渦輪工作葉片的製作方法

2023-10-16 22:00:19

專利名稱：渦輪工作葉片的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種渦輪工作葉片，它具有一內部不冷卻的葉型，該葉型從葉片平臺出發延伸，平臺上連接有插入渦輪機葉輪盤內的葉根，葉根的徑向截面具有一個朝葉片平臺方向寬度漸增的區域。
為了提高燃氣輪機的效率亦即增大有效截面，儘可能加長渦輪工作葉片的葉型，以便由此達到更好地利用流過的燃氣。但葉型的這種加長受多種因素的限制。
由於加長了葉型和由此增大的運動質量，例如由於離心力的作用顯著增加了渦輪機葉輪盤輪轂區的負荷。人們試圖藉助沿軸向加厚輪盤通過增大輪轂區內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的區域，也都受到更大的負荷。葉型的加長也可能相對於輪轂沿徑向進行，但由此使外圓周的榫槽移近，減小它們的間距，並因而增大榫槽間輪盤部分的負荷。然而這種負荷只能按微小的程度增加，否則有損壞渦輪盤的危險。
因此本發明的目的是創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荷和工作葉片葉根的負荷。
本發明的目的由此來實現，即，葉根具有一個背向葉片平臺開口的挖空槽，該槽在平臺側呈盲孔狀地結束，並且在葉根的寬度漸增區內按照所述葉根徑向截面的大小(querschnittsmaeβig)被相應擴寬。
葉根為保證穩定性通常設計成實心的，與渦輪葉片的其餘尺寸相比具有較大的橫截面。因此它的質量大，並且在由於渦輪葉輪盤旋轉所產生的渦輪盤和葉片固定裝置的離心負荷中佔大的份額。通過所述挖空凹槽顯著減小了葉根的質量並因而也減小了離心負荷。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內相應擴寬其縱壁，保證為了減少質量最佳地利用到葉根的形狀。此外，通過槽在平臺側盲孔狀地結束，滿足了穩定性的要求，尤其在平臺與葉型之間的區域內由於多種多樣大的力和高溫作用，這種穩定性的要求是很高的。因此可以實現，在保持葉片質量小的同時，保持或甚至提高其穩定性。通過減輕重量，降低了葉根區的平均應力水平同時還減小了葉根榫齒和相鄰渦輪葉輪盤處的應力峰值，從而導致延長渦輪葉片壽命，且尤其導致改善葉根的耐久性。因此可以在不危及渦輪葉片穩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，並因而提高渦輪效率。
為了使平臺側葉型區有良好的穩定性，令槽終止在葉根與平臺的平臺上側下方之間的過渡區內。在平臺上側的上方，葉片上的作用力特別大，並且葉片設計得比平臺區狹窄。但若槽在平臺上側的下方終止，則作用力可以在足夠大的程度上由穩定的平臺和相鄰區承受。
為避免應力峰值並因而局部過高的負荷，建議，槽以基本上倒圓的壁為界並且在平臺上側的下方以曲拱形結束。
為了更多地減小質量，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定性。
若槽的高度在中央區內達到最大並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心區內，而不會對槽壁造成過大的負荷。
若槽的縱壁沿接近平臺側的端部的方向在保持槽橫壁處最小壁厚的情況下區域性地被連續擴寬，則可更好地減輕重量，同時避免在過渡到倒圓的端部區內時突然改變曲率，這種突變會導致局部的應力最大值。
高溫工作氣體的負荷尤其施加在第一個直接入流的葉片邊緣區。為保證燃氣入流側更高的強度需求，在燃氣入流側附近的最小壁厚大於燃氣流出側處的最小壁厚。
為了在節省材料和減少質量的情況下提高葉根的強度，葉根通過設計在其縱壁間的橫撐增強。作用在橫縱壁之一上的力，通過橫撐傳給槽另一個縱壁，並通過這兩個壁進一步傳入渦輪葉輪盤中，不會危及槽的穩定性。此外，由於這種質量的進一步減小，基於降低了的離心力負荷，實現了葉根的進一步減荷。
若橫撐在平臺側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。因此，通過設置適當數量和相應形狀的橫撐，一方面可以基於有橫撐的支承作用將槽的壁設計得較薄從而大大減少葉根的質量，另一方面也可以基於橫撐的支承作用沿槽的縱側獲得一種均勻的應力分布。
可採取下列措施來承受作用在中央區內特別大的力槽在中央區內的橫撐有最大高度。隨槽高度下降的走向，槽的橫撐的高度也相應降低。
下面藉助附圖所示本發明渦輪工作葉片的一實施方式對本發明予以詳細說明。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，並藉助葉根4的榫齒35和榫槽30上對應的齒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，優選地澆注成一體。並列設置的葉型1為流過的熱燃氣提供阻力並改變其速度和方向，由此促使渦輪機葉輪盤3繞輪盤軸線以很高的轉速旋轉。在這種情況下產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。尤其在無內部冷卻的渦輪葉片中，渦輪葉片的大部分通常設計為實心，並因而有大的重量，這會使葉根部分承受巨大的負荷。
葉根4具有一個按照本發明的減重槽7。它成形為曲拱狀，並在渦輪葉片的平臺側的端部19成盲孔狀地在平臺2上側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區域內有基本上恆定的長度32。在接近平臺2處，長度32首先由於過渡區38的形狀37略有增加，以便在這之後一直到平臺2連續減小。槽7具有縱壁12的長度13並具有深度33。
所述長度13在從背對平臺的端部31起始去往葉根4平臺側端部19的一定距離之後逐步增加，但在過渡區38內則按弧形縮短直至槽7的高度16的最高點，在那裡槽7呈盲孔狀地終結。此終點優選地位於平臺上側21的區域內或在其下方，以保證葉片有足夠的穩定性。葉型在平臺區內是實心的，並且在葉型離平臺一定距離的上部(未在圖中表示的)區域內，可能有葉型減重槽。由此避免危及在乎臺區域內葉片的強度。槽7並不與葉型槽連通，因為在此涉及的是一種內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起在區域5內一直增加到平臺側的端部19。然後，槽7在過渡區38內跟隨渦輪葉片一同扭轉。深度33在過渡區38內起先還略有增加，以便在過渡區38中點附近朝平臺2的方向連續減小。這樣在葉根4或過渡區38內部就挖出了一個儘可能大的空腔，以達到最大程度地減輕重量。在這裡尤其應考慮到壁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的穩定性。通過槽7的曲拱狀設計，避免了易導致強度降低的應力峰值出現。
槽7的製造可藉助一個具有挖空部分的形狀的型芯實現，型芯在澆鑄前置入葉片的葉根區內並從葉根4背對平臺的端部31伸出，由此構成背對平臺開口的槽。在葉根4平臺側的端部19，型芯設計為在那裡終止的盲芯。在澆鑄後要先破壞型芯再將其從槽7內取走，這是因為型芯的寬度朝開口方向變小，所以它不可能作為整體除去。
在槽7的內部加有一些橫撐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。在本實施方式中涉及五個橫撐28，其中在槽7中央區15內的橫撐28有最大的高度20並設在槽7最大高度16的區域內。橫撐28倒圓，以避免應力峰值。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。它們幾乎佔據了兩個相對的縱壁12之間的整個區域。僅僅在槽7平臺側的端部與背對平臺側的端部處，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。這些橫撐的空缺區主要是製造引起的，因為一個型芯在橫撐28之間製成無材料區的定位條(Finger)在端部要互相連接，以便能保持正確的尺寸。此外，它們對於進一步減輕重量也有貢獻。
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相應成形的齒36嵌合，從而確保在離心力負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至其平臺側的端部19，葉根4的一個由榫齒35和在榫齒之間的凹入構成的平均寬度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。與之相應地，槽7相對於其在葉根4內的結構按這樣的方式錯位，即，保證槽7兩側有足夠的壁厚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相當大，因為此截面是對葉根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的區域內。在此截面內，槽7由多個腔29組成，其中，橫撐28相當於腔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，然後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力峰值出現均設計有倒圓。
圖4表示過渡區38沿圖1或圖2中的剖切線IV-IV的截面。槽7在此區域內只有五個腔29和四個橫撐28，這是因為此截面是在離燃氣入流側最近的橫撐上方剖切的。因此，在燃氣入流側17的區域內可看到一個增大的腔室29。在燃氣入流側17的區域內，壁8的壁厚14比處於相對位置的燃氣流出側18區域內的大。通過槽7的這種恰當的略有不對稱的設計，可以在最佳地減輕重量的情況下有足夠強度地承受個別增大的應力或作用力。
圖5表示葉根4最狹窄區沿圖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，不過在這裡的橫截面變化不如圖3中那麼大。但其最大深度值仍出現在中央橫撐28的區域內。
權利要求
1.一種渦輪工作葉片，它具有一內部不冷卻的葉型(1)，該葉型從一葉片平臺(2)出發延伸，該平臺與一插入渦輪機葉輪盤(3)內的葉根(4)相連，該葉根的徑向截面具有一個朝葉片平臺(2)方向寬度(6′)漸增的區域(5)，其特徵在於所述葉根(4)具有一個背向平臺開口的挖空槽(7)，該槽在平臺側呈盲孔狀地結束，並且在葉根(4)的寬度(6′)漸增區(5)內按照所述葉根徑向截面的大小被相應擴寬。
2.按照權利要求1所述的渦輪工作葉片，其特徵在於所述槽(7)終止在葉根(4)與平臺(2)上側(21)下方之間的過渡區(38)內。
3.按照權利要求1或2所述的渦輪工作葉片，其特徵在於所述槽(7)以基本上倒圓的壁(8、12)為界，並且在平臺上側(21)下方以曲拱形結束。
4.按照權利要求1至3中任一項所述的渦輪工作葉片，其特徵在於所述槽(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定性。
5.按照權利要求1至4之一所述的渦輪工作葉片，其特徵在於所述槽(7)的高度在中央區(15)內達到最大(16)且朝橫壁(8)和縱壁(12)方向逐步降低。
6.按照權利要求1至5之一所述的渦輪工作葉片，其特徵在於所述槽(7)的縱壁(12)沿接近平臺側的端部(19)的方向在保持槽(7)橫壁(8)處最小壁厚(14)的情況下區域性地被連續擴寬。
7.按照權利要求1至6之一所述的渦輪工作葉片，其特徵在於在燃氣入流側(17)附近的最小壁厚(14)大於燃氣流出側(18)處的最小壁厚。
8.按照權利要求1至7之一所述的渦輪工作葉片，其特徵在於所述葉根(4)通過在其縱壁(12)之間形成的一些橫撐(28)得到增強。
9.按照權利要求1至8之一所述的渦輪工作葉片，其特徵在於所述橫撐(28)在平臺側離槽(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.按照權利要求1至9之一所述的渦輪工作葉片，其特徵在於所述橫撐(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。
11.按照權利要求1至10之一所述的渦輪工作葉片，其特徵在於所述槽(7)的橫撐(28)在中央區(15)內具有最大高度(20)，並且其高度(20)隨槽(7)高度下降的趨勢相應降低。
全文摘要
本發明涉及一種渦輪工作葉片，它具有一內部不冷卻的葉型(1)，該葉型從一葉片平臺(2)出發延伸，該平臺上連接一插入渦輪機葉輪盤(3)內的葉根(4)，該葉根的徑向截面具有一個朝葉片平臺(2)方向寬度(6′)漸增的區域(5)。為了設計一種能加長工作葉片葉型的此類渦輪工作葉片，本發明建議，所述葉根(4)具有一個背向平臺開口的挖空槽(7)，該槽在平臺側呈盲孔狀結束，並且在葉根(4)的寬度(6′)漸增區(5)內按照所述葉根截面的大小被相應擴寬。
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 優先權日2000年2月25日
發明者彼得·蒂曼, 麥可·斯特拉斯伯格, 德克·安丁 申請人:西門子公司