渦輪整體葉盤及其制造方法與流程

本公開大體涉及渦輪發動機，而更具體地涉及使用在渦輪發動機中的被護罩的渦輪整體葉盤(turbineblisk)。

背景技術：

至少一些已知的軸流渦輪發動機包括轉子軸和至少一個聯接至轉子軸的渦輪級。至少一些已知的級包括盤和從盤徑向向外延伸的周向間隔開的轉子葉片。每個轉子葉片包括翼型件和在其根部的燕尾件，在該處燕尾件徑向地被保持在盤的周緣中的互補的槽中。在運行期間，盤和附連至此的葉片旋轉使得葉片產生主要離心力，其向下穿過相應的燕尾件且被傳遞到盤中。其他已知的級包括作為一件式部件與盤集成地制造的轉子葉片，其通常作為整體葉盤(即有葉片的盤)已知。

在至少一些已知的旋轉機器中，其旋轉的速度和/或作用在旋轉的部件上的氣動力引起振動和軸向扭轉到旋轉機器的級中。為了限制這樣的振動和軸向扭轉，至少一些已知的葉片包括集成的護罩，其從翼型件以預定的徑向距離沿著每個葉片延伸。例如，集成的護罩有助于增加該級的總剛度以使其振動頻率增加到更期望的范圍中。而且，在每個轉子葉片包括單獨的翼型件/燕尾件結構的級中，在燕尾件和其互補的保持槽之間的摩擦阻尼也有助于對旋轉部件增加阻尼。然而，因為已知的包括集成的護罩的整體葉盤被制造為一件式的部件，不能給這些部件提供這樣的增加的摩擦阻尼。

技術實現要素：

在一個方面中，提供一種渦輪整體葉盤。該渦輪整體葉盤包括：內緣；從所述內緣徑向向外延伸的多個鄰近的轉子葉片；集成地聯接至該多個鄰近的轉子葉片中的每個的護罩部段(shroudsegment)，由此形成多個鄰近的護罩部段；以及限定在各個鄰近的護罩部段之間的間隙。該間隙具有當扭轉力被施加至該多個鄰近的轉子葉片時有助于使該多個鄰近的護罩部段互鎖的幾何形狀。

在另一方面中，提供一種發電系統。該發電系統包括工作流體源和聯接在工作流體源下游的渦輪。渦輪包括至少一個渦輪整體葉盤，其包括：內緣、從所述內緣徑向向外延伸的多個鄰近的轉子葉片、集成地聯接至該多個鄰近的轉子葉片的每個的護罩部段(從而形成多個鄰近的護罩部段)和在各個鄰近的護罩部段之間限定的間隙。該間隙具有當扭轉力被施加至該多個鄰近的轉子葉片時有助于使該多個鄰近的護罩部段互鎖的幾何形狀。

在又一方面中，提供一種制造渦輪整體葉盤的方法。該方法包括：準備實心坯材料；從實心坯材料限定內緣；從實心坯材料限定多個鄰近的轉子葉片；以及從實心坯材料限定護罩。該多個鄰近的轉子葉片從內緣徑向向外延伸，并且護罩集成地聯接至該多個鄰近的轉子葉片。該方法還包括：限定在護罩中的間隙以形成集成地聯接至多個鄰近的轉子葉片的每個的護罩部段，由此形成多個鄰近的護罩部段。該間隙具有當扭轉力被施加至該多個鄰近的轉子葉片時有助于使該多個鄰近的護罩部段互鎖的幾何形狀。

附圖說明

當參照附圖(在其中類似的符號在所有附圖中代表類似的部分)來閱讀以下詳細說明時，將更好地理解本公開的這些和其他特征、方面和優點，其中：

圖1示出了示例性的發電系統的示意圖；

圖2示出了可被使用在圖1中所示的發電系統中的示例性的整體葉盤的透視圖；

圖3示出了在圖2中所示的整體葉盤沿著區域3的放大透視圖；

圖4示出了說明制造在圖2中所示的整體葉盤的過程步驟的示例性順序的示意性流程圖；以及

圖5示出了說明限定在圖2中所示的整體葉盤中的鄰近的護罩部段之間的間隙的過程步驟的示例性順序的示意性流程圖。

除非另外指出，本文中所提供的附圖意圖說明本公開的實施例的特征。這些特征可應用于各種包含本公開的一個或多個實施例的系統中。因而，這些附圖不意圖包括由本領域技術人員已知的對于實踐這里所公開的實施例所需的所有常規特征。

具體實施方式

在接下來的說明書和權利要求中，將引用多個術語，這些術語應被定義以具有以下含義。

除非上下文清楚地另外規定，否則單數形式“一”、“一個”、和“該”包括復數。

“可選的”或“可選地”意指此后所說明的事件或情形可發生或可不發生，并且該說明包括事件發生的情況和其不發生的情況。

如本文中在整個說明書和權利要求所使用的近似的語言可被用于修飾任何定量表示，其可允許地變化而不導致與其相關的基本功能的變化。因此，由術語或多個術語(諸如“大約”和“大致”)修飾的值將不限于精確的特定值。在至少一些情況中，近似的語言可對應于用于測量該值的儀器的精度。這里以及在整個說明書和權利要求中，范圍限制可被組合和/或互換。這樣的范圍被識別并且除非上下文或語言另外指出其包括所有包含在其中的子范圍。

本公開的實施例涉及具有集成在其中的護罩部段的渦輪整體葉盤。在示例性的實施例中，鄰近的護罩部段被具有當扭轉載荷被施加至聯接至每個護罩部段的轉子葉片時有助于使鄰近的護罩部段互鎖的幾何形狀的間隙分離。特別地，當渦輪整體葉盤的旋轉速度向預定的旋轉速度增加時，該間隙幾何形狀允許轉子葉片和護罩部段偏轉。因此，該間隙幾何形狀和間隙尺寸被選擇成當渦輪整體葉盤到達預定的旋轉速度時確保在鄰近的護罩部段之間的摩擦接觸，這使在整體葉盤組件中的摩擦阻尼增加。

圖1是示例性的發電系統100的示意圖。發電系統100包括燃氣渦輪發動機組件102，其包括壓縮機104、燃燒器106和第一渦輪108，其通過在燃燒器106中產生的熱氣110的流膨脹來供以動力用于驅動第一發電機112。廢氣114的流被從渦輪108引導向廢熱回收單元(whru)116，其從廢氣112回收廢熱。發電系統100也包括以與whru116成流連通的方式聯接的工作流體源118和聯接在whru116下游的第二渦輪120。工作流體122的流被引導向whru116并且在一實施例中來自廢氣114的廢熱有助于將工作流體122加熱到超臨界狀態。備選地，引導向whru116的工作流體122在進入whru116之前處于超臨界狀態中。超臨界的工作流體124的流然后被引導向第二渦輪120，其通過超臨界的工作流體124的流膨脹來供以動力用于驅動第二發電機126。

工作流體122是能夠使發電系統100如本文中所說明地起作用的任何工作流體。示例性的工作流體包括但不限于二氧化碳和蒸汽。在備選的實施例中，工作流體122可由能夠使發電系統100如本文中所說明地起作用的熱源加熱并且可處在非超臨界狀態中。例如，工作流體122可由核能或濃縮太陽能加熱。

圖2是可被使用在發電系統100(在圖1中示出)中的示例性整體葉盤200的透視圖。特別地，整體葉盤200例如被實施在渦輪108和120中。在示例性的實施例中，整體葉盤200包括中心盤部分202、圍繞中心盤部分202的內緣204和從內緣204徑向向外延伸的多個轉子葉片206。轉子葉片206圍繞內緣204的周緣(未示出)以有規律地隔開的間隔來定位，并且每個轉子葉片206具有大致翼型的橫截面形狀。整體葉盤200還包括集成地聯接至該多個轉子葉片206中的每個的護罩部段208。護罩部段208集成地聯接在沿著轉子葉片206的能夠使整體葉盤200如本文中所說明地起作用的任何位置處。而且，如下面將更詳細地來說明的那樣，間隙210被限定在鄰近的護罩部段208之間。間隙210具有當扭轉力212被施加至轉子葉片206時允許鄰近的護罩部段208互鎖的幾何形狀。在備選的實施例中，間隙210被限定成使得護罩部段208被聯接至超過一個轉子葉片206。

在運行中，例如當轉子葉片206被熱氣110或工作流體122(每個在圖1中示出)沖擊時，整體葉盤200圍繞中心線軸線216在周向214上旋轉。當整體葉盤200的旋轉速度增加時，扭轉力212引起轉子葉片206和護罩部段208圍繞整體葉盤200的徑向軸線220在旋轉方向218上偏轉(即反扭(untwist))。間隙210的尺寸被選擇成當發電系統100(在圖1中示出)達到預定的速度時允許轉子葉片206和護罩部段208在旋轉方向218上偏轉并且有助于在鄰近的護罩部段208之間的摩擦阻尼。

圖3是整體葉盤200沿著區域3(在圖2中示出)的放大透視圖。如上所述，間隙210具有當扭轉力212(在圖2中示出)被施加至轉子葉片206時有助于使鄰近的護罩部段208互鎖的幾何形狀。在示例性的實施例中，間隙210具有z形槽結構222，其有助于限定在各在不同方向上延伸的鄰近的護罩部段208之間的互補的鄰接的側壁對。特別地，第一互補側壁對224包括第一側壁225，第二互補側壁對228包括第二側壁229，并且第三互補側壁對232包括第三側壁233，其各在鄰近的護罩部段208之間延伸。第一互補側壁對224從整體葉盤200的第一側226延伸，第二互補側壁對228從整體葉盤200的第二側230延伸，并且第三互補側壁對232在第一和第二側壁對224和228之間延伸。第一側壁225在其之間限定第一被截間隙部分227，第二側壁229在其之間限定第二被截間隙部分231，并且第三側壁233在其之間限定第三被截間隙部分235。而且，每個互補側壁對224、228和232相對于彼此成斜角地延伸。因此，間隙210的幾何形狀被選擇成當轉子葉片206和護罩部段208在旋轉方向218上偏轉時有助于在第三互補側壁對232的第三側壁233之間的摩擦接觸。

在示例性的實施例中，間隙210的方向被選擇成確保當發電系統100(在圖1中示出)到達預定的速度時在鄰近的護罩部段208的側壁225、229和233之間形成基本上連續的界面(未示出)。特別地，間隙210的方向被選擇成使得第三側壁對232相對于轉子葉片206的中心線236大致垂直地延伸。因此，在第三側壁對232之間的間隙210相對于中心線236大致垂直地延伸并且間隙距離被選擇成增強轉子葉片206和護罩部段208的偏轉，其也增強在此之間的摩擦阻尼。第一和第二側壁對224和228從第三側壁對232在確保間隙210在鄰近的轉子葉片206之間延伸的方向上延伸。

間隙210也限定了在鄰近的護罩部段208之間的距離d，其被選擇成在發電系統100預定的運行條件下確保在鄰近的護罩部段208之間的摩擦接觸。距離d被選為轉子葉片206的長度(未示出)和整體葉盤200的預定的旋轉速度中的至少一個的函數。例如，當轉子葉片206的長度或旋轉速度中的至少一個增加時，在轉子葉片206中的偏轉增加；而當轉子葉片206的長度或旋轉速度中的至少一個減少時，在轉子葉片206中的偏轉減少。因此，當轉子葉片206的長度或整體葉盤200的旋轉速度中的至少一個增加時，距離d增加以助于增加偏轉并且那確保在鄰近的護罩部段208之間的摩擦接觸。

圖4是說明制造整體葉盤200的過程步驟的示例性順序300的示意性流程圖。在示例性的實施例中，整體葉盤200由單個柱狀材料坯302制成。坯302由使整體葉盤200能夠如本文中所說明地起作用的任何材料鍛造或鑄造。整體葉盤200的特征此后利用任何合適的材料移除方法(包括但不限于計算機數控(“cnc”)銑削、電化學加工(“ecm”)、和電火花加工(“edm”))來限定。

例如，在示例性的實施例中，順序300包括第一材料移除步驟304和第二材料移除步驟306。在第一和第二材料移除步驟304和306的每個中，利用上述材料移除方法中的任一個來移除材料。第一材料移除步驟304包括從坯302移除材料以形成中間的整體葉盤308。特別地，在諸如車削或銑削的過程中將材料從坯302移除，使得從其限定中心盤部分202、大致連續的集成護罩310以及在中心盤部分202和集成護罩310之間延伸的外緣312。

第二材料移除步驟306包括從中間的整體葉盤308移除材料以有助于形成整體葉盤200。特別地，在諸如ecm或edm的過程中從外緣312和集成護罩310移除材料以有助于相應地限定轉子葉片206和護罩部段208。從集成護罩310限定護罩部段208包括在集成護罩310中限定具有z形槽結構222的間隙210。在備選的實施例中，整體葉盤200利用添加制造技術來形成。

圖5是說明了限定在鄰近的護罩部段208之間的間隙210的過程步驟的示例性的順序314的示意性流程圖。如上所述，間隙距離d(在圖3中示出)被選為轉子葉片206的長度和整體葉盤200的預定的旋轉速度中的至少一個的函數。當轉子葉片206的長度或整體葉盤200的預定的旋轉速度中的至少一個比較低時，確保在鄰近的護罩部段208之間的摩擦接觸所需的距離d也比較小。因此，在諸如ecm或edm的過程中在集成護罩310中限定間隙210可能無法限定具有將確保在鄰近的護罩部段208之間的摩擦接觸的比較小的距離d的間隙210。

順序314包括材料移除步驟316和材料插入步驟318。材料移除步驟316包括從集成護罩310移除材料使得在鄰近的護罩部段208之間限定了空間320。空間320尺寸設定成在其中接收第一護罩插入物322和第二護罩插入物324。材料插入步驟318包括在空間320內插入第一和第二護罩插入物322和324，并且將護罩插入物322和324聯接至相應的護罩部段208。護罩插入物322和324被預成形成使得每個護罩插入物322和324的側壁326限定間隙210。護罩插入物322和324在諸如但不限于釬焊的過程中被聯接至相應的護罩部段208。因此，預成形以及在空間320內插入護罩插入物322和324有助于限定在鄰近的護罩部段之間的越來越小尺寸的間隙210。例如，由順序314所限定的間隙210是零間隙或干涉配合，使得即使扭轉力212(在圖2中示出)不被施加至轉子葉片206鄰近的護罩部段208利用干涉配合被聯接在一起。

本文中所說明的組件和方法涉及設計成具有改善的振動阻尼特性的渦輪整體葉盤。特別地，本文中所說明的渦輪整體葉盤包括聯接至各轉子葉片的集成護罩。具有預定的幾何形狀的間隙被限定在鄰近的護罩部段之間。該間隙允許當渦輪整體葉盤的旋轉速度向預定的旋轉速度增加時轉子葉片和護罩部段偏轉。因此，間隙尺寸和幾何形狀被選擇成使得護罩部段在預定的旋轉速度下互鎖，這給渦輪整體葉盤組件提供摩擦阻尼。

本文中所說明的組件和方法的示例性技術效果包括以下中的至少一個：(a)提供不帶擴開的燕尾槽的被護罩的整體葉盤設計；(b)給整體葉盤提供摩擦阻尼；以及(c)當所期望的間隙距離小于已知的加工誤差時，提供一系列過程步驟用于在集成的整體葉盤的護罩部段之間形成摩擦接觸間隙。

上面詳細地說明了渦輪整體葉盤的示例性實施例。該組件不限于本文中所說明的特定的實施例，而是系統的部件和/或方法的步驟可獨立地并且與本文中所說明的其他部件和/或步驟分離地來利用。例如，本文中所說明的渦輪整體葉盤也可與其他過程結合來使用而不限于如本文中所述僅與渦輪發動機和相關的方法來實施。而是，示例性的實施例可與渦輪整體葉盤可利用工作流體運行的許多應用相聯系地來執行和利用。

盡管本公開的各個實施例的特定特征可在一些附圖中示出而在其他附圖中未示出，這僅是為了方便。根據本公開的實施例的原理，一附圖的任何特征可與任何其它附圖的任何特征相結合地來引用和/或要求保護。

本說明書使用示例來公開本發明的實施例(包括最佳模式)并且也使本領域技術人員能夠實踐本發明的實施例(包括制作和使用任何裝置或系統以及執行任何所包含的方法)。本文中所說明的實施例的專利保護范圍由權利要求來限定并且可包括本領域技術人員能想到的其他示例。這樣的其他示例如果其具有與權利要求的文字語言沒有不同的結構元件或者如果其包括與權利要求的文字語言沒有實質區別的等同結構元件意圖在權利要求的范圍之內。