專利名稱：用于蒸汽輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓段的蒸汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
能夠增加
本發(fā)明大體涉及用于蒸汽輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)葉片，且更具體地涉及具有
勁
何結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)葉片
背景技術(shù)：
蒸汽輪機(jī)的蒸汽流徑大體由固定的殼體和轉(zhuǎn)子形成。在該構(gòu)造中，許多固定的機(jī)葉以周邊排列的形式附連到殼體上，且向內(nèi)延伸到蒸汽流徑中。類似地，許多旋轉(zhuǎn)葉片以周邊排列的形式附連到轉(zhuǎn)子上，且向外延伸到蒸汽流徑中。固定機(jī)葉和旋轉(zhuǎn)葉片設(shè)置成交錯(cuò)的排，從而使得一排機(jī)葉和緊接在下游的葉片排形成級(jí)。機(jī)葉用來引導(dǎo)蒸汽流，從而使得蒸汽流以正確的角度進(jìn)入下游的葉片排。葉片的翼型從蒸汽中汲取能量，從而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子和附連到轉(zhuǎn)子上的負(fù)載所必需的動(dòng)力。
當(dāng)蒸汽流過蒸汽輪機(jī)時(shí)，其壓力經(jīng)過各個(gè)隨后的級(jí)而下降，直到
4獲得期望的排出壓力。因此，諸如溫度、壓力、速度和水分含量等蒸汽屬性在排與排之間變化，因?yàn)檎羝麜?huì)通過流徑而膨脹。所以，各個(gè)葉片排釆用具有針對與該排相關(guān)聯(lián)的蒸汽條件進(jìn)行了優(yōu)化的翼型形狀的葉片。
除了蒸汽條件之外，葉片還設(shè)計(jì)成將在運(yùn)行期間經(jīng)受的離心負(fù)載考慮在內(nèi)。特別地，高離心負(fù)載由于轉(zhuǎn)子的高旋轉(zhuǎn)速度而施加在葉片上，而高離心負(fù)載又使葉片產(chǎn)生應(yīng)力。減小葉片上的應(yīng)力集中是一個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，尤其是在其中葉片由于大尺寸而更大和更重且由于蒸汽流中的水分而易受應(yīng)力腐蝕影響的蒸汽輪機(jī)低壓段的凈^排葉片中。
與設(shè)計(jì)用于渦輪機(jī)的低壓段的旋轉(zhuǎn)葉片相關(guān)聯(lián)的這個(gè)挑戰(zhàn)由于
這樣的事實(shí)而加重即葉片的翼型形狀通常確定施加到葉片上的力、葉片的機(jī)械強(qiáng)度、葉片的共振頻率以及葉片的熱動(dòng)性能。這些考慮對葉片的翼型形狀的選擇施加了限制。因此，用于給定排的葉片的最優(yōu)翼型形狀是在與形狀相關(guān)聯(lián)的機(jī)械和空氣動(dòng)力學(xué)屬性之間進(jìn)行折衷的問題。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個(gè)方面中，提供了一種蒸汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片。該旋轉(zhuǎn)葉片包括翼型部分。根部段附連到翼型部分的一個(gè)端部上。鳩尾榫段自根部段凸出，其中，雞尾榫段包括斜的軸向進(jìn)入鳩尾榫。頂部段在與根部段相對的端部處附連到翼型部分上。罩一體地形成為頂部段的一部分。葉片包括大約30.5ff(2.83n )或更大的出口環(huán)面積。
在本發(fā)明的另一方面中，提供了 一種蒸汽輪機(jī)的低壓渦輪機(jī)段。在本發(fā)明的該方面中，多個(gè)較后級(jí)蒸汽輪機(jī)葉片設(shè)置在渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉輪周圍。該多個(gè)較后級(jí)蒸汽輪機(jī)葉片中的各個(gè)均包括具有大約18.5英寸(46.99厘米)或更大的長度的翼型部分。根部段附連到翼型部分的一個(gè)端部上。雞尾榫段自根部段凸出，其中，鴻尾榫段包括斜的軸向進(jìn)入鳩尾榫。頂部段在與根部段相對的端部處附連到翼型部分上。罩一體地形成為頂部段的一部分。該多個(gè)較后級(jí)蒸汽輪機(jī)葉片包括大約
30.5ft2 (2.83m"或更大的出口環(huán)面積。


圖1是蒸汽輪機(jī)的透視局部剖面圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的蒸汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片的透視圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的、圖2的葉片中顯示的軸向進(jìn)入鳩尾榫的放大的透視圖4是顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的、圖2中所描繪的罩的放大視圖的透視側(cè)視圖；以及
圖5是顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的相鄰的罩的相互關(guān)系的透視圖。
部件列表10蒸氣輪機(jī)12轉(zhuǎn)子14軸
18轉(zhuǎn)子葉輪20旋轉(zhuǎn)葉片22機(jī)葉24蒸氣26入口30壓力側(cè)32吸力側(cè)34前緣36后緣38徑向長度40鳩尾榫段41軸向保持鉤42翼型部分44根部段46頂部段48罩
50罩和頂部段之間的圓角半徑52罩的第一部分54罩的第二部分56罩的頂點(diǎn)
58根部段與鳩尾榫段之間的圓角半徑
60平臺(tái)
62非4妄觸面
64接觸面
66應(yīng)力消除槽
具體實(shí)施例方式
以下參照本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例結(jié)合蒸汽輪4幾發(fā)動(dòng)才幾的應(yīng)用以及蒸汽輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行對本發(fā)明的該至少 一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行了描述。另外，以下參照公稱大小且包括一組7>稱尺寸而對本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行了描述。但是，對本領(lǐng)域的以及由本文的教導(dǎo)指導(dǎo)的技術(shù)人員將顯而易見的是，本發(fā)明同樣可應(yīng)用于任何適當(dāng)?shù)臏u輪機(jī)和/或發(fā)動(dòng)機(jī)。另外，對本領(lǐng)域的以及由本文的教導(dǎo)指導(dǎo)的技術(shù)人員將顯而易見的是，本發(fā)明同樣可應(yīng)用于該公稱大小和/或公稱尺寸的各種比例。
參看附圖，圖1顯示了蒸汽輪機(jī)10的透視局部剖面圖。蒸汽輪機(jī)10包括轉(zhuǎn)子12，轉(zhuǎn)子12包括軸14和多個(gè)軸向地隔開的轉(zhuǎn)子葉輪18。多個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片20以機(jī)械的方式聯(lián)接到各個(gè)轉(zhuǎn)子葉輪18上。更特別地，葉片20設(shè)置成在各個(gè)轉(zhuǎn)子葉輪18周圍沿周邊延伸的排。多個(gè)
7固定機(jī)葉22在軸14周圍沿周邊延伸，且軸向地定位在相鄰的葉片20排之間。固定機(jī)葉22與葉片20合作，以形成渦輪機(jī)級(jí)并且限定通過渦輪機(jī)10的蒸汽流徑的一部分。
在運(yùn)行中，蒸汽24進(jìn)入渦輪機(jī)10的入口 26，且被引導(dǎo)穿過固定機(jī)葉22。機(jī)葉22對著葉片20向下游引導(dǎo)蒸汽24。蒸汽24穿過剩余的級(jí)，從而對葉片20施加力，致使軸14旋轉(zhuǎn)。渦輪機(jī)10的至少一個(gè)端部可軸向地延伸遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子12，且可附連到負(fù)載或機(jī)器(未示出)-例如但不限于發(fā)電機(jī)和/或另一個(gè)渦輪機(jī)上。因此，大型蒸汽輪機(jī)單元實(shí)際上可包括全部共軸地聯(lián)接到相同的軸14上的幾個(gè)渦輪機(jī)。這樣的單元可例如包括聯(lián)接到中壓渦輪機(jī)上的高壓渦輪機(jī)，中壓渦輪機(jī)聯(lián)接到低壓渦輪機(jī)上。 .
在本發(fā)明的且如圖1所示的一個(gè)實(shí)施例中，渦輪才幾IO包括五級(jí)，被稱為LO、 Ll、 L2、 L3和L4。級(jí)L4是第一級(jí)，且為五級(jí)中最小的(在徑向方向上)級(jí)。級(jí)L3是第二級(jí)，且為在軸向方向上的下一級(jí)。級(jí)L2是第三級(jí)，且顯示為在五級(jí)中的中間。級(jí)Ll是第四級(jí)，且為在最后一級(jí)附近的級(jí)。級(jí)LO是最后一級(jí)，且為最大的(在徑向方向上)級(jí)。將理解的是，五級(jí)作為一個(gè)實(shí)例而示出，且低壓渦輪機(jī)可具有不止五級(jí)或少于五級(jí)。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的蒸汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片20的透視圖。葉片20包括在前緣34和后緣36處連"l妄在一起的壓力側(cè)30和吸力側(cè)32。葉舷距離是在沿徑向長度38在任何一點(diǎn)處從后緣36到前緣34測量得到的距離。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，徑向長度38或葉片長度為大約18.5英寸(46.99厘米)。雖然這個(gè)示例性實(shí)施例中的葉片長度為大約18.5英寸(46.99厘米)，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，本文的教導(dǎo)可應(yīng)用于這個(gè)公稱大小的各種比例。例如，本領(lǐng)域技術(shù)人員可按諸如1.2、 2和2.4等比例因子來按比例確定葉片20,以分別產(chǎn)生22.20英寸(56.39厘米)、37.0英寸(93.98厘米)和44.4英寸(l 12.78厘米)的葉片長度。葉片20形成有雞尾榫段40、翼型部分42和在鳩尾榫段40與翼型部分42之間延伸的根部段44。翼型部分42自根部段44徑向地向外延伸到頂部段46。罩48—體地形成為頂部段46的一部分，且有圓角半徑50位于罩48和頂部段46之間的過渡區(qū)處。如圖2所示，罩48是V形的，且具有懸于壓力側(cè)30之上的第一部分52和懸于吸力側(cè)32之上的第二部分54。 V形罩48包括頂點(diǎn)56，罩48的第一部分52和第二部分54在該頂點(diǎn)56處相接。頂點(diǎn)56自前緣34延伸到后緣36。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，鳩尾榫段40、翼型部分42、根部段44、頂部段46和罩48全部由12%鉻不銹鋼材料制造成整體的構(gòu)件。在該實(shí)施例中，葉片20通過鴻尾榫段40聯(lián)接到渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉輪18(如圖1所示)上，且自轉(zhuǎn)子葉輪18徑向地向外延伸。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的、圖2的葉片中所示的鳩尾榫段40的放大的透視圖。在這個(gè)實(shí)施例中，雞尾榫段40包括接合限定在渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉輪18(如圖1所示)中的配合狹槽的、具有大約25度斜角的斜的軸向進(jìn)入鳩尾榫。在一個(gè)實(shí)施例中，斜的軸向進(jìn)入鳩尾榫包括三個(gè)鉤設(shè)計(jì)，該三個(gè)鉤設(shè)計(jì)具有構(gòu)造成以便與渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉輪18(如圖1所示)接合的六個(gè)接觸面。斜的軸向進(jìn)入鳩尾榫是優(yōu)選的，以便獲得平均和局部應(yīng)力的分布、在超速條件期間的保護(hù)以及足夠的低循環(huán)疲勞(LCF)界限，以及容納翼型根部段44。圖3還顯示了鳩尾榫段40包括阻止葉片20中的軸向運(yùn)動(dòng)的軸向保持鉤41。本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解，斜的軸向進(jìn)入鴣尾榫可具有不止三個(gè)鉤或少于三個(gè)鉤。2007年11月16日提交的名稱為"DOVETAIL ATTACHMENT FOR USEWITH TURBINE ASSEMBLIES AND METHODS OF ASSEMBLINGTURBINE ASSEMBLIES^ "用于與渦輪機(jī)組件一起使用的鳩尾榫附連件和組裝渦輪機(jī)組件的方法")的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利申請No.11/941,751(GE文檔226002號(hào))提供了對軸向進(jìn)入鳩尾榫的更加詳細(xì)的討論。
除了提供鴻尾榫段40的進(jìn)一步細(xì)節(jié)之外，圖3還顯示了過渡區(qū)域的放大視圖，鳩尾榫段40在該過渡區(qū)域處自根部段44凸出。特別地，圖3顯示了在根部段44過渡到雞尾榫段40的平臺(tái)60的位置處的圓角半徑58。
圖4顯示了具有根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的、圖2中所描繪的罩48的放大視圖的透視側(cè)視圖。如以上所提到的，罩48是V形的，其具有懸于壓力側(cè)30之上的第一部分52以及懸于吸力側(cè)32之上的第二部分54。第一部分52和第二部分54在頂點(diǎn)56處相^^。如圖4所示，第一部分52包括成角度的表面，且第二部分54包括平的表面。更具體地，第一部分52的成角度的表面相對于壓力側(cè)30向下成角度，而第二部分54的平的表面相對于吸力側(cè)32是平的。圖4還顯示了罩48包括在相鄰的罩之間沒有接觸的非接觸面62，以及在相鄰的罩之間有接觸的接觸面64。此外，防止產(chǎn)生高應(yīng)力的應(yīng)力消除槽66位于頂點(diǎn)56上。
圖5是顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的相鄰的罩48的相互關(guān)系的透視圖。通常，在最初的組裝期間和/或在零速度條件下，罩48設(shè)計(jì)成在相鄰的罩之間在非接觸面62處具有間隙或千涉，且在^l妄觸面64處接觸。應(yīng)力消除槽66防止在罩之間產(chǎn)生高應(yīng)力。當(dāng)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉輪18(如圖1所示)旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片20開始扭開。當(dāng)葉片20的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)接近運(yùn)行水平時(shí)，葉片由于離心力而扭開，接觸面64處的間隙閉合，且變得彼此對齊，從而使得存在與相鄰的罩的公稱干涉。結(jié)果是葉片形成單個(gè)持續(xù)地聯(lián)接的結(jié)構(gòu)?；ユi罩提供改進(jìn)的葉片剛度、改進(jìn)的葉片阻尼，以及在葉片20的外部徑向位置處的改進(jìn)的密封。
在一個(gè)示例性實(shí)施例中，葉片20的運(yùn)行水平為3600RPM,但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，本文的教導(dǎo)可應(yīng)用于這個(gè)公稱大小的各種比例。例如，本領(lǐng)域技術(shù)人員可按諸如1.2、 2和2.4等比例因子來按比例確定運(yùn)行水平，以產(chǎn)生分別在3000RPM、 1800RPM和1500RPM下運(yùn)4亍的葉片。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的葉片20優(yōu)選用于蒸汽輪機(jī)低壓段的 在最后一級(jí)附近的級(jí)或Ll級(jí)中。但是，葉片也可用于其它級(jí)或其它 段中(例如高壓段或中壓段)。如以上所提到的，用于葉片20的一個(gè)優(yōu) 選長度為大約18.5英寸(46.99厘米)。這個(gè)葉片長度可提供大約30.5ft2 (2.83m"的Ll級(jí)出口環(huán)面積。這個(gè)放大的且改進(jìn)的出口環(huán)面積可減小 蒸汽在其離開最后一級(jí)附近的級(jí)Ll的葉片時(shí)經(jīng)受的動(dòng)能損失。這種 更低的損失提供增大的渦輪機(jī)效率。
如上所述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，如果葉片長度按比例縮放 成另一葉片長度，則這個(gè)比例將產(chǎn)生也按比例縮放的出口環(huán)面積。例 如，如果利用諸如1.2、2和2.4等比例因子來分別產(chǎn)生22.20英寸(56.39 厘米)、37.0英寸(93.98厘米)和44.4英寸(112.78厘米)的葉片長度， 則將分別導(dǎo)致大約43.88ft2 (4.08m2)、 121.89ft2 (11.32m2)和175.52ft2 (16.311112)的出口環(huán)面積。
雖然已經(jīng)結(jié)合本公開的優(yōu)選實(shí)施例特別地顯示和描述了本公開， 但是將理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員將想到變型和修改。因此，將理解的是 所附的權(quán)利要求書意圖覆蓋落入本公開的真實(shí)精神內(nèi)的所有這樣的 4務(wù)改和變更。
ii
權(quán)利要求
1.一種蒸汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片(20)，其包括翼型部分(42)；附連到所述翼型部分(42)的一個(gè)端部上的根部段(44)；自所述根部段(44)凸出的鳩尾榫段(40)，其中，所述鳩尾榫段(40)包括斜的軸向進(jìn)入鳩尾榫；在與所述根部段(44)相對的端部處附連到所述翼型部分(42)上的頂部段(46)；一體地形成為所述頂部段(46)的一部分的罩(48)；以及其中，所述葉片(20)包括大約30.5ft2(2.83m2)或更大的出口環(huán)面積。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的蒸汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片(20)，其特征在于， 所述斜的軸向進(jìn)入鳩尾榫(40)包括25度的斜角。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的蒸汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片(20),其特征在于，軸向保持鉤(41)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的蒸汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片(20)，其特征在于， 所述罩(48)是V形的，所述V形罩(48)具有懸于所述翼型部分(42)的壓 力側(cè)(30)之上的第一部分(52)和懸于所述翼型部分(42)的吸力側(cè)(32)之 上的第二部分(54),所述V形罩(48)的、在所述罩(48)的所述第一部分 (52)和所述第二部分(54)相接的地方處的頂點(diǎn)(56)自所述翼型部分(42) 的前緣(34)延伸到所述翼型部分(42)的后緣(36)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的蒸汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片(20),其特征在于， 所述第一部分(52)包括成角度的表面，且所述第二部分(54)包括平的表 面，其中，所述第一部分(52)的所述成角度的表面相對于所述壓力側(cè) (30)向下成角度，且所述第二部分(54)的所述平的表面相對于所述吸力 側(cè)(32)是平的。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的蒸汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片(20),其特征在于， 所述第 一部分(52)包括構(gòu)造成以便在蒸汽輪機(jī)葉片(20)的級(jí)中與相鄰 的罩(48)接觸的接觸面(64)，且所述第二部分(54)包括構(gòu)造成以便在蒸 汽輪機(jī)葉片(20)的所述級(jí)中不與相鄰的罩(48)接觸的非接觸面(62)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的蒸汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片(20)，其特征在于， 所述罩(48)包括位于所述頂點(diǎn)(56)上的應(yīng)力消除部(66)，以防止高應(yīng)力 產(chǎn)生。
8. —種蒸汽輪機(jī)(10)的低壓渦輪機(jī)段，其包括 設(shè)置在渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉輪(18)周圍的多個(gè)較后級(jí)蒸汽輪機(jī)葉片(20),其中，所述多個(gè)較后級(jí)蒸汽輪機(jī)葉片(20)中的各個(gè)包括具有18.5英寸(46.99厘米)或更大的長度的翼型部分(42);附連到所述翼型部分(20)的一個(gè)端部上的根部段(44);自所述根部段(44)凸出的鴻尾榫段(40),其中，所述鴻尾榫段(40) 包括斜的軸向進(jìn)入鳩尾榫；在與所述根部段(44)相對的端部處附連到所述翼型部分(42)上的 頂部段(46);一體地形成為所述頂部段(46)的一部分的罩(48);以及 其中，所述多個(gè)較后級(jí)蒸汽輪機(jī)葉片(20)包括大約30.5ft2(2.83m2) 或更大的出口環(huán)面積、。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所迷的低壓渦輪機(jī)段，其特征在于，所述多圍內(nèi)的速度運(yùn)行。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所迷的低壓渦輪機(jī)段，其特征在于，所述多 個(gè)較后級(jí)蒸汽輪機(jī)葉片(20)的所述罩(48)以與相鄰的罩(48)具有公稱 間隙的方式來組裝。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于蒸汽輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓段的蒸汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片。公開了一種用于蒸汽輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)(10)的低壓段的蒸汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片(20)。蒸汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片(20)包括翼型部分(42)。根部段(44)附連到翼型部分(42)的一個(gè)端部上。鳩尾榫段(40)自根部段(44)凸出，其中，鳩尾榫段(40)包括斜的軸向進(jìn)入鳩尾榫。頂部段(46)在與根部段(44)相對的端部處附連到翼型部分(42)上。罩(48)一體地形成為頂部段(46)的一部分。葉片(20)包括大約30.5ft²(2.83m²)或更大的出口環(huán)面積。
文檔編號(hào)F01D5/30GK101672199SQ20091017624
公開日2010年3月17日 申請日期2009年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月8日
發(fā)明者M·S·里亞茲, V·菲利亞耶夫 申請人:通用電氣公司