CN114008297B - 改进的发动机或压缩机叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种优化的叶片，包括将在流式发动机中使用的锚定元件。此外，本发明涉及制造这种叶片的方法。此外，本发明涉及这种改进的叶片的应用。此外，本发明涉及提供设有这种改进的叶片的流式发动机。

Description

改进的发动机或压缩机叶片

技术领域

本发明涉及一种在流式发动机或压缩机中使用的优化的叶片。此外，本发明涉及制造这种叶片的方法。此外，本发明涉及这种改进的叶片的应用。此外，本发明涉及提供有这种改进的叶片的流式发动机。

背景技术

尽管流式发动机和压缩机是非常复杂且非常专业的技术机器，但不应低估现代技术的重要性。例如，流式发动机在发电领域的应用是非常重要的，在过去是非常重要的，并且在将来也是非常重要的。即使考虑到越来越多的可再生能源成为现代能源组合的一部分，像燃气轮机这样的具有补偿风能或太阳能所引起的波动的能力的流式发动机仍是用于提供稳定电网的重要基石。

尽管流式发动机已经被使用了更长的时间，但是优化所述发动机以提高效率和可靠性的同时减少由此产生的排放仍然是一项持久的任务。例如，基于耐高温合金的限制，过程中所使用的温度等条件限于某些区域。超过某点后，寿命会迅速开始大幅缩短，或甚至可靠性也成为问题。因此，即使使用非常先进的流式发动机，仍然会受到对于提供安全且可靠的运行的某些限制。仍然需要进一步改进现有的流式发动机及其部件，以实现进一步的改型并允许替代的运行模式，从而增加借助所述流式发动机所获得的整体利益。这同样适用于持续进行进一步的改进的压缩机，尽管已经达到了高度先进的状态。

发明内容

这些问题由下文和权利要求中公开的产品和方法解决。在从属权利要求和以下的描述中公开其他有益的实施例。这些益处可以用于使相应的解决方案适应特定需求或解决进一步的问题。

根据一个方面，本发明涉及一种适于在流式发动机或压缩机、优选为流式发动机中使用的叶片，其中叶片包括下部件、上部件和锚定元件，其中锚定元件位于叶片的内部，并且其中锚定元件连接下部件和上部件。令人惊讶的是，注意到在叶片中包括这种锚定元件允许在使用期间限制叶片形状的改变。基于高温和由转子旋转产生的大离心力的组合，在超过使用传统叶片运行的特定极限时观察到这种伸长。令人惊讶地，注意到本发明的叶片允许增加在流式发动机内部使用的温度和/或减少用于将叶片的温度保持在特定值以下以防止这种伸长所需的冷却流体的量。这例如允许：通过改变运行条件来提高整体效率或者利用标准运行参数来提高可靠性和/或减少维护。特别地，提高流式发动机的整体效率和最大功率输出是非常令人感兴趣的，因为其允许至少稍微升级现有的流式发动机，以满足不断增长的需求，或获得时间来更换这种发动机以长期满足不断增长的电网需求。

根据另一方面，本发明涉及一种制造本发明的叶片的方法，该方法包括将锚定元件插入叶片内部的步骤。

根据另一方面，本发明涉及使用本发明的叶片来提供流式发动机。在此，提供这种流式发动机包括通过实施本发明的叶片来制造新的流式发动机以及来升级现有的流式发动机或通过更换至少一个相同的使用过的叶片来维护现有的流式发动机。典型地，优选在流式发动机的涡轮机区域中、更优选在涡轮机区域和/或压缩机区域(如果可用)中、优选至少在涡轮机区域中的至少50％的叶片、更优选至少70％的叶片、甚至更优选地所有叶片都在升级期间被本发明的叶片所取代。使用本发明的叶片允许以低耗费来轻松地改进现有流式发动机的性能。

根据另一方面，本发明涉及一种包括本发明的叶片的流式发动机。

附图说明

为了简化对本发明的理解，参考下文的详细描述和附图以及它们的描述。在本文中，附图应被理解为不限制本发明的范围，而是公开进一步解释本发明并提供特定益处以例如提供针对特定需求的特别适用的实施例的优选实施例。

图1示出沿本发明的设有锚定元件的叶片的纵轴线的示意性横截面图。

图2示出为本发明的叶片提供的不同类型的固定元件的示意图的部分图。

具体实施方式

根据一个方面，本发明涉及一种如上所述的叶片。典型地，优选地，叶片的下部件包括叶片根部。

令人惊讶的是，注意到：将锚定元件定位在叶片中的本发明的设计提供许多益处。这种被叶片完全包围的锚定元件不仅允许使用不能承受外部条件的材料，还能非常有效地抵御叶片外部的恶劣条件。与这种锚定元件至少部分地延伸到叶片的外表面的布置相比，利用诸如陶瓷材料的材料还提供了显著改进的抵抗力和可靠性。尽管不应理解为限制本发明，但假设外部的苛刻条件和温差导致这种锚定元件的至少部分显著增加的老化，从而导致寿命显著降低、甚至故障风险增加。这种故障对于这种叶片尤其成问题，因为由此导致的叶片加长容易导致使用这种叶片的连续流式发动机发生灾难性故障。

根据另外的实施例，优选地，叶片的下部件包括叶片根部并且叶片在叶片根部上方的部分包括耐高温合金，优选为镍超合金，并且其中锚定元件由与耐高温合金不同的材料构成。尽管可以以不同的形式使用相同的材料、例如金属纤维代替固体金属，但注意到的是：典型地，不同材料的组合允许结合本文所公开的不同材料的有益特性，以获得显著改善结果。通常地，优选的是：基于锚定元件的总重量，锚定元件包括至少50wt.-％、更优选至少70wt.-％、甚至更优选至少95wt.-％的非金属组分、如陶瓷或碳基材料。根据特定的实施例，锚定元件完全由这种非金属部分构成。

根据另外的实施例，优选地，叶片由两个部件和锚定元件组成，其中两个部件是使用增材制造来制造的。在此，锚定元件所附接的上部件和下部件可以是两个部件中的单个部件的一部分，或者两个部件之一可以包括上部件，而另一个包括下部件，或者两个部件共同提供上部件和/或下部件。例如，两个部件中的一个可以包括凹部，而另一部件包括对应的突出部，其中凹部和突出部的组合将锚定元件紧固至叶片的上部件。使用这种严格限制数量的构件不仅允许简化制造而且允许简化组装。注意到，这还令人惊讶地提供能够承受更高的力的更耐用的叶片。

根据另外的实施例，优选地，叶片由两个部件和锚定元件组成，其中两个部件是使用增材制造来制造的，其中两个部件包括上游部件和下游部件。这种上游部件的特征在于其外表面的主要部分适于面对连续流式发动机中所使用的流体(如液体或气体)的进入流。典型地，优选地，这种下游部件的特征在于其外表面的主要部分适于在经过叶片之后面向连续流式发动机中使用的流体流的方向。注意到，即使在由于例如通过叶片的质量流量增加而引起的力暂时增加的情况下，这种叶片也提供了进一步改善的稳定性。

令人惊讶地注意到，陶瓷材料和碳基材料非常有益地用于提供本发明的锚定元件。在另外的实施例中，优选地，锚定元件包括陶瓷材料或碳基材料。典型地，优选地，锚定元件的至少50wt.-％、更优选至少70wt.-％、甚至更优选至少85wt.-％选自陶瓷材料或碳基材料。

根据另外的实施例，锚定元件完全由这种材料构成。在典型的实施例中，优选地，上述比例的锚定元件选自碳基材料，如碳纤维或石墨烯，甚至更优选为石墨烯。

令人惊讶的是，还注意到，本发明的效果还通过叶片内部的锚定元件的可拆卸的连接提供。这显著简化了本发明叶片的制造和维修。根据另外的实施例，优选地，锚定元件可拆卸地连接到叶片的下部件和/或上部件。典型地，优选地，锚定元件可拆卸地连接到叶片的下部件和上部件。

此外，注意到，对于典型应用，锚定元件的主要部分有利地由空腔包围。在另外的实施例中，优选地，锚定元件的表面的至少50％、更优选至少65％、甚至更优选至少85％由叶片内部的空腔包围。这种空腔有利地用于冷却锚定元件。根据另外的实施例，优选地，空腔适于填充有冷却流体。

尽管锚定元件在没有任何冷却的情况下已经提供了显著的改进，但是注意到，提供对锚定元件的冷却进一步增加使用本发明叶片的可能的运行条件范围。在另外的实施例中，优选地，叶片包括基于冷却流体的冷却系统，在其中利用冷却流体来冷却锚定元件。

此外，将现有方法与本发明的锚定元件结合以增加流式发动机中叶片的可能运行条件进一步增加由此获得的益处。例如，对于典型的应用来说，将现有的冷却技术用于叶片外壁是非常有益的。根据另外的实施例，优选地，流式发动机适于利用流体流使包括叶片的转子旋转，其中叶片设有适于接触流体流的外壁，并且其中冷却系统用于冷却外壁。典型地，优选地，通过薄膜冷却孔利用冷却流体来提供这种冷却。自然地，冷却流体可同时用于冷却锚定元件并且/或者利用例如冲击室提供对外壁的冷却。术语“外壁”不仅涉及叶片的部件的外侧上的金属表面，还包括施加到所述表面上的诸如热障覆层的覆层。例如，这种热障覆层可以由施加到叶片外表面上的一些陶瓷材料或叶片外表面上的粘合涂层构成。

尽管可以减小锚定元件的尺寸以仅在叶片的一小部分上延伸，但注意到：锚定元件优选地在更大的部分上延伸。这令人惊讶地允许减少所需材料的总量，同时提供相同的稳定性，例如，减少叶片的总重量。叶片的这种减轻重量提供进一步的好处，例如对于应用在这种流式发动机中来说减小惯性是重要的。在其他的实施例中，优选地，锚定元件在叶片高度的至少30％、更优选地至少45％、甚至更优选地至少60％上延伸。优选地，叶片的高度是从叶片的下端部到上端部测量得到的。

尽管专家可以自由地利用本领域已知的不同可能性来将锚定元件紧固在叶片内部，但是注意到，突出部和相应凹部的组合为典型应用提供非常有益的结果。例如，该组合显著地简化了叶片的制造过程。根据另外的实施例，优选地，锚定元件设有适于接合叶片上的配对元件以将锚定元件紧固在叶片内部的至少一个突出部、至少一个凹部和/或至少一个孔。

根据本发明的特别优选实施例的一个示例是结合有在叶片的主要部分上延伸的冷却石墨烯片。这种设计为典型应用提供了非常有益的结果。在另外的实施例中，优选地，叶片包括位于叶片内部的石墨烯片，其中石墨烯片的至少一部分由冷却流体冷却，并且其中石墨烯片在叶片高度的至少30％、更优选至少45％、甚至更优选至少60％上延伸。

不同优选实施例的另一示例是结合有在叶片的主要部分上延伸的陶瓷锚定元件。尽管与上述参考示例相比，这种环境似乎提供了改进但略微降低抗振性，但其似乎提供叶片整体稳定性方面的益处。根据另外的实施例，优选地，叶片包括位于叶片内部的陶瓷锚定元件，其中陶瓷锚定元件在叶片高度的至少30％、更优选至少45％、甚至更优选至少60％上延伸。

对于种类繁多的典型应用，注意到，利用一些碳基材料来提供锚定元件是有益的。借此获得的灵活性和高抗性是非常理想的，并且有利于进一步优化流式发动机。在另外的实施例中，优选地，锚定元件包括碳基材料，如碳纤维或石墨烯，优选石墨烯。对于典型的实施例，优选地，代表叶片的下部件和上部件之间的连接的锚定元件的至少一部分由这种碳基材料构成。

虽然锚定元件也可以直接固定在下部件和上部件的材料内部，但注意到，对于典型应用和为制造过程提供益处而期望设有固定元件。特别地，在制造过程和维修期间的简化是显著的。根据其他的实施例，优选地，下部件包括下部固定元件并且上部件包括上部固定元件，其中下部固定元件和上部固定元件适于固定锚定元件。设有具有预定的固定机构的这种模块化系统代替例如通过在可用表面中钻出相应的保持部并如所需的那样附接锚定元件来将锚定元件简单地固定于平面表面是惊人地有益的。尽管显著增加了对叶片的相应部分的预定要求，但注意到，显著简化了叶片的组装以及与此相关的维修和维护工作。

对于典型应用，优选地，提供两个部件和锚定元件形式的叶片。在本文中，一种非常优选的实施例利用两个部件彼此的附接以将锚定元件紧固在叶片内部。根据另外的实施例，优选地，锚定元件在叶片内部的紧固由两个部件彼此的附接产生。例如，锚定元件可以附接到从一个部件延伸出的突出部，并且锚定元件的位置通过第二部件锁定，所述第二部件包括适于装配到突出部上的凹部。在这种情况下，将两个部件彼此附接能使得锚定元件被夹在两个部件之间。

例如，这种紧固元件可以通过提供不可分离地连接到叶片的一部件的螺栓来实现，其中锚定元件安装到所述螺栓上。注意到，该实施例允许容易地将锚定元件固定在叶片内部。在另外的实施例中，优选地，下部元件和/或上部紧固元件包括至少一个适于延伸穿过锚定元件的开口的螺栓。

此外，注意到，在许多情况下，优选地将锚定元件在已经拉紧的状态下安装，以从一开始就提供本发明的防止在旋转期间伸长的保护。典型地，因此优选地，锚定元件已经以拉紧的状态安装在叶片内部。例如，可以优选地为下部紧固元件和/或上部紧固元件提供适于将锚定元件紧固在拉紧状态的抓持机构。例如，所述抓持机构可适于首先紧固锚定元件并且在第二步骤提供运动以拉紧锚定元件。

根据另一方面，本发明涉及一种如上所述的方法。

尽管在技术上要求较高，但所获得的增加的强度期望在制造过程期间利用如3D打印的增材制造工艺以将锚定元件直接紧固在叶片内部。根据另外的实施例，优选地使用增材制造、优选地3D打印来制造叶片，并且其中在增材制造过程期间将锚定元件插入到叶片中。

在此，增材制造方法可以选自本领域已知的增材制造方法、优选3D打印方法。这种增材制造方法的示例包括选择性激光熔化(SLM)、选择性激光烧结(SLS)、电子束熔化(EBM)和粘合剂喷射。当然，可以采用其他增材制造方法或上述方法的特定变型。

使用基于激光的增材制造方法、更优选的3D打印通常提供特别有用的结果，因为这些方法已经非常成熟，并且允许加工具有耐高温性的材料、如镍超合金。

然而，为了显著简化制造过程，通常优选地使用增材制造将叶片制造成多个部件，并在组合这些部件时附接锚定元件。这允许提供模块化系统并利用传统的增材制造设备来提高整体制造速度。在此，叶片优选通过增材制造、如3D打印来制造的方式以至少2个部件的形式提供。例如，这允许批量制造所需部件并在后续步骤中引入锚定元件。在另外的实施例中，优选地，叶片以至少2个部件的形式制造，优选地使用如3D打印的增材制造来制造，其中在叶片的至少2个部件的制造之后，在叶片的至少2个部件彼此附接之前或在将叶片的至少2个部件彼此附接的同时，将锚定元件固定在叶片内部。

在特定的实施例中，优选地，叶片的部件可拆卸地连接以允许在修理或维护期间容易地更换锚定元件。然而，对于典型的实施例，优选地，在将锚定元件引入叶片内部之后，叶片的相对应的部件彼此不可分离地连接。这允许例如提供叶片部件的安全连接以及叶片内部的冷却系统的安全密封。例如可以使用激光焊接或激光熔覆来获得这种不可分离的连接。

根据另一方面，本发明涉及如上所述的叶片的应用。

优选地，本发明的叶片在燃气轮机中使用。所获得的结果表明：修改这种类型的涡轮机的运行条件的可能性为典型应用提供了特别显著的益处。

然而，进一步的结果表明：本发明的叶片也非常有益地在压缩机中使用。应注意：利用本发明构思允许显著增加压缩机的转速，从而能够实现减少所需空间的按比例缩小的压缩机。这种应用非常令人感兴趣，例如用于航空应用或现有流式发动机的升级这种仅提供有限空间的情况。例如，升级可在具有这种压缩机的船上使用的流式发动机允许利用现有机房来安装具有更多排叶片和叶轮的更大的流式发动机。

根据另一方面，本发明涉及如上所述的流式发动机。

有利地包括本发明叶片的流式发动机的示例是燃气轮机、航空领域中的流式发动机、船舶领域中的流式发动机或高速压缩机。所获得的结果表明：例如，在燃气轮机内使用本发明的叶片可以获得显著的改进。

仅出于解释的目的来更详细地描述本发明。然而，本发明不应被理解为限于这些实施例，因为它们代表提供解决特定问题或满足特定需要的益处的实施例。保护范围应理解为仅受所附权利要求的限制。

图1示出沿本发明的设有锚定元件2的叶片1的纵轴线的示意性横截面。叶片1适于在作为流式发动机的示例的燃气轮机中使用。叶片1设有下部件3和上部件4，其中下部件3和上部件4通过锚定元件2连接。叶片3的下部件设有叶片根部5并通过叶片1的外壁12与叶片1的上部件4连接。将锚定元件2设置成位于叶片1内部并且其中心部分被叶片1内部的空腔6包围，从而允许通过流动穿过叶片1的一些冷却流体来冷却锚定元件2。同时，用于冷却叶片1的外表面9的冷却流体适于接触用于旋转流式发动机内的包含叶片1的转子的流体。

该图示意性地示出位于叶片1的下部件3中的冷却流体入口10和位于叶片1的上部件4上的提供薄膜冷却的冷却流体出口11。未示出另外的冷却元件，例如冲击冷却室或位于叶片1的外壁12内部的薄膜冷却孔。

叶片1的主要部分由镍超合金制成，而锚定元件2由石墨烯制成。锚定元件2通过可拆卸地连接到锚定元件2的多个螺栓固定。在此，螺栓作为突出部从叶片1的第一部件7穿过锚定元件2延伸到叶片1的第二部件8的一些空腔中。这种紧固元件位于叶片1的上部件4和下部件3中。在此，从叶片1的下端到上端测量，锚定元件2在叶片1的高度的95％上延伸。

叶片1已经使用增材制造以多个部件的形式制造。在叶片1的第一部件7已经从增材制造装置中移除之后，对其进行清洁并且锚定元件2可拆卸地连接到设置在叶片1的第一部件7的上部件4和下部件3处的螺栓。此后，在将锚定元件2夹紧在第一部件7和第二部分8之间后，第二部件8不可分离地连接到第一部件7。此后，所述部件使用激光焊接不可分离地连接以提供安全且可靠的连接，以及对设置在叶片1内部的冷却通道和空腔的密封。

图2示出为本发明的叶片提供的不同类型的紧固元件的示意图的部分图。与图1所示的实施例相反，锚定元件2’的紧固通过将螺栓引导穿过未示出的第一部件中可用的孔、锚定元件2’中的孔14’和第二部件中的孔13’来实现。紧固锚定元件2’的螺栓被焊接至第二部件8’，以确保螺栓在叶片使用期间保持其位置。在维修或维护期间，如果需要更换锚定元件2’，可以钻出相应的螺栓。

Claims (14)

1.一种适于在流式发动机或压缩机中使用的叶片(1)，其中所述叶片(1)包括下部件(3)、上部件(4)和锚定元件(2，2')，其中所述锚定元件(2，2')位于所述叶片(1)的内部并且被所述叶片完全包围，并且其中所述锚定元件(2，2')连接所述下部件(3)和所述上部件(4)，其中所述叶片由两个部件和所述锚定元件组成，

其中所述两个部件是使用增材制造来制造的，

其中所述锚定元件(2，2')可拆卸地连接至所述叶片(1)的所述下部件。

2.根据权利要求1所述的叶片(1)，其中所述锚定元件(2，2')包括陶瓷材料或碳基材料。

3.根据权利要求1所述的叶片(1)，其中所述锚定元件(2，2')可拆卸地连接至所述叶片(1)的所述上部件。

4.根据权利要求1至2中任一项所述的叶片(1)，其中所述锚定元件(2，2')的表面的至少50％由所述叶片(1)的内部的空腔围绕。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的叶片(1)，其中所述叶片(1)包括基于冷却流体的冷却系统，其中所述冷却流体用于冷却所述锚定元件(2，2')。

6.根据权利要求5所述的叶片(1)，其中所述流式发动机适于用流体流使得包括所述叶片(1)的转子旋转，其中所述叶片(1)设置有适于接触所述流体流的外壁(12)，并且其中所述冷却系统用于冷却所述外壁(12)。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的叶片(1)，其中所述锚定元件(2，2')在所述叶片的高度的至少30％上延伸。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的叶片(1)，其中所述锚定元件(2，2')设置有适于接合所述叶片的配对元件以将所述锚定元件(2，2')固定在所述叶片(1)内部的至少一个突出部、至少一个凹部和/或至少一个孔。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的叶片(1)，其中所述锚定元件(2，2')包括碳纤维或石墨烯。

10.一种制造根据权利要求1至9中任一项所述的叶片(1)的方法，所述方法包括将锚定元件(2，2')插入所述叶片(1)的内部的步骤。

11.根据权利要求10所述的方法，其中使用增材制造来制造所述叶片(1)，并且其中在所述增材制造过程中将所述锚定元件(2，2')插入到所述叶片(1)中。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其中所述叶片(1)以至少2个部件的形式制造，其中在制造所述叶片(1)的所述至少2个部件之后，在将所述叶片(1)的所述至少2个部件彼此附接之前或在将所述叶片(1)的所述至少2个部件彼此附接的同时，将所述锚定元件(2，2')固定在所述叶片(1)的内部。

13.根据权利要求1至9中任一项所述的叶片(1)的应用，以提供流式发动机。

14.一种流式发动机，包括根据权利要求1至9中任一项所述的叶片(1)。