CN1406312A - 涡轮工作叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮工作叶片，它具有一内部不冷却的叶型(1)，该叶型从一叶片平台(2)出发延伸，该平台上连接一插入涡轮机叶轮盘(3)内的叶根(4)，该叶根的径向截面具有一个朝叶片平台(2)方向宽度(6′)渐增的区域(5)。为了设计一种能加长工作叶片叶型的此类涡轮工作叶片，本发明建议，所述叶根(4)具有一个背向平台开口的挖空槽(7)，该槽在平台侧呈盲孔状结束，并且在叶根(4)的宽度(6′)渐增区(5)内按照所述叶根截面的大小被相应扩宽。

Description

涡轮工作叶片

本发明涉及一种涡轮工作叶片，它具有一内部不冷却的叶型，该叶型从叶片平台出发延伸，平台上连接有插入涡轮机叶轮盘内的叶根，叶根的径向截面具有一个朝叶片平台方向宽度渐增的区域。

为了提高燃气轮机的效率亦即增大有效截面，尽可能加长涡轮工作叶片的叶型，以便由此达到更好地利用流过的燃气。但叶型的这种加长受多种因素的限制。

由于加长了叶型和由此增大的运动质量，例如由于离心力的作用显著增加了涡轮机叶轮盘轮毂区的负荷。人们试图借助沿轴向加厚轮盘通过增大轮毂区内的支承面来对付这种情况。然而这种加厚的可能性是有限的。通过增大叶型，不仅仅是轮毂，而且涡轮叶片在其叶根插入涡轮叶轮盘外圆周榫槽内的区域，也都受到更大的负荷。叶型的加长也可能相对于轮毂沿径向进行，但由此使外圆周的榫槽移近，减小它们的间距，并因而增大榫槽间轮盘部分的负荷。然而这种负荷只能按微小的程度增加，否则有损坏涡轮盘的危险。

因此本发明的目的是创造一种涡轮工作叶片，它允许加长工作叶片的叶型，与此同时不增加或仅微量地增加涡轮叶轮盘的局部负荷和工作叶片叶根的负荷。

本发明的目的由此来实现，即，叶根具有一个背向叶片平台开口的挖空槽，该槽在平台侧呈盲孔状地结束，并且在叶根的宽度渐增区内按照所述叶根径向截面的大小(querschnittsmaeβig)被相应扩宽。

叶根为保证稳定性通常设计成实心的，与涡轮叶片的其余尺寸相比具有较大的横截面。因此它的质量大，并且在由于涡轮叶轮盘旋转所产生的涡轮盘和叶片固定装置的离心负荷中占大的份额。通过所述挖空凹槽显著减小了叶根的质量并因而也减小了离心负荷。槽特殊的形状，亦即其按照叶根径向截面的宽度在叶根的宽度渐增区内相应扩宽其纵壁，保证为了减少质量最佳地利用到叶根的形状。此外，通过槽在平台侧盲孔状地结束，满足了稳定性的要求，尤其在平台与叶型之间的区域内由于多种多样大的力和高温作用，这种稳定性的要求是很高的。因此可以实现，在保持叶片质量小的同时，保持或甚至提高其稳定性。通过减轻重量，降低了叶根区的平均应力水平同时还减小了叶根榫齿和相邻涡轮叶轮盘处的应力峰值，从而导致延长涡轮叶片寿命，且尤其导致改善叶根的耐久性。因此可以在不危及涡轮叶片稳定性的同时在保持叶根形状的情况下向外延长工作叶片叶型，并因而提高涡轮效率。

为了使平台侧叶型区有良好的稳定性，令槽终止在叶根与平台的平台上侧下方之间的过渡区内。在平台上侧的上方，叶片上的作用力特别大，并且叶片设计得比平台区狭窄。但若槽在平台上侧的下方终止，则作用力可以在足够大的程度上由稳定的平台和相邻区承受。

为避免应力峰值并因而局部过高的负荷，建议，槽以基本上倒圆的壁为界并且在平台上侧的下方以曲拱形结束。

为了更多地减小质量，槽的纵壁几乎沿叶根的全长延伸，而其横壁则几乎沿叶根的全宽延伸，在这种情况下槽的壁保证在离心力作用下有足够的稳定性。

若槽的高度在中央区内达到最大并朝横壁和纵壁方向逐渐降低，则大部分作用在中心的力可良好地传入叶片的实心区内，而不会对槽壁造成过大的负荷。

若槽的纵壁沿接近平台侧的端部的方向在保持槽横壁处最小壁厚的情况下区域性地被连续扩宽，则可更好地减轻重量，同时避免在过渡到倒圆的端部区内时突然改变曲率，这种突变会导致局部的应力最大值。

高温工作气体的负荷尤其施加在第一个直接入流的叶片边缘区。为保证燃气入流侧更高的强度需求，在燃气入流侧附近的最小壁厚大于燃气流出侧处的最小壁厚。

为了在节省材料和减少质量的情况下提高叶根的强度，叶根通过设计在其纵壁间的横撑增强。作用在横纵壁之一上的力，通过横撑传给槽另一个纵壁，并通过这两个壁进一步传入涡轮叶轮盘中，不会危及槽的稳定性。此外，由于这种质量的进一步减小，基于降低了的离心力负荷，实现了叶根的进一步减荷。

若横撑在平台侧离槽的壁有一定间距和/或离叶根背对平台的端部有一定间距，则在保持稳定性的情况下可附加地减轻重量。

为了最佳地传力，令横撑的位置和形状与通过作用在叶型上的离心力形成的力作用线走向相适应。因此，通过设置适当数量和相应形状的横撑，一方面可以基于有横撑的支承作用将槽的壁设计得较薄从而大大减少叶根的质量，另一方面也可以基于横撑的支承作用沿槽的纵侧获得一种均匀的应力分布。

可采取下列措施来承受作用在中央区内特别大的力：槽在中央区内的横撑有最大高度。随槽高度下降的走向，槽的横撑的高度也相应降低。

下面借助附图所示本发明涡轮工作叶片的一实施方式对本发明予以详细说明。附图中：

图1表示涡轮叶片根部的径向截面；

图2表示图1所示涡轮叶片根部沿剖切线II-II的截面；

图3表示图1所示涡轮叶片根部沿剖切线III-III的横截面；

图4表示图1所示涡轮叶片根部沿剖切线IV-IV的横截面；以及

图5表示图1所示涡轮叶片根部沿剖切线V-V的横截面。

图1表示涡轮叶片叶根4以及平台2和部分叶型1的径向截面。叶根4插入涡轮叶轮盘3的一榫槽30内，并借助叶根4的榫齿35和榫槽30上对应的齿36形状封闭地固定，如图2所示。叶根4、平台2和叶型1一体成型，优选地浇注成一体。并列设置的叶型1为流过的热燃气提供阻力并改变其速度和方向，由此促使涡轮机叶轮盘3绕轮盘轴线以很高的转速旋转。在这种情况下产生的离心力基本上必须由叶根4的榫齿35和榫槽30的齿36承受。尤其在无内部冷却的涡轮叶片中，涡轮叶片的大部分通常设计为实心，并因而有大的重量，这会使叶根部分承受巨大的负荷。

叶根4具有一个按照本发明的减重槽7。它成形为曲拱状，并在涡轮叶片的平台侧的端部19成盲孔状地在平台2上侧21的下方终止。在叶根4背对平台的端部31该槽7开口。叶根4在背对平台的端部31区域内有基本上恒定的长度32。在接近平台2处，长度32首先由于过渡区38的形状37略有增加，以便在这之后一直到平台2连续减小。槽7具有纵壁12的长度13并具有深度33。

所述长度13在从背对平台的端部31起始去往叶根4平台侧端部19的一定距离之后逐步增加，但在过渡区38内则按弧形缩短直至槽7的高度16的最高点，在那里槽7呈盲孔状地终结。此终点优选地位于平台上侧21的区域内或在其下方，以保证叶片有足够的稳定性。叶型在平台区内是实心的，并且在叶型离平台一定距离的上部(未在图中表示的)区域内，可能有叶型减重槽。由此避免危及在乎台区域内叶片的强度。槽7并不与叶型槽连通，因为在此涉及的是一种内部不冷却的涡轮叶片，因而不必通过叶根输送冷却剂。

如图2所示，深度33从叶根4背对平台的端部31起在区域5内一直增加到平台侧的端部19。然后，槽7在过渡区38内跟随涡轮叶片一同扭转。深度33在过渡区38内起先还略有增加，以便在过渡区38中点附近朝平台2的方向连续减小。这样在叶根4或过渡区38内部就挖出了一个尽可能大的空腔，以达到最大程度地减轻重量。在这里尤其应考虑到壁8、12需具有足够的壁厚14，以保证即使在巨大的离心力作用下叶根4的稳定性。通过槽7的曲拱状设计，避免了易导致强度降低的应力峰值出现。

槽7的制造可借助一个具有挖空部分的形状的型芯实现，型芯在浇铸前置入叶片的叶根区内并从叶根4背对平台的端部31伸出，由此构成背对平台开口的槽。在叶根4平台侧的端部19，型芯设计为在那里终止的盲芯。在浇铸后要先破坏型芯再将其从槽7内取走，这是因为型芯的宽度朝开口方向变小，所以它不可能作为整体除去。

在槽7的内部加有一些横撑28，它们在纵壁12之间延伸。通过横撑28，槽7支承作用在壁8、12上的作用力。在本实施方式中涉及五个横撑28，其中在槽7中央区15内的横撑28有最大的高度20并设在槽7最大高度16的区域内。横撑28倒圆，以避免应力峰值。它们基本上沿涡轮叶片纵轴线39的方向互相平行地按间距34排列。它们几乎占据了两个相对的纵壁12之间的整个区域。仅仅在槽7平台侧的端部与背对平台侧的端部处，有距离槽7上边界一间距40和距离背对平台的下端部31一间距41的修圆的横撑空缺区。这些横撑的空缺区主要是制造引起的，因为一个型芯在横撑28之间制成无材料区的定位条(Finger)在端部要互相连接，以便能保持正确的尺寸。此外，它们对于进一步减轻重量也有贡献。

图2表示图1所示涡轮叶片根部沿剖切线II-II与图1所示第一纵剖面几乎成直角的径向截面。叶根4按规则的间距具有曲拱状的榫齿35，它们与其中装入叶根4的涡轮叶轮盘3的榫槽30相应成形的齿36嵌合，从而确保在离心力负荷作用下有一种能防止涡轮叶片滑出的可靠的形状封闭。从背对平台的叶根4端部31至其平台侧的端部19，叶根4的一个由榫齿35和在榫齿之间的凹入构成的平均宽度6′逐渐增加。槽7横向的深度33在保持壁12为保证稳定性所需的最小壁厚的情况下跟随此平均宽度6′变化。连接在叶根4上的过渡区38呈透镜状曲拱，如在图4的横截面中清楚地表示的那样。与之相应地，槽7相对于其在叶根4内的结构按这样的方式错位，即，保证槽7两侧有足够的壁厚14。

图3表示叶根4沿图1或图2中的剖切线III-III的横截面。叶根的这一横截面的宽度6相当大，因为此截面是对叶根4最上部的榫齿35剖切得到的，也就是说该截面在叶根4最大宽度6的区域内。在此截面内，槽7由多个腔29组成，其中，横撑28相当于腔29的隔板。腔29从叶根4的两个横壁8之一起，起先有逐渐增大的深度33，在中央横撑28处深度33具有其最大尺寸，然后重新逐渐减小到接近叶根4另一个横壁8处。腔29的四周边界为避免应力峰值出现均设计有倒圆。

图4表示过渡区38沿图1或图2中的剖切线IV-IV的截面。槽7在此区域内只有五个腔29和四个横撑28，这是因为此截面是在离燃气入流侧最近的横撑上方剖切的。因此，在燃气入流侧17的区域内可看到一个增大的腔室29。在燃气入流侧17的区域内，壁8的壁厚14比处于相对位置的燃气流出侧18区域内的大。通过槽7的这种恰当的略有不对称的设计，可以在最佳地减轻重量的情况下有足够强度地承受个别增大的应力或作用力。

图5表示叶根4最狭窄区沿图1或图2中的剖切线V-V的截面。槽7的腔29仍同样有一个从横壁8起逐渐增大的械截面深度33，不过在这里的横截面变化不如图3中那么大。但其最大深度值仍出现在中央横撑28的区域内。

Claims (11)

1.一种涡轮工作叶片，它具有一内部不冷却的叶型(1)，该叶型从一叶片平台(2)出发延伸，该平台与一插入涡轮机叶轮盘(3)内的叶根(4)相连，该叶根的径向截面具有一个朝叶片平台(2)方向宽度(6′)渐增的区域(5)，其特征在于：所述叶根(4)具有一个背向平台开口的挖空槽(7)，该槽在平台侧呈盲孔状地结束，并且在叶根(4)的宽度(6′)渐增区(5)内按照所述叶根径向截面的大小被相应扩宽。

2.按照权利要求1所述的涡轮工作叶片，其特征在于：所述槽(7)终止在叶根(4)与平台(2)上侧(21)下方之间的过渡区(38)内。

3.按照权利要求1或2所述的涡轮工作叶片，其特征在于：所述槽(7)以基本上倒圆的壁(8、12)为界，并且在平台上侧(21)下方以曲拱形结束。

4.按照权利要求1至3中任一项所述的涡轮工作叶片，其特征在于：所述槽(7)的纵壁(12)几乎沿叶根(4)的全长(32)延伸，而其横壁(8)几乎沿叶根(4)的全宽(6)延伸，其中，槽(7)的壁(8、12)保证在离心力作用下有足够的稳定性。

5.按照权利要求1至4之一所述的涡轮工作叶片，其特征在于：所述槽(7)的高度在中央区(15)内达到最大(16)且朝横壁(8)和纵壁(12)方向逐步降低。

6.按照权利要求1至5之一所述的涡轮工作叶片，其特征在于：所述槽(7)的纵壁(12)沿接近平台侧的端部(19)的方向在保持槽(7)横壁(8)处最小壁厚(14)的情况下区域性地被连续扩宽。

7.按照权利要求1至6之一所述的涡轮工作叶片，其特征在于：在燃气入流侧(17)附近的最小壁厚(14)大于燃气流出侧(18)处的最小壁厚。

8.按照权利要求1至7之一所述的涡轮工作叶片，其特征在于：所述叶根(4)通过在其纵壁(12)之间形成的一些横撑(28)得到增强。

9.按照权利要求1至8之一所述的涡轮工作叶片，其特征在于：所述横撑(28)在平台侧离槽(7)的壁(12)有间距(40)和/或离叶根(4)背对平台的端部(31)有间距(41)。

10.按照权利要求1至9之一所述的涡轮工作叶片，其特征在于：所述横撑(28)的位置和形状与通过作用在叶型(1)上的离心力形成的力作用线走向相适应。

11.按照权利要求1至10之一所述的涡轮工作叶片，其特征在于：所述槽(7)的横撑(28)在中央区(15)内具有最大高度(20)，并且其高度(20)随槽(7)高度下降的趋势相应降低。

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