CN113518849A - 用于热旋转机器的转子叶片以及用于制造这样的转子叶片的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于热旋转机器的转子叶片(1)，所述转子叶片包括至少一个构成流动轮廓(2)的叶身区域(3)和构成用于将转子叶片(1)固定在转子上的叶根区域(4)。转子叶片(1)由至少两个预制的构件(5、6、7)组装而成并具有至少一个空腔(8)，所述空腔由所述转子叶片(1)的至少两个构件(5、6、7)的内面(9)限界。此外，本发明包括一种用于制造这种转子叶片(1)的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据独立权利要求1的前序部分的用于热旋转机器的转子叶片和一种根据方法独立权利要求7的前序部分的用于制造转子叶片的方法。
背景技术
用于热旋转机器例如蒸汽轮机或燃气轮机的转子叶片除了高的热应力外通常会受到高的离心力并且相应地设计。尤其在叶片长度大和/或转速高时，转子叶片只能由高强度材料制成或者最终完全不再能够实现。不同转速的叶片在此能够通过量值A·n2相互比较，其中A是扫过面积，并且n是转速。
目前，转子叶片通常一件式地例如由锻件或半成品制造。转子叶片在此具有叶根，转子叶片通过所述叶根插入在转子中构成的转子槽中，以便形成叶片排。在此，每个转子叶片都能够插入自身的轴向槽中，或者叶片排的所有转子叶片都能够插入共同的、环绕的槽中。转子叶片的最高地承受应力的区域在此是叶根和从叶根到叶身区域中的过渡部分；叶身本身在其延伸部的宽的部分中也较高地承受应力。
叶根区域和叶身区域所承受的应力作用为LCF低循环疲劳(LCF)和高循环疲劳(HCF)的组合，所述低循环疲劳和高循环疲劳由启停负载循环(LCF)和振动激励(HCF)组成。由于转子叶片的高的离心力，转子槽中的强烈的接触应力继续在叶根处起作用。在此，对于大型叶片，对于每个转子叶片，离心力能够为直至100t。
由于当今材料的现有的强度限制，转子叶片在预设的转速中由此仅能够在特定的尺寸中构造。因此，扫过的面积A受到限制，由此可穿过叶片环的质量流或体积流也会受到限制。这意味着，由于可实施的叶片尺寸对于每次涌流，旋转机器的功率受到限制。
除了这种功率限制之外，现今列举的转子叶片的因离心力引起的高的LCF应力通常是构件的所允许的负载变化次数的限制。在达到所允许的负载变化次数时，于是需要耗费的并且昂贵的检查或维修工作或者更换转子叶片或转子。
由此对于热旋转机器而言会极其期望阐明具有更大的扫过面积的转子叶片。因此，每次涌流能够实现更高的功率，由此实现更紧凑和/或性能好的机器。此外，期望减少离心力作用(LCF)，以便提高可承受的负载变化次数。
发明内容
本发明的目的是，提供这样的转子叶片。此外，本发明的目的是，提供一种用于制造这种转子叶片的相应的方法。
关于转子叶片，所述目的通过独立权利要求1的特征实现。关于用于制造这种转子叶片的方法，所述目的通过独立权利要求7的特征来实现。
本发明的其他优点和可单独使用或相互组合地使用的设计方案是从属权利要求的主题。
根据本发明的用于热旋转机器的转子叶片包括：至少一个构成流动轮廓的叶身区域；和构成用于将转子叶片固定在转子上的叶根区域，其特征在于，转子叶片由至少两个预制的构件组装而成并且具有至少一个空腔，所述空腔由转子叶片的至少两个构件的内面限界。
由于转子叶片内的一个或多个空腔，转子叶片的质量减小，由此转子叶片的离心力应力显著降低。就本发明而言，将组装理解为至少两个预制的构件被接合为，使得所述构件的表面限界之后的空腔的至少一部分。组装的优点在于，之后的空腔的表面在组装之前是可接近的并且能够被处理和/或测量。因此，能够实现空腔的高质量的表面(更高的HCF/LCF应力)和/或更精确的壁厚特性和/或几何特性(承载性横截面、不平衡份额和/或离心力份额)。因此实现更强固的几何形状的并且可选地经加工的表面的空腔的内轮廓。空腔的这种加工仅通过组装预制的构件才是可行的。
本发明的一个设计方案提出，叶身区域与叶根区域通过组装一个或多个预制的构件构成。
优选地，经受叶身区域的高的接触应力和高的拉伸应力的叶根区域由高强度的、可焊接的材料制造。由此实现高的可承受应力性，这对可构成的叶片长度和/或所允许的启动次数(LCF应力)具有有利影响。
本发明的另一实施方案提出，预制的构件通过焊接组装。通过焊接构件可行的是，以有利的方式组合不同特性的材料。因此，高强度的叶根区域例如能够与抗侵蚀的叶身区域组合，或者(因为较小地承受应力)与不那么高强度的叶身区域组合。叶身区域也能够由多种(可选地)不同的材料接合。因此，例如能够在叶片棱边的区域中通过抗侵蚀保护措施来保护叶身区域。在此对于焊接而言考虑所有已知的焊接方法。
本发明的另一设计方案提出，焊缝的焊缝根部在转子叶片的主弯矩方面靠近所述转子叶片的中性轴线设置。为此，转子叶片内轮廓在焊接区域中构成为，使得焊缝根部在空间上更靠近中性轴线。在此，除了流致弯矩外，尤其将与主-固有形状相关联的弯矩视为主弯矩。为了达到焊缝所需的可承受应力性，此外有意义的是，将焊缝定位为，使得在力流横向于焊缝时焊缝根部尽可能位于应力减小的区域中。为了提高LCF应力，优选构成横截面加厚部。焊缝根部在中性轴线附近的空间设置显著改进HCF应力。在力流沿着焊缝时，焊缝根部应力不是决定性的并且不是强度限制。有利地，焊缝在这种情况下也定位为，使得剪切应力和主-固有形状是可较好承受的，也就是说，焊缝根部再次靠近中性轴线设置。
本发明的另一设计方案提出，在叶身区域中构成一个/多个空腔。通过构成叶身区域的一个空腔或多个空腔，转子叶片的重心更靠近转子的旋转轴线布置，由此与相同地节省更靠近转子轴线的质量所可能引起的离心力应力降低相比，离心力应力能够更强烈地降低。
本发明的另一设计方案提出，在叶身区域中并且在叶根区域中构成一个/多个空腔。通过在叶根区域中也构成空腔的方式，转子叶片的总质量能够进一步减小，由此能够实现更小的转子叶片质量从而能够进一步优化离心力应力。由此，能够实现更大的转子叶片长度，而不超过所允许的应力，尤其LCF和HCF应力。
用于制造根据上述权利要求之一所述的根据本发明的转子叶片的根据本发明的方法的特征在于以下方法步骤：
-制造或预制具有预设的内轮廓和外轮廓的转子叶片的各个构件；
-将各个预制的构件组装为成品的转子叶片。
在组装各个预制的构件之前，能够可选地通过3D测量法检查之后的内轮廓和外轮廓的几何形状，并且必要时能够对构件进行后处理。所述组装或根据本发明的方法的另一优点在于，在组装期间，之后空腔的表面是可接近的并且能够被加工。因此，能够实现高质量的表面(更高的HCF/LCF应力可承受性)和/或更精确的壁厚和几何特性(承载性横截面、不平衡份额或离心力份额)。由此实现具有强固的几何形状并且可选地经加工的表面的内轮廓。借助于所述方法，能够组合由具有不同特性的不同材料构成的预制的构件，因此，例如能够将高强度的根部区域能够与抗侵蚀的叶区域组合，这在常见的转子叶片中是不可行的，所述常见的转子叶片一件式地例如由锻件或半成品制造。
根据本发明的方法的一个设计方案的特征在于，在组装导向叶片之后进行叶片轮廓的3D测量和检测，并且紧接着基于所检测的转子叶片轮廓执行模拟，借助于所述模拟检查是否遵循之前所确定的特性，尤其在壁厚、叶片几何形状、叶片位置、叶片质量和固有频率方面的特性。由此，在运行时可能导致热旋转机器损坏的故障在制造时就已经能够被排除。3D测量在此能够测量整个转子叶片轮廓或仅测量叶身区域的流动轮廓。
根据本发明的方法的另一设计方案提出，根据所检测的叶片轮廓在不遵循一个或多个所确定的特性时，求取并且构成叶片轮廓的外轮廓的加工几何形状，在所述加工几何形状中遵循所有所确定的特性，尤其在壁厚、叶片几何形状、叶片位置、叶片质量和固有频率方面的特性。由此，在制造转子叶片时的废件显著减少并且转子叶片的生产得到成本优化。尽管如此仍保证遵守转子叶片的所有所需要的特性。
由此，通过根据本发明的方法，能够制造具有限定的、可承受高应力的内轮廓的质量减小的转子叶片，尽管存在材料配合(焊接方面)的组装所述转子叶片仍对应于对大型转子叶片的要求。这通过降低离心力实现：增大决定性的量值A·n2和/或提高负载变化次数/启动次数(LCF或HCF应力)。
附图说明
下面根据附图阐述本发明的其他设计方案和优点。附图示出：
图1示出根据现有技术的转子叶片；
图2示出根据本发明的转子叶片的侧视图；
图3沿着剖面线A-A示出在图2中示出的根据本发明的转子叶片；
图4沿着剖面线B-B示出在图2中示出的根据本发明的转子叶片的详细视图；并且
图5示出根据本发明的转子叶片的第二实施方式。
所述附图分别是部分地强烈简化并且示意性的视图。所述附图在此不一定按比例示出。相同的或功能相同的构件在全部附图中设有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出根据现有技术的转子叶片1。转子叶片在此一件式地例如由锻件或半成品制造。转子叶片1包括呈流动轮廓2的形式构成的叶身区域3以及构成用于将转子叶片1固定在转子上的叶根区域4。由于转子叶片1的实心的一件式的构成方案，在运行热旋转机器期间高的离心力应力起作用。尤其在叶片长度大和/或转速高时，转子叶片仅能够用高强度的从而昂贵的材料制造或者最终完全不再能够制造。转子叶片1的最高程度地承受应力的区域在此是叶根区域4和到叶身区域3中的过渡部。叶身区域3本身在其延伸部的宽的部分中也承受高应力。叶根和叶身的应力作用为LCF和HCF应力的组合，所述LCF和HCF应力由启停负载循环(LCF)和振动激励(HCF)产生。由此，由于现今材料的现有的强度限制，仅能够构造特定尺寸的转子叶片1。
图2示出用于热旋转机器的根据本发明的转子叶片1。转子叶片1又包括：构成流动轮廓2的叶身区域3；以及构成用于将转子叶片1固定在转子上的叶根区域4。在此转子叶片1在所述实施例中由一系列预制的构件5、6、7组装。转子叶片1在此具有空腔8，所述空腔通过转子叶片1的三个构件5、6、7的内面9限界。空腔8在此仅在叶身区域3中延伸。原则上，也可以考虑的是，在叶身区域3和叶根区域4中都构成空腔8。也可以考虑构成多个空腔。原则上，空腔8导致转子叶片1的质量减小，由此转子叶片1的离心力应力减小。通过由多个预制的构件组装转子叶片1，经受高的接触应力和高的拉伸应力的叶根区域能够由高强度的、可焊接的材料制造。由此实现高的可承受应力性，这对可构成的叶片长度和/或所允许的启动次数(LCF)具有有利影响。叶身区域3通过组装多个预制的构件与叶根区域4接合。所述组装的优点在于，在接合期间，空腔的表面9仍然是可接近的从而能够被加工和/或测量。因此，能够获得高质量的表面9、更高的HCF/LCF应力可承受性和/或更精确的壁厚特性和几何特性。因此实现强固的几何形状的和可选地经加工的表面的内轮廓。在所述实施例中示出的转子叶片1通过焊接组装。
图3沿着剖面线A-A示出在图2中示出的转子叶片1的剖视图。在此转子叶片1的流动轮廓2具有压力侧2'和吸力侧2”。为了达到焊缝的所需要的应力可承受性，该焊缝被定位为，使得在力流横向于焊缝时，根部区域靠近应力降低的区域。在主弯曲模式方面，根部区域在此应尽可能靠近转子叶片1的中性轴线11。在力流沿着焊缝时，根部应力不是决定性的并且不是强度限制。然而有利的是，焊缝在此也被定位为，使得所述焊缝靠近中性轴线11，使得主-固有形状的剪切应力是可较好承受的。
图4沿着剖面线B-B示出从图2中已知的转子叶片1的剖视图。从图中可以看到，叶身区域3由多个预制的构件5、6、7组装而成。通过焊接可行的是，将不同特性的材料彼此组合。因此，高强度的根部区域例如能够与不那么高强度的叶身区域组合。叶身区域也能够如在图4中示出的由多种可选地不同的材料接合。如在图4中所看到的那样，转子叶片1的内轮廓在焊缝10的区域中构成为，使得焊缝10的焊缝根部在空间上更靠近中性轴线11；为此，内部区域中的壁厚已加厚。
图5示出根据本发明的转子叶片1的第二实施例，转子叶片1在此与根据图2的转子叶片基本上相同地构成。附加地，转子叶片1在叶身区域3中在叶片棱边处包括专门的防侵蚀措施12。防侵蚀措施12能够通过不同的措施实现。一个可行性是施加例如焊上、熔接、堆焊或电镀抗侵蚀材料，例如具有缓冲层的钛或镍材料(只要需要)，另一可行性在于用抗侵蚀的材料进行硬质材料覆层，而第三可行性在于承受侵蚀的区域中的表面硬化。通过防侵蚀措施12实现高的耐侵蚀性，所述高的耐侵蚀性尤其在蒸汽轮机中并且在此在低压范围中是必要的，因为在此经常从蒸汽中构成液滴，所述液滴以高速撞击到转子叶片1上并且在此经常导致转子叶片1处的侵蚀损坏。
在这两个实施例中示出的转子叶片的制造基本上通过预制具有预设的内轮廓和外轮廓的所需的构件5、6、7并且紧接着将各个预制的构件5、6、7组装为成品的转子叶片1来实现。通过所述组装，之后的空腔8的表面在组装期间保持仍可接近从而能够被加工和/或测量。能够可选地借助于3D测量法测量外轮廓和内轮廓。在组装各个构件后，能够分别测量所产生的几何形状和由于组装引起的可能的翘曲。例如，能够通过模拟(例如FEM)来评估翘曲。如果确定有翘曲或者实际的几何形状与先前确定的几何形状不同，那么能够为外轮廓以及必要时也为内轮廓确定适合的加工几何形状，使得尽管存在翘曲但是仍遵循壁厚要求、叶片几何形状要求，叶片位置要求、叶片质量要求和固有频率要求。由此，在许多情况下能够避免转子叶片1的废品，由此产生显著的成本节约。
总之，由此能够确定：通过根据本发明的方法能够制造具有限定的、可承受高应力的内轮廓的质量减小的转子叶片，尽管存在材料配合的/焊接方面的组装，所述转子叶片仍满足对大型转子叶片的要求。这通过降低离心力实现决定性的量值A·n2的增大和/或负载变化次数/启动次数(LCF或HCF应力)的提高。
Claims (10)
1.一种用于热旋转机器的转子叶片(1)，所述转子叶片包括至少一个构成流动轮廓(2)的叶身区域(3)和构成用于将转子叶片(1)固定在转子上的叶根区域(4)，
其特征在于，
所述转子叶片(1)由至少两个预制的构件(5、6、7)组装而成并具有至少一个空腔(8)，所述空腔由所述转子叶片(1)的至少两个构件(5、6、7)的内面(9)限界。
2.根据权利要求1所述的转子叶片(1)，
其特征在于，
所述叶身区域(3)与所述叶根区域(4)通过组装一个或多个预制的构件(5、6、7)构成。
3.根据权利要求1或2所述的转子叶片(1)，
其特征在于，
所述预制的构件(5、6、7)通过焊接组装。
4.根据权利要求3所述的转子叶片(1)，
其特征在于，
所述焊缝(10)的焊缝根部关于主弯矩靠近所述转子叶片(1)的中性轴线(11)设置。
5.根据上述权利要求中任一项所述的转子叶片(1)，
其特征在于，
在所述叶身区域(3)中构成一个空腔/多个空腔。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的转子叶片(1)，
其特征在于，在所述叶身区域(3)和所述叶根区域(4)中构成一个/多个空腔(8)。
7.一种用于制造根据权利要求1至6中任一项所述的转子叶片(1)的方法，
所述方法包括以下方法步骤，
-制造具有预设的内轮廓和外轮廓的转子叶片(1)的各个构件(5、6、7)；
-将各个预制的构件(5、6、7)组装为转子叶片(1)。
8.根据权利要求7所述的用于制造转子叶片(1)的方法，
其特征在于，
借助于焊接法组装所述预制的构件(5、6、7)。
9.根据权利要求7或8所述的用于制造转子叶片(1)的方法，
其特征在于，
-在组装所述转子叶片(1)后，执行转子叶片轮廓的3D测量和检测，并且紧接着，
-基于所检测的转子叶片轮廓执行模拟，借助于所述模拟来检查是否遵循事先所确定的特性，尤其关于壁厚、叶片几何形状、叶片位置、叶片质量和固有频率的特性。
10.根据权利要求9所述的用于制造转子叶片(1)的方法，
其特征在于，
根据所检测的叶片轮廓在不遵循一个或多个所确定的特性时，求取并且构成叶片轮廓的外轮廓的加工几何形状，在所述加工几何形状中遵循所有所确定的特性，尤其在壁厚、叶片几何形状、叶片位置、叶片质量和固有频率方面的特性。
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