專利名稱：用于轉子葉片的輕量圍帶翼片的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于渦輪機械、尤其是渦輪的具有圍帶的轉子葉片。
背景技術：
渦輪級，尤其是傳統(tǒng)的渦輪機械的最后的級，具有長的轉子葉片。最后一級轉子葉片具有互鎖的圍帶，以便特別是改進振動特性?；旧?，圍帶具有厚度且具有側面，它們被切割以便當存在相鄰的轉子葉片時產(chǎn)生互鎖的構造。圍帶的目的是防止葉片梢部上的泄漏，提高渦輪的效率以及提高轉子葉片的動力學和振動質(zhì)量。圍帶的互鎖沿著兩個支承面發(fā)生。支承面處的圍帶互鎖導致振動的抑制。另外的特征提供于轉子葉片圍帶的梢部上，其為翼片。取決于葉片圍帶的大小，可存在一個或多個翼片。翼片具有密封功能，以便減少越過葉片梢部的副流。用來承受在葉片的運動期間產(chǎn)生的離心載荷所需要的抗彎剛度由翼片高度提供。目前，用于最后一級旋轉葉片的圍帶基本是實心的。該圍帶是對葉片和轉子的額外的負載。葉片的翼型件和根部承載圍帶的重量。其對翼型件的截面積產(chǎn)生了很大的影響，且因此對翼型件和根部的重量產(chǎn)生很大的影響。在運行期間，隨著葉片在轉子上繞著渦輪軸線以高速旋轉，葉片由葉片根部保持在轉子中，葉片根部機械地接合在轉子中。隨著葉片旋轉，離心力使葉片沿徑向方向拉動且使葉片對轉子加載。轉子以及因此將葉片保持在轉子中的根部上的負載的量是葉片重量的函數(shù)。重型葉片在葉片根部與轉子之間的交接部上引起更多的應力，以及在轉子上引起高的總徑向力。圍帶的重量增加了徑向力，其接近轉子極限。因此，其對渦輪的性能施加了重要的設計限制，并且可減少根部和轉子的總體壽命。渦輪機械，尤其是蒸汽渦輪，出于性能原因而具有長的葉片來增大排氣環(huán)形區(qū)域。增大該環(huán)形區(qū)域以便允許高的質(zhì)量流量。長葉片用于大的環(huán)形區(qū)域，其會導致葉片更高的重量。當前的設計典型地完全為葉片的梢部覆蓋有翼片，以便有改進的振動控制，并且用來減少梢部泄漏損失。為了減少渦輪運行期間的泄漏，蜂巢件典型地布置在翼片的對面。在運行期間，翼片切入蜂桌件中。當代渦輪和壓縮機的效率取決于旋轉構件(葉片)與靜止構件之間的緊密密封。該密封通過允許葉片的翼片在可磨損的密封材料中切割(摩擦)凹槽而建立，其會防止很大量的空氣經(jīng)過葉片梢部而泄漏。典型地，密封材料是蜂巢式密封件，或者具有(或者)燒結且銅焊就位的金屬顆粒。為了確保渦輪的安全運行，翼片必須足夠強健，以便在運行條件下切入到密封材料中。此外，翼片必須足夠強健，以便在相鄰的葉片的翼片在運行期間支承在彼此之上時滿足其阻尼(dampening)功能。為了避免熱運行條件期間翼片的蠕變，且為了延長壽命，已經(jīng)在DE19904229中提出了翼片的冷卻。還注意到，翼片的重量可通過將孔鉆入翼片中來減少。然而，通過所鉆的孔可實現(xiàn)的重量減少是有限的。此外，孔對葉片的壽命可能是有害的，因為它們具有切口效應，這可導致應力集中，并且因此導致翼片中的應力分布的高的局部最大值。
發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的是提供改進的更輕的旋轉葉片，其具有減小的總體葉片質(zhì)量，從而減小轉子上的葉片的徑向力，而不會損害葉片的強度或壽命。本發(fā)明的另一個目的是提供不會損害圍帶-彎曲應力的改進的更輕的旋轉葉片。 本發(fā)明的又一個目的是提供實現(xiàn)圍帶的互鎖任務的改進的更輕的旋轉葉片。本發(fā)明的這些和其它目的通過改進的旋轉渦輪葉片來解決。旋轉葉片典型地包括根部段；連接到根部的平臺段；從平臺延伸的翼型件，該翼型件具有連接到平臺的平臺端和與所述平臺端相對的梢部端。具有圍帶的葉片還包括從梢部端向外延伸且附連到梢部端上的圍帶，以及沿徑向遠離外表面而延伸的至少一個翼片。根據(jù)本發(fā)明的第一實施例，翼片包括第一側壁以及第二側壁，它們分隔開，布置成平行于彼此，并且連接到圍帶；以及切割邊緣，其連接到第一和第二側壁，且由此在側壁、圍帶以及切割邊緣之間產(chǎn)生中空的空間。切割邊緣還遠離第一側壁和第二側壁而沿徑向延伸。在一個實施例中，第一側壁和第二側壁在與圍帶的連接部處分隔開，且輪廓設計為在沿徑向遠離圍帶的端部處匯合在一起。在另一個實施例中，第一側壁和第二側壁輪廓設計為無縫地連接到切割邊緣。在一個實施例中，中空性實現(xiàn)為使得由于翼片和/或圍帶的質(zhì)量而引起的離心力與葉片的中性軸線對齊，并且當渦輪旋轉時不會在葉片上導致任何彎矩。在另一個更具體的實施例中，中空性沿著翼片的中性軸線實現(xiàn)。在又一個實施例中，中空性沿著翼片的中性軸線對稱地實現(xiàn)。在一個實施例中，中空的翼片包括兩個薄的側壁，它們在內(nèi)部半徑處連接到圍帶，并且在外部半徑處連接到實心切割邊緣。切割邊緣是實心金屬體，其構造成以便當安裝在渦輪中時切入到固定在圍繞渦輪級的定子壁上的蜂巢件中。蜂巢件和翼片的組合形成蜂巢式密封件。在另一個實施例中，中空的翼片基本上是V形的。該V在圍帶上顛倒地豎立，指向遠離圍帶(方向)。該V形翼片豎立在圍帶上且在V形翼片的兩個支腿的端部處連接到圍帶。V形翼片的支腿是翼片的側壁?？杉訌娂舛耍移湓趶较蚍较蛏涎由於纬汕懈钸吘墸渥銐驈娊∫郧腥牍潭ǖ絿@渦輪級的定子壁上的蜂巢件中，以便形成蜂巢式密封件。此外，提出了構造中空的翼片來允許通過中空的翼片的冷卻。冷卻的翼片可例如用于燃氣渦輪應用中。一種用于制造改進的更輕的旋轉葉片的方法包括將葉片鑄造為具有鑄造出的中空的翼片的單個零件的步驟。用于制造改進的更輕的旋轉葉片的又一種方法包括鍛造葉片以及移除材料來使得所述翼片中空的步驟。本發(fā)明的中空的以及輕量的翼片提供了足夠的二次慣性矩(second moment ofinertia),而不會損害周向方向中的剛度(彎曲和扭轉)，從而確保良好的圍帶互鎖。為了獲得中空的圍帶，過量的材料可從翼片移除。利用這樣的中空的和輕量的翼片，實現(xiàn)了重量減少。重量減少不僅在翼片本身中實現(xiàn)，而且還在翼型件和根部中實現(xiàn)，因為這些只需要承載減少的翼片重量。這實現(xiàn)了更輕的葉片，并且允許設計更長的葉片，這又導致增大的流動截面和提高的渦輪功率與效率。從結合附圖做出的對實施例的以下描述中，本發(fā)明的另外的特征和優(yōu)點將變得明顯。
本發(fā)明，其性質(zhì)以及其優(yōu)點，將在下文中借助于附圖更詳細地描述。參照附圖。
圖I以透視圖示意性地顯示了具有圍帶和翼片的葉片的一個實施例，
圖2示意性地顯示了具有第一側壁和第二側壁以及切割邊緣的翼片的透視圖，
圖2a和2b示意性地顯示了包括具有第一側壁和第二側壁以及切割邊緣的翼片的葉片梢部的截面，以及一個側壁中的拉伸應力分布，
圖3示意性地顯示了包括翼片的葉片梢部的透視圖，其具有翼片的彎曲的第一側壁和第二側壁，以及切割邊緣，
圖3a和3b示意性地顯示了具有彎曲的第一側壁和第二側壁以及切割邊緣的翼片的截面，以及一個側壁中的拉伸應力分布，
圖4示意性地顯示了葉片的第三實施例，
圖5示意性地顯示了包括互鎖翼片的兩個互鎖葉片梢部的透視圖，
圖6示意性地顯示了包括在翼片端處具有互鎖板的翼片的葉片梢部的透視圖，
圖7示意性地顯示了包括在翼片端處具有互鎖板的翼片的葉片梢部的側視圖。
具體實施例方式在圖I中，參考標號I表示具有根部段2的葉片，其包括在根部段2外側的頸部區(qū)域12。根部段2具有機加工的表面16，其可結合到轉子8的匹配的輪廓中，使得葉片I在離心載荷下固定在渦輪轉子8上。平臺段4從葉片根部2和頸部區(qū)域12向外突出，并且連接到根部段2。翼型件3從平臺4向外延伸。翼型件3具有連接到平臺4的端部和梢部端。圍帶5連接到梢部端，且從梢部端向外延伸。圍帶包括至少一個翼片6。圖2顯示了從翼型件3的梢部端向外延伸的圍帶5。圍帶5包括固定到翼型件3的梢部端的內(nèi)表面14和覆蓋內(nèi)表面14的外表面15。連接內(nèi)表面14和外表面15的側壁17大體垂直于這兩個表面。葉片還包括至少一個翼片6，其遠離圍帶5沿徑向延伸。翼片6本身包括第一側壁9以及第二側壁10，它們分隔開，布置成平行于彼此，且連接到圍帶5。此外，翼片包括切割邊緣18，其連接到第一側壁和第二側壁9，10，并且由此在側壁9、10，圍帶5以及切割邊緣18之間產(chǎn)生中空的空間。切割邊緣18還遠離第一側壁和第二側壁9，10沿徑向延伸。圖2a示意性地顯示了包括具有第一側壁9、第二側壁10以及切割邊緣18的翼片6的葉片梢部的截面。圖2b示意性地顯示了在運行期間在第一側壁9中的拉伸應力分布19的簡化的示例。
由于彎曲力，拉伸應力在截面中不是恒定的，導致如圖2b中所顯示的拉伸應力19中的局部最大值。該局部最大值比標示出以用于比較的平均拉伸應力20更高。在一個實施例中，切割邊緣18是實心的。在另一個實施例中，切割邊緣18包括冷卻和/或吹掃空氣孔。在另一個實施例中，圍帶5包括若干個翼片，其平行于彼此沿徑向向外延伸，至少一些是中空的和輕量的。翼片典型地具有尖的邊緣或鋒利的邊緣，它們從圍帶5的外表面15向外延伸。旋轉葉片I鑄造為單個零件，且翼片6整體地模制，且其尺寸與翼型件3比較例如典型地小于十分之一。為了最小化局部應力最大值，側壁9,10可具有特定輪廓(contoured)或為彎曲的，以便遵循作用在翼片6上的合力的力線，如圖3中所示。為此，第一側壁和第二側壁9，10在與圍帶5的連接部處分隔開，且輪廓設計為在沿徑向遠離圍帶5的一端處匯合在一起。
如圖3中所標示，為了允許翼片內(nèi)的大的冷卻空氣或吹掃空氣供應空腔，可在翼片6的中心區(qū)域中使用供應加寬部23來局部地增大翼片6的寬度。該加寬部23還可用來提高剛度，因為由于離心力引起的最大彎矩發(fā)生在翼片的中心區(qū)域中，并且用來減小由于力傳遞到葉片的翼型件3中而引起的局部應力。圖3a示意性地顯示了具有彎曲的第一側壁和第二側壁9，10以及切割邊緣18的翼片的截面。圖3b顯示了側壁9中的對應的拉伸應力分布19。理想地，局部拉伸應力19是恒定的，且等于側壁中的平均拉伸應力20。在一個實施例中，第一側壁和第二側壁9，10是彎曲的，使得在運行時，來自作用在切割邊緣18與第一側壁和第二側壁9，10上的離心力和彎曲力的合力線定向成使得局部最大拉伸應力小于平均拉伸應力的I. 3倍。優(yōu)選地,優(yōu)化曲率以保持局部最大拉伸應力低于平均拉伸應力的I. I倍。在一個實施例中，第一側壁和第二側壁9，10是彎曲的，使得在運行期間，來自作用在切割邊緣18與第一側壁和第二側壁9，10上的離心力和彎曲力的合力線平行于相應的側壁9，10的曲率而定向。參照圖4，實現(xiàn)了 “對齊的”形狀的孔。對齊的形狀的孔在周向方向上從翼片的第一端13沿著翼片6的長度延伸到其第二端11。本上下文中的對齊的形狀是對于側壁9，10而言具有基本上恒定的壁厚度的翼片。壁厚度在徑向方向上對于側壁高度的至少50%保持恒定。其可例如對于側壁9，10的高度的80%或甚至超過90%為恒定的。通過如下方式使翼片6中空沿著翼片6的長度在其中性軸線周圍移除材料，從而減少重量，且從第一端13或從第二端11或兩端使其中空。在圖5中，顯示了具有中空的翼片6的互鎖圍帶。剛度足以利用中空的翼片6執(zhí)行互鎖任務。中性軸線周圍的重量移除對剛度具有可忽略的影響，或其影響由略微更大的外部尺寸來補償，而中空性由于翼片6的重量減少以及旋轉葉片I的總體重量減少而提供了大的優(yōu)點。翼片6中的孔可從第一端13延伸到該翼片的第二端11。在圖6中所示的另一個實施例中，互鎖板21在翼片6的第一周向端13和/或第二周向端11處封閉翼片6。此外，如圖6和7中所示，可在至少一個側壁9，10的側面處提供冷卻孔22。為了允許翼片冷卻，這是必須的。在一個實施例中，旋轉葉片I使用鑄造來制造。該方法包括通過包覆傳統(tǒng)的氧化鋁或硅石基的陶瓷芯體來將旋轉葉片I成形在石蠟中。在一個實施例中，翼片的中空性可通過水射流切割器、腐蝕、激光束以及通過任何這樣的組合來實現(xiàn)。在一個實施例中，旋轉葉片I還通過鍛造單個金屬零件來制造，且翼片6通過機加工而制成中空的。圍帶5上的翼片6制成中空的和輕量的,而不會損害大小和旋轉速度,其中,足夠的軸向截面模量導致具有更高性能的更輕的葉片I。典型地，翼片彎曲的中性軸線垂直于在運行時作用在翼片上的離心力。 本發(fā)明可應用于后級，特別是最后一級葉片。如果需要，為了增大互鎖表面，端部可利用不同的制造方法一例如銅焊、焊接等而由板封閉。通過降低離心力，蠕變區(qū)域中的構件壽命將很大程度地增加。本發(fā)明的許多修改和改變將對本領域技術人員顯而易見，且因此，所附的權利要求意圖覆蓋落入本發(fā)明的范圍的所有這樣的修改和改變。參考標號列表
1.葉片
2.根部
3.翼型件
4.平臺
5.圍帶
6.翼片
7.匹配面
8.轉子
9.第一側壁
10.第二側壁
11.第二端
12.頸部區(qū)域
13.第一端
14.內(nèi)表面
15.外表面
16.機加工的表面
17.平臺側壁
18.切割邊緣
19.運行期間側壁中的局部合應力
20.運行期間側壁中的平均應力
21.互鎖板
22.冷卻和/或吹掃空氣孔
23.供應加寬部。
權利要求
1.一種渦輪葉片(I)，包括承載圍帶(5)和沿徑向遠離所述圍帶(5)而延伸的至少一個翼片(6)的梢部端，其特征在于，所述翼片(5)包括第一側壁(9)和第二側壁(10)，它們分隔開，布置成平行于彼此，且連接到所述圍帶(5);以及切割邊緣(18)，其連接到所述第一側壁和第二側壁(9，10)，且所述切割邊緣由此在所述側壁(9，10)、所述圍帶(5)以及所述切割邊緣(18)之間產(chǎn)生中空的空間，并且還沿徑向遠離所述第一側壁和第二側壁(9，10)而延伸。
2.根據(jù)權利要求I所述的渦輪葉片(I)，其特征在于，所述第一側壁和第二側壁(9，10)在與所述圍帶(5)的連接部處分隔開，且輪廓設計為在沿徑向遠離圍帶(5)的端部處匯合在一起。
3.根據(jù)權利要求I或2所述的渦輪葉片，其特征在于，所述第一側壁和第二側壁(9，10)輪廓設計為無縫地連接到所述切割邊緣(18)。
4.根據(jù)權利要求I至3中的一項所述的渦輪葉片(I)，其特征在于，所述第一側壁和第二側壁(9，10)的壁厚度在徑向方向上對于所述側壁的高度的至少50%是恒定的。
5.根據(jù)權利要求I至4中的一項所述的渦輪葉片(I)，其特征在于，所述第一側壁和第二側壁(9，10)是彎曲的，使得在運行時，來自作用在所述切割邊緣(18)與所述第一側壁和第二側壁(9，10)上的離心力和彎曲力的合力在所述側壁中產(chǎn)生局部最大拉伸應力，該局部最大拉伸應力小于所述截面中的平均拉伸應力的I. 3倍。
6.根據(jù)權利要求I至5中的一項所述的渦輪葉片(I)，其特征在于，所述第一側壁和第二側壁(9，10)是彎曲的，使得在運行時，來自作用在所述切割邊緣(18)與所述第一側壁和第二側壁(9，10)上的離心力和彎曲力的合力線定向成平行于相應的側壁(9，10)的曲率。
7.根據(jù)權利要求I至6中的一項所述的渦輪葉片(I)，其特征在于，所述中空的空間構造成以便引導冷卻/吹掃空氣。
8.根據(jù)權利要求I至7中的一項所述的渦輪葉片(I)，其特征在于，至少一個冷卻或吹掃空氣孔處于所述切割邊緣(18)中。
9.根據(jù)權利要求I至8中的一項所述的渦輪葉片(I)，其特征在于，所述翼片(9)的彎曲的中性軸線垂直于在運行時作用在所述翼片(9)上的離心力。
10.根據(jù)權利要求I至8中的一項所述的渦輪葉片(I)，其特征在于，互鎖板(21)在所述翼片(6)的第一和/或第二周向端(11，13)處閉合所述翼片(6)。
11.一種用于制造包括根據(jù)權利要求I至11中的一項所述的翼片(6)的渦輪葉片(I)的方法，其特征在于，該方法包括如下步驟將所述葉片(I)鑄造為具有中空的翼片的單個零件，該中空的翼片包括第一側壁和第二側壁(9，10)以及切割邊緣(6)，或者該方法包括如下步驟鍛造所述葉片(I)，并且機加工所述翼片￠)以便產(chǎn)生第一側壁和第二側壁(9，10)，切割邊緣(6)，且以便由此在所述側壁(9，10)與所述切割邊緣(6)之間開出中空的空間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于渦輪機械－尤其是渦輪－的包括翼片(6)的渦輪葉片(1)。本發(fā)明的主要目的是提供改進的更輕的旋轉葉片(6)，其具有減少的總體葉片質(zhì)量，減少了轉子上的葉片的徑向力，而不會損害渦輪葉片(1)的強度或壽命。為了實現(xiàn)足夠強健的輕量翼片且由此實現(xiàn)輕量的渦輪葉片(1)，翼片(6)包括第一側壁(9)和第二側壁(10)，它們分隔開，布置成平行于彼此，且它們連接到圍帶(5)；以及切割邊緣(18)，其連接到第一側壁和第二側壁(9，10)，且由此在側壁(9，10)、圍帶(5)以及切割邊緣(18)之間產(chǎn)生中空的空間。切割邊緣(18)還沿徑向遠離第一側壁和第二側壁(9，10)而延伸。
文檔編號F01D5/18GK102947548SQ201180033452
公開日2013年2月27日 申請日期2011年4月6日 優(yōu)先權日2010年5月5日
發(fā)明者H.布蘭德爾, I.齊普凱金, P.因德勒科費爾 申請人:阿爾斯通技術有限公司