TWI280321B - System for connecting and locking rotor blades of an axial compressor - Google Patents

Description

1280321 ⑴ 玟、發明就明 (發明說明應欽日月：發明所屬之技術領域、先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說明) 本發明係有關於一種連接及鎖緊軸向壓縮機的轉子葉片 之系統。 更明確地，本發明係有關於一種連接及鎖緊複數個轉子 葉片的系統’其中該等轉子葉片係沿圓周方向固定於、且 以一陣列定位於一燃氣輪機之一轴向壓縮機轉子圓盤上。 燃氣輪機」一詞係指可將一氣體之焓轉換成有用的功 之一整個旋轉式熱引擎，其可利用自一燃燒程序直接取得 之氣體且在旋轉軸上供應機械功率。 因此該輪機通常包括一個或更多壓縮機或輪機壓縮機， 其可壓縮自外側吸入之空氣。 由各種喷射器供給之燃料與空氣混合後，將形成一燃燒一 空氣混合物來點火。 該抽向愿縮機係由適當地稱為一輪機、或輪機擴張機驅 動’且其中該輪機或輪機擴張機係藉由轉換在燃燒室中燃 燒之氣艘的给，而得供應一使用者機械能。 該輪機擴張機、輪機壓縮機、燃燒室（或加熱器）、提供 機械能之輪出轴、控制系統、及起動系統將形成一燃氣輪 機之主要組件β 關於 燃礼輪機之動作，已知流體係經由一级進氣導管 而進入該壓縮機中。 在該等通遒中，氣體之特徵為低壓力且低溫度，但當該 氣體流通過該壓縮機時將受壓縮且其溫度將上升。 接著該氣體將進入燃燒（或加熱）室中，且該氣體將將在 -6- U80321

此處承受更進一步之大幅溫升。 · 提局氣體度所需之熱’係由燃燒藉嘴射器引入該 加熱室中之液體燃料而供應。 當起動該機器時係由火星塞來起始該燃燒。 在燃燒室出口之高壓且高溫氣艘將流通過適當之導 管、到達輪機而在此捨棄某些於壓縮機及加熱（燃燒） 室中累積能量、且接著經由排氣導管而流至外側。 由於藉氣體傳輸至輪機之功係大於氣體在該壓縮機 中所吸收之功，因此某一特定量之能量將仍留存於該 春 機器之旋轉轴中，且該功在扣除附屬及運動式機械部 件之被動阻抗所吸收的功之後，將構成該機器之有用 的功。 當考慮壓縮機時，最大壓縮壓力係受限於其所使用 - 材料之強度。 . 請了解到，在壓縮機運轉時之壓力、溫度、及旋轉 構件速度的條件下，各種組件、且尤其係葉片將受到 特別地應力且因此將快速退化。 _ 為了實施維修及更換’並未將轉子圓盤之葉片製成 單一件，而係藉由將該等葉片之基礎部凸起件插入形 成於該轉子圓盤外緣上之適當基座中而得固定。 連接該等轉子葉片時，固定部將在該機器運轉期間 承受高的垂直之彎曲、及可能地扭轉應力。 因此請理解到，該葉片之連接程序係任何轉子設計 的一關鍵構想。 7 1280321

在轴向輪機中，最普遍之葉片固定型式係利用形成 於該轉子圓盤中之複數個基座，且該等基座係具有一 附溝槽之輪廓’而該等葉片之一終端部、或根部將靖 合於該等基座中。 該等基座可製成大體上平行於該轉子圓盤旋轉轴延 伸的周圍溝槽形式，使得可沿著一大體上轴向方向插 入該等葉片。 可使用已知為圓周固定者來提供一不同形式之葉片 固定，其中一圓周溝槽係形成於該轉子圓盤之圓周外 圍上，以沿著徑向方向插入該等葉片。 在設計轴向壓縮機轉子葉片之領域中的一特別嚴重 問題在於，為了提供一種可將維修及更換動作之停工 期減至最低之連接時所遭遇的困難。 是以，本發明之一目的係藉由提供一種具有減少數 量之組件的葉片連接及鎖緊系統，以允許加速組立、 拆解、及更換沿著圓周方向固定至轉子的複數個葉 片’如此可使移除該等鎖緊裝置及更換該等葉片時無 需拆解轉子而得以簡化。 先前技藝中將葉片連接至轉子圓盤時所遭遇的問題 係組立公差裕度：這係因為該等葉片總成中之過度間 隙可能造成危險的振動，而倘若缺乏這種間隙則可能 因出現熱膨脹而發生收縮，造成額外之應力。 是以，本發明之一第二目的係提供一種可確保正確 組立公差裕度的葉片連接及鎖緊系統。 1280321

本發明之另一目的係提供一種可在機器運轉期間提 供高可靠度地連接及鎖緊軸向壓縮機的轉子葉片之系 統。 藉由提供一種如申請專利範圍第1項之連接及鎖緊 軸向壓縮機的轉子葉片之系統，將可達成本發明之這 些及其他目的。 . 後續之申請專利祀圍中將提出本發明之更進一步特 徵及優點。 一種連接及鎖緊複數個葉片之系統，其中該等葉片 鲁 係依據本發明而沿圓周方向固定至一轴向壓縮機之一 轉子圓盤，該系統包括使用一定位及鎖緊該等葉片之 裝置，將每一該等葉片之一成型根部引入沿著該轉子 圓盤圓周形成之一圓周基座中，而得將該等葉片以沿 . 著該轉子圓盤圓周定位成一陣列之方式固定，該基座 能夠藉可滑動式包覆著該等葉片之根部以及該定位及 鎖緊裝置而呈一徑向配置。與該圓周基座交叉之至少 一插槽係用於允許插入該等葉片之根部以及該定位及 # 鎖緊裝置。 請參考圖式’ 一多級轴向壓縮機包括一轉子圓盤i， 其具有複數級2，且每一該等級皆沿其圓周包括一陣列 環繞圓周固定之葉片10。 由於每一陣列之葉片1 之空氣動力及結構的行為必 須相同’因此其本質上皆相同。 葉片10之架構本質上包括三個主要部件：一四角形 9 1280321

平台11，其較佳地呈梯形；具有一空氣動力學輪廓之 一部份12，設計成用於壓縮空氣且自平台π之上方面 起延伸；及一根部13，作為在轉子圓盤1中之固定部且 自平台11之下方面起延伸。 根部13係使葉片10連接至轉子圓盤1的一部份，可防 止該葉片因離心力而飛出。 調整根部1 3之外型，使其形成為位於沿轉子圓缝j 圓周形成之一相對應外型圓周基座3中的一局部固定 部。 應特別指出，儘管在此係討論承載著葉片1〇之一轉 子圓盤1，但在某些壓縮機中，複數個葉片級係直接迷 接至轉子轴，且該轉子轴係專為此目的設計，而提供 與待配合之葉片級數量相同的圓周基座數量。 由於圓周基座3中之根部13固定部允許葉片1〇沿著 轉子圓盤1之圓周滑動且可防止其沿轴向方向運動，因 此該根部固定部可視為一局部固定部。 為了在該葉片與圓盤之間形成該局部固定部，葉片 1〇之根部13與圓周基座3將具有互相匹配之輪廓，且該 等輪廓可為不同形式，以符合不同的設計及結構需求。 "相關於在圓周基座3中滑動之方向的前側觀看 部13時，將可發現到呈現一具有圓形緣角之鳩尾 式〇 在其上方部中，根部13位於平台Η附近之一部份中 、有對凹部1 3 ’，該等凹部可與沿著圆周基座3壁形 1280321

成之相對應配對件3,嚙合。 根部13亦在其基礎部處具有一對凸起件13，，，且該 等凸起件13’’係扣持於形成在圓周基座3基礎部附近 之該圓周基座壁中的相對應彎頭3，，内。 較佳地，凹部13，、配對件3，、凸起件13，，、及彎頭3，， 係在相對應元件中成對地製作，但具有相同效用之不 同形式固定部亦可僅具有某一成型側。 根部13在沿著葉片10於圓周基座3内滑動之方向上 具有一厚度s，且相關於平台丨丨朝向中心地延伸，其中 該平台在相同方向上具有一側邊且該側邊之量側值匕 大鱧上等於厚度s兩倍。 葉片10係藉由一定位及鎖緊裝置而鎖緊於基座3 中，該裝置包括至少一阻塊座20,其亦成型為一具有 圓形緣角之鸠尾形式且具有大體上相等於根部13厚度 之一厚度s’而提供適合組立之不同公差裕度，以及具 有大體上複製根部13者的一輪廓，使其可插入圓周基 座3中並在該圓周基座内滑動。 明確地，阻塊座20在其上方部中具有複數個凹部 2〇 ’其係複製沿圓周基座3壁所形成之配對件3，的輪 廓，以及在其基礎部處具有一對凸起件2〇,，，其相同 於根部13之凸起件13，，且能夠扣持於圓周基座3壁之 彎頭3”中。 阻塊座20在沿著葉片1〇及阻塊座20於圓周基座3内 滑動之方向上亦具有一厚度s，該厚度大體上相等於根 π 1280321 部13之厚度s，而提供必要之組立公差裕度。 為了達成有效鎖緊，依據將在本說明其餘部份作闡 述之程序’可提供至少兩阻塊座2〇且將其定位成互相 分離某一特定距離。 每一阻塊座2 0皆具有垂直地貫穿其的一中心貫穿孔 21，以插入一合釘銷22。 每一阻塊座20之合釘銷22皆包括一本體23及一頭部 24’該頭部係嚙合至形成在圓周基座3基礎部中之一相 對應未穿孔5内，以將每一阻塊座2〇固定至轉子圓盤丨。 # 為了將阻塊座20固定至轉子圓盤丨，包覆著該合釘銷 本體23的中心孔2 1區域將攻螺紋，且該合釘銷本體亦 相對應地攻螺紋。 因此，當鎖入合釘銷22時，頭部24將推壓於未穿孔5 之基礎部上’而鎖緊該相對應之阻塊座且結果將鎖緊 整個葉片1 〇陣列。 為了將根部13及阻塊座2〇沿徑向插入圓周基座3 中’將提供與該圓周基座3交叉之至少一插槽4。 鲁 較佳地’設置一單一插槽4以提高系統之可靠度，但 在相關於該轉子圓盤之沿直徑方向的相對位置中設置 兩插槽4,將可在旋轉期間提供較佳平衡。 在這種情況下’將使整個連接及鎖緊系統之組件加 插槽4實際上係呈大體上四角形外型之一開口，且由 於需要提供充份的組立間隙以使根部丨3及阻塊座2 〇可 12 1280321

沿握向插入圓周基座3中，因此該開口之大小尺寸將略 大於根部13及阻塊座20之大小尺寸。 亦提供依據本發明之系統總成緊鄰著每一阻塊座20 設置的成對緊固葉片1 0，。 該等緊固葉片10,大體上相同於葉片10,但每一該等 緊固葉片皆具有通常呈半圓形、或當必須符合特殊結 構需求時呈四角形的一開口 14。 該開口 1 4係形成於平台1 1之邊緣上，且該邊緣係鄰 接著組成一對的另一緊固葉片相對應邊緣。 該等開口係設於中心位置處，以允許接近合釘銷2 2。 藉由一相對應$方式，一小型阻塊座或襯套20a係自 阻塊座20之上方面起延伸，該襯套亦形成於一中心位 置處且具有貫穿其的中心孔21。 襯套20a係設計成，插入形成於緊固葉片10’平台11 中之該半圓形或四角形開口 1 4内。 倘若為了符合結構需求而將開口 1 4製成四角形，則 亦將該襯套製成四角形。 為了更清楚地了解依據本發明之連接及鎖緊系統的 優點，應參考其在轉子圓盤1上之組立。 首先將葉片10插入通過插槽4且沿著圓周基座3在圓 周方向上滑動，之後再插入一緊固葉片1〇，，隨後再插 入一阻塊座20接著為另一緊固葉片1〇，，使得兩半圓形 開口 1 4接合而形成可接收空心圓柱形本體2 〇 a的一開 〇 〇 13 1280321 接著再插入另外兩葉片10’以及最後再藉由相同於 以上者之方式插入另兩葉片10,且使該兩葉片之間具 有第二阻塊座20。 最後，該整個陣列將在圓周基座3内滑動，直到兩個 阻塊座20、或更精確地為該兩阻塊座之中心孔21與未 穿孔5排成一列為止，使得可將合釘銷22鎖入至直到其 頭部24進入未穿孔5為止。 s元成組立時，葉片10與緊固葉片10,將沿著其垂直 於該等葉片滑動方向之平台11的邊緣而互相接觸，以 及一空間係設於包覆著阻塊座20之兩對連續葉片1〇， 的根部1 3之間。

I 為了提供實施該組立時所需之公差裕度及間隙的問 題一最佳化解決方案，將決定可使該等阻塊座定值且 固定於一空間，且該空間係使四個葉片、亦即兩葉片 10及兩緊固葉片10,置放在該等阻塊座之間。 然而，應強調該決定亦根據某一級之葉片尺寸而 疋，以及因此可藉由在該等阻塊座之間插入不同數量 之葉片10而修掷。 明破地，該決定可將靠近插槽4之該等葉片保持於其 既定位置中，且避免當該兩阻塊座之間插入較多葉片 時’因預料之外的公差裕度總和，而造成其中一該等 葉片過度對正該插槽，導致該葉片危險飛出的情形。 較優地，藉由提供每一級轉子圓盤的整個葉片陣列 一平一插槽，將可進一步地減少發生這種問題的可能 14

1280321 性。 在本文中應注意到，在依據本發明較佳具體實施例 之配置令’當完成組立時，兩連續葉片係與其覆蓋著 插槽4之平台11對稱地定位，且該等平台具有在包覆著 槽缝之該根部上方區域中重建流動導管的功用。 是以，給定根部13之厚度s、等於厚度s兩倍之平台 11寬度L、及略大於厚度s之插槽4寬度等數值，則該兩 葉片之根部將可大體上對正於插槽4中，且因此可容易 想像該葉片之一最小位移係如何將該葉片之根部帶至 過度凸入該插槽内的一位置中，而使該鎖緊不穩定、 或甚至造成該葉片在該轉子圓盤旋轉期間自該圓周基 座飛出。 最後，依據本發明之配置，可能藉由在該等葉片陣 列之圓形對稱中建立不規則’以避免該等阻塊座過度 靠近，且該等阻塊過度靠近將可擾亂該轉子圓盤之旋 轉。 以上說明甲明確地指出將複數個葉片連接及鎖緊至 一燃氣輪機之軸向壓縮機之一轉子圓盤上時的特徵， 並且該連接及鎖緊即係本發明之目的’而以上說明亦 蘭明除了上述者以外之額外優點： -增長的組件平均壽命； 一較高的機器轉速或增高的流體溫度、或著該兩因素 之一適當組合。 最後，明顯地可藉多種方式來修飾及變更以該方法 15 1280321 _ 設計出的系統’且該等修飾及變更皆包括於本發明文 範園内；此外，可藉由在技藝上等義之元件來取代所 有組件。 實際上，可依據技藝上之需求任意地變更使用的材 料、以及外型與大小尺寸。 由關於一具體實施例之僅作為範例用而無限制意圖 的以上說明及隨附圖式，可更加明白依據本發明之連 接及鎖緊轴向壓縮機的轉子葉片之系統的特徵，其中： 圖1係依據本發明之連接及鎖緊系統的透視圖； 圖2係設計成用於依據本發明之連接及鎖緊系統的 一旋轉圓盤局部平面圖； 圖3係橫貫圖2之線III-III截取的剔面； 圖4係依據本發明之系統之細部設計的局部剖面爆 炸圖；· 圖5係顯示依據本發明之連接及鎖緊系統的概略剖 面； 圖6係依據本發明之系統的一細部設計側視圖。 圖式代表 符號說明 1 轉子圓盤 2 (轉子圓盤）級 3 圓周基座 3， 配對件 3，， 彎頭 4 插槽 16 1280321 5 未穿孔 10 葉片 1(Γ (緊固）葉片 11 (四角形）平台 12 具有一空氣動力學 輪靡之一部份 13 (成型）根部 13、 20, 凹部 13”、 2 0” 凸起件 14 開口 20 竿塊座 2 0a 襯套（小型阻塊座） 空心圓柱形本體 21 中心貫穿孔（中心孔 22 合釘銷 23 本體 24 頭部 L 寬度 S 厚度 發明IW賴

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Claims (1)

1. J I靜赫專利申請案 二：申芄屮凊麥利範圍气施木((K年g月） 彳7年&月(0曰修(慝)正本 拾、申請專利範圍 1· 一種用於連接以及鎖緊一軸向屢縮器中之複數個葉片之 系統，包括： 一轉子圓盤’其具有在該轉子圓盤之圓周形成之一成 型輪廓之_目周延長基座，該基座之該成㈣廟包括在 軸向對立的凹部之徑向外部之軸向對立的凸起件，該軸 向對立的凹勒鄰該基座之—底部’該基座底部包括至 少一未穿孔； 複數個葉片，其在該轉子圓盤圓周彼此圓周地相鄰， 每；葉片具有一螺旋紫，一平台與一成型根部用於連接 至該轉子圓盤以及收納於該基座中，每—該根部在該圓 盤圓周的方向上具有相對的扁平側； 至少一阻塊座，其具有圓形角落的橫向輪廓以及藉由 在4阻塊座之一徑向外部之一對凹部而形成以便藉由該 基座之軸向對立的凸起件而維持，該阻塊座在其徑向内 ^中具有一對凸起件以便收納在該基座之轴向對立的凹 部中’該阻塊座具有-大致中心徑向延伸的貫穿孔以及 在該圓盤之圓周方向上具有相對的扁平側； -一合釘銷用於部分地收納在孔中以及具有一本體與一 碩部，該阻塊座收納在一對次相鄰的葉片之間的該基座 中且該合釘銷頭部部分收納在該未穿⑶中以便固定該阻 塊座至δ亥轉子圓盤而防止在該轉子圓盤之圓周的圓周運 勒， 1280321 νΛ%ί 母5亥平台形狀上為四角型，每一該平台在該轉子圓 盤之圓周方向上具有一寬度，該寬度大體上等於在該圓 周方向上该等葉片之成型跟部之厚度的兩倍，該寬度大 體上等於該阻塊座之厚度之兩倍，藉以在該等葉片之阻 裝中在該相鄰的葉片之間界定足以收納該阻塊座之一办 間。 二 月求項1之系統，其中該轉子圓盤在環繞該轉子圓盤 的一預定圓周位置具有至少一插入槽，以$交又該圓周 土座以便允許該等葉片與該阻塊座之成型跟部之插入。 月求項1之系統，其中該阻塊座之中心孔以及該合 一部分供以螺紋以便允許將合釘銷螺紋鎖入該孔 中。 月长項1之系統，其中該次相鄰的葉片之平台具有圓 ° ” '開口，其形成足以提供通道至該合釘銷之一貫穿 /員4之糸統，其中該阻塊座具有一中空套管，盆 與該阻塊座之一最徑向外側之部分相鄰，且該中心孔穿 過該套管，該套管成型以便收納在藉由該次相鄰的葉片 之相鄰平台之顯示開口而形成的該孔中。 貝1之系統，包括一第二阻塊座，其具有圓形角 洛的k向輪廓以及藉由在該第二阻塊座之一徑向外部 、凹邛而开> 成以便藉由該基座之軸向對立的凸 而維持，哲 °亥弟二阻塊座在其徑向内部中具有一對凸起件 、更收、、、内在该基座之該軸向對立的凹部中，該第二阻塊 128032i 座 補无丨 具有一中心貫穿孔、一部份收納在該第二阻塊座之該 孔中的—第二合釘銷、一本體與一頭部，該第二阻塊座 吹納在一第二對次相鄰的葉片之間的該基座中且該第二 δ針銷之頭部部分地收納在另一未穿孔中以便固定該第 二阻塊座至該轉子圓盤。 如請求項6之系統，其中該轉子圓盤包括至少一插入槽， 其交叉該圓周基座以便允許該葉片與該阻塊座之成型跟 部之插入，該未穿孔相對該插入槽而對稱地空間分離。