CN1042216A - 具有侧进叶片的透平转子 - Google Patents

Abstract

一个透平转子中轴向延伸的槽(38)和装配在槽(38)中的叶片(22)，包括设置在环形切口(42)中和叶根(34)上加工的键槽(36)中的锁定装置(40)，这样，上述锁定装置就延伸到相邻的叶根(34)，从而防止上述锁定装置(40)脱离相应的叶根(34)，而至少防止将安装在转子(24)中的上述末叶片(62)锁定的锁定装置(56)脱离；该锁定装置由两个带有可变形段(60、61)的部件组成，在安装末叶片时搭接，然后使之变形互相顶接，以防止上述锁定装置(56)脱离。

Description

本发明涉及到诸如被用于压气机、风机和透平中的转子，尤其涉及到一种将侧进叶片锁定在这样的转子中的装置。

压气机、风机、透平以及类似的机械采用装有多个叶片的转子。这样的叶片排成一列或多列，沿着转子轴向相间隔布置。在每列中，叶片围绕着转子的周边圆周向布置。

在运行期间，由于在叶片上施加了高稳定和振动的力，所以叶片装到转子上的方法需要仔细设计。装配的一种方法是利用在转子周边内加工的近似轴向延伸的槽。槽的外形可以是纵树形、半圆周形、倒T或其一些变型。每个叶片在它的基部有一个相应的根部，其基部是精密靠模加工的，使其与转子槽的外形相配合。每个叶片靠将叶片的根部滑入一个转子槽内来装在转子中。以这种方式固定到转子上的叶片称为侧进叶片。由于叶根和转子槽的尺寸和外形严格相配，使叶片在切向和径向的运动严格地受到限制。然而，称为锁定的叶片在轴向的限制需要一种单独装置。过去，已经设计出各种各样的锁定装置。一般，根据固定点的位置不同，可以将它们分成两类。

应用到叶片上的第一类锁定装置，是在每个叶型的基部处加工成一个平台，彼此紧靠的相邻叶片的平台构成一个围绕着转子周边的环。在这种结构中，锁定装置通常被用在转子的周边。

应用到叶片上的第二类锁定装置，在叶型的基部没有支座平台，因而，不能依靠平台去卡住锁定装置。在这种结构中，锁定装置通常被用在转子槽的底部。在日本第54-130710号中揭示的一种方法包括一个位于槽底的轴向通道的锁定板和锁定板两端处的能顶着叶根的上游和下游表面弯曲的特制舌片。美国第2753149号专利中揭示的第二种方法则利用一个铆钉，该铆钉设置在叶根基部和转子槽底部的轴向相配的槽中。在美国第3759633号专利中揭示的第三种方法，采用一些珠子，珠子与在叶根基部和转子槽的底部呈半球形凹陷处配合装设。在美国第4466776号专利中揭示的第四种方法，利用两个设在叶根基部的前后切口中的切向键，该键由其两端生出的接头状突出部卡住，突出部弯曲顶住叶根的两侧。

由本发明受让人所设计的燃气轮机的压气机转子包括有叶片，其叶型直接从叶根生出而没有中间平台。因此不能利用前面介绍过的，依靠叶片平台配合来卡住锁定装置的第一类锁定装置。而在过去，轴向运动是靠一个径向定位弹簧和销子来制动的。在这种方法中，每个叶片的安装是：首先将一个弹簧放在转子槽底部的一个孔内，並在弹簧的顶部，通过对销子加力，将弹簧压进孔中。叶片根部被滑进槽内，且当叶根底部机加工的一个切口通过销子时，弹簧力驱动销子部分地从孔中出来进入切口而被锁住。拆卸叶片是通过对叶根施加一个足以将销子切成两半的轴向力，将叶片抽出。

然而，这种方法有一些缺点。首先，锁定装置避开了视线，而一旦叶片***槽内，就不能看清楚它是否安装正确。由于在每个转子上可能有1000多个叶片，这个缺点就使得难于对转子正确锁定进行检查，且又很费时间。然而，一个未锁定的压气机叶片，运行中一旦松动，就可能造成压气机动叶和静叶的严重损坏，从而使燃气轮机无法运行直到被修复。应该注意到，先有技术中所用的锁定装置均有类似的缺点。

第二个缺点是因为槽的底部是转子的高应力区，而孔的存在使这些应力集中，因此加剧了断裂的潜在危险。

第三个缺点涉及到锁定装置的强度。正如下面要说明的，众所周知，销子在运行中损坏会造成叶片松脱。

在全速运行时，由于各级叶片前后的压力升高，使叶片被轴向地向前推动。由于叶片上的离心力很大，因此在叶根处有足够的摩擦阻力，防止叶片向前滑动。然而，当燃气轮机停机时，不允许它的转子立即停下来，通常是使转子在低转速下转动，直到它充分冷却为止，以防止形成转子热弯曲的危险性;因为这样的弯曲会使转子在下次起动时造成大的振动。这种冷却时间可能为几天。冷却期间，由于气缸内温度分布不均匀，压气机气缸可能会发生变形，造成旋转叶片顶部和气缸相碰，即叶片顶部摩擦现象。由于压气机气缸随着它向后延伸稍有收缩，以适应空气经受压缩时，所需要的流动面积缩小，顶部摩擦产生一个促使叶片向前的轴向力。在冷却期间，叶片上的离心力为零，对叶片在槽中滑动几乎没有摩擦阻力。因此顶部摩擦产生的轴向力传递给销子。然而，销子必须薄弱到足以允许其被切断以便叶片可以拆卸，如前所述，而不损坏装有销子的转子槽中的孔或叶根中的切口。因此，如果顶部摩擦严重，就可能导致销子切成两半，从而使叶片松脱。正如前面所述，一个松脱的叶片可以导致压气机严重损坏。

最近设计的压气机，由于需要给叶根涂一种润滑剂，以避免因叶片上的振动负载使叶根或转子槽产生摩擦疲劳裂纹，更加重了该第三个缺点。润滑剂涂层降低了叶根和槽之间的摩擦系数，从而降低切断一个锁定销子所需要的顶部摩擦的力度。

应该注意到，如在第二类中所述的其它锁定装置，可以应用到其叶片没有支座平台的转子上，但为承受顶部摩擦产生的大的轴向力，在锁定装置的能力上具有相类似的局限性。

最后，应用先有技术中的许多锁定装置，诸如在美国第4676723、2867408和2843356号专利中，瑞士第313027号专利和日本第54130710号专利中揭示的，都要求安装的末叶片或倒数第二个叶片是特殊型式的。这样的要求就增加了必须存放在库中叶片的数量，因此是要避免的。

因此，本发明的主要目的是提供一种用于锁定没有支座平台的侧进叶片的装置，能够对锁定装置目视检查，能够经受大的轴向力，而不减弱锁定功能，並且不损坏叶片或转子即可拆去叶片。

以此为目的，本发明在于：一个透平转子，它有多列具有多个近似轴向延伸的槽，在每列中，槽围绕着上述转子的周边间隔设置，且每一个上述槽设置一个叶片，每个上述叶片都具有一个叶根部分和从上述叶根部分直接生出的叶型部分，而没有中间平台;每个上述叶根具有第一和第二个近似轴向延伸的侧面，适合于通过滑入的办法安装到上述转子中;其特征为：围绕上述转子靠近其外圆开了一圈环形切口，这样，一段上述切口就置于每对相邻的上述槽之间，上述切口的宽度在其底部比在其外圆上大;而上述每个叶根的锁定装置滑动地装到每对相邻的上述叶根之间的上述环形切口中，每个上述锁定装置的宽度在其底部比在外圆处大，这样，上述锁定装置就与上述环形切口相匹配，並且在每个上述叶根的上述第一个近似轴向延伸侧面中加工一个键槽，使其与上述环形切口对准;而上述每个锁定装置将键的一端插进上述叶根中的上述键槽中，以阻止叶根的轴向移动;此外末叶片还有上述锁定装置的另一些端头，延伸到相邻叶根的第二个侧面，由此防止上述锁定装置的键端部脱离相应的叶根，至少是防止将装在上述转子中的上述末叶片锁定的上述锁定装置脱离，该锁定装置由两个带有可变形段的部件组成，安装末叶片时两者搭接，然后使之变形互相顶接，以防止上述锁定装置脱离上述末叶片。

从以下对仅作为举例在附图中所示的较佳实施例的叙述，本发明将变得更易于明了，其中：

图1是一个轴流压气机的纵断面图，示出转子和压气机气缸;

图2是沿图1中Ⅱ-Ⅱ线剖得的断面图，示出一列转动叶片;

图3是一台压气机叶片的透视图，示出根据现有发明的叶根体中的一个切口;

图4是转子轮盘的一段圆周的透视图，示出根据本发明的环形切口;

图5的透视图示出图3中所示的压气机叶片被安装在图4中所示的轮盘中，並按本发明锁住;

图6是图4中所示的转子轮盘的一段圆周的平面图，示出根据本发明被锁住的两个窄节距的叶片;

图7是根据本发明，适用于窄节距叶片的锁定装置透视图;

图8是通过图7中所示的锁定装置的垂直断面图;

图9是图4中所示转子轮盘一段圆周的平面图，示出根据现有发明被锁住的两个宽节距叶片;

图10是根据本发明适用于宽节距叶片的一个锁定装置和定位块的透视图;

图11是转子轮盘一段圆周的平面图，示出根据本发明对所装的末叶片锁定;和

图12是图11中所示用于锁定末叶片的锁定装置和定位块的平面图。

参考附图，其中相同的数码代表相同的部件。图1示出诸如用于燃气轮机的一台轴流压气机，箭头表示被压缩的流体流动方向。压气机包括一个气缸20，其中对中安装一个转子。转子包括一个轴26，轴上沿轴向间隔设有多个轮盘24。正如图2所示，第一个轮盘是典型的，多个叶片22固定在轮盘24的圆周上构成一列，每列叶片与轴一起在气缸20中转动，在每个叶片顶部和气缸20的内表面之间存在一个小的径向间隙21。多个静叶28被固定在气缸的内表面，构成的叶列被***旋转叶列22之间，如图1所示。

如图3所示，每个叶片22包括叶型30和叶根34，叶型直接从叶根生出，因此在叶片的基部没有平台。叶根的上部构成具有两个近似轴向延伸的侧面32和33的叶根体47，叶根34的尺寸和外形与图4所示的沿轮盘24外圆间隔设置的轴向延伸的那些槽38紧密配合。每个叶片通过将叶根34滑入其对应的槽38中而被夹持在轮盘中，如图5所示。

在运行时，叶片受到旋转引起的作用在其上的离心力的径向推动，而且受到空气流动引起的作用在其上的空气动力的切向推动。然而，叶根和槽的尺寸及形状的紧密配合，防止了叶片径向和切向的移动。在运行时，叶片还受到叶列前后压升产生的相对较小的力而被轴向向前推动。这个轴向力足以被由于叶片上的离心力而在叶根和槽的接触表面之间产生的摩擦阻力所抵消，因此不发生轴向移动。但是，当转子以非常低的转速运行时，诸如象前面所讨论的，在冷却期间，叶根和槽之间小的间隙（这是不可避免的机加工可差）使叶片能在旋转时左右来回摆动。因此，必须将叶片轴向箍制住，这称为锁定，以防止叶片在左右来回摆动时逐渐从槽内移出。正如前面介绍的，在冷却期间，气缸的热变形使径向顶部间隙21消失，可以导致叶型顶部和气缸内表面摩擦。由于气缸向后延伸时成收缩形，如图1所示，这种摩擦力会在叶片上产生很大的轴向力，因此锁定装置必须能承受很大的轴向力。

根据本发明，锁定是通过在每个叶根体47的侧面32中加工一个如图3所示的切口或键槽36，同时围绕转子轮盘24的外圆加工一个如图4所示的环形切口42而实现的，这样在每对相邻的槽38之间就形成一段环形切口42。该切口可以具有倒T形的横断面，或者任何其他适当的形状，只要它基部处的宽度比外圆处的宽度宽，以便于卡住锁定装置。对每一叶根提供一个包括一个弧形构件的锁定装置。一种型式的锁定装置40示于图7。锁定装置40的中部48的外表面的曲率半径与轮盘外圆的曲率半径相等，以便如图5所示，在安装后，获得一个空气动力学上平滑的表面。在锁定装置的一端构成键44，它可以***叶根中的键槽36。锁定装置断面的形状与环形切口的形状相似，如图8所示;从锁定装置的两侧41生出的导轨46与切口42配合，以支撑装置上的离心力负载並阻止径向的移动。

叶片按顺序安装並锁定在转子上;一个叶根滑进一个槽中，而后将一个锁定装置40放入与具有键槽36的叶根体的侧面32相邻的空槽中。图7中所示的支撑导轨46的长度49比图4所示槽38的上部的宽度37要小。因此，锁定装置可以放入槽中並切向地滑动入切口42中，以使它的键44与叶根中的键槽36啮合，如图5和6所示。然后，下一个叶片被装入上述邻近槽中，並重复这个过程，直到除末叶片之外的所有叶片装完。每个锁定装置40从被锁定的叶片的键槽延伸到相邻叶片根部，以便如图6所示，使锁定装置40的端部紧靠在相邻叶根的侧面33上。于是，通过限制锁定装置的圆周方向运动防止了键的松脱。

按照发明的一个重要方面，图12中示出的一个专用的锁定装置56和定位块58，是用于锁定被安装的末叶片的。该专用的锁定装置与标准锁定装置40相似，只是较短並特制了一个从键44对端伸出的可变形的凸尖60。可变形凸尖60的宽度近似为锁定装置56的中部48厚度的一半。定位块58特制了一个相似的凸尖61，位于其中部53的对侧。在末叶片62***前，如图11所示，该定位块53被放进最后的槽中並滑入环形切口42中，以使凸尖61的对端紧靠在第一个安装的叶片64的叶根体侧面33上。下一步将该专用的锁定装置滑进该切口，以使凸尖60和61彼此滑过。在这个状态下，专用锁定装置和定位块的组合长度，比末叶片62的叶根体和第一个叶片64的叶根体之间的距离要小，因而使末叶片62能滑进最后一个槽中。然后，锁定装置对着末叶片滑动，以使它的键与末叶片中的键槽相啮合，而凸尖60和61分别轴向地向后和向前弯曲，以使它们彼此相顶接。由于现在该专用锁定装置和定位块的组合长度近似等于末叶片中键槽和第一个叶片叶根体之间的距离，则依靠限制锁定装置圆周方向的运动，就防止了锁定装置松脱。

应该注意到，由于键44插进键槽36容易目视到，所以易于对锁定装置是否安装得当进行检查。进而，其锁定装置的强度，以及由此它承受轴向力的能力，通过增大键44的厚度，均可使之大小适当。还请注意，末叶片的锁定与其它叶片一样可靠，並且在末叶片上不需要任何专门的改进，于是使叶片库存的要求简化。拆卸过程亦容易，可以通过将专用锁定装置上的和用于锁定末叶片的定位块上的可变形凸尖向回弯並按与安装时相反的顺序来完成。于是锁定装置的强度不受为了拆下叶片而必须将键切断或者破坏的限制。

锁定装置40如前所述多用于窄节距叶片，即相邻叶片间的圆周距离小的叶片，如图6中所示。当叶片为宽节距时，如图9中所示，相邻叶片间的圆周距离较大，从而锁定装置的中部48的长度也必须较大。这就使施加到支撑导轨46上的离心力增大。但是，如前所述，为了使锁定装置能放入，支撑导轨的长度49限制为槽的上部的宽度37。因此，可能出现这样的情况，即支撑导轨的长度不足以承受锁定装置上的离心力。根据本发明，这个问题可以通过采用图10中所示的锁定装置50和定位块52来解决。定位块设置在环形切口中，定位块的一端紧靠锁定装置，而另一端紧靠在相邻的叶根体上，如图9所示。于是靠充塞锁定装置和相邻叶根之间的那段环形切口，如以前那样阻止锁定装置圆周方向的运动，来防止键的松脱。这样，通过将锁定装置分解成两段，可以使支撑导轨的长度长到足以承受它上面的离心力，然而又短到足以能放进槽的上部。

应该注意到，虽然结合一台燃气轮机的轴流式压气机描述了本发明，但它可以应用到任何以侧进叶片为特征的转子中。

Claims (1)

1、一种透平转子(24)，它有多列具有多个近似轴向延伸的槽(38)，在每一叶列中槽(38)围绕着上述转子的外圆间隔设置；且每一个上述槽(38)设置一个叶片(22)；每个上述叶片(22)都具有一个叶根部(34)和从上述叶根部直接生出的叶型部(30)，而没有中间平台，而每个上述叶根(34)具有第一和第二个近似轴向延伸的侧面(32)和(33)，适合于通过滑入的办法安装到上述转子(24)中；其特征为：一圆环形切口(42)围绕上述转子(24)靠近其外圆延伸，这样上述切口(42)的一段就置于每对相邻的上述槽(38)之间，上述切口(42)的宽度在它的底部比在外圆处大，而用于上述每个叶根(34)的锁定装置(40)可滑动地装到每对相邻的上述叶根(34)之间的上述环形切口(42)中，每个上述锁定装置(40)的宽度在它的底部比在外圆处大，这样上述锁定装置(40)就与上述环形切口(42)相配合，並且在每个上述叶根(34)的上述第一个近似轴向延伸的侧面(32)中加工一个键槽(36)以便使其与上述环形切口(42)对准，而上述每个锁定装置(40)让键的一端插进上述叶根中的上述键槽(36)中，以阻止叶根的轴向移动；而此外，上述叶片的末片(62)具有上述锁定装置的另一些端头，延伸到相邻叶根(34)的第二个侧面(33)，由此防止上述锁定装置(40)的键端部脱离相应的叶根(34)，至少是防止将装在上述转子(24)中的上述末叶片(62)锁定的上述锁定装置(56)的脱离，该锁定装置由两个带有可变形段(60、61)的部件组成，安装末叶片时两者搭接，然后使之变形互相顶接，以防止上述锁定装置(56)脱离上述末叶片(62)。

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