CN103485832A - 叶片附连组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种叶片附连组件。公开一种用于将涡轮机转子叶片固定到转子轮上的组件和方法。在实施例中，提供设置在叶片和转子轮之间的转接器部件，转接器部件包括与叶片附连部件互补的转接器附连槽口，以及与转子轮附连槽口互补的转接器附连部件。提供盖板，其具有与转子轮附连槽口互补的盖板附连部件，以及用于接合转接器部件的钩。当组装好时，盖板部件与转接器部件匹配地接合，并且将叶片固持在转接器部件中，以及将组件固持在转子轮中。

Description

叶片附连组件
政府特许权利
本发明是在政府支持下，根据美国能源部授予的合同No. DE-FC26-05NT42643所作出的。政府对本发明具有某些权利。
技术领域
本发明大体涉及涡轮机，诸如燃气涡轮，并且更具体而言，涉及用于将旋转涡轮叶片附连到转子轮上的组件和方法。
背景技术
涡轮机(诸如燃气涡轮)中的旋转叶片在运行期间典型地经受非常高的温度。在过去，叶片和其它装置由金属制成，诸如高温钢和镍合金。需要对这些金属叶片添加冷却通道，以便防止叶片在运行期间熔化和变形。金属叶片的冷却要求所造成的工程困难的备选方案包括在金属叶片上使用陶瓷涂层，以及使用例如由陶瓷制成的完全非金属的叶片。陶瓷叶片提供额外的优点，诸如重量较轻，这会使涡轮机有更高的效率。
在金属叶片和转子轮之间的传统接头已经使用具有多个柄脚(tang)或表面的杉树附连或根部设计。例如，可使用三柄脚设计。相比之下，陶瓷叶片已经典型地使用具有单柄脚的鸠尾设计，这是陶瓷叶片不那么易于磨损和破裂(由于金属轮和陶瓷叶片之间有热失配)的布置。不管对涡轮机配备非金属叶片的优点如何，非金属叶片鸠尾和设计成接受具有杉树附连部件的金属叶片的转子轮的非互补的形状在这种情况下提出挑战。
发明内容
本公开的第一方面提供一种用于将具有叶片附连部件的叶片固定到具有转子轮附连槽口的转子轮上的组件。该组件包括设置在叶片和转子轮之间的转接器部件，转接器部件具有与叶片附连部件互补的转接器附连槽口，以及与转子轮附连槽口互补的转接器附连部件，其设置在转接器部件的与转接器附连槽口相对的端部上。组件进一步包括盖板部件，盖板部件包括与转子轮附连槽口互补的盖板附连部件；以及设置在端盖板附连部件的径向内端上的钩，其用于接合转接器部件，其中，钩相对于盖板部件，沿轴向固持转接器部件。当组装好时，叶片附连部件沿轴向***到转接器附连槽口中，盖板部件与转接器部件的前缘面匹配地接合，并且组装好的转接器附连部件和盖板附连部件沿轴向***到转子轮附连槽口中。
本公开的第二方面提供一种涡轮机，其包括可旋转地安装在定子内的转子，转子包括：轴和安装在轴上的至少一个转子轮，至少一个转子轮中的各个包括转子轮附连槽口；具有与转子轮附连槽口不互补的叶片附连部件的叶片；以及用于将叶片附连部件固定到转子轮附连槽口上的组件。该组件包括设置在叶片和转子轮之间的转接器部件，转接器部件具有与叶片附连部件互补的转接器附连槽口；以及与转子轮附连槽口互补的转接器附连部件，其设置在转接器部件的与转接器附连槽口相对的端部上。组件进一步包括盖板部件，盖板部件包括与转子轮附连槽口互补的盖板附连部件，以及设置在盖板附连部件的径向内端上的钩，其用于接合转接器部件，其中，钩相对于盖板部件，沿轴向固持转接器部件。当组装好时，叶片附连部件沿轴向***到转接器附连槽口中，盖板部件与转接器部件的前缘面匹配地接合，并且组装好的转接器附连部件和盖板附连部件沿轴向***到转子轮附连槽口中。
本公开的第三方面提供一种用于将具有叶片附连部件的叶片组装到具有转子轮附连槽口的转子轮上的方法。该方法包括：提供转接器部件，转接器部件包括与叶片附连部件互补的转接器附连槽口，以及与转子轮附连槽口互补的转接器附连部件；以及提供盖板部件，盖板部件包括与转子轮附连槽口互补的盖板附连部件，以及设置在盖板附连部件的径向内端上的钩。叶片附连部件沿轴向***到转接器附连槽口中；并且盖板部件置于转接器部件的前缘面上，使得转接器部件的前缘面和盖板部件的后缘面匹配地接合。利用盖板部件，叶片附连部件沿轴向保持在转接器附连槽口中。然后转接器附连部件和盖板附连部件沿轴向***到转子轮附连槽口中。
在另一个实施例中，所述转接器部件进一步包括在所述转接器部件的所述第二面上的壁，使得所述转接器部件附连槽口仅在所述第一面上开口。
一种涡轮机，包括：
可旋转地安装在定子内的转子，所述转子包括：
轴；以及
安装在所述轴上的至少一个转子轮，所述至少一个转子轮中的各个包括：
转子轮附连槽口；
具有叶片附连部件的叶片，其中，所述叶片附连部件的形状与所述转子轮附连槽口的形状不互补；以及
用于将所述叶片附连部件固定到所述转子轮附连槽口上的组件，所述组件包括：
设置在所述叶片和所述转子轮之间的转接器部件，所述转接器部件包括：
与所述叶片附连部件的互补的转接器附连槽口，
与所述转子轮附连槽口互补的转接器附连部件；
以及，盖板部件，所述盖板部件包括：
与所述转子轮附连槽口互补的盖板附连部件，
钩形装置，其设置在所述盖板附连部件的径向内端上，以接合所述转接器部件，其中，所述钩形装置相对于所述盖板部件，沿轴向固持所述转接器部件；
其中，所述叶片附连部件沿轴向***到所述转接器附连槽口中，
其中，所述盖板部件匹配地接合所述转接器部件的第一面，以及
其中，组装好的转接器附连部件和盖板附连部件沿轴向***到所述转子轮附连槽口中。
在另一个实施例中，所述转接器部件进一步包括在所述第一面上、在所述转接器附连部件和所述转接器附连槽口之间的斜面，以及其中，所述盖板部件进一步包括：在所述盖板部件的配合面上的斜面，其用于接合与所述转接器部件的所述第一面上的所述斜面，以及从所述盖板部件上的所述斜面沿径向向外延伸的面板，其用于沿轴向使所述叶片附连部件保持在所述转接器附连槽口内。
在另一个实施例中，所述盖板部件在所述组件上提供密封。
在另一个实施例中，所述叶片附连部件包括单柄脚鸠尾构造。
在另一个实施例中，所述转子轮附连槽口的形状和所述叶片附连部件的形状彼此不互补，以及其中，所述转子轮附连槽口包括下者中的一个：两柄脚构造；三柄脚构造；或者T形槽口构造。
在另一个实施例中，所述盖板部件包含金属合金。
在另一个实施例中，所述叶片包含下者的一个：选自由陶瓷和陶瓷基质复合材料(CMC)组成的组的非金属材料，或者金属合金。
在另一个实施例中，所述转子轮包含金属。
在另一个实施例中，所述转接器部件进一步包括在所述转接器部件的所述第二面上的壁，使得所述转接器部件附连槽口仅在所述第一面上开口。
根据以下详细描述，本发明的这些和其它方面、优点与显著特征将变得显而易见，当与附图结合时，以下详细描述公开本发明的实施例，其中，相同部件在所有图中由相同参考符号标示。
附图说明
图1显示燃气涡轮的横截面图。
图2显示根据本发明的实施例的、用于将叶片固定到转子轮上的组件的分解透视图。
图3显示根据本发明的实施例的、用于将叶片固定到转子轮上的组件的透视图。
图4显示根据本发明的实施例的、用于将叶片固定到转子轮上的组件的透视图。
图5显示根据本发明的实施例的、用于将叶片固定到转子轮上的组件的侧视图。
图6显示根据本发明的实施例的、固定到转子轮上的叶片的透视图。
图7显示根据本发明的实施例的、固定到转子轮上的叶片的侧视图。
要注意的是，未必按比例绘制本公开的图。图意于仅描绘本公开的典型方面，并且因此不应认为是限制本公开的范围。在图中，相同标号在各图之间表示相同元件。
部件列表：
10涡轮
12转子
14轴
18转子轮
20叶片
22导叶
27单柄脚
28叶片附连部件
30转接器部件
32转接器部件槽口
34转接器附连部件
36, 48斜面
38多柄脚
39壁
40盖板部件
42面板部件
44盖板附连部件
46钩
52转子轮槽口
60第一面
62第二面
64前缘
66后缘
70, 72轴向固持装置
74空间
100组件。
具体实施方式
在下面参照本发明结合呈燃气涡轮的形式的涡轮机的应用以及涡轮机的运行来描述本发明的至少一个实施例。另外，在下面参照标称大小以及包括一组标称尺寸来描述本发明的至少一个实施例。但是，对本领域的以及得到本文的教导的引导的技术人员应当显而易见的是，本发明的实施例同样适用于任何适当的涡轮和/或发动机，诸如例如，蒸汽涡轮。另外，对本领域的以及得到本文的教导的引导的技术人员应当显而易见的是，本发明的实施例同样适用于标称大小和/或标称尺寸的各种比例。
参照附图，图1显示燃气涡轮10的横截面图。涡轮10包括转子12，转子12包括轴14和多个沿轴向隔开的转子轮18。在一些实施例中，各个转子轮18可由金属制成，诸如例如钢。多个旋转叶片20机械地联接到各个转子轮18上。更特别地，叶片20布置成围绕各个转子轮18沿周向延伸的排。多个固定导叶22围绕轴14沿周向延伸，并且沿轴向定位在成相邻的排的叶片20之间。
在运行期间，大气压力下的空气被压缩机压缩，并且被输送到燃烧级。在燃烧级中，通过对空气添加燃料，以及燃烧产生的空气/燃料混合物，来加热离开压缩机的空气。由于燃烧级中的燃料燃烧而产生的气体流然后通过涡轮10而膨胀，从而输送其一些能量来驱动涡轮10，以及产生机械功率。为了产生驱动力矩，涡轮10由一个或多个级组成。各个级包括成排的导叶22和安装在转子轮18上的成排的旋转叶片20。导叶22将来自燃烧级的进入气体引导到叶片20上。这会驱动转子轮18旋转，以及因此，轴14产生机械功率。
图2-7显示用于将呈它们的周向布置的叶片20固持在转子轮18周围的组件100的各方面。
如图2中显示的那样，各个叶片20包括用于将叶片20固定到转子轮18(图1和6-7)上的外凸式叶片附连部件28。如图6中显示的那样，各个转子轮18还包括叶片附连部件28可***到其中的内凹式转子轮附连槽口52。在一些实施例中，叶片附连部件28可与转子轮附连槽口52互补。在这种实施例中，叶片附连部件28和转子轮附连槽口52互补，因为叶片附连部件28与其所***的内凹式转子轮附连槽口52具有相同数量的柄脚或表面，并且叶片附连部件28与转子轮附连槽口52匹配地接合，在相对的表面之间有紧密配合。例如，叶片附连部件28和转子轮附连槽口52可分别包括外凸式单柄脚鸠尾27，以及互补的匹配的内凹式单柄脚鸠尾槽口。在这种示例中，叶片附连部件28通过叶片附连部件28和转子轮附连槽口52之间的这个紧密配合而牢固地固持在互补转子轮附连槽口52中。
在其它实施例中，诸如图2-7中显示的那些，叶片附连部件28和转子轮附连槽口52可为不互补的。如图2中显示的那样，叶片附连部件28可具有带有单柄脚27的外凸式鸠尾形状。转子轮附连槽口52可具有各种各样的非互补(相对于叶片附连部件28)几何构造中的任一个，包括(但不限于)包含不止一个柄脚38(例如，两个柄脚(未显示)或三个柄脚38(图2))的杉树几何构造。在其它实施例中，转子轮附连槽口52可具有T形槽口构造。
即使单柄脚27叶片附连部件28可***到多柄脚38转子轮附连槽口52中，即，即使单柄脚27不超过转子轮附连槽口52的任何尺寸，叶片附连部件28也不会牢固地固定在转子轮附连槽口52中，因为非互补形状之间的配合不佳。
另外，叶片附连部件28和转子轮18可由或者可不由相同或相似的材料制成。叶片20(包括叶片附连部件28)可由金属材料或非金属材料制成。在其中叶片20为非金属的实施例中，叶片20可为例如涂有陶瓷的金属、陶瓷或者陶瓷基质复合材料(CMC)。这样的非金属实施例可与单柄脚27鸠尾附连部件28一起采用。转子轮18可由金属制成，诸如例如，钢或金属合金。
为了将叶片20固定到转子轮18上，特别是在叶片附连部件28和转子轮附连槽口52不互补的情况下，可使用转接器部件30。回头参照图2，转接器部件30包括具有与叶片20上的叶片附连部件28的形状互补的形状的内凹式转接器附连槽口32。特别地，转接器附连槽口32可具有与叶片附连部件28的单柄脚27鸠尾互补的形状。转接器部件30还可包括在转接器部件30的与转接器附连槽口32相对的端部上的外凸式转接器附连部件34。转接器附连部件34的几何构造可具有与转子轮附连槽口52(图6)的形状和几何构造互补的形状和几何构造。特别地，转接器附连部件34可具有在形状和尺寸上设置成接收在转子轮附连槽口52中的多柄脚38杉树形状。在各种实施例中，转接器附连部件34可具有单柄脚鸠尾构造、两柄脚杉树构造、三柄脚杉树构造或T形槽口构造。转子轮附连槽口52可在形状和尺寸上设置成接收转接器附连部件34。本文示出的互补的转接器附连部件和槽口对的特定形状不意于有限制意义。转接器附连槽口32和转接器附连部件34中的各个沿着转接器部件30，基本沿轴向、沿长度方向延伸。
转接器部件30包括设置在转接器部件30的轴向端上的第一面60和第二面62。当转接器部件30组装到叶片20上时，如图3-5中显示的那样，转接器部件30可相对于叶片20定向，使得第一面60基本对准叶片20的前缘64，而第二面62基本对准叶片20的后缘66。
转接器部件30可进一步包括第一面60上的斜面36。斜面36沿着第一面60在转接器附连部件34和转接器附连槽口32之间提供一角度，使得转接器附连部件34的轴向长度比转接器部件30的形成转接器附连槽口32的径向外部部分的轴向长度更短。换句话说，转接器附连槽口32在转接器部件30的较接近第一面60的轴向端上具有比转接器附连部件34更长的轴向长度，并且延伸超过转接器附连部件34，如图5中显示的那样。
继续参照图5，在转接器部件30的第二面62上，转接器部件30包括实心面或壁39，实心面或壁39防止叶片附连部件28在第一面60上进入转接器附连槽口32而从第二面62侧离开。如图3-7中显示的那样，叶片附连部件28从具有用于转接器附连槽口32的开口的第一面60侧沿轴向***到转接器附连槽口32中。叶片附连部件28基本占据转接器附连槽口32的整个轴向长度，而不延伸超过转接器附连槽口32。如本文在下面进一步论述的那样，转接器部件30还可包括轴向固持装置70(图5)，轴向固持装置70设置在第二面62上，并且从第二面62沿轴向向外延伸，并且沿径向向内延伸而形成钩形部件。
组件100可进一步包括图2中显示的盖板部件40，盖板部件40可由金属制成，并且在各种实施例中，更特别地可为镍基超合金、铝化钛(TiAl)，或者另一种适当的合金。盖板部件40包括盖板附连部件44，其具有与转子轮附连槽口52(在图6中显示)的形状基本互补的形状，而且另外，基本与转接器附连部件34共享几何构造。面板部件42(图5)从盖板附连部件44沿径向向外延伸，并且在形状和尺寸上设置成使得当组装好时，面板部件42基本覆盖第一面60，并且闭塞第一面60中的、通入到转接器附连槽口32中的开口。盖板部件40另外包括在盖板附连部件44的径向内端处的钩46，当如图3-5中那样组装好时，钩46向内钩向转接器部件30。
回头参照图2，盖板部件40进一步包括在盖板部件40的内部面上、在盖板附连部件44和面板部件42之间的斜面48。当组件100如图4-5中显示的那样组装好时，盖板部件40上的斜面48与转接器部件30的第一面60上的斜面36匹配地接合，即，斜面48以与转接器部件30上的斜面36的角度相反的角度倾斜。
当组装好时，面板部件42覆盖转接器部件30的第一面60 (图3-5)，并且沿轴向使叶片附连部件28保持在转接器附连槽口32内。如图5中最佳地显示的那样，叶片附连部件28在转接器附连槽口32中固持在壁39和面板部件42之间，并且盖板部件40与转接器部件30匹配地接合。另外，钩46接合转接器部件30，从而固定盖板部件40相对于转接器部件30的轴向位置。
如图6-7中显示的那样，通过沿轴向将转接器附连部件34和盖板附连部件44***到转子轮附连槽口52中，来将组件100固定到转子轮18上。组件100分别通过转接器部件30和转子轮18上的轴向固持装置70、72，而沿轴向固持在转子轮附连槽口52内。在图5中最佳地看到轴向固持装置70；在图6中最佳地看到轴向固持装置72。如上面提到的那样，轴向固持装置70设置在转接器部件30的第二面62上，并且形成沿轴向向外和沿径向向内延伸的钩形。转子轮18上的轴向固持装置72类似地成形，并且位于在转子轮18的外周边附近。当如图7中显示的那样组装好时，轴向固持装置70、72对准且在轴向固持装置70、72和转子轮18之间形成空间74，以布置轴向固持缆索(未显示)。照这样，转接器部件30和盖板部件40允许叶片20固定到转子轮18上。
盖板部件40在组件100和转子轮18上提供密封，从而除了其它小空间之外，防止热的气体泄漏到转子轮槽口52中。此密封件有利于使用由具有不同的热膨胀系数的不同的材料制成的转子轮18和叶片20，同时最大程度地降低暴露于热的气体而造成的破裂或损害的风险。密封还可扩大可制成转子轮18的潜在材料的范围，因为特别成形的转子轮附连槽口52不会经受来自涡轮环境的热气。
还提供一种方法将叶片20附连到转子轮18上。叶片20包括叶片附连部件28，并且转子轮18包括转子轮附连槽口52，它们可具有与彼此不互补的几何构造。如图2中显示的那样，最初，如前面描述的那样提供叶片20和转接器部件30。转接器部件30包括：转接器附连槽口32，其具有与叶片附连部件28的几何构造互补的几何构造，使得叶片附连部件28在形状和尺寸上设置成接收在转接器附连槽口32中；以及转接器附连部件34，其与转子轮附连槽口52互补，使得转接器附连部件34在形状和尺寸上设置成接收在转子轮附连槽口52中。还提供盖板部件40，其具有盖板附连部件44，盖板附连部件44具有与转子轮附连槽口52的几何构造互补的几何构造。朝向内的钩46设置在盖板附连部件44的径向内端上。
如图3-5中显示的那样，叶片附连部件28沿轴向***到转接器附连槽口32中，使其填充转接器附连槽口32，并且贴靠着壁39。然后盖板部件40置于转接器部件30的第一面60上，使得第一面60与盖板部件40匹配地接合。盖板部件40的一部分(其特别地可为面板部件42)在转接器部件30的第一面60上覆盖转接器附连槽口32的开口端，从而防止叶片附连部件28滑出。另外，盖板部件40在组件100上提供密封，从而防止来自运行环境的热气进入组件中的小空间。
因而装配在一起的组件100然后可如图6-7中显示的那样沿轴向***到转子轮附连槽口52中，使得互补的转子轮附连槽口52和转接器附连部件34/盖板附连部件44接合彼此。这相对于转子轮18使叶片20锁定就位。然后组件可通过设置在轴向固持装置70、72和转子轮18之间的缆索，固定到转子轮18上。
前述组件100和将叶片20组装到转子轮18上的方法允许能够(例如)将具有单柄脚27鸠尾形状的附连部件的叶片改型到设计成接受多柄脚38杉树几何构造的叶片根部的转子轮中。这允许用例如具有与转子轮的附连几何构造不同的附连几何构造的非金属叶片或金属合金叶片对现有涡轮10改型。
如本文所用，用语“第一”、“第二”等不表示任何顺序、数量或重要性，而是相反，它们用来区分一个元件与另一个元件，而且用语“一个”和“一种”在本文中不表示对数量的限制，而是相反，它们表示存在所引用的项目中的至少一个。与数量结合起来使用的修饰语“大约”包括本数，并且具有上下文所规定的含义(例如包括与特定数量的测量相关联的误差程度)。如本文所用，后缀“(一个或多个)”意于包括其修饰的项目的单数和复数两者，从而包括那个项目中的一个或多个(例如金属(一种或多种)包括一种或多种金属)。本文公开的范围是包括性的和可独立地组合的(例如，范围“高达大约25 mm，或者更特别地，大约5 mm至大约20 mm”包括“大约5 mm至大约25 mm”的范围的端点和所有中间值)。
虽然在本文中描述了多种实施例，但根据说明书将理解的是，本领域技术人员可在其中对元件、变型或改进进行各种组合，而且它们都在本发明的范围内。另外，可作出许多改良，以使特定的情形或材料适于本发明的教导，而不偏离本发明的实质范围。因此，意于的是本发明不限于被公开为为了执行本发明而构想的最佳模式的特定实施例，本发明而是将包括落在所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (10)

1. 一种用于将具有叶片附连部件的叶片固定到具有转子轮附连槽口的转子轮上的组件，所述组件包括：
设置在所述叶片和所述转子轮之间的转接器部件，所述转接器部件包括：
　　与所述叶片附连部件互补的转接器附连槽口，
　　与所述转子轮附连槽口互补的转接器附连部件；
以及，盖板部件，所述盖板部件包括：
　　与所述转子轮附连槽口互补的盖板附连部件，
　　钩形装置，其设置在所述盖板附连部件的径向内端上，以接合所述转接器部件，其中，所述钩形装置相对于所述盖板部件，沿轴向固持所述转接器部件；
其中，所述叶片附连部件沿轴向***到所述转接器附连槽口中，
其中，所述盖板部件匹配地接合所述转接器部件的第一面，以及
其中，组装好的转接器附连部件和盖板附连部件沿轴向***到所述转子轮附连槽口中。
2. 根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述盖板部件进一步包括相对于所述钩形装置沿径向向外延伸的面板，以及其中，当组装好时，所述面板沿轴向使所述叶片附连部件保持在所述转接器附连槽口内。
3. 根据权利要求2所述的组件，其特征在于，所述转接器部件进一步包括在所述第一面上、在所述转接器附连部件和所述转接器附连槽口之间的斜面，以及
其中，所述盖板部件进一步包括在所述盖板部件的配合面上的、设置在所述钩形装置和所述面板之间的斜面，以接合所述转接器部件的所述第一面上的所述斜面。
4. 根据权利要求2所述的组件，其特征在于，所述盖板部件在所述组件上提供密封。
5. 根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述叶片附连部件包括单柄脚鸠尾构造。
6. 根据权利要求5所述的组件，其特征在于，所述转子轮附连槽口的形状和所述叶片附连部件的形状彼此不互补。
7. 根据权利要求6所述的组件，其特征在于，所述转子轮附连槽口包括下者中的一个：
两柄脚构造；
三柄脚构造；或者
T形槽口构造。
8. 根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述盖板部件包含金属合金。
9. 根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述叶片包含下者中的一个：
选自由陶瓷和陶瓷基质复合材料(CMC)组成的组的非金属材料；或者
金属合金。
10. 根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述转子轮包含金属。
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