专利名称：涡轮机转子和叶片装置的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及涡轮机叶根的设计，特别是涉及在侧装槽中涡轮机叶片的支承安装。
气轮机可包括组合在一起的低压、中压、和/或高压气轮机元件。这些元件配合在一起以提供单一的动力输出。每一气轮机包括转子。该转子在其上的槽中装有多个动叶片。一般，某一列的叶片是相互一样的。一列动叶片自转子的外表面径向向外延伸而各个列是间隔开的。一列动叶片与其它的动叶片在形状上是不同的。显然，每一列或每一级的动叶片的长度随着动叶片沿转子的位置不同而变化。
不论哪列，每一动叶片都有自转子径向向外伸出的叶形部和用于将叶片装到转子上的基础部。基础部包括一叶根，叶根被装入为一列上每一叶片设置的安装槽中。该基础部还可包括一在叶形部的邻近端整体形成的平台。叶形部在其远端有顶部并从邻近端到远端可有扭曲外形或者它是侧面平行的。有时，在顶部设置围带作为分别附加的或整体形成的构件。
围绕转子同轴地支承着一个静止圆筒。该静止圆筒有多个在其内表面上安装的静叶片。静叶片按列安置，当该圆筒与转子装配时，这些列与动叶片的列相错开。虽然所有的静叶片都有叶形部，但是，一列的静叶片与另一列的静叶片成不同的形状。一些静叶片有包括叶根和平台的基础部。另外一些静叶片具有被直接焊接到叶片环上并且无叶根或平台的叶形部。
从几合学上说，为安装转子叶片，在转子上所设置的转子叶片槽通常比为静叶片所设置的安装槽更复杂。另外，动叶片的叶根和转子基本上承受比静叶片相应的叶根更大的应力。
一些涡轮机具有装在转子上设置的被称为侧装槽中的涡轮机转子叶片。安装后，转子叶片自转子成列地径向向外伸出。这些列围绕转子圆周地设置。对于一给定列，侧装槽结构没有用于安装构成一列的多个转子叶片的单一环形槽而它包括一系列隔开的侧装槽;该系列的每一侧装槽为该列的每一转子叶片而设置。
作为向内朝向槽的底部逐渐减小的开口，典型的侧装槽起始于转子的外表面。在开口和槽的底部之间的槽的相对侧壁上，对称地设置一系列波形体，相应的涡轮机叶片的典形叶根具有大体与槽的形状相一致的形状。波形体提供一系列互锁台阶。转子槽和叶根合成的形状有时称为枞树。
在侧装槽中，叶根沿位于垂直涡轮机转子半径方向的平面上的轨迹推入到该槽中。因而，可实现互锁。叶根和其槽的配合公差是十分精确的。叶根和其槽的形状公差范围一般沿非接触面允许0.006英寸(0.1524mm)的偏差。而在接触面则容许更小的偏差。叶根和其槽间的精密配合是基本要求，这样，叶根和其槽间的最大间隙是极小的。
一但研究出一项特殊设计之后，一般不愿意改变转子叶根和叶根槽的结构形状。这是因为要达到特殊设计要花几个月或甚至几年进行精确计算。有时，稍微改变转子叶根和叶根槽的外形就导致叶片或转子功能或性能不能接受的降低。在叶根和其槽间的公差是至关重要的条件下改变两者之一的外形或改变两者的外形都违反一般的常识。
通常，侧装转子叶片的叶根装入具有与叶根几乎完全相同形状的叶根槽中。这样做是为了最大限度地减小有关运动流体泄漏的损失。有时，在高温应用的场合对于这一作法存在一种例外，在叶根底部和叶根槽底部之间提供间隙，以便提供冷却介质能够通过的通道。
枞树叶根和其相应的安装槽分别地在最接近叶形部和转子体的位置最宽而在相反的一端最窄。这样做是为了有效地利用用来从叶片到转子传递负载的材料，而且还提供大的圆角半径。这些大的圆角半径用于减小应力集中的作用。
由于在制造过程中叶根侧面无障碍，所以，用于加工叶根的切削装置(机床、砂轮、或拉刀)可选择地做得粗大和结实。然而，槽的切削加工则困难得多。有关槽切削加工的一个问题是切削刀具的尺寸必须受待加工槽的尺寸的限制。
如果槽的底颈不足够大，那么，槽的加工刀具的最底部分将是薄弱的和易弯曲的。可能出现的不应有结果如下(1)在加工过程中，槽的加工刀具会折断，这样可能使已在加工的转子报废;(2)刀具的弯曲将从槽的底部接触面切除额外的材料。当叶片装入这样的槽时，其底部的凸出部不能承受总负荷中应承受的部分。那么剩下的凸出部将被迫承受比它们预计承受的负荷要大的负荷，这对叶片连接结构的稳定性和寿命产生不利的影响。
为避免这些不良的后果，常常需要将槽底颈部做得比理想的宽些，但会降低叶片紧固设计的强度。
本发明的主要目的是提供一种改进的涡轮机转子和叶片装置。本发明旨在应用较高强度的刀具;而这些刀具加工转子叶片安装槽的最内部分时不会折断。
为此目的，本发明属于这样的转子和叶片装置。该转子和叶片装置包括一个带有多个侧装转子叶片和多个在转子上形成的叶根槽的转子。侧装转子叶片有枞树形根部。枞树形根部有多个根颈部。这些根颈部的宽度从叶根部的外端到内端逐渐减小。叶根槽容纳相应转子叶片的相应侧装叶根部。每一叶根槽具有与叶根部大体相同的形状，从而，有多个其宽度从上部到底部逐渐减小的槽颈部。本发明的特征在于，叶根槽的最内部和最窄的颈部比相应叶根颈部加工的较宽些，这样，在叶根相对侧的叶根槽和叶根的相对表面之间形成空间。
本发明的目的还可以通过以下措施来表达每一叶根有底部和两相对侧面，该两相对侧面在多个叶根颈部的每一项部下面有载荷承受区域;每一转子槽有底部和两相对侧面，该两相对的侧面在多个槽颈部的每一槽颈部下面有载荷承受区域，并且在叶根和槽的载荷承受区域下面形成空间。
从下面仅以举例的方式在附图中所示的最佳实施例的说明中，本发明将更加容易理解。
图1是装在转子槽中的侧装转子叶片的端视图。
图2是图1叶根和槽的最底部的颈部区域的放大视图。
图3是图1侧装转子叶片被拆除的转子槽的端视图。
涡轮机转子和叶片一般已被人们所了解。因此，这里不再对转子零件和叶片零件作详细说明。
参考图1，侧装转子叶片一般由编号10表示。它包括叶形部12(仅部分表示)，平台部分14和叶根部分16(下面称为“叶根”16)。
叶根16具有枞树形的外形。该枞树外形包括有多个表示叶根16的被减小了厚度的区域的颈部18、20和22。每一颈部由一起收缩的叶根相对侧壁构成。因此，观看叶根16的Y轴并从叶根的顶部开始，叶根的两相对侧面连续地向Y轴收缩，尔后自Y轴向外扩张以形成关于Y轴对称布置的凸出部24和26。当侧面再向Y轴收缩时，形成第二颈部20。这样，凸出部24、26基本上是颈部18、20间的凸出区域。叶根16的两相对侧面从颈部20扩张，然后，再次收缩以形成第二组凸出部28、30。侧面再次收缩和扩张，形成最底下的颈部22，这样在颈部20和22之间形成凸出部28、30。
当侧面再次从颈部22自Y轴扩张，尔后逐渐由Y轴收缩并在叶根底部34终结时，形成最底下的凸出部32。
参考了图3，转子38内形成有槽36。槽36具有大体与叶根相同的形状，因而包括多个颈部40、42、44。槽具有两相对侧面。该两相对侧面从槽的顶部或转子的外表面46向内朝Y轴收缩，尔后离开Y轴扩张;由此形成第一组凸出部48、50。侧面向Y轴收缩并再次扩张以形成第二颈部42。当两相对侧面再次扩张时，第二组凸出部52、54形成。然后，两相对侧壁再向Y轴收缩并被加工以便包括有大体垂直的直线部分56和58。该直线部分形成比正常需要宽些的颈部44。较宽的颈部44可容许较高强度不易弯曲的刀具进入底部的槽中。
两相对侧面自直线部分56、58离开Y轴扩张，由此形成第三组凸出部60、62。然后，侧面向Y轴略微收缩并向下到底形成一底部64。
槽和叶根的颈部的宽度从顶部到底部逐渐减小，以限定附图所示的枞树形状。当叶根16滑入转子槽36时，形成十分小的容许间隙，这样，在图1中形成叶根和槽的外形轮廓的加粗线表示两表面十分紧密以致通过随意的观察检测不到间隙。保持这些容许的间隙通常可将有关运动流体的泄漏的损失减小到最低限度并且可减少由于不均匀的载荷分布所产生的应力集中。
在图1中，叶根16的载荷承受面是那些合好在颈部18、20 22下面的表面。同样，槽36的载荷承受区域表面恰好在槽颈部40、42和44下面形成并由参考编号66、68和70表示。
图2是叶根和槽的最底下的颈部区域的放大部分。槽的载荷承受面70紧密地贴靠在叶根16的最底下的凸出部32的载荷承受表面72上。在凸出部60的上侧，槽和叶根间的间隙可略微大些，因为这些表面不承受载荷。
在槽的直线部分56和叶根16的颈部22之间形成空间74。这一空间离开载荷承受面70和72而设置，并且它是在槽36的最底下的颈部上额外加工或切除的结果。这一空间位于颈部22的两侧，因此，它可充许较大直径因而有较高强度的刀具进入。
本发明特别适用于带有47英吋叶片并以1，800rpm的速度转动的低压气轮机的最后一列。这种类型的叶片产生比气轮机其它处的其它叶片小些的压降。另一种应用适于3，600rpm的气轮机的32英吋的叶片。
在槽的底颈部和叶根的底颈部之间的相对大的间隙有若干优点。例如，如果槽与叶根的形状一致，那么，底部的槽颈部尺寸将被减小。这会降低相应的槽加工刀具的强度并会增加其易弯性，因为仅较小的空隙可使刀具通过。另外，如果叶根与叶根槽的形状一致，那么，底部叶根的圆角半径将会大幅度减小。这将增加底部叶根的颈部上的应力集中;从而增加了对低循环疲劳，高循环疲劳和/或应力腐蚀裂纹所造成的损坏的敏感性。
如上所述，特别适用于本发明的一种应用是在低压气轮机的最后动叶列。在这一位置，由涡轮机叶片围绕转子轴的转动所产生的离心力负荷特别大，由于这样大的负荷，有效地利用可获得到的承受负荷的材料的必要性是显而易见的。另外，最后的动列具有相对大的环形面积的特点和经过该动列具有较小压降的特点。这说明通过叶根和槽之间所提供的间隙的泄漏相对来说不十分重要。
权利要求
1.一种转子和叶片装置，它包括一带有多个侧装转子叶片(10)和多个在转子上形成的槽(36)的转子(38)，侧装转子叶片(10)有枞树形根部(16)，该枞树形根部(16)有多个根颈部(18、20、22)这些根颈部的宽度从叶根部(16)的外端到其内端逐渐减少，槽(36)容纳相应转子叶片(10)的相应侧装叶根部(16)，每一槽(36)具有与叶根部(16)大体相同的形状，以便包括多个其宽度从上部到底部逐渐减小的槽颈部(40、42、44)，其特征在于，槽(36)的最内部和最窄的颈部(44)比相应的叶根颈部(22)加工得较宽些，以便在叶根(16)相对侧边上的槽(36)和叶根(16)之间形成空间(74)。
2.按权利要求1所述的转子和叶片装置，其特征是，每一叶根(16)有底部(34)和两相对侧面，该两相对侧面在多个叶根颈部(18、20、22)的每一颈部下面有载荷承受区域;每一转子槽(36)有底部(64)和两相对侧面，该两相对侧面在多个槽颈部(40、42、44)的每一槽颈部下面有载荷承受区域(66、68、70)。并且，在叶根和槽的载荷承受区域下面形成空间(74)。
全文摘要
当叶根槽的最底下的颈部在加工过程中增加宽度时，可使用具有高强度的较大的刀具来加工侧装转子叶片的安装槽，在离开载荷承受面的位置上，该较大的宽度在叶根最底下的颈部的两侧上留有空隙。
文档编号F01D5/30GK1057700SQ9110420
公开日1992年1月8日 申请日期1991年6月21日 优先权日1990年6月26日
发明者罗伯·沃尔特·赫尼格, 多纳德·威利·巴尔尼斯 申请人:西屋电气公司