CN103119248B - 叶片装置和所属的燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种叶片装置（11），其具有转子（12）和沿着转子（12）的外周（U）分布在环（10）中的多个叶片（14），其中环（10）的两个直接相邻的叶片（14）形成叶片对（a，b，b’，b’’，d，e，h），在所述叶片对的叶片（14）之间设置有减振元件（A，B，B’，B’’，D，E，H），并且其中由于在径向方向（R）上作用的离心力，在转子（12）围绕转子轴线旋转时，相应的减振元件（A，B，B’，B’’，D，E，H）与配设给减振元件的叶片对（a，b，b’，b’’，d，e，h）的两个叶片（14）形成接触。为了引起叶片（14）的振动特性的频率解谐而由此不需对叶身（22）进行机械加工而提出，叶片环（10）具有至少两个带有不同减振元件（A，B，B’，B’’，D，E，H）的叶片对（a，b，b’，b’’，d，e，h）。

Description

叶片装置和所属的燃气轮机

技术领域

本发明涉及一种叶片装置，其具有转子和沿着转子的外周分布在环中的多个叶片，其中环的两个直接相邻的叶片形成叶片对，在所述叶片对的叶片之间设置有减振元件，并且其中由于在径向方向上作用的离心力，在转子围绕转子轴线旋转时，相应的减振元件与配设给所述减振元件的叶片对的两个叶片形成接触。

背景技术

已知应用在如燃气轮机的流体机械中的叶片装置设有减振元件。所述减振元件用于，衰减在工作期间在流体机械中能够由于不同的激励而出现的不期望的弯曲振动和扭转振动。以该方式能够避免由于高的振动幅度所决定的HCF(高循环疲劳的简称)损坏，所述HCF损坏能够导致过早的材料疲劳和导致因此缩短的叶片或叶片装置的寿命。在此，减振元件设置在各个叶片之间。通常应用松动的体部作为减振元件，所述减振元件在静止的状态下首先在转子上或者相应的支承结构上置于叶片的叶片根部之间，并且在转子工作时由于在径向方向作用的离心力而压紧相邻的叶片的叶片平台的下侧。在此，每个减振元件同时与两个相邻的叶片平台接触。由此，由于在相应的叶片平台和进行靠置的减振元件之间的摩擦，在叶片之间的、由于振动所引起的相对运动的动能能够被转换成热能。这衰减振动并且整体上导致叶片装置的降低的振动负荷。

在较老式的涡轮机中叶身振动通常借助于加固元件来抑制，所述加固元件将叶身直接地相互耦联。DE819242C和US1,618,285A中公开为此结构上的设计解决方案。

从参考文献EP1154125A2中已知一种叶片装置，其中至少两个减振元件在转子的周向方向上依次地设置在相邻的叶片之间，以便实现整个叶片装置的有效的减振。在所述参考文献中公开的减振元件以彼此不同的形式构成，以便能够尽可能地衰减多种不同的振动模式。经由在减振元件和叶片之间构成的接触区域并且还经由在各个减振元件之间构成的接触区域能够为了衰减通过摩擦作用能够将振动能量转换成热能。然而，构成在各个减振元件之间的接触区域仅具有线性接触的形式，显著的减振作用仅与所述线性接触联系在一起。

减振器的其他形式同样是已知的，例如根据FR1263677A已知多个在两个相邻的转子叶片之间的球的布置。

发明内容

本发明基于下述目的，提出一种具有减振元件的叶片装置，借助所述减振元件还能够更有效地衰减不期望的振动并且能够降低或者甚至避免由于激励所引起的叶片振动的倾向。

所述目的通过根据本发明所述的叶片装置来实现。

根据本发明，在开始所述的叶片装置中提出，叶片环具有至少两个带有不同的减振元件的叶片对。

本发明基于下述知识：与单独的叶片相比，通过将叶片与减振元件耦联也提高固有频率。因此，在应用相同的减振元件时，叶片环的全部叶片以相同的量解谐。因此，由于借助于在叶片环中的不同的减振元件进行不同的耦联，本身相同的并且对于不同的振动形式具有自身相同的固有频率的叶片表现为好像所涉及的叶片——尽管未耦联——对于振动模式具有不同的固有频率。通过在叶片之内应用不同的减振元件能够将相邻叶片的固有频率的大小调整为，使得直接相邻的叶片在其固有频率方面是基本上不同的。由此，可以获得下述叶片环，所述叶片环的叶片尽管具有相同的结构形式(除了制造公差之外)进而相同的固有频率(除了制造所决定的公差并且每个本身单独地进行考虑)在环中在振动方面表现为，所述叶片似乎具有不同的固有频率。换而言之，通过应用不同的减振元件，设置在环中的叶片的固有频率能够被调节。即使在非同步激励的情况下，所述叶片经受更小的激励，并且因此以更小的振动响应来反应，由此显著地降低颤动倾向。

在工作时，减振元件通过离心力压紧到叶片的相邻叶片平台的下侧上。由于相邻叶片的相对运动而在减振器和叶片平台之间形成摩擦，这引起耦联。该知识基于下述事实：通过耦联除了消耗之外还引起相邻叶片的固有频率的频率偏移。能够利用所述效应，以便叶片优选交替地解谐。尽管结构形式相同，仅由于减振元件不同，相邻的叶片如具有不同的固有频率的叶片一样作用。尤其当叶片交替地解谐时，如此解谐的叶片尤其不太倾向于颤动。此外，频率偏移的可借助减振元件实现的行程显著大于至今为止的措施。因此，根据本发明的叶片环与具有本身不同固有频率的叶片的叶片环相比显著更不倾向于颤动。在此方面，根据本发明的叶片环由于在一对叶片之间应用不同的减振元件而与常规的叶片环相比对于自激的振动和所谓的颤动是更加耐抗的。

因此，不同的减振元件能够取代用于调节固有频率的常用的且常规的措施，调节固有频率也能够称作“失谐”。所述措施例如是在叶片尖部上对后缘进行缩短、叶片轮廓的打磨或者在叶身中钻出叶片尖部侧的孔。本发明的特别的优点是，通过借助两个、配设给每个叶片的减振元件对叶片进行失谐而使所涉及的叶片的叶片轮廓能够保持不变，进而在级中和在流体机械中如在后缘缩短时不出现性能损失。因此，用于调节叶片的固有频率的至今为止的措施能够被取消。因此，节约时间和成本，因为能够完全地取消随重复的振动测量而对叶片进行重复加工的反复过程。

在此，叶片环的每个叶片配设给两个叶片对，其中设有两个或更多组的叶片对，在所述组中阻尼元件减振元件分别是相同的并且所述组的阻尼元件减振元件在组与组之间不同。

在此，设有第一组和第二组叶片对，其中第一组的每个叶片对与第一组的叶片对和第二组的叶片对相邻(AABBAABB排)。由此，实现与在ABAB排中相比更高的频率解谐，因为叶片的从替代模型中得出的耦联刚性刚度相对于相邻叶片是显著不同的。

当设有第一组、第二组和第三组叶片对时，能够实现同样有效的频率解谐，其中三个组之一中的每个叶片对与分别属于其他的两个组中的一个(ABCABC排)的两个叶片对相邻，所述两个叶片对分别所属于其他的两个组中的一个(ABCABC排)。

在下文中说明本发明的有利的设计方案。

优选地，不同的减振元件在大小、质量、横截面轮廓、材料和/或与叶片的耦联接触的类型方面是不同的。能够以低的耗费制造所述减振元件，而不必匹配不同组的叶片的轮廓和铸造。例如，减振元件在其几何形状方面不同。因此，借助适当成形的减振元件也能够有效地衰减振动模式，所述振动模式在全部减振元件的构造保持相同的情况下不能够被有效地衰减。替选地或者补充地，减振元件也能够在其质量方面不同，以便通过与适当的几何形状的组合有效地衰减尽可能大量的不同的振动模式。此外，通过应用由不同的材料制成的减振元件影响在接触区域中的摩擦条件(摩擦系数、粗糙度)，以便因此即使在提高的频率范围内也实现目的明确地衰减多种模式。

为了能够将减振元件适当地设置在相邻的叶片之间，所述减振元件优选构成为是棒形的。

在根据本发明的叶片装置的一个具体的改进形式中，叶片对的减振元件构成为是多件式的。所述减振元件包括——沿转子的周向方向观察——两个(或更多)依次设置的子元件，所述子元件优选构成为是棒形的。例如，子元件中的一个具有楔形的横截面，并且其他子元件具有呈四分之一圆形状的横截面。尤其通过减振元件或者其一部分的相互协调的横截面形状而能够尤其有效地实现根据本发明的优点。

在另一具体的改进形式中，由钢或陶瓷制造减振元件，即由能够实现有效衰减的材料来制造减振元件。

附图说明

下面，根据附图详细阐明根据本发明的叶片装置的实施例，其中

图1示出具有设置在叶片之间的、根据第一设计方案的减振元件的轴流式涡轮机的转子叶片环的展开的轴向断面图，

图2、4、5、6、7示出根据图1的断面图，然而具有根据其他设计方案的不同的减振元件和

图3示出关于借助于减振元件耦联叶片环的叶片的机械替代模型。

具体实施方式

在图1中示出没有进一步示出的轴流式涡轮机的沿着外周U分布在转子12上的叶片14的转子叶片环10的一部分。轴流式涡轮机例如能够构成为压缩机、汽轮机、或者静态燃气轮机，所述轴流式涡轮机包括具有叶片14的环10的叶片装置11。所述叶片分别具有用于将相应的叶片14固定在转子12上的叶根16。叶根16以已知的方式构造为是燕尾形的还或者枞树形的。为了形状配合地固定在转子12上，所述叶根被移入到转子12的相应于叶根16的保持槽中，使得在转子12旋转时可靠地保持叶片14。保持槽进而还有叶根16主要沿轴向方向延伸并且相对于机器轴线以一定调节角倾斜。

叶根16向外过渡为未进一步示出的叶颈，在所述叶颈上连接有平台18。所述平台的平台表面20对轴流式涡轮机的流动通道限界。在平台表面20上，独立地设置有空气动力学地弯曲的叶身22。

根据第一设计方案，平台18的朝向叶根16的下侧上，在直接相邻的叶片14的平台18之间设置有A型或B型的减振元件。两种类型A、B的减振元件构成为是棒形的，例如构成为减振拉筋。根据图1中示出的实施形式，减振元件A、B分别具有圆形的横截面。然而，A型的减振元件与B型的减振元件相比具有更大的直径。因此，两个减振元件A、B是圆柱形的。

在转子12旋转期间，松动地位于平台18之间的减振元件A、B沿径向方向R力求向外并且通过离心力压紧到相邻的平台18的倾斜的下侧上。每个减振元件A靠置于两个直接相邻的、形成叶片对a的叶片14。同样，每个减振元件B靠置于两个直接相邻的、形成叶片对b的叶片14。由于减振元件A、B的圆形的横截面，所述减振元件分别在形成线性接触的情况下靠置于每个叶片14。因为每个叶片14在叶颈两侧具有减振元件A、B，每个叶片14属于两个叶片对a、b。因此，根据图1中示出的叶片装置11，设有第一组24的叶片对a和第二组26的叶片对b，其中一个组24(或26)的每个叶片对a(或b)沿周向方向观察，与另一组26(或24)的叶片对b(或a)相邻。由于所述设计方案，减振元件A、B在周向方向U上交替地依次排列在两个直接相邻的叶片14之间。所述设计方案还称作具有ABAB样式的布置。

在图2以及其他的附图中，相同的特征设有相同的附图标记。

根据图2的设计方案与根据图1的设计方案的不同之处在于各个第二减振元件的形状和构造。替代设有更小直径的减振元件B，图2中现在设有减振元件B’，所述减振元件原则上具有与A型的减振元件相同的直径，然而，减振元件B’的横截面形状不是圆形的，而是圆弓形的。在此，圆弓形的形状选择成，使得完整圆的中心点还被圆弓形横截面所包围。通过圆弓形形状，减振元件B’平面状地靠置于叶片对b的(在图2中分别在右侧示出的)一个叶片14并且线状地靠置于叶片对b’的(在图2中分别在左侧示出的)另一叶片14。因此，根据图2中示出的叶片装置11，设有第一组24的叶片对a和第二组26的叶片对b’，其中第一组24(或26)的每个叶片对a(或b’)沿周向方向U观察，与另一组26(或24)的叶片对b’(或a)相邻。在此，原则上也是具有ABAB样式的排，其中减振元件A、B’或者叶片对a、b’的所说明的顺序沿着叶片环10的外周U以有规律的顺序重复。

图3示出具有根据图2的转子叶片14的叶片环10的展开断面图，其中替代减振元件A或B’，示出要应用在减振元件A、B’的替代模型中的弹簧28、30。因此减振元件A为对称的或圆柱形的减振器，所以在替代模型中，示出用于耦联叶片对a的两个叶片14的移位弹簧28。不对称的减振元件B’由于圆弦部段平面地靠置于平台18的倾斜的下侧上而除了移位之外还迫使出现力矩，使得除移位弹簧28之外在叶片对b’的叶片14之间示出在替代图解中的扭转弹簧30。移位弹簧28具有耦联刚度C1、C3并且扭转弹簧具有耦联刚度因此，各个叶片14的总的耦联刚度一方面通过耦联刚度C3和耦联刚度和C1的并联得出。在此，弹簧也能够具有非线性的特性。

因为叶身22相对于轴向方向X进行调整进而叶片14的平台18的两侧在叶身22的侧向构成为是不对称的，所以减振元件A、B或A、B’的具有ABAB样式的排引起叶片14的交替的频率解谐，由此，直接相邻的叶片14的固有频率仅通过应用不同的减振元件A、B、B’来偏移。频率的偏移在工作时防止环绕的振动波在安装叶片的环中传播，这使激励叶身22而颤动变难。这扩大轴流式涡轮机的工作范围并且确保可靠的工作。

用于对叶片14的振动模式的固有频率解谐的其他设计方案在图4、图5、图6和图7中示出。其中，示例地说明具有不同样式的其他的排。

图4示出具有三组24、26、27的叶片对a、b、d的新的排，其中组24、或26或27的每个叶片对a或b或d与两个叶片对b、d或a、d或a、b相邻，所述叶片对分别属于两个其他组26、27或24、27或24、26中的一个。在每个叶片对a的两个叶片14之间设有A型的减振元件。所述减振元件的横截面是圆形的并且具有相当大的直径。每个叶片对b配设有B型的减振元件，所述B型的减振元件在横截面中也是圆形的。然而与A型的减振元件相比，B型的减振元件的直径更小。每个叶片对d配设有D型的减振元件。在所示出的实施例中，所述D型的减振元件的设计方案相当于图2中的B’型的减振元件的设计方案。所述设计方案因此具有ABCABC排。

根据图5示出另一叶片装置11，其中设有第一组24和第二组26的叶片对a、b”，其中第一组24的每个叶片对a与第一组24的叶片对a和第二组26的叶片对b”相邻。在每个叶片对a的两个叶片14之间设置有A型的减振元件。所述A型的减振元件在横截面中是圆形的并且具有相当大的直径。每个叶片对b”配设有B”型的减振元件，所述B”减振元件的横截面是圆弓形的。所述设计方案能够描述为AABBAABB排。

具有ABBABB排的一个替选的设计方案在图6中示意地示出。在此，不同类型的A、A、B”的减振元件沿着外周在叶片环10的叶片14之间以重复的顺序分布。

接下来，图7示出在转子叶片环中的改动的减振元件E、H的另一ABAB排。第一组24的转子叶片对e14在各个所属的叶片14之间分别具有E型的减振元件。减振元件E原则上也构成为是棒型的。然而相反于减振元件A、B、B’、B”、D的至今为止示出的设计方案，所述减振元件在横截面中构成为是三角形的，使得所述减振元件平面地靠置于与配设给所述减振元件的叶片对e的每个叶片14。不同于减振元件E的减振元件H构成为是多件式的并且分别包括两个部件H1、H2。部件H1在横截面中是三角形的并且部件H2在横截面中具有呈四分之一圆形式的圆弓形的轮廓。由此，每个减振元件H得到两个面接触和一个线接触。

在图4、5、6和7中示出的叶片装置11具有与根据图1或图2的设计方案相比更高的耦联刚度，由此彼此直接相邻的叶片14在其频率特性方面还更加显著地被解谐。关于此点，当应借助于不同的减振元件引起叶片环10的叶片14的频率解谐以便避免叶片14的颤动激励时，所述叶片装置11尤其合适。

根据在叶片环中叶片14的数量，前述叶片装置11中的一个能够被尤其有利地应用。显然，当在环中的叶片数量不能够被二或三除尽时，每个叶片环10也可以应用更大数量的减振元件类型。

如果叶片环10具有不是所述排的减振元件类型数量的整数多倍的数量的叶片14，那么对于全部设计方案显然存在下述可能性：仅大部分相继的叶片对(a，b，b’，b”，d，e，h)是该排的成员并且形成所述排。然后，剩余的叶片对设有适当的减振元件，所述减振元件不能够隶属于所述排。在该情况下，也存在下述可能性：叶片环10实际上具有两个相邻的带有相同的或者接近的频率特性的叶片14。

此外，能够考虑或者相互组合各种不同的减振元件类型，使得在此示出的实施例不能够以任何方式视作为限制。B’型的和B”型的减振元件的在周向方向上交替的布置本身由于更上面已经提及的、叶片与叶片之间变化的耦联刚度而引起交替的频率解谐。

例如能够考虑，槽(开槽的减振元件)沿着横截面轮廓设置作为不同类型的减振元件之间的区别特征。此外，减振元件类型的其他排也同样是可能的，例如ABCBABCBA排。

因此整体上，本发明涉及一种叶片装置11，具有转子12和沿着所述转子12的外周U分布在环10中的多个叶片14，其中环10的两个直接相邻的叶片14形成叶片对a，b，b’，b”，d，e，h，在所述叶片对的叶片14之间设置有减振元件A，B，B’，B”，D，E，H，并且其中由于在径向方向R上作用的离心力，在转子12围绕转子轴线旋转时，相应的减振元件A，B，B’，B”，D，E，H与配设给减振元件的叶片对a，b，b’，b”，d，e，h的两个叶片14形成接触。为了引起叶片14的固有频率的频率解谐，由此不需对叶身22进行机械加工而提出，叶片环10具有至少两个带有不同的减振元件A，B，B’，B”，D，E，H的叶片对a，b，b’，b”，d，e，h。

Claims (4)

1.叶片装置(11)，具有转子(12)和沿着所述转子(12)的外周分布在叶片环(10)中的多个叶片(14)，所述叶片分别依次包括叶根(16)、平台(18)和叶身(22)，

其中所述叶片环(10)的两个直接相邻的叶片(14)形成叶片对(a，b，b’，b”，d，e，h)并且所述两个直接相邻的叶片配设有至少一个减振元件(A，B，B’，B”，D，E，H)，并且其中由于在径向方向(R)上作用的离心力在所述转子(12)围绕转子轴线旋转时相应的减振元件(A，B，B’，B”，D，E，H)与配设给所述减振元件的叶片对(a，b，b’，b”，d，e，h)的两个叶片(14)的平台(18)形成接触，

其中，为了调节所述叶片(14)的固有频率，叶片环(10)具有至少两个带有不同的减振元件(A，B，B’，B”，D，E，H)的叶片对(a，b，b’，b”，d，e，h)，并且其中所述叶片环(10)的每个叶片(14)配设给两个叶片对(a，b，b’，b”，d，e，h)，以及设有两组或更多组(24，26，27)的叶片对(a，b，b’，b”，d，e，h)，

在组内所述减振元件(A，B，B’，B”，D，E，H)分别是相同的，并且

组的减振元件(A，B，B’，B”，D，E，H)从组(24，26，27)到组(24，26，27)是不同的，

其特征在于，

设有第一组(24)和第二组(26)的叶片对(a，b”)，其中一个组(24或26)的大部分叶片对(a或b”)或每个叶片对(a或b”)与一个组(24或26)的叶片对(a或b”)相邻并且与另一组(26或24)的叶片对(b”或a)相邻，或者

设有第一组(24)、第二组(26)和第三组(27)的叶片对(a，b，d)，

其中一个组(24或26或27)的大部分叶片对(a或b或d)或每个叶片对与分别属于其他两个组(26，27或24，27或24，26)中的一组的两个叶片对(b，d或a，d或a，b)相邻。

2.根据权利要求1所述的叶片装置(11)，其中不同的减振元件(A，B，B’，B”，D，E，H)在大小、质量、横截面轮廓、材料和/或与所述叶片(14)的耦联接触的类型方面是不同的。

3.根据上述权利要求之一所述的叶片装置(11)，其中叶片对(h)的减振元件(H)构成为是多件式的。

4.燃气轮机，具有根据权利要求1至3之一所述的叶片装置(11)。