渦輪葉片質心偏移方法和系統與流程
2023-09-18 04:03:00
本發明公開涉及用於通過偏移葉片積疊(bladestack)質心來生產燃氣渦輪機葉片的系統和方法，葉片積疊質心進一步由三個葉片積疊部分限定。根據本發明公開的燃氣渦輪機葉片並不限於燃氣渦輪機。渦輪機械的轉子葉片或引導葉片都在本發明公開的範圍內。
背景技術：
旋轉的燃氣渦輪機葉片必須滿足考慮了運行期間作用在旋轉葉片上的高機械和熱學應力的多重材料和設計標準。由於作用到旋轉葉片上的巨大的離心力和葉片必須承受的巨大的熱負荷，主要的葉片設計任務是提供高度的剛性並避免運行期間的葉片振動。使用旋轉葉片的翼型件內的冷卻通道的主動冷卻也必須考慮。葉片上的熱學塗層是又另一個設計考慮。尋求一種用於通過改變翼型件形狀來「調整」葉片的固有頻率的方法，以便改善空氣力學固有頻率刺激裕度(margintostimuli)，同時保持或改善空氣動力學性能。
旋轉的葉片成排布置，它們在軸向方向上與靜止葉片的排交替。每對排都包括一排靜止葉片和直接跟在下遊的一排旋轉葉片，從而形成所謂的級。渦輪的所有級都按順序編號，始於在渦輪的入口開口處的第一級，第一級具有第一排靜止葉片，繼之以第一排旋轉葉片。
燃氣渦輪機的正常操作顯示例如第一級的靜止葉片是對於作用在後續旋轉葉片上的振動的激勵源，後續的旋轉葉片以第二固有頻率共振。減少此類激勵源的效果以避免振動傳播以及任何級中布置在靜葉(vane)下遊的旋轉葉片上的激勵是有利的。改變燃氣渦輪機葉片的第一固有頻率與由靜止葉片導致的第二激勵固有頻率之間的差異即間隔可以減少這些效果。
對於常規的翼型件積疊，改變翼型件弦分布是調整軸向頻率的典型方法。典型地，為了增加軸向頻率，根弦被增加而梢弦被減少。這通常將增加軸向頻率的第一和第二諧波兩者，所以刺激裕度僅能在這些模式的其中一個(而不是兩個)上獲得。另一個方法將是改變葉片的徑向長度，這會要求對渦輪架構的極大改變。這些改變可能產生極大的性能損失(performancepenalty)。
用於「調整」無圍帶(unshrouded)葉片軸向頻率的現有技術具有若干缺點。第一軸向(1a)模式和第二軸向(2a)模式傾向於以類似的方式響應於翼型件變化，即，都增加或都降低頻率。通常，獲得對一個模式的裕度導致損失對另一個模式的裕度。
技術實現要素：
本發明公開的多個方面和優點將在以下說明中部分地闡述，或者可由該說明而顯而易見，或者可通過實踐本發明公開而獲悉。
公開了一種用於生產旋轉渦輪葉片的方法，其具有確定現有葉片的質量、弦分布、後緣平面、限定第一有效梁長度(effectivebeamlength)的第一固有頻率、以及限定第二有效梁長度的第二固有頻率的步驟，第一和第二固有頻率對應於現有葉片的任何共振頻率；限定現有葉片的具有上質心的上部、具有中間質心的中部以及具有下質心的下部的步驟；沿第一方向相對於下質心偏移現有葉片的中間質心的步驟；沿第二方向相對於下質心偏移現有葉片的上質心的步驟，第二方向不同於第一方向；以及執行以上步驟以改變第二有效梁長度，從而改變改型葉片的第一固有頻率和第二固有頻率之間的間隔。還公開了用於調整葉片固有頻率的一種系統。
實施方案1.一種用於製造旋轉渦輪葉片的方法，包括如下步驟：
確定現有葉片的質量，弦分布，後緣平面，限定第一有效梁長度的第一固有頻率,以及限定第二有效梁長度的第二固有頻率，其中所述第一和第二固有頻率對應於所述現有葉片的任何共振頻率，
限定所述現有葉片的具有上質心的上部，具有中間質心的中部，以及具有下質心的下部，
沿第一方向相對於所述下質心偏移所述現有葉片的所述中間質心,
沿第二方向相對於所述下質心偏移所述現有葉片的所述上質心，所述第二方向不同於所述第一方向，以及
執行上述步驟來改變所述第二有效梁長度，從而改變改型葉片的第一固有頻率和第二固有頻率之間的間隔。
實施方案2.根據實施方案1所述的方法，其特徵在於，還包括如下步驟：
保持所述現有葉片的恆定的質量，恆定的弦分布和恆定的第一有效梁長度。
實施方案3.根據實施方案1所述的方法，其特徵在於，所述第一和第二固有頻率是選自包括軸向頻率、撓曲頻率和扭轉頻率的組的至少一個頻率。
實施方案4.根據實施方案1所述的方法，其特徵在於，所述第一和第二方向是選自包括周向方向,徑向方向和軸向方向及其組合的組的至少一個方向。
實施方案5.根據實施方案1所述的方法，其特徵在於，所述第一和第二方向是相反的。
實施方案6.如實施方案1所述的方法，其特徵在於，所述後緣平面是恆定的。
實施方案7.根據實施方案1所述的方法，其特徵在於，穿過所述現有葉片的上部、中部和下部的質心的弦長對於所述改型葉片的對應弦長被保持。
實施方案8.根據實施方案1所述的方法，其特徵在於，還包括如下步驟：
執行所述偏移步驟使得質心相對於彼此移動固定的徑向距離。
實施方案9.根據實施方案8所述的方法，其特徵在於，每個質心都徑向地定位在每個相應部分的中間。
實施方案10.根據實施方案8所述的方法，其特徵在於，葉梢上的空氣負載被降低。
實施方案11.一種用於調整葉片固有頻率的系統，包括通過如下步驟製造的渦輪葉片：
確定現有葉片的質量，弦分布，後緣平面，限定第一有效梁長度的第一固有頻率,以及限定第二有效梁長度的第二固有頻率，其中所述第一和第二固有頻率對應於所述現有葉片的任何共振頻率，
限定所述現有葉片的具有上質心的上部，具有中間質心的中部，以及具有下質心的下部,
沿第一方向相對於所述下質心偏移所述現有葉片的所述中間質心,
沿第二方向相對於所述下質心偏移所述現有葉片的所述上質心，所述第二方向不同於所述第一方向，以及
執行上述步驟來改變所述第二有效梁長度，從而改變改型葉片的第一固有頻率和第二固有頻率之間的間隔。
實施方案12.根據實施方案10所述的系統，其特徵在於，還包括以下步驟：
保持所述現有葉片的恆定的質量，恆定的弦分布和恆定的第一有效梁長度。
實施方案13.根據實施方案10所述的系統，其特徵在於，所述第一和第二固有頻率是選自包括軸向頻率、撓曲頻率和扭轉頻率的組的至少一個頻率。
實施方案14.根據實施方案10所述的系統，其特徵在於，所述第一和第二方向是選自包括周向方向,徑向方向和軸向方向及其組合的組的至少一個方向。
實施方案15.根據實施方案10所述的系統，其特徵在於，所述第一和第二方向是相反的。
實施方案16.根據實施方案10所述的系統，其特徵在於，所述後緣平面是恆定的。
實施方案17.根據實施方案10所述的系統，其特徵在於，穿過所述現有葉片的上部、中部和下部的質心的弦長對於所述改型葉片的對應弦長被保持。
實施方案18.根據實施方案10所述的系統，其特徵在於，還包括如下步驟：
執行所述偏移步驟使得質心相對於彼此移動固定的徑向距離。
實施方案19.根據實施方案18所述的系統，其特徵在於，每個質心都徑向地定位在每個相應部分的中間。
實施方案20.根據實施方案18所述的系統，其特徵在於，葉梢上的空氣負載被降低。
參考以下說明和所附權利要求，本發明公開的這些和其他特徵、方面以及優點將變得更好理解。結合在說明書中並構成說明書一部分的附圖圖示了本發明公開的實施例，並且與說明一起用於解釋本發明公開的原理。
附圖說明
說明書中描述了針對本領域普通技術人員的完整而能夠實施的公開，包括其最佳模式，其引用了附圖，其中：
圖1圖示了可能結合在本發明公開的至少一個實施例中的示例性燃氣渦輪機的功能性圖解；
圖2是可能結合在圖1中所示的燃氣渦輪機中並且可能結合本發明公開的不同實施例的示例性現有轉子葉片和改型轉子葉片的透視圖。
本說明書和附圖中參考標號的重複使用旨在代表本發明公開中相同或類似的特徵或元件。
標號部件
10燃氣渦輪機
12入口段
14壓縮機段
16燃燒段
18渦輪段
20排氣段
22軸
24轉子軸
26轉子盤
28轉子葉片
30外殼體
32熱氣體路徑
34熱氣體
100現有轉子葉片
101改型轉子葉片
106翼型件
107軸向方向
108徑向方向
109周向方向
110平臺
112外表面
114壓力側壁
116吸力側壁
118根部
120梢部
124前緣
126後緣
128下部
130下質心
132中部
134中間質心
136上部
138上質心。
具體實施方式
現在將詳細參考本發明公開的實施例，其一個或更多示例在附圖中圖示。每個示例作為本發明公開的解釋而非本發明公開的限制提供。實際上，對於本領域技術人員將會明顯的是在本發明公開中可做出各種改型和變型而不背離本發明公開的範圍或精神。例如，作為一個實施例的一部分圖示並描述的特徵可結合另一實施例使用來產生又其他的實施例。因此，其意圖在於本發明公開覆蓋落入所附權利要求書及其等價物範圍內的此類改型和變型。
積疊線定義為在翼型件的壓力側的表面上在軸向弦長的50%±5%的軸向位置處延伸0%到100%翼展的線。軸向弦長定義為葉片當安置在渦輪中時葉片到平行於渦輪軸線的線上的投影(projection)的長度。弦長定義為葉片輪廓到弦線上的垂直投影的長度，其大約等於前緣和後緣之間的線性距離。有效梁長度(l)定義為在以下等式中用於特定構件的梁固有頻率(ωn)的長度，和/或根據該等式用來計算渦輪葉片固有頻率(ωn)的長度；
其中：l=有效梁長度(l1和l2)
m=有效梁的質量
如本文中所用，術語「第一」、「第二」和「第三」可以可交換地使用來將一個部件與另一個相區分並且並不意圖表示單個部件的位置、重要性或特定葉片頻率。術語「上遊」和「下遊」指相對於流體路徑中流體流的相對方向。例如，「上遊」指流體從其流動的方向，而「下遊」指流體流向的方向。術語「徑向地」指大致垂直於特定部件的軸向中心線和/或大致垂直於渦輪機械的軸向中心線的相對方向，而術語「軸向地」指的是大致平行於和/或與特定部件的軸向中心線同軸對齊和/或與渦輪機械的軸向中心線同軸對齊的相對方向，而術語「周向地」指的是大致平行於特定部件的圓周和/或大致平行於渦輪機械環形殼體元件的相對方向。
每個示例作為本發明公開的解釋而非本發明公開的限制提供。實際上，對於本領域技術人員將會明顯的是在本發明公開中可做出各種改型和變型而不背離本發明的範圍或精神。例如，作為一個實施例的一部分圖示並描述的特徵可用在另一實施例上來產生又其他的實施例。因此，其意圖在於本發明公開覆蓋落入所附權利要求書及其等價物範圍內的此類改型和變型。儘管本文示出並描述了工業或陸基燃氣渦輪機，但是如本文所示出並描述的當前公開並不限於陸基和/或工業燃氣渦輪機，除非在權利要求書中另外指出。例如，如本文所描述的發明公開可用在任何類型的渦輪機中，包括但不限於蒸氣渦輪機或船舶燃氣渦輪機。
現在參考附圖，圖1圖示了燃氣渦輪機10的一個實施例的示意圖。燃氣渦輪機10通常包括入口段12、設置在入口段12下遊的壓縮機段14、設置在壓縮機段14下遊的燃燒器段16內的多個燃燒器(未示出)、設置在燃燒器段16下遊的渦輪段18以及設置在渦輪段18下遊的排氣段20。另外，燃氣渦輪機10可包括聯接在壓縮機段14和渦輪段18之間的一根或多根軸22。
渦輪段18通常可包括具有多個轉子盤26(示出了其中一個)和多個轉子葉片的轉子軸24，轉子葉片28從轉子盤26徑向向外地延伸並且被相互連接到轉子盤26上。每個轉子盤26又可聯接到轉子軸24的一部分上，轉子軸24的一部分延伸穿過渦輪段18。渦輪段18還包括周向地包圍轉子軸24和轉子葉片28的外殼體30，從而至少部分地限定穿過渦輪段18的熱氣體路徑32。
在運行期間，諸如空氣的工作流體流經入口段12並進入壓縮機段14，在那裡空氣被逐步壓縮，從而給燃燒段16的燃燒器提供加壓空氣。加壓空氣與燃料混合併且在每個燃燒器內燃燒以產生燃燒氣體34。燃燒氣體34從燃燒段16流經熱氣體路徑32進入渦輪段18，在那裡能量(動能和/或熱能)從燃燒氣體34傳遞給轉子葉片28，從而使得轉子軸24旋轉。機械旋轉能然後可用於驅動壓縮機段14和/或用來產生電力。離開渦輪段18的燃燒氣體34然後可從燃氣渦輪機10經由排氣段20排出。
圖2是示例性現有轉子葉片100和如可結合本發明公開的一個或更多實施例以及如可結合到燃氣渦輪機10的渦輪段18中替代如圖1中所示的轉子葉片28的改型轉子葉片101的透視圖。如圖2中所示，現有轉子葉片100和改型轉子葉片101通常包括沿翼展向外沿徑向方向108從轉子葉片100的平臺部分110延伸的翼型件106。平臺110通常用作用於流經渦輪段18的熱氣體路徑32的燃燒氣體34的徑向向內流邊界(圖1)。
翼型件106包括包圍翼型件106的外表面112。外表面112至少部分地由壓力側壁114和相對的吸力側壁116限定。壓力側壁114和吸力側壁116大致徑向地向外從平臺110沿翼展從翼型件106的根部118向翼型件106的葉梢或梢部120延伸。翼型件106的根部118可限定於翼型件106和平臺110之間的交叉處。葉梢120與根部118徑向相對地設置。
壓力側壁114和吸力側壁116在翼型件106的前緣124處連接在一起或相互連接，前緣124指入燃燒氣體34的流。壓力側壁114和吸力側壁116還在翼型件106的後緣126處連接在一起或相互連接，後緣126與前緣124向下遊隔開。壓力側壁114和吸力側壁116關於後緣126是連續的。壓力側壁114通常是凹陷的而吸力側壁116通常是凸出的。翼型件106的弦長是連接前緣114和後緣116的直線的長度，而從前緣114到後緣116的方向典型地被描述為弦向方向。
同樣在圖2中，現有轉子葉片100和改型轉子葉片101兩者都被分成三個大致的部分：下部128，中部132和上部136。改型轉子葉片101通過以下步驟製造：確定質量(m)，弦分布，後緣126平面，限定第一有效梁長度(l1)的第一固有頻率，以及限定第二有效梁長度(l2)的第二固有頻率，第二有效梁長度(l2)作為圖2中所示的兩條分支的和限定，第一和第二固有頻率對應於現有轉子葉片100的任何共振頻率；限定現有葉片100的具有上質心138的上部136，具有中間質心134的中部132，以及具有下質心130的下部128；沿第一方向偏移葉片的中間質心134；沿第二方向偏移葉片100的上質心138，第二方向不同於第一方向；保持下質心130的位置；以及執行以上步驟來改變第二有效梁長度(l2)從而改變改型葉片101的第一固有頻率和第二固有頻率之間的間隔。
該方法還可包括保持現有葉片的恆定的質量(m)，恆定弦分布和恆定第一有效梁長度(l1)。該方法還可包括共振頻率，使得第一和第二固有頻率是選自包括軸向頻率、撓曲頻率和扭轉頻率的組的至少一個頻率。同樣，該方法可包括偏移步驟，使得第一和第二方向是選自包括周向109，徑向108和軸向107及其組合的組的至少一個方向。第一和第二方向也可以是相反的方向。另一個附加的方法實踐可以包括在偏移質心時保持後緣126平面恆定。又另一個方法實踐可包括如下步驟，其中穿過現有葉片的上部136、中部132和下部128的質心的弦長對於改型葉片的對應弦長被保持。該方法可包括附加的步驟，其中執行偏移步驟，使得上部質心138和中部質心134相對於彼此以固定的徑向108距離移動。每個質心都可以徑向地108在每個相應的部分上定位在中間。此方法可導致葉片末梢上的氣體負載降低。該方法還可用作用來調節對於無圍帶或有圍帶渦輪葉片的葉片固有頻率(ωn)的系統。
此方法和系統促進渦輪葉片的固有頻率模式之間的分離。可以在一個(或兩個)模式上獲得頻率裕度而不負面地影響另一個。使用此葉片積疊方法和系統改變了與第二軸向頻率成比例的葉片第二有效長度(l2)。在這樣做時，描述第一軸向頻率的第一有效長度(l1)不受影響，這促進了頻率分離和改善的調整裕度。除了改變第二軸向頻率的有效長度(l2)之外，此積疊方法和系統在熱氣體34流體流上強加了力，其減小了葉梢120的負載，從而改善了空氣動力學性能並且降低了末梢間隙靈敏度。
此書面說明書使用示例來公開本發明，包括最佳模式，並且也使得任何本領域技術人員能夠實踐本發明，包括製造並使用任何裝置或系統以及執行任何所結合的方法。本發明公開可授予專利的範圍由權利要求書限定，並且可包括本領域技術人員想到的其他示例。此類其他示例如果包括不異於權利要求的字面語言的結構元件，或者如果它們包括與權利要求的字面語言沒有實質性區別的等同結構元件，則此類其他示例意在落入權利要求的範圍內。