CN107091120A - 涡轮叶片质心偏移方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及涡轮叶片质心偏移方法和系统，具体而言，公开了一种用于制造旋转涡轮叶片(28)和调整叶片的固有频率(ωn)的方法，其改变叶片的第二有效梁长度(L2)，从而改变叶片的第一固有频率(ωn)和第二固有频率(ωn)之间的间隔。

Description

涡轮叶片质心偏移方法和系统
技术领域
本发明公开涉及用于通过偏移叶片积叠(blade stack)质心来生产燃气涡轮机叶片的系统和方法，叶片积叠质心进一步由三个叶片积叠部分限定。根据本发明公开的燃气涡轮机叶片并不限于燃气涡轮机。涡轮机械的转子叶片或引导叶片都在本发明公开的范围内。
背景技术
旋转的燃气涡轮机叶片必须满足考虑了运行期间作用在旋转叶片上的高机械和热学应力的多重材料和设计标准。由于作用到旋转叶片上的巨大的离心力和叶片必须承受的巨大的热负荷，主要的叶片设计任务是提供高度的刚性并避免运行期间的叶片振动。使用旋转叶片的翼型件内的冷却通道的主动冷却也必须考虑。叶片上的热学涂层是又另一个设计考虑。寻求一种用于通过改变翼型件形状来“调整”叶片的固有频率的方法，以便改善空气力学固有频率刺激裕度(margin to stimuli)，同时保持或改善空气动力学性能。
旋转的叶片成排布置，它们在轴向方向上与静止叶片的排交替。每对排都包括一排静止叶片和直接跟在下游的一排旋转叶片，从而形成所谓的级。涡轮的所有级都按顺序编号，始于在涡轮的入口开口处的第一级，第一级具有第一排静止叶片，继之以第一排旋转叶片。
燃气涡轮机的正常操作显示例如第一级的静止叶片是对于作用在后续旋转叶片上的振动的激励源，后续的旋转叶片以第二固有频率共振。减少此类激励源的效果以避免振动传播以及任何级中布置在静叶(vane)下游的旋转叶片上的激励是有利的。改变燃气涡轮机叶片的第一固有频率与由静止叶片导致的第二激励固有频率之间的差异即间隔可以减少这些效果。
对于常规的翼型件积叠，改变翼型件弦分布是调整轴向频率的典型方法。典型地，为了增加轴向频率，根弦被增加而梢弦被减少。这通常将增加轴向频率的第一和第二谐波两者，所以刺激裕度仅能在这些模式的其中一个(而不是两个)上获得。另一个方法将是改变叶片的径向长度，这会要求对涡轮架构的极大改变。这些改变可能产生极大的性能损失(performance penalty)。
用于“调整”无围带(unshrouded)叶片轴向频率的现有技术具有若干缺点。第一轴向(1A)模式和第二轴向(2A)模式倾向于以类似的方式响应于翼型件变化，即，都增加或都降低频率。通常，获得对一个模式的裕度导致损失对另一个模式的裕度。
发明内容
本发明公开的多个方面和优点将在以下说明中部分地阐述，或者可由该说明而显而易见，或者可通过实践本发明公开而获悉。
公开了一种用于生产旋转涡轮叶片的方法，其具有确定现有叶片的质量、弦分布、后缘平面、限定第一有效梁长度(effective beam length)的第一固有频率、以及限定第二有效梁长度的第二固有频率的步骤，第一和第二固有频率对应于现有叶片的任何共振频率；限定现有叶片的具有上质心的上部、具有中间质心的中部以及具有下质心的下部的步骤；沿第一方向相对于下质心偏移现有叶片的中间质心的步骤；沿第二方向相对于下质心偏移现有叶片的上质心的步骤，第二方向不同于第一方向；以及执行以上步骤以改变第二有效梁长度，从而改变改型叶片的第一固有频率和第二固有频率之间的间隔。还公开了用于调整叶片固有频率的一种系统。
实施方案1. 一种用于制造旋转涡轮叶片的方法，包括如下步骤：
确定现有叶片的质量，弦分布，后缘平面，限定第一有效梁长度的第一固有频率,以及限定第二有效梁长度的第二固有频率，其中所述第一和第二固有频率对应于所述现有叶片的任何共振频率，
限定所述现有叶片的具有上质心的上部，具有中间质心的中部，以及具有下质心的下部，
沿第一方向相对于所述下质心偏移所述现有叶片的所述中间质心,
沿第二方向相对于所述下质心偏移所述现有叶片的所述上质心，所述第二方向不同于所述第一方向，以及
执行上述步骤来改变所述第二有效梁长度，从而改变改型叶片的第一固有频率和第二固有频率之间的间隔。
实施方案2. 根据实施方案1所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：
保持所述现有叶片的恒定的质量，恒定的弦分布和恒定的第一有效梁长度。
实施方案3. 根据实施方案1所述的方法，其特征在于，所述第一和第二固有频率是选自包括轴向频率、挠曲频率和扭转频率的组的至少一个频率。
实施方案4. 根据实施方案1所述的方法，其特征在于，所述第一和第二方向是选自包括周向方向,径向方向和轴向方向及其组合的组的至少一个方向。
实施方案5. 根据实施方案1所述的方法，其特征在于，所述第一和第二方向是相反的。
实施方案6. 如实施方案1所述的方法，其特征在于，所述后缘平面是恒定的。
实施方案7. 根据实施方案1所述的方法，其特征在于，穿过所述现有叶片的上部、中部和下部的质心的弦长对于所述改型叶片的对应弦长被保持。
实施方案8. 根据实施方案1所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：
执行所述偏移步骤使得质心相对于彼此移动固定的径向距离。
实施方案9. 根据实施方案8所述的方法，其特征在于，每个质心都径向地定位在每个相应部分的中间。
实施方案10. 根据实施方案8所述的方法，其特征在于，叶梢上的空气负载被降低。
实施方案11. 一种用于调整叶片固有频率的系统，包括通过如下步骤制造的涡轮叶片：
确定现有叶片的质量，弦分布，后缘平面，限定第一有效梁长度的第一固有频率,以及限定第二有效梁长度的第二固有频率，其中所述第一和第二固有频率对应于所述现有叶片的任何共振频率，
限定所述现有叶片的具有上质心的上部，具有中间质心的中部，以及具有下质心的下部,
沿第一方向相对于所述下质心偏移所述现有叶片的所述中间质心,
沿第二方向相对于所述下质心偏移所述现有叶片的所述上质心，所述第二方向不同于所述第一方向，以及
执行上述步骤来改变所述第二有效梁长度，从而改变改型叶片的第一固有频率和第二固有频率之间的间隔。
实施方案12. 根据实施方案10所述的系统，其特征在于，还包括以下步骤：
保持所述现有叶片的恒定的质量，恒定的弦分布和恒定的第一有效梁长度。
实施方案13. 根据实施方案10所述的系统，其特征在于，所述第一和第二固有频率是选自包括轴向频率、挠曲频率和扭转频率的组的至少一个频率。
实施方案14. 根据实施方案10所述的系统，其特征在于，所述第一和第二方向是选自包括周向方向,径向方向和轴向方向及其组合的组的至少一个方向。
实施方案15. 根据实施方案10所述的系统，其特征在于，所述第一和第二方向是相反的。
实施方案16. 根据实施方案10所述的系统，其特征在于，所述后缘平面是恒定的。
实施方案17. 根据实施方案10所述的系统，其特征在于，穿过所述现有叶片的上部、中部和下部的质心的弦长对于所述改型叶片的对应弦长被保持。
实施方案18. 根据实施方案10所述的系统，其特征在于，还包括如下步骤：
执行所述偏移步骤使得质心相对于彼此移动固定的径向距离。
实施方案19. 根据实施方案18所述的系统，其特征在于，每个质心都径向地定位在每个相应部分的中间。
实施方案20. 根据实施方案18所述的系统，其特征在于，叶梢上的空气负载被降低。
参考以下说明和所附权利要求，本发明公开的这些和其他特征、方面以及优点将变得更好理解。结合在说明书中并构成说明书一部分的附图图示了本发明公开的实施例，并且与说明一起用于解释本发明公开的原理。
附图说明
说明书中描述了针对本领域普通技术人员的完整而能够实施的公开，包括其最佳模式，其引用了附图，其中：
图1图示了可能结合在本发明公开的至少一个实施例中的示例性燃气涡轮机的功能性图解；
图2是可能结合在图1中所示的燃气涡轮机中并且可能结合本发明公开的不同实施例的示例性现有转子叶片和改型转子叶片的透视图。
本说明书和附图中参考标号的重复使用旨在代表本发明公开中相同或类似的特征或元件。
标号 部件
10 燃气涡轮机
12 入口段
14 压缩机段
16 燃烧段
18 涡轮段
20 排气段
22 轴
24 转子轴
26 转子盘
28 转子叶片
30 外壳体
32 热气体路径
34 热气体
100 现有转子叶片
101 改型转子叶片
106 翼型件
107 轴向方向
108 径向方向
109周向方向
110 平台
112 外表面
114 压力侧壁
116 吸力侧壁
118 根部
120 梢部
124前缘
126 后缘
128 下部
130 下质心
132 中部
134 中间质心
136 上部
138 上质心。
具体实施方式
现在将详细参考本发明公开的实施例，其一个或更多示例在附图中图示。每个示例作为本发明公开的解释而非本发明公开的限制提供。实际上，对于本领域技术人员将会明显的是在本发明公开中可做出各种改型和变型而不背离本发明公开的范围或精神。例如，作为一个实施例的一部分图示并描述的特征可结合另一实施例使用来产生又其他的实施例。因此，其意图在于本发明公开覆盖落入所附权利要求书及其等价物范围内的此类改型和变型。
积叠线定义为在翼型件的压力侧的表面上在轴向弦长的50%±5%的轴向位置处延伸0%到100%翼展的线。轴向弦长定义为叶片当安置在涡轮中时叶片到平行于涡轮轴线的线上的投影(projection)的长度。弦长定义为叶片轮廓到弦线上的垂直投影的长度，其大约等于前缘和后缘之间的线性距离。有效梁长度(L)定义为在以下等式中用于特定构件的梁固有频率(ωn)的长度，和/或根据该等式用来计算涡轮叶片固有频率(ωn)的长度；
其中：L=有效梁长度(L1和L2)
m=有效梁的质量
如本文中所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可以可交换地使用来将一个部件与另一个相区分并且并不意图表示单个部件的位置、重要性或特定叶片频率。术语“上游”和“下游”指相对于流体路径中流体流的相对方向。例如，“上游”指流体从其流动的方向，而“下游”指流体流向的方向。术语“径向地”指大致垂直于特定部件的轴向中心线和/或大致垂直于涡轮机械的轴向中心线的相对方向，而术语“轴向地”指的是大致平行于和/或与特定部件的轴向中心线同轴对齐和/或与涡轮机械的轴向中心线同轴对齐的相对方向，而术语“周向地”指的是大致平行于特定部件的圆周和/或大致平行于涡轮机械环形壳体元件的相对方向。
每个示例作为本发明公开的解释而非本发明公开的限制提供。实际上，对于本领域技术人员将会明显的是在本发明公开中可做出各种改型和变型而不背离本发明的范围或精神。例如，作为一个实施例的一部分图示并描述的特征可用在另一实施例上来产生又其他的实施例。因此，其意图在于本发明公开覆盖落入所附权利要求书及其等价物范围内的此类改型和变型。尽管本文示出并描述了工业或陆基燃气涡轮机，但是如本文所示出并描述的当前公开并不限于陆基和/或工业燃气涡轮机，除非在权利要求书中另外指出。例如，如本文所描述的发明公开可用在任何类型的涡轮机中，包括但不限于蒸气涡轮机或船舶燃气涡轮机。
现在参考附图，图1图示了燃气涡轮机10的一个实施例的示意图。燃气涡轮机10通常包括入口段12、设置在入口段12下游的压缩机段14、设置在压缩机段14下游的燃烧器段16内的多个燃烧器(未示出)、设置在燃烧器段16下游的涡轮段18以及设置在涡轮段18下游的排气段20。另外，燃气涡轮机10可包括联接在压缩机段14和涡轮段18之间的一根或多根轴22。
涡轮段18通常可包括具有多个转子盘26(示出了其中一个)和多个转子叶片的转子轴24，转子叶片28从转子盘26径向向外地延伸并且被相互连接到转子盘26上。每个转子盘26又可联接到转子轴24的一部分上，转子轴24的一部分延伸穿过涡轮段18。涡轮段18还包括周向地包围转子轴24和转子叶片28的外壳体30，从而至少部分地限定穿过涡轮段18的热气体路径32。
在运行期间，诸如空气的工作流体流经入口段12并进入压缩机段14，在那里空气被逐步压缩，从而给燃烧段16的燃烧器提供加压空气。加压空气与燃料混合并且在每个燃烧器内燃烧以产生燃烧气体34。燃烧气体34从燃烧段16流经热气体路径32进入涡轮段18，在那里能量(动能和/或热能)从燃烧气体34传递给转子叶片28，从而使得转子轴24旋转。机械旋转能然后可用于驱动压缩机段14和/或用来产生电力。离开涡轮段18的燃烧气体34然后可从燃气涡轮机10经由排气段20排出。
图2是示例性现有转子叶片100和如可结合本发明公开的一个或更多实施例以及如可结合到燃气涡轮机10的涡轮段18中替代如图1中所示的转子叶片28的改型转子叶片101的透视图。如图2中所示，现有转子叶片100和改型转子叶片101通常包括沿翼展向外沿径向方向108从转子叶片100的平台部分110延伸的翼型件106。平台110通常用作用于流经涡轮段18的热气体路径32的燃烧气体34的径向向内流边界(图1)。
翼型件106包括包围翼型件106的外表面112。外表面112至少部分地由压力侧壁114和相对的吸力侧壁116限定。压力侧壁114和吸力侧壁116大致径向地向外从平台110沿翼展从翼型件106的根部118向翼型件106的叶梢或梢部120延伸。翼型件106的根部118可限定于翼型件106和平台110之间的交叉处。叶梢120与根部118径向相对地设置。
压力侧壁114和吸力侧壁116在翼型件106的前缘124处连接在一起或相互连接，前缘124指入燃烧气体34的流。压力侧壁114和吸力侧壁116还在翼型件106的后缘126处连接在一起或相互连接，后缘126与前缘124向下游隔开。压力侧壁114和吸力侧壁116关于后缘126是连续的。压力侧壁114通常是凹陷的而吸力侧壁116通常是凸出的。翼型件106的弦长是连接前缘114和后缘116的直线的长度，而从前缘114到后缘116的方向典型地被描述为弦向方向。
同样在图2中，现有转子叶片100和改型转子叶片101两者都被分成三个大致的部分：下部128，中部132和上部136。改型转子叶片101通过以下步骤制造：确定质量(m)，弦分布，后缘126平面，限定第一有效梁长度(L1)的第一固有频率，以及限定第二有效梁长度(L2)的第二固有频率，第二有效梁长度(L2)作为图2中所示的两条分支的和限定，第一和第二固有频率对应于现有转子叶片100的任何共振频率；限定现有叶片100的具有上质心138的上部136，具有中间质心134的中部132，以及具有下质心130的下部128；沿第一方向偏移叶片的中间质心134；沿第二方向偏移叶片100的上质心138，第二方向不同于第一方向；保持下质心130的位置；以及执行以上步骤来改变第二有效梁长度(L2)从而改变改型叶片101的第一固有频率和第二固有频率之间的间隔。
该方法还可包括保持现有叶片的恒定的质量(m)，恒定弦分布和恒定第一有效梁长度(L1)。该方法还可包括共振频率，使得第一和第二固有频率是选自包括轴向频率、挠曲频率和扭转频率的组的至少一个频率。同样，该方法可包括偏移步骤，使得第一和第二方向是选自包括周向109，径向108和轴向107及其组合的组的至少一个方向。第一和第二方向也可以是相反的方向。另一个附加的方法实践可以包括在偏移质心时保持后缘126平面恒定。又另一个方法实践可包括如下步骤，其中穿过现有叶片的上部136、中部132和下部128的质心的弦长对于改型叶片的对应弦长被保持。该方法可包括附加的步骤，其中执行偏移步骤，使得上部质心138和中部质心134相对于彼此以固定的径向108距离移动。每个质心都可以径向地108在每个相应的部分上定位在中间。此方法可导致叶片末梢上的气体负载降低。该方法还可用作用来调节对于无围带或有围带涡轮叶片的叶片固有频率(ωn)的系统。
此方法和系统促进涡轮叶片的固有频率模式之间的分离。可以在一个(或两个)模式上获得频率裕度而不负面地影响另一个。使用此叶片积叠方法和系统改变了与第二轴向频率成比例的叶片第二有效长度(L2)。在这样做时，描述第一轴向频率的第一有效长度(L1)不受影响，这促进了频率分离和改善的调整裕度。除了改变第二轴向频率的有效长度(L2)之外，此积叠方法和系统在热气体34流体流上强加了力，其减小了叶梢120的负载，从而改善了空气动力学性能并且降低了末梢间隙灵敏度。
此书面说明书使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且也使得任何本领域技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统以及执行任何所结合的方法。本发明公开可授予专利的范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他示例。此类其他示例如果包括不异于权利要求的字面语言的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质性区别的等同结构元件，则此类其他示例意在落入权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于制造旋转涡轮叶片(28)的方法，包括如下步骤：
确定现有叶片(100)的质量(m)，弦分布，后缘(126)平面，限定第一有效梁长度(L1)的第一固有频率(ωn),以及限定第二有效梁长度(L2)的第二固有频率(ωn)，其中所述第一和第二固有频率(ωn)对应于所述现有叶片(100)的任何共振频率，
限定所述现有叶片的具有上质心(138)的上部(136)，具有中间质心(134)的中部(132)，以及具有下质心(130)的下部(128),
沿第一方向相对于所述下质心(130)偏移所述现有叶片的所述中间质心(134),
沿第二方向相对于所述下质心(130)偏移所述现有叶片的所述上质心(138)，所述第二方向不同于所述第一方向，以及
执行上述步骤来改变所述第二有效梁长度(L2)，从而改变改型叶片(101)的第一固有频率(ωn)和第二固有频率(ωn)之间的间隔。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：
保持所述现有叶片(100)的恒定的质量(m)，恒定的弦分布和恒定的第一有效梁长度(L1)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一和第二固有频率(ωn) 是选自包括轴向频率、挠曲频率和扭转频率的组的至少一个频率。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一和第二方向是选自包括周向方向(109),径向方向(108)和轴向方向(107)及其组合的组的至少一个方向。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一和第二方向是相反的。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述后缘(126)平面是恒定的。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，穿过所述现有叶片(100)的上部(136)、中部(132)和下部(128)的质心的弦长对于所述改型叶片的对应弦长被保持。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：
执行所述偏移步骤使得质心相对于彼此移动固定的径向(108)距离。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，每个质心都径向地定位在每个相应部分的中间。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，叶梢上的空气负载被降低。
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