CN103046968A - 用于将涡轮叶片联接到转子盘上的适配器组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于将涡轮叶片联接到转子盘上的适配器组件，具体而言，描述了一种用于将涡轮叶片的叶根联接到转子盘的根槽上的适配器组件。该适配器组件包括具有叶根的涡轮叶片和具有适配器根的适配器主体。适配器主体限定具有开口端的槽，开口端构造成接纳涡轮叶片的叶根，使得适配器主体的适配器根和涡轮叶片的叶根在涡轮叶片的叶根定位在该槽内时彼此邻近。适配器主体的适配器根和涡轮叶片的叶根两者均构造成接纳在转子盘的根槽内。

Description

用于将涡轮叶片联接到转子盘上的适配器组件
技术领域
本发明通过政府支持根据由能源部提供的合同号DE-FC26-05NT42643做出。政府在本发明中具有一定权益。
本发明的主题总体涉及燃气涡轮机，且更特别地，涉及用于将涡轮叶片联接到转子盘上的适配器组件。
背景技术
在燃气涡轮机中，来自燃烧器的环形阵列的热燃烧气体流通过过渡件以沿环形热气路径流动。涡轮级典型地沿该热气路径设置，使得热燃烧气体流从过渡件通过第一级喷嘴和轮叶并通过后续涡轮级的喷嘴和轮叶。各涡轮轮叶通常包括从大体平坦的平台径向向外延伸的翼型件和从该平台径向向内延伸的叶根。各涡轮轮叶的叶根通常构造成被接纳在多个周向隔开的根槽的其中一个根槽内，根槽限定在涡轮转子的其中一个转子盘中，且各转子盘被安装在转子轴上以便随其旋转。
为了改善燃气涡轮机的总体效率，持续地寻求更高的操作温度。然而，随着操作温度升高，涡轮部件的高温耐久性必须对应地升高。因此，已经做出努力来在涡轮轮叶的建造中将金属的使用替换成陶瓷材料的使用，如陶瓷基质合成材料。结果，许多涡轮轮叶已经被重新设计以适应陶瓷材料的使用，例如通过对叶根进行再成形。例如，涡轮轮叶现在可包括与金属轮叶中所使用的枞树形根相对的燕尾形根。不幸的是，此类再成形在将叶根附接到安装在燃气涡轮机内的先前存在的转子盘上时会导致问题。
为了解决此类附接问题，已经提出用来将涡轮轮叶联接到转子盘上的附接组件。然而，迄今为止，此类组件尚未提供一种有效的手段来轴向地保持和/或密封该组件内的涡轮轮叶。
从涡轮叶片去除密封特征将是所希望的。因此，用于将涡轮轮叶或叶片联接到转子盘上的适配器组件，其提供了对于该组件内的涡轮叶片的有效轴向保持和/或密封，将是所希望的。
发明内容
本发明的多个方面和优点将在以下描述中部分地进行陈述，或者可从该描述而显而易见，或者可通过本发明的实践而获悉。
一方面，本发明的主题公开了一种用于将涡轮叶片的叶根联接到转子盘的根槽上的适配器组件。该适配器组件包括具有叶根的涡轮叶片和具有适配器根的适配器主体。适配器主体限定具有开口端的槽，开口端构造成接纳涡轮叶片的叶根，使得适配器主体的适配器根和涡轮叶片的叶根在涡轮叶片的叶根定位在该槽内时彼此邻近。适配器主体的适配器根和涡轮叶片的叶根两者均构造成接纳在转子盘的根槽内。
另一方面，本发明的主题公开了燃气涡轮机转子系统。燃气涡轮机转子系统包括具有根槽的转子盘，具有叶根的涡轮叶片，以及具有适配器根的适配器组件。该适配器组件限定具有开口端的槽，涡轮叶片的叶根定位在该开口端中，使得适配器主体的适配器根和涡轮叶片的叶根彼此邻近。适配器主体的适配器根和涡轮叶片的叶根两者均定位在转子盘的根槽内。
参考以下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其他特征、方面以及优点将变得更好理解。结合在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图图示了本发明的实施例，并且与具体描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
在本说明书中参考附图陈述了对本领域技术人员而言本发明的完整及能够实施的公开，包括其最佳模式，其中：
图1图示了燃气涡轮机的一个实施例的简化的示意性图示；
图2图示了根据本发明主题的多个方面用于将涡轮叶片联接到转子盘上的适配器组件的一个实施例的透视图；
图3图示了图2中所示的适配器组件的分解视图；
图4图示了图2中所示的适配器组件的局部侧视图；以及
图5图示了图2中所示的适配器组件的横截面视图。
部件列表
10　燃气涡轮机
12　压缩机部分
14　燃烧器部分
16　涡轮部分
18　轴
20　涡轮转子
22　转子盘
24　涡轮叶片
100　适配器组件
102　适配器主体
104　适配器根
106　适配器根
108　适配器根
110　叶根
111　平台
112　波瓣
113　翼型件
114　凹槽
116　波瓣
118　第一侧
120　第二侧
122　保持壁
128　保持壁
132　前面
134　颈部
136　波瓣
142　前面
150　顶部波瓣
154　底部波瓣
164　天使翼
166　天使翼
390　部分
391　部分。
具体实施方式
现在将对本发明的实施例进行详细参考，其一个或多个示例在附图中进行了图解。各示例都作为本发明的解释而非本发明的限制提供。实际上，对本领域技术人员将显而易见的是在可在本发明中做出多种改型和变型而不背离本发明的范围或精神。例如，作为一个实施例的一部分图示或描述的特征可用在另一个实施例上以产生又另一个实施例。因此，其意图在于本发明覆盖落在所附权利要求及其等价物范围内的此类改型和变型。
总体上，本发明的主题公开了一种用于将涡轮叶片(例如涡轮轮叶)联接到涡轮转子的转子盘上的适配器组件。该适配器组件通常可包括具有适配器根和适配器槽的适配器主体，适配器根构造成联接到转子盘上，而适配器槽构造成轴向地接纳涡轮叶片的叶根。适配器主体的适配器根和涡轮叶片的叶根两者均构造成接纳在转子盘的根槽内。因而，适配器组件可用于翻新应用，以允许新设计的涡轮叶片被联接到预先存在的转子盘上。
现在参考附图，图1图示了燃气涡轮机10的示意性图解。燃气涡轮机10通常包括压缩机部分12，设置在燃烧器部分14内的多个燃烧器(未示出)，以及涡轮部分16。此外，系统10可包括联接在压缩机部分12和涡轮部分16之间的轴18。涡轮部分16通常可包括涡轮转子20，涡轮转子20具有多个转子盘22(显示了其中一个)和从各转子盘22径向向外延伸并被联接到各转子盘22上以便随其旋转的多个涡轮叶片24。各转子盘22又可联接到延伸通过涡轮部分16的轴18的一部分上。
在燃气涡轮机10的运行期间，压缩机部分12将压缩空气供应给燃烧器部分14的燃烧器。空气和燃料在各燃烧器内混合并燃烧，且热气体路径中的热燃烧气体流从燃烧器部分14流向涡轮部分16，其中能量由涡轮叶片24从热气体提取。由涡轮叶片24提取的能量用于使转子盘22旋转，转子盘22又使轴18旋转。机械旋转能然后可用于驱动压缩机部分12并产生电力。
现在参考图2－4，图示了根据本发明主题的各个方面用于将涡轮叶片24联接到涡轮机转子20的其中一个转子盘22上的适配器组件100的一个实施例的不同视图。具体地，图2图示了联接在涡轮叶片24和转子盘22之间的适配器组件100的透视图。图3图示了图2中所示的适配器组件100和涡轮叶片24的分解视图。此外，图4图示了图2中所示的适配器组件100和涡轮叶片24的部分侧视图，尤其图示了联接在适配器组件100内的涡轮叶片24。
如图所示，所公开的适配器组件100通常可包括用于将涡轮叶片24联接到涡轮转子20的其中一个转子盘22(图2中仅示出了其一部分)的附接件。尤其是，适配器组件100可构造成允许涡轮叶片24具有一个附接构造，该附接构造要联接到具有不同附接构造的转子盘22上。因此，在若干实施例中，适配器组件100可包括具有附接特征的适配器主体102，附接特征通常对应于涡轮叶片24和转子盘22的附接特征。例如，适配器主体102可包括适配器根104和适配器槽108，适配器根104构造成接纳在限定在转子盘22中的多个周向隔开的根槽106的其中一个内，而适配器槽108构造成接纳涡轮叶片24的叶根110。
应该理解的是，本文所述的涡轮叶片24可通常类似于本领域已知的任何合适的涡轮叶片而构造。因此，叶根110可构造成从限定流经燃气涡轮机10的涡轮部分16的热燃烧气体的径向内边界的大体平坦的平台111径向向内延伸。此外，涡轮叶片24可包括从平台111径向向外延伸的翼型件113。
通常，适配器根104可包括适配器主体102的径向向内延伸部分，其具有大体对应于限定在转子盘22中的根槽106的形状和/或剖面的形状和/或剖面。例如，在一个实施例中，转子盘22的根槽106可具有常规的枞树型构造，并且可包括一对或更多对轴向延伸的凹槽114。在此类实施例中，如图2中所示，适配器根104可具有类似的枞树型构造，并且可包括一对或更多对轴向延伸的柄脚或波瓣116，其大体构造成与限定在根槽106中的凹槽114配合。因而，适配器根104可构造成轴向地插入其中一个根槽106内，从而允许适配器主体102被联接到转子盘22上并随其旋转。类似地，涡轮叶片24的叶根110可具有类似的枞树型构造并且可包括一对或更多对轴向延伸的柄脚或波瓣112，其构造成轴向地插入其中一个根槽106内。应该理解的是，在备选实施例中，根槽106和适配器根104和/或叶根110可具有本领域中已知的任何其他合适的附接构造。例如，在一个实施例中，根槽106和适配器根106可具有对应的燕尾型附接特征。
适配器槽108通常可限定在从适配器根104径向向外的适配器主体102中。例如，如图3中所示，适配器主体102可包括从适配器根104径向向外延伸的第一侧118和第二侧120，且适配器槽108限定在第一侧118和第二侧120之间的适配器主体102内。此外，适配器槽108通常可构造成在适配器主体102内轴向地延伸，以形成保持壁122，128，其在适配器主体102的第一和第二侧118，120之间切向地延伸。各保持壁122、128的至少一部分390、391可具有与诸如当叶根110定位在槽108中时位于该部分附近的一个或更多叶根波瓣112和/或一个或更多根槽的剖面大体相同的剖面。例如，此类部分390、391可各具有小于或等于叶根波瓣和/或根槽的宽度的宽度，使得各部分均可插入根槽而不会阻塞进入。因而，涡轮叶片22可通过将叶根110径向地插入适配器槽108而联接至适配器主体102。此外，保持壁122、128通常可用作用于涡轮叶片24的轴向止挡件，并因而可提供用于将叶根110轴向地保持和/或密封在适配器槽108内的手段。
此外，适配器槽108通常可构造成具有对应于叶根110的形状和/或剖面的形状和/或剖面。例如，如图3中所示，叶根110具有枞树型特征，该特征包括狭窄的颈部134和从该颈部134向外分叉的波瓣136。因此，适配器槽108通常可具有类似的枞树型构造，并且可限定构造成接纳叶根110的颈部134和分叉波瓣136的形状和/或剖面。然而，在备选实施例中，叶根110和适配器槽108可具有本领域中已知的任何其他合适的附接构造。
以这种方式，适配器槽108可以径向地接纳叶根110，并且叶根110和适配器根104然后可以轴向地滑入根槽106。参看图5，根槽106可以包括一个或更多顶部波瓣150和一个或更多底部波瓣154。顶部波瓣150构造成接纳叶根110而底部波瓣构造成接纳适配器根104。
再次参看图2－4，在本发明主题的若干实施例中，适配器组件100可包括一个或更多天使翼164、166，其构造成提供联接到转子盘22上的旋转部件(例如，适配器组件100和/或涡轮叶片24)与设置在此类旋转部件的前方和后方的静止部件(未示出)之间的径向密封，以便防止邻近转子盘22的叶轮空间(未示出)内的热气体摄入。例如，如图示实施例中所示，保持壁122、128可分别包括天使翼166、164。具体如图4中所示，第一天使翼166可从保持壁122的前面142轴向地延伸，而第二天使翼164可从保持壁128的前面132轴向地延伸。在另一个实施例中，保持壁122、128可各包括两个或更多向外延伸的天使翼164、166。备选地，仅其中一个保持壁122、128可包括由其向外延伸的一个或更多天使翼164、166。
本发明公开允许利用陶瓷基质合成材料用于涡轮叶片部件如叶根，而适配器组件可由较便宜的金属合金形成。已经做出努力来在涡轮轮叶的建造中将金属的使用替换成陶瓷材料的使用，如陶瓷基质合成材料或单体陶瓷。结果，许多涡轮轮叶已经被重新设计以适应陶瓷材料的使用，例如通过对叶根进行再成形。不幸的是，此类再成形在将叶根附接到安装在燃气涡轮机内的先前存在的转子盘上时会导致问题。通过利用本发明公开，叶根可由期望的材料形成但仍然能够附接到已经存在的转子盘上，或者与新的设计附接，同时保持陶瓷叶片建造尽可能简单。
此书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且也使得本领域技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所结合的方法。本发明可获专利的范围由权利要求限定，并可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果此类其他示例包括无异于权利要求的字面语言的结构要件，或如果它们包括的等价性结构要件与权利要求的字面语言没有实质性的差异，则此类其他示例意在属于权利要求的范围之内。

Claims (20)

1. 一种用于将涡轮叶片的叶根联接到转子盘的根槽上的适配器组件，所述适配器组件包括：
包括叶根的涡轮叶片；以及
包括适配器根的适配器主体，所述适配器主体限定具有开口端的槽，所述开口端构造成接纳所述涡轮叶片的所述叶根，使得所述适配器主体的所述适配器根和所述涡轮叶片的所述叶根在所述涡轮叶片的所述叶根定位在所述槽内时彼此邻近，并且所述适配器主体的所述适配器根和所述涡轮叶片的所述叶根两者均构造成接纳在所述转子盘的所述根槽内。
2. 如权利要求1所述的适配器组件，其特征在于，由所述适配器主体限定的所述槽包括一个或更多壁，所述一个或更多壁具有的宽度小于或等于所述叶根、根槽或它们的组合的宽度。
3. 如权利要求1所述的适配器组件，其特征在于，涡轮叶片包括陶瓷基质合成材料、金属合金或单体陶瓷。
4. 如权利要求1所述的适配器组件，其特征在于，所述涡轮叶片的所述叶根包括陶瓷基质合成材料、金属合金或单体陶瓷。
5. 如权利要求1所述的适配器组件，其特征在于，所述适配器主体包括金属合金。
6. 如权利要求1所述的适配器组件，其特征在于，所述适配器根包括金属合金。
7. 如权利要求1所述的适配器组件，其特征在于，所述涡轮叶片的所述叶根包括陶瓷基质合成材料而所述适配器主体包括金属合金。
8. 如权利要求1所述的适配器组件，其特征在于，还包括从所述适配器主体延伸的至少一个天使翼。
9. 如权利要求1所述的适配器组件，其特征在于，还包括从所述适配器主体延伸的两个或更多天使翼。
10. 如权利要求1所述的适配器组件，其特征在于，由所述适配器主体的所述适配器根以及所述涡轮叶片的所述叶根限定的剖面在所述涡轮叶片的所述叶根定位在所述槽内时与由所述根槽限定的剖面大致相同。
11. 一种燃气涡轮机转子系统，包括：
包括根槽的转子盘；
包括叶根的涡轮叶片；以及
包括适配器根的适配器组件，所述适配器组件限定具有开口端的槽，所述涡轮叶片的所述叶根定位在所述开口端中，使得所述适配器主体的所述适配器根和所述涡轮叶片的所述叶根彼此邻近，其中所述适配器主体的所述适配器根和所述涡轮叶片的所述叶根两者都定位在所述转子盘的所述根槽内。
12. 如权利要求11所述的燃气涡轮机转子系统，其特征在于，所述根槽包括两个或更多波瓣，所述两个或更多波瓣包括底部波瓣和顶部波瓣。
13. 如权利要求11所述的燃气涡轮机转子系统，其特征在于，所述适配器根至少定位在所述根槽的所述底部波瓣内，而所述叶根至少定位在所述根槽的所述顶部波瓣内。
14. 如权利要求11所述的燃气涡轮机转子系统，其特征在于，由所述适配器主体限定的所述槽包括一个或更多壁，所述一个或更多壁具有的宽度小于或等于所述叶根、根槽或它们的组合的宽度。
15. 如权利要求11所述的燃气涡轮机转子系统，其特征在于，涡轮叶片包括陶瓷基质合成材料、金属合金或单体陶瓷。
16. 如权利要求11所述的燃气涡轮机转子系统，其特征在于，所述涡轮叶片的所述叶根包括陶瓷基质合成材料、金属合金或单体陶瓷。
17. 如权利要求11所述的燃气涡轮机转子系统，其特征在于，所述适配器主体包括金属合金。
18. 如权利要求11所述的燃气涡轮机转子系统，其特征在于，所述适配器主体包括金属合金。
19. 如权利要求11所述的燃气涡轮机转子系统，其特征在于，所述适配器根包括金属合金。
20. 如权利要求11所述的燃气涡轮机转子系统，其特征在于，所述涡轮叶片的所述叶根包括陶瓷基质合成材料而所述适配器主体包括金属合金。
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