CN112943377A - 用于涡轮机转子叶片的阻尼器堆叠 - Google Patents

用于涡轮机转子叶片的阻尼器堆叠 Download PDF

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Abstract

本发明题为用于涡轮机转子叶片的阻尼器堆叠。本发明提供了阻尼器堆叠(70)、转子叶片(26，30)和涡轮机。转子叶片(26)包括主体，该主体包括柄部(38)和从柄部(38)径向向外延伸的翼片(36)。转子叶片(26，30)还包括围绕主体的平台(42)，该平台(42)包括斜面(56，58)。转子叶片(26，30)还包括阻尼器堆叠(70)，该阻尼器堆叠设置在斜面(56，68)处并且大致沿轴向方向延伸。阻尼器堆叠(70)包括多个阻尼器销(72)，该多个阻尼器销(72)中的每个阻尼器销与相邻阻尼器销(72)接触。

Description

用于涡轮机转子叶片的阻尼器堆叠
技术领域
本公开整体涉及用于涡轮机的转子叶片，并且更具体地，涉及在转子叶片内部使用的阻尼器堆叠。
背景技术
涡轮机用于各种工业和应用中以用于能量传递目的。例如，气体涡轮引擎通常包括压缩机区段、燃烧区段、涡轮区段和排气区段。压缩机区段逐渐增加进入气体涡轮引擎的工作流体的压力，并且将该经压缩的工作流体供应到燃烧区段。经压缩的工作流体和燃料(例如，天然气)在燃烧区段内混合并在燃烧室中燃烧以产生高压和高温燃烧气体。燃烧气体从燃烧区段流入涡轮区段，在该涡轮区段中燃烧气体膨胀以做功。例如，涡轮区段中燃烧气体的膨胀可使连接到例如发电机的转子轴旋转以产生电力。然后燃烧气体经由排气区段离开气体涡轮。
压缩机区段和涡轮区段通常包括通常以多个级布置的多个转子叶片。在引擎运行期间，可能将振动引入转子叶片中。例如，被压缩的工作流体或热燃烧气体或蒸汽的流动波动可导致转子叶片振动。涡轮机设计者的一个基本设计考虑是避免或最小化与转子叶片的自然频率的谐振和由强制响应和/或气动弹性不稳定性产生的动态应力，从而控制转子叶片的高周疲劳。
为了改善转子叶片的高周疲劳寿命，通常在平台下方和/或之间提供振动阻尼器，以在操作期间摩擦地耗散振动能量并减小振动的对应振幅。由振动阻尼器移除的振动能量的量是振动阻尼器的动态重量和反应负载的函数。
虽然已知的阻尼器在典型操作期间可能在很大程度上是足够的，但仍期望改善总体阻尼器有效性。例如，许多已知的阻尼器的一个问题是阻尼器仅在与相关联的转子叶片接触的隔离位置处(诸如在端部处并且可能在中心位置处)提供阻尼。许多已知的阻尼器的另一个问题是不能与复杂平台形状相适应，诸如包括弯曲部分的形状。
因此，本领域需要改善的阻尼器设计。具体地，能在阻尼器的整个长度上提供改善的阻尼(例如，通过提供增加的转子叶片接触)的阻尼器设计将是有利的。此外，与复杂平台形状相适应的阻尼器设计将是有利的。
发明内容
根据本公开的阻尼器堆叠、转子叶片和涡轮机的各方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或者可从描述中显而易见，或者可通过本技术的实践来学习。
根据一个实施方案，提供了一种用于涡轮机的转子叶片。转子叶片包括主体，该主体包括柄部和从柄部径向向外延伸的翼片。转子叶片还包括围绕主体的平台，该平台包括斜面。转子叶片还包括阻尼器堆叠，该阻尼器堆叠设置在斜面处并且大致沿轴向方向延伸。阻尼器堆叠包括多个阻尼器销，该多个阻尼器销中的每个阻尼器销与相邻阻尼器销接触。
根据另一个实施方案，提供了一种涡轮机。涡轮机包括压缩机区段、燃烧器区段和涡轮区段。涡轮机还包括设置在压缩机区段或涡轮区段中的至少一者中的多个转子叶片。多个转子叶片中的每个转子叶片包括主体，该主体包括柄部和从柄部径向向外延伸的翼片。多个转子叶片中的每个转子叶片还包括围绕主体的平台，该平台包括斜面。多个转子叶片中的每个转子叶片还包括阻尼器堆叠，该阻尼器堆叠设置在斜面处并且大致沿轴向方向延伸。阻尼器堆叠包括多个阻尼器销，该多个阻尼器销中的每个阻尼器销与相邻阻尼器销接触。
参照以下描述和所附权利要求书，本发明的阻尼器堆叠、转子叶片和涡轮机的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解。结合到本说明书中并构成其一部分的附图示出了本技术的实施方案，并与描述一起用于解释本技术的原理。
附图说明
本说明书中参考附图阐述了涉及本领域的普通技术人员的本发明的阻尼器堆叠、转子叶片和涡轮机的完整且能够实现的公开内容，包括制造和使用本发明的系统和方法的最佳模式，其中：
图1示出了根据本公开的实施方案的涡轮机的示意图；
图2示出了根据本公开的实施方案的转子叶片的透视图；
图3示出了根据本公开的其他实施方案的转子叶片的透视图；
图4是根据本公开的实施方案的示出相邻转子叶片的侧视图；
图5是根据本公开的实施方案的阻尼器堆叠的透视图；
图6是根据本公开的实施方案的阻尼器堆叠的剖视图；
图7是根据本公开的其他实施方案的阻尼器堆叠的剖视图；并且
图8是根据本公开的其他实施方案的阻尼器堆叠的剖视图。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的阻尼器堆叠、转子叶片和涡轮机的实施方案，其一个或多个示例在附图中示出。每个示例是通过解释本技术的方式提供的，而不是对本技术的限制。事实上，对于本领域的技术人员显而易见的是，在不脱离受权利要求书保护的本发明技术的范围或实质的情况下，可以在本发明技术中进行修改和变化。例如，作为一个实施方案的一部分示出或描述的特征可以用于另一个实施方案，以产生又一个实施方案。因此，本公开旨在涵盖落入所附权利要求书及其等同物的范围内的这些修改和变化。
具体实施方式使用数字和字母名称指代附图中的特征结构。附图和说明书中的相似或类似的名称已经用于指代本发明的相似或类似的部件。如本文所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用，以将一个部件与另一个部件区分开来，并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。
现在参考附图，图1示出了涡轮机的一个实施方案的示意图，该涡轮机在例示的实施方案中是气体涡轮10。尽管本文示出并描述了工业或陆基气体涡轮，但除非在权利要求书中另外指明，否则本公开不限于陆基和/或工业气体涡轮。例如，如本文所述的阻尼技术可用于任何类型的涡轮机，包括但不限于蒸汽涡轮、飞行器气体涡轮或船用气体涡轮。
如图所示，气体涡轮10通常包括入口区段12、设置在入口区段12下游的压缩机区段14、设置在压缩机区段14下游的燃烧器区段16内的多个燃烧器(未示出)、设置在燃烧器区段16下游的涡轮区段18以及设置在涡轮区段18下游的排气区段20。另外，气体涡轮10可包括一个或多个轴22，该一个或多个轴联接在压缩机区段14和涡轮区段18之间。
压缩机区段14通常可包括多个转子盘24(示出了该多个转子盘中的一个转子盘)和从每个转子盘24径向向外延伸并且连接到每个转子盘的多个转子叶片26。每个转子盘24继而可联接到或形成轴22的延伸穿过压缩机区段14的一部分。
涡轮区段18通常可包括多个转子盘28(示出了该多个转子盘中的一个转子盘)和从每个转子盘28径向向外延伸并且互连到每个转子盘的多个转子叶片30。每个转子盘28继而可联接到或形成轴22的延伸穿过涡轮区段18的一部分。涡轮区段18还包括外部壳体31，该外部壳体周向围绕轴22的部分和转子叶片30，从而至少部分地限定穿过涡轮区段18的热气体路径32。
在操作期间，工作流体诸如空气流过入口区段12并进入压缩机区段14，在该压缩机区段中空气逐渐被压缩，从而将加压空气提供给燃烧区段16的燃烧器。加压空气与燃料混合并在每个燃烧器内燃烧以产生燃烧气体34。燃烧气体34从燃烧器区段16流过热气体路径32，流入涡轮区段18，在该涡轮区段中能量(动能和/或热能)从燃烧气体34传递到转子叶片30，从而导致轴22旋转。然后，可将机械旋转能用于为压缩机区段14提供动力和/或用于发电。然后，离开涡轮区段18的燃烧气体34可以经由排气区段20从气体涡轮10排出。
图2和图3示出了根据本公开的实施方案的转子叶片的实施方案。在所示的实施方案中，转子叶片是涡轮叶片或扇叶30，但是在另选的实施方案中，转子叶片可以是压缩机叶片或扇叶26。
转子叶片30可包括主体，该主体包括翼片36和柄部38。翼片36可从柄部38径向向外延伸并定位。柄部38可包括根部或燕尾部40，该根部或燕尾部可附接到转子盘28以有利于转子叶片30的旋转。
翼片36可具有大致空气动力学轮廓。例如，翼片36可具有外表面，该外表面限定各自在前缘与后缘之间延伸的压力侧和吸力侧。柄部38的外表面可包括压力侧面、吸力侧面、前缘面和后缘面。
平台42通常可围绕主体。典型平台可定位在翼片36和柄部38之间的交汇处或过渡处，并且可在大致轴向和切向方向上向外延伸，如图所示。在涡轮区段18中，平台42通常用作流过热气体路径32的燃烧气体34的径向向内流动边界。平台42可包括与后缘面54轴向间隔开的前缘面52。前缘面52定位在燃烧气体34的流中，并且后缘面54定位在前缘面52下游。此外，平台42可包括与吸力侧斜面58周向间隔开的压力侧斜面56。
在一些实施方案中，如图2所示，压力侧斜面56和/或吸力侧斜面58可为大致平坦的面(其通常可为平面的或倾斜的)。在其他实施方案中，如图3所示，压力侧斜面56和/或吸力侧斜面58或其至少部分可为曲平面的。例如，斜面56和/或58可相对于轴向方向、径向方向和/或切向方向弯曲。
如上所述，多个转子叶片30可设置在一个或多个转子盘28中的每个转子盘上，并且可从其径向向外延伸。设置在转子盘28上的转子叶片30可以周向阵列组装，使得当这样组装转子叶片30时，每个转子叶片30的压力侧斜面56面向每个相邻转子叶片30的吸力侧斜面58。图4示出了一对周向邻近的相邻转子叶片30’、30”。如图所示，当转子叶片30’、30”这样定位时，转子叶片30”的压力侧斜面56面向相邻转子叶片30’的吸力侧斜面58。
现在参见图2至图8，可在根据本公开的转子叶片30中的凹槽60中提供一个或多个阻尼器堆叠70。具体地，凹槽60可被限定在转子叶片30的平台42的斜面56、58中。凹槽60可大致沿轴向方向延伸。阻尼器堆叠70可设置在凹槽60中，如图2和图3所示。值得注意的是，在示例性实施方案中，阻尼器堆叠70的横向部分从凹槽60突出，使得当如本文所述组装时，阻尼器堆叠70还接触限定在相邻转子叶片30的相邻斜面56、58中的凹槽60。
每个阻尼器堆叠70可设置在转子叶片30的斜面56、58(例如，压力侧斜面56或吸力侧斜面58)内并与之接触，并且可大致沿轴向方向并且因此大致沿相应斜面56、58的长度延伸，如图所示。此外，如图4所示，根据本公开的阻尼器堆叠70可设置在相邻的周向邻近转子叶片30的相邻的、面向压力侧斜面56或吸力侧斜面58之间并与之接触。
根据本公开的阻尼器堆叠70有利地用作振动阻尼器。在操作中，阻尼器堆叠70摩擦地耗散振动能量并且减小振动的对应振幅。阻尼器堆叠70移除的振动能量的量是若干因素的函数，包括但不限于阻尼器堆叠70的动态重量、堆叠70的几何形状以及邻近转子叶片30’、30”之间的反应负载。
每个阻尼器堆叠70可包括多个阻尼器销72，该多个阻尼器销以对应于凹槽60的线性或曲线形状的端对端布置方式布置。每个阻尼器销72可与阻尼器堆叠70中的相邻阻尼器销72接触。根据本公开的阻尼器堆叠70的使用有利地提供根据本公开的转子叶片30的改善的阻尼。例如，在如本文所示和所述的布置方式中使用多个分立阻尼器销72有利地在阻尼器堆叠70的整个长度上提供改善的阻尼，这归因于凹槽60内阻尼器堆叠70的每个阻尼器销72以及阻尼器堆叠70与邻近转子叶片30’、30”的凹槽60同时接触所可能实现的离散运动。另外，此类阻尼器堆叠70及其相关联的阻尼器销72可与复杂平面、曲面和/或部分曲面的平台形状相适应。
现在参见附图5至图8，示出了根据本公开的阻尼器堆叠70的各种实施方案。如所讨论的，阻尼器堆叠70包括多个阻尼器销72。每个阻尼器销72具有长度73，该长度被限定在阻尼器销72的第一端74和第二端76之间。阻尼器销72可被布置成纵向线性阵列，使得相邻阻尼器销72的相邻端74、76彼此接触。
例如，多个阻尼器销72可包括第一阻尼器销72’和第二阻尼器销72”，该第一阻尼器销和该第二阻尼器销中的每一者均在第一端74和第二端76之间延伸。第一阻尼器销72’的第一端74可接触第二阻尼器销72”的第二端76。在一些实施方案中，第一阻尼器销72’的第二端76可接触另一个相邻阻尼器销72，并且/或者第二阻尼器销72”的第一端74可接触另一个相邻阻尼器销72。
除了与转子叶片30’、30”接触之外，相邻阻尼器销72之间的接触可提供用于阻尼转子叶片30’、30”的显著阻尼机构。因此，相邻阻尼器销72的端部74、76可具有提供此类主阻尼的合适形状。在一些实施方案中，相邻阻尼器销72的接触端74、76可具有互补球形形状。例如，如图6和图7所示，第一阻尼器销72’的第一端74可具有向外(凸形)球形形状，并且第二阻尼器销72”的第二端76可具有向内(凹形)球形形状，或反之亦然。在其他实施方案中，相邻阻尼器销72的接触端74、76可具有镜像形状。例如，如图8所示，第一阻尼器销72’的第一端74和第二阻尼器销72”的第二端76可为彼此邻接的平坦表面。可利用其他合适的端部74、76形状(诸如圆锥形、穹顶形、或其他互补形状)，前提条件是此类形状提供合适的主阻尼。
在如图所示的一些实施方案中，阻尼器销72可具有大致椭圆形或倒圆的横截面轮廓。另选地，可利用其他适当形状的横截面轮廓。横截面轮廓可为恒定的或者可沿阻尼器销72的长度73变化。此外，阻尼器销72可具有任何合适的横截面尺寸。此外，阻尼器销72可由任何合适的材料形成。对于阻尼器堆叠70中的多个阻尼器销72，形状、尺寸和/或材料可为相同的，或者对于阻尼器堆叠70内的阻尼器销72中的一个或多个阻尼器销可为变化的。
如所讨论的，多个阻尼器销72中的每个阻尼器销可具有长度73。在一些实施方案中，阻尼器堆叠70中阻尼器销72的长度73可为相同的。例如，如图6和图8所示，第一阻尼器销72’和第二阻尼器销72”的长度73可为相同的。在其他实施方案中，如图7所示，阻尼器堆叠70中的一个或多个阻尼器销72的长度73可不同于该堆叠中的其他阻尼器销72。例如，如图7所示，第一阻尼器销72’的长度73可不同于第二阻尼器销72”的长度73’。
在示例性例示的实施方案中，多个阻尼器销72中的每个阻尼器销具有中空横截面轮廓，使得限定穿过阻尼器销72和阻尼器堆叠70的内部通道78。在其他实施方案中，根据本公开的阻尼器销72和阻尼器堆叠70可为实心的，使得没有限定穿过其中的内部通道。
另外，在如图所示的一些实施方案中，线材80可延伸穿过阻尼器堆叠70的一个或多个阻尼器销72。例如，线材80可延伸穿过内部通道78或穿过单独限定的内部通道，从而使通道78为空的。线材80通常可将阻尼器销72接合在一起。在其他实施方案中，其他合适的部件可用于将阻尼器销72接合在一起，或者阻尼器销72可不接合在一起。
阻尼器堆叠70可包括端销82，该端销是阻尼器堆叠70的相应端上的最外侧阻尼器销72。端销82沿轴向方向彼此间隔开。如图所示，阻尼器堆叠70包括沿轴向方向与第二端销82”间隔开的第一端销82’。在如图所示的一些实施方案中，切口部分84可限定在每个此类端销82’、82”中，诸如在包括最外端74或76(即，不与另一个销72相邻的端部中)的销82’、82”的最外侧区段中。该切口部分84限定端销82’、82”的肩部86。肩部86可包括支撑表面88，该支撑表面在示例性实施方案中可为平坦的平面表面。
在一些实施方案中，凹槽60包括一个或多个肩部狭槽部分62，诸如在凹槽60的相应端处。此类部分62限定支撑表面64，该支撑表面在示例性实施方案中可为平坦的平面表面。在这些实施方案中，端销82’、82”的肩部86可设置在此类肩部狭槽部分62中，使得支撑表面88可接触支撑表面64。因此，阻尼器堆叠70可支撑在凹槽60中，并且可减少或防止在使用和操作期间的不期望的旋转。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括与权利要求书的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言没有实质差异的等同结构元件，则这些其他示例意图在权利要求书的范围内。

Claims (11)

1.一种涡轮机，所述涡轮机包括：
压缩机区段(14)；
燃烧器区段(16)；
涡轮区段(18)；
多个转子叶片(26，30)，所述多个转子叶片设置在所述压缩机区段(14)或所述涡轮区段(18)中的至少一者中，所述多个转子叶片(26，30)中的每个转子叶片包括：
主体，所述主体包括柄部(38)和从所述柄部(38)径向向外延伸的翼片(36)；
平台(42)，所述平台围绕所述主体，所述平台(42)包括斜面(56，58)；和
阻尼器堆叠(70)，所述阻尼器堆叠设置在所述斜面(56，58)处并大致沿轴向方向延伸，所述阻尼器堆叠(70)包括多个阻尼器销(72)，所述多个阻尼器销(72)中的每个阻尼器销与相邻阻尼器销(72)接触。
2.根据权利要求1所述的涡轮机，其中所述多个阻尼器销(72)包括第一阻尼器销(72’)和第二阻尼器销(72”)，其中所述多个阻尼器销(72)中的每个阻尼器销在第一端(74)与第二端(76)之间延伸，并且其中所述第一阻尼器销(72’)的所述第一端(74)接触所述第二阻尼器销(72”)的所述第二端(76)。
3.根据权利要求2所述的涡轮机，其中所述第一阻尼器销(72’)的所述第一端(74)具有向外球形形状，并且所述第二阻尼器销(72”)的所述第二端(76)具有向内球形形状。
4.根据权利要求2至3中任一项所述的涡轮机，其中所述多个阻尼器销(72)中的每个阻尼器销的长度(73)被限定在所述阻尼器销的所述第一端(74)和所述第二端(76)之间，并且其中所述第一阻尼器销(72’)的所述长度(73)不同于所述第二阻尼器销(72”)的所述长度(73)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的涡轮机，其中所述阻尼器堆叠(70)还包括延伸穿过所述多个阻尼器销(72)中的每个阻尼器销的线材(80)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的涡轮机，其中凹槽(60)限定在所述斜面(56，58)中，并且其中所述阻尼器堆叠(70)部分地设置在所述凹槽(60)中。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的涡轮机，其中所述多个阻尼器销(72)包括第一端销(82’)和第二端销(82”)，所述第一端销(82’)与所述第二端销(82”)沿所述轴向方向间隔开，所述第一端销(82’)和所述第二端销(82’)各自包括由切口部分(84)限定的肩部(86)。
8.根据权利要求7所述的涡轮机，其中所述肩部(86)中的每个肩部包括平坦支撑表面(64)。
9.根据权利要求7至8中任一项所述的涡轮机，其中凹槽(60)限定在所述斜面中，其中所述阻尼器堆叠(70)部分地设置在所述凹槽(60)中，并且其中所述肩部(86)中的每个肩部设置在所述凹槽(60)的肩部狭槽部分(62)中。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的涡轮机，其中所述多个转子叶片(30)设置在所述涡轮区段(18)中。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的涡轮机，其中所述涡轮机是气体涡轮(10)。
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