CN102877892A - 一种涡轮转子叶片及具有其的燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种涡轮转子叶片及具有其的燃气轮机。涡轮转子叶片包括叶冠、叶身和榫头，叶冠包括：第一预扭接触面，沿周向设置于叶冠的周向第一端；第二预扭接触面，沿周向设置于叶冠的周向第二端；其中，第一预扭接触面和第二预扭接触面设置为：在多个涡轮转子叶片装配后，每个涡轮转子叶片的第二预扭接触面与相邻的涡轮转子叶片的第一预扭接触面挤压配合，使相邻两个涡轮转子叶片的叶冠之间共同产生以叶片积叠轴为轴心的预扭角度。根据本发明的技术方案，由于各相邻涡轮转子叶片的叶冠之间存在与气体冲击力所产生的力矩方向相反的预扭力矩，可以有效抑制工作中的叶片的扭转和弯曲变形，减小流动的叶型损失。

Description

一种涡轮转子叶片及具有其的燃气轮机

技术领域

本发明涉及动力机械领域，具体而言，涉及一种涡轮转子叶片及具有其的燃气轮机。

背景技术

涡轮转子叶片是把高温燃气的能量转变为转子机械功的重要零件。工作时，它不仅被经常变化着的高温燃气所包围，并且还承受着高速旋转产生的巨大离心力、气体力和振动负荷等，因而涡轮转子叶片的工作条件是很恶劣的，它是决定燃气轮机寿命的主要零件之一。因此，提高涡轮转子叶片的效率、可靠性和稳定性就显得尤为重要。转子叶片叶尖间隙内的复杂流动是影响燃气轮机涡轮效率的重要因素之一，研究人员在减少叶尖间隙内的流动损失方面做出了巨大努力。而转子的振动对燃气轮机的稳定和可靠工作意义重大。减小转子的振动是转子动力学和转子结构设计的重要课题之一。

现有技术中如燃气轮机等动力机械的涡轮转子叶片的结构一般分为两种：自由端悬臂结构的叶片和带平行四边形叶冠的叶片。

先进的展弦比较大的涡轮转子叶片多采用叶顶带叶冠的结构。叶冠的作用是：减小叶片顶部由叶盆向叶背的漏气，降低二次流损失；相邻叶片的叶冠抵紧后可以减小叶片的扭曲变形和弯曲变形，增强叶片的刚性，提高叶片的振动频率；当叶片产生振动时，相邻叶冠间产生摩擦可以吸收振动能量，起到减振的作用；同时，带叶冠叶片也可以采用对气动有利的薄叶型。叶片装配时，叶冠之间存在一定的间隙。在理想情况下，带平行四边形叶冠的叶片工作时，由于热膨胀等原因，此间隙应该消失，相邻叶片的叶冠应该抵靠。但实际使用中，由于制造误差及叶片、轮盘变形等因素，间隙难以控制，使叶冠的作用大受影响。

现有技术中叶顶带冠的结构，多叶片没有沿径向的相互约束，容易造成叶尖流动的不均匀而导致流动损失增大；由于间隙的存在，对叶片的减振效果不明显。

发明内容

本发明旨在提供一种涡轮转子叶片及具有其的燃气轮机，以解决现有技术中带有叶冠的叶片流动损失大的技术问题；进一步地，还能解决叶片振动较大，减振效果不明显的技术问题。

本发明提供了一种涡轮转子叶片，包括叶冠、叶身和榫头，叶冠包括：第一预扭接触面，第一预扭接触面沿周向设置于叶冠的周向第一端；第二预扭接触面，第二预扭接触面沿周向设置于叶冠的周向第二端；其中，第一预扭接触面和第二预扭接触面设置为：在多个涡轮转子叶片装配后，每个涡轮转子叶片的第二预扭接触面与相邻的涡轮转子叶片的第一预扭接触面挤压配合，使得相邻两个涡轮转子叶片的叶冠之间共同产生以叶片积叠轴为轴心的预扭角度。

进一步地，预扭角度的大小是0.5°至1.5°。

进一步地，第一预扭接触面从径向内侧向外侧沿着进气方向倾斜设置，第一预扭接触面与涡轮转子叶片所在的轮盘的轴线之间具有夹角

第二预扭接触面与第一预扭接触面配合设置，并且第二预扭接触面与轴线之间的夹角大小等于夹角

进一步地，夹角

的大小为80°至85°。

进一步地，叶冠设置为：在多个涡轮转子叶片装配后，每两个相邻的涡轮转子叶片的叶冠之间沿周向预留有间隙△。

进一步地，间隙△大小为0.1mm至0.2mm。

本发明还提供了一种燃气轮机，包括涡轮转子，上述涡轮转子包括上述涡轮转子叶片。

根据本发明的技术方案，将第一预扭接触面和第二预扭接触面沿周向分别设置于叶冠的周向第一端和周向第二端，并使第二预扭接触面与相邻叶片的第一预扭接触面挤压配合，以在相邻涡轮转子叶片的叶冠之间共同产生预扭角度。当燃气轮机工作时，叶片会因为气体冲击力的作用产生扭曲变形，但由于各相邻涡轮转子叶片的叶冠之间存在与该气体冲击力所产生的力矩方向相反的预扭力矩，因而可以有效抑制叶片的扭转和弯曲变形，从而减小流动的叶型损失。

进一步地，通过设置预扭，使相邻涡轮转子叶片的叶冠间产生摩擦，可以有效吸收振动能量，起到减振作用。

进一步地，通过设置夹角

从而使相邻涡轮转子叶片的叶冠之间产生克服不均匀离心力作用的力，可以有效抑制叶片的径向变形，减小径向变形的不一致性，改善燃气流动，提高涡轮效率。

进一步地，在热膨胀或应力变形等情况下，相邻涡轮转子叶片的叶冠间预留的周向间隙△会减小，使两个叶片的叶冠完全贴合，该间隙△有效地减小由于热变形而产生的应力。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为装配了本发明实施例的涡轮转子叶片的叶盘结构示意图；

图2为根据本发明实施例的涡轮转子叶片的立体结构示意图；

图3为根据本发明实施例的涡轮转子叶片的俯视结构示意图；

图4为图3的X方向视图；

图5为根据本发明实施例的涡轮转子叶片的装配展开图；

图6为图5的A处局部放大图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要说明的是，本发明中所提及的周向和轴向，指的是叶片装配后叶盘的周向和轴向。

如图1和图2所示，本发明实施例中的涡轮转子叶片包括叶冠1、叶身2和榫头3；气流沿图1和图5中箭头D所示的方向流入涡轮转子叶片。

如图3所示，本发明实施例中的涡轮转子叶片的叶冠1包括第一预扭接触面11和第二预扭接触面12。第一预扭接触面11沿周向设置于叶冠1的周向的第一端，第二预扭接触面12沿周向设置于叶冠1的周向的第二端。

其中第一预扭接触面11和第二预扭接触面12的尺寸如此设置：在多个涡轮转子叶片装配后，每个涡轮转子叶片的第二预扭接触面12与相邻的涡轮转子叶片的第一预扭接触面11挤压配合，使得相邻的两个涡轮转子叶片的叶冠1之间共同产生在0.5°至1.5°范围内的以叶片积叠轴为轴心的预扭角度，优选地，该预扭角度大小为1°左右。

图5和图6中的ε代表在一个叶片的第一预扭接触面11和相邻叶片的第二预扭接触面12挤压配合处叶冠的轴向尺寸大于叶冠完全贴和所需的尺寸的差值，正是由于该差值ε的存在而使相邻叶片在装配中产生了如图5所示方向的预扭，相邻两个叶片共同产生的预扭角度为1°。

图5中所示的受力三角形为叶片所受气动力F2的矢量三角形。在工作中，涡轮转子叶片在气体冲击力的作用下，单个叶片所受气动力为F2，F2可分解为沿气流方向的力Fx和沿周向的力Fy。在这个力F2的作用下，叶片沿着力Fx的方向有发生位移的趋势，也会因为力Fx产生的力矩T2的作用而产生扭曲变形，但由于相邻叶冠1之间存在预扭，从而产生与该力力矩T2方向相反的力矩T1，有效抑制了叶片的扭转和弯曲变形。同时，叶片变形的减小使得叶片的叶型偏离设计叶型较小，可有效减小流动的叶型损失。而且当叶片产生振动时，由于预扭的存在而使相邻叶冠1间产生摩擦可以吸收振动能量，有效起到减振作用。

进一步地，如图4所示，本发明实施例中的涡轮转子叶片的第一预扭接触面11从径向内侧向外侧沿着进气方向倾斜设置，第一预扭接触面11与叶轮轴线之间具有80°至85°的夹角

第二预扭接触面12与第一预扭接触面11配合设置，并且第二预扭接触面12与叶轮轴线之间的夹角大小等于夹角

图4所示的受力三角形为叶片所受离心力F1的矢量三角形。工作中，叶片由于高速旋转而产生很大的离心力F1，该力可分解为沿第一预扭接触面11切向方向的分力Fn和垂直第一预扭接触面11的法向分力Ft。在该力的作用下，叶片有沿径向向外变形运动的趋势。而由于存在预扭以及第一预扭接触面11与涡轮转子轴线所存在的夹角

从而使与第一预扭接触面11接触的第二预扭接触面12对第一预扭接触面11产生一个与Ft方向相反的作用力，形成了对此叶冠沿径向向下的作用。叶冠与叶冠之间的这种相互作用，能有效抑制叶片的径向变形，减小径向变形的不一致性，改善燃气流动，提高涡轮效率。

进一步地，如图5和图6所示，本实施例中每两个相邻叶冠1之间沿周向预留有0.1mm至0.2mm的间隙△。工作状态时，由于热膨胀和应力变形等原因，图中所示预留的间隙△会减小或者变为零，从而使相邻两个叶片完全贴合，该间隙△可有效减小由于热变形而产生的应力。间隙△的大小由叶片的展弦比和气体动力参数等经过计算而得。

本发明还提供一种燃气轮机，包括涡轮转子，涡轮转子包括上述涡轮转子叶片。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：通过设置相邻叶片的叶冠间的预扭角度可以有效地抑制叶片的扭转和弯曲变形，从而减小流动的叶型损失和减小叶片尖部叶盆向叶背的漏气，减小二次流损失，可提高燃气轮机效率。同时预扭的存在使得相邻叶冠间产生摩擦，吸收振动能量，起到减振的效果，从而提高燃气轮机的工作稳定性和可靠性。

设置夹角

能有效抑制叶片的径向变形，减小径向变形的不一致性，改善燃气流动，提高涡轮效率。

通过设置间隙△，能有效地减小由于热变形而产生的应力。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种涡轮转子叶片，包括叶冠（1）、叶身（2）和榫头（3），其特征在于，所述叶冠（1）包括：

第一预扭接触面（11），所述第一预扭接触面（11）沿周向设置于所述叶冠（1）的周向第一端；

第二预扭接触面（12），所述第二预扭接触面（12）沿周向设置于所述叶冠（1）的周向第二端；

其中，所述第一预扭接触面（11）和所述第二预扭接触面（12）设置为：在多个所述涡轮转子叶片装配后，每个涡轮转子叶片的所述第二预扭接触面（12）与相邻的涡轮转子叶片的所述第一预扭接触面（11）挤压配合，使得相邻两个涡轮转子叶片的所述叶冠（1）之间共同产生以叶片积叠轴为轴心的预扭角度。

2.根据权利要求1所述的涡轮转子叶片，其特征在于，所述预扭角度的大小是0.5°至1.5°。

3.根据权利要求1或2所述的涡轮转子叶片，其特征在于，

所述第一预扭接触面（11）从径向内侧向外侧沿着进气方向倾斜设置，所述第一预扭接触面（11）与所述涡轮转子叶片所在的轮盘的轴线之间具有夹角

所述第二预扭接触面（12）与所述第一预扭接触面（11）配合设置，并且所述第二预扭接触面（12）与所述轴线之间的夹角大小等于所述夹角

4.根据权利要求3所述的涡轮转子叶片，其特征在于，所述夹角

的大小为80°至85°。

5.根据权利要求1或2所述的涡轮转子叶片，其特征在于，所述叶冠（1）设置为：在多个所述涡轮转子叶片装配后，每两个相邻的涡轮转子叶片的所述叶冠（1）之间沿周向预留有间隙△。

6.根据权利要求5所述的涡轮转子叶片，其特征在于，所述间隙△大小为0.1mm至0.2mm。

7.一种燃气轮机，包括涡轮转子，其特征在于，所述涡轮转子包括根据权利要求1至6中任一项所述的涡轮转子叶片。

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