CN107075957B - 涡轮整体叶盘及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种涡轮整体叶盘。该涡轮整体叶盘包括内缘；从所述内缘径向向外延伸的多个邻近的转子叶片；整体地联接至该多个邻近的转子叶片中的每个的护罩部段，因此形成多个邻近的护罩部段；以及在各个邻近的护罩部段之间限定的间隙。当扭转力被施加至该多个邻近的转子叶片时，间隙具有有助于使该多个邻近的护罩部段互锁的几何形状。

Description

涡轮整体叶盘及其制造方法
技术领域
本公开大体涉及涡轮发动机，而更具体地涉及使用在涡轮发动机中的被护罩的涡轮整体叶盘(turbine blisk)。
背景技术
至少一些已知的轴流涡轮发动机包括转子轴和至少一个联接至转子轴的涡轮级。至少一些已知的级包括盘和从盘径向向外延伸的周向间隔开的转子叶片。每个转子叶片包括翼型件和在其根部的燕尾件，在该处燕尾件径向地被保持在盘的周缘中的互补的槽中。在运行期间，盘和附连至此的叶片旋转使得叶片产生主要离心力，其向下穿过相应的燕尾件且被传递到盘中。其他已知的级包括作为一件式部件与盘集成地制造的转子叶片，其通常作为整体叶盘(即有叶片的盘)已知。
在至少一些已知的旋转机器中，其旋转的速度和/或作用在旋转的部件上的气动力引起振动和轴向扭转到旋转机器的级中。为了限制这样的振动和轴向扭转，至少一些已知的叶片包括集成的护罩，其从翼型件以预定的径向距离沿着每个叶片延伸。例如，集成的护罩有助于增加该级的总刚度以使其振动频率增加到更期望的范围中。而且，在每个转子叶片包括单独的翼型件/燕尾件结构的级中，在燕尾件和其互补的保持槽之间的摩擦阻尼也有助于对旋转部件增加阻尼。然而，因为已知的包括集成的护罩的整体叶盘被制造为一件式的部件，不能给这些部件提供这样的增加的摩擦阻尼。
发明内容
在一个方面中，提供一种涡轮整体叶盘。该涡轮整体叶盘包括：内缘；从所述内缘径向向外延伸的多个邻近的转子叶片；集成地联接至该多个邻近的转子叶片中的每个的护罩部段(shroud segment)，由此形成多个邻近的护罩部段；以及限定在各个邻近的护罩部段之间的间隙。该间隙具有当扭转力被施加至该多个邻近的转子叶片时有助于使该多个邻近的护罩部段互锁的几何形状。
在另一方面中，提供一种发电系统。该发电系统包括工作流体源和联接在工作流体源下游的涡轮。涡轮包括至少一个涡轮整体叶盘，其包括：内缘、从所述内缘径向向外延伸的多个邻近的转子叶片、集成地联接至该多个邻近的转子叶片的每个的护罩部段(从而形成多个邻近的护罩部段)和在各个邻近的护罩部段之间限定的间隙。该间隙具有当扭转力被施加至该多个邻近的转子叶片时有助于使该多个邻近的护罩部段互锁的几何形状。
在又一方面中，提供一种制造涡轮整体叶盘的方法。该方法包括：准备实心坯材料；从实心坯材料限定内缘；从实心坯材料限定多个邻近的转子叶片；以及从实心坯材料限定护罩。该多个邻近的转子叶片从内缘径向向外延伸，并且护罩集成地联接至该多个邻近的转子叶片。该方法还包括：限定在护罩中的间隙以形成集成地联接至多个邻近的转子叶片的每个的护罩部段，由此形成多个邻近的护罩部段。该间隙具有当扭转力被施加至该多个邻近的转子叶片时有助于使该多个邻近的护罩部段互锁的几何形状。
附图说明
当参照附图(在其中类似的符号在所有附图中代表类似的部分)来阅读以下详细说明时，将更好地理解本公开的这些和其他特征、方面和优点，其中：
图1示出了示例性的发电系统的示意图；
图2示出了可被使用在图1中所示的发电系统中的示例性的整体叶盘的透视图；
图3示出了在图2中所示的整体叶盘沿着区域3的放大透视图；
图4示出了说明制造在图2中所示的整体叶盘的过程步骤的示例性顺序的示意性流程图；以及
图5示出了说明限定在图2中所示的整体叶盘中的邻近的护罩部段之间的间隙的过程步骤的示例性顺序的示意性流程图。
除非另外指出，本文中所提供的附图意图说明本公开的实施例的特征。这些特征可应用于各种包含本公开的一个或多个实施例的系统中。因而，这些附图不意图包括由本领域技术人员已知的对于实践这里所公开的实施例所需的所有常规特征。
具体实施方式
在接下来的说明书和权利要求中，将引用多个术语，这些术语应被定义以具有以下含义。
除非上下文清楚地另外规定，否则单数形式“一”、“一个”、和“该”包括复数。
“可选的”或“可选地”意指此后所说明的事件或情形可发生或可不发生，并且该说明包括事件发生的情况和其不发生的情况。
如本文中在整个说明书和权利要求所使用的近似的语言可被用于修饰任何定量表示，其可允许地变化而不导致与其相关的基本功能的变化。因此，由术语或多个术语(诸如“大约”和“大致”)修饰的值将不限于精确的特定值。在至少一些情况中，近似的语言可对应于用于测量该值的仪器的精度。这里以及在整个说明书和权利要求中，范围限制可被组合和/或互换。这样的范围被识别并且除非上下文或语言另外指出其包括所有包含在其中的子范围。
本公开的实施例涉及具有集成在其中的护罩部段的涡轮整体叶盘。在示例性的实施例中，邻近的护罩部段被具有当扭转载荷被施加至联接至每个护罩部段的转子叶片时有助于使邻近的护罩部段互锁的几何形状的间隙分离。特别地，当涡轮整体叶盘的旋转速度向预定的旋转速度增加时，该间隙几何形状允许转子叶片和护罩部段偏转。因此，该间隙几何形状和间隙尺寸被选择成当涡轮整体叶盘到达预定的旋转速度时确保在邻近的护罩部段之间的摩擦接触，这使在整体叶盘组件中的摩擦阻尼增加。
图1是示例性的发电系统100的示意图。发电系统100包括燃气涡轮发动机组件102，其包括压缩机104、燃烧器106和第一涡轮108，其通过在燃烧器106中产生的热气110的流膨胀来供以动力用于驱动第一发电机112。废气114的流被从涡轮108引导向废热回收单元(WHRU)116，其从废气112回收废热。发电系统100也包括以与WHRU116成流连通的方式联接的工作流体源118和联接在WHRU116下游的第二涡轮120。工作流体122的流被引导向WHRU116并且在一实施例中来自废气114的废热有助于将工作流体122加热到超临界状态。备选地，引导向WHRU116的工作流体122在进入WHRU116之前处于超临界状态中。超临界的工作流体124的流然后被引导向第二涡轮120，其通过超临界的工作流体124的流膨胀来供以动力用于驱动第二发电机126。
工作流体122是能够使发电系统100如本文中所说明地起作用的任何工作流体。示例性的工作流体包括但不限于二氧化碳和蒸汽。在备选的实施例中，工作流体122可由能够使发电系统100如本文中所说明地起作用的热源加热并且可处在非超临界状态中。例如，工作流体122可由核能或浓缩太阳能加热。
图2是可被使用在发电系统100(在图1中示出)中的示例性整体叶盘200的透视图。特别地，整体叶盘200例如被实施在涡轮108和120中。在示例性的实施例中，整体叶盘200包括中心盘部分202、围绕中心盘部分202的内缘204和从内缘204径向向外延伸的多个转子叶片206。转子叶片206围绕内缘204的周缘(未示出)以有规律地隔开的间隔来定位，并且每个转子叶片206具有大致翼型的横截面形状。整体叶盘200还包括集成地联接至该多个转子叶片206中的每个的护罩部段208。护罩部段208集成地联接在沿着转子叶片206的能够使整体叶盘200如本文中所说明地起作用的任何位置处。而且，如下面将更详细地来说明的那样，间隙210被限定在邻近的护罩部段208之间。间隙210具有当扭转力212被施加至转子叶片206时允许邻近的护罩部段208互锁的几何形状。在备选的实施例中，间隙210被限定成使得护罩部段208被联接至超过一个转子叶片206。
在运行中，例如当转子叶片206被热气110或工作流体122(每个在图1中示出)冲击时，整体叶盘200围绕中心线轴线216在周向214上旋转。当整体叶盘200的旋转速度增加时，扭转力212引起转子叶片206和护罩部段208围绕整体叶盘200的径向轴线220在旋转方向218上偏转(即反扭(untwist))。间隙210的尺寸被选择成当发电系统100(在图1中示出)达到预定的速度时允许转子叶片206和护罩部段208在旋转方向218上偏转并且有助于在邻近的护罩部段208之间的摩擦阻尼。
图3是整体叶盘200沿着区域3(在图2中示出)的放大透视图。如上所述，间隙210具有当扭转力212(在图2中示出)被施加至转子叶片206时有助于使邻近的护罩部段208互锁的几何形状。在示例性的实施例中，间隙210具有Z形槽结构222，其有助于限定在各在不同方向上延伸的邻近的护罩部段208之间的互补的邻接的侧壁对。特别地，第一互补侧壁对224包括第一侧壁225，第二互补侧壁对228包括第二侧壁229，并且第三互补侧壁对232包括第三侧壁233，其各在邻近的护罩部段208之间延伸。第一互补侧壁对224从整体叶盘200的第一侧226延伸，第二互补侧壁对228从整体叶盘200的第二侧230延伸，并且第三互补侧壁对232在第一和第二侧壁对224和228之间延伸。第一侧壁225在其之间限定第一被截间隙部分227，第二侧壁229在其之间限定第二被截间隙部分231，并且第三侧壁233在其之间限定第三被截间隙部分235。而且，每个互补侧壁对224、228和232相对于彼此成斜角地延伸。因此，间隙210的几何形状被选择成当转子叶片206和护罩部段208在旋转方向218上偏转时有助于在第三互补侧壁对232的第三侧壁233之间的摩擦接触。
在示例性的实施例中，间隙210的方向被选择成确保当发电系统100(在图1中示出)到达预定的速度时在邻近的护罩部段208的侧壁225、229和233之间形成基本上连续的界面(未示出)。特别地，间隙210的方向被选择成使得第三侧壁对232相对于转子叶片206的中心线236大致垂直地延伸。因此，在第三侧壁对232之间的间隙210相对于中心线236大致垂直地延伸并且间隙距离被选择成增强转子叶片206和护罩部段208的偏转，其也增强在此之间的摩擦阻尼。第一和第二侧壁对224和228从第三侧壁对232在确保间隙210在邻近的转子叶片206之间延伸的方向上延伸。
间隙210也限定了在邻近的护罩部段208之间的距离D，其被选择成在发电系统100预定的运行条件下确保在邻近的护罩部段208之间的摩擦接触。距离D被选为转子叶片206的长度(未示出)和整体叶盘200的预定的旋转速度中的至少一个的函数。例如，当转子叶片206的长度或旋转速度中的至少一个增加时，在转子叶片206中的偏转增加；而当转子叶片206的长度或旋转速度中的至少一个减少时，在转子叶片206中的偏转减少。因此，当转子叶片206的长度或整体叶盘200的旋转速度中的至少一个增加时，距离D增加以助于增加偏转并且那确保在邻近的护罩部段208之间的摩擦接触。
图4是说明制造整体叶盘200的过程步骤的示例性顺序300的示意性流程图。在示例性的实施例中，整体叶盘200由单个柱状材料坯302制成。坯302由使整体叶盘200能够如本文中所说明地起作用的任何材料锻造或铸造。整体叶盘200的特征此后利用任何合适的材料移除方法(包括但不限于计算机数控(“CNC”)铣削、电化学加工(“ECM”)、和电火花加工(“EDM”))来限定。
例如，在示例性的实施例中，顺序300包括第一材料移除步骤304和第二材料移除步骤306。在第一和第二材料移除步骤304和306的每个中，利用上述材料移除方法中的任一个来移除材料。第一材料移除步骤304包括从坯302移除材料以形成中间的整体叶盘308。特别地，在诸如车削或铣削的过程中将材料从坯302移除，使得从其限定中心盘部分202、大致连续的集成护罩310以及在中心盘部分202和集成护罩310之间延伸的外缘312。
第二材料移除步骤306包括从中间的整体叶盘308移除材料以有助于形成整体叶盘200。特别地，在诸如ECM或EDM的过程中从外缘312和集成护罩310移除材料以有助于相应地限定转子叶片206和护罩部段208。从集成护罩310限定护罩部段208包括在集成护罩310中限定具有Z形槽结构222的间隙210。在备选的实施例中，整体叶盘200利用添加制造技术来形成。
图5是说明了限定在邻近的护罩部段208之间的间隙210的过程步骤的示例性的顺序314的示意性流程图。如上所述，间隙距离D(在图3中示出)被选为转子叶片206的长度和整体叶盘200的预定的旋转速度中的至少一个的函数。当转子叶片206的长度或整体叶盘200的预定的旋转速度中的至少一个比较低时，确保在邻近的护罩部段208之间的摩擦接触所需的距离D也比较小。因此，在诸如ECM或EDM的过程中在集成护罩310中限定间隙210可能无法限定具有将确保在邻近的护罩部段208之间的摩擦接触的比较小的距离D的间隙210。
顺序314包括材料移除步骤316和材料插入步骤318。材料移除步骤316包括从集成护罩310移除材料使得在邻近的护罩部段208之间限定了空间320。空间320尺寸设定成在其中接收第一护罩插入物322和第二护罩插入物324。材料插入步骤318包括在空间320内插入第一和第二护罩插入物322和324，并且将护罩插入物322和324联接至相应的护罩部段208。护罩插入物322和324被预成形成使得每个护罩插入物322和324的侧壁326限定间隙210。护罩插入物322和324在诸如但不限于钎焊的过程中被联接至相应的护罩部段208。因此，预成形以及在空间320内插入护罩插入物322和324有助于限定在邻近的护罩部段之间的越来越小尺寸的间隙210。例如，由顺序314所限定的间隙210是零间隙或干涉配合，使得即使扭转力212(在图2中示出)不被施加至转子叶片206邻近的护罩部段208利用干涉配合被联接在一起。
本文中所说明的组件和方法涉及设计成具有改善的振动阻尼特性的涡轮整体叶盘。特别地，本文中所说明的涡轮整体叶盘包括联接至各转子叶片的集成护罩。具有预定的几何形状的间隙被限定在邻近的护罩部段之间。该间隙允许当涡轮整体叶盘的旋转速度向预定的旋转速度增加时转子叶片和护罩部段偏转。因此，间隙尺寸和几何形状被选择成使得护罩部段在预定的旋转速度下互锁，这给涡轮整体叶盘组件提供摩擦阻尼。
本文中所说明的组件和方法的示例性技术效果包括以下中的至少一个：(a)提供不带扩开的燕尾槽的被护罩的整体叶盘设计；(b)给整体叶盘提供摩擦阻尼；以及(c)当所期望的间隙距离小于已知的加工误差时，提供一系列过程步骤用于在集成的整体叶盘的护罩部段之间形成摩擦接触间隙。
上面详细地说明了涡轮整体叶盘的示例性实施例。该组件不限于本文中所说明的特定的实施例，而是系统的部件和/或方法的步骤可独立地并且与本文中所说明的其他部件和/或步骤分离地来利用。例如，本文中所说明的涡轮整体叶盘也可与其他过程结合来使用而不限于如本文中所述仅与涡轮发动机和相关的方法来实施。而是，示例性的实施例可与涡轮整体叶盘可利用工作流体运行的许多应用相联系地来执行和利用。
尽管本公开的各个实施例的特定特征可在一些附图中示出而在其他附图中未示出，这仅是为了方便。根据本公开的实施例的原理，一附图的任何特征可与任何其它附图的任何特征相结合地来引用和/或要求保护。
本说明书使用示例来公开本发明的实施例(包括最佳模式)并且也使本领域技术人员能够实践本发明的实施例(包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何所包含的方法)。本文中所说明的实施例的专利保护范围由权利要求来限定并且可包括本领域技术人员能想到的其他示例。这样的其他示例如果其具有与权利要求的文字语言没有不同的结构元件或者如果其包括与权利要求的文字语言没有实质区别的等同结构元件意图在权利要求的范围之内。

Claims (15)

1.一种涡轮整体叶盘，其包含：
内缘；
从所述内缘径向向外延伸的多个邻近的转子叶片；
集成地联接至所述多个邻近的转子叶片中的每个的护罩部段，由此形成多个邻近的护罩部段；以及
在各个所述邻近的护罩部段之间限定的间隙，所述间隙由第一直间隙部分、第二直间隙部分和第三直间隙部分限定，所述第一直间隙部分具有限定在前缘处的第一端部和第二端部，所述第二直间隙部分具有限定在后缘处的第一端部和第二端部，所述第三直间隙部分在所述第一直间隙部分的所述第二端部和所述第二直间隙部分的所述第二端部之间延伸，其中，所述间隙具有当扭转力被施加至所述多个邻近的转子叶片时有助于使所述多个邻近的护罩部段互锁的几何形状；
其中，所述间隙限定在各个所述邻近的护罩部段之间的距离，其选为所述涡轮整体叶盘的预定的旋转速度或所述多个邻近的转子叶片的长度中的至少一个的函数。
2.根据权利要求1所述的涡轮整体叶盘，其中，所述间隙限定了在各个所述邻近的护罩部段之间的多个互补侧壁对，各个所述多个互补侧壁对相对于彼此成斜角地延伸。
3.根据权利要求2所述的涡轮整体叶盘，其中，所述多个互补侧壁对中的至少一个包含当所述扭转力被施加至所述多个邻近的转子叶片时处于摩擦接触中的侧壁。
4.根据权利要求1所述的涡轮整体叶盘，其中，所述间隙限定了在所述邻近的护罩部段之间的干涉配合或零间隙中的至少一个。
5.根据权利要求1所述的涡轮整体叶盘，其中，所述间隙包含Z形槽结构。
6.一种发电系统，其包含：
工作流体源；以及
联接在所述工作流体源下游的涡轮，其中，所述涡轮包含至少一个涡轮整体叶盘，所述涡轮整体叶盘包含：
内缘；
从所述内缘径向向外延伸的多个邻近的转子叶片；
集成地联接至所述多个邻近的转子叶片中的每个的护罩部段，由此形成多个邻近的护罩部段；以及
在各个所述邻近的护罩部段之间限定的间隙，所述间隙由第一直间隙部分、第二直间隙部分和第三直间隙部分限定，所述第一直间隙部分具有限定在前缘处的第一端部和第二端部，所述第二直间隙部分具有限定在后缘处的第一端部和第二端部，所述第三直间隙部分在所述第一直间隙部分的所述第二端部和所述第二直间隙部分的所述第二端部之间延伸，其中，所述间隙具有当扭转力被施加至所述多个邻近的转子叶片时有助于使所述多个邻近的护罩部段互锁的几何形状；
其中，所述间隙限定在各个所述邻近的护罩部段之间的距离，其选为所述涡轮整体叶盘的预定的旋转速度或所述多个邻近的转子叶片的长度中的至少一个的函数。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述间隙限定了在各个所述邻近的护罩部段之间的多个互补侧壁对，各个所述多个互补侧壁对相对于彼此成斜角地延伸。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述多个互补侧壁对中的至少一个包含当所述扭转力被施加至所述多个邻近的转子叶片时处于摩擦接触中的侧壁。
9.根据权利要求6所述的涡轮整体叶盘，其中，所述间隙包含Z形槽结构。
10.一种制造涡轮整体叶盘的方法，所述方法包含：
准备实心坯材料；
从所述实心坯材料限定内缘；
从所述实心坯材料限定多个邻近的转子叶片，所述多个邻近的转子叶片从所述内缘径向向外延伸；
从所述实心坯材料限定护罩，所述护罩集成地联接至所述多个邻近的转子叶片；以及
在所述护罩中限定间隙以形成护罩部段，其集成地联接至所述多个邻近的转子叶片中的每个，由此形成多个邻近的护罩部段，所述间隙由第一直间隙部分、第二直间隙部分和第三直间隙部分限定，所述第一直间隙部分具有限定在前缘处的第一端部和第二端部，所述第二直间隙部分具有限定在后缘处的第一端部和第二端部，所述第三直间隙部分在所述第一直间隙部分的所述第二端部和所述第二直间隙部分的所述第二端部之间延伸，其中，所述间隙具有当扭转力被施加至所述多个邻近的转子叶片时有助于使所述多个邻近的护罩部段互锁的几何形状；
其中，限定间隙包含作为所述涡轮整体叶盘的预定的旋转速度或所述多个邻近的转子叶片的长度中的至少一个的函数选择在各个所述多个邻近的护罩部段之间的距离。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，限定间隙包含限定在各个所述多个邻近的护罩部段中之间的多个互补侧壁对，各个所述多个互补侧壁对相对于彼此成斜角地延伸。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，限定间隙包含：
从所述护罩移除材料以限定在各个所述多个邻近的护罩部段之间的空间；以及
在所述空间内插入护罩插入物使得所述间隙被限定在所述护罩插入物之间。
13.根据权利要求12所述的方法，其此外包含使所述护罩插入物预成型使得每个护罩插入物的侧壁限定所述间隙。
14.根据权利要求10所述的方法，其此外包含通过计算机数控铣削、电化学加工或电火花加工中的至少一个从所述实心坯材料移除材料。
15.根据权利要求10所述的方法，其中，实心坯材料的准备包含所述实心坯的锻造和所述实心坯的铸造中的一个。
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