CN1535350A - 涡轮机叶片以及制造这种叶片的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及涡轮机(41)的一种具有一个由钛合金制成的基体(2)的叶片(1)，该叶片由一个第一壳形部件(11)和一个第二壳形部件(13)构成，所述部件通过一个连接工序在一个连接区域(31)内相互连接。为了减小局部应力集中，在所述连接区域(31)中这样设置一个沿叶片纵向延伸的带有槽壁(27)的槽(23)，使得该槽壁与所述第二部件(13)直接邻接并且在连接处与该第二部件(13)构成一个大于70°的连接角(α)。

Description

涡轮机叶片以及制造这种叶片的方法
本发明涉及一种具有一个由钛合金制成的基体的涡轮机叶片。本发明还涉及一种制造这种叶片的方法。
从US 5,063,662已知一种由钛合金制成的压缩机工作叶片。以钛为基质的叶片与由钢制成的叶片相比具有明显的节约重量的优点。但是钛合金几乎不可以铸造。锻造的叶片不可能设计成空心的，这又抵消了节约重量的优点。制造一种这样的叶片的一个可能性是联接(bond)两个两半的部件。在此，是将所述两个两半的部件在高温及高压的条件下相互连接。接下来扭转所述叶片。为了保持形状在高压下向所述空心的叶片内导入一种气体。在一个钛叶片的叶根部中安装一个导气管是US 5,448,829所公开的内容。
本发明所要解决的技术问题是，提供一种涡轮机叶片，在该叶片中的一个连接区域的强度被改善。另外，也提供了一种特别适合的制造这样一种叶片的方法。
上述有关叶片的技术问题按照本发明通过权利要求1所述特征得以解决。为此所述叶片具有一个由钛合金制成的具有一个第一壳形部件和一个第二壳形部件的叶身，其中，各部件分别被通过高压和高温连接方法构成一个连接区域地相互连接的接触面限定，使得在所述部件之间形成一个由这些部件的内侧面包围成的空腔，其中，在所述第一壳形部件的第一内侧面与所述第一接触面之间的连接区域中沿叶片纵向设置一个槽，其槽壁与所述接触面一起构成一个大于70°的连接角。
本发明是以下述认识为基础，即，通过连接工序在一个叶片中进行的连接可能会导致在尖角处出现强度问题。而恰恰在将两个在流入棱边和流出棱边相互连接的两半的部件连接成一个叶片时会形成这样的尖角。由此导致局部非常高的可能引起连接处裂开的应力集中。
通过在连接区域中设置的槽通常由所述第一部件和第二部件上下相互对接成的尖角变成为大于70°的角。由此大大地降低了在连接区域中的局部应力集中，致使所述第一部件和第二部件之间的连接处不再存在裂开的危险。
在另一个有利的扩展结构中，在所述第二部件的第二内侧面与所述第二接触面之间的连接区域上这样设置一个沿叶片纵向延伸的、与所述槽相对置的具有一个相对槽壁的相对槽，使得所述相对槽壁与所述槽壁在连接区域处平齐地相互邻接并且构成一个连接角。在这个扩展结构中所述连接角还可以以简单的方式增大到90°以上。
所述连接角可以大于120°，尤其是大于150°。一个大约180°的连接角是特别有利的，因为此时所述槽壁和相对槽壁直接在所述槽棱边处垂直于所述第一部件和第二部件的表面地定向设置。
在特别有利的扩展结构中，按照本发明叶片上的所述槽一侧与所述第一部件的第一接触面邻接，而另一侧与该第一部件的第一内侧面邻接，并且其中只有所述第一接触面与所述第二部件连接。在所述第一内侧面与第二部件之间不存在连接。也就是说第一内侧面不与第二部件熔接(gebondet)。如果不是那样，也就是说所述第一内侧面还与第二部件相连接，则会抵消由本发明所带来的减小在所述连接区域中的材料内应力集中的效果。因此，在那里出现的连接会有不利影响并且该连接可能不能承受住所产生的负荷。
所述钛合金优选是钛铝合金(Titanaluminid)。该钛铝合金在耐高温性能方面具有特别有利的特性。但是用钛铝合金制造叶片时也存在必须要连接的工序。由于借助于所述槽改善了在连接区域中的连接强度，因此钛铝合金还可适用于要求高强度的用途中。
在有利的扩展结构中，所述槽沿整个连接区域延伸。当然也可以考虑局部地设置所述槽、在例如尤其是存在机械应力的区段内。也可以设置多个槽。然而在制造技术上最简单的是，设置唯一一个沿整个连接区域延伸的槽。
相宜地，所述槽具有一个沿槽的方向变化的槽深。在此，所述第一部件和第二部件在连接区域中构成一个共同的沿所述连接区域变化的壁厚，其中所述槽深随着所述壁厚的增大而变深。在这个扩展结构中，所述槽的尺寸与所述壁厚相适配。当所述壁厚越大时，由于在连接区域内的局部应力分布就必须将所述槽设计得越深，以便于引起在所述连接区域内作用的力按大于70°的角形成足够的偏移。所述槽深此时随着所述壁厚连续地变化。
若所述槽具有一个椭圆形或半圆形的横截面，则该槽可相宜地与一个同样是半圆形的相对槽一起构成一个环槽。该环槽的直径对应于在所述连接区域内的壁厚变化。壁厚越大时，该环槽的直径也越大。
所述第一部件或第二部件构成吸力面，而所述第二部件或第一部件构成压力面。
所述叶片设计为燃气轮机叶片，尤其是用于燃气轮机最后一级的叶片。对于一个燃气轮机叶片有特别高的耐高温性能方面的要求。特别有利的是，所述燃气轮机叶片在此具有一个大于60cm的叶片长度。这样大的叶片会产生很大的离心力。在这儿节约重量是特别有利的，因此采用一种钛合金制造所述基体。但是又由于要承受特别高的机械负荷，为了将所述部件可靠地相互连接在一起，一个传统的连接工序(Bonding-Prozess)是不能充分满足要求的。而利用在所述连接区域内延伸的槽就可以达到建立足够可靠连接的目的。
上述有关方法的技术问题按照本发明通过权利要求13的特征得以解决。在此，一个叶身的一个第一壳形部件和一个第二壳形部件由钛合金制成，其中，所述部件分别由一些接触面限定，所述接触面通过高压高温连接构成一个连接区域地相互连接，使得在所述部件之间形成一个由部件的内侧面包围成的空腔，在此，在连接前，在至少一个部件中在所述壳形部件的内侧面与所述接触面之间的连接区域中设置一个沿叶片纵向延伸的槽，其槽壁与所述接触面构成一个大于70°的连接角。
下面借助于附图详细阐述本发明的一些实施方式。附图中以局部示意图的方式并且未按比例地表示出：
图1是一个燃气轮机动叶片的侧视图，
图2是按照图1的燃气轮机动叶片的另一个侧视图，
图3-9是沿图2中的直线III-III、IV-IV、V-V、VI-VI、VII-VII、VIII-VIII或IX-IX的剖面图，
图10是按照图1的燃气轮机动叶片的局部放大剖示图，
图11示出一个燃气轮机，以及
图12是按照图10那样的示图方式示出一个现有技术的叶片。
在所有附图中相互一致的构件以相同的附图标记标注。
图1表示一个燃气轮机叶片1的侧视图，该燃气轮机叶片由一个由钛铝合金制成的基体2构成。按照用途也可以在所述基体2上涂敷一层保护层、尤其是防腐层。燃气轮机叶片1具有一个成形为枞树状的叶根部3，并且该叶根部3以未详细示出的方式嵌入到一个叶轮的相应槽中。紧接着该叶根部的是一个具有一个吸力面7和一个压力面9的叶身5。
燃气轮机叶片1由一个第一部件11和一个第二部件13构成。第一部件11构成所述吸力面7。第二部件13构成所述压力面9。所述两个通常呈板形形状的壳形部件11、13通过一个高压高温连接工序相互连接。
图2表示所述燃气轮机叶片1的另一个视图。所述部件11、13在一个连接区域31(也可参见图10)中通过连接工序(Bondingprozess)相互连接。一个环形槽21在该连接区域31中延伸，通过该环形槽21防止所述连接处裂开。
图3至9表示沿图2中各截取线截得的横截面。可以看出，所述燃气轮机叶片1的壁厚向着所述叶根部逐渐增厚。所述环槽21的直径也以相应的方式逐渐增大。所述部件11、13包围成一个可以通过一种冷却流体内部冷却的空腔10。另外，所述燃气轮机叶片1由于所述空心结构和采用钛合金制造基体2，因此相对更轻。相应地，所述燃气轮机叶片1也可以设计得更大。例如叶片长度达到940cm。
如从图3至9中所看到的那样，所述部件11和13对接成一个锐角。当应用在一个燃气轮机中受到极高载荷时通过一个连接工序形成的传统连接可能会裂开，这是由极高的局部应力集中引起的。通过所述环槽21避免了出现上述情况，如下面将要详细阐述的那样，环槽21增大了所述尖锐的连接角。
图12表示在一个按照现有技术的叶片的入流棱边上的连接区域31。所述部件11和13以其在连接区域31中的内侧面构成一个小于70°的连接角α。因此在所述连接区域31的内侧引起极高的局部应力集中，这可能再次导致所述连接处裂开。
图10表示通过所述环槽21是怎样改善所述部件11和13之间的连接的。所述环槽21由一个在第一部件11中的槽23和一个在第二部件13中的与所述槽23相对的槽25构成。所述槽23在第一接触面14与第一内侧面12之间延伸，相对槽25在第二接触面16与第二内侧面15之间延伸。所述槽23也与相对槽25一样设计为半圆形，使得所述环槽21具有一个圆形或环形的横截面。所述槽23具有槽壁27。相对槽25具有相对槽壁29。槽壁27与相对槽壁29平齐地连接。通过所述槽壁27和相对槽壁29将第一部件11与第二部件13之间的连接角α增大到约180°。由此大大减小了局部应力集中和连接裂开的危险。可以清楚地看出，所述第一内侧面12与第二内侧面15没有相互连接、亦即相互焊接(gebondet)。如果在那里还存在连接的话，可能会消除本发明所带来的减小连接区域处应力集中的效果。所述槽23具有一个槽深T。所述燃气轮机叶片1沿垂直于连接区域31中心线的方向测得的壁厚D由所述第一部件和第二部件11、13的壁厚构成。所述槽深T与所述壁厚D同等程度地沿所述连接区域31增大。
图11表示具有一个压缩机43、一个燃烧室45以及一个透平机部分47的燃气轮机41。空气15被压缩机43高度压缩并且被导送到燃烧室45中。在燃烧室中空气与燃料混合燃烧成热燃气53，而后热燃气又流入到所述透平机部分47中。在那里热燃气流过叶片圈49并因此驱动所述燃气轮机1。因为所述透平机部分47的热燃气流动通道成锥形地扩展，所以在透平机部分47的最后一级的叶片圈49中要安装大的工作叶片1。这些工作叶片1承受非常大的离心力，通过采用钛合金减小重量在此是特别有利的。

Claims (13)

1.一种具有一个由钛合金制成的叶身(5)的涡轮机叶片(1)，该叶身由一个第一壳形部件(11)和一个第二壳形部件(13)构成，其中，所述两个壳形部件(11、13)分别由接触面(14、16)限定，所述接触面通过高压高温连接构成一个连接区域(31)地相互连接，使得在所述部件(11、13)之间形成一个由部件(11、13)的内侧面(12、15)包围成的空腔(10)，其特征在于，在所述第一壳形部件(11)的第一内侧面(12)与所述第一接触面(14)之间的连接区域(31)中设置一个沿叶片纵向延伸的槽(23)，其槽壁(27)与所述接触面(14、16)构成一个大于70°的连接角(α)。
2.按照权利要求1所述的叶片(1)，其特征在于，在所述第二部件(13)的第二内侧面(15)与所述第二接触面(16)之间的连接区域(31)上这样设置一个沿叶片纵向延伸的、与所述槽(23)相对置的具有一个相对槽壁(29)的相对槽(25)，使得所述相对槽壁(29)与所述槽壁(27)在连接区域(31)处平齐地相互邻接并且构成一个大于120°的连接角(α)。
3.按照权利要求2所述的叶片(1)，其特征在于，所述连接角(α)大于150°。
4.按照权利要求1至3之一所述的叶片(1)，其特征在于，所述槽(23)一侧与所述第一壳形部件(11)的第一接触面(14)邻接，而另一侧与该第一壳形部件(11)的第一内侧面(12)邻接，并且其中只有第一接触面(14)与所述第二部件(13)连接。
5.按照权利要求1至4之一所述的叶片(1)，其特征在于，所述钛合金是钛铝合金。
6.按照权利要求1至5之一所述的叶片(1)，其特征在于，所述槽(23)沿整个连接区域(31)延伸。
7.按照权利要求1至6之一所述的叶片(1)，其特征在于，所述槽(23)具有一个沿槽的方向变化的槽深(T)。
8.按照权利要求1至7之一所述的叶片(1)，其特征在于，所述第一部件(11)和第二部件(13)在所述连接区域(31)中构成一个共同的沿所述连接区域(31)变化的壁厚(D)，其中所述槽深(T)随着壁厚(D)的增大而变深。
9.按照权利要求1至8之一所述的叶片(1)，其特征在于，所述槽(23)具有一个椭圆形或半圆形的横截面。
10.按照权利要求1至9之一所述的叶片(1)，其特征在于，所述第一部件(11)或第二部件(13)构成吸力面以及所述第二部件(13)或第一部件(11)构成压力面。
11.按照权利要求1至10之一所述的叶片(1)，其特征在于，所述叶片设计为燃气轮机工作叶片，尤其是用于燃气轮机最后一级的工作叶片。
12.按照权利要求1至11之一所述的叶片(1)，其特征在于，所述叶片长度(L)大于60cm。
13.一种用于制造一种具有一个由钛合金制成的叶身(5)的涡轮机叶片(1)的方法，所述叶片由一个第一壳形部件(11)和一个第二壳形部件(13)构成，其中，所述部件(11、13)分别由接触面(14、16)限定，所述接触面通过高压高温连接构成一个连接区域(31)地相互连接，使得在所述部件(11、13)之间形成一个由部件(11、13)的内侧面(12、15)包围成的空腔(10)，其特征在于，在连接前，在至少一个部件(11、13)中在所述壳形部件(11、13)的内侧面(12、15)与所述接触面(14、16)之间的连接区域(31)中设置一个沿叶片纵向延伸的槽(23)，其槽壁(27)与所述接触面(14)一起构成一个大于70°的连接角(α)。
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