專利名稱：一種渦輪轉(zhuǎn)子葉片及具有其的燃氣輪機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及動力機械領域，具體而言，涉及一種渦輪轉(zhuǎn)子葉片及具有其的燃氣輪機。
背景技術：
渦輪轉(zhuǎn)子葉片是把高溫燃氣的能量轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)子機械功的重要零件。工作時，它不僅被經(jīng)常變化著的高溫燃氣所包圍，并且還承受著高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的巨大離心力、氣體力和振動負荷等，因而渦輪轉(zhuǎn)子葉片的工作條件是很惡劣的，它是決定燃氣輪機壽命的主要零件之一。因此，提高渦輪轉(zhuǎn)子葉片的效率、可靠性和穩(wěn)定性就顯得尤為重要。轉(zhuǎn)子葉片葉尖間隙內(nèi)的復雜流動是影響燃氣輪機渦輪效率的重要因素之一，研究人員在減少葉尖間隙內(nèi)的流動損失方面做出了巨大努力。而轉(zhuǎn)子的振動對燃氣輪機的穩(wěn)定和可靠工作意義重大。減小轉(zhuǎn)子的振動是轉(zhuǎn)子動力學和轉(zhuǎn)子結構設計的重要課題之一。 現(xiàn)有技術中如燃氣輪機等動力機械的渦輪轉(zhuǎn)子葉片的結構一般分為兩種自由端懸臂結構的葉片和帶平行四邊形葉冠的葉片。先進的展弦比較大的渦輪轉(zhuǎn)子葉片多采用葉頂帶葉冠的結構。葉冠的作用是減小葉片頂部由葉盆向葉背的漏氣，降低二次流損失；相鄰葉片的葉冠抵緊后可以減小葉片的扭曲變形和彎曲變形，增強葉片的剛性，提高葉片的振動頻率；當葉片產(chǎn)生振動時，相鄰葉冠間產(chǎn)生摩擦可以吸收振動能量，起到減振的作用；同時，帶葉冠葉片也可以采用對氣動有利的薄葉型。葉片裝配時，葉冠之間存在一定的間隙。在理想情況下，帶平行四邊形葉冠的葉片工作時，由于熱膨脹等原因，此間隙應該消失，相鄰葉片的葉冠應該抵靠。但實際使用中，由于制造誤差及葉片、輪盤變形等因素，間隙難以控制，使葉冠的作用大受影響?，F(xiàn)有技術中葉頂帶冠的結構，多葉片沒有沿徑向的相互約束，容易造成葉尖流動的不均勻而導致流動損失增大；由于間隙的存在，對葉片的減振效果不明顯。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種渦輪轉(zhuǎn)子葉片及具有其的燃氣輪機，以解決現(xiàn)有技術中帶有葉冠的葉片流動損失大的技術問題；進一步地，還能解決葉片振動較大，減振效果不明顯的技術問題。本發(fā)明提供了一種渦輪轉(zhuǎn)子葉片，包括葉冠、葉身和榫頭，葉冠包括第一預扭接觸面，第一預扭接觸面沿周向設置于葉冠的周向第一端；第二預扭接觸面，第二預扭接觸面沿周向設置于葉冠的周向第二端；其中，第一預扭接觸面和第二預扭接觸面設置為在多個渦輪轉(zhuǎn)子葉片裝配后，每個渦輪轉(zhuǎn)子葉片的第二預扭接觸面與相鄰的渦輪轉(zhuǎn)子葉片的第一預扭接觸面擠壓配合，使得相鄰兩個渦輪轉(zhuǎn)子葉片的葉冠之間共同產(chǎn)生以葉片積疊軸為軸心的預扭角度。進一步地，預扭角度的大小是O. 5°至I. 5°。進一步地，第一預扭接觸面從徑向內(nèi)側(cè)向外側(cè)沿著進氣方向傾斜設置，第一預扭接觸面與渦輪轉(zhuǎn)子葉片所在的輪盤的軸線之間具有夾角I第二預扭接觸面與第一預扭接觸面配合設置，并且第二預扭接觸面與軸線之間的夾角大小等于夾角P。進一步地，夾角爐的大小為80°至85。。進一步地，葉冠設置為在多個渦輪轉(zhuǎn)子葉片裝配后，每兩個相鄰的渦輪轉(zhuǎn)子葉片的葉冠之間沿周向預留有間隙Λ。進一步地，間隙Λ大小為O. Imm至O. 2_。本發(fā)明還提供了一種燃氣輪機，包括渦輪轉(zhuǎn)子，上述渦輪轉(zhuǎn)子包括上述渦輪轉(zhuǎn)子葉片。根據(jù)本發(fā)明的技術方案，將第一預扭接觸面和第二預扭接觸面沿周向分別設置于葉冠的周向第一端和周向第二端，并使第二預扭接觸面與相鄰葉片的第一預扭接觸面擠壓配合，以在相鄰渦輪轉(zhuǎn)子葉片的葉冠之間共同產(chǎn)生預扭角度。當燃氣輪機工作時，葉片會因為氣體沖擊力的作用產(chǎn)生扭曲變形，但由于各相鄰渦輪轉(zhuǎn)子葉片的葉冠之間存在與該氣體
沖擊力所產(chǎn)生的力矩方向相反的預扭力矩，因而可以有效抑制葉片的扭轉(zhuǎn)和彎曲變形，從而減小流動的葉型損失。進一步地，通過設置預扭，使相鄰渦輪轉(zhuǎn)子葉片的葉冠間產(chǎn)生摩擦，可以有效吸收振動能量，起到減振作用。進一步地，通過設置夾角P，從而使相鄰渦輪轉(zhuǎn)子葉片的葉冠之間產(chǎn)生克服不均勻離心力作用的力，可以有效抑制葉片的徑向變形，減小徑向變形的不一致性，改善燃氣流動，提高渦輪效率。進一步地，在熱膨脹或應力變形等情況下，相鄰渦輪轉(zhuǎn)子葉片的葉冠間預留的周向間隙Λ會減小，使兩個葉片的葉冠完全貼合，該間隙Λ有效地減小由于熱變形而產(chǎn)生的應力。


構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構成對本發(fā)明的不當限定。在附圖中圖I為裝配了本發(fā)明實施例的渦輪轉(zhuǎn)子葉片的葉盤結構示意圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明實施例的渦輪轉(zhuǎn)子葉片的立體結構示意圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明實施例的渦輪轉(zhuǎn)子葉片的俯視結構示意圖；圖4為圖3的X方向視圖；圖5為根據(jù)本發(fā)明實施例的渦輪轉(zhuǎn)子葉片的裝配展開圖；圖6為圖5的A處局部放大圖。
具體實施例方式需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結合實施例來詳細說明本發(fā)明。需要說明的是，本發(fā)明中所提及的周向和軸向，指的是葉片裝配后葉盤的周向和軸向。如圖I和圖2所示，本發(fā)明實施例中的渦輪轉(zhuǎn)子葉片包括葉冠I、葉身2和榫頭3 ；氣流沿圖I和圖5中箭頭D所示的方向流入渦輪轉(zhuǎn)子葉片。如圖3所示，本發(fā)明實施例中的渦輪轉(zhuǎn)子葉片的葉冠I包括第一預扭接觸面11和第二預扭接觸面12。第一預扭接觸面11沿周向設置于葉冠I的周向的第一端，第二預扭接觸面12沿周向設置于葉冠I的周向的第二端。其中第一預扭接觸面11和第二預扭接觸面12的尺寸如此設置在多個渦輪轉(zhuǎn)子葉片裝配后，每個渦輪轉(zhuǎn)子葉片的第二預扭接觸面12與相鄰的渦輪轉(zhuǎn)子葉片的第一預扭接觸面11擠壓配合，使得相鄰的兩個渦輪轉(zhuǎn)子葉片的葉冠I之間共同產(chǎn)生在O. 5°至1.5°范圍內(nèi)的以葉片積疊軸為軸心的預扭角度，優(yōu)選地，該預扭角度大小為1°左右。圖5和圖6中的ε代表在一個葉片的第一預扭接觸面11和相鄰葉片的第二預扭接觸面12擠壓配合處葉冠的軸向尺寸大于葉冠完全貼和所需的尺寸的差值，正是由于該 差值ε的存在而使相鄰葉片在裝配中產(chǎn)生了如圖5所示方向的預扭，相鄰兩個葉片共同產(chǎn)生的預扭角度為1°。圖5中所示的受力三角形為葉片所受氣動力F2的矢量三角形。在工作中，渦輪轉(zhuǎn)子葉片在氣體沖擊力的作用下，單個葉片所受氣動力為F2，F(xiàn)2可分解為沿氣流方向的力Fx和沿周向的力Fy。在這個力F2的作用下，葉片沿著力Fx的方向有發(fā)生位移的趨勢，也會因為力Fx產(chǎn)生的力矩T2的作用而產(chǎn)生扭曲變形，但由于相鄰葉冠I之間存在預扭，從而產(chǎn)生與該力力矩T2方向相反的力矩Tl，有效抑制了葉片的扭轉(zhuǎn)和彎曲變形。同時，葉片變形的減小使得葉片的葉型偏離設計葉型較小，可有效減小流動的葉型損失。而且當葉片產(chǎn)生振動時，由于預扭的存在而使相鄰葉冠I間產(chǎn)生摩擦可以吸收振動能量，有效起到減振作用。進一步地，如圖4所示，本發(fā)明實施例中的渦輪轉(zhuǎn)子葉片的第一預扭接觸面11從徑向內(nèi)側(cè)向外側(cè)沿著進氣方向傾斜設置，第一預扭接觸面11與葉輪軸線之間具有80°至85°的夾角P。第二預扭接觸面12與第一預扭接觸面11配合設置，并且第二預扭接觸面12與葉輪軸線之間的夾角大小等于夾角爐。圖4所示的受力三角形為葉片所受離心力Fl的矢量三角形。工作中，葉片由于高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生很大的離心力F1，該力可分解為沿第一預扭接觸面11切向方向的分力Fn和垂直第一預扭接觸面11的法向分力Ft。在該力的作用下，葉片有沿徑向向外變形運動的趨勢。而由于存在預扭以及第一預扭接觸面11與渦輪轉(zhuǎn)子軸線所存在的夾角 >，從而使與第一預扭接觸面11接觸的第二預扭接觸面12對第一預扭接觸面11產(chǎn)生一個與Ft方向相反的作用力，形成了對此葉冠沿徑向向下的作用。葉冠與葉冠之間的這種相互作用，能有效抑制葉片的徑向變形，減小徑向變形的不一致性，改善燃氣流動，提高渦輪效率。進一步地，如圖5和圖6所示，本實施例中每兩個相鄰葉冠I之間沿周向預留有
O.Imm至O. 2mm的間隙Λ。工作狀態(tài)時，由于熱膨脹和應力變形等原因，圖中所示預留的間隙Λ會減小或者變?yōu)榱?，從而使相鄰兩個葉片完全貼合，該間隙Λ可有效減小由于熱變形而產(chǎn)生的應力。間隙Λ的大小由葉片的展弦比和氣體動力參數(shù)等經(jīng)過計算而得。本發(fā)明還提供一種燃氣輪機，包括渦輪轉(zhuǎn)子，渦輪轉(zhuǎn)子包括上述渦輪轉(zhuǎn)子葉片。從以上的描述中，可以看出，本發(fā)明上述的實施例實現(xiàn)了如下技術效果通過設置相鄰葉片的葉冠間的預扭角度可以有效地抑制葉片的扭轉(zhuǎn)和彎曲變形，從而減小流動的葉型損失和減小葉片尖部葉盆向葉背的漏氣，減小二次流損失，可提高燃氣輪機效率。同時預扭的存在使得相鄰葉冠間產(chǎn)生摩擦，吸收振動能量，起到減振的效果，從而提高燃氣輪機的工作穩(wěn)定性和可靠性。設置夾角能有效抑制葉片的徑向變形，減小徑向變形的不一致性，改善燃氣流動，提高渦輪效率。
通過設置間隙Λ，能有效地減小由于熱變形而產(chǎn)生的應力。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領域的技術人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種渦輪轉(zhuǎn)子葉片，包括葉冠(I)、葉身(2)和榫頭(3)，其特征在于，所述葉冠(I)包括 第一預扭接觸面(11 )，所述第一預扭接觸面(11)沿周向設置于所述葉冠(I)的周向第一端; 第二預扭接觸面(12)，所述第二預扭接觸面(12)沿周向設置于所述葉冠(I)的周向第~·丄山一觸； 其中，所述第一預扭接觸面(11)和所述第二預扭接觸面(12)設置為在多個所述渦輪 轉(zhuǎn)子葉片裝配后，每個渦輪轉(zhuǎn)子葉片的所述第二預扭接觸面(12)與相鄰的渦輪轉(zhuǎn)子葉片的所述第一預扭接觸面(11)擠壓配合，使得相鄰兩個渦輪轉(zhuǎn)子葉片的所述葉冠(I)之間共同產(chǎn)生以葉片積疊軸為軸心的預扭角度。
2.根據(jù)權利要求I所述的渦輪轉(zhuǎn)子葉片，其特征在于，所述預扭角度的大小是O.5°至I.5°。
3.根據(jù)權利要求I或2所述的渦輪轉(zhuǎn)子葉片，其特征在于， 所述第一預扭接觸面(11)從徑向內(nèi)側(cè)向外側(cè)沿著進氣方向傾斜設置，所述第一預扭接觸面(11)與所述渦輪轉(zhuǎn)子葉片所在的輪盤的軸線之間具有夾角爐； 所述第二預扭接觸面(12)與所述第一預扭接觸面(11)配合設置，并且所述第二預扭接觸面(12)與所述軸線之間的夾角大小等于所述夾角識。
4.根據(jù)權利要求3所述的渦輪轉(zhuǎn)子葉片，其特征在于，所述夾角的大小為80°至85。。
5.根據(jù)權利要求I或2所述的渦輪轉(zhuǎn)子葉片，其特征在于，所述葉冠(I)設置為在多個所述渦輪轉(zhuǎn)子葉片裝配后，每兩個相鄰的渦輪轉(zhuǎn)子葉片的所述葉冠(I)之間沿周向預留有間隙Λ。
6.根據(jù)權利要求5所述的渦輪轉(zhuǎn)子葉片，其特征在于，所述間隙Λ大小為O.Imm至O.2mmο
7.一種燃氣輪機，包括渦輪轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述渦輪轉(zhuǎn)子包括根據(jù)權利要求I至6中任一項所述的渦輪轉(zhuǎn)子葉片。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種渦輪轉(zhuǎn)子葉片及具有其的燃氣輪機。渦輪轉(zhuǎn)子葉片包括葉冠、葉身和榫頭，葉冠包括第一預扭接觸面，沿周向設置于葉冠的周向第一端；第二預扭接觸面，沿周向設置于葉冠的周向第二端；其中，第一預扭接觸面和第二預扭接觸面設置為在多個渦輪轉(zhuǎn)子葉片裝配后，每個渦輪轉(zhuǎn)子葉片的第二預扭接觸面與相鄰的渦輪轉(zhuǎn)子葉片的第一預扭接觸面擠壓配合，使相鄰兩個渦輪轉(zhuǎn)子葉片的葉冠之間共同產(chǎn)生以葉片積疊軸為軸心的預扭角度。根據(jù)本發(fā)明的技術方案，由于各相鄰渦輪轉(zhuǎn)子葉片的葉冠之間存在與氣體沖擊力所產(chǎn)生的力矩方向相反的預扭力矩，可以有效抑制工作中的葉片的扭轉(zhuǎn)和彎曲變形，減小流動的葉型損失。
文檔編號F01D5/16GK102877892SQ201210407428
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月23日 優(yōu)先權日2012年10月23日
發(fā)明者楊家禮, 張億力, 李久山, 黃舜, 陽誠武, 劉秀芳, 季星星 申請人:湖南航翔燃氣輪機有限公司