專利名稱：渦輪機葉片的改進的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及渦輪機葉片的設計，尤其是涉及一種經(jīng)過改進的具有良好機械可靠性的獨立式渦輪葉片。
一臺汽輪機包括低壓、中壓和(或)高壓汽輪構件，這些構件組合在一起，產(chǎn)生單一的功率輸出。每臺汽輪機都具有一個轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子上有許多安裝在溝槽中的轉(zhuǎn)子葉片。通常，在一排上的葉片彼此相同。每排轉(zhuǎn)動葉片從轉(zhuǎn)子外表面向外沿徑向伸出，各排葉片互相隔開一排上的轉(zhuǎn)動葉片與其它排葉片的形狀各不相同。最明顯的是每排或者說每級轉(zhuǎn)動葉片的長度隨著在轉(zhuǎn)子上的位置不同而改變。
每個轉(zhuǎn)動葉片，不管它是在哪一排上，都具有一個翼部和一個基部，所述翼部從轉(zhuǎn)子向外徑向延伸，而所述基部用來將葉片安裝在轉(zhuǎn)子上?；坑职ㄒ粋€根部和一個平臺，所述根部固緊在為一排中每個葉片提供的一個安裝溝槽中，所述平臺是在翼部的貼近端整體地做出的。在翼部的末端具有一個頂部，翼部從所述貼近端到末端呈現(xiàn)一個扭曲的外形，其側(cè)壁也可以是平行的。有時，在頂部還具有圍帶，此圍帶可以是單獨加上去的，也可以是做成整體的。
在轉(zhuǎn)子周圍同軸地安裝著一個靜止的缸，缸內(nèi)壁裝有許多靜止葉片。這些葉片排列成行，當缸與轉(zhuǎn)子組裝之后，成排靜止葉片與成排轉(zhuǎn)動葉片交替放置。盡管所有靜止葉片均有一個翼部，但是在一排上的靜止葉片與其它排的靜止葉片的形狀是不同的。一些靜止葉片上具有一個由根部和平臺組成的基部。而其它靜止葉片的翼部直接焊在葉片環(huán)上，沒有根部或者平臺。
每個靜止葉片的根部可能具有一個側(cè)槽口，當根部裝入溝槽中之后，所述槽口與一個環(huán)狀凹槽匹配。側(cè)槽口與環(huán)狀凹槽形成缸和根部的共有間隙，用填隙材料充滿這個間隙之后，缸和根部就互相連結在一起。
在轉(zhuǎn)子上做出的安裝轉(zhuǎn)子葉片的溝槽，其幾何形狀通常要比靜止葉片安裝溝槽復雜。此外，轉(zhuǎn)動葉片根部和轉(zhuǎn)子與靜止葉片的相應根部比較，所承受的應力要大得多。
一些渦輪機的渦輪轉(zhuǎn)子葉片安裝在轉(zhuǎn)子的“側(cè)進”溝槽中。安裝之后，轉(zhuǎn)子葉片從轉(zhuǎn)子向外沿徑向排伸出，圍繞著轉(zhuǎn)子環(huán)形排列。在這里，不再用一個單獨的環(huán)形溝槽來安裝一排中的多個轉(zhuǎn)子葉片，用于一排轉(zhuǎn)子葉片的側(cè)進溝槽是一系列等距離隔開的側(cè)進溝槽，此系列中的每個側(cè)進溝槽供此排中的每個轉(zhuǎn)子葉片所用。通常，這些側(cè)進溝槽是等距離隔開的，但有時為了便于安裝終了葉片，間距是變化的。
一個典型的側(cè)進溝槽從轉(zhuǎn)子外表面開始，呈開口狀，然后向內(nèi)朝著溝槽底部逐漸變窄。從開口到溝槽底部的溝槽的相對側(cè)壁上對稱地做出一系列起伏。一個相應渦輪葉片的典型的根部，其形狀與所述溝槽的形狀基本相符。所述起伏形成一系列相互鎖緊的臺階。起伏狀的側(cè)壁使根部能插入轉(zhuǎn)子的徑向溝槽中。轉(zhuǎn)子溝槽和葉片根部的最終形狀很象一棵顛倒的樅樹或者說尖塔。
在一個側(cè)進溝槽中，根部被推入一個與渦輪轉(zhuǎn)子軸線基本平行的溝槽中，因此能獲得相互鎖緊。根部和溝槽的公差要求都很嚴格。根部的接觸表面形狀公差范圍沿著其輪廓通常在萬分之一到萬分之五英寸范圍內(nèi)變化。而溝槽的接觸表面形狀公差范圍沿著其輪廓約在0.015～0.025mm范圍內(nèi)變化。總之，由于根部和溝槽之間需要精確配合，兩者之間的間隙很小。
即使有特殊要求，一般也不愿改變轉(zhuǎn)子根部和溝槽形狀。因為這要耗費幾個月甚至幾年的時間進行精確計算。有時，轉(zhuǎn)子葉片根部和溝槽輪廓稍有變化，就會導致葉片或者轉(zhuǎn)子性能的嚴重下降?？梢?，根部和溝槽之間的配合要求嚴格，改變它們(或其中之一)的外形是不明智的。
通常，一個側(cè)進轉(zhuǎn)子葉片的根部固定在一個形狀與其基本相同的溝槽之中，這是為了使與運動流體泄漏有關的損失最小。在高溫運行情況下有時出現(xiàn)例外，這時在根部底部和溝槽底部之間做出間隙，以便提供冷卻介質(zhì)通過的通道。
樹狀葉片根部以及它們相應的安裝溝槽，分別在靠近翼部以及轉(zhuǎn)子體處最寬，在相對端則最窄。這樣做是為了最有效地利用將荷載從葉片傳遞到轉(zhuǎn)子的材料，并提供較大的圓角半徑，使應力集中效應最小。
動力發(fā)生裝置需定期更換渦輪葉片。用戶經(jīng)常要求，通過改裝具有高性能的葉片來使動力發(fā)生裝置得到改進。當今市場十分強調(diào)，更換運動裝置上的葉片，以便延長壽命、改善熱性能和可靠性。此外，目前的渦輪機設計也需要可靠性和熱性能良好的改進型式。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)，在脈沖載荷運行期間，目前所用的獨立式葉片的根頸會發(fā)生斷裂。這些根部斷裂是由于反復的開動和停機循環(huán)而造成的。根部或者說尖頂產(chǎn)生斷裂的一個基本原因是后緣相對于根頸“外伸”在

圖1中用距離A表示出后緣的外伸量，所述A是一個葉片基部后緣10與由最上根頸確定的根部區(qū)域輪廓12之間的距離。圖2是一個包括剖面和側(cè)立面圖的綜合圖，其中也畫出了所述區(qū)域。在圖2中可以看出根部14和最上根頸16。圖2葉片與圖1葉片的外形稍有不同，其后緣外伸更加明顯。
圖3是一張重迭式圖，表示出葉片的剖面A-A、E-E、J-J和M-M。還表示出基部剖面Q-Q，所述剖面Q-Q反映出平臺18與這個特殊剖面之間的關系。
圖3中的各個剖面，表示出葉片從基部(Q-Q)，到頂部(A-A)的輪廓。每個剖面中都包括該葉片的基本組分前緣(進氣邊)20、后緣(出氣邊)22、凸出的負壓側(cè)表面24以及凹入的壓力側(cè)表面26。在剖面Q-Q的左側(cè)畫出根部28，為了便于說明起見，在根部28上畫出一條根部中心線，此中心線所在的垂直對稱面將根部28二等分。雖然圖3中后緣22離平臺18的邊緣不遠，但它相對于最外根頸30的位置仍被認為是危險的。
本發(fā)明的基本目的是提供一種熱性能和可靠性均得到改進的渦輪葉片設計，當經(jīng)受反復的起動和停機循環(huán)時，渦輪葉片根部的根頸中不會發(fā)生斷裂。
為此，本發(fā)明的一個渦輪轉(zhuǎn)子葉片包括一個翼部、一個平臺部分以及一個根部，所述翼部具有一個前緣、一個后緣、一個負壓側(cè)表面、一個壓力側(cè)表面、一個位于一端的頂部以及一個位于另一相對端的基部;翼部從平臺部分向外伸出;而所述根部從平臺部分朝著與翼部相對的方向伸出，并具有多個根頸，其中包括一個最外根頸，其特征為，翼部的后緣基部在徑向非常接近于最外根頸，從而使后緣外伸量減至最小。
下面結合附圖用舉例的方法對本發(fā)明的一個最佳實施例進行解釋，使本發(fā)明變得更加明顯。附圖中圖1是一個現(xiàn)有技術渦輪葉片的基部剖視圖，表示出后緣外伸量;
圖2是另一個現(xiàn)有技術渦輪葉片的基部剖視圖，以及該葉片根部的一個端視圖;
圖3是一個重迭式剖面圖，表示出一個現(xiàn)有技術渦輪葉片的多個剖面圖，還有該葉片根部的端視圖;
圖4是一個本發(fā)明渦輪葉片及其根部的側(cè)立面圖;
圖5是圖4渦輪葉片的端視圖;
圖6是圖4渦輪葉片的剖面圖;
圖7是根部端視圖，從圖6左側(cè)向右看;
圖8是沿圖4的Ⅷ-Ⅷ線剖切的剖面圖;
圖9是一個基部剖視圖，表示出圖4葉片后緣與根頸區(qū)域的相對位置;
圖10是一張表格參照圖，畫出圖4渦輪葉片的一個典型剖面上的多個參考點。
參見圖4至圖9，一個本發(fā)明渦輪葉片32包括一個翼部34，此翼部含有一個前緣36、一個后緣38、一個負壓側(cè)表面40、一個壓力側(cè)表面42、一個頂部A-A和一個基部Q-Q。在圖6中還畫出幾個其它剖面D-D、G-G、K-K、L-L以及N-N，以便表示出翼部34沿徑向的形狀。
平臺部分44具有一個基部，一個翼部34從該處伸出。而一個根部46沿著與翼部44相對的方向從平臺部分44伸出，根部46具有多個根頸48，其中包括最外根頸48。
如圖9所示，最外根頸形成一個弓形區(qū)域50，該區(qū)域50的弧形側(cè)是由此根頸每側(cè)的曲線頂點確定的，而該區(qū)域50的直線一側(cè)是由根部46的端面確定的。在基部剖面的Q-Q處翼部的后緣38在垂直方向非常接近于最上根頸48a，使后緣伸出置減至最小。特別是，在圖9中，后緣38就覆蓋在弓形區(qū)域50的弧形側(cè)50a上面。因此，圖9與圖1、2大不相同，在圖1、2中后緣明顯地超出區(qū)域12的弧形側(cè)邊。
圖4至9中所述的渦輪葉片具有一個32英寸(812.8mm)長的翼部，用來替代目前的28.5英寸(723.9mm)余隙式葉片，根據(jù)本發(fā)明的葉片是獨立式的，也就是說沒有余隙，其根部比任何其它類似設計的葉片根部要寬，因此可用來固定。最外根頸寬度約為1.56英寸(39.624mm)。也就是說，最外根頸的直徑約為4cm。葉片根部尺寸大能減少支承應力，防止斷裂。此外，加長的長度、角度和幾何形狀大大地改善了熱力性能。
對于所有非調(diào)諧狀態(tài)的振動來說，本發(fā)明葉片斷面的計算強度高于圖3所示的現(xiàn)有葉片的計算強度，因此機械可靠性也得到改善。還有，因為這種葉片是由又寬又深的根部支承的，接合區(qū)支承表面增大因此支承應力減小。脈沖運行中的高支承應力會損傷支承表面，導致斷裂。
由于本發(fā)明葉片比現(xiàn)有的28.5英寸綁緊式葉片長出大約3.545英寸(90.043mm)，因此能減少導向損失，從而改善葉片性能。
從圖中可以看出本發(fā)明的另一個特點，圖6中的各個葉片剖面具有平的或者說直的背部輪廓，也就是說，從后緣38開始沿著負壓側(cè)表面40延伸到X座標處的表面較為平坦。這種平背幾何形狀能減少跨音速流工作期間的流動損失，因此也是對原有彎背設計的改進。
圖10是一張表格參照圖，畫出本發(fā)明渦輪葉片翼部的一個典型剖面上的多個參考點。加號碼的參考點表示沿著負壓側(cè)和壓力側(cè)表面的點，以及相應于前緣和后緣的點。參考點，是負壓側(cè)表面平坦部分的起點，位于后緣處，而參考點2是該平坦部分與參考點1相對的另一端。距離“LF REF”指的是參考點1、2之間平背部分的長度。從下面的表格中可以看出，此長度從基部到頂部不斷增加。
“NA ANGLE REF”是指負壓側(cè)表面的平背部分與一條垂直線之間的角度，所述垂直線與后緣相切并平行于Y軸。可以看出，NA角度值從基部到頂部不斷減小，頂部只有大約4°的很小角度。
標記“PA(MAX THKS)”是指每個葉片剖面的最大厚度。從表格中可以看出，該最大厚度從基部到其次的相鄰剖面是增加的，但從該剖面到頂部則是逐漸減小的。
標記“TE DIA”及“LE DIA”分別指后緣直徑和前緣直徑。從表格可以看出，后緣直徑從基部到頂部逐漸減小。前緣直徑也是如此。
還可以看出，“SA GAUGING”量測尺寸從基部到L-L剖面逐漸增大，然后從L-L剖面到頂部逐漸減小。
權利要求
1.一種渦輪轉(zhuǎn)子葉片，包括一個翼部，它具有一個前緣、一個后緣、一個負壓側(cè)表面、一個壓力側(cè)表面、一個位于一端的頂部，以及一個位于另一相對端的基部；一個平臺部分，翼部從此處向外伸出；一個根部，它從平臺部分朝著與翼部相對的方向伸出，并具有多個根頸，其中包括一個最外根頸；其特征為，基部處的翼部后緣在徑向非常接近于最外根頸，從而使后緣外伸量減至最小。
2.根據(jù)權利要求1所述的渦輪葉片，其特征為，所述后緣覆蓋在所述最外根頸上面。
3.根據(jù)權利要求1所述的渦輪葉片，其特征為，所述翼部的負壓側(cè)表面具有一個從后緣延伸出的平背部分。
4.根據(jù)權利要求3所述的渦輪葉片，其特征為，所述平背部分的相應長度從所述基部到頂部不斷增加。
5.根據(jù)權利要求4所述的渦輪葉片，其特征為，在所述頂部，平背部分相對于一個垂直于轉(zhuǎn)子軸線的平面的角度約為4°。
6.根據(jù)權利要求1所述的渦輪葉片，其特征為，最外根頸的直徑約為4cm。
全文摘要
一種渦輪轉(zhuǎn)子葉片，其基部的翼部后緣在徑向非常接近于最外根頸，從而使導致葉片根部斷裂的后緣外伸量減至最小。
文檔編號F01D5/14GK1056147SQ91102758
公開日1991年11月13日 申請日期1991年4月29日 優(yōu)先權日1990年5月2日
發(fā)明者阿斯霍克·特·帕特爾 申請人:西屋電氣公司