CN1654787A - 涡轮第三级叶片和转子叶轮改进的枞树结构和拉削槽结构 - Google Patents

涡轮第三级叶片和转子叶轮改进的枞树结构和拉削槽结构 Download PDF

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CN1654787A
CN1654787A CNA2005100516444A CN200510051644A CN1654787A CN 1654787 A CN1654787 A CN 1654787A CN A2005100516444 A CNA2005100516444 A CN A2005100516444A CN 200510051644 A CN200510051644 A CN 200510051644A CN 1654787 A CN1654787 A CN 1654787A
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Abstract

一种涡轮叶片(11)和轮桩(13)的装配件，能将该涡轮第三级中的叶片(11)的数目从九十二个减少到九十个而同时减少叶片(11)和轮桩(13)的装配点处的应力。叶片(11)和轮桩(13)用互补的内圆角(25，26，27，31，32，33)和柄舌(22，23，24，28，29，30)形成，它们用于将叶片(11)***两个轮桩(13)之间的拉削槽(12)中。叶片(11)和轮桩(13)两者上的内圆角(25，26，27，31，32，33)的角度为50～59度。轮桩(13)的上表面挖出凹抗以减少重量，而叶片(11)和轮桩(13)两者的柄舌(22，23，24，28，29，30)和内圆角(25，26，27，31，32，33)由圆弧表面(200，203，206，209，210，211，212，213，215，216，219，222，223，224，225，227，228)和直表面(201，202，204，205，207，208，214，215，217，218，220，221)形成，以减小装配件上的应力。

Description

涡轮第三级叶片和转子叶轮改进的枞树结构和拉削槽结构
发明领域
本发明涉及涡轮，尤其涉及涡轮叶片和叶片装入其中的相应的涡轮拉削槽的根部(称为枞树结构)的改进的形状。更明确地说，本发明提供能减少所需叶片数目和作用在其连接点处的叶片和叶轮上的应力的改进的枞树结构/拉削槽构型。
背景技术
一个普通的燃气涡轮的第三级能够具有多至92个的从转子或轮沿径向伸出的叶片。每个叶片有一根部，其构型与轮中的相应拉削槽匹配。该枞树结构/拉削槽构型设计成能减小瞬时出现和在正常操作速率下的应力。
现有的已知枞树结构/拉削槽构型公开于1981年4月7日颁布的Goodwin的美国专利No.4,260,331；1989年4月25日颁布的Pisz等人的美国专利No.4,824,328；1997年11月18日颁布的Dierksmeier等人的美国专利No.5,688,108；1998年4月21日颁布的Heppenstall的美国专利No.5,741,119；1998年11月17日颁布的Dierksmeier等人的美国专利No.5,836,742；以及1999年1月26日颁布的Dierksmeier等人的美国专利No.5,863,183中。这些现有技术专利中的每一个描述其公开的枞树结构/拉削槽构型的线、弧和角度的几何尺寸的特定细节，这些细节能减小在连接点处形成的离心力、弯矩和振动及由此产生的峰值应力。
有很多理由希望减少连接在轮上的叶片的数目，包括减少部件(降低费用)、提高自然频率、减少叶型损失(表面摩擦)以及减少沿叶尖的泄漏。但是，减少叶片数目也造成每个单个叶片更重，因其覆盖更长的周边长度。简单地改变现有枞树结构和拉削槽构型上叶片和槽的尺寸而保持同一尺寸的轮，以减少叶片的数目，将不会把作用在连接点上的应力减到最小。
发明概要
本发明的目的是提供一种改进的枞树结构/拉削槽构型或结构，用于对一有90个叶片的高温涡轮的增强从叶片(包括翼面、轴柄和枞树结构连接件)到叶轮(也称为轮盘)的负荷传递。
本发明的另一目的是减小转子环上由叶片枞树结构和轮桩(称为死轮缘环)施加的拉力的量值。
本发明的又一目的是以改进叶片和叶轮两者的低周期疲劳(LCF)和高周期疲劳(HCF)可能性的结构形式来减小集中应力的幅值。
本发明的又一目的是减小经枞树结构越过级的泄漏的可能性，并平衡各柄舌之间从叶片到轮桩的负荷传递。
本发明设计成具有改进现有技术的燃料效率的意图和目的。在热燃气路径中采取了若干措施来达到该目的，其中减池了叶片数目。涡轮中的第三级有90个叶片而非通常的92个叶片。减少叶片数目的好处包括：减少部件(费用)，提高自然频率，减少叶型损失(表面摩擦)，减少沿叶尖的泄漏等。
但是，减少叶片数目也造成每个单个的叶片更重，因为它包含更长的周边长度。在新的枞树结构中已经考虑了该增加的重量和周边长度，因为现有技术结构通常是为多达92个叶片设计的。
该新的枞树结构在叶片和叶轮之间具有为了增强从叶片到轮桩的负荷传递而同时减小集中的应力和转子拉力而必需独特的尺寸和关系。该新的枞树结构是通过结构参数和热-机械负荷的迭代法而达到的。该结构具有某些已成功地改进这种负荷传递的关键特点。
但是，该结构的尺寸可较大或较小，只要转子叶轮或轮盘的直径相应地较大或较小，或者叶片和叶轮的两侧同样偏移即较宽或较窄。此外，虽然这里提供了叶片和叶轮的尺寸的优选的容差范围，但该技术的专业人员将会知道，在本发明的实施中也可采用较宽的容差范围。
虽然该结构的预期用途是GE 6C IGT型燃气轮机，但它或其比例也可以用于其中叶片连接在高温环境中的转子叶轮或轮盘上的其它用途。
附图简述
图1表示带有附接叶片的涡轮的一部分；
图2A代表在附接处的叶片一部分的示意截面图并示出枞树结构轮廓；
图2B代表在附接处的涡轮的一部分的示意截面图并示出拉削槽轮廓；
图3表示相应轮桩之间联锁的叶片的前视图；
图4代表叶片附接部分的内截面示意图；
图5表示叶片根部的部分侧视图；
图6表示在操作(负荷向外)状态下安装的叶片和相邻轮桩之间的间隙；
图7表示轮桩上边缘的透视图；
图8表示带有安装叶片的轮桩上边缘的透视图；
图9和图10表示叶片的尺寸方面；
图11和图12表示其中安装了图9和图10的叶片的相应拉削槽的尺寸方面；以及
图13示意表示优选实施例尺寸的微小变化的区域。
发明详述
本发明的关键元件和基本元件由两个系列的与邻近部件相切的线、弧和椭圆限定。一个系列表示叶片根部的枞树结构形状的轮廓或结构，而另一系列表示装入枞树结构形状的转子轮的相应拉削槽的轮廓或结构。
图1表示一个装配的转子轮10的一部分，包括装入相应的拉削槽12中的叶片。这样，轮拉削槽12的轮廓(在图1的未填充的拉削槽中最清楚地看到)基本上被叶片11的称为叶片根部的部分填充(由图1的填充的轮拉削槽最清楚地看到)。
图2A用截面示意结构表示叶片11的叶片根部21的轮廓。叶片根部21包括三组曲线柄舌22、23、24和三组内圆角25、26、27。每一组柄舌和内圆角中的一个柄舌和内圆角设置在中心线C的每一侧上。在中心线C的每一侧上和在柄舌22上方设置内圆角25。柄舌22设置在中心线C的每一侧上而在内圆角25和26之间。柄舌23设置在中心线C的每一侧上而在内圆角26和27之间。柄舌24在中心线C处互相结合而设置在内圆角27下方。
每个内圆角25、26、27包括一个在其中央的向内弯曲的径向表面和两个在其两侧的基本上笔直的表面。在内圆角25的情况下，该中央圆弧表面利用一过渡弧结合到下直表面上。对于每个内圆角25，圆弧表面200在其上端处连接到直表面201而在其下端处连接到过渡弧226，该上端也形成叶片根部21的上部。弧226的另一端连接到直表面202，后者也形成柄舌22的一部分。对于每个内圆角26，圆弧表面203夹在也形成柄舌22一部分的直表面204和也形成柄舌23一部分的下直表面205之间。对于每个内圆角27，圆弧表面206夹在也形成柄舌23一部分的上直表面207和也形成柄舌24一部分的下直表面208之间。
每个柄舌22、23包括一个夹在两侧上的笔直的表面之间的向外弯曲的径向表面。对于每个柄舌22，圆弧表面209夹在也形成内圆角25一部分的上直表面202和也形成内圆角26一部分的下直表面204之间。对于每个柄舌23，圆弧表面210夹在也形成内圆角26一部分的上直表面205和也形成内圆角27一部分的下直表面207之间。
每个柄舌24包括一个由两侧上的圆弧表面和直表面夹在一起的向外弯曲的表面。对于每个柄舌24，向外弯曲的表面211在其上端处连接到椭圆表面227上，后者与也形成内圆角27一部分的直表面208一起过渡。表面211在其下端处连接到另一向外弯曲的表面212，而每个柄舌24的圆弧表面212结合在中心线C处。
图2B以示意截面图结构表示转子轮10的拉削槽12的轮廓。拉削槽12由两个相邻的轮桩13之间的物理空间形成，因此由同一组曲面界定。轮桩13包括三组柄舌28、29、30和三组内圆角31、32、33。拉削槽12的内圆角和柄舌与叶片根部21的柄舌和内圆角是互补的，使得叶片根部可以装入拉削槽12中。
每个柄舌29、30包括一个夹在两直表面之间的向外弯曲的径向表面。对于每个柄舌29，圆弧表面216夹在也形成内内圆角31一部分的上直表面217和也形成内圆角32一部分的下直表面218之间。对于每个柄舌30，圆弧表面219夹在也形成内圆角32一部分的上直表面220和也形成内圆角33一部分的下直表面221之间。
每个柄舌28包括一个在其上端连接到一直表面而在其下端由一椭圆曲面过渡到一直表面的向外弯曲的表面。对于每个柄舌28，圆弧表面213在其上端连接到直表面214，后者形成一个邻近另一拉削槽12的顶表面。弯曲曲面213在其下端连接到椭圆表面229，后者过渡到形成内圆角31一部分的直表面215中。
每个内圆角31、32包括一个夹在两侧上的基本笔直的表面之间的向内弯曲的径向表面。对于每个内圆角31，圆弧表面222夹在也形成柄舌28一部分的上直表面215和也形成柄舌29一部分的下直表面217之间。对于每个内圆角32，圆弧表面223夹在也形成柄舌29一部分的上直表面218和也形成柄舌30一部分的下直表面220之间。
每个内圆角33包括一个向内弯曲的表面224，后者的每端连接到另一向内弯曲的表面。表面224在其上端连接到圆弧表面228，后者过渡到也形成柄舌30一部分的直表面221。表面224在其下端连接到圆弧表面225，而每个内圆角33的这些表面225结合在中心线C处。
图3表示联锁在轮桩13内(或安装在拉削槽12中)的叶片根部21的前视图。在图3中，空的拉削槽12邻接安装了叶片根部21的拉削槽并表示轮桩13的透视的上柄舌28。该枞树结构和拉削槽轮廓保持足够活动的轮缘半径以减少该枞树结构和轮桩中的死重量。更具体地说，如图4中所示，枞树结构上底部柄舌上方(在内圆角27之间)的颈部的尺寸做成能承载处于合理的应力水平的必要负荷。
图5表示叶片根部21的部分侧视图。如图6中所示，当叶片根部***拉削槽12中时，在叶片根部21和轮子10的轮桩13之间存在小间隙60。该间隙或余隙是用来便于将叶片***拉削槽中和适应制造容差的。
如图7和图8中所示，在一个切向截面上观看时，轮桩13的上柄舌28的中心区70已挖有凹坑，以减小重量而减小轮桩13中的转子拉力和应力。端部上的凸耳71对着叶片保持密封，以减小通过枞树结构/轴柄区的泄漏。
如上所述，叶片根部21包括一种独特尺寸和交错的三重内圆角和柄舌配置，从而将集中的应力均匀地分布在一个更大区域上，由此减小峰值应力和改善LCF可能性。对于涡轮机的第三级，该配置能将92个叶片和轮桩的峰值应力减小到90个的峰值应力。
如图4中的表面14所设定，底部柄舌24的径向厚度是独特地定尺寸的，使得在柄舌之间存在相等的负荷分布。这种硬度调整造成整个枞树结构和轮桩的均匀应力分布，从而改善部件的LCF可能性并减小支承面上的峰值挤压应力。
在叶片枞树结构上的柄舌之间和轮桩上的内圆角已将尺寸做到减小峰值应力的出现，从而改善LCF可能性。
叶片枞树结构上顶部柄舌上方的内圆角包括一个复合的内圆角，从而将集中的应力分布在一个更大的区域上，因而降低峰值应力和改善LCF可能性。当该结构从接触面过渡到顶部密封凸耳中时，轮桩顶部包括一个椭圆曲线以进行该过渡。同样，当该结构从接触面过渡到底部密封凸耳中时，叶片枞树结构的底部包括一个椭圆曲线以完成该过渡。
图10和图12中所示的接触面的发散角D(燕尾中心线的角度)设定在18.000度，从而达到接触面上的挤压应力和相邻内圆角中的峰值应力之间的适当平衡。图10和12中也示出该结构每侧上的柄舌阵列的发散角E已设定在25.780度，使得已保持各种限度(p/a应力、挤压应力、峰值应力等)之间的适当平衡。
图9和图10提供叶片的示范和优选的尺寸，而图11和图12提供这些叶片***的拉削槽的示范和优选的尺寸。在所有情况中，相对于图9～12中所示的叶片和轮桩的优选的相对尺寸是这样的，就是该直线和曲线的各区段落入所定轮廓的±0.001英寸的偏移内。当然，该技术的专业人员将认识到，超过这些容差范围的小变化将不会对本发明的实施产生有显著影响的冲击，因此应当考虑落在本发明的范围之内。例如，落在由轮廓偏移±0.01英寸限定的容差区内的一组结合的直线和曲线可以仍然满足本发明的意图。其次，叶片燕尾的侧面或跟中心线成镜象的拉削可以不同地分开而仍然落在该范围内。例如，图9中的尺寸L1、L2、L3、L4、L9和L10可以增减一个恒量，以变化该叶片燕尾的总宽度。
如图9中所示，表示柄舌压力面202、205和208相对于水平面的角度取向的角度A等于50.000度。第一柄舌22和第二内圆角26的角度B等于52.940度。示于图10的第二柄舌23和最低内圆角27的角度F等于58.079度。在本申请书中描述的所有角度测量中，待测量的角度是由沿该待测量的叶片或轮桩部分的外边界的切线确定的，或者处在叶片或轮桩的中心线和一条由从至少两组上述相交的切线形成的交点所限定的直线之间。
图9也表示，上内圆角25的终线与通过该叶片的中心线C形成一个90.000度角，如角度C′所示。在图10中，角度D和E是从中心线C到沿第一和第二内圆角的切线相交处的点所限定的线测量到的。角度D和E分别为18.000度和25.780度。
图9表示L1～L11、L29和L31的各个尺寸关系，它们确定形成该叶片的几何构型的柄舌和内圆角的相对位置。
L1为1.0395英寸而L2为0.5517英寸，L1代表叶片距中心线C的最外距离或宽度，而L2代表从中心线到沿柄舌22的两侧形成的切线的交点的距离。L29为0.4096英寸而限定从中心线C到沿柄舌23的两侧引出的切线的交点的距离。L10为0.2723英寸而表示从中心线C到一条通过上述相对于柄舌22和23的交点引出的线与一条沿柄舌24的上直表面208的切线交点的距离。
L5～L8分别表示从柄舌24的底部表面到内圆角25的最上笔直部分、沿柄舌22引出的各切线的交点、沿柄舌23引出的各切线的交点、以及一条通过上述相对于柄舌22和23的交点引出的线与一条沿柄舌24的上直表面208的切线的交点的距离。这些L5～L8的距离分别为1.4530英寸、0.8191英寸、0.5249英寸和0.2407英寸。
距离L11、L31表示从柄舌24的底部到从其限定柄舌24的弯曲部分的曲率半径的点的距离。L12和L13分别表示从柄舌24的底部到沿内圆角27引出的各切线的交点和沿内圆角26引出的各切线的交点的距离。L11、L31、L12和L13分别表示0.2074英寸、0.3360英寸、0.4722英寸和0.7999英寸。
尺寸L3和L4分别给出从中心线C到沿内圆角27的各切线的交点和沿内圆角26引出的各切线的交点的距离。
如上所述，柄舌24是部分地由两条具有偏离中心线C两侧的中心点的径向曲线形成的(形成柄舌24的第三条径向曲线具有在中心线C的中心点，该中心点离柄舌24的底部的距离为L31)。距离L9表示离中心线C的右边和左边的偏移(图9中只示出离中心线C右边的偏移)，而L9为0.0465英寸。图10中示出的偏移半径为R1、R1为0.1992英寸。其中心点在中心线上的曲率半径在图10中示作R13，R13为0.3360英寸。
L27表示最上柄舌22的宽度，L27为0.9261英寸，而L28表示中间柄舌23的宽度，L28为0.6916英寸。
除了半径R1和R13外，图10还表示半径R2～R6，它们分别代表最低内圆角27的半径、中间柄舌23的半径、内圆角26的半径、最上柄舌22的半径和最上内圆角25的半径。这些半径R2～R6分别为0.0695英寸、0.0752英寸、0.0656英寸、0.0855英寸、0.0718英寸(R6′)和0.3379(R6)。
曲线227使柄舌24与内圆角37结合，它是一个椭圆半径，其长半轴为0.0222英寸而短半轴为0.0014英寸。
如上所述，图11和图12表示与相应的拉削槽有关的尺寸。在图11和图12中的角度A、B、C′和D～F的度量与图9和图10中互补角度A、B、C′和D～F相同。
图11表示L14～L26、L30和L32的多个尺寸关系，它们确定形成拉削槽几何构型的柄舌和内圆角的相对位置。
L14为1.0395英寸而L15为0.5565英寸，L14代表轮桩离中心线C的最外距离或宽度，而L15代表从中心线C到沿内圆角31的任一侧形成的切线的交点的距离。L30为0.4144英寸而表示从中心线C到沿内圆角32任一侧引出的各切线的交点的距离。L23为0.2722英寸而表示从中心线C到一条通过上述相对于内圆角31和32的交点而引出的线与一条沿内圆角33的上直表面221的切线的交点的距离。
L18～L21分别表示从内圆角33的底部到柄舌28的最上笔直部分的距离、到沿内圆角31引出的切线的交点的距离、到沿内圆角32引出的切线的交点的距离、以及到一条通过上述相对于内圆角31和32的交点引出的线与一条沿内圆角33的上直表面221的切线的交点的距离。L18～L21的距离分别是1.4530英寸、0.8193英寸、0.5251英寸和0.2409英寸。
距离L24、L32表示从内圆角33的底部到从其限定内圆角33的弯曲部分的曲率半径的那些点的距离。L25和L26分别表示从内圆角33的底部到沿柄舌30引出的切线的交点和沿柄舌29引出的切线的交点的距离。L24、L32、L25和L26分别为0.2134英寸、0.3420英寸、0.4774英寸和0.8002英寸。
尺寸L16和L17分别给出从中心线C到沿柄舌30的切线的交点和沿柄舌29引出的切线的交点的距离。L16和L17分别为0.0787英寸和0.1836英寸。
内圆角33是由两条具有从中心线C的两侧偏移的中心点的径向曲线形成的，而一条第三径向曲线的中心点在中心线C上，中心点距内圆角33的底部的距离为L32。图12中示出的偏移半径R7′为0.2052英寸。距离L22表示对应于偏移径向曲线R7′的到中心线C的右边和左边的偏移(在图11中仅示出到中心线C的右边的偏移)，L22为0.0465英寸。其中心点在中心线上的曲线的半径在图12中示作R7并为0.3420英寸。
除了半径R7～R7″外，图12还表示半径R8～R12，它们分别代表柄舌30的半径、内圆角32的半径、柄舌29的半径、最上内圆角31的半径和最上柄舌28的半径。这些半径R8～R12分别为0.0695英寸、0.0752英寸、0.0656英寸、0.0855英寸和0.3316英寸。
曲线215使柄舌28与内圆角31结合，它是椭圆半径，长半轴为0.0288英寸，短半轴为0.0045英寸。
图13示意表示，叶片燕尾和轮拉削轮廓可以在容差范围内形成，如实线和虚线所示。例如，相对于叶片，其外尺寸可以从实线变为虚线内的形状。
在图13中，“A”代表使叶片燕尾或轮拉削轮廓精确界定的直线和曲线。“B”代表由“A”加上±0.001英寸的偏移所限定的区域，“B”包含满足优选实施例的轮廓变化。“C”代表由“A”加上±0.01英寸的偏移所限定的区域，“C”包含落入本发明范围的轮廓变化。
特别是，叶片和叶轮的所有尺寸均可比优选实施例给出的尺寸大或小。其次，叶片的两侧(以及相应的拉削槽)可以通过增减尺寸L1、L2、L3、L4、L9、L10而有不同的间隔，它们将对叶片形成不同的底部内圆角半径227、211和212。同样，增减拉削槽的相应尺寸将形成不同的底部内圆角半径228、224和225。
虽然本发明已描述了当前最实用的最优选的实施例，但可以理解，本发明不限于所公开的实施例，相反，它预期包括处在所附权利要求书的范围和精神内的各种修改和等同配置。

Claims (10)

1.一种涡轮，包括：
一个具有多个拉削槽(12)的叶轮(10)，每个槽具有内圆角(25，26，27，31，32，33)和柄舌(22，23，24，28，29，30)的交插***；以及
多个叶片(11)，每个叶片具有内圆角(25，26，27，31，32，33)和柄舌(22，23，24，28，29，30)的相应交插***，因而能将所述多个叶片(11)一对一地装入所述叶轮(10)上的所述多个拉削槽(12)中；
其中，在所述叶片(11)和轮桩(13)上的所述内圆角(25，26，27，31，32，33)和柄舌(22，23，24，28，29，30)的交插***起作用而减小作用在所述叶片(11)和轮桩(13)上的应力，所述交插***的内圆角(25，26，27，31，32，33)和柄舌(22，23，24，28，29，30)每个由圆弧表面(200，203，206，209，210，211，212，213，215，216，219，222，223，224，225，227，228)和直表面(201，202，204，205，207，208，214，215，217，218，220，221)组合而形成；
其中，在所述多个轮桩(13)上形成的内圆角(25，26，27，31，32，33)具有50～59度的角度。
2.一种如权利要求1中所述的涡轮，其特征在于，在所述多个叶片(11)上形成的内圆角(25，26，27，31，32，33)具有50～59度的角度。
3.一种如权利要求1中所述的涡轮，其特征在于，每个所述叶片(11)和轮桩(13)具有三个交错的柄舌(22，23，24，28，29，30)和内圆角(25，26，27，31，32，33)。
4.一种如权利要求3中所述的涡轮，其特征在于，每个所述叶片(11)有一个由具有多于一个的曲率半径的圆弧表面(200，203，206，209，210，211，212，213，215，216，219，222，223，224，225，227，228)构成的底部柄舌(22，23，24，28，29，30)。
5.一种如权利要求4中所述的涡轮，其特征在于，每个所述叶片(11)还包括至少一个直表面(201，202，204，205，207，208，214，215，217，208，220，221)。
6.一种如权利要求1中所述的涡轮，其特征在于，每个所述轮桩(13)有一个由具有多于一个曲率半径的圆弧表面(200，203，206，209，210，211，212，213，215，216，219，222，223，224，225，227，228)构成的底部内圆角(25，26，27，31，32，33)。
7.一种如权利要求6中所述的涡轮，其特征在于，每个所述轮桩(13)还包括至少一个笔直的表面(201，202，204，205，207，208，214，215，217，218，220，221)。
8.一种如权利要求4中所述的涡轮，其特征在于，所述圆弧表面(200，203，206，209，210，211，212，213，215，216，219，222，223，224，225，227，228)具有0.1992英寸和0.3360英寸的曲率半径。
9.一种如权利要求6中所述的涡轮，其特征在于，所述圆弧表面(200，203，206，209，210，211，212，213，215，216，219，222，223，224，225，227，228)具有0.2052英寸和0.3420英寸的曲率半径。
10.一种如权利要求1中所述的涡轮，其特征在于，每个所述轮桩(13)的顶部表面挖有凹坑，从而减小所述叶轮(10)的重量。
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