CN106499443A - 阻尼销及涡轮发动机 - Google Patents

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CN106499443A CN201610795427.4A CN201610795427A CN106499443A CN 106499443 A CN106499443 A CN 106499443A CN 201610795427 A CN201610795427 A CN 201610795427A CN 106499443 A CN106499443 A CN 106499443A
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S.A.卡雷夫
G.普拉姆
B.T.博耶
C.M.佩尼
M.R.皮尔萨尔
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Abstract

本发明提供一种阻尼销及涡轮发动机。该阻尼销用于对联接到转子轴的相邻涡轮轮叶进行阻尼，该阻尼销包括细长体部，该细长体部具有中心部分，该中心部分布置于第一端部和第二端部之间。第一端部、中心部分和第二端部限定了细长体部的大体弓形顶部，该大体弓形顶部被配置成与限定于该相邻涡轮轮叶之间的凹槽相接触。细长体部包括侧向相对的第一侧部和第二侧部，并且限定了侧向延伸的多个狭槽。该多个狭槽沿中心部分轴向间隔开并且每个狭槽都至少部分地延伸穿过第一侧部或第二侧部中的至少一个。

Description

阻尼销及涡轮发动机
技术领域
本发明总体涉及涡轮发动机，该涡轮发动机具有多个周向对准的涡轮轮叶。更具体地，本发明涉及阻尼销(damper pin)，该阻尼销具有用于提供相邻涡轮轮叶(adjacentturbine blades)之间的振动阻尼(vibration damping)的多个狭槽(slots)。
背景技术
涡轮轮叶(turbine blade)(也被称为涡轮斗叶(turbine bucket)或涡轮转子轮叶(turbine rotor blade))通过使涡轮机的转子轴旋转将来自诸如热燃烧气体或蒸汽之类的流动流体的能量转化成机械能。当涡轮机通过多种操作模式过渡时，涡轮轮叶经受机械应力和热应力二者。
涡轮轮叶大体包括从平台(platform)径向向外延伸的翼型件(airfoil)、从平台径向向内延伸的柄(shank)和从柄径向向内延伸的燕尾榫(dovetail)或安装部分。每个涡轮轮叶的燕尾榫被固定在限定于转子轮或盘中的互补的槽内。转子轮联接到转子轴。
在发动机操作期间，可能将振动引入涡轮轮叶中。例如，热燃烧气体或蒸汽流中的波动可能使其振动。对于涡轮机设计者而言，一个基本的设计考虑因素是避免或使与涡轮轮叶自然频率的共振以及由于强制响应和/或气动弹性不稳定性而产生的动态应力最小化，从而控制涡轮轮叶的高周疲劳(high cycle fatigue)。为了改进涡轮轮叶的高周疲劳寿命，振动阻尼器通常设置于平台下方和/或其间，从而在操作期间通过摩擦地耗散振动能(frictionally dissipatevibratory energy)并且减小相应的振幅。通过振动阻尼器去除的振动能的量是振动阻尼器的动态重量和反应负荷的函数。
尽管已知的阻尼器在典型操作期间很大程度上是足够的，仍然存在对改进总体阻尼器有效性的需要。先前对实现阻尼振动的尝试包括圆形阻尼销、金属平板阻尼器、或者复杂的楔形阻尼器。通常，这些类型的阻尼器真实的阻尼器性能在第一次发动机测试之前是未知的。然而，这时，涡轮轮叶中的阻尼器凹槽几何形状由硬质模具锁定。因此，如果阻尼器没有像预期的那样运行，那么可能需要有可能高成本的模具返工。因此，需要对共振模式激发回避提供自然频率调整工具并且具有独立模式调整选项而无需改变现有涡轮轮叶设计的阻尼销。
发明内容
本发明的方面和优点将在下文的描述中阐述，或者可以是通过描述显而易见的，或者可以通过实施本发明而习得。
本发明的一个实施例是一种用于对联接到转子轴的相邻涡轮轮叶进行阻尼的阻尼销。该阻尼销包括细长体部(elongated body)，该细长体部具有中心部分(centerportion)，该中心部分布置于第一端部(first end portion)和第二端部之间。第一端部、中心部分和第二端部限定了细长体部的大体弓形顶部(generally arcuate topportion)，该大体弓形顶部被配置成与限定于相邻涡轮轮叶之间的凹槽(groove)相接触。细长体部限定了侧向延伸的多个狭槽(aplurality of laterally extending slots)并且包括第一侧部和第二侧部，第一侧部与第二侧部侧向相对的(laterally opposed to)并且。多个侧向延伸狭槽沿中心部分轴向间隔开并且每个狭槽都至少部分地延伸穿过第一侧部或第二侧部中的至少一个。
较佳地，多个狭槽包括延伸穿过所述细长体部的第一侧部的第一组狭槽(a firstset of slots)和延伸穿过所述细长体部的第二侧部的第二组狭槽。
更佳地，所述第一组狭槽中的每个狭槽相对于所述第二组狭槽中的轴向相邻槽轴向偏置。
较佳地，所述多个狭槽中的至少一个狭槽延伸穿过所述顶部并且穿过所述细长体部的第一侧部和第二侧部二者。
较佳地，所述多个狭槽中的至少一个狭槽沿所述细长体部的第一侧部或第二侧部中的一个连续延伸穿过所述细长体部的顶部并且穿过所述细长体部的所述底部。
较佳地，多个狭槽中的至少一个狭槽朝向所述细长体部的底部径向延伸穿过所述顶部。
较佳地，所述第一端部是半圆柱形(semi-cylindrical)。
更佳地，所述第一端部还限定了平坦表面(flat surface)。
较佳地，所述第二端部是半圆柱形。
更佳地，所述第二端部还限定了平坦表面。
本发明的另一个实施例是一种涡轮发动机。该涡轮发动机包括在涡轮发动机内轴向延伸的转子轴和联接到转子轴的相邻涡轮轮叶对(an adjacent pair of turbineblades)。每个涡轮轮叶至少部分地限定沿相应涡轮轮叶的斜面(slash face)延伸的凹槽。涡轮发动机还包括阻尼销，该阻尼销布置于相邻涡轮轮叶之间的凹槽内。该阻尼销包括细长体部，该细长体部具有中心部分，该中心部分布置于第一端部和第二端部之间。第一端部、中心部分和第二端部限定了细长体部的大体弓形顶部，该大体弓形顶部被配置成(尺寸和/或形状确定成)与限定于相邻涡轮轮叶之间的凹槽相接触。该细长体部包括侧向相对的第一侧部和第二侧部。细长体部限定了沿中心部分轴向间隔开的且侧向延伸的多个狭槽。每个狭槽都至少部分地延伸穿过第一侧部或第二侧部中的至少一个。
较佳地，所述多个狭槽包括延伸穿过所述细长体部的第一侧部的第一组狭槽和延伸穿过所述细长体部的第二侧部的第二组狭槽。
更佳地，所述第一组狭槽中的每个狭槽从所述第二组狭槽中的轴向相邻槽轴向偏置(axially offset from)。
较佳地，所述多个狭槽中的至少一个狭槽延伸穿过所述顶部并且穿过所述细长体部的第一侧部和第二侧部二者。
较佳地，所述多个狭槽中的至少一个狭槽沿所述细长体部的第一侧部或第二侧部连续延伸穿过所述细长体部的顶部并且穿过所述细长体部的所述底部。
较佳地，所述多个狭槽中的至少一个狭槽朝向所述细长体部的底部径向延伸穿过所述顶部。
较佳地，所述第一端部是半圆柱形。
更佳地，所述第一端部还限定了平坦表面。
较佳地，所述第二端部是半圆柱形。
更佳地，所述第二端部还限定了平坦表面。
通过阅览本说明书，本领域普通技术人员将更好地领会该等实施例以及其它实施例的特征和方面。
附图说明
参照附图，说明书的剩余部分中更具体地阐述了面向本领域技术人员的本发明的完整公开，这种公开使得本领域技术人员能够实现本发明，包括本发明的最佳模式，在附图中：
图1示出了如可以结合本发明的至少一个实施例的示例性燃气涡轮机的功能图；
图2是根据本发明的至少一个实施例的示例性涡轮轮叶的透视图；
图3是根据本发明的至少一个实施例的布置于周向相邻的涡轮轮叶之间的阻尼销的示意图；
图4是根据本发明的一个实施例的示例性阻尼销的侧视图；
图5是如图4中所示的示例性阻尼销的俯视图；
图6是根据本发明的一个实施例的示例性阻尼销的侧视图；
图7是根据本发明的一个实施例的示例性阻尼销的俯视图；
图8是如图7中所示的示例性阻尼销的侧视图；
图9是根据本发明的一个实施例的示例性阻尼销的俯视图；
图10是如图9中所示的示例性阻尼销的侧视图；
图11是根据本发明的一个实施例的示例性阻尼销的俯视图；和
图12是如图11中所示的示例性阻尼销的侧视图。
具体实施方式
现在将详细地参照本发明的实施例，其中的一个或多个例子示于附图中。详细的描述使用数字和字母名称来表示附图中的特征。附图和描述中相似或类似的名称用于表示本发明的相似或类似的部件。当在本文中使用时，术语“第一”、“第二”、和“第三”可以互换使用，以区分一个部件与另一个部件，并且不旨在表示单个部件的位置或重要性。
术语“上游”和“下游”表示关于流体路径中的流体流的相对方向。例如，“上游”指的是流体从其流动的方向，并且“下游”指的是流体流向的方向。术语“径向地”指的是与特定部件的轴向中心线基本垂直的相对方向，并且术语“轴向地”指的是与特定部件的轴向中心线基本平行并且/或者共轴对准的相对方向。
每个例子都以对发明进行解释的方式给出，并不对本发明构成限制。实际上，对于本领域技术人员而言显而易见的是，能够在不偏离本发明的范围或精神的前提下对本发明进行改型和变型。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以用于另一个实施例，从而产生又一个实施例。因此，期望的是，本发明覆盖落入所附权利要求及其等同形式的范围内的该等改型和变型。尽管本文中图示和描述了工业或陆基燃气涡轮机，但是除非权利要求书中另有描述，否则本文中图示和描述的本发明不限于陆基和/或工业燃气涡轮机。例如，如本文中所描述的本发明可以用于任何类型的涡轮机，其中包括但不限于蒸汽涡轮机、航空燃气涡轮机或海洋燃气涡轮机。
现在参照附图，图1示出了燃气涡轮机10的一个实施例的示意图。燃气涡轮机10大体包括入口部段12、布置于入口部段12下游的压缩机部段14、位于布置在压缩机部段14下游的燃烧器部段16内的多个燃烧器(未示出)、布置于燃烧器部段16下游的涡轮部段18和布置于涡轮部段18下游的排放部段20。此外，燃气涡轮机10可以包括联接在压缩机部段14和涡轮部段18之间的一个或多个轴22。
涡轮部段18可以大体包括转子轴24，该转子轴24具有多个转子盘26(示出了其中的一个)和从转子盘26径向向外延伸并且互连到该转子盘26的多个转子轮叶28。每个转子盘26随后都可以联接到转子轴24的延伸穿过涡轮部段18的部分。涡轮部段18还包括外壳30，该外壳30周向地包绕转子轴24和转子轮叶28，由此至少部分地限定通过涡轮部段18的热气体路径32。
在操作期间，诸如空气之类的工作流体流过入口部段12并且流入压缩机部段14中，在压缩机部段14处，空气被逐渐压缩，从而向燃烧部段16的燃烧器提供加压空气。加压空气在每个燃烧器内与燃料混合并且燃烧以产生燃烧气体34。燃烧气体34通过热气体路径32从燃烧器部段16流入涡轮部段18中，其中能量(动能和/或热能)从燃烧气体34传递到转子轮叶28，从而使转子轴24旋转。机械旋转能随后可以用于为压缩机部段14提供动力并且/或者发电。离开涡轮部段18的燃烧气体34随后可以通过排放部段20从燃气涡轮机10排放。
图2示出了传统的涡轮轮叶或斗叶28，该涡轮轮叶或斗叶28包括翼型件36、平台38、柄40和燕尾榫或安装部分42。图3提供了一对周向相邻的涡轮轮叶28(a)、28(b)的下游视图。如图2中所示，燕尾榫42用于将涡轮轮叶28固定至转子盘26(图1)的外周，这也是本领域内众所周知的。平台38为流过涡轮部段18的热气体路径32的燃烧气体34(图1)限定了向内流动边界。在本发明的各个实施例中，阻尼销44邻近涡轮轮叶平台38(即，相对于该涡轮轮叶平台径向向内)沿一个轴向边缘(或斜面)46定位。应当领会，类似的阻尼销44在转子盘26(图1)上定位在每个相邻涡轮轮叶28(a)、28(b)对(图3)之间，如在图3中显而易见的那样。在特定实施例中，如图2中所示，阻尼销44定位在沿涡轮轮叶28的整个斜面46延伸的细长凹槽48(图1)中。
阻尼销44起到振动阻尼器的作用。当安装时，如图3中所示，阻尼销44定位在相邻涡轮轮叶28(a)、28(b)之间。在操作中，阻尼销44通过摩擦地耗散振动能并且减小相应的振幅。通过阻尼销44去除的振动能的量是若干因素(其中包括但不限于阻尼销44的动态重量、阻尼销44的几何形状和相邻涡轮轮叶28(a)、28(b)之间的反应负荷)的函数。
图4提供了根据本发明的一个实施例的示例性阻尼销100的侧视图。图5提供了如图4中所示的阻尼销100的俯视图。应当理解，图4中所示的阻尼销100可以代替如图2和图3中所示的阻尼销44。
在一个实施例中，如图4中所示，阻尼销100包括细长体部102，该细长体部102具有中心部分104，该中心部分104布置于第一端部106和第二端部108之间。如图4和图5中所示，第一端部106、中心部分104和第二端部108限定了细长体部102的大体弓形的顶部或表面110。细长体部102的顶部110可以被配置成(尺寸和/或形状确定成)与限定于相邻涡轮轮叶28(a)、28(b)之间的凹槽48相接触。在各个实施例中，如图5中所示，细长体部102还包括第一侧部112和第二侧部114，该第一侧部112与第二侧部114侧向相对。
在各个实施例中，如图4和图5中所示，细长体部102限定了多个侧向延伸狭槽116。槽116相对于轴向中心线118沿中心部分104轴向间隔开。在特定实施例中，如图4中所示，多个狭槽116中的至少一个狭槽116朝向细长体部102的底部120径向延伸穿过顶部110，该底部120由细长体部102的中心部分104限定。
在特定实施例中，每个狭槽116都延伸穿过第一侧部112或第二侧部114中的至少一个。在一个实施例中，如图4和图5中所示，每个狭槽116都延伸穿过顶部110并且侧向穿过第一侧部112和第二侧部114二者。
图6提供了根据本发明的一个实施例的示例性阻尼销100的侧视图。如图6中所示，细长体部102还可以包括沿细长体部102的底部120布置的多个狭槽122。多个狭槽122中的至少一部分可以朝向顶部110径向延伸穿过底部120。多个狭槽122中的每个狭槽122都可以延伸穿过第一侧部112或第二侧部114中的至少一个。在一个实施例中，如图6中所示，每个狭槽122都延伸穿过底部120并且侧向穿过第一侧部112和第二侧部114二者。如图6中所示，沿底部120限定的多个狭槽122可以相对于中心线118与沿顶部110限定的多个狭槽116轴向偏置。
在特定实施例中，如图5和图6中共同示出的，第一细长体部102的第一端部106和/或第二端部108成半圆柱形(semi-cylindrical)。如图6中所示，第一端部106和第二端部108可以分别在肩部124、126处与中心部分104交界。该配置产生了适于在形成于涡轮轮叶斜面46中的凹槽48的相对端部处安置于机械加工的涡轮轮叶平台表面或肩部上的基本平坦的支承表面128、130(最佳见于图6中)，由此在机器操作期间为阻尼销100提供支承，同时防止不期望的过度旋转。
图7、图8、图9、图10、图11和图12提供了根据本发明的各个实施例的示例性阻尼销100的各个视图。例如，在一个实施例中，如图7至图10中共同示出的，多个狭槽116包括沿细长体部102的第一侧部112限定的第一组狭槽116(a)和沿细长体部102的第二侧部114限定的第二组狭槽116(b)。在特定实施例中，如图7至图10中所示，第一组狭槽116(a)中的至少一个狭槽116和第二组狭槽116(b)中的至少一个狭槽116大体径向延伸穿过细长体部102的顶部110和底部120。如图7和图9中所示，第一组狭槽116(a)可以相对于中心线118与第二组狭槽116(b)轴向偏置。
在一个实施例中，如图7中所示，第一组狭槽116(a)可以延伸穿过第一侧部112并且终止于未达到中心线118的点或位置处。除此之外或备选地，第二组狭槽116(b)可以延伸穿过第二侧部114并且终止于未达到中心线118的点或位置处。在一个实施例中，如图9中所示，第一组狭槽116(a)可以延伸穿过第一侧部112并且终止于超过中心线118的点或位置处。除此之外或备选地，第二组狭槽116(b)可以延伸穿过第二侧部114并且终止于超过中心线118的点或位置处。
在特定实施例中，如图11和图12中所示，第一组狭槽116(a)可以沿细长体部102的第一侧部112限定并且第二组狭槽116(b)可以沿细长体部102的第二侧部114限定。如图11和图12中共同示出的，第一组狭槽116(a)延伸穿过顶部110和第一侧部112，但不延伸穿过细长体部102的底部120。此外，第一组狭槽116(a)终止于未达到或邻近中心线118的点或位置处。除此之外或备选地，第二组狭槽116(b)延伸穿过顶部110和第二侧部114，但不延伸穿过细长体部102的底部120。此外，第二组狭槽116(b)终止于未达到或邻近中心线118的点或位置处。如图11中所示，第一组狭槽116(a)可以相对于中心线118与第二组狭槽116(b)轴向偏置。
本文中图示和描述的阻尼销的各个实施例提供了相对于本领域内已知的现有阻尼销的多个技术益处。例如，限定于阻尼销100的各个实施例中的槽116中断了(interrupt)允许对阻尼销的刚度进行改型或调整(modification to or tuning of the stiffness)的销，由此影响作用于相邻涡轮轮叶上的刚度并且改变或调整相邻涡轮轮叶的特定模式的自然频率。截断的形状、模式、位置、和形式能够用于改变刚度的大小、方向、和方法，由此改变联接到转子轴的涡轮轮叶的特定自然频率。
本书面描述使用例子对本发明进行了公开(其中包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实施本发明(其中包括制造和使用任何装置或系统并且执行所包含的任何方法)。本发明的可专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员能够想到的其它的例子。如果该等其它的例子包括与权利要求书的字面语言没有区别的结构元件，或者如果该等其它的例子包括与权利要求书的字面语言没有实质区别的等同结构元件，则期望该等其它的例子落入权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种阻尼销，用于对联接到转子轴的相邻涡轮轮叶进行阻尼，所述阻尼销包括：
细长体部，所述细长体部具有中心部分，所述中心部分布置于第一端部和第二端部之间，所述第一端部、所述中心部分和所述第二端部限定了所述细长体部的大体弓形顶部，所述大体弓形顶部被配置成与限定于所述相邻涡轮轮叶之间的凹槽相接触，其中所述细长体部包括侧向相对的第一侧部和第二侧部；
其中所述细长体部限定了沿所述中心部分轴向间隔开且侧向延伸的多个狭槽，其中每个狭槽都至少部分地延伸穿过所述第一侧部或所述第二侧部中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的阻尼销，其特征在于，所述多个狭槽包括延伸穿过所述细长体部的第一侧部的第一组狭槽和延伸穿过所述细长体部的第二侧部的第二组狭槽。
3.根据权利要求2所述的阻尼销，其特征在于，所述第一组狭槽中的每个狭槽相对于所述第二组狭槽中的轴向相邻槽轴向偏置。
4.根据权利要求1所述的阻尼销，其特征在于，所述多个狭槽中的至少一个狭槽延伸穿过所述顶部并且穿过所述细长体部的第一侧部和第二侧部二者。
5.根据权利要求1所述的阻尼销，其特征在于，所述多个狭槽中的至少一个狭槽沿所述细长体部的第一侧部或第二侧部中的一个连续延伸穿过所述细长体部的顶部并且穿过所述细长体部的所述底部。
6.根据权利要求1所述的阻尼销，其特征在于，所述多个狭槽中的至少一个狭槽朝向所述细长体部的底部径向延伸穿过所述顶部。
7.根据权利要求1所述的阻尼销，其特征在于，所述第一端部是半圆柱形，和/或所述第二端部是半圆柱形。
8.根据权利要求7所述的阻尼销，其特征在于，所述第一端部还限定了平坦表面，和/或所述第二端部还限定了平坦表面。
9.根据权利要求1所述的阻尼销，其特征在于，所述第一端部和第二端部分别在第一肩部和第二肩部处与中心部分交界。
10.一种涡轮发动机，包括：
转子轴，所述转子轴在所述涡轮发动机内轴向延伸；
联接到所述转子轴的相邻涡轮轮叶对，每个涡轮轮叶至少部分地限定沿相应涡轮轮叶的斜面延伸的凹槽；和
权利要求1-9中任一项所述的阻尼销，所述阻尼销布置于所述凹槽内。
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