CN102947548B - 用于转子叶片的轻量围带翼片 - Google Patents

用于转子叶片的轻量围带翼片 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于涡轮机械－尤其是涡轮－的包括翼片(6)的涡轮叶片(1)。本发明的主要目的是提供改进的更轻的旋转叶片(6)，其具有减少的总体叶片质量，减少了转子上的叶片的径向力，而不会损害涡轮叶片(1)的强度或寿命。为了实现足够强健的轻量翼片且由此实现轻量的涡轮叶片(1)，翼片(6)包括：第一侧壁(9)和第二侧壁(10)，它们分隔开，布置成平行于彼此，且它们连接到围带(5)；以及切割边缘(18)，其连接到第一侧壁和第二侧壁(9，10)，且由此在侧壁(9，10)、围带(5)以及切割边缘(18)之间产生中空的空间。切割边缘(18)还沿径向远离第一侧壁和第二侧壁(9，10)而延伸。

Description

用于转子叶片的轻量围带翼片
技术领域
本发明涉及用于涡轮机械、尤其是涡轮的具有围带的转子叶片。
背景技术
涡轮级，尤其是传统的涡轮机械的最后的级，具有长的转子叶片。最后一级转子叶片具有互锁的围带，以便特别是改进振动特性。基本上，围带具有厚度且具有侧面，它们被切割以便当存在相邻的转子叶片时产生互锁的构造。
围带的目的是防止叶片梢部上的泄漏，提高涡轮的效率以及提高转子叶片的动力学和振动质量。围带的互锁沿着两个支承面发生。支承面处的围带互锁导致振动的抑制。另外的特征提供于转子叶片围带的梢部上，其为翼片。取决于叶片围带的大小，可存在一个或多个翼片。
翼片具有密封功能，以便减少越过叶片梢部的副流。用来承受在叶片的运动期间产生的离心载荷所需要的抗弯刚度由翼片高度提供。
目前，用于最后一级旋转叶片的围带基本是实心的。该围带是对叶片和转子的额外的负载。叶片的翼型件和根部承载围带的重量。其对翼型件的截面积产生了很大的影响，且因此对翼型件和根部的重量产生很大的影响。在运行期间，随着叶片在转子上绕着涡轮轴线以高速旋转，叶片由叶片根部保持在转子中，叶片根部机械地接合在转子中。随着叶片旋转，离心力使叶片沿径向方向拉动且使叶片对转子加载。
转子以及因此将叶片保持在转子中的根部上的负载的量是叶片重量的函数。重型叶片在叶片根部与转子之间的交接部上引起更多的应力，以及在转子上引起高的总径向力。围带的重量增加了径向力，其接近转子极限。因此，其对涡轮的性能施加了重要的设计限制，并且可减少根部和转子的总体寿命。
涡轮机械，尤其是蒸汽涡轮，出于性能原因而具有长的叶片来增大排气环形区域。增大该环形区域以便允许高的质量流量。长叶片用于大的环形区域，其会导致叶片更高的重量。当前的设计典型地完全为叶片的梢部覆盖有翼片，以便有改进的振动控制，并且用来减少梢部泄漏损失。
为了减少涡轮运行期间的泄漏，蜂巢件典型地布置在翼片的对面。在运行期间，翼片切入蜂巢件中。
当代涡轮和压缩机的效率取决于旋转构件(叶片)与静止构件之间的紧密密封。该密封通过允许叶片的翼片在可磨损的密封材料中切割(摩擦)凹槽而建立，其会防止很大量的空气经过叶片梢部而泄漏。典型地，密封材料是蜂巢式密封件，或者具有(或者)烧结且铜焊就位的金属颗粒。为了确保涡轮的安全运行，翼片必须足够强健，以便在运行条件下切入到密封材料中。
此外，翼片必须足够强健，以便在相邻的叶片的翼片在运行期间支承在彼此之上时满足其阻尼(dampening)功能。
为了避免热运行条件期间翼片的蠕变，且为了延长寿命，已经在DE19904229中提出了翼片的冷却。还注意到，翼片的重量可通过将孔钻入翼片中来减少。然而，通过所钻的孔可实现的重量减少是有限的。此外，孔对叶片的寿命可能是有害的，因为它们具有切口效应，这可导致应力集中，并且因此导致翼片中的应力分布的高的局部最大值。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供改进的更轻的旋转叶片，其具有减小的总体叶片质量，从而减小转子上的叶片的径向力，而不会损害叶片的强度或寿命。
本发明的另一个目的是提供不会损害围带-弯曲应力的改进的更轻的旋转叶片。
本发明的又一个目的是提供实现围带的互锁任务的改进的更轻的旋转叶片。
本发明的这些和其它目的通过改进的旋转涡轮叶片来解决。旋转叶片典型地包括：根部段；连接到根部的平台段；从平台延伸的翼型件，该翼型件具有连接到平台的平台端和与所述平台端相对的梢部端。具有围带的叶片还包括从梢部端向外延伸且附连到梢部端上的围带，以及沿径向远离外表面而延伸的至少一个翼片。
根据本发明的第一实施例，翼片包括：第一侧壁以及第二侧壁，它们分隔开，布置成平行于彼此，并且连接到围带；以及切割边缘，其连接到第一和第二侧壁，且由此在侧壁、围带以及切割边缘之间产生中空的空间。切割边缘还远离第一侧壁和第二侧壁而沿径向延伸。
在一个实施例中，第一侧壁和第二侧壁在与围带的连接部处分隔开，且轮廓设计为在沿径向远离围带的端部处汇合在一起。
在另一个实施例中，第一侧壁和第二侧壁轮廓设计为无缝地连接到切割边缘。
在一个实施例中，中空性实现为使得由于翼片和/或围带的质量而引起的离心力与叶片的中性轴线对齐，并且当涡轮旋转时不会在叶片上导致任何弯矩。
在另一个更具体的实施例中，中空性沿着翼片的中性轴线实现。在又一个实施例中，中空性沿着翼片的中性轴线对称地实现。
在一个实施例中，中空的翼片包括两个薄的侧壁，它们在内部半径处连接到围带，并且在外部半径处连接到实心切割边缘。切割边缘是实心金属体，其构造成以便当安装在涡轮中时切入到固定在围绕涡轮级的定子壁上的蜂巢件中。蜂巢件和翼片的组合形成蜂巢式密封件。
在另一个实施例中，中空的翼片基本上是v形的。该v在围带上颠倒地竖立，指向远离围带(方向)。该v形翼片竖立在围带上且在v形翼片的两个支腿的端部处连接到围带。v形翼片的支腿是翼片的侧壁。可加强尖端，且其在径向方向上延伸而形成切割边缘，其足够强健以切入固定到围绕涡轮级的定子壁上的蜂巢件中，以便形成蜂巢式密封件。
此外，提出了构造中空的翼片来允许通过中空的翼片的冷却。冷却的翼片可例如用于燃气涡轮应用中。
一种用于制造改进的更轻的旋转叶片的方法包括将叶片铸造为具有铸造出的中空的翼片的单个零件的步骤。
用于制造改进的更轻的旋转叶片的又一种方法包括锻造叶片以及移除材料来使得所述翼片中空的步骤。
本发明的中空的以及轻量的翼片提供了足够的二次惯性矩(secondmomentofinertia)，而不会损害周向方向中的刚度(弯曲和扭转)，从而确保良好的围带互锁。
为了获得中空的围带，过量的材料可从翼片移除。利用这样的中空的和轻量的翼片，实现了重量减少。重量减少不仅在翼片本身中实现，而且还在翼型件和根部中实现，因为这些只需要承载减少的翼片重量。这实现了更轻的叶片，并且允许设计更长的叶片，这又导致增大的流动截面和提高的涡轮功率与效率。
从结合附图做出的对实施例的以下描述中，本发明的另外的特征和优点将变得明显。
附图说明
本发明，其性质以及其优点，将在下文中借助于附图更详细地描述。参照附图。
图1以透视图示意性地显示了具有围带和翼片的叶片的一个实施例，
图2示意性地显示了具有第一侧壁和第二侧壁以及切割边缘的翼片的透视图，
图2a和2b示意性地显示了包括具有第一侧壁和第二侧壁以及切割边缘的翼片的叶片梢部的截面，以及一个侧壁中的拉伸应力分布，
图3示意性地显示了包括翼片的叶片梢部的透视图，其具有翼片的弯曲的第一侧壁和第二侧壁，以及切割边缘，
图3a和3b示意性地显示了具有弯曲的第一侧壁和第二侧壁以及切割边缘的翼片的截面，以及一个侧壁中的拉伸应力分布，
图4示意性地显示了叶片的第三实施例，
图5示意性地显示了包括互锁翼片的两个互锁叶片梢部的透视图，
图6示意性地显示了包括在翼片端处具有互锁板的翼片的叶片梢部的透视图，
图7示意性地显示了包括在翼片端处具有互锁板的翼片的叶片梢部的侧视图。
具体实施方式
在图1中，参考标号1表示具有根部段2的叶片，其包括在根部段2外侧的颈部区域12。根部段2具有机加工的表面16，其可结合到转子8的匹配的轮廓中，使得叶片1在离心载荷下固定在涡轮转子8上。平台段4从叶片根部2和颈部区域12向外突出，并且连接到根部段2。翼型件3从平台4向外延伸。翼型件3具有连接到平台4的端部和梢部端。围带5连接到梢部端，且从梢部端向外延伸。围带包括至少一个翼片6。
图2显示了从翼型件3的梢部端向外延伸的围带5。围带5包括固定到翼型件3的梢部端的内表面14和覆盖内表面14的外表面15。连接内表面14和外表面15的侧壁17大体垂直于这两个表面。
叶片还包括至少一个翼片6，其远离围带5沿径向延伸。翼片6本身包括第一侧壁9以及第二侧壁10，它们分隔开，布置成平行于彼此，且连接到围带5。此外，翼片包括切割边缘18，其连接到第一侧壁和第二侧壁9，10，并且由此在侧壁9、10，围带5以及切割边缘18之间产生中空的空间。切割边缘18还远离第一侧壁和第二侧壁9，10沿径向延伸。
图2a示意性地显示了包括具有第一侧壁9、第二侧壁10以及切割边缘18的翼片6的叶片梢部的截面。图2b示意性地显示了在运行期间在第一侧壁9中的拉伸应力分布19的简化的示例。
由于弯曲力，拉伸应力在截面中不是恒定的，导致如图2b中所显示的拉伸应力19中的局部最大值。该局部最大值比标示出以用于比较的平均拉伸应力20更高。
在一个实施例中，切割边缘18是实心的。在另一个实施例中，切割边缘18包括冷却和/或吹扫空气孔。
在另一个实施例中，围带5包括若干个翼片，其平行于彼此沿径向向外延伸，至少一些是中空的和轻量的。翼片典型地具有尖的边缘或锋利的边缘，它们从围带5的外表面15向外延伸。旋转叶片1铸造为单个零件，且翼片6整体地模制，且其尺寸与翼型件3比较例如典型地小于十分之一。
为了最小化局部应力最大值，侧壁9，10可具有特定轮廓(contoured)或为弯曲的，以便遵循作用在翼片6上的合力的力线，如图3中所示。为此，第一侧壁和第二侧壁9，10在与围带5的连接部处分隔开，且轮廓设计为在沿径向远离围带5的一端处汇合在一起。
如图3中所标示，为了允许翼片内的大的冷却空气或吹扫空气供应空腔，可在翼片6的中心区域中使用供应加宽部23来局部地增大翼片6的宽度。该加宽部23还可用来提高刚度，因为由于离心力引起的最大弯矩发生在翼片的中心区域中，并且用来减小由于力传递到叶片的翼型件3中而引起的局部应力。
图3a示意性地显示了具有弯曲的第一侧壁和第二侧壁9，10以及切割边缘18的翼片的截面。图3b显示了侧壁9中的对应的拉伸应力分布19。理想地，局部拉伸应力19是恒定的，且等于侧壁中的平均拉伸应力20。
在一个实施例中，第一侧壁和第二侧壁9，10是弯曲的，使得在运行时，来自作用在切割边缘18与第一侧壁和第二侧壁9，10上的离心力和弯曲力的合力线定向成使得局部最大拉伸应力小于平均拉伸应力的1.3倍。优选地，优化曲率以保持局部最大拉伸应力低于平均拉伸应力的1.1倍。
在一个实施例中，第一侧壁和第二侧壁9，10是弯曲的，使得在运行期间，来自作用在切割边缘18与第一侧壁和第二侧壁9，10上的离心力和弯曲力的合力线平行于相应的侧壁9，10的曲率而定向。
参照图4，实现了“对齐的”形状的孔。对齐的形状的孔在周向方向上从翼片的第一端13沿着翼片6的长度延伸到其第二端11。本上下文中的对齐的形状是对于侧壁9，10而言具有基本上恒定的壁厚度的翼片。壁厚度在径向方向上对于侧壁高度的至少50%保持恒定。其可例如对于侧壁9，10的高度的80%或甚至超过90%为恒定的。
通过如下方式使翼片6中空：沿着翼片6的长度在其中性轴线周围移除材料，从而减少重量，且从第一端13或从第二端11或两端使其中空。
在图5中，显示了具有中空的翼片6的互锁围带。刚度足以利用中空的翼片6执行互锁任务。中性轴线周围的重量移除对刚度具有可忽略的影响，或其影响由略微更大的外部尺寸来补偿，而中空性由于翼片6的重量减少以及旋转叶片1的总体重量减少而提供了大的优点。
翼片6中的孔可从第一端13延伸到该翼片的第二端11。
在图6中所示的另一个实施例中，互锁板21在翼片6的第一周向端13和/或第二周向端11处封闭翼片6。
此外，如图6和7中所示，可在至少一个侧壁9，10的侧面处提供冷却孔22。为了允许翼片冷却，这是必须的。
在一个实施例中，旋转叶片1使用铸造来制造。该方法包括通过包覆传统的氧化铝或硅石基的陶瓷芯体来将旋转叶片1成形在石蜡中。
在一个实施例中，翼片的中空性可通过水射流切割器、腐蚀、激光束以及通过任何这样的组合来实现。
在一个实施例中，旋转叶片1还通过锻造单个金属零件来制造，且翼片6通过机加工而制成中空的。
围带5上的翼片6制成中空的和轻量的，而不会损害大小和旋转速度，其中，足够的轴向截面模量导致具有更高性能的更轻的叶片1。
典型地，翼片弯曲的中性轴线垂直于在运行时作用在翼片上的离心力。
本发明可应用于后级，特别是最后一级叶片。如果需要，为了增大互锁表面，端部可利用不同的制造方法－例如铜焊、焊接等而由板封闭。通过降低离心力，蠕变区域中的构件寿命将很大程度地增加。
本发明的许多修改和改变将对本领域技术人员显而易见，且因此，所附的权利要求意图覆盖落入本发明的范围的所有这样的修改和改变。
参考标号列表：
1.叶片
2.根部
3.翼型件
4.平台
5.围带
6.翼片
7.匹配面
8.转子
9.第一侧壁
10.第二侧壁
11.第二端
12.颈部区域
13.第一端
14.内表面
15.外表面
16.机加工的表面
17.平台侧壁
18.切割边缘
19.运行期间侧壁中的局部合应力
20.运行期间侧壁中的平均应力
21.互锁板
22.冷却和/或吹扫空气孔
23.供应加宽部。

Claims (11)

1.一种涡轮叶片(1)，包括承载着围带(5)和沿径向远离所述围带(5)而延伸的至少一个翼片(6)的梢部端，其特征在于，所述翼片(6)包括：第一侧壁(9)和第二侧壁(10)，它们分隔开，布置成平行于彼此，且连接到所述围带(5)；以及切割边缘(18)，其连接到所述第一侧壁(9)和第二侧壁(10)，且所述切割边缘由此在所述第一侧壁(9)和第二侧壁(10)、所述围带(5)以及所述切割边缘(18)之间产生中空的空间，并且还沿径向远离所述第一侧壁(9)和第二侧壁(10)而延伸。
2.根据权利要求1所述的涡轮叶片(1)，其特征在于，所述第一侧壁(9)和第二侧壁(10)在与所述围带(5)的连接部处分隔开，且轮廓设计为在沿径向远离围带(5)的端部处汇合在一起。
3.根据权利要求1或2所述的涡轮叶片，其特征在于，所述第一侧壁(9)和第二侧壁(10)轮廓设计为无缝地连接到所述切割边缘(18)。
4.根据权利要求1或2所述的涡轮叶片(1)，其特征在于，所述第一侧壁(9)和第二侧壁(10)的壁厚度在径向方向上对于相应侧壁的高度的至少50%是恒定的。
5.根据权利要求1或2所述的涡轮叶片(1)，其特征在于，所述第一侧壁(9)和第二侧壁(10)是弯曲的，使得在运行时，来自作用在所述切割边缘(18)与所述第一侧壁(9)和第二侧壁(10)上的离心力和弯曲力的合力在相应侧壁中产生局部最大拉伸应力，该局部最大拉伸应力小于相应侧壁的截面中的平均拉伸应力的1.3倍。
6.根据权利要求1或2所述的涡轮叶片(1)，其特征在于，所述第一侧壁(9)和第二侧壁(10)是弯曲的，使得在运行时，来自作用在所述切割边缘(18)与所述第一侧壁(9)和第二侧壁(10)上的离心力和弯曲力的合力线定向成平行于相应侧壁(9，10)的曲率。
7.根据权利要求1或2所述的涡轮叶片(1)，其特征在于，所述中空的空间构造成以便引导冷却或吹扫空气。
8.根据权利要求1或2所述的涡轮叶片(1)，其特征在于，至少一个冷却或吹扫空气孔处于所述切割边缘(18)中。
9.根据权利要求1或2所述的涡轮叶片(1)，其特征在于，所述翼片(6)的弯曲的中性轴线垂直于在运行时作用在所述翼片(6)上的离心力。
10.根据权利要求1或2所述的涡轮叶片(1)，其特征在于，互锁板(21)在所述翼片(6)的第一和/或第二周向端(11，13)处闭合所述翼片(6)。
11.一种用于制造包括根据权利要求1至10中的一项所述的翼片(6)的涡轮叶片(1)的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
将所述涡轮叶片(1)铸造为具有中空的翼片的单个零件，该中空的翼片包括第一侧壁(9)和第二侧壁(10)以及切割边缘(18)；或者
锻造所述涡轮叶片(1)，并且机加工所述翼片(6)以便产生第一侧壁(9)和第二侧壁(10)，切割边缘(18)，且以便由此在所述第一侧壁(9)和第二侧壁(10)与所述切割边缘(18)之间开出中空的空间。
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