CN1289789C - 涡轮叶片布置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涡轮叶片布置，该布置包括旋转叶片(4)，各叶片设置有可分别径向***涡轮盘外周(2)上的槽(9)中，牢固固定的根部(8)，且该叶片分别设置有叶型(5)，该叶型具有位于涡轮盘侧部上的端部区中的横向平台(6)。根据本发明，至少一个平台部件(10)借助独立于叶片根部(8)的夹持元件连接至涡轮盘上，以延长旋转叶片的叶型。

Description

涡轮叶片布置
技术领域
本发明涉及一种具有旋转叶片的涡轮叶片布置，其中旋转叶片以预定间隔布置在涡轮盘的外周上，且每个均具有一叶片根部，该叶片根部在各种情况下能以形状锁定的方式径向***到该涡轮盘外周上的槽内，且该叶片每个均具有一叶型，该外形在涡轮盘侧端区横向地具有一平台。
背景技术
为了提高效能或涡轮功率输出，并因而提高涡轮的有效横截面，通常将涡轮旋转叶片的叶型延长，以实现流经的热工作流体的更好的利用或更大的功率输出。然而，叶型的这种延长受多种参数的限制。
具体地，延长的叶型和相应增加的移动质量因所作用的离心力而在涡轮盘的毂区域施加一大的载荷。通过借助涡轮盘的轴向延长来增加毂区域的承载表面，已进行了诸多尝试以抵销上述载荷。然而，此延长的可能性是受到限制的。增大的叶型不仅使毂受到更大的载荷，还使一区域也受到大的载荷，在该区域中，涡轮叶片通过其根部而***到涡轮盘外周的槽中。叶型的延长还可在涡轮盘毂的方向上发生。然而，其结果是，外周的槽之间的距离将变得更小，因此其间的涡轮盘区域，具体地是最接近毂的被构造成根部切口的槽区域受到甚至更大的载荷。然而，现阶段，此载荷几乎达到其最大值，且已经不可能再增加，而没有损坏涡轮盘的危险。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种涡轮叶片布置，该布置使得可以延长旋转叶片的外形，而涡轮盘的槽上或旋转叶片根部上的局部载荷没有增加，或仅是不明显地增加。
该目的通过平台的至少一部分实现，该平台借助独立于叶片根部的夹持装置连接到涡轮盘上。通过连接到涡轮盘上的该平台，与涡轮盘一起旋转的旋转叶片导致的离心力中的至少一部分由至涡轮盘的该夹持装置传递至位于根部区之间的区域。因此，至少一部分离心力载荷不必由叶片根部或其中***该根部的槽吸收，并且不必传递至涡轮盘。因此，作为载荷重分布的结果，该载荷更均匀地引导至涡轮盘，且免除了该旋转叶片的根部和其中***该根部的槽的应力过度，该应力过度对该区域的强度不利。因为最大应力过度在最下部的槽区域中发生，所以这一点在根部切口区域内尤其重要，该区域呈绕毂的一圆环且贯穿最下部的槽区域。此外，对于平台和叶片之间的过渡区，可以适当地制造得较薄和较小，因为因固定在叶片上的凸出平台而在传统叶片的此区域中发生的撬动力因该夹持装置的使用而完全得以吸收。另外，该窄小的结构导致进一步的重量减轻。旋转叶片的外形因此可以延长，而涡轮盘槽或旋转叶片根部上的局部载荷不增加，或根据伸长量而仅有不明显的增加。因此，涡轮的效能可以增加，而对涡轮盘和叶片的强度没有任何负面影响。
如果借助该夹持装置连接到涡轮盘上的平台部件独立于旋转叶片制造，则该夹持装置吸收由该平台部件导致的所有离心力载荷。因此，该槽不再承受载荷。通过完全分开的多个平台部件以及多个具有叶型和叶片根部的旋转叶片，起作用的离心力借助到涡轮盘上的各连接得以分别吸收。因此，夹持装置和根部在各种情况下不得不仅传递总离心力载荷中的较小部分。与不额外连接至涡轮盘上的一体叶片(one-part blade)相比，在平台部件与叶片分离的区域内，即边缘，可以具有叶片和平台部件的较轻结构，因为也不必额外承载平台的重量。因此，在此方式中，叶片的总重量一方面通过分开的平台减小，另一方面还通过边缘处的较小结构减小。于是，根部和槽承载更小的重量。此外，具有叶型的叶片和独立固定的平台部件不易受到振动，或者该振动比一体结构的叶片的情况更易于减缓，该振动对叶片固定是关键的。此外，该叶片和平台部件可以以非常低的费用分别制造。具体地，在涉及叶片铸造方面，铸模的制备和精确的铸造操作得以简化，因为不具有整体成形的平台的涡轮叶片几乎不再具有任何凸出的整体部分。独立的平台部件具有简单的几何形状，通常为平板形，因此能以低的费用制造。此外，不同的材料可用于该叶片和该平台部件。结果，如果使用较轻的合金，则可以减小重量，并且如果可能的话，可减小材料成本和加工成本。
因为一片平台部件用作两个相邻旋转叶片的一个平台部件，且夹持装置大致设置在两个相邻旋转叶片之间的中部，所以作用在涡轮盘外周上的起作用离心力的均匀分布得以实现。因高的离心力载荷而尤其发生在槽底部最下面的齿的最大应力从而得以大幅减小。因为一片平台部件连接至涡轮盘上两个旋转叶片之间，所以在每种情况下，在两个相邻的旋转叶片之间，所需的平台部件和用于平台部件的夹持装置的数量分别减小至一个平台部件和一个夹持装置。
因为平台部件以几乎完全取代平台的方式***在两个相邻叶型的端部区之间，所以获得了平台部件的最大可能的表面摩擦。因此，几乎整个平台质量由该夹持装置承载，且不将载荷作用在根部上、或其中***有根部的槽上。于是获得根部和夹持装置的优化质量分布。与一体结构相比，在平台部件和叶片相邻的分隔区域内，节约了大量的材料，并且因而节约了大量的重量，因为不再需要吸收因大平台部件而发生的撬动力。因为该事实，即平台部件的邻近叶型的边被成形得与叶型的曲率相适应，所以还使得大的材料节约成为可能。另外，制造得以简化，因为在此情况下，叶片具有纤薄的形状，即使在根部和叶型之间的过渡区中，该形状铸造起来很简单。
夹持装置对于平台部件和涡轮盘的稳定的且同时是柔性的适应得以提供，因为该夹持装置包括至少一对一个啮合在另一个内的夹持配齿(holdingpartner)，具有一个夹持配齿的至少一个连接元件独立于平台部件和涡轮盘形成。通过独立形成的夹持配齿，该平台部件可借助各种方法连接到涡轮盘上，从而易于互换。此外，部件间的各种材料组合从而是可能的。具体地，根据各自的需要和载荷，分别成形的平台部件的材料和分别成形的夹持配齿的材料，还有涡轮盘和叶片的材料可以不同，且可以以成本优化的方式得以选择。
如果夹持配齿通过抵抗离心力负荷的形状锁定装置而连接至涡轮盘和平台部件，则例如为了维修的目的，这种类型的夹持装置易于松开，且其后可在其功能没有任何约束的情况下再次使用。
当该夹持配齿具有间隙地连接到平台部件和涡轮盘上时，该夹持装置易于安装，且在可能的腐蚀侵蚀的情况下，该夹持装置可低耗费地再次去除。同时，在力自不同方向施加的情况下，或在急剧改变的力的情况下，夹持装置更好地适应于柔性地反应，并适宜于在相应的力的方向上更容易地调整，结果是对夹持装置和连接该夹持装置的形状锁定装置的损伤，还有对平台部件和涡轮盘的损伤得以避免。
由于一夹持配齿在偶接长度上直线延伸，且具有铁轨状的横截面，而一对中的另外一个夹持配齿平行于第一夹持配齿直线延伸，且以形状锁定方式(form-locking manner)具有环绕第一夹持配齿的铁轨状横截面的横截面，所以简单的连接得以提供。夹持配齿的在整个偶接长度上的铁轨状结构提供了大的支撑和接触表面，因此在整个偶接区域上提供了良好的力分布。作为所作用的离心力的结果的局部应力峰值于是减小。具体地，在平台部件的弯曲结构的情形下，该平台部件借助铁轨状夹持配齿以高度可靠的方式座落在涡轮盘上。
当一个铁轨状夹持配齿连接到平台部件上，一个铁轨状夹持配齿连接到涡轮盘上，且两个夹持配齿借助一连接元件而连接到两个夹持配齿上时，提供了稳固的夹持，该连接元件以形状锁定的方式具有环绕铁轨形横截面的H形横截面。该夹持配齿在一大的区域上以形状锁定的方式连接到另一个上。该连接易于制造，且能再次容易地松开。借助夹持配齿的铁轨状结构，具有H形横截面的连接元件可以容易地压入到平台部件和涡轮盘之间，并容易地从其中拔出。因为夹持配齿不具有复杂的形状，所以它们可以低耗费地且节约成本地制造。
当夹持装置以涡轮盘具有铁轨状夹持配齿，平台部件具有环绕铁轨的夹持配齿，且两个夹持配齿借助具有环绕铁轨的夹持配齿和铁轨状的夹持配齿的一连接元件连接的方式构造时，则提供了高度稳定的夹持装置。
附图说明
本发明的示例性实施例在附图中给出，其中∶
图1显示了具有一夹持装置的涡轮叶片布置的概略透视图；
图2显示了一连接元件；
图3显示了一夹持装置的侧视图；以及
图4显示了以涡轮叶片布置的侧视图进行说明的示意性力分布。
具体实施方式
图1显示了一涡轮叶片布置的透视图。借助于热工作流体，尤其是燃气轮机中的热气，该热气流经涡轮且流到叶型5上，具有旋转叶片4的涡轮盘3被驱动以绕涡轮轴24旋转。旋转叶片4通过横向推动以松树状的根部8***到涡轮盘3的外周2上的具有间隔1的槽9中。作为涡轮盘3的旋转运动的结果，旋转叶片4被指向外部的离心力加载。此离心力借助各种齿17、18、19、21、22、23，由旋转叶片4的根部8和涡轮盘3的爪25吸收，该些齿以松树状方式形成在根部8上，并在爪25中具有相应于它们的一体成形部分。根部8两侧上的底部根齿17、也在根部8两侧上的中部根齿18、以及上部根齿19借助于示例说明，底部根齿17由爪25的底部爪齿21夹持，中部根齿18啮合在相应的中部爪齿22后，上部根齿19定位得最接近涡轮盘3的表面，并啮合在上部齿爪23后。根部8在直径26上，从底部根齿17至上部根齿19逐渐***。作为盘3和连接到盘上的旋转叶片4的旋转的结果而发生的离心力可以以这种方式吸收。
然而，在非常长的旋转叶片4的情形下，因为大的局部力作用在凹陷17′，尤其是在根部切口区33处，在安放底部根齿17的爪25中的凹陷17′沿槽9的底端构成增加旋转叶片4的尺寸的边界。由于平台部件10借助夹持装置11连接到涡轮盘3上以抵御离心力应力，所以这得以抵消。一如同此处出现的平台部件10的平台通常用于保护根部区免于受流过的工作流体的加热，尤其是热的燃气。
在每种情形下，平台部件10分别***两个旋转叶片4之间。在此情形下，夹持装置11包括两个铁轨状夹持配齿31和一连接元件32。铁轨状夹持配齿31在各种情形下均连接到涡轮盘3的外周2上，优选地，在用于叶片根部8的两个槽9之间的中部，几乎在间隔1的一半处，且连接到面向涡轮盘3的下侧28的平台部件10上。两个铁轨状夹持配齿31彼此平行定位，且一个在另一个上地径向布置。它们通过具有H形横截面的连接元件32连接至由圆形凹陷13构成的夹持配齿30上，在该圆形凹陷13中推入夹持配齿31。
例如为了节约成本，所述元件可以由不同的配合材料制造，尤其是由不同于涡轮盘3的材料制造。优选地，夹持配齿30、31和连接元件32形成为一体(in one piece)，使得大的作用力不会作用到导致损坏的任何衔接点上。为了耐久性和强度，该涡轮盘由特殊的硬质合金制造，该合金仅在有限程度上受到磨损，并可通过切割加工。然而，特别地，对于直线延伸的铁轨状夹持配齿31而言，也可以与涡轮盘3形成为一体。这改善了夹持配齿31在涡轮盘3上的夹持。从而减少了因离心力载荷导致损坏的啮合点。
平台部件10在其两个长边20上具有曲率15。然而，位于两侧上的边20的曲率不必相同。它们可以相应于涡轮叶型横截面的形状得以选择。相应的曲率15出现在旋转叶片4的端部区6处叶型5的横截面的纵向弧形边29上，该边具有一半径。这样，即使在边29弯转的情况下，获得平台部件10的相对于端部区6中叶型5的横截面优化的表面系数(surface fraction)。这显著地缓解了该槽区。
在平台部件10和旋转叶片4的其余部分之间，一间隙位于弯曲边29和平台部件10的相应边20之间。间隙的下部盘侧端在两条边20、29处略微倾斜。阻尼丝16放置其中，在平台部件10的下侧28上。当涡轮盘3静止时，阻尼丝16通过多个固定凸起50固定在适当位置，如图4所示。在离心力载荷下，阻尼丝16封闭平台和涡轮盘之间的空隙，抵御热气渗透该间隙。同时，阻尼丝16缓冲叶片区中的振动。该阻尼丝16匹配平台部件10和旋转叶片4的曲率15。为了阻尼丝16的轻松***，它们得以预先弯曲。此外，边20、29优选地具有相应的恒定曲率15，使得预先设置有相应于曲率15的弯曲半径的阻尼丝16可以容易地推入。在***所有元件后，轴向密闭板27放置在涡轮盘3的端面上，该板优选地实际上覆盖自根部顶边至平台底边的最大一部分端面盘区。这防止了工作流体，尤其是热的燃气，横向渗透到平台或平台部件10下方，或渗透到根部，否则，该流体将导致此处的严重破坏。
图2显示了具有H形横截面的连接元件32。图1的H形夹持配齿30的两条凹槽优选地直线延伸，且在以简单方式倒圆的偶接区14内成凹陷13形式，从而使元件的制造变得简单。该连接元件32在其整个横截面上具有相同的形状和大小。从而可以自涡轮盘的两侧***。
图3显示了由两对夹持配齿30、31构成的另一种夹持装置。此时，平台部件10具有环绕铁轨形的夹持配齿30，同时，仍如第一实施例中那样，涡轮盘3具有铁轨状夹持配齿31。连接元件32在各种情形下具有铁轨状夹持配齿31和环绕铁轨的夹持配齿30。该连接元件32可以容易地推入平台部件10和涡轮盘3之间。
图4显示了采用根据本发明的夹持技术时，涡轮盘3和***的旋转叶片4中由离心力载荷导致的力分布。最大程度的缺口应力(notching stress)出现在爪区域，尤其是在凹陷17′的区域内的爪齿21下方，见图1。离心力载荷的主要部分通过夹持装置11直接传递至涡轮盘3，并且不使爪凹陷17′受到载荷。通过所用的夹持装置11，爪区域内齿部的最窄横截面或半径上的平均应力和应力峰值具有远低于迄今为止所达到的值的应力值。借助涡轮叶片布置的功能区的载荷优化分配，于是力的分布得以平缓。这使得可以在总体上具有更高的离心力载荷，该载荷例如因为了提高效能而叶型延长而出现。这种延长既可以是向外进行的，同时增加外涡轮出口横截面，还可以是在涡轮盘的毂区域的方向上向内进行。

Claims (9)

1.一种涡轮叶片布置，该布置具有旋转叶片(4)，该叶片以预定的间隔(1)布置在涡轮盘(3)的整个外周(2)上，且均具有可以在每种情况下以形状锁定的方式径向***到涡轮盘(3)的外周(2)的槽(9)中的叶片根部(8)，且该叶片均具有叶型(5)，该叶型在涡轮盘侧端区域(6)上横向地具有平台，其特征在于，至少一个平台部件(10)借助独立于叶片根部(8)的夹持装置(11)连接至涡轮盘(3)上，夹持装置(11)包括至少一对一个啮合在另一个内的夹持配齿(30、31)，至少一个具有一夹持配齿(30、31)的连接元件(32)，该连接元件独立于平台部件(10)和涡轮盘(3)形成，该连接元件(32)具有以形状锁定的方式环绕铁轨形横截面的H形横截面。
2.如权利要求1所述的涡轮叶片布置，其特征在于，借助夹持装置(11)连接到涡轮盘(3)上的平台部件(10)独立于旋转叶片(4)制造。
3.如权利要求1和2中的任一项所述的涡轮叶片布置，其特征在于，一体的平台部件(10)用作两个相邻旋转叶片(4)的平台部件(10)，且夹持装置(11)大致设置在两个相邻旋转叶片(4)之间的中部。
4.如权利要求1至2中的任一项所述的涡轮叶片布置，其特征在于，平台部件(10)以实际上完全取代平台的方式插在两个相邻旋转叶片(4)的叶型(5)的端部区域(6)之间。
5.如权利要求4所述的涡轮叶片布置，其特征在于，夹持配齿(30)通过经受离心力载荷的形状锁定装置连接至涡轮盘(3)和平台部件(10)。
6.如权利要求4所述的涡轮叶片布置，其特征在于，夹持配齿(30)具有间隙地连接至平台部件(10)和涡轮盘(3)。
7.如权利要求4所述的涡轮叶片布置，其特征在于，一个夹持配齿(31)在偶接长度(14)上直线延伸，且具有铁轨状横截面，该对夹持配齿中的另一个夹持配齿(30)平行于第一夹持配齿(31)直线延伸，并具有以形状锁定的方式环绕第一夹持配齿(31)的铁轨状横截面的横截面。
8.如权利要求7所述的涡轮叶片布置，其特征在于，一个铁轨状夹持配齿(31)连接到平台部件(10)上，且一个铁轨状夹持配齿(31)连接到涡轮盘(3)上，且两个夹持配齿(31)借助连接元件(32)连接到两个夹持配齿(30)上。
9.如权利要求7所述的涡轮叶片布置，其特征在于，涡轮盘(3)具有铁轨状夹持配齿(31)，且平台部件(10)具有环绕铁轨的夹持配齿(30)，且这两者借助连接元件(32)连接，该连接元件具有环绕铁轨的夹持配齿(30)和铁轨状夹持配齿(31)。
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