CN1854465B - 用于降低应力的透平转子叶轮和叶片之间燕尾榫指连接 - Google Patents

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Abstract

叶片到叶轮的燕尾榫连接物包括轴向间隔分布、径向延伸的叶轮指，该叶轮指具有轴向厚度在径向向外的方向上缩小的不连续部分(22，24，26)，在不同厚度部分之间具有过渡圆角(28，30)。叶轮指限定出用以容纳相应形状的叶片燕尾榫指(44)的叶轮指槽(20)。销(49)将叶片(12)和转子叶轮(10)互相连接。槽底部同样具有圆角(34)，该圆角为由平面分隔开的复合圆角。叶轮指和槽底部的圆角具有不同半径(68，70)的混合部分，较大半径(70)在较小半径外侧，以减小应力集中，并避免蒸汽透平应用中的应力腐蚀裂纹。

Description

用于降低应力的透平转子叶轮和叶片之间燕尾榫指连接
技术领域
为使叶轮指(wheel fingers)中由叶片的离心力引起的集中应力最小化，本发明涉及一种转子叶轮燕尾榫和叶片上的燕尾榫之间的连接，特别涉及一种在不同径向厚度部分之间的叶轮指过渡处和在叶轮指槽底位置处的复合圆角，以对于给定的半径减低应力。
背景技术
在透平中，特别是蒸汽透平中，通常采用径向进口叶片燕尾榫指和围绕转子叶轮边缘的径向指实现多个叶片和转子叶轮之间的连接。例如，叶片上的指状燕尾榫包括多个轴向间隔分布的指，这些指具有沿径向向内方向厚度缩小的部分以容纳在轴向相邻径向向外突出的指之间的槽中，所述径向向外突出的指围绕转子叶轮的边缘具有沿径向向外的方向厚度缩小的部分。轴向延伸的销将叶轮和叶片的指彼此固定。通常在叶轮指上不同厚度部分之间的过渡处设置单一半径圆角。在叶轮上的指槽底处采用相同的圆角。
在许多蒸汽透平应用中，指状燕尾榫在导致应力腐蚀裂纹(SCC)的环境中运行。在叶轮过渡圆角和槽底中出现的应力程度加剧了SCC。通常这些应力是可接受的。但是在具有污染蒸汽的蒸汽透平中，裂纹会产生，而且如果不被发现的话，会发展到引起叶轮指损坏的深度。经验表明，叶轮燕尾榫指会裂开，而叶片燕尾榫通常不会裂开。这是因为用于转子的材料比用于叶片的材料抗SCC性要低得多。例如，NiCrMoV和类似的低合金钢通常用于转子中，而12Cr钢如那些经总体低压设计获得最佳组合性能的材料一样通常用于叶片中。在叶轮过渡圆角和槽底部处通常采用同一半径，且在该区域内已经经历了SCC裂纹。因此，需要提供一种有效的防止在叶轮燕尾榫中出现SCC的装置，该装置需与蒸汽通道兼容，不影响叶片燕尾榫形状，并减小应力集中。
发明内容
在本发明的一个优选实施例中，提供了一种透平转子叶轮，包括：多个彼此轴向间隔分布且围绕叶轮边缘周向延伸的指以用于接收叶片的叶轮指；所述叶轮指包括多个轴向宽度沿径向向外的方向缩小的周向延伸部分；每个叶轮指在径向相邻部分之间的过渡处具有圆角；每个圆角由第一和第二半径组成，且第一半径大于第二半径，其中轴向相邻的叶轮指具有沿叶轮边缘径向最内位置，限定出在相邻叶轮指之间基本上为燕尾榫形状的槽的底部，槽底具有一对圆角，每个槽底圆角由第一和第二半径组成，每个槽底圆角的第一半径大于其第二半径；槽底包括在每个槽底圆角的第二半径之间轴向和周向延伸的平面。
在本发明的另一个实施例中，提供了一种透平转子叶轮，包括：多个彼此轴向间隔分布且围绕叶轮边缘周向延伸的叶轮指以用于接收叶片指；所述叶轮指包括一系列轴向宽度沿径向向外的方向缩小的周向延伸部分；沿叶轮边缘在径向最内位置处的轴向相邻叶轮在相邻叶轮指之间限定出基本上为燕尾形的槽底；槽底具有一对圆角，每个底槽圆角由第一和第二半径组成，每个底槽圆角的第一半径大于其第二半径；其中槽底包括在每个槽底圆角的第二半径之间轴向和周向延伸的平面。
在本发明的另一实施例中，提供了一种透平的转子叶轮和叶片的连接，包括：多个由转子叶轮承载、彼此轴向间隔分布且围绕叶轮边缘周向延伸的叶轮指，叶轮指之间限定出具有底的叶轮指槽；多个叶片各具有多个径向延伸进所述叶轮指槽中的叶片指；基本上轴向延伸通过所述叶轮和叶片指以将叶片和叶轮彼此固定的销；叶轮指包括多个轴向厚度沿径向向外的方向缩小的周向延伸部分；每个叶轮指在径向相邻部分的过渡处和在叶轮指槽底处具有圆角，每个叶轮指的圆角中的至少一个由第一和第二半径组成，且第一半径大于第二半径；其中在叶轮指槽的底部处的圆角为由平面分隔开的复合圆角。
附图说明
图1是叶片部分和其连接到透平转子叶轮边缘上的连接物的局部透视图；
图2是叶轮指状燕尾榫的放大局部切向图；和
图3和4分别是不同厚度叶轮指部的过渡处和槽底部处的圆角放大局部图。
具体实施方式
现在参见附图，特别参见图1，示出了转子叶轮10的边缘局部，该局部示出了多个叶片(仅示出了一个叶片12)连接到转子叶轮上的连接。转子叶轮10包括多个径向向外延伸的指14，两个末端指16沿叶轮10的轴向相对两侧定位。指14和16形成叶轮燕尾榫。四个中间叶轮指在两末端叶轮指16之间延伸。叶轮指16和18围绕叶轮边缘沿周向连续延伸，并径向向外突出，在指之间限定出叶轮指槽20。如图2中最佳所示，每个叶轮指18包括一系列轴向宽度在径向向外的方向上缩小的周向延伸部分或台阶。例如，图2中所示的叶轮指18包括厚度减小部分22，24和26，所述厚度减小形成径向向外的台阶。圆角28在每个叶轮指的相对两侧上形成最厚部分22和中间部分24之间的过渡。圆角30也在每个叶轮指的相对两侧上形成中间厚度部分24和最终径向向外最薄部分26之间的过渡。再参见图1，应当理解，末端叶轮指16同样在不同轴向厚度部分之间的过渡处具有沿其轴向内表面的圆角28和30。
依然最佳地如图2所示，相邻叶轮指18之间以及末端叶轮指16与轴向最外中间叶轮指18之间的槽20终止于底槽32中其径向内端处。底槽32与相邻叶轮指的侧壁表面限定出圆角34。
每个叶片12包括一具有根部或底部42的翼面40，多个燕尾榫指44从该根部或底部42上径向向内突出。指44基本上在形状上与相邻中间叶轮指18之间的指槽互补。每个叶片12的底部42在一侧上具有一凹槽(未示出)，沿其相反侧具有一切向突起46。中间指44与凹槽和突起44的表面齐平。
叶片12在叶片的相邻轴向相对两侧还包括末端指48。末端指48因此切向偏离中间叶片指44。末端指48具有多个(优选为三个)半圆柱形开孔50。叶片12的每个中间指44具有与半圆形孔50同轴的整圆孔。此外，叶轮指16和18具有与半圆末端叶片指48和中间叶片指44的圆孔对齐的圆孔。因此，当叶片径向插在转子叶轮10上时，叶片指与叶轮指互相交叉，且各孔彼此轴向对齐。销49因此可以容纳在对齐的孔中并固定，以保持叶片和转子叶轮之间的连接。应当理解，相邻叶片具有带有半圆形开孔的末端指48，因此相邻叶片在该区域内彼此共用销。
如前所述，传统透平的叶轮指状燕尾榫在不同厚度的指部之间的各个过渡处以及指槽底32处具有同一半径。在本发明的优选实施例中，在各个叶轮指过渡区域提供了复合圆角，以减小应力。应当理解，翼面和叶片燕尾榫通过将叶片和叶轮彼此固定的销承受离心载荷。这些力导致叶轮燕尾榫中的应力和叶轮指圆角和槽底区域处的峰值应力。在本发明优选的一方面，采用了复合圆角61，即具有较大的第一半径60和较小的第二半径62的圆角。例如，如图3中所示，其示出了叶轮指部22，24和24，26之间的过渡圆角28，较大半径60弯入相邻指的侧表面中，并弯入较小半径62。作为一个代表性例子，较大半径可以是.225英寸，而小半经则可以是.080英寸。离大半径中心64的距离d是.130英寸。因此，大半径60位于小半经62的径向外侧。从应力集中的角度出发，半径越大越抗应力。
此外，参见图4，形成在每个槽底32处的圆角同样地具有一复合圆角。例如，圆角34包括一大半径68和一小半经70。每个大半径部分68过渡到叶轮指18或16的底部的侧壁中，而每个小半经70从较大半径68过渡进入槽底32的底部处的小平面72上。大半径68例如可以是.225英寸，小半径70是.080英寸。大半径的中心在径向方向离槽底的距离可以是.146英寸。平面可以轴向延伸约0.16英寸的距离。
借助于上述形状，叶片到叶轮指状燕尾榫构造在叶轮指过渡位置和底槽处具有足够低的峰值应力，以避免叶轮指的应力腐蚀裂纹。而且明显出于加工和操作的角度，过渡区和底槽位置处的复合圆角与存在的蒸汽通道是兼容的，不影响叶片燕尾榫形状，因此使得叶轮指中的应力减少而无需改变叶片的结构。
尽管本发明结合一些最实际的和优选的实施例进行了描述，但是应当理解，本发明并不局限于所述实施例，而是相反，旨在覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种改变和等效装置。
部件列表
转子叶轮10
叶片12
径向向外延伸指14
叶轮指16，18
叶轮指槽20
缩小厚度部分22，24，26
圆角28
圆角30
底槽32
圆角34
翼面40
根部或底部42
燕尾榫形指44
切向突起46
端指48
销49
半圆柱形开孔50
第一大半径60
复合圆角61
第二较小半径62
大半径中心64
大半径68
小半径70
小平面72

Claims (7)

1.一种透平转子叶轮(10)，包括：
多个叶轮指(14)，彼此轴向间隔分布且围绕叶轮边缘周向延伸以用于接收叶片指；
所述叶轮指包括多个轴向宽度沿径向向外的方向缩小的周向延伸部分(22，24，26)；
每个所述叶轮指在径向相邻部分之间的过渡处具有圆角(28，30)；
每个圆角由第一和第二半径(60，62)组成，且第一半径(60)大于第二半径(62)；
其中轴向相邻的叶轮指(14)具有沿叶轮边缘径向最内位置，限定出在相邻叶轮指之间基本上为燕尾榫形状的槽的底部(32)，所述槽底具有一对圆角(34)，每个槽底圆角由第一和第二半径(68，70)组成，每个槽底圆角的第一半径(68)大于其第二半径(70)；
所述槽底包括在每个槽底圆角的第二半径(70)之间轴向和周向延伸的平面(72)。
2.根据权利要求1的叶轮，其中在每个圆角位置处所述较大的第一半径(60)沿所述叶轮指位于所述第二半径(62)的径向外侧。
3.根据权利要求1的转子叶轮，其中每个槽底圆角的第一半径(68)沿所述叶轮指位于所述第二半径(70)的径向外侧。
4.一种透平转子叶轮(10)，包括：
多个叶轮指(14)，彼此轴向间隔分布且围绕叶轮边缘周向延伸以用于接收叶片指；
所述叶轮指包括多个轴向宽度沿径向向外的方向缩小的周向延伸部分(22，24，26)；
沿叶轮边缘在径向最内位置处的轴向相邻叶轮指限定出在相邻叶轮指之间基本上为燕尾榫形状的槽(20)的底部(32)；
所述槽的底部具有一对圆角，每个槽底圆角由第一和第二半径(68，70)组成，每个槽底圆角的第一半径(68)大于其第二半径(70)；
其中所述槽底包括在每个槽底圆角的第二半径(70)之间轴向和周向延伸的平面(72)。
5.根据权利要求4的转子叶轮，其中每个槽底圆角(32)的第一半径(68)沿所述叶轮指位于其第二半径(70)的径向外侧。
6.一种透平的转子叶轮(10)和叶片的连接装置，包括：
多个由所述转子叶轮承载的叶轮指(14)，彼此轴向间隔分布且围绕叶轮边缘周向延伸，所述叶轮指之间限定出具有底部(32)的叶轮指槽(20)；
多个叶片(12)，每个叶片具有多个径向延伸进所述叶轮指槽中的叶片指(44)；
基本上轴向延伸通过所述叶轮和叶片指(14，44)的销(49)，将所述叶片和叶轮彼此固定；
所述叶轮指包括多个轴向厚度沿径向向外的方向缩小的周向延伸部分(22，24，26)；
每个所述叶轮指在径向相邻部分之间的过渡处和在叶轮指槽的底部(32)处具有圆角(28，30，34)，每个叶轮指的所述圆角中的至少一个由第一和第二半径(60，62)组成，第一半径(60)大于第二半径；
其中在叶轮指槽的底部(32)处的圆角为由平面分隔开的复合圆角。
7.根据权利要求6的连接装置，其中在径向相邻部分之间的过渡处的每个圆角具有所述第一和第二半径(60，62)。
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