CN100439657C - 回转叶片体与使用回转叶片体的回转机械 - Google Patents

Abstract

一种回转叶片体，包括转盘(2)和放射状从转盘(2)的外圆周延伸的回转叶片(1)。用于冷却空气的流通空间(25)沿旋转轴的方向形成在回转叶片的叶片根的底端部与转盘的叶片槽的底部之间。沿径向上推回转叶片(1)的上推部件(3)插入该流通空间(25)内，而可保持冷却空气的循环。上推部件是沿旋转轴的旋转方向弯曲的板簧。板簧包括两个接触所述转盘的叶片槽的底部的底面的端部以及接触回转叶片的叶片根部的底端部的中部，并且板簧的中部具有朝向回转叶片的叶片根部的底端部形成的三个山状部分；山状部分接触回转叶片的叶片根部的底端部。该回转叶片体不仅可以防止局部磨损和变形也可以防止不希望的振动并能够保持冷却效率。

Description

回转叶片体与使用回转叶片体的回转机械

本发明基于2004年2月25日申请的日本专利申请No，2004-049589和2004年7月16日申请的日本专利申请No.2004-209462。

技术领域

本发明涉及一种回转叶片(rotating blade)体，该回转叶片体被装配到诸如燃气涡轮、蒸气涡轮、喷气发动机以及相类似物的涡轮部件，或燃气涡轮和喷气发动机的空气压缩机的回转机械上，并以整体方式与主轴一起旋转；本发明也涉及一种安装有回转叶片体的回转机械。

背景技术

一般地，在诸如燃气涡轮等的涡轮部件以及空气压缩机的回转机械中，主轴被安装在一个构成外部形状的外壳内，以实现绕轴旋转。转盘(rotor disc)以轴向多级方式被安装到该主轴上，而多片回转叶片以放射状从每个转盘的外圆周延伸。这些转盘和回转叶片组成了回转叶片体，该回转叶片体以整体的方式与主轴一起旋转。此外，静叶片沿主轴被安装到外壳，以便以与回转叶片交替的方式设置。

对于燃气涡轮，在如上结构的涡轮部件中，从燃烧器供应高温和高压燃烧气体，而通过使这种燃烧气体交替流经回转叶片和静叶片，主轴就可以与回转叶片(即与回转叶片体)一起被旋转驱动。然后，当发电机连接到主轴的一端时，主轴的旋转力就被用作发电的能源。反之，当用于排放燃烧气体的发动机喷嘴被安装在涡轮部件的一端时，主轴的旋转力就被用作喷气发动机。对于蒸气涡轮，通过使高压蒸气交替流经回转叶片和静叶片，主轴就被旋转地驱动，而该主轴的旋转力被用作发电机的电能源。

另一方面，在燃气涡轮的空气压缩机中，利用主轴的旋转，回转叶片回转叶片与主轴一起旋转。这样，空气就被从外部吸入而供应到燃烧器，而交替通过的回转叶片和静叶片进行压缩。在这里，被引入燃烧器的压缩空气与供应的燃料进行燃烧，产生出高温和高压燃烧气体，供应到上述燃气涡轮的涡轮部件。

在这里，回转叶片体包括分别制造的转盘和回转叶片，并以回转叶片被装配到转盘的方式构造。为了更精确地说明，如图14和图15所示，回转叶片1主要具有：一个其垂直断面形成为圣诞树的叶片根部10；一个翼部(profile portion)11；以及一个围带部分(shroud portion)(未示出)。

叶片根部10为一个被接合到后面要提及的转盘2中的叶片槽20的部分，用于保持回转叶片靠着转盘2。翼部11是一个其横断面形状成流线且保持这种流线型的同时逐步扭曲延伸的部分，而其功能在于实质上以平稳的方式产生流体(如燃烧气体、高压蒸汽和空气流)。围带部分是一种其横断面近似成字母“Z”形而形成在翼部11边缘的部分，且当回转叶片体与主轴一起高速旋转时，由于施加的离心力，通过轻微减小翼部11的扭曲度，彼此相邻的回转叶片1的每个围带部分的端面相互接触；而因此，围带部分用于稳定作为一个整体的回转叶片1的周向布置。

另一方面，在转盘2的外圆周的边缘上，形状与回转叶片1的叶片根部10的纵断面似近相同的叶片槽20，沿旋转轴以规则间隔沿圆周方向形成。从旋转轴的方向，回转叶片1的叶片根部10被插入每个叶片槽20并与其接合。采用这种方式，回转叶片1被装配到转盘2上而得到回转叶片体，其中多片回转叶片1以放射状从转盘2的外圆周延伸。

具体地，对于要被安装到燃气涡轮等的涡轮部件的回转叶片体，由于暴露于非常高的温度，为了抑制由于上述暴露导致回转叶片体本身的温度过度提高，只有转盘2的叶片槽20的底部20a对于回转叶片1的叶片根10的底端部10a被较大地加宽。换言之，在回转叶片根10的底端部10a与叶片槽20的底部20a之间，沿旋转轴的方向形成有用于冷却空气的流通空间25，使用于冷却回转叶片体的冷却空气经过这些流通空间25而进行流通。

此外，在叶片根10与叶片槽20之间，除在该流通空间25中，考虑到插入与抽取方便，通常存在约0.1mm宽的小间隙，而保持装配后位置精度。因此，在这种状态中，回转叶片1就能够轻微地向转盘2移动或倾斜。

而目前，在上述这种回转叶片体安装其上的燃气涡轮等的涡轮部件和空气压缩机的稳定状态操作期间，主轴以高速旋转。因此，足以实质上忽略无载重量(自重)的重力的高离心力作用于与主轴一起以高速旋转的回转叶片1上。因此，回转叶片1被约束并总是上升，逆着转盘2沿径向方向朝外。因此，不会发生回转叶片1向转盘2运动或倾斜，而每个同转叶片1定位在某一预定位置中，而回转叶片体作为整体可得到很好的平衡。

然而，在操作启动时或停止时，或在初步操作期间，由于主轴以低速旋转，与主轴一起旋转的回转叶片1就不会有足够高的离心力作用于其上。因此，当回转叶片1位于沿垂直于旋转轴的方向的上侧时，由于无载重量的重力作用，旋转过程中的回转叶片1就会在转盘2的径向中向内(在垂直方向中向下)运动。与之相反，当回转叶片1在垂直于旋转轴的方向中位于下侧时，回转叶片1就会瞬时处于这样一种状态，即它们在转盘2的径向中向外(在垂直方向中向下)运动。在这些状态交替变换的过程中，由于无载重量重力的瞬时作用，回转叶片1便会在圆周方向中重复地向转盘2倾斜。

这样，由于作为回转叶片1重复运动和倾斜的结果，在叶片槽20中会反复出现叶片根10的局部碰撞，因此就会导致在叶片槽20中和叶片根10位置处出现局部磨损和变型。此外，由于回转叶片体自身重心位置反复变化而导致回转叶片体的失衡，就会引起不希望的振动。此外，当在叶片槽20中和叶片根部10处的局部磨损与变形变得过大时，在当主轴以低速旋转的启动或相类似操作时，回转叶片1的倾斜量或运动量就会变得变大，从而会导致回转叶片体进一步的失衡，从而由这种失衡引发更大的振动。除此之外，在稳定状态操作期间，由于每个回转叶片1定位在偏移所述预定位置的某一位置，回转叶片体自身的重心位置就会发生变化，从而导致出现不希望的振动。

为了解决上述问题，如日本实用新型公开H4-119392中披露的现有技术中，回转叶片体带有沿旋转轴方向被插入的波浪型弯曲的板簧片，以便接合入叶片根部10的底端部10a与叶片槽20的底部件20a之间的间隙。在这种回转叶片体中，由于受到来自板簧片的咬力而抑制无载重力及其力矩，回转叶片1就会被逆着转盘2在径向中向外压，而因此处于稳定定位于如稳定状态操作期间的同一预定位置处的状态。因此，在启动操作等过程期间，抑制了回转叶片1的运动和倾斜。因此，就可以防止叶片槽20和叶片根10受到局部耗损和变形，从而不会出现不希望的振动。

然而，虽然上述改进技术对于其中在回转叶片根10的底端部10a与叶片槽20的底部20a之间间隙不很大的回转叶片(例如一般不要求冷却空气的流通空间25的用于燃气涡轮的空气压缩机的回转叶片体)体有效，反之，对于用于要求定位流通空间25的燃气涡轮的涡轮部件的同转叶片体而言就不一定有效。

原因之一：当回转叶片根10的底端部10a与叶片槽20的底部20a之间间隙较大时，板簧片的波浪型的弯曲程度实质上会受到限制，从而减弱了用于向上推回转叶片1的咬合力。因此，回转叶片1就不会稳定地定位到逆着转盘2的某一预定位置中，而导致回转叶片1实质上运动和倾斜。因此，就会由于局部磨损和变形而出现不希望的振动。原因之二：板簧片会大大干扰流通空间25内的冷却空气的循环，从而回转叶片体的冷却效率会下降。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种可以同时防止局部磨损和变形以及不希望的振动且可以保持冷却效率的回转叶片体；此外，本发明的目的还在于提供一种带有这种回转叶片体的回转机械。

为了实现上述目的，根据本发明一个优选实施方式，提供了一种回转叶片体，它包括转盘和回转叶片，回转叶片被装配以从该转盘的外圆周成放射型延伸，并使回转叶片的叶片根部接合到在转盘的外圆周的边缘部分上沿旋转轴的方向形成的叶片槽，其中：沿旋转轴的方向、在回转叶片的叶片根的底端部与转盘的叶片槽的底部之间形成有用于冷却空气的流通空间；而在径向中向外上推该回转叶片的上推部件就接合在这些流通空间内，而保持冷却空气的循环。上推部件是沿旋转轴的旋转方向弯曲的板簧，其中：所述板簧包括两个接触所述转盘的叶片槽的底部的底面的端部以及接触所述回转叶片的叶片根部的底端部的中部，并且其中：所述板簧的中部具有朝向所述回转叶片的叶片根部的底端部形成的山状部分；且山状部分接触所述回转叶片的叶片根部的底端部，并且其中所述板簧的中部的山状部分包括三个山状部分。

因此，通过从上推部件接受上推力，回转叶片在径向方向中相对转盘被向外上推，以抵抗无载负荷的重力及其力矩，从而可以以与稳定状态操作期间相同的方式恒定地固定于预定位置。因此，在主轴以低速旋转时的启动操作等期间，就会抑制回转叶片的运动和倾斜。很明显，这并不会干扰流通空间内冷却空气的循环。在这里，考虑到为了实用而有效确保流通空间内冷却空气的循环和从上推部件获得上推力，上推部件为环绕旋转轴弯曲的板簧。

此外，为了有效地取得大的上推力，板簧的两个端部优选地接触转盘的叶片槽中的底部的底面，而中间部优选地接触回转叶片的叶片根部的底端部分。

在本发明的进一步优选的实施方式中，提供了一种包括所述回转叶片体、静叶片和容纳该回转叶片体和静叶片的外壳的回转机械。

在根据本发明的一个优选实施方式的回转叶片体中，由于即使在主轴低速旋转的启动操作等期间，回转叶片的运动和倾斜也得以抑制，因此就能够防止叶片槽和叶片根部受到局部磨损与变形，而可以抑制不希望的振动。此外，由于不会干扰流通空间内冷却空气的循环，所以可以保持回转叶片体的冷却效率。

附图说明

图1为根据本发明的第一实施例的回转叶片体的分解透视图；

图2为沿旋转轴方向观看的根据本发明第一实施例的回转叶片体的必要部分的平面图；

图3为根据本发明第一实施例的回转叶片体的上推部件一种变形实例的分解透视图；

图4为根据本发明第一实施例的回转叶片体的上推部件的另一变形实例的分解透视图；

图5为沿旋转轴方向观看的根据本发明第二实施例的回转叶片体的必要部分的平面图；

图6为沿旋转轴方向观看的根据本发明第三实施例的回转叶片体的必要部分的平面图；

图7为根据本发明第四实施例的回转叶片体的分解透视图；

图8为沿旋转轴方向观看的根据本发明第四实施例的回转叶片体的必要部分的平面图；

图9为根据本发明第五实施例的回转叶片体的分解透视图；

图10为沿旋转轴方向观看的根据本发明第五实施例的回转叶片体的必要部分的平面图；

图11为根据本发明第六实施例的回转叶片体的分解透视图；

图12为根据本发明第六实施例的上推部件的侧视图；

图13为沿旋转轴方向观看的根据本发明第六实施例的回转叶片体的必要部分的平面图；

图14为传统回转叶片体的分解透视图；且

图15为沿旋转轴方向观看的传统回转叶片体的必要部分的平面图。

具体实施方式

现在参照附图，将描述本发明的一个实施例。首先，将描述根据本发明的第一实施例的回转叶片体。图1为根据本发明第一实施例的回转叶片体的分解透视图；而图2为沿旋转轴方向观看的回转叶片体的必要部分的平面图。在这些图中，同样的符号将应用于图14和图15中所示的具有同样命名的部件，而将省略重复说明。对于本发明的下述第二到第六实施例也是如此。

如图1和图2所示，根据本发明的一个实施例的回转叶片体包括：一个转盘2；回转叶片1；以及被单独制造、由金属制成的、用作上推部件3的板簧30，而回转叶片体的构造为使回转叶片1和板簧30装配到转盘2上。

在这里，板簧30从旋转轴方向被接合到流通空间25中，并通过其自身的咬合力或回弹力，起到相对转盘2将回转叶片1在径向朝外上推的作用。为了更准确地进行说明，本发明的当前实施例使用的板簧30环绕旋转轴弯曲，沿旋转轴的旋转方向，其两个边缘部分接触叶片槽20的底部20a的底面，并近似地沿其侧面逐渐地升起，其形状为中间部沿着并接触叶根部分10的底端部10a。换言之，板簧30近似地沿流通空间25的外边缘存在。

当回转叶片体要被安装到燃气涡轮的涡轮部件上时，回转叶片1例如由镍铬铁合金(Inconel)(Ni-Cr系合金)，而转盘2由比回转叶片1硬度稍低的材料(如Ni-Cr-Mo钢材料或组合(combination))制成时，作为板簧30的材料，优选地使用不锈钢，如日本工业标准中的SUS 304或SUS 303。然而，根据回转叶片体安装到的对象(燃气涡轮及类似物及其涡轮部件)以及回转叶片1和转盘2的材料组合，可以适当地选择板簧30的材料。

根据本发明当前实施例的板簧30在旋转轴的方向中具有两段环绕旋转轴对称形成的切去部分30a(参见图1)。这些切去部分30a是为了在制造板簧30时使弯曲过程容易。因此，如图3所示，切去部分30a可以形成4段，而只要板簧30的咬合力或回弹力较高，对形成的段数量和形状不作限制。如图4所示，可以不形成切去部分30a。

在如上构造的回转叶片体中，回转叶片1从用作上推部件3的板簧30接收咬合力或回弹力以作为上推力而在相对于转盘2沿径向被向外往上推，从而抑制无载重量及其力矩。因此，回转叶片1就被稳定地定位在与主轴高速旋转时稳定状态操作期间相同的预定位置。因此，即使在主轴低速旋转的启动操作期间，回转叶片1的运动和倾斜也可以被抑制。因此，就可以防止叶片槽20和叶片根10的局部磨损与变形，同时也可以抑制不希望的振动。

此外，虽然这些板簧30存在于流通空间25内，但是由于板簧30是环绕旋转轴弯曲的，并且由于其存在区域局限于流通空间25的外边缘，所以可以充分地确保流通空间25内部冷却空气的循环，而不会干扰其循环，因此可以保持回转叶片体的冷却效率。

以下将参照图5和图6，对本发明第二和第三实施例进行描述。图5为沿旋转轴方向观看的根据本发明第二实施例的回转叶片体的必要部分的平面图；而图6为沿旋转轴方向观看的根据本发明第三实施例的回转叶片体的必要部分的平面图。本发明的第二和第三实施例的特征在于：在本发明中第一实施例中用作上推部件3的板簧30被变形了。为了简单起见，本发明第二实施例的板簧30’和本发明第三实施例的板簧30″在环绕旋转轴弯曲上与本发明中第一实施例的板簧30并没有区别，其区别在于其弯曲的形状以及与叶片根10的底端部10a和叶片槽20的底部20a接触的状态。

首先，如图5所示，根据本发明第二实施例形成的板簧30′形成为使其沿旋转轴的旋转方向的两端部接触叶片槽20的底部20a的侧面；变得弯曲；沿侧表面上升并接触叶片根部10的底端部10a；然后，通过进一步弯曲，使其中间部分接触叶片槽20的底部20a的底面。

另一方面，如图6所示，根据本发明第三实施例的板簧30″近似沿流通空间25的外边缘存在，并形成为使沿旋转轴的旋转方向的大约所有的区域接触叶片槽20的底部20a；并使其两个端部接触叶片根部10的底端部10a的侧面。

以下将参照图7和图8，对本发明第四实施例进行描述。图7为根据本发明第四实施例的回转叶片体的分解透视图；而图8为沿旋转轴方向观看的回转叶片体的必要部分的平面图。本发明的第四实施例的特征在于：在本发明中的第一实施例中用作上推部件3板簧30被变形了。

简单地讲，在本发明的第四实施例中，金属块31被接合入流通空间25，而用作上推部件3。这种块31具有近似沿叶片根部10的底端部10a以及叶片槽20的底部20a的轮廓。然而，在叶片根部10的底端部分10a的两侧表面的附近，沿旋转轴的方向形成切口31a。

在如上构造的回转叶片体中，用作上推部件3的块31用作一种垫片，通过接受来自块31的上推力，回转叶片1在径向中相对旋转盘2被向外推，从而被固定，以被稳定地定位在与主轴高速旋转时稳定状态操作期间相同的预定位置。因此，由于以与本发明的上述第一实施例同样的方式抑制了回转叶片1的运动和倾斜，可以防止叶片槽20和叶片根10的局部磨损与变形，同时也可以抑制不希望的振动。

此外，虽然这些块31位于流通空间25内，但由于块31具有形成在其上的切口31a，保证了在流通空间25内，不只一点儿循环冷却空气，从而保持了回转叶片体的冷却效率。很明显，与本发明的第一实施例相比，其冷却效率略差。

此外，根据回转叶片体安装的对象(燃气涡轮等及其涡轮部件)以及回转叶片1和转盘2的材料组合，以与上述本发明第一实施例同样的方式，可以适当地选择块31的材料。

以下将参照图9和图10，对本根据发明的第五实施例进行描述。图9为根据本发明的第五实施例的回转叶片体的分解透视图；而图10为沿旋转轴方向观看的回转叶片体的必要部分的平面图。本发明的第五实施例的特征在于：在本发明中的第一实施例中的上推部件3的结构被变形了。

简单地讲，在根据本发明的第五实施例中，比流通空间25小且其轮廓近似地沿叶片根部10的底端部分10a的金属中间块32被插入流通空间25，而沿旋转轴方向以波浪型弯曲的板簧片33被接合入中间块32与叶片槽20的底部20a的底部表面之间的间隙。一组中间块32与板簧片33构成了上推部件3。此外，中间块32具有沿旋转轴形成的切口槽32a，用于容纳和保持板簧片33。

在如上构造的回转叶片体中，回转叶片1通过中间块32接受来自板簧33的咬合力或回弹力作为上推力，而以与本发明第一实施例同样的方式，被相对转盘2沿径向向外上推。这样，就以与本发明的上述第一实施例同样的方式抑制了回转叶片1的运动和倾斜，可以防止叶片槽20和叶片根10的局部磨损与变形而抑制了不希望的振动。

此外，虽然中间块32和板簧片33位于流通空间25内，但由于在叶片根部10的底端部10a和叶片槽20的底部20a与中间块32和板簧片33间的间隙，可以保证流通空间25内冷却空气的循环，所以可以保持回转叶片体的冷却效率。很明显，与本发明的第一实施例相比，其冷却效率略差。

此外，根据回转叶片体安装的对象(燃气涡轮等及其涡轮部件)以及回转叶片1和转盘2的材料组合，以与上述本发明第一实施例同样的方式，可以适当地选择中间块32和板簧片33的材料。

以下将参照图11到图13，对本根据发明的第六实施例进行描述。图11为根据本发明的第六实施例的回转叶片体的分解透视图；图12为回转叶片体的上推部件3的侧视图。图13为沿旋转轴方向观看的回转叶片体的必要部分的平面图。本发明的第六实施例的特征在于：本发明第一实施例的用作上推部件3的板簧30被变形了。也就是说，本发明第六实施例的板簧30与本发明第一实施例的板簧30在如下方面没有区别，即沿旋转轴的旋转方向弯曲和使其沿旋转轴的旋转方向的两个端部(即板簧30的腿部30b和30c)接触转盘2的叶片槽20的底部20a的底面，其不同之处在于如下的几方面。

首先，如图11和图13所示，板簧30具有：在旋转轴的旋转方向的中间部分中朝着叶片根10的底端部分10a形成的三个山状部分30d，30e和30f，；而由于与叶片根部10的底端部10a接触，这些山状部分的中央山状部分30e形成上推部分。第二，如图12所示，板簧30在下端30g处具有逐渐变细的形状，当板簧30插入流通空间25时下端30g用作沿插入方向的前部，并且下端30g相当于沿旋转轴的旋转方向的两个端部30b和30c的一端。此外，在根据本发明的当前实施例中，两个端部中的一个的下端部的形状成锥形而逐渐变细，但其它部分也可以成锥形。

在根据本发明的第六实施例的回转叶片体中，由于沿插入方向板簧30的前端的下端部30g是变成锥形的，回转叶片1能够被插入转盘2的叶片槽20中；并且此外，用作上推部件3的板簧30可以通过碰撞容易与平稳地插入流通空间25，而且由于逐渐变细的形状可以容易地确定其插入方向，从而可以改善安装和装配的可操作性。此外，在旋转轴的旋转方向的板簧30的中间部分中，构造的三个山状部分中的中间山状部分30e在装配时略低于两侧的两个山状部分30d和30f。因此，当插入板簧30时，利用在中央山状部分30e两侧的山状部分30d和30f制成的每个谷部可以引导叶片根部10的底端部分10a，以便稳定地进行定位。相应地，通过使两侧的山状部分30d和30f接触叶片根部10的底端部10a，就可实现稳定的状态。此外，在制造时，使中央山状部分30e用作参考点，可以容易地控制板簧30的高度。

此外，很明显，根据本发明的第六实施例的上述第二特征，即在插入流通空间25的方向板簧30的前端部30g成锥形，锥形可以应用到根据本发明的第二和第三实施例的板簧30′和30″，以及根据本发明的第四实施例的块31和第五实施例的中间块32。

很明显，如上所述构造的回转叶片体可以用于新的回转机械(燃气涡轮等的涡轮部件及其空气压缩机)，并且通过加入上推部件3，也可以容易地应用于现有回转机械。

本发明并不仅限于上述每个实施例，只要不偏离本发明的精神和范围，可以进行多种修改。例如，在根据本发明的第一到第三和第六实施例中描述的板簧30，30′和30″只要能以上推力施加到回转叶片1而在旋转轴的旋转方向弯曲，其形状没有特殊的限制。

虽然结合目前认为是最实用和优选的实施例对本发明进行了描述，但应该理解：本发明并不局限于所披露的实施例，而相反，本发明应覆盖所附权利要求所包括精神和范围内的各种修改和等同配置。

Claims (3)

1.一种回转叶片体，包括转盘和装配为以放射状从转盘的外周延伸的回转叶片，

其中：所述回转叶片的叶片根部接合到在所述转盘的外周的边缘上沿旋转轴的方向形成的叶片槽中；

其中：用于冷却空气的流通空间沿旋转轴的方向形成在所述回转叶片的叶片根部的底端部与所述转盘的叶片槽的底部之间；而沿径向向外上推所述回转叶片的上推部件被插入并接合在这些流通空间内，而可保持所述冷却空气的循环，

其中所述上推部件是沿旋转轴的旋转方向弯曲的板簧，

其中：所述板簧包括两个接触所述转盘的叶片槽的底部的底面的端部以及接触所述回转叶片的叶片根部的底端部的中部，并且

其中：所述板簧的中部具有朝向所述回转叶片的叶片根部的底端部形成的山状部分；且

所述山状部分接触所述回转叶片的叶片根部的底端部，并且其中所述板簧的中部的山状部分包括三个山状部分。

2.根据权利要求1所述的回转叶片体，

其中：沿插入所述流通空间中的方向的所述上推部件的前端部逐渐变细。

3.一种回转机械，包括根据权利要求1所述的回转叶片体、静叶片和容纳所述回转叶片体和静叶片的外壳。

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