CN105008667A - 涡轮机转子叶片，涡轮机转子盘，涡轮机转子以及具有不同的根部和槽的接触面角度的燃气涡轮发动机 - Google Patents

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Abstract

根据本发明，提供了一种涡轮机转子叶片，其具有枞树形根部，其被布置成固定在转子盘中，所述转子盘能围绕转子轴线旋转。在垂直于所述转子轴线的平面内，所述根部包括具有第一根部接触面的第一根部凸角、具有第二根部接触面的第二根部凸角和具有第三根部接触面的第三根部凸角。所述第一根部接触面相对于所述径向根部底部轴线以第一根角，所述第二根部接触面相对于所述径向根部底部轴线以第二根角，并且所述第三根部接触面相对于所述根部径向轴线以第三根角成角度。所述涡轮机转子叶片的特征在于，所述第一根角比所述第二根角小，并且所述第二根角基本上等于所述第三根角。类似地，提供了一种涡轮机转子盘，其具有枞树形槽，所述槽包括第一槽角、第二槽角和第三槽角，所述第一槽角比所述第二槽角小，并且所述第二槽角基本上等于所述第三槽角。此外，提供了一种涡轮机转子，其包括所述涡轮机转子叶片和所述涡轮机转子盘。最后，提供了一种燃气涡轮发动机，其包括所述涡轮机转子。

Description

涡轮机转子叶片，涡轮机转子盘，涡轮机转子以及具有不同的根部和槽的接触面角度的燃气涡轮发动机
技术领域
本发明一般涉及涡轮机转子的设计。更具体地，它涉及改进的涡轮机转子叶片根部的接触面角度组，并涉及改进的涡轮机转子盘的槽的接触面角度组。
背景技术
涡轮机转子通常包括多个叶片、转子轴和转子盘。叶片通常包括翼面、平台和根部。叶片也被称为转子叶片或转子叶片组件。叶片的根部被用于接合叶片和转子盘，并确保该叶片在涡轮机的空闲状态和工作模式中都被固定到转子盘。
存在不同的方法以用于接合叶片和转子盘。一种方法是在转子盘的径向向外部分提供安装沟槽或槽。叶片的根部被插入，例如在槽内滑动。通过选择对应于槽的形状的根部形状，可以实现安全和弹性接合。
已知的是，使用枞树(firetree)形状用于转子叶片根部和转子盘的相应槽的轮廓。这种轮廓提供了叶片相对于转子盘的精确放置。此外，枞树轮廓比较强，以在转子盘和与其附接的叶片一起旋转期间，承受施加在叶片上的径向向外的力，即离心力。然而，在根部的一定寿命后，由于应力和机械负载，根部，特别是在与转子盘内的槽表面物理接触的部分可能破裂。可替代地，也可能在槽表面或转子盘的毗邻部分存在损坏和破裂，再次特别是在位于或接近与转子叶片的根部物理接触的那些部分处存在损坏和破裂。
因而存在跨根部和整个槽表面优化应力和机械负载的分布的目标。更具体地说，跨根部和槽之间的接触面的应力和机械负载的分布应当被优化。
发明内容
该目的是通过独立权利要求实现的。从属权利要求描述了本发明的有利进展和变型。
根据本发明，提供了一种具有枞树形根部的涡轮机转子叶片。
该根部包含至少一个根部侧部，该侧部包括至少三个根部凸角，每个根部凸角均包括根部接触面。每个根部接触面均具有根据公共基准轴的倾角，该倾角由根角表征。本发明表明，通过在某些边界条件下选择这些根角，在根部凸角上的应力分布可以被优化，从而根部凸角的损坏和/或破裂的风险被最小化。
根部接触面的接触面角度称为根角；槽接触面的接触面角度称为槽角。
本发明还包括从根部凸角到槽凸角传递该原理，其中该槽可以被描述为涡轮机转子盘的间隙或缝隙。
最后，本发明还公开了一种具有降低的损坏和/或破裂风险的涡轮机转子，其包括涡轮机转子叶片和涡轮机转子盘，两者都分别展示出根角和槽角，其考虑上面提到的边界条件被选择，并将在下文中更详细地介绍。此外，本发明还针对一种包括如上面所限定的涡轮机转子的燃气涡轮发动机。
在本发明的一个方面中，提供了一种具有枞树形根部的涡轮机转子叶片，其被布置成固定在转子盘中，其中转子盘在垂直于转子轴线的平面内围绕该转子轴线可旋转。根部包括根部底部和根部侧部。该根部侧部包括多个根部凸角，每个根部凸角均包括根部接触面，其被配置成与转子盘的槽接触面物理接触。多个根部凸角包括具有第一根部接触面的第一根部凸角，具有第二根部接触面的第二根部凸角和具有第三根部接触面的第三根部凸角，第一根部凸角比第二根部凸角更靠近根部底部，并且第二根部凸角比第三根部凸角更靠近根部底部。第一根部接触面相对于径向根部底部轴线以第一根角成角度，径向根部底部轴线由穿过转子轴线和根部底部的线限定。第二根部接触面相对于径向根部底部轴线以第二根角成角度；并且第三根部接触面相对于径向根部底部轴线以第三根角成角度。第一根角或第二根角或第三根角的任何一个或多个在任何其他根角的1°到15°的范围内。
优选地，第一根角或第二根角或第三根角的任何一个或多个在任何其他根角的1°到5°的范围内。
第一根角可以小于或大于第二根角，并且第二根角可以基本上等于第三根角。
第一根角可以比第二根角或第三根角小或大大约2°。
第一根角可以比第二根角小或大大约2°，并且第二根角可以等于第三根角。
在本发明的另一方面中，提供了一种具有枞树形槽的涡轮机转子盘，转子盘可在垂直于转子轴线的平面内绕该转子轴线可旋转。该槽包括槽底部和槽侧部。该槽侧部包括多个槽凸角，每个槽凸角均包括槽接触面，其被设置成与涡轮机转子叶片的根部接触面物理接触。该多个槽凸角包括具有第一槽接触面的第一槽凸角，具有第二槽接触面的第二槽凸角和具有第三槽接触面的第三槽凸角，第一槽凸角比第二槽凸角更靠近槽底部，并且第二槽凸角比第三槽凸角更靠近槽底部。第一槽接触面相对于径向槽底部轴线以第一槽角成角度，径向槽底部轴线由穿过转子轴线和槽底部的线限定。第二槽接触面相对于径向槽底部轴线以第二槽角成角度；并且第三槽接触面相对于径向槽底部轴线以第三槽角成角度。第一槽角或第二槽角或第三槽角的任何一个或多个在任何其它槽角的1°到15°的范围内。
优选地，第一槽角或第二槽角或第三槽角的任何一个或多个在任何其他槽角的1°至5°的范围内。
第一槽角可以小于或大于第二槽角，并且第二槽角可以基本上等于第三槽角。
第一槽角可以比第二槽角或第三槽角小或大大约2°。
第一槽角可以比第二槽角小或大大约2°，并且第二槽角等于第三槽角。
本发明的一个方面是涡轮机转子叶片，特别是燃气涡轮机转子叶片，在下文中，为了简单起见，涡轮机转子叶片也被表示为叶片。该叶片包括枞树形根部并且被布置为固定在转子盘内。转子盘围绕转子轴线可旋转，该转子轴线特别用作盘的旋转轴线。在垂直于转子轴线的平面内，根部包含根部底部和根部侧部。该根部侧部包括多个根部凸角，每个根部凸角均包括根接触面，其被配置成与转子盘的槽接触面物理接触。多个根部凸角包括具有第一根部接触面的第一根部凸角，具有第二根部接触面的第二根部凸角和具有第三根部接触面的第三根部凸角。第一根部凸角比第二根部凸角更靠近根部底部，并且第二根部凸角比第三根部凸角更靠近根部底部。此外，根部具有径向根部底部轴线-它是假想的-并且由穿过转子轴线和根部底部的线限定。
第一根部接触面相对于径向根部底部轴线以第一根角成角度，第二根部接触面相对于径向根部底部轴线以第二根角成角度，并且第三根部接触面相对于径向根部底部轴线以第三根角成角度。根据本发明，涡轮机转子叶片的特征在于，第一根角比第二根角小，并且第二根角基本上等于第三根角。
涡轮机是在转子和流体之间传递能量的机器。更具体地，它在转子的旋转运动和流体的横向流动之间传递能量。涡轮机的第一种类型是涡轮，例如燃气涡轮发动机的涡轮部分。涡轮将能量从流体传递到转子。涡轮机的第二种类型是压缩机，例如燃气涡轮发动机的压缩机部分。压缩机将能量从转子传递到流体。
涡轮机包括转子，其为绕旋转轴线旋转的旋转机械装置。涡轮机可以另外包括定子和壳体。
涡轮机转子可以包括多个叶片，转子轴线和转子盘。叶片可包括若干个叶片组件，例如翼面、平台和根部。叶片可以制成为单件或由相互连接的叶片组件组成。
显然，叶片是一个三维物体。当叶片被布置成被紧固或固定在转子盘内时，其围绕转子轴线旋转，垂直于转子轴线并与叶片相交的平面可以被建立。因此，可进行叶片的二维分析。再次显然确实存在许多这样的平面。但是，只有一些平面满足关于上述它们的接触面的角度的要求。根据本发明，叶片不得不展示垂直于转子轴线的至少一个平面，其中这些要求得到满足。
叶片的根部底部被定义为当根部被安装在转子盘内时，最接近于转子轴线的根部的部分。
尽管本发明的概念将在剖视图内进行说明，但是应当强调的是一般来说叶片具有轴向膨胀。这种轴向膨胀，其中轴向与转子轴线有关，可以使得在轴向方向上的叶片的投影与在垂直于转子轴线的平面内的叶片的横截面是相同的。叶片的轴向膨胀另选地也可以使得叶片，特别是它的根部，关于轴向方向是弯曲的或弯的，从而在轴向方向上的叶片的投影不同于在垂直于转子轴线的平面内的叶片的横截面。在下文中，在垂直于转子轴线的平面内的根部的横截面将总是被描述。
根部底部可以是独特的点。如果最靠近转子轴线的根部的部分，其被称为根部底部部分，被凹入弯曲，根部底部也可以由一个线段表示。如果根部包括管道、导管或类似特征部，特别是在根部底部部分中，这种管道、导管或类似特征部在限定根部底部时不应被考虑。
根部包括至少一个根部侧部。该根部侧部具体包含从根部底部到-根部的相对于转子轴线的最远点的整个部分。如果，作为一个例子，平台邻接根部，根部侧部由平台限制。如，作为另一个例子，叶片邻近于根部，根部侧部由叶片限定。此外，根部侧部具有关于转子轴线被周向定向的表面。
根部侧部包括至少三个根部凸角。凸角，在文献中也被称为凸耳或角部或齿，可具有凸面部和/或凹面部和/或平面部。
根部凸角可以通过由下面的线段所包围的区域被限定：(a)在径向向内局部根部距离最小值和径向向外局部根部距离最小值之间的表面部分，由此根部距离由根部的表面部分和径向根部底部轴线的轴线部分之间的根部距离线段的长度限定，局部根部距离最小值表示根部距离的局部最小值，并且径向向内局部根部距离最小值表示更靠近转子轴线的，即与另一个局部根部距离最小值相比更径向向内的局部根部距离最小值，径向向内局部根部距离最小值和径向向外局部根部距离最小值是两个相邻的局部根部距离最小值，(b)径向向内局部根部距离最小值的根部距离线段，(c)径向向外局部根部距离最小值的根部距离线段，和最后(d)投影根部凸角线段，其是径向向内局部根部距离最小值和径向向外局部根部距离最小值之间的表面部分到径向根部底部轴线的投影。根部线段和根部距离线段分别垂直于径向根部底部轴线。换句话说，根部凸角是根部侧部的表面的两个相邻凹口之间的区域。
如果根部底部是点，则根部底部和径向向内局部根部距离最小值对于最内根部凸角是重合的。如果根部底部是线段，其被定义为：对于最内根部凸角，其部分地限定最内根部凸角的表面部分，由径向向外局部根部距离最小值和径向根部底部轴线与根部底部的交点限定。
显然，在微观尺度上，由于表面粗糙度、微裂纹等，根部侧部具有多个“微观局部最小值”。但是，当定义根部凸角的限制时，没有微观局部最小值，只有在宏观尺度上的局部最小值应该被考虑。
每一根部凸角均包括所谓的根部接触面，即第一、第二或第三根部接触面，其被设置成与相应的槽接触面物理接触。根部接触面是根部凸角的表面部分的一部分。当包括根部的叶片被与转子盘接合，并且包括叶片和转子盘的涡轮机转子工作时，产生径向力，即离心力。这些径向力导致从根部的部分到槽表面的部分的压力。该压力发生的表面部分被称为接触面。根部凸角的表面的其他部分也可以与槽的表面的部分物理接触，特别是当涡轮机转子不工作时，即不旋转时。然而，如所述，仅表面的这些部分被表示为接触面，在涡轮机转子操作过程中由于径向力在所述接触面产生压力。
根部接触面是根部表面部分的平面部分。因此，接触面角度可以被分配到每一个接触面。接触面角度相对于径向根部底部轴线被确定。显然，在径向根部底部轴线和从接触面延伸的线的交点，总是存在两个角度。这两个角度包括第一角度和第二角度。第一角度和第二角度的总和为180°。在本申请的上下文中，如果第一角小于或等于第二角度，第一角度被表示为根角；并且如果第二角度小于第一角度，第二角度被表示为根角。
根部侧部包括至少三个根部凸角，三个根部凸角被表示为第一根部凸角、第二根部凸角和第三根部凸角。
在一般情况下，从根部凸角到根部底部的距离可以通过投影根部凸角线段来确定，其是径向根部底部轴线的一部分。投影根部凸角线段的中心到根部底部的距离被称为从根部凸角到根部底部的距离。
在三个根部凸角当中，第一根部凸角最靠近根部底部，即第一根部凸角到根部底部的距离小于第二根部凸角到根部底部的距离。此外，第三根部凸角比第二根部凸角更远离根部底部，这意味着它比第二根部凸角更接近于翼面。
本发明公开了针对接触面角度的边界条件，其允许跨根部凸角的应力的最优化分布，特别是在涡轮机转子的运行过程中。边界条件包括以下要求：第一接触面角度应比第二接触面角度小，并且第二接触面角度应基本上等于第三接触面角度。
第一接触面角度比第二接触面角度和第三接触面角度小这一事实对于运行过程中的应力分布尤其有利。以这种方式，当涡轮机转子开始旋转时，主压力首先可以被施加在第二接触面和第三接触面上。只有一定的时间之后，显著程度的压力也可以被施加在第一接触面上。
根据本发明，第二根角和第三根角基本相等。其优点之一是简化的组装和制造。“基本上相等的”接触面角度包括在制造公差内可以彼此偏离的接触面角度。第二接触面角度和第三接触面角度不应彼此偏离超过5°，尤其是不超过2°，尤其是不超过1°。
应该提到的是，如果该根部侧部包括三个以上的根部凸角，它可能是有利的。如果根部侧部包括第四根部凸角，该第四根部凸角可以邻近于已经提到的三个根部凸角中的一个或两个定位。显然，根部侧部也可包括五个或更多个根部凸角。
除了该根部侧部，其在垂直于转子轴线的平面内包括多个根部凸角，在第一实施例中，在同一平面上根部可以包括另一根部侧部。也可以说，该根部侧部和另一根部侧部彼此周向相对，其中所指的圆周为与叶片接合的转子盘的圆周。
另一根部侧部可包括凸面部和/或凹面部和/或平面部。该根部侧部也可包括多个另外的根部凸角。
换句话说，这意味着存在有一个垂直于转子轴线的平面，其中根部的轮廓具有充当第一根部侧部的根部侧部，其包括多个根部凸角，和充当第二根部侧部的另一根部侧部，其包括多个另外的根部凸角。
在进一步的实施例中，多个根部凸角包括第一根部形状，多个另外的根部凸角包括第二根部形状，并且第一根部形状是第二根部形状在径向根部底部轴线的翻转的复制。
每个根部凸角均可被分配根部凸角形状。根部凸角形状由根部凸角的表面部分确定。在从最靠近根部底部的部分到最远离根部底部的部分的方向上描述，根部凸角形状可以首先包括凹面部，接着是包括最远离径向根部底部轴线的点的凸面部，接着是表示根部凸角的接触面的平面部，最后又接着是凹面部。
根部侧部的所有根部凸角形状的集合被表示为第一根部形状。另一根部侧部的所有根部凸角形状的集合被表示为第二根部形状。
形象地说，第一根部形状和第二根部形状可以一起具有类似于枞树的形状。
第一根部形状可以是第二根部形状的复制，单独地在径向根部底部轴线翻转。换句话说，第一根部形状与第二根部形状镜像对称，对称轴线为径向根部底部轴线。
这样的根部形状的一个优点是其容易和经济实惠的制造方法。根部凸角可由铣床被研磨成根部侧部。如果第一根部形状和第二根部形状彼此相似，研磨过程基本上被简化。
在进一步的实施例中，第一根部凸角的最大根部距离比第二根部凸角的最大根部距离更小，和/或第二根部凸角的最大根部距离比第三根部凸角的最大根部距离小。
这种根部凸角的组件的其中一个优点是整个机械负载以优化的方式跨不同的根部凸角被分布。
上述的叶片可被用作燃气涡轮发动机的一部分，该燃气涡轮发动机也由燃气轮机或燃气涡轮机表示。燃气涡轮发动机是一种类型的内燃机。它具有联接到下游涡轮部的上游旋转压缩机部，和在两者之间的燃烧室。
特别地，叶片可以是燃气涡轮发动机的压缩机部的一部分。另外地或可替代地，它也可以是燃气涡轮发动机的涡轮部的一部分。
本发明的另一个方面是针对涡轮机转子盘，也表示为转子盘。转子盘包括枞树形槽并且可围绕其转子轴线旋转。在垂直于转子轴线的平面内，该槽包括槽底部和槽侧部。槽侧部包括多个槽凸角，每个槽凸角均包括槽接触面，其被设置成与转子盘的根部接触面物理接触。多个槽凸角包括具有第一槽接触面的第一槽凸角，具有第二槽接触面的第二槽凸角和具有第三槽接触面的第三槽凸角。第一槽凸角比第二槽凸角更接近槽底部，并且第二槽凸角比第三槽凸角更接近槽底部。第一槽接触面相对于径向槽底部轴线以第一槽角成角度，该径向槽底部轴线由穿过转子轴线和槽底部的线限定，第二槽接触面相对于径向槽底部轴线以第二槽角成角度，并且第三槽接触面相对于径向槽底部轴线以第三槽角成角度。涡轮机转子盘的特征在于第一槽角比第二槽角小，并且第二槽角基本上等于第三槽角。
在转子盘的径向向外部分中，槽可被定义为狭缝或间隙。除了槽，转子盘可表现出理想化的圆柱形状。必须强调的是，该槽包括在转子盘的径向向外部分的“空的空间”和邻近该“空的空间”的转子盘的表面部分。
槽凸角的定义类似于根部凸角的定义。槽凸角由贝以下假想线段所包围的假想区域限定：(a)在径向向内局部槽距离最小值和径向向外局部槽距离最小值之间的表面部分，由此槽距离由槽的表面部分和径向根部底部轴线的轴线部分之间的槽距离线段的长度限定，局部槽距离最小值表示槽距离的局部最小值，并且径向向内局部槽距离最小值表示更靠近转子轴，即与另一局部槽距离最小值相比径向更向内的局部槽距离最小值，径向向内局部槽距离最小值和径向向外局部槽距离最小值是两个相邻的局部槽距离最小值，(b)径向向内局部槽距离最小值的槽距离线段，(c)径向向外局部槽距离最小值的槽距离线段，和最后(d)投影槽凸角线段，其是径向向内局部槽距离最小值和径向向外局部槽距离最小值之间的表面部分到径向槽底部轴线的投影。槽线段和槽距离线段分别垂直于径向槽底部轴线。换句话说，槽凸角是槽侧部的表面的两个相邻凹口之间的区域。
如果槽底部是点，则槽底部和径向向内局部槽距离最小值对于最内槽凸角重合。如果槽底部是线段，即在槽底部的凸盘表面部，它被定义为：对于最内槽凸角，其部分地限定最内槽凸角的表面部分由径向向外局部槽距离最小值，以及径向槽底部轴线和槽底部的交点限制。
很显然，由于表面粗糙度、微裂纹等，在微观尺度上槽侧部具有多个“微观局部最小值”。但是，当限定槽凸角的限制时，没有微观局部最小值，而只是在宏观尺度上局部最小值应被考虑。
因此，通过将本发明的构思应用到转子盘内的槽，该槽被类似于叶片中的枞树形根部设计。本发明的同样概念适于：通过考虑某些边界条件选择槽角度，在槽接触面上的应力分布可以被优化，并且因此槽接触面的损坏和/或破裂风险可以被最小化。
在一个优选的实施例中，槽包括另一槽侧部，该另一槽侧部包括多个另外的槽凸角，并且充当第一槽侧部的槽侧部和充当第二槽侧部的另一槽侧部-彼此周向相对。
具有与带多个槽凸角的槽侧部周向相对的带多个另外的槽凸角的另一槽侧部的第一个优点是一方面叶片和转子盘之间的接合的增加的稳定性。第二个优点是跨数量增加的槽接触面的应力和机械负载的潜在更好的分布。
另一个优选实施例包括第一槽形状，其是第二槽形状在径向槽底部轴线翻转的复制。
类似于根部凸角的镜像对称，镜像对称的槽凸角对也具有重要的优点。此时，每个槽凸角均呈现槽凸角形状，并且第一槽形状是由槽凸角的槽凸角形状构成，而第二槽形状是由另外的槽凸角的槽凸角形状构成。
再次，优点例如产生于制造该槽的成本降低。
在进一步的实施例中，第一槽凸角的最大槽距离比第二槽凸角的最大槽距离更小，和/或第二槽凸角的最大槽距离比第三槽凸角的最大槽距离更小。
这种槽凸角组件具有整个机械负载以优化的方式跨不同的槽凸角分布的优点。
在一个优选实施例中，燃气涡轮发动机包括转子盘。具体地，转子盘可以是燃气涡轮发动机的压缩机部和/或涡轮部的一部分。
应当强调，针对叶片的根部所描述的细节、优点和结构变形一般也对转子盘的槽有效，反之亦然。
本发明的另一方面涉及涡轮机转子，其包括涡轮机转子叶片和涡轮机转子盘。叶片的根部和转子盘的槽分别呈现相互对应的根部形状和槽形状。两者的形状可以是几乎相同的。另选地，两个形状也可以在某些方面故意地彼此偏离。尤其是，在涡轮机转子的运转过程中，根部和槽的相应接触面紧密接触，而相应的剩余表面部分在它们之间展示至少部分的间隙，可能是有益的。从而，例如由于不同的热膨胀系数或由于根部和槽的不同温度，根部和槽的不同热膨胀能够得到补偿。
在一个优选实施例中，根部凸角的接触面和槽凸角的接触面之间的物理接触在涡轮机转子的运行过程中被建立。
在空闲状态，即当涡轮机转子静止不动且没有径向力-即离心力-被施加在诸如根部和槽之类的部件上时，根部凸角的接触面和槽凸角的接触面之间的间隙可以存在。当涡轮机转子开始旋转时，离心力径向向外朝向槽接触面推动或按压具有包括其根部凸角的其根部的叶片。凸角经受的离心力的大小，除其他因素外，取决于凸角的形状，特别是接触面的角度。当接触面角度与等于相邻凸角的接触面角度的接触面角度相比减小时，施加在径向最内凸角上的离心力的大小被降低。
本发明的最后方面涉及一种燃气涡轮发动机，其包括具有上述特征的涡轮机转子。燃气涡轮发动机可以例如在航空、载客车辆、船舶中被用作机械驱动器，并与发电机连接。
本发明涉及将旨在绕轴线旋转的部件安装到承载安装的部件的部件上。这适用于例如蒸汽轮机或燃气轮机的转子叶片。本发明原则上也可以用于其他旋转机械，例如电机或压缩机。此外，本发明的叶片根部也可用于安装非旋转定子叶片，即使关于离心力的问题对于非旋转装置不存在。
本发明的上述限定的方面和进一步的各方面从在下文将要描述的实施例的示例中是显而易见的，并将参照实施例的示例进行解释。
附图说明
现在仅通过示例参照附图描述本发明的实施例，附图中：
图1：以透视图示出了现有技术的转子盘的一部分；
图2：以透视图示出了现有技术的叶片；
图3：以剖面图分别示出了枞树形根部和枞树形槽的部件，其着重示出了相对于径向根部和槽底部轴线的接触面角度；
图4：以剖面图分别示出了枞树形根部和枞树形槽的部件，其着重示出了根和槽的距离。
附图中的图示是示意性的。应该注意的是，对于在不同的附图中的相似或相同的元件，将使用相同的附图标记。
具体实施方式
参照图1，两种现有技术的转子盘，转子盘11和另一转子盘11'的部分在透视图中被示出。在盘11的径向外部区域，多个槽12被示出。每个枞树形槽均被设计为使得枞树形根部(未示出)装配到其中。
图2示出了现有技术的叶片20，其包括翼面21、平台22和根部23。应当重复的是，附图不是按比例的：具体地，翼面21在其它示例性实施例中可以实质上更大。根部23包括根部底部24、第一根部凸角25、第二根部凸角26和第三根部凸角27。每个根部凸角25，26，27均包括在其表面部分的接触面。第一根部25包括第一根部接触面251，第二根部26包括第二根部接触面261，并且第三根部27包括第三根部接触面271。
图3描绘了根部23和槽12的部分。此时，在垂直于转子轴线31的平面中的剖面图被示出。根部23包括根部底部36并展示出径向根部底部轴线32，与转子轴线31和根部底部36相交。根部23也包括具有约45°的第一根角331的第一根部接触面33，具有约55°的第二根角341的第二根部接触面34和具有约55°的第三根角351的第三根部接触面35。给定根角331，341，351是示例性的，仅适用于所描述的示例性实施例。
槽12包括具有约45°的第一槽角331'的第一槽接触面33'，具有约55°的第二槽角341'的第二槽接触面34'，和具有约55°的第三槽角351'的第三槽接触面35'。在图3的示例性实施例中，根部23和槽12分别包括相同的根角331，341，351和槽角331'，341'，351'。这一事实以及给定的槽角331'，341'，351'是示例性的，仅适用于所描述的示例性实施例。
在另一示例性实施例中，根部23也包括具有约43°的第一根角331的第一根部接触面33，具有约45°的第二根角341的第二根部接触面34和具有约45°的第三根角351的第三根部接触面35。同样地，槽12包括具有约43°的第一槽角331'的第一槽接触面33'，具有约45°的第二槽角341'的第二槽接触面34'，具有约45°的第三槽角351'的第三槽接触面35'。在本示例性实施例中，根部23和槽12分别包括相同的根角331，341，351和槽角331'，341'，351'。这一事实以及给定的槽角331'，341'，351'是示例性的，并且只适用于所描述的示例性实施例。
如可以看到的，第一接触面角度331，331'比第二接触面角度341，341'小，并且第二接触面角度341，341'基本上等于第三接触面角度351，351'。
最后，图4在剖视图中分别示出了枞树形根部23和枞树形槽12的部件，着重示出了根部和槽的距离。根部23包括根部底部36和第一根部凸角41。第一根部凸角41包括根部23的由第一区域限定的一部分，该第一区域被根部底部36和第一局部根部距离最小值414之间的表面部分、由413和414限定的线段、以及由36和413所限定的线段所确定的第一投影根部凸角线段所包围。类似地，第二根部凸角43包括根部23的由第二区域限定的一部分，该第二区域被第一局部根部距离最小值414和第二局部根部距离最小值434之间的表面部分、由433和434限定的线段，以及由413和433所限定的线段所确定的第二投影根部凸角线段所包围。再次类似地，第三根部凸角45包括根部23的由第三区域限定的一部分，该第三区域被第二局部根部距离最小值434和第三局部根部距离最小值454之间的表面部分、由453和454限定的线段，以及由433和453所限定的线段所确定的第三投影根部凸角线段所包围。
图4还示出了槽距离。槽12包括槽底部37和第一槽凸角42。第一槽凸角42包括槽12的由第一区域限定的一部分，该第一区域被槽底部37和第一局部槽距离最小值422之间的表面部分、由421和422限定的线段、以及由37和422所限定的线段所确定的第一投影槽凸角线段所包围。类似地，第二槽凸角44包括槽12的由第二区域限定的一部分，该第二区域被第一局部槽距离最小值422和第二局部槽距离最小值442之间的表面部分、由441和442限定的线段，以及由421和441所限定的线段所确定的第二投影槽凸角线段所包围。再次类似地，第三槽凸角46包括槽12的由第三区域限定的一部分，该第三区域被第二局部槽距离最小值442和第三局部槽距离最小值462之间的表面部分、由461和462限定的线段，以及由441和461所限定的线段所确定的第三投影槽凸角线段所包围。
图4进一步示出了本发明的示例性实施例，其具有增加的最大根部和槽距离。如可以在图4中看到的，第一根部凸角41的最大根部距离，其由411和412限定的线段的长度确定，比第二根部凸角43的最大根部距离小，所述第二根部凸角43的最大根部距离由431和432限定的线段长度确定，其又比第三根部凸角45的最大根部距离小，所述第三根部凸角45的最大根部距离由451和452限定的线段的长度确定。类似地，第一槽凸角42的最大槽距离，其由线段423和424限定的线段的长度确定，比第二槽凸角44的最大槽距离小，所述第二槽凸角44的最大槽距离由443和444限定的线段长度确定，其又比第三槽凸角46的最大槽距离小，所述第三槽凸角46的最大槽距离由463和464限定的线段的长度确定。
图3和图4的典型实施例示出了接触面角度331，331'，341，341'，351，351'，这对于应力和机械负荷跨根部和槽表面的分布是特别有利的。
从具有标称相等接触面或支承侧面角的叶片根部和盘槽设计，到具有远小于第二侧面角341，341'和第三侧面角35，35'的第一侧面角331，33'的本发明，意味着第一接触面33，33'导致在第一根部凸角25中降低的负载，以及因此降低的接触应力和降低的弯曲应力。因此，在第二接触面34，34'和第三接触面35，35'上的负载增加，并且因此增加在第二根部凸角26和第三根部凸角27中的接触应力和弯曲应力。
在减小侧面接触角(331，331')中，由于减小的截面积，相关联的凸角变得不太硬(更柔性)，因此凸角具有较小的抵抗所施加的接触力造成的弯曲的能力。
这种增加的柔性减小了侧面接触面上的负载量，因此存在由根部23承载的总负载在所有凸角之间的再分配，其中看出第二凸角和第三凸角的负载相对增加。
应当理解的是，由接触面33，33'，34，34'，35，35'承受的负载和接触面之间的总负载的分布可以产生，并受许多因素影响，所述因素可包括来自于叶片质量的离心载荷、叶片的空气动力载荷、热应变、盘的径向增长以及因此盘柱/槽的几何变化。
公差和公差累积也会引起各凸角的接触面从标称设计负载经历不同的负载。此外，在每个凸角的接触面上的负载分布可能进一步受到单个凸角本身的几何形状以及因此根部和槽的几何形状的弯曲性能的影响。因此，对于具有标称相等接触侧面角的转子盘槽和叶片根部设计，在运转过程中，负载的分布可以显著彼此不同，并且可能对根部或盘柱/槽的长寿有害。
在一种情况下，具有标称相等的接触面或侧面角并且其中在第一接触面33，33'上的负载比在第二面和第三面上大，降低了第一根部和槽凸角相对于第二和第三接触面的接触面角度的叶片根部和盘槽设计增加了第一凸角的柔性，并且从而降低了在第一凸角上的负载。这减少了在接触面上的负载量，并且因此降低了其在第一凸角25中的铺垫(bedding)应力和弯曲应力。有利的结果是总负载在各第一、第二和第三接触面上的更有利的分布。当然，根侧面和槽侧面的接触面积在第一、第二和第三接触侧面之间是不同的，那么更加相同的铺垫应力或压力是可以实现的。在第一接触面33，33'上和在第一凸角25内的这种应力降低可以增加叶片和/或盘的使用寿命。
在另一种情况下，可能希望增加在第一凸角25中的负载或接触应力和/或弯曲应力。在这种情况下，这样的增加是期望的，使得存在用于根部23的冗余失效条件。在这里，第二接触面34，34'和第三接触面35，35'是相对较小的加载的或具有比标称相等的加载或加应力的接触面设计降低的负载。因此，在发生故障的情况下，第二接触面34，34'和第三接触面35，35'以及它们的凸角26，27能够承载总负载，例如至少直到下一维修间隔。
应当指出的是，引述的角度是标称角度，而且这些角度经受公差。根部和槽的接触面可被称为侧面。
用于根部的同样目标和优点可以被应用于盘柱，所述盘柱限定采用相同的原则限定盘槽，用于相对于任何其他减少或增加一个或多个槽接触面角度。

Claims (21)

1.一种涡轮机转子叶片(20)，其具有枞树形根部(23)，其被布置成固定在转子盘(11)中，所述转子盘(11)能围绕转子轴线(31)旋转，
其中，在垂直于所述转子轴线(31)的平面内
-所述根部(23)包括根部底部(36)和根部侧部；
-所述根部侧部包括多个根部凸角(41，43，45)，所述根部凸角(41，43，45)中的每个均包括根部接触面，其被布置成与所述转子盘(11)的槽接触面物理接触；
-所述多个根部凸角(41，43，45)包括具有第一根部接触面(33)的第一根部凸角(41)、具有第二根部接触面(34)的第二根部凸角(43)和具有第三根部接触面(35)的第三根部凸角(45)，所述第一根部凸角(41)比所述第二根部凸角(43)更靠近所述根部底部(36)，并且所述第二根部凸角(43)比所述第三根部凸角(45)更靠近所述根部底部(36)；
-所述第一根部接触面(33)相对于径向根部底部轴线(32)以第一根角(331)成角度，所述径向根部底部轴线(32)由穿过所述转子轴线(31)和所述根部底部(36)的线限定；
-所述第二根部接触面(34)相对于所述径向根部底部轴线(32)以第二根角(341)成角度；并且
-所述第三根部接触面(35)相对于所述径向根部底部轴线(32)以第三根角(351)成角度；其特征在于，
所述第一根角(331)或所述第二根角(341)或所述第三根角(351)的任何一个或多个在任何其他根角的1°到15°的范围内。
2.根据权利要求1所述的涡轮机转子叶片(20)，其中所述第一根角(331)或所述第二根角(341)或所述第三根角(351)的任何一个或多个在任何其他根角的1°至5°的范围内。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的涡轮机转子叶片(20)，其中所述第一根角(331)小于或大于所述第二根角(341)，并且所述第二根角基本上等于所述第三根角(351)。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的涡轮机转子叶片(20)，其中所述第一根角(331)比所述第二根角(341)或所述第三根角(351)小或大约2°。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的涡轮机转子叶片(20)，其中所述第一根角(331)比所述第二根角(341)小或大约2°，并且所述第二根角(341)等于所述第三根角(351)。
6.根据权利要求1-5中的任一项所述的涡轮机转子叶片(20)，其中所述根部(23)包括另一根部侧部，所述另一根部侧部包括多个另外的根部凸角，并且所述根部侧部和所述另一根部侧部彼此周向相对。
7.根据权利要求6所述的涡轮机转子叶片(20)，其中所述多个根部凸角(41，43，45)包括第一根部形状，并且所述多个另外的根部凸角包括第二根部形状，所述第一根部形状是所述第二根部形状在所述径向根部底部轴线(32)翻转的复制。
8.根据前述权利要求的任一项所述的涡轮机转子叶片(20)，其中
-每个根部凸角(41，43，45)均具有到所述径向根部底部轴线(32)的最大根部距离，所述根部距离由根部凸角的表面部分和所述径向根部底部轴线(32)的轴线部分之间的根部线段的长度限定，所述根部线段垂直于所述径向根部底部轴线(32)；并且
-所述第一根部凸角(41)的最大根部距离小于所述第二根部凸角(43)的最大根部距离，和/或所述第二根部凸角(43)的最大根部距离小于所述第三根部凸角(45)的最大根部距离。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的涡轮机转子叶片(20)，
其中所述涡轮机转子叶片(20)是燃气涡轮发动机的一部分，尤其是所述燃气涡轮发动机的涡轮部和/或所述燃气涡轮发动机的压缩机部的一部分。
10.一种涡轮机转子盘(11)，其具有枞树形槽(12)，所述转子盘(11)能围绕转子轴线(31)旋转；
其中，在垂直于所述转子轴线(31)的平面内
-所述槽(12)包括槽底部(37)和槽侧部；
-所述槽侧部包括多个槽凸角(42，44，46)，所述槽凸角(42，44，46)中的每个均包括槽接触面，其被布置成与涡轮机转子叶片(20)的根部接触面物理接触；
-所述多个槽凸角(42，44，46)包括具有第一槽接触面(33')的第一槽凸角(42)、具有第二槽接触面(34')的第二槽凸角(44)和具有第三槽接触面(35')的第三槽凸角(46)，所述第一槽凸角(42)比所述第二槽凸角(44)更靠近所述槽底部(37)，并且所述第二槽凸角(44)比所述第三槽凸角(46)更靠近所述槽底部(37)；
-所述第一槽接触面(33')相对于所述径向槽底部轴线(32)以第一槽角(331')成角度，所述径向槽底部轴线(32)由穿过所述转子轴线(31)和所述槽底部(37)的线限定；
-所述第二槽接触面(34')相对于所述径向槽底部轴线(32)以第二槽角(341')成角度；并且
-所述第三槽接触面(35')相对于所述径向槽底部轴线(32)以第三槽角(351')成角度；其特征在于
-所述第一槽角(331')或所述第二槽角(341')或所述第三槽角(351')的任何一个或多个在任何其他槽角的1°至15°的范围内。
11.根据权利要求10所述的涡轮机转子盘(11)，其中所述第一槽角(331')或所述第二槽角(341')或所述第三槽角(351')的任何一个或多个在任何其他槽角的1°至5°的范围内。
12.根据权利要求10所述的涡轮机转子盘(11)，其中所述第一槽角(331')小于或大于所述第二槽角(341')，并且所述第二槽角基本上等于所述第三槽角(351')。
13.根据权利要求10-12中的任一项所述的涡轮机转子盘(11)，其中所述第一槽角(331')比所述第二槽角(341')或所述第三槽角(351')小或大约2°。
14.根据权利要求10-12中的任一项所述的涡轮机转子盘(11)，其中所述第一槽角(331')比所述第二槽角(341')小或大约2°，并且所述第二槽角(341')等于所述第三槽角(351')。
15.根据权利要求10-14中的任一项所述的涡轮机转子盘(11)，
其中所述槽(12)包括另一槽侧部，所述另一槽侧部包括多个另外的槽凸角，并且所述槽侧部和所述另一槽侧部彼此周向相对。
16.根据权利要求15所述的涡轮机转子盘(11)，其中所述多个槽凸角(42，44，46)包括第一槽形状，并且所述多个另外的槽凸角包括第二槽形状；
所述第一槽形状是所述第二槽形状在所述径向槽底部轴线(32)翻转的复制。
17.根据权利要求10至16中的任一项所述的涡轮机转子盘(11)，
其中
-所述槽凸角(42，44，46)中的每个均具有到所述径向槽底部轴线(32)的最大槽距离，所述槽距离由槽凸角的表面部分和所述径向槽底部轴线(32)的轴线部分之间的槽线段的长度限定，所述槽线段垂直于所述径向槽底部轴线(32)；并且
-所述第一槽凸角(42)的最大槽距离比所述第二槽凸角(44)的最大槽距离小，和/或所述第二槽凸角(44)的最大槽距离比所述第三槽凸角(46)的最大槽距离小。
18.根据权利要求10至17中任一项所述的涡轮机转子盘(11)，
其中所述涡轮机转子盘(11)是燃气涡轮发动机的一部分，尤其是所述燃气涡轮发动机的涡轮部和/或所述燃气涡轮发动机的压缩机部的一部分。
19.一种涡轮机转子，包括根据权利要求1至9中的任一项所述的涡轮机转子叶片(20)和根据权利要求6至9中的任一项所述的涡轮机转子盘(11)。
20.根据权利要求18或19中的任一项所述的涡轮机转子，
其中，所述第一根部接触面(33)和所述第一槽接触面(33')之间，和/或所述第二根部接触面(34)和所述第二槽接触面(34')之间，和/或所述第三根部接触面(35)和所述第三槽接触面(35')之间的物理接触在所述涡轮机转子的运转过程中被建立。
21.一种燃气涡轮发动机，其包括根据权利要求19或20中的任一项所述的涡轮机转子。
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