锥形跨部件护罩的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种锥形跨部件护罩，用于涡轮机械的可旋转叶片，其包括：翼型部分，所述翼型部分具有前缘、后缘、径向内端和径向外端；在翼型部分的径向内端处的根部部段；以及跨部件护罩，所述跨部件护罩在根部部段和径向外端之间位于所述翼型部分上。跨部件护罩在宽度和厚度上减小，在宽度和厚度上从翼型部分到接触表面减小，所述接触表面适合于接合相邻叶片的跨部件护罩上的配合接触表面。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本实用新型总体上涉及用于涡轮机械中的旋转叶片。更特别地，本实用新型涉及 带有相邻叶片之间的跨部件（part-span)护罩的旋转叶片。 锥形跨部件护罩
【背景技术】
[0002] 涡轮机械、例如蒸汽或燃气涡轮机的流体流动路径大体上由静止壳体和转子形 成。在该配置中，多个静止轮叶以圆周阵列附连到壳体，径向向内延伸到流动路径中。类似 地，多个旋转叶片以圆周阵列附连到转子并且径向向外延伸到流动路径中。静止轮叶和旋 转叶片在交替行中布置使得轮叶的行和叶片的很近的下游行形成"级"。轮叶用于引导流动 路径使得它以正确的角度进入叶片的下游行。叶片或叶的翼型部分从工作流体提取能量， 由此形成驱动转子和附连到转子上的负载所必需的动力。
[0003] 当涡轮机械的叶片以高速旋转时它们可能受到振动和轴向扭转。为了解决这些问 题，叶片典型地包括在每个叶片的外尖端和根部部段之间的中间径向距离处布置在翼型部 分上的跨部件护罩。跨部件护罩或护罩部分典型地固定到每个翼型的每个压力（凹)和吸力 (凸）侧，使得在转子的旋转期间相邻叶片上的跨部件护罩沿着彼此配合地接合并且摩擦地 滑动。常规跨部件护罩具有相当大的重量并且典型地需要在护罩/翼型界面处的更大倒圆 角以缓和跨部件护罩和翼型表面之间的结构应力，并且支撑翼型上的跨部件护罩。重量和 所需倒圆角设计倾向于导致更小空气动力学叶片，并且因此导致所述涡轮机械级的流量和 总体性能的减小。 实用新型内容
[0004] 在一个示例性、但非限定性实施例中，本实用新型提供一种用于涡轮机械的可旋 转叶片，其包括：翼型部分，所述翼型部分具有前缘和后缘、径向内端和径向外端；在所述 翼型部分的所述径向内端处的根部部段；以及跨部件护罩，所述跨部件护罩在所述翼型部 分上位于所述根部部段和所述径向外端之间，远离所述翼型部分的相对侧突出，所述跨部 件护罩从所述翼型部分到接触表面在宽度和厚度上减小，所述接触表面适合于接合相邻叶 片的跨部件护罩上的配合接触表面。
[0005] 在另一示例性方面中，本实用新型提供一种涡轮机械，其包括：可旋转地安装在定 子内的转子，所述转子包括：轴；安装在所述轴上的至少一个转子轮，所述至少一个转子轮 的每一个包括安装到所述转子轮上的多个径向向外延伸叶片；并且其中每个叶片包括：翼 型部分，所述翼型部分具有前缘和后缘、径向内端和径向外端、压力侧和吸力侧；在所述翼 型部分的所述径向内端处的根部部段；以及一对跨部件护罩部分，所述一对跨部件护罩部 分在所述翼型部分上所述根部部段和所述径向外端之间、分别在所述压力侧和所述吸力侧 上，其中每个跨部件护罩部分从所述翼型部分到接触表面在宽度和厚度上减小，所述接触 表面适合于接合（engage)相邻叶片的跨部件护罩部分上的配合接触表面。
[0006] 在另一示例性方面中，本实用新型涉及一种涡轮机械，其包括：可旋转地安装在定 子内的转子，所述转子包括：轴；安装在所述轴上的至少一个转子轮，所述至少一个转子轮 的每一个包括安装到所述转子轮上的多个径向向外延伸的叶片；其中每个叶片包括：翼型 部分，所述翼型部分具有前缘和后缘、径向内端和径向外端、压力侧和吸力侧；在所述翼型 部分的所述径向内端处的根部部段；以及一对跨部件护罩，所述一对跨部件护罩位于所述 翼型部分上、所述根部部段和所述径向外端之间、且分别在所述压力侧和所述吸力侧上，其 中每个跨部件护罩从所述翼型部分到接触表面在宽度和厚度上减小，所述接触表面适合于 接合相邻叶片的跨部件护罩部分上的配合接触表面；其中在所述翼型部分的压力侧上的跨 部件护罩具有的最大厚度是在所述翼型部分的吸力侧上的跨部件护罩的最大厚度的1.1 到1. 5倍；并且其中在所述翼型部分的压力侧上的跨部件护罩具有的长度是在所述翼型部 分的吸力侧上的跨部件护罩的长度的1. 1到1. 5倍。
[0007] 结合在下面识别的附图，本实用新型的这些和其它方面、优点和显著特征将从以 下的详细描述中变得明显。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 图1示出了常规蒸汽涡轮机的透视的部分剖视图；
[0009] 图2示出了常规燃气涡轮机的横截面图；
[0010] 图3示出了根据示例性、但非限定性实施例的两个相邻旋转叶片的透视图；
[0011] 图4示出了从图3获得的包括跨部件护罩的两个相邻旋转叶片的一部分的放大透 视图；
[0012] 图5示出了根据本实用新型的另一示例性实施例的包括跨部件护罩的两个相邻 叶片的一部分的俯视图；
[0013] 图6是已知、对称跨部件护罩的横截面；
[0014] 图7是泪珠状跨部件护罩的横截面；
[0015] 图8是类似于图5的俯视图，但是示出根据本实用新型的示例性、但非限定性实施 例的相邻叶片的配合跨部件护罩；
[0016] 图9是图8中的各横截面A-A、B-B和C-C的示意图，示出配合跨部件护罩的各截 面处的面积差异；
[0017] 图10是类似于图9、但是根据另一示例性实施例的示意图；以及
[0018] 图11是类似于图10、但是示出根据另一示例性实施例的配合跨部件护罩的横截 面形状的示意图。
[0019] 应当注意本公开的附图不必按比例绘制。附图旨在描绘本公开的典型方面，并且 因此不应当被认为限制本公开的范围。另外，由于跨部件护罩部分的复合角形状，剖面线 A_A、B_B、C_C是近似线。
【具体实施方式】
[0020] 下面参考其应用结合另外的常规蒸汽涡轮机的操作描述本实用新型的至少一个 实施例。尽管关于在发电中使用的蒸汽和燃气涡轮发动机举例说明本实用新型的实施例， 但是应当理解本教导同样适用于其它电动机械，包括但不限于燃气涡轮发动机压缩器、风 扇和用于航空中的其它燃气涡轮机。此外，下面参考包括一组标称尺度的标称尺寸描述本 实用新型的至少一个实施例。然而，本领域的技术人员将显而易见本实用新型类似地适用 于任何合适的涡轮机和/或压缩器。此外，本领域的技术人员将显而易见本实用新型类似 地适用于本说明书中所述的机械的各种缩放型式。
[0021] 图1-2示出如本说明书中所述的叶片可以在其中使用的示例性涡轮机环境。图1 显示蒸汽涡轮机10的透视的部分剖视图。蒸汽涡轮机10包括转子12,所述转子包括轴14 和多个轴向间隔转子轮18。多个可旋转叶片20机械地联接到每个转子轮18。更具体地， 叶片20布置成在周向地围绕每个转子轮18延伸的行。多个静止轮叶22周向地围绕轴14 延伸，并且轴向地定位在叶片20的相邻行之间。静止轮叶22与可旋转叶片20协作以形成 多个涡轮机级中的一个，并且限定通过涡轮机10的蒸汽涡轮机流动路径的一部分。
[0022] 在操作中，蒸汽24进入涡轮机10的入口 26,并且被引导（channeled)通过静止轮 叶22。轮叶22向叶片20下游引导蒸汽24。蒸汽24穿过剩余的级，将力施加于叶片20,导 致轴14旋转。涡轮机10的至少一个端部可以经由轴14轴向地远离转子12延伸，并且可 以附连到负载或机械设备(未显示)，例如但不限于发电机和/或另一涡轮机。因此，大型蒸 汽涡轮机单元可以实际上包括全部同轴地联接到相同轴14的若干涡轮机。这样的单元例 如可以包括联接到中压涡轮机的高压涡轮机，所述中压涡轮机又联接到低压涡轮机。
[0023] 图1中所示的蒸汽涡轮机10包括五级。五级被称为L0、LI、L2、L3和L4。级L4 是第一级，并且是五级中的最小的(在径向上)。级L3是第二级，并且是在轴向上的下一级。 级L2是第三级，并且显示为在五级的中间。级L1是第四和倒数第二级。级L0是最后级并 且是最大的(在径向上)。应当理解可以存在多于或少于五级。
[0024] 参考图2,显示燃气涡轮机110的横截面图。燃气涡轮机110包括转子112,所述 转子包括轴114和多个轴向间隔转子轮118。在一些实施例中，每个转子轮118可以由金 属、例如钢制造。多个旋转叶片120机械地联接到每个转子轮118。更具体地，叶片120布 置成周向围绕每个转子轮118延伸的行。多个静止轮叶122周向地围绕轴114延伸，并且 轴向地定位在叶片120的相邻行之间。
[0025] 在操作期间，大气压下的空气由压缩器压缩并且输送到燃烧级。在燃烧级中，通过 将燃料加入空气并且燃烧由此产生的空气/燃料混合物来加热离开压缩器的空气。从燃烧 级中燃料的燃烧产生的气流然后通过涡轮机110膨胀，输送它的能量中的一些以驱动涡轮 机110并且产生机械功率。为了产生驱动扭矩，涡轮机110由一个或多个级组成。每个级 包括轮叶122的行、和安装在转子轮118上的旋转叶片120的行。轮叶122将来自燃烧级 的引入气体引导到叶片120上。这驱动转子轮118,并且由此驱动轴114的旋转，产生机械 功率。
[0026] 以下描述具体地参考叶片20,但是同样适用于叶片120。参见图3和4,更详细地 显示一对相邻叶片20。每个叶片20包括翼型部分32。根部部段34固定到翼型部分32的 径向内端(或与其成一体)。叶片附连元件36从根部部段34突出。在一些实施例中，叶片 附连元件36可以是燕尾楔，但是其它叶片附连元件的形状和配置在本领域中是公知的、并 且也在本说明书中被预料。翼型部分32的第二相对端部处是径向外尖端38。翼型配置形 成为包括前缘40、后缘42、压力侧44和吸力侧46。
[0027] 跨部件护罩48附连在根部部段34和尖端38之间的翼型部分32的中间部段处。 在示例性实施例中，跨部件护罩部分50、52分别位于翼型部分32的吸力侧44和压力侧46 上。在图3所示的示例性实施例中，相邻叶片20的跨部件护罩部分50、52设计成在涡轮机 的操作期间沿着配合Z形接触表面54、56至少部分地接合(参见图4)。跨部件护罩部分在 倒圆角58 (显示为用于跨部件护罩部分52,但是也用于跨部件护罩部分50)处连接到翼型 部分。
[0028] 在叶片的解扭期间由于跨部件护罩沿着接触表面54、56彼此接触，叶片刚度和阻 尼特性得以改善。与分立和未联接设计相比时，多个叶片20因此用作具有改善的刚度和阻 尼特性(和因此减小的振动应力）的单一、连续联接结构。
[0029] 图5示出另一已知配置，其中相邻、相应叶片64、66上的跨部件护罩部分60、62设 计成沿着直的、大致平行的接触表面68、70接合。
[0030] 图6示出例如如美国专利5, 695, 323中所示和所述的、并且与如图3-5中所示的 护罩配置通常一起使用的跨部件护罩72 (设在翼型的压力侧和吸力侧）的已知、对称横截 面形状。应当注意跨部件横截面的最大厚度位于沿着翼弦74的长度的大约中途处，所述翼 弦在跨部件护罩72的前和后缘76、78之间延伸。
[0031] 图7示出跨部件护罩80的泪珠横截面形状。在这里，横截面形状的最大厚度向前 移动，更靠近跨部件护罩的前缘82。更具体地，最大厚度的点可以位于从前缘82测量的翼 弦84的长度的20至40%的范围内、并且优选地为大约30%，所述翼弦在跨部件护罩80的相 应的前和后缘82、86之间延伸。因此，该泪珠状跨部件护罩的厚度在相反方向上从最大厚 度的位置起变化。
[0032] 图8和9示出根据本实用新型的示例性、但非限定性实施例的转子轮上的相邻叶 片上的锥形跨部件护罩(或跨部件护罩部分)。一个叶片或叶90 (在蒸汽或燃气涡轮机中） 在叶片的吸力侧94上设置有跨部件护罩（PSS)部分92。PSS部分92包括三个边缘，前缘 96、后缘98和连接缘100。连接缘100也可以被称为接触表面，所述接触表面适合于接合 或抵接叶片或叶106的相邻压力侧105的相邻PSS部分104的类似接触表面102。后缘98 和接触表面100成大约90°的第一角交叉，而前缘96从叶片界面（由倒圆角108限定）渐 缩到接触表面100,因此以大于大约90°的第二钝角与连接缘交叉。所述特定角可以基于 涡轮机框架尺寸、涡轮机级等随着具体应用而变化。
[0033] 在与相邻叶片106的压力侧105上的跨部件护罩部分104相同的叶片90的压力 侧95上的PSS部分93中，提供大致相对或镜像锥形配置。在这里，前缘110和接触表面 102成大约90°的第一角交叉，而后缘112从叶片界面（由倒圆角109表示）渐缩到接触表 面102,因此成大于90°的第二角与接触表面102交叉。
[0034] 通过在周向或叶片到叶片方向（向内朝着相应的接触边缘100、102)上分别渐缩前 和后缘96、98、110和112,可以看到跨部件护罩部分的质量或重量减小，并且接触表面100、 102沿着减小长度的大致直线接合。
[0035] 该特征也在图8中示出，其中显示泪珠状横截面轮廓(在图8中的剖面线A-A、B_B 和C-C的近似位置处获得)保持大致类似，但是在邻近接合的接触表面100、102定位的截线 B-B处具有减小的质量或重量。换句话说，尽管各位置的截面的横截面形状和最大厚度保持 大致相同，但是从前缘到后缘的翼弦101 (邻近接触表面1〇〇、1〇2)的长度相对于翼弦103、 105减小，因此减小接触表面积。该减小的翼弦长度反映在叶片到叶片方向上沿着边缘96、 112的尖锐锥形。
[0036] 图10示出在翼弦长度变化方面类似于图9的实施例，但是其中相比于图9中的泪 珠形状，横截面轮廓为基本对称卵形。另外，应当注意，与大致沿着截面A-A和C-C的厚度 T2和T3相比，最大横截面厚度T2沿着和/或邻近接触表面(在截面B-B处或附近）减小。 因此，翼弦长度和最大厚度两者在该位置处减小，因此在护罩部分的质量上产生更进一步 减小。由于图9和10之间的唯一差别涉及轮廓形状，因此使用相同的附图标记。
[0037] 在图11中，配合PSS部分114和116具有大体翼型或泪珠状横截面或轮廓。在该 实施例中，最大厚度T1和翼弦长度115在叶片的压力侧上PSS部分114的附连位置处(大 致沿着截面A-A)最大。在PSS部分116附连到吸力侧的位置处（由截面C-C表示)，翼弦长 度117和最大厚度T3都比接触表面（由截面B-B表示）处大，但是比压力侧附连处(在截面 A-A处表示）小。另外，PSS114的长度L1比PSS116的长度L2大。然而应当注意配合PSS 部分的横截面形状或轮廓保持大体类似。
[0038] 从叶片的压力侧延伸的较长PSS部分114导致比相邻且较短的PSS部分116更高 的质量，并因此在操作期间的更高离心力（或牵引负荷)。对于更高的牵引负荷，压力表面的 附连处的横截面积必定增加，且倒圆角的尺寸的同时增加或不增加。在另一方面，由于PSS 部分116的较小长度，横截面和倒圆角尺寸两者可以减小。当然，在面对或接触表面（由截 面B-B表示）边缘处的形状和厚度应当相等，以便于大致完美匹配的接触界面。
[0039] 在示例性、但非限定性实施例中，在压力侧上截面A-A处的厚度T1可以比吸力侧 上截面CC处大10-50% (或1. 1到.5倍)。类似地，PSS部分114的长度L1可以比PSS部 分116的L2大10-50% (或L 1到L 5倍)。
[0040] 通过在吸力侧界面处具有减小尺寸的轮廓和倒圆角，总体流动性能可以改善。
[0041] 另外，接触表面不需要限定简单的直线，而是也可以具有其它配置，例如常规Z形 锁形状。
[0042] 上述的叶片和跨部件护罩可以用于各种涡轮机械环境中。例如，具有跨部件护罩 的叶片可以在以下的一个或多个中操作：压缩器的前级、燃气涡轮机中的后级、蒸汽涡轮机 中的低压部段叶片、压缩器的前级和用于航空燃气涡轮机的涡轮机的后级。
[0043] 当在本说明书中使用时，结合角或尺度使用的修饰词"大约"包括所述值并且具有 语境所规定的含义(例如，包括与特定角或尺度的测量关联的误差的程度)。
[0044] 尽管在本说明书中描述了各实施例，但是从说明书将领会本领域的技术人员可以 进行要素的各种组合、变化或改进，并且在本实用新型的范围内。另外，可以进行许多修改 以根据本实用新型的教导适应特定情况或材料而不脱离本实用新型的基本范围。所以，本 实用新型不旨在限于作为预期实现本实用新型的最佳模式公开的特定实施例，而是本实用 新型将包括属于附带权利要求的范围内的所有实施例。
【权利要求】
1. 一种用于涡轮机械的可旋转叶片，其包括： 翼型部分，所述翼型部分具有前缘和后缘、径向内端和径向外端； 设于所述翼型部分的所述径向内端处的根部部段；以及 跨部件护罩，所述跨部件护罩位于所述翼型部分上在所述根部部段和所述径向外端之 间、远离所述翼型部分的相对侧突出，所述跨部件护罩从所述翼型部分到接触表面在宽度 和厚度上减小，所述接触表面适合于接合相邻叶片的跨部件护罩上的配合接触表面。
2. 根据权利要求1所述的可旋转叶片，其特征在于，所述跨部件护罩在长度上大致相 等。
3. 根据权利要求1所述的可旋转叶片，其特征在于，所述跨部件护罩具有不同长度。
4. 根据权利要求1所述的可旋转叶片，其特征在于，所述跨部件护罩具有对称横截面 形状。
5. 根据权利要求4所述的可旋转叶片，其特征在于，所述跨部件护罩具有大致泪珠形 状。
6. 根据权利要求1所述的可旋转叶片，其特征在于，所述旋转叶片用作以下的一个： 压缩器中的前级叶片， 燃气涡轮机中的后级叶片，或 蒸汽涡轮机中的低压部段叶片。
7. 根据权利要求1所述的可旋转叶片，其特征在于，在所述翼型部分的压力侧上的跨 部件护罩具有的最大厚度，是在所述翼型部分的吸力侧上的跨部件护罩的最大厚度的1. 1 到1. 5倍。
8. 根据权利要求3所述的可旋转叶片，其特征在于，在所述翼型部分的压力侧上的跨 部件护罩具有的长度，是在所述翼型部分的吸力侧上的跨部件护罩的长度的1. 1到1. 5倍。
9. 根据权利要求7所述的可旋转叶片，其特征在于，在所述翼型部分的压力侧上的跨 部件护罩具有的长度，是在所述翼型部分的吸力侧上的跨部件护罩的长度的1. 1到1. 5倍。
10. -种润轮机械，其包括： 可旋转地安装在定子内的转子，所述转子包括： 轴； 安装在所述轴上的至少一个转子轮，所述至少一个转子轮的每一个包括安装到所述转 子轮上的多个径向向外延伸叶片；并且 其中每个叶片包括：翼型部分，所述翼型部分具有前缘和后缘、径向内端和径向外端、 压力侧和吸力侧；设于所述翼型部分的所述径向内端处的根部部段；以及一对跨部件护罩 部分，所述一对跨部件护罩部分位于所述翼型部分上在所述根部部段和所述径向外端之 间、分别在所述压力侧和所述吸力侧上，其中每个跨部件护罩部分从所述翼型部分到接触 表面在宽度和厚度上减小，所述接触表面适合于接合相邻叶片的跨部件护罩部分上的配合 接触表面。
11. 根据权利要求10所述的涡轮机械，其特征在于，所述跨部件护罩在长度上大致相 等。
12. 根据权利要求10所述的涡轮机械，其特征在于，所述跨部件护罩具有不同长度。
13. 根据权利要求10所述的涡轮机械，其特征在于，所述跨部件护罩具有对称横截面 形状。
14. 根据权利要求13所述的涡轮机械，其特征在于，所述跨部件护罩具有大致泪珠形 状。
15. 根据权利要求10所述的涡轮机械，其特征在于，所述叶片用作以下的一个： 压缩器中的前级叶片， 燃气涡轮机中的后级叶片，或 蒸汽涡轮机中的低压部段叶片。
16. 根据权利要求10所述的涡轮机械，其特征在于，在所述翼型部分的压力侧上的跨 部件护罩具有的最大厚度，是在所述翼型部分的吸力侧上的跨部件护罩的最大厚度的1. 1 到1. 5倍。
17. 根据权利要求12所述的涡轮机械，其特征在于，在所述翼型部分的压力侧上的跨 部件护罩具有的长度，是在所述翼型部分的吸力侧上的跨部件护罩的长度的1. 1到1. 5倍。
18. -种润轮机械，其包括： 可旋转地安装在定子内的转子，所述转子包括： 轴； 安装在所述轴上的至少一个转子轮，所述至少一个转子轮的每一个包括安装到所述转 子轮上的多个径向向外延伸叶片； 其中每个叶片包括：翼型部分，所述翼型部分具有前缘和后缘、径向内端和径向外端、 压力侧和吸力侧；设于所述翼型部分的所述径向内端处的根部部段；以及一对跨部件护 罩，所述一对跨部件护罩位于所述翼型部分上在所述根部部段和所述径向外端之间、分别 在所述压力侧和所述吸力侧上，其中每个跨部件护罩从所述翼型部分到接触表面在宽度和 厚度上减小，所述接触表面适合于接合相邻叶片的跨部件护罩部分上的配合接触表面； 其中在所述翼型部分的压力侧上的跨部件护罩具有的最大厚度是在所述翼型部分的 吸力侧上的跨部件护罩的最大厚度的1. 1到1. 5倍；并且 其中在所述翼型部分的压力侧上的跨部件护罩具有的长度是在所述翼型部分的吸力 侧上的跨部件护罩的长度的1. 1到1. 5倍。
19. 根据权利要求18所述的涡轮机械，其特征在于，在所述叶片中的相邻叶片的相应 压力侧和吸力侧上的跨部件护罩至少部分地沿着相邻、大致Z形边缘接合。
20. 根据权利要求18所述的涡轮机械，其特征在于，在所述叶片中的相邻叶片的相应 压力侧和吸力侧上的跨部件护罩具有大致平行面对的边缘。
【文档编号】F01D5/14GK203906011SQ201320833335
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2013年12月17日 优先权日:2012年12月17日
【发明者】R.舒罕, H.R.戴维斯, L.瓦利亚潘 申请人:通用电气公司