專利名稱：用于渦輪機的葉輪的制作方法
用于渦輪機的葉輪
本發明涉及一種用于渦輪機尤其是用于徑流式渦輪機的葉輪，其具有葉輪端面和與葉輪端面連接的用來熱套安裝(Aufschrumpfen)到渦輪機轉子上的收縮配合凸緣 (Schrumpfbimd)，本發明還涉及一種具有轉子和熱套安裝在轉子上的葉輪的渦輪機以及用于制造這種葉輪的一種方法。
葉輪可在渦輪機中將流過葉輪的流體的能量和承載葉輪的轉子的機械能量相互轉換。流體在徑流式渦輪機中垂直于轉子的旋轉軸線流過一個或多個葉輪。
通常通過收縮配合，也就是轉子外徑大于葉輪內徑，以摩擦鎖合方式將葉輪軸向固定在轉子上。已知的葉輪均在一個或兩個端面上具有用來增大收縮配合接觸面的收縮配合凸緣，也就是真正的葉輪盤的具有較小直徑的軸向突出部分。為了保證在軸向安全固定葉輪，還可以利用穿過凸緣和轉子的對齊孔的收縮配合凸緣固定銷來鎖定收縮配合凸緣。
比如在氣體或蒸汽流過的壓縮機、壓氣機或者渦輪機中，由于轉速有時非常高，作用于葉輪的離心力尤其會導致葉輪內徑變大，從而使得收縮配合產生的法向應力減小，且借此使得能軸向固定的摩擦鎖合力減小。收縮配合凸緣固定銷可能會受到不利的彎曲或剪切負荷作用，并且可能會承受徑向微小運動引起的負荷。兩者均可能會引起運行工況變差、 磨損或者甚至引起渦輪機失靈。
本發明的任務在于提供一種經過改進的渦輪機。
按照權利要求1的特征部分的特征對其前序部分所述的葉輪進行改進，即可解決這一任務。權利要求12所述為具有這種葉輪的渦輪機，權利要求13所述為制造這種葉輪的一種方法。從屬權利要求均涉及有益的改進實施方式。
本發明所述的葉輪被設置用來固定在渦輪機尤其是徑流式壓縮機比如徑流式壓縮機或壓氣機的轉子上。為此在至少一個葉輪端面上、最好在承載葉片的葉輪盤的下游背面或后壁上設置收縮配合凸緣，該收縮配合凸緣適宜與葉輪盤形成整體。尤其可采用加熱收縮配合凸緣使其中心孔內徑變大并且/或者壓縮相應轉子外徑的方式，將收縮配合凸緣熱套安裝到轉子上。
按照本發明所述，在葉輪端面和與其相連的收縮配合凸緣之間形成位于徑向外側的環槽。尤其可將局部的橫斷面減小部分稱作環槽，例如可以用車刀切入旋轉的收縮配合凸緣來形成環槽。
可采用這種材料削弱方式將葉輪盤和收縮配合凸緣局部分開，收縮配合凸緣的收縮配合將葉輪整體軸向固定，葉輪盤由于通常具有比較大的外徑，因此會承受比較高的離心力。當葉輪盤在離心力作用下擴徑時，在類似于關節作用的環槽中不會將特別是相應的能導致收縮配合凸緣擴徑的彎曲力矩傳遞到收縮配合凸緣之中，或者僅僅將彎曲力矩減小后傳遞到收縮配合凸緣之中。這樣就能使得收縮配合凸緣和轉子之間的軸向接觸長度在運行過程中有利地以比較小的幅度減小，因為收縮配合凸緣僅僅在比較短的部分中擴徑。尤其可以將收縮配合凸緣固定銷布置在不會擴徑或者與沒有槽過渡到葉輪盤之中的常規收縮配合凸緣相比擴徑幅度較小的收縮配合凸緣區域之中。這樣有利于使得這種收縮配合凸緣固定銷承受較少的負荷。
令人驚奇的是，在葉輪盤和收縮配合凸緣之間以徑向收縮形式局部減少材料使得葉輪變細，就能改善收縮配合凸緣在工作過程中的收縮配合。這些優點超過尤其在密封區域內彈性地將葉輪盤連接在收縮配合凸緣上所引起的較大葉輪盤徑向擴徑，并且超過比較小的可傳遞功率。
可以在制造技術、裝配技術、強度技術、熱動力和/或者動力學特性方面對環槽進行優化。例如可以用特別簡單的方式，例如可通過切削加工制作其側壁基本上垂直于葉輪旋轉軸線的環槽。槽側壁與槽底和/或者收縮配合凸緣的徑向外表面之間的倒角過渡段或邊緣可減小裝配過程中受傷的風險，同樣也可減小影響強度、尤其是影響疲勞強度的缺口效應以及振動敏感性。適當計算槽寬和/或者槽深，即可影響葉輪盤與收縮配合凸緣之間的在運行以及熱套安裝過程中的熱傳遞、葉輪盤與收縮配合凸緣之間的連接剛度、葉輪盤在離心力作用下的振動特性和擴徑幅度以及工作流體的軸向推力。
按照一種首選實施方式所述，環槽也可以在徑向呈現單階或多階形狀，也就是在葉輪的旋轉軸線方向具有局部不同的外徑。作為補充或替代方案，也可以使得環槽具有朝向旋轉軸線傾斜的外表面和/或者彎曲的外表面。
如果徑向槽深是收縮配合凸緣徑向高度、也就是收縮配合凸緣內徑和外徑之間最大徑向距離的0. 1 0. 99倍，尤其在0. 3 0. 7倍之間，適宜在0. 5 0. 65倍之間，最好大約為0. 55倍，就能產生特別有益的制造、裝配和強度技術特性以及熱動力和動力學特性。
適宜將環槽基本上直接布置在葉輪端面或者葉輪盤上，以使得剩余的收縮配合凸緣有比較大的相關軸向配合面。
關于其它優點和特征可參閱從屬權利要求和實施例。以下是部分示意圖，
附
圖1為熱套安裝了本發明一種實施方式所述葉輪的轉子在靜止狀態下的局部經向剖面或縱向剖面；和
附圖2示出處在工作狀態的附圖1所示的葉輪。
附圖1所示為徑流式壓縮機的轉子1的局部徑向剖面，葉輪2固定在轉子上。葉輪具有葉輪盤2. 1和與其整體形成的收縮配合凸緣2. 3，將收縮配合凸緣布置在背向葉片的葉輪盤2. 1的下游背面2. 2上。
葉輪2具有圓柱形中心通孔，適當選擇該中心孔的內徑標稱尺寸和公差尺寸，使其小于該區域中的轉子外徑標稱尺寸和公差尺寸，從而在工作溫度下產生充分的收縮配合，將葉輪2在軸向方向χ以摩擦鎖合方式固定在轉子1上。還有多個例如三到五個收縮配合凸緣固定銷4插入到在收縮配合凸緣2. 3上的基本上在圓周范圍內均勻分布的通孔之中，并且插入到在轉子1上的與通孔對齊的盲孔之中，以此鎖定葉輪2在轉子1上的軸向位置。
虛線表示常規葉輪的外輪廓，葉輪盤的后壁以圓角半徑2. 4'過渡到收縮配合凸緣之中。當這種葉輪以工作轉速Ω加速時(參考附圖2)，離心力就會使得葉輪徑向擴徑。 由于葉輪盤的外徑比較大，因此所承受的離心力負荷較大，除了作用于收縮配合凸緣的離心力和剛性固定在收縮配合凸緣上的葉輪盤對其施加的徑向拉力之外，作用于收縮配合凸緣的傾覆力矩或彎曲力矩也會使得收縮配合凸緣擴徑，從而使得轉子與收縮配合凸緣之間的接觸面減小，或者使得法向應力和通過法向應力保證的摩擦鎖合力減小。
在本發明所述的葉輪中，則是直接在葉輪背面2. 2上形成環槽3來替代圓角半徑42.4'，方法是在例如采用鍛壓或澆鑄法進行初次成形之后，以例如利用車刀切入對葉輪2 進行切削加工的方式形成環槽。環槽3相應地具有基本上垂直于葉輪2的旋轉軸線χ的側壁(附圖1中左側、右側)以及倒圓的槽底(附圖1中下方)。槽3過渡到收縮配合凸緣 2. 3的徑向外輪廓之中的過渡段同樣也具有圓角半徑(圖中沒有繪出)，用以減小缺口效應和受傷風險。
附圖2以夸張手法表示本發明所述葉輪在工作過程中的狀態，也就是正在圍繞旋轉軸線X旋轉Ω。特別地，由于葉輪盤2. 1因為安裝了葉片而具有比較大的外徑，因此會在離心力作用下擴徑，圖中以向上抬起的左側或前端葉輪區域表示。作用于收縮配合凸緣2. 3 的離心力以及從葉輪盤2. 1傳遞給收縮配合凸緣的徑向拉力也會使得收縮配合凸緣2. 3擴徑。但是由于環槽3的槽寬(附圖1中左側-右側)基本上是收縮配合凸緣從其右側端面至后壁2. 2的軸向總長的0. 25倍，并且槽深(附圖1中上-下)基本上是收縮配合凸緣內徑與外徑之間徑向高度的0. 65倍，使得環槽起到關節一樣的作用，因此葉輪盤2. 1僅僅將很小的傾覆力矩或彎曲力矩作用于收縮配合凸緣2. 3，從而其承重的收縮配合長度減小的幅度小于常規的葉輪。
因此可通過縮窄部分3改善工作過程中的收縮配合。尤其是布置在后端區域中的收縮配合凸緣固定銷4所受的負荷比較少，因此可提高安全性。相比之下，前端葉輪區域 (附圖1中左側)與常規葉輪相比較大的徑向擴徑可以忽略不計，或者可以通過相應計算密封件直徑(沒有繪出)予以補償。
附圖標記清單
1轉子
2葉輪
2. 1葉輪盤
2. 2葉輪背面(葉輪端面)
2. 3收縮配合凸緣
2.4'圓角半徑(現有技術)
3環槽
4收縮配合凸緣固定銷
權利要求
1.用于渦輪機尤其是用于徑流式渦輪機的葉輪O)，具有葉輪端面(2.2)和與葉輪端面連接的用來熱套安裝到渦輪機的轉子(1)上的收縮配合凸緣(2. 3)，其特征在于，在葉輪端面和與其相連的收縮配合凸緣之間有環槽(3)。
2.根據權利要求1所述的葉輪，其特征在于，將收縮配合凸緣( 布置在葉輪( 的下游后壁(2. 2)上。
3.根據上述權利要求中任一項所述的葉輪，其特征在于，收縮配合凸緣與葉輪的葉輪盤(2. 1)形成整體。
4.根據上述權利要求中任一項所述的葉輪，其特征在于，直接在葉輪端面(2. 上形成環槽⑶。
5.根據上述權利要求中任一項所述的葉輪，其特征在于，徑向槽深至少為收縮配合凸緣徑向高度的0. 1倍，尤其至少為0. 3倍并且適宜至少為0. 5倍；并且/或者徑向槽深最多為收縮配合凸緣徑向高度的0. 99倍，尤其最多為0. 7倍并且適宜最多為0. 65倍。
6.根據上述權利要求中任一項所述的葉輪，其特征在于，至少有一個用來容納收縮配合凸緣固定銷的孔布置在環槽(3)與收縮配合凸緣(2.3)的端面之間。
7.根據上述權利要求中任一項所述的葉輪，其特征在于，環槽C3)的徑向內側和/或者外側經過倒圓。
8.根據上述權利要求中任一項所述的葉輪，其特征在于，通過初次成形、成形和/或者切削加工、尤其使用車刀切入進行加工的方式制作環槽(3)。
9.根據上述權利要求中任一項所述的葉輪，其特征在于，環槽C3)沿徑向呈現單階或多階形狀。
10.根據上述權利要求中任一項所述的葉輪，其特征在于，環槽C3)具有彎曲的并且/ 或者朝向轉子(1)的旋轉軸線傾斜的外表面。
11.具有上述權利要求中任一項所述葉輪O)的渦輪機，尤其是徑流式渦輪機。
12.上述權利要求1 10中任一項所述葉輪的制造方法，其特征在于，采用切削加工方式，尤其使用車刀切入進行加工的方式形成環槽(3)。
全文摘要
本發明的用于渦輪機尤其是用于徑流式渦輪機的葉輪(2)具有葉輪端面(2.2)和與葉輪端面連接的用來熱套安裝到渦輪機的轉子(1)上的收縮配合凸緣(2.3)，所述葉輪在葉輪端面和與其相連的收縮配合凸緣之間有環槽(3)。
文檔編號F01D5/02GK102510953SQ201080030308
公開日2012年6月20日 申請日期2010年1月25日 優先權日2009年7月4日
發明者C·朗格 申請人:曼柴油機和渦輪機歐洲股份公司