专利名称：涡轮机转子以及制造该转子的方法和装置的制作方法
涡轮机转子以及制造该转子的方法和装置本发明涉及具有权利要求1、 7禾卩8前序部分所述特征的一种涡轮机转子以及律!腊该转子的一种方法和一种装置。蒸汽 气轮机叶片上的振动会导致叶片上形成裂纹，且长期以往将造成 叶片断裂，对涡轮机有很大损害。为了保证涡轮机能够无故p章运行，必须采用 适当的结构性措施来减小叶片振动。主要采用下列解决方法来消减中压区和低 压区中动叶片上的振动。如果涡轮机低压区中的末级动叶片较大，则叶型区的孔中围成一圈的保持 线可消减振动。此类减振方法通常应用于没有盖板的叶片。如果是仅ilil较小圆周鹏施加负荷的动叶片，则利用铆钉销将围带逐段铆固在安装于转子中的叶片的叶型末端上。这种结构型式经常应用于早期的涡 轮机上。如果是圆周速度较大的涡轮机，则铆钉接合强度不够充分，因此不 适用铆接型式。当今在涡轮机中压区和低压区几乎仅使用强度特性好且效率l^的盖板动叶 片。这种结构型式的叶片及其围带(盖板)构成一个整体单元。铆钉接合的 缺点是强度较小，要避免将其用于叶片和盖板所构成的整体单元。各个动叶片的盖板在^A涡轮机转子之后，就会形成一个环。紧贴在各个叶片之间盖板接 角虫面上的环有减振作用。但是已知的结构型式存在下列弱点。由于每一个叶片上均存在不同的误差，实际上不可能在(例如)具有70个动叶片的某一级中以没有间隙的方式将其相互装配在一起。另一个原因是存在较大的离心力和热膨胀，这些因素在 涡轮机运转过程中对每一个动叶片均有影响。离心力和热膨胀会使得转子中的 叶根略微向外移动。叶片的盖板同样也会由于叶型膨胀而沿纵向向外运动。由 于每一个叶片的根部和盖板表面均为楔形，叶片朝向外恻的沉降运动将导致各 个叶片之间的盖板表面上形成间隙。由于形成了间隙，将无法按照要求消减振 动。下列已知的解决方法可避免，由于间隙形成而带来的缺点。编号为EP 1 512 838 A2的申请说明书描述了一种 板之间的，数虫面上安装有减振器的涡轮机转子。在运行状态下通过离心力向外压迫减振器，从而 在盖板之间形成连接。ilil减振器消除间隙，从而可以消减振动。编号为JP 2003097216 Al的公幵说明书公开了一禾中应用方法，即M离心 力作用使得叶型沿着纵向轻微弯曲。通过弯曲在盖板上产生补偿间隙的反向运 动，从而保证实现减振。根据编号为US 4840539 B2的专利说明书所述，涡轮机叶片的盖板设计成 V形。将盖板装配到转子之中时，在径向仅有一端接触。通过扭转叶型来产 生扭应力，从而起至臓振作用。在盖板的自由端上还有一个与减,置的轴向 接触面。编号为US 6568908 B2的专利说明书中描述了一种应用方法，由于叶型上 存在热膨胀，离心力可在盖板的接触面上产生反向旋转运动，可将其用来减振。 盖板上的接触面具有圆角皿。也有一些涡轮机制造商在实际应用中^^类似 的应用方法，且同样也是通过离心力使叶型产生扭转，以此来消减振动。盖 板被设计成Z形，并且在涡轮机运转过程中仅仅在中间部分发生接触。这两 种应用方法仅可用于叶型为锥形且已扭转的叶片，因为只有这里才肖腿过离心 力使盖板按照需要产生扭转。本发明基于一种已知的应用方法，有一些配有盖板的菱形动叶片涡轮l几制 造商长期以来就使用该方法，在编号为JP 5098906 Al的公开说明书中也描述 了这种应用方法。即使得叶根和盖板的外表面与转子中心成相同的角度。盖 板上的分度面具有平行于理论节距的公差。将叶片装配到转子之中时，应根据 相对于叶根的节距公差适当扭转盖板，，达到理论节距。可在将盖板装配到 转子之中时，通过在径向压装叶片的方式，〗M板扭转。叶根相互之间不得有 装配间隙。叶片应3Iii叶根和转子之间接触面上的摩擦作用iaA其规定的径向 位置，同时要抵住盖板扭转产生的反作用力。此外还要使用一种用于撑开最后 一个叶片间隙的装置来装配锁紧叶片。盖板扭转在叶型中产生扭应力，在涡轮机运转过程中，扭应力可通过其弹性作用阻止盖板之间形成间隙，从而可解决 减振问题。编号为JP 5098906 Al的公开说明书所公开的方法具有下列缺点。利用叶 根和转子之间的摩擦作用，无法在装配叶片时根据叶型长度与宽度或厚度之比 来可靠产生并且保持使盖板扭转所需的径向力。由于必须将所有已装入的叶片盖板朝向相同的方向转动，因此扭转所需的力就会增大。第一，入的叶片可 以按照要求处在转子中的径向位置中。但由于盖板上存在节距公差，且扭转不 够充分，随后的叶片就会逐渐偏离所要求的径向位置。由于存在径向位置偏差， 叶片凸肩仅有--端紧靠在转子槽中，并且在叶根之间形成逐渐增大的楔形间隙。从叶根通过叶型将作用力传递到盖板之中，使得盖板扭转。由于力传递路 径较长，且实际摩擦为不确定参量，因此无法可靠应用这种已知的方法。此外， 当从叶根将作用力传递到盖板时，还会使得叶型产生纵向扭曲。叶根和盖板上 的分度面必须留空，才能装配后续叶片。在这些表面上无法使用适当的装置来 抵住扭转所产生的反作用力。用于在装配最后一个叶片的锁紧孔上方产生所需盖板间隙的装置必须满足 下列要求必须在盖板上将最后一个装配的叶片压入所要求的径向位置中，且 不改，一个叶片的位置。禾,已知装置所产生的力必须沿径向连续穿过旨 涡轮级，从最后一个叶片开始直至第二个已装配的叶片逐渐减弱，并且使所有 盖板扭转，以产生扭应力。必须对叶根之间的间隙进行补偿。叶片不得因为 受力失控而受损。该装置不得对锁紧叶片的装配形成任何空间障碍。只有投入非常大的成本，才能满足对已知装置提出的这些要求。此外还要注意盖板上的菱形角沿径向传递的力会在经过涡轮机中的几个叶片之后重新出现。本发明的任务在于，对所述类型的转子进行适当设计，并且提供一种方法 和一种装置，可以在将菱面体形动叶片装入转子之中时，将其用来以简单、方 法技术上可靠且成本低廉的方式产生用于消减其振动的,力。采用具有权利要求1戶万述特征的转子、具有权利要求7所述特征的--禾中 方法、以及具有权禾腰求8所述特征的一种装置，即可解决该任务。本发明 的有益设计型式均为从属权利要求的阐舰象。由于本发明具有下列特点，因此便于应用，且方法技术上十分玎靠。计算 或者设计部门可在设计转子时确定叶片的扭转角，并且在叶片图纸中将其标注 在盖板上。j顿图纸中标注的角度在所有叶片上制作盖板的侧面或者平面。1吏用图纸中标注的角度制作所有叶片的围带。这样就可在将叶片装入转子 之中后，利用夹紧装置以预先确定的最小计量的轴向力将每一个叶片扭转，并 且在整个装配过程中使其保持在该位置中。可以在装配过程中简单、可靠地扭转叶片。直接在盖板上以形状配合连接方式产生用于扭转盖板的作用力，并且也可在装ISil程中以形状配M接方式 在盖板上保持该作用力。因此本发明的应用并不依赖于在转子中叶片的接触面 之间所产生的摩擦。^A每一个叶片之后，可以对其在转子中的径向位置进行检查。立即就可 得到用于装配锁紧叶片的间隙。空间上夹紧装置不会妨碍锁紧叶片的装入。夹紧装置简单，且成本低廉，因此本发明引起的费用支出较小。上述JP 5098906 Al所公开的方法的所有缺点均可加以避免，尤其可以避免不受控制的径向作用 力导致叶片在扭转时发生损伤的危险。以下将根据附图对本发明的一种设计示例进行详细解释。相关附图如下附
图1动叶片正视图，附图2附图1的侧视图，朝向附图3的方向A观察，附图3附图1的俯^l图，附图4安装于转子中的动叶片的轴向剖面图，附图5三个安装于转子中的动叶片的盖板在其扭转之前的俯视图，附图6三个安装于转子中的动叶片的盖板在其扭转之后的俯视图，附图7使用中的夹紧装置的正视图，附图8 j顿中的夹紧装置的侧视图，附图9使用中的夹紧装置的俯视图，附图10使用保持线替代夹紧装置的示例，附图11在全部盖板宽度上的一种夹紧装置示例，附图12在盖板宽度旁具有固定槽的示例，附图13盖板在其扭转之前与之后的轮廓俯视图，附图14节距缩小原理放大示意图，附图15用于计算扭转角Alpha的三角形与公式以及一个具体计算示例，涡轮机动叶片由一个具有锥形开別犬的叶根1构成，图中所示的叶根为具有支承肩1.4和1.5、侧面1.2和1.3以及叶根底面1.1的双锤头。叶型2在 叶片的叶 板上开始，向上逐渐变细，并且具有扭曲形状。紧接在叶型2上 端的是盖板3，其具有与水平线构成角度Gamma的延伸斜面(附图1)。叶 根1和盖板3的形状为长菱形或者平行四边形。盖板3具有两个侧面或平面3.2和3.3以及两个端面或分度面3.4和3.5,并且配有一个密封凸3.6。在装 配后的状态下，沿转子4圆周方向的侧面或平面3.2和3.3以及端面或分度面 3.4和3.5均与转子4的纵轴线(转子中心RM)倾斜。如附图2所示，盖板3和叶根1具有两侧相同的锥度，图中以角度Delta 表示。盖板3的分度面3.4与叶根1的斜根面均在一个平面中。第二个分 度面3.5具有尺寸tz的平行节距增量3.1。如附图3所示，盖板3的两个分 度面3.4和3.5以及叶根1上的对应分度面均与转子4的纵轴线RM交成 菱形角Beta 1 。盖板3具有尺寸为ts的长度。尺寸ts以及两个分度面3.4和3.5涉及盖板3上的最:^i:径，附图3仅为简化示意图，并未对延伸斜面加以考虑。本发明也可应用于具有其它叶根形状的叶片上，例如简单的锤头形，M有 单侧或不等的锥度，以及盖板3上没有延伸斜面，及两侧均有节距增量3.1。如附图4所示，叶根1插装在涡轮机转子4的径向环绕的槽之中，槽的 开m与叶根1的皿匹配。叶根1以锥形分度面彼此紧靠，并且将槽填充。两 ，腼1.2和13形成叶根宽度，且叶片以此宽度分布于转子4之中。将叶 根i与叶根底面1.1和垫带7 ^A转子4之中，利用支承肩1.4和1.5上的 轻微预应力，使其与槽底4.1之间没有间隙。支承肩1.4和1.5可吸收离心 力，并且将其传递到转子之中。根据本发明所述的一项特征，可将叶片适当插入转子4的槽之中，使得盖 板3上的平面3.2和3.3以及密封凸3.6上的平面并非在径向平面RE之 中，而是以扭转角Alpha与径向平面RE相交，或者以90°减去Alpha的 角度与转子4的纵轴线RM相交，如附图3所示。为了便于看清，所有附图 中的扭转角Alpha均放大表示。将叶片插入转子4的槽之中后，将每一个叶片扭转。可根据本发明所述 的一项特征，直接在盖板3上沿轴向以形状配合连接方式产生扭转所需的力 Fl和F2。同样也可直接在盖板3上以形状配合连接方式保持所施加的力Fl 和F2。本发明的原理如附图5和附图6所示。附图5所示为三个盖板3在扭 转之前的俯视图。分度面3.4和3.5彼此紧靠，且由于存在角度Alpha,其钝 角侧高于相邻叶片的盖板3上的平面3.2和3.3。中间的密封凸3.6同样如此。在径向平面RE中，当与转子4的纵轴线成90°角时，则对于盖板3总 节距为Tl 。附图6所示为三个盖板3在扭转之后的俯视图。利用具有弓形夹5和 夹紧螺栓5的以下还要描述的夹紧装置，使得密封凸3.6以及平面3.2和3.3 平齐。夹紧装置可在所有三个盖板3上产生反向扭转。利用夹紧装置产生的 扭转，使得盖板3 (附图5)的原菱形角Betal 新的菱形角Beta2。 M 改魏度的方式，将附图5的总节距Tl减小为附图6的总节距T2。本发明不用于角度Beta 1等于0°的动叶片。盖板在这里具有矩形形 状。节距达到附图3所示尺寸te的最小值。当盖板扭转时，尺寸ts就会增 大。通过扭转盖板使其在径向平面RE中的有效节距缩小的方法不适用于矩 形。如附图4所示，固定于转子4槽中的叶根1以其在侧面1.2和1.3之间 正好匹配的叶根宽度，将会阻止盖板3扭转。但叶型2仍然可以从盖板3以 递减形式扭转至叶根1。叶型2中的扭转将在弹性范围内产生如同蓄存在弹簧 中的扭应力。如果在装配锁紧叶片之后封闭了叶片排，且移去了所有夹紧装置， 叶片排中的盖板3就会构成一^M闭环，其中盖板3相对卡住。由于所有盖 板3上均存在节距增量3.1，盖板3将无法回到附图5所示的初始位置中。 J，力继续蓄存在叶型2之中，从而可以解决本发明所述的任务，即对涡轮秒L 运行过程中在盖板3之间所出现的间隙进行补偿。由于制造带有扭转角Alpha的盖板3，因此，可在盖板3的端面或分度 面3.4、 3.5 ，叶片进行扭转之前，将叶片轻松装配到转子4之中时，与相邻 盖板3产生一定的偏移(附图5)。偏移尺寸取决装配中利用下述夹紧装置将 盖板3扭转的尺寸。扭转角Alpha等于述关于分度余量理论扭转角加上与损失系数。损失系数 应可以对当通过导向宽度中的现有间隙装配到转子4之中时在叶根1上的位 置变化，夹紧装置的效率、叶片回弹以及装配叶片时盖板分度面上的间隙形成 所引起的损失进行补偿。此外还必须给最后一个盖板节距加上至少lmm的间 隙，以便能够轻松装配锁紧叶片。根据动叶片和转子4的现有结构参数，确 定理论的关于分度余量的扭转角上的损失系数的大小。该值为经验 ，仅可 在首次应用时进行估算。应当设定比实际所需大一些的增量，以利于顺利装配叶片。附图7 9所示为用于扭转盖板3的简单的夹紧装置的示意图。该夹紧 装置由具有纵向槽5.1的弓形夹5构成。弓形夹5的其中一个边腿具有两个 内螺纹，分别用于安装夹紧螺栓6。将弓形夹5的纵向槽5.1以一定的间隙 在盖板3的密封凸3.6上方JCS在两个盖板3的两个分度面3.4和3.5中央。 两个夹紧螺栓6将两个相邻叶片夹紧，也就是将刚刚插入转子4槽之中的叶片 以及之前已插入的叶片夹紧。夹紧螺栓6将两个盖板3扭转角度Alpha ，并 且使得密封凸3.6以及平面3.2和3.3平齐。当插入叶片排的最后一个叶片， 并且使其相对于相邻叶片扭转时，即可移去夹紧装置的弓形夹5。将盖板3装 入转子4之中时，以一定的加工余量对其进行预加工。装配叶片之后，车削 最终轮廓3.7 。视盖板3的形状与大小而定，选择地也可以将类似的夹紧装置放在平面 3.3的片状部分上，或者在整个盖板宽度上放置(附图11)。除了所述的夹紧装置之外，也可以如附图10所示，在盖板3的外径处加 工一个用于固定保持线8的辅助槽。使用适当的工具(例如钳子或者叉)， 用手将盖板3转动到所需的位置中，并将保持线8穿入辅助槽之中。保持线8 就可将盖板3保持在其位置中直到该级装完叶片(Beschaufolung)。然后移去 保持线，盖板3朝向最终轮廓3.7精车。可以将保持线8完全或者逐l^夂入 辅助槽之中。除了保持线8之外，板条也能实现同样的功能。附图12所示为如何在没有延伸斜面的简单盖板3上将辅助槽与保持线 8布置于盖板宽度之外的方法。附图13和14所示为本发明的理论背景示意图。附图3所示为盖板3 在扭转之前与之后的俯视图。盖板3在扭转之前处在虚线轮廓位置中，在径 向平面RE上从点A到A的节距尺寸为tl。以实线轮廓表示以角度Alpha 扭转之后的盖板3。节距t2现在就是在径向平面RE上从点C到C的距 离。节距tl在两侧均以尺寸a縮小。扭转之前的菱形角Betal在扭转之后 减小角度Alpha而为Beta 2。点DP在叶型2的重心上，围绕叶片在该点中的纵轴线将盖板3扭转。 附图13所示的点DP在盖板中心，因此是一个对称图形。如果点DP在盖板 中心之外，则节距在两个分度面3.4和3.5上的减小程度就会不一样大，但总和与对称结构相同。节距减小程度的大小与旋转点DP在盖板3中的位置无关，而是由扭转角Alpha来决定。盖板3上的所有点在扭转时就会形成围绕 点DP的圆弧，例如Dl、 D2和D3。点A在圆弧Dl上朝向点B运动，然 后就以尺寸c位于径向平面RE的上方。附图14为附图13中的细节X的 详图。附图15所示为盖板3的俯视图以及扭转角Alpha的计算方法。根据每个级的叶片安装数[n]、直径[Dmax.]和盖板3上的菱形角[Beta 1]以及所选的节距增量[tz],并且根据下列公式，叶片节距Delta如附图2所示在两侧等于Delta/2的条件下，算出盖板3上的垂直节距[ts]: ts = sin ;^11 x D max. x cos Beta 1 + tz附图15中所使用的参数如下tl 在径向平面RE中扭转之前的盖板节距 Betal扭转之前与转子中心RM之间的菱形角(例如30° ) t3=R若没有节距增量tz(例如0.2mm),则为tl;或者在径向平面RE 上用于tz的盖板节距扭转之后的盖板节距Alpha 1用于所选节距增量tz (例如0.36° )的理论扭转角 Beta3以角度Alpha 1扭转之后与转子中心RM之间的菱形角 Z%角度Alpha 1的损失系数Alpha盖板3的总扭转角，其由Alpha 1以及所选损失系数Z% (例如 0.6° )构成。
权利要求
1.一种涡轮机转子，转子上设计有相应数量的槽，这些槽分别布置于垂直于转子(4)纵轴线(RM)延伸的径向平面(RE)之中，用于容纳一排或多排叶片，-每一个叶片均由叶片根部(1)、叶片型面(2)和盖板(3)构成，-叶片排的叶片根部(1)彼此紧靠着插入转子(4)的其中一个槽之中，-盖板(3)和叶片根部(1)均为菱形，并且具有连续的锥度，-叶片排的盖板(3)彼此靠置构成封闭的环-且在转子(4)的圆周方向中比构成封闭环的理论节距大节距增量(3.1)，-且叶片处在扭应力作用下，其特征在于，-在转子(4)圆周方向上定向的盖板(3)的菱形边相对于转子(4)的纵轴线(RM)以90°减去扭转角Alpha的角度扭转加工地布置-通过施加于盖板(3)上的作用力将盖板(3)以及叶片排中每一个叶片的叶型(2)均以角度Alpha扭转到与转子(4)纵轴线(RM)成90°的位置中地围绕叶片纵轴线转动用于在叶型(2)中产生扭应力。
2. 根据纟又利要求1所述的转子，其特征在于，可在扭转动叶片之前 在将其轻松装入转子(4)之中时，盖板G)的相互接触的端面或分度面(3.4， 3.5)具有偏移量。
3. 根据才又利要求1和2所述的转子，其特征在于，盖板(3)的侧 面上具有节距增量(3.1)。
4. 根据权利要求1和2所述的转子，其特征在于，盖板(3)的两 个相对侧上具有节距增量(3.1)。
5. 根据权利要求1 4中任一项所述的转子，其特征在于，盖板(3) 具有加工余量，可供某种工具作用用于施加扭转叶片的作用力。
6. 根据权利要求5所述的转子，其特征在于，在加工余量中加工有 一个辅助槽，用于安装至少可连接两个相邻叶片的保持线(8)或者固定条。
7. -—种涡轮机转子的制造方法，转子上设计有相应数量的槽，这些槽 分别布置于垂直于转子(4)纵轴线(RM)延伸的控向平面(RE)之屮，容纳一排或多排叶片，-每一个叶片均由叶片根部()、叶片型面(2)和盖板(3)构成， -叶片排的叶片根部(1)彼此紧靠着插入转子(4)的其中--个槽之中， -盖板(3)和叶片根部(1)均为菱形，并且具有连续的锥度， -叶片排的盖板(3)彼此靠置地构成封闭的环-且在转子(4)的圆周方向中比构成封闭环的理论节距大节距增量(3.〗)，-且叶片处在 力作用下，其特征在于，-叶片具有菱形盖板(3)，且盖板的在转子(4)圆周方向上定向的菱形 边相对于转子(4)的纵轴线(RM)以90°角减去扭转角Alpha的角度扭转，-每一个叶片的盖板(3)和叶型(2)均可在将其插入槽之后，ilil施加 于此盖板(3)以及之前已插入的叶片的盖板(3)上的轴向作用力，以角度Alpha 绕叶片纵轴线相对于之前所插入的叶片转动到与转子(4)纵轴线成90°的位 置中，可在盖板(3)上以皿配合连接方^生作用力，且可以将作用力一直 保持到插入叶片排的最后一个叶片为止。
8. 根据权利要求1 6所述用于制造涡轮机转子的装置，其特征是具 有弓形夹(5)，弓形夹具有两个限定纵向槽(5.1)界限的边腿，且这两个M 于中间有间隙ife^两个相邻叶片的盖板(3)，其中一个垂直于纵向槽(5.1) 的边腿具有两个内螺纹，且每一个内螺纹中均容纳有夹紧螺栓(6)，可朝向其 中一个盖板(3)对其进行调整。
9. 根据权利要求8所述的装置，其特征在于，弓形夹(5)的纵向槽 (5.1)跨^^夂置于盖板(3)上的密封凸(3.6)。
全文摘要
本发明涉及一种涡轮机转子，转子上设计有相应数量的槽，这些槽分别布置于垂直于转子(4)纵轴线(RM)延伸的径向平面(RE)之中，用于固定一排或多排叶片。每个叶片均由叶根(1)、叶型(2)和盖板(3)构成，且一排叶片的叶根(1)彼此紧靠着插入转子(4)的其中一个槽之中。盖板(3)和叶根(1)均为菱形，并且具有连续的锥度。一排叶片的盖板(3)彼此紧靠构成一个封闭的环，且在转子(4)的圆周方向中具有比构成封闭环的理论节距还要大的节距公差(3.1)。相对于转子(4)纵轴线(RM)以90°减去扭转角Alpha的角度制成在转子(4)圆周方向中对齐的盖板(3)菱形面。将盖板(3)以及叶片排中每一个叶片的叶型(2)均以角度Alpha扭转到与转子(4)纵轴线(RM)成90°的位置中，从而可通过围绕叶片纵轴线施加于盖板(3)上的作用力在叶型(2)中产生扭应力。
文档编号F01D5/30GK101263278SQ200680023440
公开日2008年9月10日 申请日期2006年6月27日 优先权日2005年6月28日
发明者H·-E·布罗克 申请人:曼涡轮机股份公司