专利名称：混合的调谐混合式叶片及有关方法
技术领域：
本发明总的涉及蒸汽涡轮叶片(或桨叶)；尤其涉及被专门设计来提供不同的预定材料频率和/或阻尼特性以改善系统性能的混合式复合叶片。
背景技术：
蒸汽涡轮叶片在受到大的离心负载和振动应力作用的环境中工作。当叶片的自然频率与运转速度或其他通过频率(上游叶片或喷嘴的个数或其他主要的周期/转(per/rev)特性)共振时，振动应力增大。当叶片作共振振动时，振动应力的大小与系统中的阻尼量成比例(阻尼由材料，空气动力学和机械零件以及振动的激励强度构成)。对于连续地连接的叶片，振动频率为一排中整个叶片系统的函数，而不必为该排内的单个叶片的函数。
同时，离心负载为工作速度，叶片质量和离该质量所在的发动机中心线的半径的函数。当叶片的质量增加时，在其下边的径向高度处的实际面积或横截面积必需增加，以便可以在不超过该给定材料的允许应力的条件下，在其上面承载该质量。这种在下部跨度处叶片截面积的增加会使在根部的流动受到过大的阻塞，因此性能降低。该叶片的重量使得转子燕尾槽和圆盘的应力较高，因此可靠性降低。
几个先前的美国专利涉及所谓的“混合式”叶片设计。在该叶片中，通过将翼面组成为金属和聚合物填充剂材料的结合而减小该翼面的重量。具体地是，在该翼面部分上作出一个或多个凹坑，并充以聚合物填充剂材料，使该翼面轮廓不改变。这些先前的专利包括美国专利613927号，6042338号，5931641号和5720597号。2003年4月16日提出的正在审查中和公共拥有的申请S.N.10/249518说明了改变凹坑形状，以改变相应的叶片组的阻尼特性的混合式叶片。
因此，需要继续开发混合式叶片，以改善多排涡轮叶片的集中的自然频率和/或阻尼特性。
发明概述本发明涉及扩展混合式叶片工艺，以减小或更有效地阻尼蒸汽涡轮叶片的振动。
在第一个示例性实施例中，将该叶片制造成带有一个或多个凹坑，凹坑则充以聚合物填充剂材料。选择该填充剂材料，以改变在一排叶片内，叶片的自然频率。这样，通过在一排这种叶片中，对各种叶片选择适当的填充剂材料，可以“调除”不希望的自然频率。为了达到所希望的频率改造，可以在许多叶片的凹坑中使用二种或多种填充剂材料。这种结构可以或不可以改变该整个排的叶片的阻尼特性。
在这个实施例的变型中，将二维混合式叶片安装成一排叶片。一组混合式叶片使用的聚合物填充剂材料的刚度，比在第一组叶片中使用的该材料的刚度高。通过将该叶片以预先确定的对称的模式装配在叶轮上，不但自然频率改变而且整排叶片的阻尼特性也可改变。在任何情况下，通过在一排叶片内，改变叶片的自然频率，可以抑制该整排的空气弹性响应，而不会对叶片的空气动力学性质有不好的影响。
在第二个实施例中，选择聚合物填充剂材料作为该填充剂材料的阻尼特性的函数。换句话说，作为其阻尼特性的函数来规定填充剂材料，使得可将叶片振动抑制至一个允许的水平。在一个例子中，为了改变一排叶片的阻尼特性，在一排叶片中的所有叶片，在叶片凹坑中将使用至少二种填充剂材料。在另一个例子中，在一排中安装二组或多组叶片。每一组叶片使用的填充剂材料的阻尼特性与在另一组或多个组中使用的填充剂材料不同。这个实施例的焦点是依赖“混合调谐”的概念，来安排多组叶片，以达到一排叶片的阻尼更大。然而，也有可能是这种方法可使每一个叶片的频率偏移，以进一步改善系统对同步和非同步振动的响应总的阻尼。
因此，在较广的方面来说，本发明涉及包括一个柄部分和一个翼面部分的蒸汽涡轮叶片，该翼面部分上作出至少一个凹坑，该凹坑充以作为加在该涡轮叶片上的自然频率的函数选择的聚合物填充剂材料。
在另一个方面中，本发明涉及一种蒸汽涡轮转子叶轮，该叶轮包括固定在该叶轮的圆周周边周围的多个叶片，每一个叶片包括一个柄部分，一个翼面部分和在该翼面部分中的一个或多个凹下的凹坑。该多个叶片分成二组叶片，一组叶片的凹坑充以一种或多种聚合物填充剂材料，而且另一组叶片的凹坑充以一种或多种聚合物填充剂材料；其中，在一组叶片中的聚合物填充剂材料形成在一组叶片中与另一组叶片中的聚合物填充剂材料不同的自然频率；并且其特征还在于，二组叶片根据预先确定的模式，装配在该转子叶轮上。
在另一个方面，本发明涉及包括一个柄部分和一个翼面部分的蒸汽涡轮叶片，该翼面部分上作出多个凹坑，该凹坑充以作为该聚合物填充剂材料的阻尼特性的函数选择的聚合物填充剂材料。
在另一个方面，本发明涉及一个蒸汽涡轮转子叶轮。该叶轮包括多个固定在该叶轮的圆周周边周围的多个叶片，每一个叶片包括一个柄部分，一个翼面部分和一个或多个在翼面部分上的凹坑。该多个叶片分成二个叶片组，一个组的叶片的一个或多个凹坑充以第一种聚合物填充剂材料，而另一组叶片的凹坑充以第二种聚合物填充剂材料；其中，该第一和第二种填充剂形成在一个组的叶片中，与在另一个组的叶片中聚合物填充剂材料不同的阻尼特性；并且其中，该二组叶片根据预先确定的模式装配在该转子叶轮上。
在又一个方面中，本发明涉及抑制在蒸汽涡轮转子叶轮上的一排叶片的空气弹性响应的方法。该方法包括(a)提供多个叶片，每一个叶片上作出一个或多个凹坑；(b)利用作为加在该排叶片上的自然频率的函数选择的一种或多种填充剂材料充以该一个或多个凹坑。
在又一个方面中，本发明涉及抑制在蒸汽涡轮转子叶轮上的一排叶片的空气弹性响应的方法。该方法包括(a)提供多个叶片，每一个叶片上作出一个或多个凹坑；和(b)利用作为该一种或多种填充剂材料的阻尼特性的函数选择的一种或多种填充剂材料充以该一个或多个凹坑。
现在结合下述的附图详细说明本发明。
附图简要说明
图1为作出填充剂凹坑的部分地制造的叶片的透视图；图2为将聚合物填充剂材料添加在叶片上之后的图1所示的叶片的透视图；图3为根据另一个例子的部分地制造的叶片的透视图；和图4为上面安装着多个涡轮叶片的涡轮转子叶轮的示意性的侧视图。
本发明的详细说明参见图1，图中所示的蒸汽涡轮叶片10为部分地制造的形式。该叶片10包括一个柄部分12和一个翼面部分14。本发明特别涉及由钢或钛制造的该翼面部分14，但其他适当的材料包括铝、钴或镍。肋16，18与该翼面部分整体地铸造出来，以形成分开的填充剂凹坑(或简单地说为凹坑)20，22和24。然而，该肋不与该翼面部分的侧边缘26，28齐平。如图2所示，在一个例子中，在该翼面的压力(或负压)侧上，就地铸造基于聚合物(尿烷)的填充剂材料30，充以该凹坑20，22和24；并覆盖该肋，从而在该叶片的整个压力侧上，形成光滑的聚合物表面32。使该肋或形成单个凹坑的表面与该翼面的剩余的外表面齐平，将各凹坑或凹部逐一填充，在该聚合物填充剂和金属表面之间的界面平滑的结构也在本发明的范围内。
在上述实施例中，肋16，18沿着该翼面部分14的长度，在相反方向形成一个角度，但沿着该翼面部分压力(或负压)侧，在所希望的位置上作出不同形状的凹坑的其他结构也在本发明的范围内。
例如，图3表示包括一个柄部分36和一个翼面部分38的叶片34。在该翼面部分38的压力侧上作出在径向方向的内凹坑和外凹坑40，42。该内外凹坑由较宽的辐板或肋44和一个中间跨度的阻尼器隔开。
该凹坑20，22，24，40和42的填充剂材料30可以包括不同硬度的以尿烷为基础的聚合物，以硅酮为基础的聚合物，以橡胶为基础的化合物，或带有适当的硬化剂的聚合物混合物，和/或为了调节频率，阻尼，耐腐蚀性等的诸如玻璃或陶瓷一类的其他材料。在美国专利6287080和5931641号中说明了几种适当的填充剂成分。将该填充剂材料30粘接在该翼面部分的金属表面上的选择无限制地包括自行粘接，在填充剂材料30和该翼面部分的金属表面之间的粘接，粘接剂粘接(粘接剂薄膜或膏)和熔融粘接。
在第一个示例性实施例中，在一排这种叶片内的叶片10的凹坑20，22和24，或叶片34的凹坑40，42充以作为自然频率函数选择的填充剂材料。在一个例子中，所有的凹坑(从1个至4个或更多)充以相同的聚合物填充剂材料，以达到单个叶片以及整排叶片的所希望的自然频率。在另一个例子中，每一个叶片包括至少二种不同刚度的填充剂材料，以达到所希望的自然频率。
在第二个实施例中，二组或多组带有如同图1中的沿着该翼面的压力侧的凹坑20，22和24(或图3中的40，42)的凹下的凹坑的叶片10(或34)，可以作成每一组的叶片的凹坑中的填充剂材料不同。作为一个例子，一组叶片可以使用较高强度或“较高刚性”的材料作为该凹坑的填充剂，而另一组叶片可以使用刚度较低的材料。另一种方案是，一组叶片的多个凹坑可以相应地充以多种聚合物填充剂，而另一组的叶片的多个凹坑可以充以相应地不同的多种聚合物填充剂。这样，例如对于第一组叶片，参见图3中的叶片34，凹坑40可充以聚合物“a”，凹坑42可充以聚合物“b”。对于第二组叶片34，凹坑40可充以聚合物“c”，凹坑42可充以聚合物“d”。选择这些材料也是为了达到在二组叶片中不同的共振频率。
如图5所示，可以利用上述的叶片设计形成在一个蒸汽涡轮转子叶轮48上的一排叶片。具体地说，可以将组A和B(由叶片10或34组成)以预先确定的图形形状(例如图形ABAB......)安装在该涡轮叶轮上，使A组的叶片总是邻近B组叶片。这样，可以有目的地制造二组(或更多)叶片，并按逻辑装配，使得利用其共振频率固有的差别作为减小系统对同步或非同步的振动的响应的方法不会对该叶片设计的空气动力学性质有不利影响。另外，在这方面，存在着设计一组自然频率相等地配置在二个“周期-转”标准(例如，每转4个和每转5个裂缝)和设计带有不同的填充剂材料的另一组叶片的可能，使其相等地配置在另一组“周期-转”激励源(例如，每转3个或每转4个裂缝)，周围。
还可以改变叶片组分布的模式，以达到所希望的频率特性。例如，可以使用模式AABBAA......或AABAAB......。
在本发明的第二个实施例中，将该叶片制成带有一个或多个充以尿烷或硅聚合物填充物材料的凹坑，该填充剂材料可作为该填充剂材料的阻尼特性的函数选择。
这可用二种方法中的一种完成。第一种方法是在每一个叶片10的凹坑20，22，24内(或叶片34的凹坑40，42)使用一种或多种多样填充剂，用以改变每一个叶片的阻尼系数，以及整排叶片的阻尼响应。根据那里需要特殊的材料性质，一些凹坑可以充以阻尼大的材料，或可以满足一些特殊要求，但不一定与阻尼有关的材料。在叶片的一些区域，腐蚀可能是一个问题；然而，对防止腐蚀理想的材料，可能对减小振动不理想。在另一些区域中，腐蚀可能不是一个大问题，而振动阻尼可以为主要问题。在任何情况下，通过改变阻尼特性至较大或较小程度，可将一排叶片中的系统振动的振幅减小至允许水平。
与这个第二个实施例有关的第二种方法包括将叶片10隔开成二个分开的组，每一个组包括不同的填充剂材料30，以便在相应的组内调节叶片的阻尼系数。例如，一个组的所有叶片可包括在相应凹坑中的一种或多种填充剂；而第二组的所有叶片包括一种或多种填充物的不同选择。该叶片可装配成一定的图形，如上述图形那样(即ABAB......或AABBAA......等)。该图形结构可通过在每一组叶片中的叶片的各种阻尼响应，产生混合调谐该组叶片，以形成阻尼更大的叶片排或组。这还可使每一个叶片的频率偏移，使混合调谐的概念有更大优点。
每一种上述方法都可以导致除去在一些叶片设计的中间跨度处的典型的机械阻尼器(图3)。这种中间跨度连接是一种流动干扰，可使涡轮效率降低。换句话说，通过使用带有改进的阻尼性质的适当的填充剂材料，可以完全除去目前的中间跨度的阻尼器。
虽然已经结合目前认为是最实际和优选的实施例说明了本发明，但应了解，本发明不是仅限于所述的实施例，相反，它涵盖包括在所附权利要求书的精神和范围内的各种改进和等同的结构。
零件清单蒸汽涡轮叶片10柄部分 12翼面部分14肋 16，18填充剂凹坑 20，22，24侧边缘 26，28填充剂材料 30叶片34柄部分 38翼面部分38内和外凹坑 40，42翼面部分38辐板或肋44机械阻尼器 46蒸汽涡轮转子叶轮48
权利要求
1.一种蒸汽涡轮叶片(10)，包括一个柄部分(12)和一个翼面部分(14)，该翼面部分上制出至少一个凹坑(20)，该凹坑充以被选为加在该涡轮叶片上的自然频率的函数的聚合物填充剂材料。
2.如权利要求1所述的蒸汽涡轮叶片，其特征为，在每一个叶片上制出二个凹坑(20，22)，每一个凹坑充以基本上相同的填充剂材料。
3.如权利要求1所述的蒸汽涡轮叶片，其特征为，在每一个叶片上制出二个凹坑(20，22)，每一个凹坑充以不同的填充剂材料。
4.如权利要求1所述的蒸汽涡轮叶片，其特征为，所述的聚合物填充剂材料包括以尿烷为基础的聚合物。
5.如权利要求1所述的蒸汽涡轮叶片，其特征为，所述第一和第二种聚合物填充剂材料包括不同硬度的以尿烷为基础的聚合物。
6.如权利要求1所述的蒸汽涡轮叶片，其特征为，所述聚合物填充剂材料包含一种或多种硬化剂。
7.一种蒸汽涡轮转子叶轮(48)，包括固定在该叶轮圆周周边周围的多个叶片(10)；每一个叶片包括一个柄部分(12)，一个翼面部分(14)，和在该翼面部分上的一个或多个凹下的凹坑(20)；所述多个叶片被分成二个叶片组，一组叶片(A)的凹坑(20)充以一种或多种聚合物填充剂材料，而另一组叶片(B)的凹坑充以一种或多种聚合物填充剂材料；其中，一组叶片(A)内的聚合物填充剂材料在该一组叶片中形成与另一组叶片(B)中的聚合物填充剂材料不同的自然频率；并且，其中，该二个组叶片(A，B)根据预先确定的方式，被装配在该转子叶轮(48)上。
8.如权利要求7所述的蒸汽涡轮转子叶轮，其特征为，一组叶片(A)沿叶轮(48)的圆周周围与另一组叶片(B)交替，使得一组中的任何叶片总是与另一组中的一个叶片相邻。
9.如权利要求7所述的蒸汽涡轮转子叶轮，其特征为，所述第一和第二种聚合物填充剂材料包括不同硬度的以尿烷为基础的聚合物。
10.一种抑制一蒸汽涡轮转子叶轮(48)上一排叶片(10)的空气弹性响应的方法，它包括(a)提供多个叶片(10)，每一个叶片在其上制出一个或多个凹坑(20)；和(b)用一种或多种被选为加在该排叶片上的自然频率的函数的填充剂材料充以所述一个或多个凹坑。
11.一种抑制蒸汽涡轮转子叶轮(48)上的一排叶片(10)的空气弹性响应的方法，该方法包括(a)提供多个叶片(10)，每一叶片在其上制出一个或多个凹坑(20)；和(b)用一种或多种被选为该一种或多种填充剂材料的阻尼特性的函数的填充剂材料充以所述的一个或多个凹坑(20)。
全文摘要
一种蒸汽涡轮叶片(10)包括一个柄部分(12)和一个翼面部分(14)。翼面部分上作出至少一个凹坑(20)，该凹坑利用作为加在该涡轮叶片上的自然频率的函数，或作为该填充剂材料的阻尼特性的函数选择的聚合物填充剂材料充以。一种蒸汽涡轮转子叶轮(48)包括固定在该叶轮圆周周边周围的多个叶片(10)，每一个叶片在其翼面部分上有一个或多个凹坑(20)，该多个叶片分成二个叶片组(A，B)。一个组的叶片(A)的凹坑充以一种或多种聚合物填充剂材料，而且另一个组的叶片(B)的凹坑充以一种或多种聚合物填充剂材料；其特征为，一个组的叶片中的该聚合物填充剂材料，在一个组的叶片中，形成与在另一组的叶片中的聚合物填充剂材料不同的自然频率或阻尼特性。该二个组的叶片根据预先确定的模式，装配在该转子叶轮上。
文档编号F01D5/10GK1734062SQ200510089780
公开日2006年2月15日 申请日期2005年8月9日 优先权日2004年8月9日
发明者S·S·博德吉克, G·W·德莱昂纳多, W·W·林, K·J·巴布 申请人:通用电气公司