CN114991877A - 一种涡轮转子的组合式叶片结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于燃气轮机叶片结构技术领域，具体涉及一种涡轮转子的组合式叶片结构，包括：叶身，其叶尖处设置有锁扣孔；叶冠，其内侧设置有挂钩，且所述挂钩咬合至锁扣孔的内壁上；插销件，设置有销舌，该销舌能够穿过叶冠并抵于挂钩的背侧，以使挂钩与锁扣孔保持咬合状态。自带挂钩式叶冠避免了开设螺纹孔，这对叶冠、叶身的强度和刚性有利，避免出现由于螺纹损坏等问题而导致叶冠、叶身报废的现象；通过相邻防磨垫件的碰撞代替叶冠之间的碰撞磨损，从而对叶冠进行有效的保护；通过双联或多联结构提高涡轮气动性能，降低叶冠工作环境温度。此外采用陶瓷基材料制造的叶冠具有质量轻、使用温高、阻尼效果好等优点。

Description

一种涡轮转子的组合式叶片结构

技术领域

本发明属于燃气轮机叶片结构技术领域，具体涉及一种涡轮转子的组合式叶片结构。

背景技术

燃气轮机是一种将燃气的能量转变为有用功的内燃式动力机械，被广泛应用于民用发电领域或作为动力装置应用于飞机或大型船舶中。燃气轮机的工作过程是：压气机连续地从大气中吸入空气并对空气进行压缩；压缩前的空气进入燃烧室，与燃烧室中喷入的燃气混合前燃烧，进而成为高温燃气，随即高温燃气流入到燃气涡轮处碰撞做功，并利用高温燃气推动涡轮带着压气机一起旋转；燃气轮机是一种清洁性好、效率高的装置，具有体积小、重量低等优点。

燃气涡轮气动效率是燃气轮机重要的设计技术指标之一。为达到涡轮气动效率指标要求，在涡轮结构中采用了多种技术措施，其中涡轮转子叶片采用带冠结构是非常有效的技术措施之一。由于涡轮转子叶片的叶冠既能减少涡轮转子叶片叶尖燃气流泄漏，也对涡轮转子叶片振动进行有效阻尼，因此在燃气轮机中得到广泛应用。燃气轮机使用中涡轮转子叶片主要故障模式之一是叶片产生振动而发生断裂失效。现有技术中降低涡轮转子叶片发生共振的主要措施是叶片采用带冠结构、叶片延伸段处设置振动阻尼块。在涡轮转子叶片延伸段处设置振动阻尼块（片）是对叶片进行振动阻尼的一种技术措施。其阻尼原理是：当叶片发生振动时，阻尼块与叶片的缘板间产生相对运动和摩擦，阻尼块吸收了叶片的振动能量而实现振动阻尼。由于阻尼块位于叶片延伸段处，叶片与阻尼块间的相对运动量较小，对于叶身长度较大的叶片，其阻尼效果有限。

先进燃气轮机为提高气动性能，涡轮转子通常采用较高的转速。由于叶冠位于叶身尖部，转子的转速很高会显著增加涡轮转子叶片和涡轮盘的应力，所以，并不是所有燃气轮机涡轮转子叶片均可采用带叶冠结构。对转速较高的涡轮转子叶片，为降低叶冠的质量，通常对叶冠采取“削边”措施。但叶冠“削边”后，因为叶冠结构不完整（形成局部冠），削弱了叶冠的气动封严效果，并且对涡轮气动性能有一定影响。因此，发明一种能够实现质量小、封严效果好、振动阻尼等效果的涡轮转子叶片叶冠结构，对实现先进燃气轮机涡轮高性能目标非常必要。此外，现有技术存在将涡轮转子叶片的叶身和叶冠组合进行组合连接的结构，但是这种组合连接的方式都采用的螺纹连接的方式，而若采用螺纹连接的结构，则需要在叶身的尖端进行攻丝从而形成内螺纹，若在叶身在攻丝形成内螺纹的过程中，对内螺纹的加工精度具有较高的要求，若加工精度不能够达标，则将会直接造成叶片的报废，造成极大的经济损失，因此，如何将克服螺纹连接叶身和叶冠所造成的高报废率的问题，也成为了有待解决的问题。

发明内容

为了解决现有技术中转速较高的涡轮转子叶片的叶冠质量减小、保证封严性能、内螺纹攻丝引起叶身报废率高等问题，本方案提供了一种涡轮转子的组合式叶片结构。

本发明所采用的技术方案为：

一种涡轮转子的组合式叶片结构，包括：

叶身，其叶尖处设置有锁扣孔；

叶冠，其内侧设置有挂钩，且所述挂钩咬合至锁扣孔的内壁上；

插销件，设置有销舌，该销舌能够穿过叶冠并抵于挂钩的背侧，以使挂钩与锁扣孔保持咬合状态。

以上方案中，由于叶冠与叶身采用的是可拆卸连接的结构，因此，可以在转速较高的涡轮转子叶片上使用质量更轻、密度更低的材料制作叶冠，从而无需对叶冠采取“削边”措施，与通过“削边”的方式降低叶冠重量的方式相比，通过更换更轻材质的叶冠能够有效的保证叶冠的完整性；进一步的，由于叶冠的完整，也能够充分保证叶冠与涡轮转子机匣内壁的封严性能，从而保证了叶冠的气动封严效果，并且对涡轮气动性能起到了积极的影响。

此外，由于本方案中的叶冠是采用挂钩咬合的方式与叶身上的锁扣孔实现连接的，这种连接方式与螺纹连接的方式相比，不需要在叶身的尖端位置进行高精密度的攻丝，从根源上避免攻丝过程中对叶身的损坏及其造成的叶身报废的问题。

作为上述的涡轮转子的组合式叶片结构的备选结构或补充设计：所述锁扣孔呈L形；所述挂钩呈L形；在销舌插入锁扣孔前，所述挂钩分别与锁扣孔间隙配合；在销舌插入锁扣孔后，所述挂钩分别与锁扣孔过盈配合。

作为上述的涡轮转子的组合式叶片结构的备选结构或补充设计：所述挂钩的弯曲方向垂直于叶身的旋转平面；所述叶冠包括锯齿形叶冠和平行叶冠。

作为上述的涡轮转子的组合式叶片结构的备选结构或补充设计：所述插销件还包括有防磨垫件；所述防磨垫件设置于相邻叶冠的交界处，并用于隔开相邻的叶冠。所述防磨垫件隔开相邻叶冠后，当相邻两个叶冠因为错动而引起碰撞或相互摩擦时，可以由防磨垫件之间的冲击和相互磨损，来代替叶冠之间的相互磨损，从而对叶冠进行有效的保护。

作为上述的涡轮转子的组合式叶片结构的备选结构或补充设计：所述插销件还包括有插销主体；插销主体呈扁平状并贴合在叶冠的外壁面；所述销舌设置在插销主体内壁面的中部；所述防磨垫件设置在插销主体的端部。

作为上述的涡轮转子的组合式叶片结构的备选结构或补充设计：在防磨垫件包括第一防磨垫件和第二防磨垫件；第一防磨垫件和第二防磨垫件分别设置在插销主体端部的内壁面上；第一防磨垫件和第二防磨垫件凸出于插销主体的内壁面并能够径向于叶身向内延伸并遮挡叶冠边沿，从而避免相邻叶冠边沿之间发生碰撞。

作为上述的涡轮转子的组合式叶片结构的备选结构或补充设计：所述叶冠的外壁面上设置有插销槽，所述插销主体嵌装在所述插销槽内时，所述插销主体的外壁面与插销槽的槽口对齐。

作为上述的涡轮转子的组合式叶片结构的备选结构或补充设计：在所述插销主体宽度方向的两侧与叶冠的外壁面的交界处进行焊接连接，并形成第一钎焊部；在所述防磨垫件与叶冠的交界处进行焊接连接，并形成第二钎焊部。

作为上述的涡轮转子的组合式叶片结构的备选结构或补充设计：所述叶冠采用陶瓷基材料制成。由于陶瓷基材料的密度约为叶片所采用的材料密度的三分之一，且具有耐高温、摩擦阻尼性能好。因此，采用陶瓷基材料制造的涡轮转子叶片的叶冠质量轻、使用温高、阻尼效果好，为保障高转速燃气轮机涡轮性能和涡轮转子叶片振动阻尼的实现提供技术途径。

作为上述的涡轮转子的组合式叶片结构的备选结构或补充设计：所述叶冠的内壁面上设置有多个挂钩，且该叶冠连接到相邻的多个叶身上。由于涡轮转子上的不同叶身在转动过程中，往往会产生不同频率的振动，而本方案中通过相邻的多个叶身上连接同一个叶冠的方式，可以将实现不同叶身上振动的传递，从而对叶身的振动起到平衡的作用，叶冠可以连接相邻的两个叶身从而形成双联，当叶冠连接相邻的更多个叶身时形成多联。

本发明的有益效果为：

1.本方案中叶身和叶冠分体制造并组合使用的方式，不仅能够降低涡轮转子的叶片的生产制造难度，并且使得通过更换叶冠材料，实现叶冠质量的减轻成为了可能；

2.本方案中通过锁扣孔与挂钩进行的勾连固定结构，相较于用螺栓连接叶冠与叶身，自带挂钩式叶冠避免了开设螺纹孔，这对叶冠、叶身的强度和刚性有利，避免出现由于螺纹损坏等问题而导致叶冠、叶身报废的现象；而现有螺钉连接叶身叶冠的结构，存在叶冠加工难度较大以及与叶身的相对位置难以把握等问题；而本方案中的挂钩配合销舌的连接方式能够实现互相压紧，承载面积多，能够良好的解决螺栓连接方式的缺陷；

3.本方案中的插销件上的第一防磨垫件和第二防磨垫件能够实现叶冠的隔开，通过相邻防磨垫件的碰撞代替叶冠之间的碰撞磨损，从而对叶冠进行有效的保护，降低涡轮转子叶片的维护和维修成本；

4.本方案中的通过同一个叶冠连接多个叶身的方式，能够实现双联或多联，从而当一个组中的某件叶片产生共振时，其振动能量会通过叶冠传递到相邻叶片上并被吸收，降低了发生振动的叶片因振动能量的集聚而产生大载荷共振并导致叶片断裂失效的风险；此外，多个叶身共用叶冠的方式减少了涡轮转子中叶片的叶冠数量，整环转子中相邻叶冠间的总间隙减小，使得燃气通过相邻叶冠间的间隙泄漏到叶冠外表面的气量减少，有利于提高涡轮气动性能，降低叶冠工作环境温度。

附图说明

为了更清楚地说明本方案实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本方案中的组合式叶片结构的爆炸结构图；

图2是组合式叶片结构的相对位置图；

图3是组合式叶片结构连接状态的剖视图；

图4是插销件的结构图；

图5是叶冠的剖面图；

图6是组合式叶片结构的连接位置的结构图；

图7是组合式叶片结构的连接状态的立体结构图；

图8是两种叶冠的对比图；

图9是双联的组合式叶片结构的立体结构图。

图中：1-叶身；101-锁扣孔；2-叶冠；201-第一封严篦齿；202-第二封严篦齿；203-挂钩；204-销孔；205-插销槽；3-插销件；301-插销主体；302-销舌；303-第一防磨垫件；304-第二防磨垫件；M-第一钎焊部；N-第二钎焊部。

具体实施方式

下面将结合附图，对本实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是一部分实施例，而非是全部，基于本方案中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本方案的保护范围。

实施例1

先进燃气轮机为提高气动性能，涡轮转子通常采用较高的转速；由于叶冠2位于叶身1尖部，转子的转速很高会显著增加涡轮转子叶片和涡轮盘的应力，对转速较高的涡轮转子叶片来说，为了降低叶冠2的质量，通常对叶冠2进行的边沿切削；但是叶冠2在“削边”后，因为叶冠2结构不完整（形成局部冠），削弱了叶冠2的气动封严效果，并且对涡轮气动性能有一定影响。

为了解决上述问题，如图1所示，本实施例设计了一种涡轮转子的组合式叶片结构，如图1至图7所示，所述组合式叶片结构包括有叶身1、叶冠2、插销件3等结构。

其中，叶身1的叶尖处设置有锁扣孔101；叶冠2的内侧设置有挂钩203，且所述挂钩203咬合至锁扣孔101的内壁上；插销件3上设置有销舌302，该销舌302能够穿过叶冠2并抵于挂钩203的背侧，以使挂钩203与锁扣孔101保持咬合状态。所述锁扣孔101呈L形；所述挂钩203呈L形；在销舌302插入锁扣孔101前，所述挂钩203分别与锁扣孔101间隙配合；在销舌302插入锁扣孔101后，所述挂钩203分别与锁扣孔101过盈配合。所述锁扣孔101内部所具有的L形的孔腔能够匹配的容纳挂钩203和销舌302，从而能够利用L形挂钩203来将叶冠2拉紧，从而保证叶冠2连接的稳固性。所述挂钩203的弯曲方向垂直于叶身1的旋转平面；所述叶冠2包括锯齿形叶冠和平行叶冠。

以上方案中，由于叶冠2与叶身1采用的是可拆卸连接的结构，因此，可以在转速较高的涡轮转子叶片上使用质量更轻、密度更低的材料制作叶冠，从而无需对叶冠2采取“削边”措施，与通过“削边”的方式降低叶冠2重量的方式相比，通过更换更轻材质的叶冠2能够有效的保证叶冠2的完整性；进一步的，由于叶冠2的完整，也能够充分保证叶冠2与涡轮转子机匣内壁的封严性能，从而保证了叶冠2的气动封严效果，并且对涡轮气动性能起到了积极的影响。

此外，相较于用螺栓连接叶冠2与叶身1，自带挂钩203式叶冠2避免了开设螺纹孔，这对叶冠2、叶身1的强度和刚性有利，避免出现由于螺纹损坏等问题而导致叶冠2、叶身1报废的现象；挂钩203配合销舌302的连接方式能够实现互相压紧，承载面积多，能够良好的解决螺栓连接方式的缺陷。

此外，由于陶瓷基材料的密度约为叶身1所采用的材料密度的三分之一，且具有耐高温、摩擦阻尼性能好。因此，本实施例中的叶冠2采用陶瓷基材料制成，陶瓷基材料制造的涡轮转子叶片的叶冠2质量轻、使用温高、阻尼效果好，为保障高转速燃气轮机涡轮性能和涡轮转子叶片振动阻尼的实现提供技术途径。

在叶冠2的外壁面上设置有第一封严篦齿201和第二封严篦齿202。第一封严篦齿201和第二封严篦齿202能够贴合于涡轮转子的机匣，从而实现空气封严的效果。

实施例2

在实施例1的结构基础上，常规的叶冠2结构往往包括锯齿形叶冠和平行叶冠，锯齿形叶冠如图8中的（a）所示，平行叶冠如图8中的（b）所示。当涡轮转子在旋转过程中，由于不同叶冠2并不同步的振动容易造成叶冠2之间的相互碰撞，进而将造成叶冠2的磨损。

而为了解决这一问题，如图1至图7所示，本实施例的插销件3除了插销之外，还包括有防磨垫件和插销主体301；所述防磨垫件设置于相邻叶冠2的交界处，并用于隔开相邻的叶冠2。所述插销件3还包括有插销主体301；插销主体301呈扁平状并贴合在叶冠2的外壁面，所述叶冠2的外壁面上设置有插销槽205，所述插销主体301嵌装在所述插销槽205内时，所述插销主体301的外壁面与插销槽205的槽口对齐；所述销舌302设置在插销主体301内壁面的中部；所述防磨垫件设置在插销主体301的端部。

在防磨垫件包括第一防磨垫件303和第二防磨垫件304；第一防磨垫件303和第二防磨垫件304分别设置在插销主体301端部的内壁面上；第一防磨垫件303和第二防磨垫件304凸出于插销主体301的内壁面并能够径向于叶身1向内延并覆盖其与叶冠的交界处的边沿。第一防磨垫件303和第二防磨垫件304相对于插销主体301呈凸起状态，并且在使用时能够贴合到叶冠2的侧沿处，第一防磨垫件303和第二防磨垫件304的凸起高度与叶冠2对应处的厚度相当，从而能够对叶冠2容易发生碰撞的区间进行覆盖，从而利用第一防磨垫件303与相邻叶冠2的第二防磨垫件304之间的碰撞和磨损代替叶冠2本身的碰撞和磨，从而实现叶冠2的保护。

在所述插销主体301宽度方向的两侧与叶冠2的外壁面的交界处进行焊接连接，并形成第一钎焊部M；在所述防磨垫件与叶冠2的交界处进行焊接连接，并形成第二钎焊部N。该第一钎焊部M的焊接位置在实现插销主体301固定的同时，还能够保证插销主体301的外壁面与叶冠2外壁面的对齐，使得组合后的壁面能够具有更高的一致性。

实施例3

由于燃气轮机在使用时，叶片产生振动而发生断裂失效是涡轮转子叶片的主要故障模式之一。现有技术中降低涡轮转子叶片发生共振的主要措施是叶片采用带冠结构，或者叶片延伸段处设置振动阻尼块等方式。其中，在涡轮转子叶片延伸段处设置振动阻尼块（片）的方式是对叶片进行振动阻尼的一种技术措施。其阻尼原理是，当叶片发生振动时，阻尼块与叶片的缘板间产生相对运动和摩擦，阻尼块吸收了叶片的振动能量而实现振动阻尼。由于阻尼块位于叶片延伸段处，叶片与阻尼块间的相对运动量较小，对于叶身1长度较大的叶片，其阻尼效果有限。

而本方案中是通过设置叶冠2的方式实现叶身1产生的振动的降低，所述叶冠2的内壁面上设置有挂钩203，且该叶冠2连接到相邻的多个叶身1上。由于涡轮转子上的不同叶身1在转动过程中，往往会产生不同频率的振动，而本方案中通过相邻的多个叶身1上连接同一个叶冠2的方式，可以将实现不同叶身1上振动的传递，从而对叶身1的振动起到平衡的作用，叶冠2可以连接相邻的两个叶身1从而形成双联（如图9所示），当叶冠2连接相邻的更多个叶身1时形成多联。

当一个组中的某件叶片产生共振时，其振动能量会通过叶冠2传递到相邻叶片上并被吸收，降低了发生振动的叶片因振动能量的集聚而产生大载荷共振并导致叶片断裂失效的风险；此外，多个叶身1共用叶冠2的方式减少了涡轮转子的叶冠2使用数量，全部叶冠2的总间隙减小，使得燃气通过相邻叶冠2的间隙泄漏的气量减少，有利于提高涡轮气动性能。

上述实施例仅仅是为了清楚地说明所做的举例，而并非对实施方式的限定；这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本技术的保护范围内。

Claims (10)

1.一种涡轮转子的组合式叶片结构，其特征在于：包括：

叶身（1），其叶尖处设置有锁扣孔（101）；

叶冠（2），其内侧设置有挂钩（203），且所述挂钩（203）咬合至锁扣孔（101）的内壁上；

插销件（3），设置有销舌（302），该销舌（302）能够穿过叶冠（2）并抵于挂钩（203）的背侧，以使挂钩（203）与锁扣孔（101）保持咬合状态。

2.根据权利要求1所述的涡轮转子的组合式叶片结构，其特征在于：所述锁扣孔（101）呈L形；所述挂钩（203）呈L形；在销舌（302）插入锁扣孔（101）前，所述挂钩（203）分别与锁扣孔（101）间隙配合；在销舌（302）插入锁扣孔（101）后，所述挂钩（203）分别与锁扣孔（101）过盈配合。

3.根据权利要求2所述的涡轮转子的组合式叶片结构，其特征在于：所述挂钩（203）的弯曲方向垂直于叶身（1）的旋转平面；所述叶冠（2）包括锯齿形叶冠和平行叶冠。

4.根据权利要求1所述的涡轮转子的组合式叶片结构，其特征在于：所述插销件（3）还包括有防磨垫件；所述防磨垫件设置于相邻叶冠（2）的交界处，并用于隔开相邻的叶冠（2）。

5.根据权利要求4所述的涡轮转子的组合式叶片结构，其特征在于：所述插销件（3）还包括有插销主体（301）；插销主体（301）呈扁平状并贴合在叶冠（2）的外壁面；所述销舌（302）设置在插销主体（301）内壁面的中部；所述防磨垫件设置在插销主体（301）的端部。

6.根据权利要求5所述的涡轮转子的组合式叶片结构，其特征在于：在防磨垫件包括第一防磨垫件（303）和第二防磨垫件（304）；第一防磨垫件（303）和第二防磨垫件（304）分别设置在插销主体（301）端部的内壁面上；第一防磨垫件（303）和第二防磨垫件（304）凸出于插销主体（301）的内壁面并能够径向于叶身（1）向内延伸并阻挡相邻叶冠（2）之间发生的碰撞。

7.根据权利要求6所述的涡轮转子的组合式叶片结构，其特征在于：所述叶冠（2）的外壁面上设置有插销槽（205），所述插销主体（301）嵌装在所述插销槽（205）内时，所述插销主体（301）的外壁面与插销槽（205）的槽口对齐。

8.根据权利要求6所述的涡轮转子的组合式叶片结构，其特征在于：在所述插销主体（301）宽度方向的两侧与叶冠（2）的外壁面的交界处进行焊接连接，并形成第一钎焊部（M）；在所述防磨垫件与叶冠（2）的交界处进行焊接连接，并形成第二钎焊部（N）。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的涡轮转子的组合式叶片结构，其特征在于：所述叶冠（2）采用陶瓷基材料制成。

10.根据权利要求1-8任意一项所述的涡轮转子的组合式叶片结构，其特征在于：所述叶冠（2）的内壁面上设置有多个挂钩（203），且该叶冠（2）连接到相邻的多个叶身（1）上。

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