阻尼銷及渦輪發動機的製作方法

2023-06-05 10:02:51

本發明總體涉及渦輪發動機，該渦輪發動機具有多個周向對準的渦輪輪葉。更具體地，本發明涉及阻尼銷(damper pin)，該阻尼銷具有用於提供相鄰渦輪輪葉(adjacent turbine blades)之間的振動阻尼(vibration damping)的多個狹槽(slots)。

背景技術：

渦輪輪葉(turbine blade)(也被稱為渦輪鬥葉(turbine bucket)或渦輪轉子輪葉(turbine rotor blade))通過使渦輪機的轉子軸旋轉將來自諸如熱燃燒氣體或蒸汽之類的流動流體的能量轉化成機械能。當渦輪機通過多種操作模式過渡時，渦輪輪葉經受機械應力和熱應力二者。

渦輪輪葉大體包括從平臺(platform)徑向向外延伸的翼型件(airfoil)、從平臺徑向向內延伸的柄(shank)和從柄徑向向內延伸的燕尾榫(dovetail)或安裝部分。每個渦輪輪葉的燕尾榫被固定在限定於轉子輪或盤中的互補的槽內。轉子輪聯接到轉子軸。

在發動機操作期間，可能將振動引入渦輪輪葉中。例如，熱燃燒氣體或蒸汽流中的波動可能使其振動。對於渦輪機設計者而言，一個基本的設計考慮因素是避免或使與渦輪輪葉自然頻率的共振以及由於強制響應和/或氣動彈性不穩定性而產生的動態應力最小化，從而控制渦輪輪葉的高周疲勞(high cycle fatigue)。為了改進渦輪輪葉的高周疲勞壽命，振動阻尼器通常設置於平臺下方和/或其間，從而在操作期間通過摩擦地耗散振動能(frictionally dissipatevibratory energy)並且減小相應的振幅。通過振動阻尼器去除的振動能的量是振動阻尼器的動態重量和反應負荷的函數。

儘管已知的阻尼器在典型操作期間很大程度上是足夠的，仍然存在對改進總體阻尼器有效性的需要。先前對實現阻尼振動的嘗試包括圓形阻尼銷、金屬平板阻尼器、或者複雜的楔形阻尼器。通常，這些類型的阻尼器真實的阻尼器性能在第一次發動機測試之前是未知的。然而，這時，渦輪輪葉中的阻尼器凹槽幾何形狀由硬質模具鎖定。因此，如果阻尼器沒有像預期的那樣運行，那麼可能需要有可能高成本的模具返工。因此，需要對共振模式激發迴避提供自然頻率調整工具並且具有獨立模式調整選項而無需改變現有渦輪輪葉設計的阻尼銷。

技術實現要素：

本發明的方面和優點將在下文的描述中闡述，或者可以是通過描述顯而易見的，或者可以通過實施本發明而習得。

本發明的一個實施例是一種用於對聯接到轉子軸的相鄰渦輪輪葉進行阻尼的阻尼銷。該阻尼銷包括細長體部(elongated body)，該細長體部具有中心部分(center portion)，該中心部分布置於第一端部(first end portion)和第二端部之間。第一端部、中心部分和第二端部限定了細長體部的大體弓形頂部(generally arcuate topportion)，該大體弓形頂部被配置成與限定於相鄰渦輪輪葉之間的凹槽(groove)相接觸。細長體部限定了側向延伸的多個狹槽(aplurality of laterally extending slots)並且包括第一側部和第二側部，第一側部與第二側部側向相對的(laterally opposed to)並且。多個側向延伸狹槽沿中心部分軸向間隔開並且每個狹槽都至少部分地延伸穿過第一側部或第二側部中的至少一個。

較佳地，多個狹槽包括延伸穿過所述細長體部的第一側部的第一組狹槽(a first set of slots)和延伸穿過所述細長體部的第二側部的第二組狹槽。

更佳地，所述第一組狹槽中的每個狹槽相對於所述第二組狹槽中的軸向相鄰槽軸向偏置。

較佳地，所述多個狹槽中的至少一個狹槽延伸穿過所述頂部並且穿過所述細長體部的第一側部和第二側部二者。

較佳地，所述多個狹槽中的至少一個狹槽沿所述細長體部的第一側部或第二側部中的一個連續延伸穿過所述細長體部的頂部並且穿過所述細長體部的所述底部。

較佳地，多個狹槽中的至少一個狹槽朝向所述細長體部的底部徑向延伸穿過所述頂部。

較佳地，所述第一端部是半圓柱形(semi-cylindrical)。

更佳地，所述第一端部還限定了平坦表面(flat surface)。

較佳地，所述第二端部是半圓柱形。

更佳地，所述第二端部還限定了平坦表面。

本發明的另一個實施例是一種渦輪發動機。該渦輪發動機包括在渦輪發動機內軸向延伸的轉子軸和聯接到轉子軸的相鄰渦輪輪葉對(an adjacent pair of turbine blades)。每個渦輪輪葉至少部分地限定沿相應渦輪輪葉的斜面(slash face)延伸的凹槽。渦輪發動機還包括阻尼銷，該阻尼銷布置於相鄰渦輪輪葉之間的凹槽內。該阻尼銷包括細長體部，該細長體部具有中心部分，該中心部分布置於第一端部和第二端部之間。第一端部、中心部分和第二端部限定了細長體部的大體弓形頂部，該大體弓形頂部被配置成(尺寸和/或形狀確定成)與限定於相鄰渦輪輪葉之間的凹槽相接觸。該細長體部包括側向相對的第一側部和第二側部。細長體部限定了沿中心部分軸向間隔開的且側向延伸的多個狹槽。每個狹槽都至少部分地延伸穿過第一側部或第二側部中的至少一個。

較佳地，所述多個狹槽包括延伸穿過所述細長體部的第一側部的第一組狹槽和延伸穿過所述細長體部的第二側部的第二組狹槽。

更佳地，所述第一組狹槽中的每個狹槽從所述第二組狹槽中的軸向相鄰槽軸向偏置(axially offset from)。

較佳地，所述多個狹槽中的至少一個狹槽延伸穿過所述頂部並且穿過所述細長體部的第一側部和第二側部二者。

較佳地，所述多個狹槽中的至少一個狹槽沿所述細長體部的第一側部或第二側部連續延伸穿過所述細長體部的頂部並且穿過所述細長體部的所述底部。

較佳地，所述多個狹槽中的至少一個狹槽朝向所述細長體部的底部徑向延伸穿過所述頂部。

較佳地，所述第一端部是半圓柱形。

更佳地，所述第一端部還限定了平坦表面。

較佳地，所述第二端部是半圓柱形。

更佳地，所述第二端部還限定了平坦表面。

通過閱覽本說明書，本領域普通技術人員將更好地領會該等實施例以及其它實施例的特徵和方面。

附圖說明

參照附圖，說明書的剩餘部分中更具體地闡述了面向本領域技術人員的本發明的完整公開，這種公開使得本領域技術人員能夠實現本發明，包括本發明的最佳模式，在附圖中：

圖1示出了如可以結合本發明的至少一個實施例的示例性燃氣渦輪機的功能圖；

圖2是根據本發明的至少一個實施例的示例性渦輪輪葉的透視圖；

圖3是根據本發明的至少一個實施例的布置於周向相鄰的渦輪輪葉之間的阻尼銷的示意圖；

圖4是根據本發明的一個實施例的示例性阻尼銷的側視圖；

圖5是如圖4中所示的示例性阻尼銷的俯視圖；

圖6是根據本發明的一個實施例的示例性阻尼銷的側視圖；

圖7是根據本發明的一個實施例的示例性阻尼銷的俯視圖；

圖8是如圖7中所示的示例性阻尼銷的側視圖；

圖9是根據本發明的一個實施例的示例性阻尼銷的俯視圖；

圖10是如圖9中所示的示例性阻尼銷的側視圖；

圖11是根據本發明的一個實施例的示例性阻尼銷的俯視圖；和

圖12是如圖11中所示的示例性阻尼銷的側視圖。

具體實施方式

現在將詳細地參照本發明的實施例，其中的一個或多個例子示於附圖中。詳細的描述使用數字和字母名稱來表示附圖中的特徵。附圖和描述中相似或類似的名稱用於表示本發明的相似或類似的部件。當在本文中使用時，術語「第一」、「第二」、和「第三」可以互換使用，以區分一個部件與另一個部件，並且不旨在表示單個部件的位置或重要性。

術語「上遊」和「下遊」表示關於流體路徑中的流體流的相對方向。例如，「上遊」指的是流體從其流動的方向，並且「下遊」指的是流體流向的方向。術語「徑向地」指的是與特定部件的軸向中心線基本垂直的相對方向，並且術語「軸向地」指的是與特定部件的軸向中心線基本平行並且/或者共軸對準的相對方向。

每個例子都以對發明進行解釋的方式給出，並不對本發明構成限制。實際上，對於本領域技術人員而言顯而易見的是，能夠在不偏離本發明的範圍或精神的前提下對本發明進行改型和變型。例如，作為一個實施例的一部分示出或描述的特徵可以用於另一個實施例，從而產生又一個實施例。因此，期望的是，本發明覆蓋落入所附權利要求及其等同形式的範圍內的該等改型和變型。儘管本文中圖示和描述了工業或陸基燃氣渦輪機，但是除非權利要求書中另有描述，否則本文中圖示和描述的本發明不限於陸基和/或工業燃氣渦輪機。例如，如本文中所描述的本發明可以用於任何類型的渦輪機，其中包括但不限於蒸汽渦輪機、航空燃氣渦輪機或海洋燃氣渦輪機。

現在參照附圖，圖1示出了燃氣渦輪機10的一個實施例的示意圖。燃氣渦輪機10大體包括入口部段12、布置於入口部段12下遊的壓縮機部段14、位於布置在壓縮機部段14下遊的燃燒器部段16內的多個燃燒器(未示出)、布置於燃燒器部段16下遊的渦輪部段18和布置於渦輪部段18下遊的排放部段20。此外，燃氣渦輪機10可以包括聯接在壓縮機部段14和渦輪部段18之間的一個或多個軸22。

渦輪部段18可以大體包括轉子軸24，該轉子軸24具有多個轉子盤26(示出了其中的一個)和從轉子盤26徑向向外延伸並且互連到該轉子盤26的多個轉子輪葉28。每個轉子盤26隨後都可以聯接到轉子軸24的延伸穿過渦輪部段18的部分。渦輪部段18還包括外殼30，該外殼30周向地包繞轉子軸24和轉子輪葉28，由此至少部分地限定通過渦輪部段18的熱氣體路徑32。

在操作期間，諸如空氣之類的工作流體流過入口部段12並且流入壓縮機部段14中，在壓縮機部段14處，空氣被逐漸壓縮，從而向燃燒部段16的燃燒器提供加壓空氣。加壓空氣在每個燃燒器內與燃料混合併且燃燒以產生燃燒氣體34。燃燒氣體34通過熱氣體路徑32從燃燒器部段16流入渦輪部段18中，其中能量(動能和/或熱能)從燃燒氣體34傳遞到轉子輪葉28，從而使轉子軸24旋轉。機械旋轉能隨後可以用於為壓縮機部段14提供動力並且/或者發電。離開渦輪部段18的燃燒氣體34隨後可以通過排放部段20從燃氣渦輪機10排放。

圖2示出了傳統的渦輪輪葉或鬥葉28，該渦輪輪葉或鬥葉28包括翼型件36、平臺38、柄40和燕尾榫或安裝部分42。圖3提供了一對周向相鄰的渦輪輪葉28(a)、28(b)的下遊視圖。如圖2中所示，燕尾榫42用於將渦輪輪葉28固定至轉子盤26(圖1)的外周，這也是本領域內眾所周知的。平臺38為流過渦輪部段18的熱氣體路徑32的燃燒氣體34(圖1)限定了向內流動邊界。在本發明的各個實施例中，阻尼銷44鄰近渦輪輪葉平臺38(即，相對於該渦輪輪葉平臺徑向向內)沿一個軸向邊緣(或斜面)46定位。應當領會，類似的阻尼銷44在轉子盤26(圖1)上定位在每個相鄰渦輪輪葉28(a)、28(b)對(圖3)之間，如在圖3中顯而易見的那樣。在特定實施例中，如圖2中所示，阻尼銷44定位在沿渦輪輪葉28的整個斜面46延伸的細長凹槽48(圖1)中。

阻尼銷44起到振動阻尼器的作用。當安裝時，如圖3中所示，阻尼銷44定位在相鄰渦輪輪葉28(a)、28(b)之間。在操作中，阻尼銷44通過摩擦地耗散振動能並且減小相應的振幅。通過阻尼銷44去除的振動能的量是若干因素(其中包括但不限於阻尼銷44的動態重量、阻尼銷44的幾何形狀和相鄰渦輪輪葉28(a)、28(b)之間的反應負荷)的函數。

圖4提供了根據本發明的一個實施例的示例性阻尼銷100的側視圖。圖5提供了如圖4中所示的阻尼銷100的俯視圖。應當理解，圖4中所示的阻尼銷100可以代替如圖2和圖3中所示的阻尼銷44。

在一個實施例中，如圖4中所示，阻尼銷100包括細長體部102，該細長體部102具有中心部分104，該中心部分104布置於第一端部106和第二端部108之間。如圖4和圖5中所示，第一端部106、中心部分104和第二端部108限定了細長體部102的大體弓形的頂部或表面110。細長體部102的頂部110可以被配置成(尺寸和/或形狀確定成)與限定於相鄰渦輪輪葉28(a)、28(b)之間的凹槽48相接觸。在各個實施例中，如圖5中所示，細長體部102還包括第一側部112和第二側部114，該第一側部112與第二側部114側向相對。

在各個實施例中，如圖4和圖5中所示，細長體部102限定了多個側向延伸狹槽116。槽116相對於軸向中心線118沿中心部分104軸向間隔開。在特定實施例中，如圖4中所示，多個狹槽116中的至少一個狹槽116朝向細長體部102的底部120徑向延伸穿過頂部110，該底部120由細長體部102的中心部分104限定。

在特定實施例中，每個狹槽116都延伸穿過第一側部112或第二側部114中的至少一個。在一個實施例中，如圖4和圖5中所示，每個狹槽116都延伸穿過頂部110並且側向穿過第一側部112和第二側部114二者。

圖6提供了根據本發明的一個實施例的示例性阻尼銷100的側視圖。如圖6中所示，細長體部102還可以包括沿細長體部102的底部120布置的多個狹槽122。多個狹槽122中的至少一部分可以朝向頂部110徑向延伸穿過底部120。多個狹槽122中的每個狹槽122都可以延伸穿過第一側部112或第二側部114中的至少一個。在一個實施例中，如圖6中所示，每個狹槽122都延伸穿過底部120並且側向穿過第一側部112和第二側部114二者。如圖6中所示，沿底部120限定的多個狹槽122可以相對於中心線118與沿頂部110限定的多個狹槽116軸向偏置。

在特定實施例中，如圖5和圖6中共同示出的，第一細長體部102的第一端部106和/或第二端部108成半圓柱形(semi-cylindrical)。如圖6中所示，第一端部106和第二端部108可以分別在肩部124、126處與中心部分104交界。該配置產生了適於在形成於渦輪輪葉斜面46中的凹槽48的相對端部處安置於機械加工的渦輪輪葉平臺表面或肩部上的基本平坦的支承表面128、130(最佳見於圖6中)，由此在機器操作期間為阻尼銷100提供支承，同時防止不期望的過度旋轉。

圖7、圖8、圖9、圖10、圖11和圖12提供了根據本發明的各個實施例的示例性阻尼銷100的各個視圖。例如，在一個實施例中，如圖7至圖10中共同示出的，多個狹槽116包括沿細長體部102的第一側部112限定的第一組狹槽116(a)和沿細長體部102的第二側部114限定的第二組狹槽116(b)。在特定實施例中，如圖7至圖10中所示，第一組狹槽116(a)中的至少一個狹槽116和第二組狹槽116(b)中的至少一個狹槽116大體徑向延伸穿過細長體部102的頂部110和底部120。如圖7和圖9中所示，第一組狹槽116(a)可以相對於中心線118與第二組狹槽116(b)軸向偏置。

在一個實施例中，如圖7中所示，第一組狹槽116(a)可以延伸穿過第一側部112並且終止於未達到中心線118的點或位置處。除此之外或備選地，第二組狹槽116(b)可以延伸穿過第二側部114並且終止於未達到中心線118的點或位置處。在一個實施例中，如圖9中所示，第一組狹槽116(a)可以延伸穿過第一側部112並且終止於超過中心線118的點或位置處。除此之外或備選地，第二組狹槽116(b)可以延伸穿過第二側部114並且終止於超過中心線118的點或位置處。

在特定實施例中，如圖11和圖12中所示，第一組狹槽116(a)可以沿細長體部102的第一側部112限定並且第二組狹槽116(b)可以沿細長體部102的第二側部114限定。如圖11和圖12中共同示出的，第一組狹槽116(a)延伸穿過頂部110和第一側部112，但不延伸穿過細長體部102的底部120。此外，第一組狹槽116(a)終止於未達到或鄰近中心線118的點或位置處。除此之外或備選地，第二組狹槽116(b)延伸穿過頂部110和第二側部114，但不延伸穿過細長體部102的底部120。此外，第二組狹槽116(b)終止於未達到或鄰近中心線118的點或位置處。如圖11中所示，第一組狹槽116(a)可以相對於中心線118與第二組狹槽116(b)軸向偏置。

本文中圖示和描述的阻尼銷的各個實施例提供了相對於本領域內已知的現有阻尼銷的多個技術益處。例如，限定於阻尼銷100的各個實施例中的槽116中斷了(interrupt)允許對阻尼銷的剛度進行改型或調整(modification to or tuning of the stiffness)的銷，由此影響作用於相鄰渦輪輪葉上的剛度並且改變或調整相鄰渦輪輪葉的特定模式的自然頻率。截斷的形狀、模式、位置、和形式能夠用於改變剛度的大小、方向、和方法，由此改變聯接到轉子軸的渦輪輪葉的特定自然頻率。

本書面描述使用例子對本發明進行了公開(其中包括最佳模式)，並且還使本領域技術人員能夠實施本發明(其中包括製造和使用任何裝置或系統並且執行所包含的任何方法)。本發明的可專利範圍由權利要求書限定，並且可以包括本領域技術人員能夠想到的其它的例子。如果該等其它的例子包括與權利要求書的字面語言沒有區別的結構元件，或者如果該等其它的例子包括與權利要求書的字面語言沒有實質區別的等同結構元件，則期望該等其它的例子落入權利要求書的範圍內。