專利名稱：渦輪工作葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種渦輪工作葉片，它具有一內(nèi)部不冷卻的葉型，該葉型從葉片平臺出發(fā)延伸，平臺上連接有插入渦輪機(jī)葉輪盤內(nèi)的葉根，葉根的徑向截面具有一個朝葉片平臺方向?qū)挾葷u增的區(qū)域。
為了提高燃?xì)廨啓C(jī)的效率亦即增大有效截面，盡可能加長渦輪工作葉片的葉型，以便由此達(dá)到更好地利用流過的燃?xì)?。但葉型的這種加長受多種因素的限制。
由于加長了葉型和由此增大的運(yùn)動質(zhì)量，例如由于離心力的作用顯著增加了渦輪機(jī)葉輪盤輪轂區(qū)的負(fù)荷。人們試圖借助沿軸向加厚輪盤通過增大輪轂區(qū)內(nèi)的支承面來對付這種情況。然而這種加厚的可能性是有限的。通過增大葉型，不僅僅是輪轂，而且渦輪葉片在其葉根插入渦輪葉輪盤外圓周榫槽內(nèi)的區(qū)域，也都受到更大的負(fù)荷。葉型的加長也可能相對于輪轂沿徑向進(jìn)行，但由此使外圓周的榫槽移近，減小它們的間距，并因而增大榫槽間輪盤部分的負(fù)荷。然而這種負(fù)荷只能按微小的程度增加，否則有損壞渦輪盤的危險。
因此本發(fā)明的目的是創(chuàng)造一種渦輪工作葉片，它允許加長工作葉片的葉型，與此同時不增加或僅微量地增加渦輪葉輪盤的局部負(fù)荷和工作葉片葉根的負(fù)荷。
本發(fā)明的目的由此來實(shí)現(xiàn)，即，葉根具有一個背向葉片平臺開口的挖空槽，該槽在平臺側(cè)呈盲孔狀地結(jié)束，并且在葉根的寬度漸增區(qū)內(nèi)按照所述葉根徑向截面的大小(querschnittsmaeβig)被相應(yīng)擴(kuò)寬。
葉根為保證穩(wěn)定性通常設(shè)計成實(shí)心的，與渦輪葉片的其余尺寸相比具有較大的橫截面。因此它的質(zhì)量大，并且在由于渦輪葉輪盤旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的渦輪盤和葉片固定裝置的離心負(fù)荷中占大的份額。通過所述挖空凹槽顯著減小了葉根的質(zhì)量并因而也減小了離心負(fù)荷。槽特殊的形狀，亦即其按照葉根徑向截面的寬度在葉根的寬度漸增區(qū)內(nèi)相應(yīng)擴(kuò)寬其縱壁，保證為了減少質(zhì)量最佳地利用到葉根的形狀。此外，通過槽在平臺側(cè)盲孔狀地結(jié)束，滿足了穩(wěn)定性的要求，尤其在平臺與葉型之間的區(qū)域內(nèi)由于多種多樣大的力和高溫作用，這種穩(wěn)定性的要求是很高的。因此可以實(shí)現(xiàn)，在保持葉片質(zhì)量小的同時，保持或甚至提高其穩(wěn)定性。通過減輕重量，降低了葉根區(qū)的平均應(yīng)力水平同時還減小了葉根榫齒和相鄰渦輪葉輪盤處的應(yīng)力峰值，從而導(dǎo)致延長渦輪葉片壽命，且尤其導(dǎo)致改善葉根的耐久性。因此可以在不危及渦輪葉片穩(wěn)定性的同時在保持葉根形狀的情況下向外延長工作葉片葉型，并因而提高渦輪效率。
為了使平臺側(cè)葉型區(qū)有良好的穩(wěn)定性，令槽終止在葉根與平臺的平臺上側(cè)下方之間的過渡區(qū)內(nèi)。在平臺上側(cè)的上方，葉片上的作用力特別大，并且葉片設(shè)計得比平臺區(qū)狹窄。但若槽在平臺上側(cè)的下方終止，則作用力可以在足夠大的程度上由穩(wěn)定的平臺和相鄰區(qū)承受。
為避免應(yīng)力峰值并因而局部過高的負(fù)荷，建議，槽以基本上倒圓的壁為界并且在平臺上側(cè)的下方以曲拱形結(jié)束。
為了更多地減小質(zhì)量，槽的縱壁幾乎沿葉根的全長延伸，而其橫壁則幾乎沿葉根的全寬延伸，在這種情況下槽的壁保證在離心力作用下有足夠的穩(wěn)定性。
若槽的高度在中央?yún)^(qū)內(nèi)達(dá)到最大并朝橫壁和縱壁方向逐漸降低，則大部分作用在中心的力可良好地傳入葉片的實(shí)心區(qū)內(nèi)，而不會對槽壁造成過大的負(fù)荷。
若槽的縱壁沿接近平臺側(cè)的端部的方向在保持槽橫壁處最小壁厚的情況下區(qū)域性地被連續(xù)擴(kuò)寬，則可更好地減輕重量，同時避免在過渡到倒圓的端部區(qū)內(nèi)時突然改變曲率，這種突變會導(dǎo)致局部的應(yīng)力最大值。
高溫工作氣體的負(fù)荷尤其施加在第一個直接入流的葉片邊緣區(qū)。為保證燃?xì)馊肓鱾?cè)更高的強(qiáng)度需求，在燃?xì)馊肓鱾?cè)附近的最小壁厚大于燃?xì)饬鞒鰝?cè)處的最小壁厚。
為了在節(jié)省材料和減少質(zhì)量的情況下提高葉根的強(qiáng)度，葉根通過設(shè)計在其縱壁間的橫撐增強(qiáng)。作用在橫縱壁之一上的力，通過橫撐傳給槽另一個縱壁，并通過這兩個壁進(jìn)一步傳入渦輪葉輪盤中，不會危及槽的穩(wěn)定性。此外，由于這種質(zhì)量的進(jìn)一步減小，基于降低了的離心力負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)了葉根的進(jìn)一步減荷。
若橫撐在平臺側(cè)離槽的壁有一定間距和/或離葉根背對平臺的端部有一定間距，則在保持穩(wěn)定性的情況下可附加地減輕重量。
為了最佳地傳力，令橫撐的位置和形狀與通過作用在葉型上的離心力形成的力作用線走向相適應(yīng)。因此，通過設(shè)置適當(dāng)數(shù)量和相應(yīng)形狀的橫撐，一方面可以基于有橫撐的支承作用將槽的壁設(shè)計得較薄從而大大減少葉根的質(zhì)量，另一方面也可以基于橫撐的支承作用沿槽的縱側(cè)獲得一種均勻的應(yīng)力分布。
可采取下列措施來承受作用在中央?yún)^(qū)內(nèi)特別大的力槽在中央?yún)^(qū)內(nèi)的橫撐有最大高度。隨槽高度下降的走向，槽的橫撐的高度也相應(yīng)降低。
下面借助附圖所示本發(fā)明渦輪工作葉片的一實(shí)施方式對本發(fā)明予以詳細(xì)說明。附圖中

圖1表示渦輪葉片根部的徑向截面；圖2表示圖1所示渦輪葉片根部沿剖切線II-II的截面；圖3表示圖1所示渦輪葉片根部沿剖切線III-III的橫截面；圖4表示圖1所示渦輪葉片根部沿剖切線IV-IV的橫截面；以及圖5表示圖1所示渦輪葉片根部沿剖切線V-V的橫截面。
圖1表示渦輪葉片葉根4以及平臺2和部分葉型1的徑向截面。葉根4插入渦輪葉輪盤3的一榫槽30內(nèi)，并借助葉根4的榫齒35和榫槽30上對應(yīng)的齒36形狀封閉地固定，如圖2所示。葉根4、平臺2和葉型1一體成型，優(yōu)選地澆注成一體。并列設(shè)置的葉型1為流過的熱燃?xì)馓峁┳枇Σ⒏淖兤渌俣群头较?，由此促使渦輪機(jī)葉輪盤3繞輪盤軸線以很高的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。在這種情況下產(chǎn)生的離心力基本上必須由葉根4的榫齒35和榫槽30的齒36承受。尤其在無內(nèi)部冷卻的渦輪葉片中，渦輪葉片的大部分通常設(shè)計為實(shí)心，并因而有大的重量，這會使葉根部分承受巨大的負(fù)荷。
葉根4具有一個按照本發(fā)明的減重槽7。它成形為曲拱狀，并在渦輪葉片的平臺側(cè)的端部19成盲孔狀地在平臺2上側(cè)21的下方終止。在葉根4背對平臺的端部31該槽7開口。葉根4在背對平臺的端部31區(qū)域內(nèi)有基本上恒定的長度32。在接近平臺2處，長度32首先由于過渡區(qū)38的形狀37略有增加，以便在這之后一直到平臺2連續(xù)減小。槽7具有縱壁12的長度13并具有深度33。
所述長度13在從背對平臺的端部31起始去往葉根4平臺側(cè)端部19的一定距離之后逐步增加，但在過渡區(qū)38內(nèi)則按弧形縮短直至槽7的高度16的最高點(diǎn)，在那里槽7呈盲孔狀地終結(jié)。此終點(diǎn)優(yōu)選地位于平臺上側(cè)21的區(qū)域內(nèi)或在其下方，以保證葉片有足夠的穩(wěn)定性。葉型在平臺區(qū)內(nèi)是實(shí)心的，并且在葉型離平臺一定距離的上部(未在圖中表示的)區(qū)域內(nèi)，可能有葉型減重槽。由此避免危及在乎臺區(qū)域內(nèi)葉片的強(qiáng)度。槽7并不與葉型槽連通，因?yàn)樵诖松婕暗氖且环N內(nèi)部不冷卻的渦輪葉片，因而不必通過葉根輸送冷卻劑。
如圖2所示，深度33從葉根4背對平臺的端部31起在區(qū)域5內(nèi)一直增加到平臺側(cè)的端部19。然后，槽7在過渡區(qū)38內(nèi)跟隨渦輪葉片一同扭轉(zhuǎn)。深度33在過渡區(qū)38內(nèi)起先還略有增加，以便在過渡區(qū)38中點(diǎn)附近朝平臺2的方向連續(xù)減小。這樣在葉根4或過渡區(qū)38內(nèi)部就挖出了一個盡可能大的空腔，以達(dá)到最大程度地減輕重量。在這里尤其應(yīng)考慮到壁8、12需具有足夠的壁厚14，以保證即使在巨大的離心力作用下葉根4的穩(wěn)定性。通過槽7的曲拱狀設(shè)計，避免了易導(dǎo)致強(qiáng)度降低的應(yīng)力峰值出現(xiàn)。
槽7的制造可借助一個具有挖空部分的形狀的型芯實(shí)現(xiàn)，型芯在澆鑄前置入葉片的葉根區(qū)內(nèi)并從葉根4背對平臺的端部31伸出，由此構(gòu)成背對平臺開口的槽。在葉根4平臺側(cè)的端部19，型芯設(shè)計為在那里終止的盲芯。在澆鑄后要先破壞型芯再將其從槽7內(nèi)取走，這是因?yàn)樾托镜膶挾瘸_口方向變小，所以它不可能作為整體除去。
在槽7的內(nèi)部加有一些橫撐28，它們在縱壁12之間延伸。通過橫撐28，槽7支承作用在壁8、12上的作用力。在本實(shí)施方式中涉及五個橫撐28，其中在槽7中央?yún)^(qū)15內(nèi)的橫撐28有最大的高度20并設(shè)在槽7最大高度16的區(qū)域內(nèi)。橫撐28倒圓，以避免應(yīng)力峰值。它們基本上沿渦輪葉片縱軸線39的方向互相平行地按間距34排列。它們幾乎占據(jù)了兩個相對的縱壁12之間的整個區(qū)域。僅僅在槽7平臺側(cè)的端部與背對平臺側(cè)的端部處，有距離槽7上邊界一間距40和距離背對平臺的下端部31一間距41的修圓的橫撐空缺區(qū)。這些橫撐的空缺區(qū)主要是制造引起的，因?yàn)橐粋€型芯在橫撐28之間制成無材料區(qū)的定位條(Finger)在端部要互相連接，以便能保持正確的尺寸。此外，它們對于進(jìn)一步減輕重量也有貢獻(xiàn)。
圖2表示圖1所示渦輪葉片根部沿剖切線II-II與圖1所示第一縱剖面幾乎成直角的徑向截面。葉根4按規(guī)則的間距具有曲拱狀的榫齒35，它們與其中裝入葉根4的渦輪葉輪盤3的榫槽30相應(yīng)成形的齒36嵌合，從而確保在離心力負(fù)荷作用下有一種能防止渦輪葉片滑出的可靠的形狀封閉。從背對平臺的葉根4端部31至其平臺側(cè)的端部19，葉根4的一個由榫齒35和在榫齒之間的凹入構(gòu)成的平均寬度6′逐漸增加。槽7橫向的深度33在保持壁12為保證穩(wěn)定性所需的最小壁厚的情況下跟隨此平均寬度6′變化。連接在葉根4上的過渡區(qū)38呈透鏡狀曲拱，如在圖4的橫截面中清楚地表示的那樣。與之相應(yīng)地，槽7相對于其在葉根4內(nèi)的結(jié)構(gòu)按這樣的方式錯位，即，保證槽7兩側(cè)有足夠的壁厚14。
圖3表示葉根4沿圖1或圖2中的剖切線III-III的橫截面。葉根的這一橫截面的寬度6相當(dāng)大，因?yàn)榇私孛媸菍θ~根4最上部的榫齒35剖切得到的，也就是說該截面在葉根4最大寬度6的區(qū)域內(nèi)。在此截面內(nèi)，槽7由多個腔29組成，其中，橫撐28相當(dāng)于腔29的隔板。腔29從葉根4的兩個橫壁8之一起，起先有逐漸增大的深度33，在中央橫撐28處深度33具有其最大尺寸，然后重新逐漸減小到接近葉根4另一個橫壁8處。腔29的四周邊界為避免應(yīng)力峰值出現(xiàn)均設(shè)計有倒圓。
圖4表示過渡區(qū)38沿圖1或圖2中的剖切線IV-IV的截面。槽7在此區(qū)域內(nèi)只有五個腔29和四個橫撐28，這是因?yàn)榇私孛媸窃陔x燃?xì)馊肓鱾?cè)最近的橫撐上方剖切的。因此，在燃?xì)馊肓鱾?cè)17的區(qū)域內(nèi)可看到一個增大的腔室29。在燃?xì)馊肓鱾?cè)17的區(qū)域內(nèi)，壁8的壁厚14比處于相對位置的燃?xì)饬鞒鰝?cè)18區(qū)域內(nèi)的大。通過槽7的這種恰當(dāng)?shù)穆杂胁粚ΨQ的設(shè)計，可以在最佳地減輕重量的情況下有足夠強(qiáng)度地承受個別增大的應(yīng)力或作用力。
圖5表示葉根4最狹窄區(qū)沿圖1或圖2中的剖切線V-V的截面。槽7的腔29仍同樣有一個從橫壁8起逐漸增大的械截面深度33，不過在這里的橫截面變化不如圖3中那么大。但其最大深度值仍出現(xiàn)在中央橫撐28的區(qū)域內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種渦輪工作葉片，它具有一內(nèi)部不冷卻的葉型(1)，該葉型從一葉片平臺(2)出發(fā)延伸，該平臺與一插入渦輪機(jī)葉輪盤(3)內(nèi)的葉根(4)相連，該葉根的徑向截面具有一個朝葉片平臺(2)方向?qū)挾?6′)漸增的區(qū)域(5)，其特征在于所述葉根(4)具有一個背向平臺開口的挖空槽(7)，該槽在平臺側(cè)呈盲孔狀地結(jié)束，并且在葉根(4)的寬度(6′)漸增區(qū)(5)內(nèi)按照所述葉根徑向截面的大小被相應(yīng)擴(kuò)寬。
2.按照權(quán)利要求1所述的渦輪工作葉片，其特征在于所述槽(7)終止在葉根(4)與平臺(2)上側(cè)(21)下方之間的過渡區(qū)(38)內(nèi)。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的渦輪工作葉片，其特征在于所述槽(7)以基本上倒圓的壁(8、12)為界，并且在平臺上側(cè)(21)下方以曲拱形結(jié)束。
4.按照權(quán)利要求1至3中任一項所述的渦輪工作葉片，其特征在于所述槽(7)的縱壁(12)幾乎沿葉根(4)的全長(32)延伸，而其橫壁(8)幾乎沿葉根(4)的全寬(6)延伸，其中，槽(7)的壁(8、12)保證在離心力作用下有足夠的穩(wěn)定性。
5.按照權(quán)利要求1至4之一所述的渦輪工作葉片，其特征在于所述槽(7)的高度在中央?yún)^(qū)(15)內(nèi)達(dá)到最大(16)且朝橫壁(8)和縱壁(12)方向逐步降低。
6.按照權(quán)利要求1至5之一所述的渦輪工作葉片，其特征在于所述槽(7)的縱壁(12)沿接近平臺側(cè)的端部(19)的方向在保持槽(7)橫壁(8)處最小壁厚(14)的情況下區(qū)域性地被連續(xù)擴(kuò)寬。
7.按照權(quán)利要求1至6之一所述的渦輪工作葉片，其特征在于在燃?xì)馊肓鱾?cè)(17)附近的最小壁厚(14)大于燃?xì)饬鞒鰝?cè)(18)處的最小壁厚。
8.按照權(quán)利要求1至7之一所述的渦輪工作葉片，其特征在于所述葉根(4)通過在其縱壁(12)之間形成的一些橫撐(28)得到增強(qiáng)。
9.按照權(quán)利要求1至8之一所述的渦輪工作葉片，其特征在于所述橫撐(28)在平臺側(cè)離槽(7)的壁(12)有間距(40)和/或離葉根(4)背對平臺的端部(31)有間距(41)。
10.按照權(quán)利要求1至9之一所述的渦輪工作葉片，其特征在于所述橫撐(28)的位置和形狀與通過作用在葉型(1)上的離心力形成的力作用線走向相適應(yīng)。
11.按照權(quán)利要求1至10之一所述的渦輪工作葉片，其特征在于所述槽(7)的橫撐(28)在中央?yún)^(qū)(15)內(nèi)具有最大高度(20)，并且其高度(20)隨槽(7)高度下降的趨勢相應(yīng)降低。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種渦輪工作葉片，它具有一內(nèi)部不冷卻的葉型(1)，該葉型從一葉片平臺(2)出發(fā)延伸，該平臺上連接一插入渦輪機(jī)葉輪盤(3)內(nèi)的葉根(4)，該葉根的徑向截面具有一個朝葉片平臺(2)方向?qū)挾?6′)漸增的區(qū)域(5)。為了設(shè)計一種能加長工作葉片葉型的此類渦輪工作葉片，本發(fā)明建議，所述葉根(4)具有一個背向平臺開口的挖空槽(7)，該槽在平臺側(cè)呈盲孔狀結(jié)束，并且在葉根(4)的寬度(6′)漸增區(qū)(5)內(nèi)按照所述葉根截面的大小被相應(yīng)擴(kuò)寬。
文檔編號F01D5/14GK1406312SQ01805623
公開日2003年3月26日 申請日期2001年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月25日
發(fā)明者彼得·蒂曼, 邁克爾·斯特拉斯伯格, 德克·安丁 申請人:西門子公司