CN1325761C - 用于流体机械的动叶片以及流体机械 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型的叶片设计方案，为了在给定负荷情况下能够不超过尤其是由于离心力引起的许用应力并且同时能够使一个流体机械(3)实现一个高的效率。本发明为此建议一种用于流体机械(3)的动叶片(1)，该动叶片(1)至少局部由一种细胞状材料(5)、尤其是一种泡沫金属(21)制成。所述细胞状材料(5)例如可以用于动叶片(1)的叶片区(7)。

Description

用于流体机械的动叶片以及流体机械

技术领域

本发明涉及一种用于流体机械的动叶片。此外本发明还涉及一种具有动叶片的流体机械。

背景技术

用于流体机械的动叶片、例如用于蒸汽轮机的高压、中压或低压段的动叶片或用于压缩机或透平机的燃气轮机动叶片通常由均质金属合金制成。在此除了采用铣削工艺以外还采用铸造或锻造工艺。金属毛坯材料首先被熔化接着轧制成棒料或锻造成叶片毛坯。

这种形式的流体机械包括一单个动叶轮或多个在轴向上前后设置的叶轮，其动叶片在运行中被燃气或蒸汽形式的流体介质绕流。在此所述流体介质对动叶片施加一个力，该力影响到叶轮或叶片轮的转矩并由此影响到作功功率。动叶片为此通常设置在流体机械的一根旋转轴上，该流体机械安设在相应导向轮上的导向叶片设置在固定不动的、包围该旋转轴地形成一个流体通道的壳体上、即流体机械壳体上。

在作为流体机械的透平机中，从通流的流体介质中获取机械能，而压缩机中，则将机械能输送给流体介质。在一个具有一根旋转运动的轴和一个静止壳体的流体机械中，每个固定在轴上的动叶片的离心力会产生一个拉伸负荷，它与一个由流体介质的流体力产生的弯曲负荷相叠加。因此在叶片根部和轴内的这样一些位置上产生临界负荷，即，在这些位置上弯曲-拉应力和由离心力引起的拉应力相互叠加。叶片的径向高度和涡轮机效率基于该临界负荷受到限制。

尤其是蒸汽轮机低压部分的动叶片(低压动叶片)主要承受由于轴旋转所产生的离心力负荷。因此该负荷与所采用的叶片材料的密度成正比。由于所用材料的密度和铁非常接近，因此在较长的低压动叶片上的离心力负荷会很大，以至于要求叶片长度不能超过一定的值。这一点对于低压叶片组中的更高级叶片而言尤其具有意义，其径向尺寸要受到离心力负荷的限制。由于叶片长度受限，因而只能实现一定的流体介质排出截面。流体介质、例如低压透平段中的废汽因此须以高速并因此带来高损失地离开流体机械。

目前对于低压动叶片的解决方案是，对于很长的叶片长度采用钛合金材料。与铁、钴或镍基合金相比钛合金具有较小的密度并且由这种材料制成的动叶片与由现在常见的金属材料制成的动叶片相比在相同尺寸情况下承受较小的应力。然而这种解决方案的缺陷是，钛合金是非常昂贵的并且如上所述，仍然存在离心力负荷的问题，尽管该问题在一定程度上有所减小。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，对于流体机械的动叶片提出一种叶片设计结构，在流体机械中存在给定负荷的情况下不会导致许用应力被超过并因此能够实现高效率。本发明所要解决的另一技术问题是在具有高效率的情况下提供一种用于高负荷的流体机械。

本发明针对动叶片提出的技术问题可通过这样一种用于流体机械的动叶片来实现，其中动叶片至少局部由一种细胞状材料制成。

与常见的流体机械、例如燃气轮机或蒸汽轮机的动叶片结构相比，本发明描述了一种完全新型的方案。目前对于动叶片采用均质的金属材料，而本发明的方案则以动叶片的构造组织上的构成和构成它的材料为基础。通过对动叶片使用细胞状材料明显降低了动叶片的平均密度。细胞状结构保证实现比目前常见的均质材料有明显更小的密度。通过细胞状材料有针对性地局部布置使本发明的动叶片只产生由于离心力引起的明显更小的应力。因此在采用细胞状材料的情况下动叶片能够以明显更长的叶片长度来实现，因此当这种动叶片应用在一个流体机械上，能够实现一个具有更小流动损失的更大的通流横截面。

此外，细胞状材料比均质材料具有更大的内部阻尼，因此它们以有利的方式特别有效地减弱可能产生的振动。此外，细胞状材料显示出有很好的刚性，因此它由于很高的特有刚性而具有与均质材料相接近的许用应力。这一点对于在一个承受明显的热机械应力的流体机械中应用特别有利。通过有针对性地选择具有细胞状材料的动叶片部位，对于动叶片可以得到一个与负荷相匹配的叶片结构。因此可根据不同的应用情况在不同的动叶片部位采用细胞状材料。

动叶片优选具有一个带有细胞状材料的叶片区。这个叶片区在动叶片应用在一个流体机械上时由于离心力作用正好遭受到特别大的叶片应力，因为该叶片区与动叶片的其它部位相比离旋转轴有更大的径向间距。采用细胞状材料的叶片区由于明显减小的密度而导致相应更小的离心应力。

所述动叶片优选具有一个固定区、尤其是一个叶片根部，其中在所述固定区采用细胞状材料。动叶片的固定通常在一根旋转轴上实现，其中，动叶片的一个固定区与所述转轴的一个对应的容纳区连接。已知许多不同的叶片固定方案，例如枞树槽连接或T形头连接、新型动叶片结构可以采用这样的连接。通过在动叶片固定区采用细胞状材料还可以在固定区相应地减少叶片应力。通过采用细胞状材料的不同动叶片部位的组合可以有针对性地适配于不同的负荷。例如不仅可以在叶片身区而且可以叶片固定区内采用细胞状材料。

动叶片也可以全部由细胞状材料制成，由于比实心材料密度减小因此在整体上实现动叶片的轻型结构。在物理特性如重量、硬度和弹性方面，动叶片的细胞状结构比采用实心轻金属例如钛合金更具有优势。

在一个优选的扩展结构中，动叶片具有一个内部区和一个包围内部区的外皮区，其中在外皮区和/或在内部区采用细胞状材料。

进一步优选使细胞状材料通过相对于胞腔封闭的结构形成一个外表面。一旦该外表面是动叶片叶片区的部分表面时，这一点是特别有利的，其中叶片区在运行中由流体介质加载。通过形成一个封闭的外表面结构使一个表面例如叶片区的一个表面具有相应较小的粗糙度。当细胞状结构的外表面遭遇一种流体介质时，流体阻力减小并相应地减小流体损失。通过材料的细胞状结构可有利地加工出一个外表面，这个外表面也起到强烈衰减由于横向流动所引起的二次损失的作用。这个表面为此对于可能沿着该细胞状结构相互邻接的胞腔所产生的横向流动具有阻碍作用。

在一个特别优选的扩展结构中，所述细胞状材料为一种泡沫金属。首先泡沫金属以高潜能和一个较宽的应用领域而被视为轻型结构材料。泡沫金属能够通过不同的生产工艺例如借助熔化以及粉末金属冶金的分离技术以及喷射技术(Sputertechnik)。对于粉末金属冶金工艺通过将一种金属粉末与一种工作介质、例如金属氢化物混合生产一种替代材料，在紧接着的轴向热压或挤压之后压实成一个预成形的半成品，通过相应的变形加工可以形状不变地适配于各种最终产品并通过相应地加热到接近超过金属的熔化温度可规则地发泡。在半成品中含有的采用典型钛氢化物的工作介质在加热时分解并裂解成氢气。气体形式出现的氢气作为工作介质在金属熔液中产生相应的微孔结构。通过这些微孔形成的泡沫金属的多孔特性在此可以通过持续的发泡过程有针对性地实现。

优选泡沫金属的密度为实心材料密度的大约5％至50％，尤其是大约在8％至20％之间。

泡沫金属优选由一种耐高温材料、尤其是一种镍基或钴基合金制成。选择耐高温材料尤其对于应用于一个燃气轮机入口温度高达1200℃的燃气轮机是特别有利的。通过对泡沫金属的材料选择也可以应用于蒸汽温度超过600℃的高蒸汽参数的蒸汽轮机。

优选将这种动叶片构成一种燃气轮机动叶片、一种汽轮机动叶片、尤其是一种低压汽轮机动叶片或一种压缩机动叶片。尤其在将这种动叶片应用于一个低压汽轮机时显得特别有利，因为通过采用细胞状材料、例如一种泡沫金属来制造动叶片时，与常见的动叶片相比能实现在具有更小离心力的情况下有更大的叶片长度。这一点直接起到有利于流体机械、例如一种低压汽轮机效率的作用。

本发明所要解决的所述另一技术问题通过一种具有按上述构造的动叶片的流体机械来解决。

所述流体机械比较有利地可以是一个燃气轮机、一个蒸汽轮机或一个压缩机。

这样一种流体机械的优点由上述动叶片的构造设计得出。

附图说明

下面借助于附图所示实施方式对本发明予以详细说明，附图中：

图1为一种流体机械的动叶片的立体图；

图2为一种其局部由一种细胞状材料制成的流体机械动叶片的立体图；

图3为相对于图2所示动叶片变型设计后的一种动叶片的立体图；

图4为沿截切线IV-IV剖切图3所示动叶片得到的截面图；

图5至6分别为一种相对于图4所示动叶片变型设计后的动叶片的截面图；

图7为图6中所示动叶片VII处部位的放大示图；

图8为一种具有动叶片的流体机械的大为简化的局部纵向截面图。

在不同的视图中相同的附图标记具有相同的意义。

具体实施方式

图1以立体图示出一个动叶片1，它沿着一条纵轴线25延伸。该动叶片具有沿着纵轴相互衔接的一个固定区9、一个与该固定区相邻的叶片平台23以及一个叶片区7。在固定区9上形成叶片根部11，它用于将动叶片1固定在图1中未示出的一个流体机械的轴上(参见图8)。叶片根部11设计成锤头形状。也可以设计成其它结构，例如枞树形或燕尾形叶片根部。常见的动叶片1在其所有的部位9，23，7上都采用实心材料。动叶片1为此可以通过铸造工艺、锻造工艺、铣削工艺或上述工艺的组合制造而成。

在图2中示出按照本发明的一个动叶片1。与图1所示的常见动叶片1相比，该动叶片1在局部由一种细胞状材料5制成。在此动叶片1的叶片区7采用细胞状材料5，其中整个叶片区7采用细胞状材料5。该细胞状材料5具有许多胞腔17，17A，17B。细胞状材料5的胞腔结构可以构造成实现一个封闭的多孔结构，其中，每个胞腔17，1 7A，17b是封闭的。在另一种可选择的细胞状材料结构中，所述胞腔17，17A，17B也可以构成一个至少局部不封闭的多孔结构。通过在叶片区7采用细胞状材料5，与常见的实心材料动叶片1(参见图1)相比该叶片区7具有明显减小的材料密度。这一点由于材料5的细胞状结构而实现。通过减小叶片区7的密度，在运行状态下、亦即例如当动叶片1安装在流体机械上时明显减少沿着纵轴25径向向外的离心力F_z负荷。距离旋转轴有较大径向间距并因而受到较大离心力F_z的动叶片1部位、亦即叶片区7在此有针对性地采用细胞状材料制造而成。通过本发明能够满足各种因不同的使用情况及因此带来的动叶片1负荷所提出的要求。与常见的设计方案相比，本发明第一次考虑到了材料的结构特性并有利地利用了这一点。

细胞状材料5可以用在动叶片1的不同部位9，23，7上。为了表示出这种灵活性，图3以立体图示出一种与图2所示动叶片1相比在加入细胞状材料5方面有所改变的动叶片1。为了图示简化和清晰起见，这一点在图中通过动叶片1的局部X1和X2表示出。图3所示动叶片固定区9中的局部X1采用所述细胞状材料5，而图3所示叶片平台23中的局部X2也采用所述细胞状材料5。在此，该局部X1和X2只是示例性地代表固定区9和叶片平台23的局部范围。当然能够以有利的结构由细胞状材料5构成整个固定区9和/或叶片平台23。所述细胞状材料5在此包括大量的胞腔17。

图4示出图3中所示动叶片1沿着截切线IV-IV的截面图。该动叶片1具有一前缘31以及后缘33。此外该动叶片1还具有一个压力面35以及位于压力面35对面的吸力面37。由此得出一个典型的叶片剖面。该动叶片1具有内部区13以及包围内部区13的外皮区15。该外皮区15构成动叶片1的一个外表面39，其中，该外表面39在运行过程中被一种流体介质、例如热燃气或蒸汽加载。按照图4所示，所述外皮区15由一种常见的、未详细说明的例如金属实心材料27制成。内部区13则至少部分地由一种细胞状材料5制成，其中，该细胞状材料5由一种具有大量相互邻接胞腔17的泡沫金属21构成。在内部区13里面存在冷却通道29，29A，29B，使动叶片1在运行过程中进行内部空间冷却。在此冷却通道29，29A，29B中充入一种冷却介质、例如冷却空气或冷却蒸汽。冷却通道29例如用来输入冷却介质，而冷却通道29A，29B用来排出冷却介质。冷却通道29，29A，29B在内部区13里面通过相应的细胞状材料5的空隙构成。图3中的动叶片例如可以这样加工，构成动叶片轮廓的薄壁外皮区15作为可容纳泡沫金属21的空心体被铸造出，其中相应的可去除或可溶化的用于形成冷却通道29，29A，29B的铸芯在喷入泡沫金属21之前定位在内部区13里面。按照图4所示的动叶片1设计结构，加工出一个薄壁外皮区15，该外皮区以内部区13中的细胞状材料5作为支撑结构。

在图5中示出图4中所示动叶片1的叶片轮廓的另一种可选择结构。在此，所述外皮区由一种包围内部区13的泡沫金属21制成。该内部区13构成动叶片1的空心腔，并因此可实现内部冷却。外皮区15具有外表面39，该外表面在运行过程中被流体介质加载。与图4所示变型相比不同的是由泡沫金属21构成外表面39。

在图6中以截面图示出动叶片的另一变化形式。在此，整个叶片全部由细胞状材料5制成，其中在这里仍然采用泡沫金属21。如同图5所论及的那样，该泡沫金属21同时构成一个外表面39。因此动叶片1的内部区13以及外皮区15均由细胞状材料5制成。

图7以放大截面图示出图6中动叶片1的局部VII。由此清晰地表示出通过泡沫金属21加工而成的细胞状材料5的结构。在此示出大量的胞腔17，17A，17B，其中胞腔17A，17B相互邻接并构成动叶片1外表面39的一部分。在它们的旁边还有不形成外表面39的胞腔17。这些胞腔17也可以称为内部胞腔17。胞腔17，17A，17B在截面中示意性地具有多角形结构。在三维视图中这一点对应于多面体或多面体的线性组合。通过胞腔17A，17B的结构和布置，细胞状材料5形成一个具有相对于胞腔17A，17B封闭结构的外表面39。由此加工出动叶片1的一个外表面39，它具有足够小的表面粗糙度，因此保证在将这种动叶片用于一个流体机械时(参见图8)具有相应更小的流体损失。因此与常见的动叶片1相比，本发明的动叶片在具有尽可能光滑的表面方面也展示出其有竞争力的一面，只要其表面不被涂覆。在相互邻接的靠近表面的胞腔17A，17B处的局部表面结构可以比较有利地明显减少由横向流动引起的二次损失。

在图8中以低压汽轮机59为例在简化纵向截面视图中示出流体机械3的一部分。低压汽轮机59具有一个沿着汽轮机59旋转轴41延伸的转子43。此外该低压汽轮机59沿着旋转轴41具有前后相互衔接的一个入流区49、一个叶片区51以及一个排流区53。在叶片区51内设置可旋转的动叶片1和固定的导向叶片45。在此动叶片1固定在汽轮机转子43上，而导向叶片45则设置在一个包围汽轮机转子43的导向叶片支承体47上。通过所述轴43、叶片区51以及导向叶片支承体47构成一种流体介质A、例如热蒸汽的环形流体通道。所述用于输入流体介质A的入流区49在径向上受一个设置在导向叶片支承体59上游的入流壳体55的限制。一个排流壳体57在下游设置在导向叶片支承体47上并在径向上限定所述排流区53。在蒸汽轮机59运行时，流体介质A(在此是热蒸汽)从入流区49进入叶片区51中，流体介质A在其中膨胀作功，然后通过排流区53离开蒸汽轮机59。流体介质A接着汇集到图8中未详细示出的一个连接在排流壳体57之后的汽轮机59用冷凝器中。

流体介质A在流过叶片区51时膨胀并对动叶片1作功，由此使动叶片旋转。低压汽轮机51的动叶片1至少局部由图2至7所述的一种细胞状材料5制成。

由此本发明的动叶片1具有一个与常见的动叶片1(参见图1)相比更小的密度并且不承受由离心力引起的强烈负荷。所述动叶片1可构成低压汽轮机59的低压叶片。通过对动叶片1局部采用细胞状材料5可以使动叶片1由于密度优势而采用较大的径向尺寸，因此对于蒸汽轮机59实现具有更小损失的更大通流截面。

除了动叶片1以外导向叶片45也可以由一种细胞状材料5制成，使得在叶片区51不仅动叶片1而且导向叶片45都可以采用轻型结构。此外也可以将这种新型叶片应用在其它类型的流体机械3中。因此，一个燃气轮机、一个压缩机、一个蒸汽轮机设备的高压或中压段的叶片和/或导向叶片45都可以具有细胞状材料5，尤其是泡沫金属21。

Claims (8)

1.一种用于流体机械(3)的动叶片(1)，其中，所述动叶片至少局部由一种细胞状材料(5)制成，其中，该细胞状材料(5)构成一个具有相对于胞腔(17，17A，17B)封闭的结构的外表面(39)，其中，所述动叶片的叶片区剖面完全由一种细胞状材料组成。

2.如权利要求1所述的动叶片(1)，其中，所述动叶片具有一个固定区(9)，其中，在该固定区(9)上采用细胞状材料(5)。

3.如权利要求1或2所述的动叶片(1)，其中，所述细胞状材料(5)为一种泡沫金属(21)。

4.如权利要求3所述的动叶片(1)，其中，所述泡沫金属(21)的密度为金属实心材料密度的约5％至50％。

5.如权利要求3所述的动叶片(1)，其中，所述泡沫金属(21)由一种耐高温材料制成。

6.如权利要求1或2所述的动叶片(1)，其中，所述动叶片设计成燃气轮机动叶片、蒸汽轮机动叶片或压缩机动叶片。

7.一种流体机械(3)，其具有如上述权利要求中任一项所述的动叶片(1)。

8.如权利要求7所述的流体机械(3)，其中，所述流体机械设计成燃气轮机、蒸汽轮机(59)或压缩机。

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