CN106812723B - 叶片、涡轮及压气机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种叶片、涡轮及压气机，其中，叶片包括叶身，所述叶身设有空腔，所述空腔内设有质量块和弹性部件，所述质量块连接于所述弹性部件，所述弹性部件固定设于所述空腔内，在共振状态下，所述质量块能够克服所述弹性部件的作用力在所述空腔内部移动，以改变叶片的质量分布，调节叶片频率消除共振。本发明能够在叶片发生特定形式的振动时，通过主动改变叶片的自身质量分布来改变叶片的固有频率，从而避开共振点，消除共振，提高叶片的使用寿命。

Description

叶片、涡轮及压气机

技术领域

本发明涉及旋转机械领域，尤其涉及一种叶片、涡轮及压气机。

背景技术

轴流式压气机或涡轮广泛应用于能源工业领域，比如应用于航空发动机、燃气轮机、蒸汽机、风力发电机等旋转机械。其中，压气机用于压缩空气，将机械能转换为气体内能；涡轮用于膨胀气体，将气体内能转换为机械能。无论是压气机还是涡轮，其与气体交换能量的结构都是叶片，在各自的结构中分别称为压气机叶片和涡轮叶片。叶片在工作过程中，由于承受前面叶片的尾流激振或机匣椭圆度引起的激励，经常会发生强迫共振，叶片一旦发生共振，将会产生很大的安全性危害，比如叶片产生裂纹甚至断裂等。这种情况导致的事故甚至灾难不胜枚举，因此，叶片的频率调节设计或减振设计一直是轴流式压气机或涡轮叶片在研制过程中重点关注的内容。

通常的轴流式压气机或涡轮叶片是由叶身、缘板和榫头组成，其固有频率是依据其结构形式和工作条件而确定的。由于叶片自身的固有频率是确定的，所以其一旦发生共振而工作条件没有发生改变的话，叶片就会一直处于共振状态，长时间处于共振状态会大大降低叶片的使用寿命，甚至可能产生裂纹或者发生断裂。

轴流式压气机或涡轮叶片在研制过程中的频率调节一般是通过改变叶身结构、材料、支撑方式等改变叶片的固有频率，使得叶片在压气机或涡轮的工作转速范围内避开所有的共振点，这是理想中的叶片设计。但是现实情况是，叶片由于具有很多阶频率，考虑到压气机或涡轮的性能要求，叶片的各阶频率往往无法做到所有的工作状态下都能避开所有的激励频率。

发明内容

本发明的目的是提出一种叶片、涡轮及压气机，其中，叶片能够自动调节其固有频率，避开共振点。

为实现上述目的，本发明提供了一种叶片，其包括叶身，所述叶身设有空腔，所述空腔内设有质量块和弹性部件，所述质量块连接于所述弹性部件，所述弹性部件固定设于所述空腔内，在共振状态下，所述质量块能够克服所述弹性部件的作用力在所述空腔内部移动，以改变叶片的质量分布，调节叶片频率消除共振。

在一优选或可选实施例中，所述空腔内固定设有壳体，所述质量块和所述弹性部件设于所述壳体内，所述弹性部件连接于所述壳体和所述质量块，所述质量块能够克服所述弹性部件的作用力在所述壳体内移动。

在一优选或可选实施例中，所述壳体内设有凹槽，在非共振状态下，所述质量块在所述弹性部件的作用力和所述凹槽的内壁面作用下约束在所述凹槽内，在共振状态下，所述质量块能够脱离所述凹槽在所述壳体内移动。

在一优选或可选实施例中，所述壳体采用焊接或螺纹连接的方式设于所述空腔内。

在一优选或可选实施例中，所述质量块设有多个沟槽，所述弹性部件设于所述沟槽内。

在一优选或可选实施例中，叶片包括堵头，所述堵头用于将所述质量块和所述弹性部件堵在所述空腔内。

在一优选或可选实施例中，所述弹性部件为弹簧。

在一优选或可选实施例中，所述质量块为长方形、圆柱形或球形。

为实现上述目的，本发明还提供了一种涡轮，其包括上述任一实施例中的叶片。

为实现上述目的，本发明还提供了一种压气机，其包括上述任一实施例中的叶片。

基于上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：

本发明提供的质量块和弹性部件相结合的变频结构，在共振状态下，质量块能够克服弹性部件的作用力在空腔内部移动，以改变叶片的质量分布，调节叶片频率消除共振，提高叶片的使用寿命；在非共振状态下，质量块能够在弹性部件的作用力下，自动恢复至原始设计频率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明提供的叶片结构示意；

图2为本发明提供的变频结构的爆炸示意图；

图3为本发明提供的变频结构非共振状态下的示意图；

图4为本发明提供的变频结构在共振状态下自动调整质量分布后的示意图。

附图中标号：

1-堵头；2-变频结构；3-叶身；4-缘板；5-伸根段；6-榫头；7-壳体；71-凹槽；72-凹槽顶面；73-凹槽底面；74-壳体内顶面；8-质量块；81-沟槽；82-沟槽底；9-弹性部件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明提供的叶片包括叶身3、缘板4、伸根段5和榫头6。叶身3设有空腔，该空腔能够降低离心力，减小叶身3应力。如图2-4所示，空腔内设有质量块8和弹性部件9组合形成的变频结构2，质量块8连接于弹性部件9的一端，弹性部件9的另一端固定连接于叶身3，在共振状态下，质量块8能够克服弹性部件9的作用力在空腔内部移动，以改变叶片的质量分布，调节叶片频率消除共振。

本发明提供的质量块8和弹性部件9相结合的变频结构2，能够在叶片发生特定形式的振动时，通过主动改变叶片的自身质量分布来改变叶片的固有频率，从而避开共振点，消除共振，因此，能够提高叶片的使用寿命。在非共振状态下，即正常工作状态和静止状态下，质量块8能够在弹性部件9的作用力下，自动恢复至原始设计频率。

本发明采用质量块8和弹性部件9相结合的变频结构2，还能够在叶片发生共振时起到阻尼的作用，吸收一部分振动能量。

如图2-4所示，质量块8和弹性部件9可以设于壳体7内，壳体7固定设于空腔内。弹性部件9连接于壳体7和质量块8，质量块8能够克服弹性部件9的作用力在壳体7内移动。壳体7、质量块8和弹性部件9集成为叶片的变频结构2，该变频结构2能够自动改变叶片的固有频率。

如图2所示，壳体7内的下部还可以设有凹槽71，凹槽71包括凹槽顶面72和凹槽底面73，如图3所示，在非共振状态下，质量块8在弹性部件9的作用力和凹槽71的内壁面作用下约束在凹槽71内；其中，在静止状态下，质量块8的底面与凹槽底面73接触，在正常工作状态下，由于离心力，质量块8的顶面与凹槽顶面72接触。

如图4所示，在叶片发生共振的状态下，例如：共振的振型为弯曲型振动，当振动加速度达到一定的量值，质量块8的惯性力大于弹性部件9的作用力和凹槽顶面72的摩擦力，就会使得质量块8向凹槽71相对的一侧发生移动，脱离凹槽71，同时由于质量块8承受着很大的离心载荷，当质量块8脱离凹槽71后，就会在离心力的作用下进入壳体7上部空腔并紧贴该空腔的叶顶面，即壳体内顶面74。这种情况下，叶片的质量分布就发生了改变，由于叶片的固有频率与叶片的质量分布密切相关，因此，叶片的固有频率也就发生了改变，进而也就可以避开共振点，达到消除共振的目的。

如图2-4所示，质量块8上可以设有多个沟槽81，弹性部件9设于沟槽81内，弹性部件9的一端连接沟槽81的沟槽底82，另一端连接凹槽71的凹槽底面73，在发生特定振型的共振时，质量块8能够克服弹性部件9的作用力，脱离凹槽71，在壳体7内移动，通过自动调节叶身3质量分布达到避开共振点，消除共振的特点，同时，当其停止工作后或者共振消除后，由于弹性部件9设于质量块8上的沟槽81内，有利于驱动质量块8回到壳体7的凹槽71内，又可以恢复至原频率范围。

变频结构2放置于叶片中的方式可以有多种，比如可以在叶顶开槽将变频结构2放入，也可以在榫头6处开槽将变频结构2放入等。

在叶顶开槽将变频结构2放入空腔内时，还可以设置堵头1，堵头1用于将变频结构2(壳体7、质量块8和弹性部件9)堵在空腔内。但是堵头1不是必须的，也可以将其与变频结构2本身设计成一体结构。

上述实施例中，变频结构2的壳体7可以采用焊接或螺纹连接的方式设于空腔内。

变频结构2中的质量块8的材料，可以与叶片相同，也可以是其他能够适应叶片工作环境温度的密度较大的异种材料。变频结构2中的质量块8的结构形式可以有多种，比如长方体、圆柱形、球形等。

在一优选或可选实施例中，弹性部件9可以采用弹簧。

本发明提供的叶片，能够在某些特定振型共振发生时，通过自动调节自身频率消除共振。

下面列举本发明提供的叶片的一具体实施例：

如图1所示，叶片包括堵头1、变频结构2、叶身3、缘板4、伸根段5和榫头6。

如图2所示，变频结构2包括壳体7、质量块8和弹性部件9，质量块8和弹性部件9设于壳体7内。壳体7内设置的凹槽71包括凹槽顶面72和凹槽底面73，弹性部件9连接质量块8上沟槽81的沟槽底82和凹槽71的凹槽底面73。

在静止状态下，变频结构2中的质量块8在弹性部件9的拉力作用下，位于凹槽71内，质量块8的底面压在壳体7的凹槽底面73(如图2所示)。在正常工作状态下，变频结构2中的质量块8在离心力的作用下，质量块8的顶面压在壳体7的凹槽顶面72(如图2所示)。静止状态下和正常工作状态下的变频结构2，如图3所示。

如图4所示，当叶片在某些特殊工况下工作时，或由于某些故障使得叶片的激振频率与固有频率相同或非常接近时，叶片就会发生共振。如果此时发生共振的振型为弯曲型振动，那么变频结构2内的质量块8也会随着叶片的弯曲振动而前后振动，当振动的加速度达到一定程度时，质量块8的惯性力就会大于质量块8压在凹槽71的凹槽顶面72上的摩擦力，质量块8就会相对壳体7发生前后位移，脱离凹槽71，这时，在离心力的作用下，质量块8进入壳体7内侧的狭长空间，并向上运动压紧壳体内顶面74(如图2所示)。

此时，由于叶片的质量分布发生了改变，叶片的固有频率也即随之发生改变，远离了激励频率，使得叶片的振动幅值大幅下降，避免了叶片共振可能带来的安全性风险。叶片发生共振后，质量块8位置的自动改变并不是永久性的，当叶片转速下降到一定程度时或叶片停止工作后，质量块8在弹性部件9的拉力下会重新返回原有位置，叶片的固有频率也会重新改变到原值。

本发明提供的叶片可以应用于涡轮、压气机等需要叶片的旋转机械上，用于直接提供动力或发电。

本发明提供的涡轮和压气机均包括上述任一实施例中的叶片。涡轮和压气机均可以应用于航空发动机、燃气轮机、蒸汽机、风力发电机等旋转机械上。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (8)

1.一种叶片，包括叶身(3)，其特征在于：所述叶身(3)设有空腔，所述空腔内设有质量块(8)和弹性部件(9)，所述质量块(8)连接于所述弹性部件(9)，所述弹性部件(9)固定设于所述空腔内，在共振状态下，所述质量块(8)能够克服所述弹性部件(9)的作用力在所述空腔内部移动，以改变叶片的质量分布，调节叶片频率消除共振；

所述空腔内固定设有壳体(7)，所述质量块(8)和所述弹性部件(9)设于所述壳体(7)内，所述弹性部件(9)连接于所述壳体(7)和所述质量块(8)，所述质量块(8)能够克服所述弹性部件(9)的作用力在所述壳体(7)内移动；

所述壳体(7)下部设有凹槽(71)，在非共振状态下，所述质量块(8)在所述弹性部件(9)的作用力和所述凹槽(71)的内壁面作用下约束在所述凹槽(71)内，在共振状态下，所述质量块(8)能够脱离所述凹槽(71)在所述壳体(7)内移动；

所述凹槽(71)包括凹槽顶面(72)和凹槽底面(73)；

在静止状态下，所述质量块(8)的底面与所述凹槽底面(73)接触；

在正常工作状态下，由于离心力，所述质量块(8)的顶面与所述凹槽顶面(72)接触；

在叶片发生共振的状态下，所述质量块(8)能够脱离所述凹槽(71)，进入所述壳体(7)上部空腔并紧贴壳体内顶面(74)。

2.如权利要求1所述的叶片，其特征在于：所述壳体(7)采用焊接或螺纹连接的方式设于所述空腔内。

3.如权利要求1所述的叶片，其特征在于：所述质量块(8)设有多个沟槽(81)，所述弹性部件(9)设于所述沟槽(81)内。

4.如权利要求1所述的叶片，其特征在于：包括堵头，所述堵头用于将所述质量块(8)和所述弹性部件(9)堵在所述空腔内。

5.如权利要求1所述的叶片，其特征在于：所述弹性部件(9)为弹簧。

6.如权利要求1所述的叶片，其特征在于：所述质量块(8)为长方形、圆柱形或球形。

7.一种涡轮，其特征在于：包括如权利要求1-6任一项所述的叶片。

8.一种压气机，其特征在于：包括如权利要求1-6任一项所述的叶片。