CN108474254B - 用于制造涡轮动叶的基体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制造涡轮机转子动叶或者其基体(30)的方法，涡轮机转子动叶或基体(30)的频率特性可以特别轻松地适应所需的界定条件。为此，如果基体(30)的振动特性不足，则在动叶根部(32)中引入凹部(50)和/或将尺寸减小至对应的目标值以下。以此方式，公开了一种方法，通过该方法，可以以特别轻松且可变的方式调节涡轮机转子动叶的振动特性。因此，可以降低涡轮机转子动叶制造中的不良率。

Description

用于制造涡轮动叶的基体的方法

技术领域

本发明涉及一种用于制造涡轮机转子动叶的基体的方法，至少包括以下连续步骤：提供基体，该基体沿一个虚拟的纵向轴线依次包括一个动叶根部、一个动叶平台和一个动叶翼型；感测基体的表示振动特性的参数值；将感测值与预定目标区间相比较；以及如果感测值在目标区间以外，则减小基体的质量。本发明还涉及一种用于轴流式涡轮机转子的转子动叶环。

背景技术

已知的是可以为涡轮机转子动叶提供保护层，以便在燃气轮机运行期间延长其使用寿命。在铸造过程中，经常将MCrAlY型耐腐蚀层作为保护层而施加到涡轮机转子动叶。施加保护层的表面区域在燃气轮机的运行期间暴露于热气。该区域包括涡轮机转子动叶的动叶翼型和平台两者，动叶翼型一体地形成在该平台上。除耐腐蚀层外，可以在上述区域施加热障涂层，以尽可能地减少从热气引入到涡轮机转子动叶的基材内的热量。这样一来，施加这些层可能改变涡轮机转子动叶的振动性能。

涡轮机转子动叶在燃气轮机运行期间被激励振动，这也是已知的。振动激励是由转子的转动引起的。转子上紧固有涡轮机转子动叶。热气冲击在涡轮机转子动叶的动叶翼型上也是振动激励的成因。在热气流的方向上，涡轮机转子动叶的动叶翼型在涡轮导流静叶环的下游旋转，因此，动叶翼型会被冲击动叶翼型的热气激励而振动。这就要求每个涡轮机转子动叶具有足够高的共振频率，从而使源于转子旋转速度的振动激励以及源于热气的振动激励这二者各自的激励频率均不会引起动叶翼型的不可接受的巨大振动。因此，在现有技术中，涡轮机转子动叶这样来设计，即，涡轮机转子动叶的共振频率相对于固定式燃气轮机的激励频率而言有所偏离。在涡轮机转子动叶的开发中，同样确保成品涡轮机转子动叶在整体上符合关于自然共振的要求，包括关于预期转子速度的要求。

因此可以想见：在涡轮机转子动叶的制造过程中，要测试各涡轮机转子动叶的振动特性。在此测试中，在动叶根部处夹固涡轮动叶，并通过机械脉冲来引发振动。接下来，感测涡轮动叶、特别是其动叶翼型的振动响应。如果涡轮机转子动叶的振动响应不符合共振频率的预定频率值，则必须丢弃，或者通过适当措施加以处理以使其符合共振频率的要求并且进而适于运行。一些涡轮机转子动叶仅仅由于其振动特性而无意被用于燃气轮机中；为了使为了继续使用这些涡轮机转子动叶，例如从EP1985803A1已知的是，在动叶翼型的顶端引入一个凹部，由此可以减小涡轮机转子动叶在其自由振动端的质量。减小涡轮机转子动叶的质量对振动特性会产生积极作用。通过去除质量，涡轮机转子动叶的共振频率可以变得更高。

此外，根据EP0537922A1已知的是：在涡轮机转子动叶的动叶平台内插入管式阻尼器。该阻尼器可以在离心力作用下被略微推出，进而与邻近动叶的平台接触，以抑制在运行期间动叶对动叶的振动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制造涡轮机转子动叶的基体的方法，该涡轮机转子动叶具有共振频率，该共振频率符合在固定式燃气轮机中使用的要求。另一个目的在于提供一种转子动叶环，该转子动叶环中的动叶翼型对由热气导致的振动激励而言特别稳定。

有关该方法的目的通过根据权利要求1的特征的方法来实现，其有利的改进反映在从属权利要求中。有关转子动叶环的目的通过权利要求6的特征来实现。

本发明是基于以下认识：不必仅在动叶翼型上引入用于调节共振频率的凹部。具体而言，还可以在动叶根部或者所谓的底侧平台上执行影响涡轮机动叶或者涡轮机动叶铸造基体的振动特性的措施。在这种情况下，底侧平台是涡轮机转子动叶或基体的平台与平台的热气侧相对的一侧，因此也是面向动叶根部的一侧。可以将引入凹部或者将尺寸减小至目标值以下作为措施。毋庸置疑，这两种措施也可以相互组合。

这两种措施的优势在于，任何一种措施都不会改变动叶翼型的结构-机械整体性，也不会使动叶翼型的空气动力学特性变差。这样可以使动叶基体以及最终由该动叶基体制造的涡轮机转子动叶达到预定寿命和预定性能值。

因此，本发明提出动叶基体在动叶根部和/或平台底侧处具有形状和/或尺寸被选择为不具有结构-机械功能的区域。基于此特性以及最初提供的尺寸，基体包括被视为牺牲区域的至少一个区域，以通过减小该区域的质量，在不改变功能特性的同时改变基体的振动特性。为了减小质量，例如，可以在动叶根部的平面侧引入凹部。另一个示例是减小设置在涡轮机动叶的底侧平台上的腹板的宽度。

可以实施上述措施的区域优选地位于那些不会显著地损害基体的结构-机械整体性的位置，对于在运行期间出现的相关机械负载而言，需要该结构-机械整体性。因此，可以改变涡轮机转子动叶的那些在任何情况下都不会限制涡轮动叶寿命的几何惯性矩和刚度。因此，涡轮机转子动叶的预定寿命将不受影响。

优选地，所涉及的一个区域或者所涉及的多个区域位于基体的可以流过热气的那些区域的外侧。因此，该方法还可以在用耐腐蚀涂层和/或热障涂层涂覆涡轮机转子动叶后应用。

优选地，根据本发明的方法是用于涡轮机动叶制造过程中很靠后的阶段。这意味着在感测表示振动特性的参数值之前，通常通过铸造过程所制造的基体已经达到目标尺寸。由此可以确保对几乎完成的涡轮机转子动叶进行振动测量，从而至少在很大程度上避免也可能会改变基体或者涡轮机转子动叶的振动特性的进一步的制造步骤。

更优选地，如果可以提前确定参数的感测值由于随后施加的涂层而变化的(平均)值，上述方法也可以在涂覆主体之前实施。接下来，上述措施可以在制造过程的早期阶段实施，以便选择虽然实施了根据本发明的措施，但振动特性和值无法进入相关目标区间的那些基体。以此方式，可以在早期避免不良品的支出。

有利地，动叶环的仅一些涡轮机转子动叶或者全部涡轮机转子动叶根部据上述方法制造。

在本申请中，从概念上区分涡轮机转子动叶和涡轮机转子动叶的基体。这种情况下，涡轮机转子动叶被理解为表示成品动叶，意在不需要进一步加工的情况下紧固至涡轮机的转子。相反，涡轮机转子动叶的基体被理解为表示仍然处于中间制造过程的涡轮机转子动叶坯件，该涡轮机转子动叶坯件最终成为成品涡轮机转子动叶。因此，本发明仅涉及用于制造即可使用的涡轮机转子动叶所需的全部步骤中的一些步骤，本文中的方法步骤也可以是用于制造即可使用的涡轮机动叶的最后制造步骤。

附图说明

根据附图对本发明进行说明，其中相同标号描述相同构件。

在附图中：

图1示出根据本发明的用于制造涡轮机转子动叶的基体的方法的各制造步骤的流程图，

图2示出进一步制造步骤的流程图，以及

图3示出涡轮机转子动叶的基体的底侧的透视图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的方法10。用于制造涡轮机转子动叶的基体30(图3)的方法10包括在第一步骤12中提供涡轮机转子动叶的基体30。基体30沿虚拟纵向轴线31依次包括动叶根部32、平台34和动叶翼型36。

当垂直于动叶根部32的平面端面38观察时，动叶根部32的轮廓为枞树形，并经由所谓的动叶颈部40并入平台34的底侧42。平台包括与底侧42相对的热气侧44，动叶翼型36单体地连接到该热气测44。动叶翼型36被形成为水滴状，并且在空气动力学上弯曲以形成压力侧46和吸力侧48。

动叶根部32在轴向彼此相对设置的两个平面端面38之间的长度L上延伸。

在第二制造步骤14中，感测基体30的至少一个参数的变量，该参数中的至少一个参数表示基体的振动特性。共振频率和振动模式通常通过常规方法来感测。

在第三制造步骤16中，将感测的一个或多个值与目标区间(相关的目标区间)相比较。如果感测值在相关的目标区间以外，则根据本发明，作为第四制造步骤，在动叶根部32处和/或平台36的底侧42实施改变振动的措施。这些措施可以是引入一个或多个凹部50、和/或减小之前的尺寸，例如布置在动叶根部32处和/或平台36的底侧42的某些特征的长度、宽度或高度。例如，动叶根部32的长度L可以缩短几百毫米，以缩短到低于长度L的其它期望目标值的尺寸。基体30的质量的减小发生在为此目的而设置的区域49内。因此，涡轮机转子动叶的重量以及可能的压力施加平面在离心力作用下改变，这对于涡轮机转子动叶的振动特性具有有利的影响。

如果存在疑问，可以重复进行作为一个系列的第二、第三和第四步骤14、16、18，以测试基体30的适用性。只有当被研究的涡轮机转子动叶满足关于振动特性的要求时，才将其传递至进一步制造过程。

基体30或者涡轮机转子动叶也可以是设置有或者待设置保护层的主体或动叶。这种情况下，保护层优选为MCrAlY型耐腐蚀层。替代地，也可以提供双层或者更多层保护涂层，其包括作为粘合涂层的MCrAlY层，在该MCrAlY层的外侧还施加有陶瓷热障涂层(TBC)。施加保护层、尤其是耐腐蚀层会进一步增加基体的质量。质量的增加所带来的共振频率的变化可以通过在动叶根部32处或平台34的底侧引入凹部50来补偿。在这种情况下，需要引入足够数目、具有足够深度的凹部来使涡轮机转子动叶满足关于共振频率的要求。在这种情况下，虽然应用了根据本发明的方法，但可能仍然无法足够强地影响共振频率以至于共振频率不能满足要求。这种情况下，基体不适合用于商业用途。

基体30的涂层可以在实施第二制造步骤14之前第一次施加，或者在实施第四制造步骤18之后最后一次施加。

在动叶根部32的端面上布置凹部50会使共振频率的频率发生改变。凹部50可以是任意期望形状。

图2示出制造方法的进一步示例性实施例的第二流程图。根据进一步的示例性实施例，该制造过程包括之前提到的步骤12、14、16、18，并且在一些情况下，在这些步骤之间补充有待实施的制造步骤13和19。一方面，这么做的效果在于：在所补充的制造步骤13中，基体30至少最大程度地按尺寸制造，换言之：在该制造步骤中，使受铸造公差影响的基体30的尺寸达到计划目标值，该目标值转而也可能受公差影响。

在制造步骤19中，可以为此时仍未涂覆的基体30提供耐腐蚀涂层和/或热障涂层。

因此，总的来说，本发明提出了一种用于制造涡轮机转子动叶或其基体30的方法，涡轮机转子动叶或其基体30的频率特性可以特别轻松地适应所需的界定条件。为此，如果基体30的振动特性不足，则在动叶根部32内引入凹部50和/或将尺寸减小至对应的目标值以下。本文提供了一种方法，通过该方法，可以以特别轻松且可变的方式调节涡轮机转子动叶的振动特性。因此，可以降低涡轮机转子动叶制造中的不良率。

Claims (4)

1.一种用于制造涡轮机转子动叶(40)的基体(30)的方法(10、20)，至少包括以下连续步骤：

a)提供基体(30)，所述基体(30)沿纵向轴线(31)依次包括一个动叶根部(32)、一个动叶平台(34)和一个动叶翼型(36)，

b)感测所述基体(30)的至少一个参数的值，所述参数中的至少一个参数表示所述基体(30)的振动特性，

c)将感测值与一个预定目标区间相比较，

d)如果所述感测值在所述目标区间以外，则减小所述基体(30)的质量，

其特征在于，通过引入至少一个凹部(50)和/或通过将尺寸减小至对应的目标值以下，而在所述动叶根部(32)处和/或在所述动叶平台(34)上减小质量。

2.根据权利要求1所述的方法(10、20)，

其中所述基体的所述质量被减小的一个区域(49)或多个区域(49)位于所述基体(30)上能够流过热气的那些区域的外侧。

3.根据权利要求1或2所述的方法(10、20)，

其中在执行步骤b)之前，使所述基体(30)的至少大部分尺寸达到其目标尺寸。

4.一种用于轴流式涡轮机的转子的转子涡轮机环，

具有多个涡轮机转子动叶，所述涡轮机转子动叶的基体(30)根据权利要求1-3中任意一项所述的方法制造。

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