地示出了根据本发明的实例的叶片的弦长的变化；和
图3A和图3B示出了根据本发明的实例的用于蒸汽涡轮叶片的最后级叶片的三维视图和水平截面图。
部件列表
最后级转子叶片(已知)10
根部区段(已知)11
翼型(已知)12
尖端(已知)121
前缘122
后缘123
压力侧124
吸力侧125
弦126
弧形线127
与径向距离r有关的弦长L(已知)21
与径向距离r有关的弦长L(新)22-1，22-2
翼型的二维投影(已知)23
翼型的二维投影(新)24-1，24-2
最后级转子叶片(新)30
根部区段(新)31
翼型(新)32
尖端(新)321
附加纤维材料322
芯部33
前缘盖34
用于吸力侧的覆盖片35
后缘盖36
用于压力侧的覆盖片37
焊缝381，382，383，384
粘合层39。
具体实施方式
利用用于蒸汽涡轮的最后级转子叶片的实例在下列描述中更详细地描述本发明的实例的方面和细节。
在图1A中示出用于蒸汽涡轮的最后级转子叶片10的示意图。金属叶片包括附接于根部区段11的翼型12。根部区段11典型地安置到转子内的匹配凹槽(未示出)中。在涡轮中，多个这种金属叶片10，对于最后级典型地为50个到60个，配置在转子周围以形成级的转子部分。在叶片的远端或尖端121处，叶片紧密接近定子或定子壳体(未示出)旋转。如在本说明书的其他部分中，参照旋转运动意味着指出涡轮的转子在定子内的旋转，除非另有说明。在图1B中示出沿着翼型12的任意选择线A-B的水平(即，垂直于径向方向)横截面图。横截面图示出了翼型12的前缘122和后缘123。还示出的是，典型地称为翼型12的压力侧124和吸力侧125。使前缘122和后缘123连接的虚拟线126限定为翼型12的“弦”。
通常，弦被认为是确定翼型的宽度的可能量度中的一个。其他这样的可能量度是叶片的水平横截面的周长或其面积、轮廓厚度或中间线或弧形线127的长度。可以将这种量度中的任何一个的增大称作翼型的宽度增大或变宽。然而，使弦的长度或其任何等同物朝向叶片的尖端增大被看作是实施本发明的最有效方式。
在图2A和图2B中示出通过增大弦长而变宽。在图2A中，弦长L示出为与离横截面的转子轴线的径向距离r有关，在该径向距离r处，测量已知形状的翼型的弦长L和根据本发明的实例的翼型的弦长L。先前已知的翼型形状以虚线曲线21表示，并且新叶片设计以实线曲线22表示。
虽然现代翼型的真实形状是复杂三维形状，但是最现代的最后级蒸汽涡轮翼型的弦长跟随轮廓21。作为大致锥形形状的特征，该轮廓21表示连续减小的弦长。然而，对于新轮廓22-1，弦长L朝向叶片的尖端(在示出的实例中，连续地)增大。增大或变宽还可靠近叶片的根部开始。本发明的这种可选实例以曲线22-2表示。
利用根据本发明的变宽翼型设计，可以使最后级中的叶片的数量减小到低于40并且可能低于35，甚至对于最大型蒸汽涡轮。
在图2B中选择使本发明的实例可见的另一种方式：虚线形状23表示常规翼型到纸平面上的二维投影，并且实线形状24-1表示根据本发明的实例的翼型到纸平面上的二维投影。此外，根部位于底部处，并且尖端位于形状的顶部处。实线形状24-2表示翼型的二维投影，其中，变宽已经在靠近根部的位置处开始。
虽然到图2B的纸平面中的二维投影使两种类型的叶片的三维形状在视觉上变平，但是它清楚地示出新翼型的变宽。
在尖端附近包裹在新翼型的芯部周围的任何保护套通过芯部在尖端处的变宽而被迫处于过盈配合中。该过盈配合在如下情况下是特别重要的：保护套通过结合层或粘合层与芯部连接。在操作中，这种叶片暴露于高温和离心力，并且如果结合失效，则保护套可飞离叶片并且损坏涡轮的其他部件。
过盈配合防止保护套的变松，除非它完全分裂。该设计抵消在操作中由叶片的快速旋转产生的力。
参照图3A和图3B在下面描述制造根据本发明的实例的复合叶片的步骤，图3A示出了复合叶片的透视图，图3B示出了与图1A相似的复合叶片的水平横截面图。
可例如利用本身已知的真空注射过程制备根据本发明的实例的复合翼型或叶片。在这种过程中，纤维的编织网在模具中展开，该模具接近待制造的翼型的形状。附加的纤维材料在翼型的尖端处添加于绳股或编织垫。在于尖端处添加纤维材料之后，纤维材料在模具中的真空状态下利用诸如树脂的基质材料浸渍。
可使用诸如手工层压的其他已知的制造方法。还可应用诸如预浸渍材料(prepreg)或树脂浸渍增强材料(wet layup)的变体。例如在国际专利申请WO 2011/039075中公开生产复合材料的芯部的已知方法的概述。然而，出于本发明的目的和为了清楚起见，不在本文中重复说明这些标准方法的进一步细节。
一旦制备复合芯部，并且构成保护层的金属片形成并且被切割或加工，则两者在如在参照图3时在下面描述的、涉及焊接和胶合的步骤的组合过程中连接。
在图3A中，示出根据本发明的实例的复合叶片的透视图。叶片30包括翼型区段32和根部部分31。根部部分31是锥形的。叶片30的翼型区段32的尖端321通过使附加纤维材料322出现在芯部中而变宽。
在图3B中示出沿着线A-B的叶片30的横截面图。它示意性地示出翼型32的结构，翼型32包括以碳纤维加强的树脂基材料的芯部33。芯部33完全包裹在由诸如钛或钢合金的耐腐蚀材料制成的保护套中。为了容易制造，保护套由分开的部件装配。在示出的实例中，这些部件包括前缘盖34、用于吸力侧的覆盖片35、后缘盖36和用于压力侧的覆盖片37。
翼型32通过首先使边缘盖34、用于吸力侧的覆盖片35和后缘盖36在两个焊缝381，382处连接而装配。接着，由粘合层39包围的芯部材料33放置到由焊接部件形成的凹处中，并且用于压力侧的覆盖片37放置在顶部上以完全围封芯部。用于压力侧的覆盖片37在焊缝383，384处连接。这些后来的焊缝383，384分别位于加工到前缘盖34和后缘盖36中的凹处的边缘处，以避免在焊接过程期间对粘合层和芯部的热损坏。
已经仅经由实例在上面描述本发明，并且可在本发明的范围内作出修改。例如，包围芯部的护套可由局部盖替代，该局部盖在受限于特别地暴露于腐蚀的芯部的区段时成形为保持如描述的过盈配合。
本发明还包括描述、在本文中暗示、示出或在附图中暗示的任何单个特征、任何这种特征的任何组合、任何这种特征的任何概括或组合，其扩展到其等同物。因此，本发明的广度和范围不应当被以上描述的示范实施例中的任何一个限制。在包括附图的说明书中公开的每个特征可由用于相同、等同或相似的目的的可选特征替代，除非另外确切地说明。
除非在本文中明确地说明，否则在整个说明书中的现有技术的任何讨论不承认这种现有技术是众所周知的或形成本领域中的公知常识的部分。

Claims (10)

1.一种涡轮叶片，其具有根部、尖端和翼型，所述翼型具有由复合材料制成的芯部区段和在暴露于腐蚀的位置处连接于复合芯部的保护套，其中，所述翼型的复合芯部从所述根部附近的位置到所述叶片的尖端附近的位置是连续的，并且包括区段，其沿着所述翼型的长度在离旋转轴线一距离的情况下变宽，并且在所述叶片的尖端附近的位置处结束；
其中，通过所述保护套和所述复合芯部的变宽区段之间的过盈配合防止所述保护套在径向向外方向上沿着所述复合芯部的运动。
2.如权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，变宽是连续的或逐步的。
3.如权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，变宽包括所述翼型的弦长朝向所述尖端的变长。
4.如权利要求3所述的涡轮叶片，其特征在于，当从叶片的根部到尖端沿着叶片观看时，所述翼型具有弦长根据径向距离减小的区段和随后的弦长根据径向距离增大的区段。
5.如权利要求3所述的涡轮叶片，其特征在于，弦长根据径向距离从所述根部附近的位置到所述叶片的尖端附近的位置连续地增大。
6.如权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述保护套通过结合层或粘合层与所述复合芯部连接。
7.如权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述涡轮叶片是用于蒸汽涡轮的叶片。
8.如权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述涡轮叶片是用于蒸汽涡轮的最后级叶片。
9.一种制造用于大型蒸汽涡轮的叶片的方法，其包括以不同材料的保护套包围复合材料的芯部的步骤，所述方法包括如下步骤：
提供芯部，其从所述叶片的根部区段附近的位置连续地延伸到所述叶片的尖端区段附近的位置；和
至少在所述叶片的尖端端部附近增大复合材料的芯部的宽度；
其中，通过所述保护套和所述芯部的变宽区段之间的过盈配合防止所述保护套在径向向外方向上沿着所述芯部的运动。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述保护套由通过粘合层结合于所述芯部的若干分段装配。
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