CN109415944A - 用于优化转子叶片的固有频率的方法以及转子叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于优化涡轮机的转子叶片(1)的设计的方法，该转子叶片具有叶片根部(4)和叶片翼型(5)，在该方法中，检测转子叶片(1)的实际固有频率，将检测到的实际固有频率与参考值或者参考范围进行比较，如果标识出损害转子叶片(1)的正常运行的实际固有频率与参考值或者参考范围之间的偏差或者重合，则对转子叶片(1)进行结构改变，以便改变其固有频率时，其中作为结构改变，在转子叶片根部(4)的至少一个侧面(2)上的预先确定的位置处形成至少一个切口(9；15)。本发明还涉及一种用于涡轮机的转子叶片(1)，该叶片具有叶片根部(4)和叶片翼型(5)，其中在转子叶片根部(4)的至少一个侧面(2)上形成至少一个切口(9；15)。

Description

用于优化转子叶片的固有频率的方法以及转子叶片

技术领域

本发明涉及一种用于优化转子叶片的设计的方法，该转子叶片具有叶片根部和叶片翼型，在该方法中，检测转子叶片的实际固有频率，将检测到的实际固有频率与参考值或者参考范围比较，并且如果检测到损害转子叶片的设计用途的、实际固有频率与参考值或者参考范围之间的偏差或者重合，则在转子叶片上进行结构修改，以用于改变该转子叶片的固有频率。本发明还涉及一种具有叶片根部和叶片翼型的转子叶片翼型。

背景技术

诸如燃气涡轮之类的涡轮机具有带有多个转子叶片的至少一个转子叶片环，该转子叶片环被布置在转子上并且与转子一起转动。这些转子叶片中的每个转子叶片均涉及振动系统，该振动系统在涡轮机的运行期间被激励成振动，其中每个转子叶片基本上以其固有频率振动。如果依赖于涡轮机的转子的转动速度，整数倍数的转动频率与转子叶片的固有频率一致，则发生谐振振动，在减振不良的情况下，谐振振动具有特别高的幅度。如果转子叶片谐振振动，则与之相关联的机械应力会导致涡轮机部件的损坏，并且导致主体部件的使用寿命缩短。因此，必须避免这样的谐振，尤其是与所谓的燃烧器激励或者轮叶激励的谐振。由于频率改变是由于制造公差和制造不精确性(例如，转子叶片壁厚的偏差)而导致的，所以通常在生产过程的结束进行转子叶片的固有频率分析。因此，在较早的时间点预测转子叶片的固有频率几乎是不可能的。

如果在固有频率分析过程中，检测到的转子叶片的固有频率处于临界谐振范围内，则已知的是要改变转子叶片的固有频率。在这方面，DE 10 2009 053 247 A1提出通过增材制造工艺将材料施加到转子叶片的表面区域，由此改变转子叶片的质量分布并且因此改变转子叶片的振动频率。根据DE 10 2009 053 247 A1，叶片翼型的尖端尤其设有附加涂层。因此，作为转子叶片的结构修改，已知通过施加涂层来增加转子叶片的壁厚。然而，利用该措施，仅能实现几Hz区间内的微小的频率改变，这就是为什么固有频率偏离谐振范围并不总是可能的原因。因此，增加转子叶片的涂层厚度并不构成稳健而且可靠的固有频率校正措施，这在不确定的情况下会导致新生产的转子叶片被宣称为废品。此外，由于功能涂层的厚度是在转子叶片的初始设计中被有目的地选择的，增加涂层厚度会产生其他问题。因此，改变涂层厚度例如可以对转子叶片的热负载能力具有负面影响。

另外，从US 2013/209253 A1和JP S63-97803 A已知的是要修改转子叶片的支承侧面(Tragflanken)的压力表面的尺寸，以便调整固有频率。

发明内容

在该背景下，本发明基于以下目的：提供一种用于优化涡轮机的转子叶片的设计的方法，该方法使得可以以简单而且可靠的方式来改变转子叶片的固有频率，使得该固有频率显然位于临界频率范围之外。还提供一种转子叶片，具有在这种意义上来说是优化的设计。

为了实现该目的，本发明创造了一种引言所述类型的方法，其特征在于，在转子叶片根部的至少一个侧面上的预先确定的位置处形成至少一个切口，作为结构修改。

鉴于下列事实：即，转子叶片根部在设置在转子上的叶片根部插座中的固定显著地影响了涡轮机运行期间转子叶片的振动频率，通过形成根据本发明的至少一个切口，来有目标地减少转子叶片根部与叶片根部插座之间的接触表面，以便以该方式来影响转子叶片的振动频率。由于转子叶片的固有频率可以被改变至相对较大的程度，因此这样的设置尤其构成良好的调整螺钉，用于可靠地改变转子叶片的固有频率。此外，转子叶片的其余设计不会受到损害，这就是为什么根据本发明的方法不会产生任何后续问题的原因。根据本发明的方法还可以以简单而且廉价的方式实现。

另外，为了检测实际固有频率，转子叶片通过其转子叶片根部被插入振动试验台的激励设备的叶片根部插座中，使得叶片根部的表面和叶片根部插座的表面接触。因此，在转子叶片中激励振动并且测量转子叶片的经激励的振动。振动测试台的叶片根部插座尤其具有与在转子中形成的、用于转子叶片的实际叶片根部插座相同的几何形状(在限定的制造公差内)。因此，可以以很少的费用在转子叶片上进行频率测量。检测到的实际频率使得可以评估是否必须进行以在转子叶片根部上形成至少一个切口的形式的结构修改。

如果需要改变转子叶片的固有频率，则至少一个切口的预先确定的位置由板确定，该板具有至少一个孔，尤其是具有至少一个圆孔，优选地具有孔图案，该板被布置在叶片根部的侧面和振动试验台的激励设备的叶片根部插座之间。因此，再次检测由于至少一个孔而改变的转子叶片的固有频率，并且将该固有频率与参考值或者参考范围比较。如果结果令人满意，则将标识该预先确定的位置。否则，以不同的孔尺寸和/或孔位置重复该过程，直到得到满意结果为止。

有利地，该板是薄板，尤其是形式为细长轨道的薄板，尤其是由金属构成，优选地，具有介于0.1mm和2mm之间的厚度，该薄板尤其是通过粘合剂固定而被可释放地固定在叶片根部的侧面上。薄板提供的优点如下：它可以被布置在叶片根部的侧面和叶片根部插座之间，而没有任何问题。由于薄板被固定在转子叶片根部的细长侧面上，所以细长形状特别有利。通过可以再次被释放的粘合剂连接来将薄板固定在侧面上可以提供如下优点：在薄板使用时候，它可以被再次移除。使用金属板是特别有利的，这是因为该金属板具有与转子叶片类似的机械特性和热特性。在将薄板附接到转子叶片的侧面之后，如果薄板具有柔性且可弯曲的设计，则也是有利的。

薄板优选地被布置在转子叶片根部的侧面和叶片根部插座之间的不同位置处，或者被与具有不同孔布置的其他薄板交换，直到不再检测到损害转子叶片的设计用途的、最后检测到的固有频率与参考值或者参考范围之间的偏差或者重合为止。然后，在至少一个孔的位置处形成至少一个切口。因此，板可以用作标记预先确定的位置的模板。

优选地，至少一个切口通过移除少量叶片材料，尤其是通过侵蚀、钻孔、铣削、研磨、“平滑接合(Smooth Blending)”和/或通过其他材料移除方法形成，使得在转子叶片的设计用途期间，叶片根部与叶片根部插座之间的接触被直接地防止。在这种情况下，在转子叶片根部的侧面中钻孔特别有利，因为它快速、简单而且便宜。在“平滑接合”技术的情况下，过渡部没有拐角，而是“平滑的”，也就是说，例如是圆形的。

在已经进行了对至少一个切口的形成之后，已被使用的一个穿孔板或者已被使用的多个穿孔板可以被重新用于另一转子叶片。这节省了成本和资源。

备选地，板(尤其是具有细长形状的板)被插入设置在叶片根部的侧面上的凹部(尤其是凹槽)中，使得板以平齐的方式终止于叶片根部的侧面。平齐的终止是优选的，因为作为其结果，叶片根部可以被插入对应的叶片根部插座中，而没有任何问题。然而，应当清楚的是，与先前所描述的薄板相比，该板原则上也可以从叶片根部的侧面略微突出。凹部的长度和宽度优选地与该板的长度和宽度一致，使得该板完全填满凹部。

凹部可以在生产转子叶片期间(例如，在铸造工艺期间)形成，其中在生产转子叶片之后，使用被插入凹部中的无孔参考板来初始地检测转子叶片的实际固有频率，或者只有当检测到实际固有频率与参考值或者参考范围之间的偏差或者重合时，才将凹部引入到叶片根部的侧面中。在生产转子叶片期间形成凹部提供的优点如下：即使初始不需要改变固有频率，但是在运行期间可能变得必要，转子叶片已经针对所有情况而设有凹部。另一方面，由于转子叶片的稳定性不会受到缺口效应等的损害，所以如果仅在需要时引入凹部，则也必然是有利的。

具有不同孔布置的板有利地被插入叶片根部的凹部中，直到不再检测到损害转子叶片的设计用途的、最后检测到的固有频率与参考值或者参考范围之间的偏差或者重合为止。然后，板保持不变并且永久地作为转子叶片的部件而保持在转子叶片的凹部中，使得板的至少一个孔形成至少一个切口。

为了实现引言所述目的，本发明还创造了一种引言所述类型的转子叶片，该转子叶片的特征在于，至少一个切口形成在转子叶片根部的那些侧面中的至少一个侧面上，在涡轮机中的设计用途中，该转子叶片在运行期间通过在转子的叶片根部插座的支承侧面上的离心力，而抵靠在该至少一个侧面处。

换句话说，切口位于转子叶片根部的侧面上，该侧面通过离心力而被平压在转子上。至少一个切口的形成尤其可以通过根据本发明的前述方法来进行。先前已经明确地描述了这样的切口的优点，这就是为什么这些优点在此处没有被再次说明的原因。

此外，凹部(尤其是细长凹槽)形成在叶片根部的表面上，在该凹部中，对应的板(尤其是细长轨道，优选地由金属构成)被固定在预先确定的位置中，其中板尤其是以平齐的方式终止于叶片根部的表面，并且至少一个切口(尤其是以盲孔或者通孔的形式)形成在板中。如果板的长度与凹部的长度相对应，使得该板完全填满凹部，则是特别有利的。优选地，通过粘合剂固定、钎焊或者焊接来实现板在凹部中的固定。然而，应当清楚的是，固定原则上还可以通过诸如夹紧、锁固接合和/或铆接之类的其他方法实现。尽管平齐的终止是优选的(因为作为其结果，叶片根部可以被插入叶片根部插座，而没有任何问题)，板也可以稍微突出超过转子叶片根部的表面。凹部和板两者原则上都可以具有任何选定形状，诸如矩形、正方形、椭圆形或者多边形的横截面形状。这同样适用于切口，其中在这种情况下，圆孔是优选的，因为它可以以简单、快速而且廉价的方式生产。

优选地，至少一个切口采用具有圆形横截面的钻孔的形式。这样的切口特别有利，因为它可以通过钻孔快速而且容易地形成。然而，应当清楚的是，切口原则上还可以具有任何选定的其他横截面形状，诸如正方形、矩形、椭圆形或者具有大致多边形的形状。如果至少一个切口具有圆形过渡段，则也是有利的。

优选地，凹部在叶片根部的侧面的大约90％上延伸，或者在侧面的整个长度上延伸并且进入叶片根部的两个端面中。在凹部在侧面的大约90％上延伸的情况下，如果凹部没有延伸到两个端面中的任一端面中，则是特别有利的。作为其结果，不需要附加的固定以防止板在凹部中平移。

关于根据本发明的转子叶片的其他可能的特征、技术效果和优点，参考前面对根据本发明的方法的描述。

附图说明

参照附图，基于以下对于根据本发明的、用于优化具有叶片根部的转子叶片的设计的方法的两个示例性实施例的描述，本发明的其他特征和优点变得清楚。在附图中：

图1示出了在进行根据本发明实施例的方法的第一步骤期间，转子叶片的示意性前视图；

图2示出了在进行第二方法步骤期间，图1中所示的转子叶片的叶片根部的示意性透视图；

图3示出了在进行第三方法步骤期间，图1中所示的转子叶片的叶片根部的示意性透视图；

图4示出了在进行第四方法步骤期间，图1中所示的转子叶片的叶片根部的示意性透视图；

图5示出了在进行第五方法步骤之后，图1中所示的转子叶片的叶片根部的示意性透视图；

图6示出了在进行根据本发明第二实施例的方法的第二步骤期间，转子叶片的示意性透视图；

图7示出了在进行第三方法步骤期间，图6中所示的转子叶片的叶片根部的示意性透视图；以及

图8示出了在进行第四方法步骤之后，图6中所示的转子叶片的叶片根部的示意性透视图。

具体实施方式

图1至图5示出了在根据本发明第一实施例的方法的五个连续步骤期间的转子叶片1。转子叶片1具有叶片根部4和叶片翼型5，叶片根部4限定侧面2和端面3。该方法被实现用于优化转子叶片1的设计。

叶片根部4通常为枞树形或者燕尾形设计，使得叶片根部4的端面4是平坦的。例如，提供图中所示的转子叶片1以用于插入具有轴向凹槽的转子中。如果在下文中提及叶片根部的侧面2，则该侧面2应当被理解为如下区域，这些区域将两个相对设置的平坦端面3互连，并且这些区域在转子叶片在涡轮机或者压缩机中的设计用途中，在运行期间通过离心力，而抵靠在转子的叶片保持凹槽的壁处。

根据图1，在第一步骤中，初始地检测转子叶片1的实际固有频率。为此，转子叶片通过其叶片根部4被插入振动试验台7的激励设备6的叶片根部插座5中，使得叶片根部2的侧面2和叶片根部插座6的表面彼此接触。此后，转子叶片1被激励成振动，于是检测到转子叶片1的实际固有频率。在此期间，激励设备7的叶片根部插座6模拟涡轮机的转子的叶片根部插座，转子叶片1之后将被用于该涡轮机中。然后，将检测到的实际固有频率与可接受的、先前确定的参考范围比较。如果检测到损害转子叶片1的设计用途的、实际固有频率与可接受的参考范围之间的偏差，则在转子叶片1上，根据本发明以这样的方式进行结构修改，使得在至少一个预先确定的位置处，在叶片根部4的侧面2中的一个侧面中形成切口9，以便将实际固有频率改变为所需的程度。

根据本发明的方法的第一实施例，在根据图2和图3的这种关系中，初始建立预先确定的位置，在该位置处形成切口9，以便实现转子叶片1的固有频率的期望改变。在这种关系中，采用细长设计并且由金属生产的、大约0.5mm厚的薄板10设有多个孔11，例如通过粘合剂固定而被可释放地固定在叶片根部4的侧面2上。之后，根据图4的叶片根部4再次被插入激励设备7的叶片根部插座6中，并且确定其上安装有板10的转子叶片1的新固有频率。由于在叶片根部4和叶片根部插座6之间的接触区域中的板10的孔11形成影响固有频率的缺陷或者非接触表面，新固有频率与初始固有频率不一致。如果新固有频率继续位于可接受的参考范围之外，则重复图2至图4中所示的方法步骤，使板10沿双箭头12的方向移位，直到建立所需的固有频率为止。如果不是这种情况，则可以使用具有不同孔图案的另一板10。一旦固有频率位于可接受的参考范围内，则使用板10作为模板来标记切口9所在的预先确定的位置，之后将板10从叶片根部4移除。之后，在最后一步中，优选地使用少量材料移除(例如，通过钻孔、铣削、“平滑接合”等)，在叶片根部4的侧面2上，在预先确定的位置处形成平坦切口9，使得产生图5中所示的布置。在转子叶片1的在涡轮机中的设计用途期间，这些切口9在叶片根部4的侧面2和涡轮机的叶片根部插座之间形成非接触点，该非接触点导致转子叶片1的、位于谐振范围之外的类似的固有频率。

应当清楚的是，板10的形状和尺寸以及切口9的形状、尺寸和数目都可以变化。而且，在图2至图4所示的步骤中，多个板10可以被布置在叶片根部4上，例如，被布置在叶片根部4的两个侧面2上。

图6至图8示出了根据本发明实施例的备选方法的方法步骤。在该方法的情况下，在类似于图1的第一方法步骤中，确定转子叶片1的实际固有频率。如果实际固有频率不在可接受的参考范围内，则在第二步骤中，类似于先前所描述的方法，建立预先确定的位置，在这些预先确定的位置处，要在转子叶片1的叶片根部4的侧面2上提供切口9，以便将转子叶片1的固有频率移位到可接受的参考范围内。

为此，如图5所示，在叶片根部4的侧面2中例如通过铣削等形成凹部13，在当前情况下该凹部13采用凹槽的形式，在当前情况下该凹部沿从叶片根部4的一个端面3到相对端面3的直线延伸。备选地，凹部13还可以在侧面2的大约90％上延伸，并且尤其不会延伸到两个端面3的任何一个中。然后，设有多个孔15的板14被插入凹部13中，使得孔15指向外侧。板14的尺寸基本上与凹部13的尺寸相对应，其中板14的上侧在插入凹部13的状态下优选地与叶片根部4平齐地终止或者从叶片根部的表面略微突出。

在另一步骤中，根据图6，类似于图4，确定其上安装有板14的转子叶片1的新固有频率。如果新固有频率不在可接受的参考范围内，则使用具有不同孔图案的板14重复图6和图7中所示的步骤，直到建立所需的固有频率为止。如果是这种情况，则通过其实现所需的固有频率的板14例如通过钎焊等被固定在叶片根部4上的凹部13内部，使得生产出如图8中所示的布置。

孔15现在限定了类似于图5中所示的切口9的切口，并且在转子叶片1的在涡轮机中的设计用途期间，孔15在叶片根部4的侧面2和涡轮机的叶片根部插座之间形成非接触点，该非接触点导致转子叶片1的、位于谐振范围之外的类似的固有频率。

应当清楚的是，凹部13和板14的尺寸和数目，以及在板14中设置的孔15的形状、尺寸、位置和数目可以变化。此外，还可以在生产转子叶片1期间提供凹部13。在这种情况下，使用被插入凹部13中的、没有孔15的参考板来进行实际固有频率的第一次检测。

尽管已经通过优选的示例性实施例对本发明进行了详细说明和描述，但是本发明不限于所公开的示例，并且本领域技术人员可以从中得出其他变型而不脱离本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于优化涡轮机的转子叶片(1)的设计的方法，所述转子叶片(1)具有一个叶片根部(4)和一个翼型(5)，在所述方法中，检测所述转子叶片(1)的实际固有频率，将检测到的所述实际固有频率与一个参考值或者参考范围比较，并且如果检测到损害所述转子叶片(1)的设计用途的、所述实际固有频率与所述参考值或者参考范围之间的一个偏差或者重合，则在所述转子叶片(1)上进行结构修改，以用于改变所述转子叶片(1)的固有频率，其特征在于，在所述叶片根部(4)的至少一个侧面(2)上的一个预先确定的位置处形成至少一个切口(9；15)，作为所述结构修改，

其中为了检测所述实际固有频率，所述转子叶片(1)通过所述转子叶片(1)的叶片根部(4)被插入振动试验台(8)的一个激励设备(7)的一个叶片根部插座(6)中，使得所述叶片根部(4)的表面和所述叶片根部插座(6)的表面相接触，振动在所述转子叶片(1)中被激励，并且所述转子叶片(1)的经激励的所述振动被测量，

其特征在于，

所述至少一个切口(9；15)的所述预先确定的位置由一个板(10；14)确定，所述板(10；14)具有至少一个孔(11；15)，尤其是具有至少一个圆孔，优选地具有一个孔图案，所述板(10；14)被布置在所述叶片根部(4)的一个侧面(2)和所述振动试验台(8)的所述激励设备(7)的所述叶片根部插座(6)之间，所述转子叶片(1)的所述固有频率被再次检测并且与所述参考值或者参考范围相比较。

2.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

所述板(10)是薄板，所述薄板尤其是由金属构成，优选地具有介于0.1mm和2mm之间的厚度，所述薄板尤其是通过粘合剂固定而被可释放地固定在所述叶片根部(4)的所述侧面(2)上。

3.根据权利要求2所述的方法，

其特征在于，

所述薄板(10)被布置在所述叶片根部(4)的所述侧面(2)和所述叶片根部插座(6)之间的不同位置处，或者与具有不同孔布置的其他多个薄板(10)交换，直到损害所述转子叶片(1)的所述设计用途的、最后检测到的固有频率与所述参考值或者参考范围之间的偏差或者重合不再被检测到为止，然后所述至少一个切口(9)在所述至少一个孔(11)的所述位置处形成。

4.根据权利要求3所述的方法，

其特征在于，

所述至少一个切口(9)通过移除少量叶片材料而形成，尤其是通过侵蚀、钻孔、铣削、研磨、“平滑接合”和/或通过其他材料移除方法而形成，使得在所述转子叶片(1)的设计用途期间，在所述叶片根部(4)和一个叶片根部插座之间的接触被直接地防止。

5.根据前述权利要求之一所述的方法，

其特征在于，

所述板(14)被插入设置在所述叶片根部(4)的所述侧面(2)上的一个凹部(13)中，所述凹部(13)尤其为一个凹槽的形式，使得所述板(14)以平齐的方式终止于所述叶片根部(4)的所述侧面(2)。

6.根据权利要求5所述的方法，

其特征在于，

所述凹部(13)在所述转子叶片(1)的生产期间形成，其中在所述转子叶片(1)的生产之后，使用被插入所述凹部(13)中的一个无孔参考板来初始地检测所述转子叶片(1)的实际固有频率，或者仅当所述实际固有频率与所述参考值或者参考范围之间的所述偏差或者重合被检测到时，才将所述凹部(13)引入到所述叶片根部(4)的所述侧面(2)中。

7.根据权利要求5和6中任一项所述的方法，

其特征在于

具有不同孔布置的板(14)被插入所述叶片根部(4)的所述凹部(13)中，直到最后检测到的固有频率与所述参考值或者参考范围之间的偏差或者重合不再被检测到为止，然后所述板(14)保持在未修改的状态下并且永久地作为所述转子叶片(1)的一个部件而保持在所述转子叶片(1)的凹部(13)中，使得所述板(7)的所述至少一个孔(15)形成所述至少一个切口。

8.一种用于涡轮机的转子叶片(1)，所述转子叶片(1)具有一个叶片根部(4)和一个叶片翼型(5)，

其中至少一个切口(9；15)形成在所述叶片根部(4)的那些侧面(2)中的至少一个侧面上，在所述涡轮机中的设计用途中，所述转子叶片在运行期间通过在所述转子的所述叶片根部插座的支承侧面上的离心力，而抵靠在所述至少一个侧面处，其特征在于

一个凹部(13)，尤其是一个细长凹槽，形成在所述叶片根部(4)的所述表面上，在所述凹部中固定有一个对应的板(14)，其中所述板(14)以基本上平齐的方式终止于所述叶片根部(4)的所述表面，并且所述至少一个切口(15)，尤其为一个盲孔或者一个通孔的形式，形成在所述板(14)中。

9.根据权利要求8所述的转子叶片(1)，

其特征在于，

所述至少一个切口(9；15)被设计为具有圆形横截面的一个钻孔的形式。

10.根据权利要求8和9中任一项所述的转子叶片(1)，

其特征在于，

所述凹部(13)在所述叶片根部(4)的一个侧面(2)的大约90％上延伸，或者在所述侧面(2)的整个长度上延伸并且进入所述叶片根部(4)的两个端面(3)中。