叶片结构的制作方法

本公开的实施例总体上涉及燃气轮机，尤其是涉及用于燃气轮机中的叶片结构。

背景技术：

燃气轮机中的涡轮静叶和动叶由于施加在动叶上的离心力或施加在静叶和动叶上的高热负荷往往遭受大的应力。这些应力是有害的，因为它们经常导致尤其在由翼型件和相应的平台形成的典型的T型接合部附近产生裂纹，这样的裂纹可能会迅速蔓延，这将缩短涡轮静叶和动叶的寿命。

为了避免这种大的应力，接合部的形状或轮廓在动叶和静叶设计中起重要作用。在传统方式中，在T型接合处使用具有单一半径的圆形倒角以提供从翼型件到相应的平台的平滑过渡。然而，这种传统方式仍然会导致在接合部附近的大应力。

技术实现要素：

本公开的实施例在此提供了一种用于燃气轮机中的优化的叶片结构。

在本公开的各种实施例中，提供一种叶片结构。所述叶片结构包括：沿第一方向延伸的第一部段；与所述第一部段接合并沿第二方向延伸的第二部段，所述第二方向基本上垂直于所述第一方向；由所述第一部段沿所述第一方向的第一壁的第一部分、所述第二部段沿所述第二方向的第二壁的第二部分以及与所述第一壁和所述第二壁连接的第三壁限定的第三部段，其中，所述第三壁至少包括彼此首尾连接的第一区段、第二区段和第三区段，使得所述第一区段、第二区段和第三区段相对于所述第一壁具有逐渐减小的倾角。

通过这种由多个线性段构成的、且对于每个区段具有逐渐减小的倾角的第三壁，基本上使得高应力区域被添加较多的材料而低应力区域被添加较少的材料。以这种方式，可以有效地降低或抵消高应力。

在一些实施例中，所述第一区段与所述第一壁之间的第一角度是所述第二区段与所述第一壁之间的第二角度的两倍。

在一些实施例中，所述第二角度是所述第三区段与所述第一壁之间的第三角度的两倍。

在一些实施例中，所述第一角度等于所述第一区段与所述第二部分之间的角度。

在一些实施例中，从所述第一区段的第一端到所述第二壁的垂直距离等于从所述第一区段的第一端到所述第一壁的垂直距离，其中所述第一区段的第一端是所述第一区段相对于所述第一壁的近端。

在一些实施例中，从所述第二区段的第一端到所述第一区段的垂直距离等于从所述第二区段的第一端到所述第一壁的垂直距离，其中所述第二区段的第一端是所述第二区段相对于所述第一壁的近端。

在一些实施例中，所述第三壁还包括第四区段。

在一些实施例中，从所述第三区段的第一端到所述第二区段的垂直距离等于从所述第三区段的第一端到所述第一壁的垂直距离，其中所述第三区段的第一端是所述第三区段相对于所述第一壁的近端。

在一些实施例中，所述第三角度是所述第四区段与所述第一壁之间的第四角度的两倍。

在一些实施例中，所述叶片结构是叶片的倒角的一部分。

在一些实施例中，所述叶片结构是叶片的内肋的一部分。

在一些实施例中，所述叶片结构是叶片的根部区域的一部分。

通过以下实施例可以看出，通过适当设计的叶片能够显著降低应力，尤其是在由翼型件和相应的平台形成的接合部处的应力。另外，所提出的用于优化叶片结构的解析解决方案能够实现一种快速、简单并有效的叶片设计方式，从而省去了需要更多计算性能的复杂的计算机辅助方法。

应当理解的是，实用新型内容部分不是旨在标识本公开的实施例的关键或必要特征，也不是旨在用于限制本公开的范围。通过以下描述，本公开的其他特征将变得更易于理解。

附图说明

通过对本公开的示例实施例的更详细描述并结合附图，本公开的上述和其他目的、特征和优点将变得更加明显，其中在本公开的示例实施例中，相同的附图标记通常表示相同的部件。

图1是根据本公开的一个实施例的动叶的立体图；

图2a示出根据本公开的一个实施例的动叶结构的细节局部图；

图2b示出图2a的局部放大图；

图3示出根据本公开的一个实施例的动叶结构的设计流程图；

图4a示出根据本公开的一个实施例的动叶结构的局部示意图；

图4b示出在接合部具有单一半径的圆形倒角的传统动叶结构的局部示意图；

图5以曲线图示出施加在图4a和4b中的动叶结构上的应力关于归一化弦长的比较结果；

图6a示出具有传统简单圆形半径的动叶的肋组件的示意俯视图；

图6b示出具有传统简单圆形半径的动叶的肋组件的示意仰视图；以及

图7以俯视视角示出动叶的根部区域，该根部区域具有处于高应力下的位置。

具体实施方式

现在参照一些示例实施例讨论本文所述的主题。应当理解，对这些实施例的讨论仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解并由此实施本文所述的主题，而不意味着对所述主题的范围的任何限制。

如本文所使用的，术语“包括”及其同义词应理解为开放式的，其表示“包括但不限于”。术语“基于”应理解为“至少部分地基于”。术语“实施例”和“一个实施例”应理解为“至少一个实施例”。术语“其他实施例”应理解为“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等可以指不同对象或相同对象。以下也可能明确或暗示地包括其他定义。除非文中明确指出，对术语的定义在整个说明书中是一致的。

尽管参照动叶结构示出本公开的原理，但是应当理解相同的原理也可以应用于静叶结构。

图1示意性示出根据本公开的一个实施例的动叶结构100的立体图。如图所示，动叶结构100通常包括沿第一方向Y延伸的第一部段1以及与所述第一部段1接合并沿第二方向X延伸的第二部段2，所述第二方向X基本上垂直于所述第一方向Y。例如当第二部段2位于水平平面上时，则第一方向Y是竖直方向，第二方向X是水平方向。

图1中进一步示出，动叶结构100还包括第三部段3(以虚线圈标记)。该第三部段3作为第一部段1与第二部段2之间的过渡部段以提供过渡，从而优化动叶结构100的接合部和整体形状。一般来说，凹口受到的应力越高，则需要更多的材料以保持应力沿着过渡部段的轮廓恒定分布，以减少如上所述的裂纹和裂纹蔓延。

在一些实施例中，第一部段1、第二部段2和第三部段3被制造为一体部件，这简化了制造工艺，同时增强整个动叶结构100的刚性。这样的一体式的动叶100可以例如通过铸造工艺、甚至通过快速发展的三维打印技术成型。

图2a示出图1的动叶结构100的局部侧视图，也就是图1的圆圈区域的放大图。图2b示出图2a的局部放大图。如图2a所示，第三部段3(由点划线框标记)由第一部段1沿第一方向Y的第一壁11的第一部分110(由从点H到点K的虚线表示)、第二部段2沿第二方向X的第二壁21的第二部分210(由从点A到点K的虚线表示)以及与第一壁11和第二壁21连接的第三壁31限定或界定。

如图2a进一步所示，第三壁31包括彼此首尾连接的至少三个线性区段，即，第一区段310、第二区段320和第三区段330，使得第一区段310、第二区段320和第三区段330相对于第一壁11具有逐渐减小的倾角。应当注意的是，根据需要也可以具有多于三个的区段，例如四个、五个、六个或更多个区段。例如，进一步引入的第四区段和第五区段有利于进一步降低应力集中。

通过包含多个具有逐渐递减的倾角的线性区段的第三壁，使得高应力区域被添加较多的材料，而低应力区域被添加较少的材料。以这种方式，可以有效地降低或抵消高应力。此外，多个线性区段(对于三维情况来说是平面，而对于二维情况来说是直线)允许简单、快速并高效的解析设计/优化方法，同时能够降低计算或设计复杂度。

在一些实施例中，第一区段310与所述第一壁11之间的第一角度311是第二区段320与第一壁11之间的第二角度321的两倍。在图2a示出示例中(考虑二维情况以便于说明)，第一区段310始于第二壁21的点A并终止于点C。现在，如果将第一区段310朝着第一壁延伸，则将会与第一壁11的第一部分110在点B处相交。以这种方式形成一个三角形，该三角形由三个点(或顶点)A、B以及第一部段1与第二部段2的接合点K限定。以下将该三角形ΔABK称为第一三角形。在第一三角形内，可以方便地将第一角度311(标记为α)定义为点B处的内角。

第二区段320与第一区段310首尾连接，但是相对于第一壁11具有减小的倾角。第二区段320始于第一区段310的点C并终止于点E。类似地，如果将第二区段320朝着第一壁延伸，则将会与第一壁11的第一部分110在点D处相交。以这种方式形成另一个三角形，该三角形由三个点C、D以及B限定。以下将该三角形ΔCDB称为第二三角形。在第二三角形内，可以方便地将第二角度321(标记为β)定义为点D处的内角。

在几何上，第一角度311(或α)也作为第二三角形ΔCDB的外角。此外，因为三角形的外角的尺寸等于与其不相邻的两个内角的尺寸和，并且在本文的情况中，第一角度311是第二角度321的两倍(即α＝2β)，所以在该实施例中的第二三角形ΔCDB是具有相同尺寸的两个角(或相等长度的两个边)的等腰三角形。从另一个角度来说，点B也可以作为一个圆(为清晰和简单起见而未示出)的圆心，该圆构建出另两个三角形构建点，即点C和点D。

在一些实施例中，第二角度321是第三区段330与第一壁11之间的第三角度331的两倍。继续参照图2a，第三区段330与第二区段320首尾连接，并且相对于第一壁11具有进一步减小的倾角。第三区段330始于第二区段320的点E并终止于点G。类似地，如果将第三区段330朝着第一壁延伸，则将会与第一壁11的第一部分110在点F处相交。以这种方式形成又一个三角形，该三角形由三个点E、F以及D限定。以下将该三角形ΔEFD称为第三三角形。在第三三角形内，可以方便地将第三角度331(标记为γ)定义为点F处的内角。

类似地，第二角度321(或β)也作为第三三角形ΔEFD的外角。再次指出，因为三角形的外角的尺寸等于与其不相邻的两个内角的尺寸和，并且在本文的情况中，第二角度321是第三角度331的两倍(即β＝2γ)，所以在该实施例中的第三三角形ΔEFD同样是等腰三角形。从另一个角度来说，点D也可以作为一个圆(为清晰和简单起见而未示出)的圆心，该圆构建出另两个三角形构建点，即点E和点F。

在一些实施例中，第一角度311(即α)也可以等于第一区段310与第二部分210之间的角度(即δ)，也就是在第一三角形ΔABK内的点A处的内角。在这种情况下，第一三角形ΔABK也是等腰三角形。从另一个角度来说，点K也可以作为一个圆(为清晰和简单起见而未示出)的圆心，该圆构建出另两个三角形构建点，即点A和点B。

在第二方向X与第一方向Y垂直(或基本上垂直)的情况下，使得第一三角形ΔABK成为具有两个尺寸均为45度的角的等腰三角形。因此，在一些示例实施例中，当第一角度311的尺寸等于45度(α＝45°)时，第二角度321为22.5度(β＝22.5°)，第三角度331为11.25度(γ＝11.25°)。根据发明人的观察，对于大多数情况，第一角度α＝45°是适当的值。当然，第一角度也可以是其他值。

与可能需要复杂的解析方程的其他一些解析方法相比，这种基于几何结构的计算是简单的，从而可以进一步简化在设计和优化第三壁31的轮廓中的计算。

在一些实施例中，如图2b所示，从第一区段310的第一端C到第二壁21的垂直距离h1等于从第一区段310的第一端C到第一壁11的垂直距离h2。如上所述，第一区段310的第一端C是第一区段310相对于所述第一壁11的近端。在这种情况下，从几何上来说，点C也是由第一三角形的点A和B构成的线的中点。在这种情况下，第二三角形中相同长度的两边之一的长度等于第一区段310的长度，即BC＝BD＝AC。换言之，构建第二三角形中的点C和D的圆的半径等于由点A和B构成的线的长度的一半。

在一些实施例中，如图2b所示，从第二区段320的第一端E到第一区段310的垂直距离h3等于从第二区段320的第一端E到第一壁11的垂直距离h4。如上所述，第二区段320的第一端E是第二区段320相对于第一壁11的近端。在这种情况下，从几何上来说，点E也是由第二三角形的点C和D构成的线的中点。在这种情况下，第三三角形中相同长度的两边之一的长度等于第二区段320的长度，即ED＝FD＝CE。换言之，构建第三三角形中的E和F的圆的半径等于由点C和D构成的线的长度的一半。

这种基于三角形的设计方法能够实现一种具有高度可复制性的迭代方法来构建区段。换言之，一旦确定第一角度，则自动确定第二区段和第三区段。

在一些实施例中，第三壁31还包括第四区段340。在一些实施例中，第三角度331是第四区段340与第一壁11之间的第四角度341的两倍。继续参照图2a，第四区段340与第三区段330以类似方式首尾连接，并且相对于第一壁11具有进一步减小的倾角。第四区段340始于第三区段330的点G并终止于第一壁11上的点H。以这种方式形成第四三角形，该第四三角形由三个点G、H以及F限定。在第四三角形内，可以将第四角度341(标记为θ)定义为点H处的内角。

类似地，第三角度331(或γ)也作为第四三角形ΔGHF的外角。再次指出，因为三角形的外角的尺寸等于与其不相邻的两个内角的尺寸和，并且在本文的情况中，第三角度331是第四角度341的两倍(即γ＝2θ)，所以在该实施例中的第四三角形ΔGHF同样是等腰三角形。从另一个角度来说，点F也可以作为一个圆(为清晰和简单起见而未示出)的圆心，该圆构建出另两个三角形构建点，即点G和点H。

在一个示例实施例中，如果第一角度311的尺寸等于45度(α＝45°)，则第二角度321为22.5度(β＝22.5°)，第三角度331为11.25度(γ＝11.25°)，第四角度341为5.625(θ＝5.625°)。

在一些实施例中，如图2b所示，从第三区段330的第一端G到第二区段320的垂直距离h5等于从第三区段330的第一端G到第一壁11的垂直距离h6。如上所述，第三区段330的第一端G是第三区段330相对于所述第一壁11的近端。在这种情况下，从几何上来说，点G也是由第三三角形的点E和F构成的线的中点。在这种情况下，第四三角形中相同长度的两边之一的长度等于第三区段330的长度，即GF＝FH＝EG。换言之，构建第四三角形中的点G和H的圆的半径等于由点E和F构成的线的长度的一半。

应当注意的是，第三壁31还可以包括更多数量的区段，例如第五区段、第六区段或第七区段，并且可以按照与如上所述类似的方式形成或构建这些后续区段。

图3示出用于设计如图2a所示的动叶结构100的方法300的流程图。在步骤301中，提供沿第一方向Y延伸的第一部段1。在步骤302中，提供与第一部段1接合并沿第二方向X延伸的第二部段2。在步骤303中，提供由第一部段1沿第一方向Y的第一壁11的第一部分110、第二部段2沿第二方向X的第二壁21的第二部分210以及与第一壁11和第二壁21连接的第三壁31限定的第三部段3。在步骤304中，将第三壁31至少划分成第一区段310、第二区段320和第三区段330。在步骤305中，将第一区段310、第二区段320和第三区段330以相对于第一壁11具有逐渐减小的倾角的方式彼此首尾连接。

替代地或附加地，该方法300还可以包括对第三壁31进行平滑处理，以实现平滑的第三壁31，从而进一步减小应力。应当注意的是，本公开并不旨在限制平滑方式或平滑函数，而是在此应当涵盖任何能够尽可能地近似于第三壁31的平滑函数，例如多项式函数或切向过渡。

在一个示例实施例中，参照图2a，可以借助简单的切向过渡对两个内部区段(即第二区段320和第三区段330)进行平滑，而可以分别按照定义的45°和5.625°的角度来保持两个外部区段(即第一区段310和第四区段340)。

在一个示例实施例中，借助于上述构建的三角形，可以解析和迭代地执行方法300中的步骤304和305。例如参照图2a，第一三角形使第二壁21上的点A、与第二壁21相接合的第一壁11的第一部分110上的点B、以及接合点K连接。点A和点B处的内角都是45°。接下来，第二三角形连接于点B，点B也作为构建出另两个三角形构建点的一个圆(未示出)的圆心。该圆的半径将点C构建为所形成的圆与由点A和B构成的线的交点，并且将点D构建为与第一壁11的第一部分110的交点。相应地，以类似的方式迭代地形成下一个三角形。

接下来将示出一些仿真结果，以用于进一步展示根据本公开的实施例的具有多线性区段的动叶结构改进后的应力降低性能。

图4a示意性示出根据本公开的一个实施例的动叶结构的局部示图。图4b示意性示出在接合部具有单一半径的圆形倒角的传统动叶结构的局部示图。

图5示出施加在图4a和图4b所示的动叶结构上的应力的比较结果。模型问题的负载类型是基于位移边界条件的张应力。如图5所示，与具有单一半径的圆形倒角的传统动叶相比，具有经优化的过渡部段的动叶展示出出众的应力降低效果并且具有更低的最大应力，该过渡部段包括上述的三个区段。

基于与上述相同的原理，根据本公开的这种动叶结构100以及相关联的设计/成形方法300也可以应用于设计动叶的肋组件以及设计动叶的根部区域。

图6a和图6b分别示出具有传统简单圆形半径的动叶的内肋组件的俯视图和仰视图。此外，分别在图6a和图6b中圈出的区域601和602标记处于高应力且低寿命的区域。从图6a和6b中可以看出，具有单一半径的圆形倒角虽然可以在由内肋与相应的壁形成的接合部附近实现平滑过渡，但是在接合部附近仍然存在大应力。

图7以俯视视角示出动叶的根部区域，该根部区域具有处于高应力下的位置。如图7所示，从上齿到实际动叶的过渡区域701通常会遭受大的应力，该应力可能导致低寿命的区域，导致裂纹蔓延。这同样适用于不同枞树齿之间的转弯部702。再次指出，尽管具有单一半径的圆形倒角也可以在由内肋与相应的壁形成的接合部附近实现平滑的过渡，但是在接合部附近仍然存在大的应力。

可以看出，动叶的内肋组件和动叶的根部区域都具有与图1所示类似的T型接合，从而同样面临大应力的问题。因此，通过利用与图2a所示相同的动叶结构100以及如图3中的相关联的设计方法300可以减小应力，从而有效地避免在T型接合处产生裂纹并避免裂纹蔓延。