CN106103903B - 用于涡轮叶片的叶根 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮叶片(1)，所述涡轮叶片具有叶身(2)、叶根(3)和在叶根(3)和叶身(2)之间的盖板(14)，其中盖板(14)具有平行四边形形状(42)，所述平行四边形形状具有正面(40)和背面(41)以及第一贴靠面(43)和第二贴靠面(44)，其中叶身(2)成型地构成并且具有入流棱边(45)和出流棱边(46)，其中入流棱边(45)指向正面(40)，而出流棱边(46)指向背面(41)，并且其中正面(40)部段地具有弯曲部(20)，以便在运行中避免塑性变形。

Description

用于涡轮叶片的叶根

技术领域

本发明涉及一种涡轮叶片，所述涡轮叶片具有叶身和叶根，其中叶根和叶身沿着叶片轴线构成，所述叶片轴线垂直于旋转轴线定向，其中旋转轴线和叶片轴线形成半径面并且叶根具有侧面，所述侧面构成为基本上垂直于半径面。

此外，本发明涉及一种用于制造涡轮叶片在流体机械的沟槽中的布置的方法。

背景技术

上位概念“流体机械”包括水轮机、蒸汽和燃气轮机、风轮机、离心泵和离心压缩机以及螺旋桨。对于所有这些机械共同的是，其用于从流体获取能量进而驱动其他机械，或者相反地用于为流体输送能量以提高所述流体的压力。

作为流体机械的实施方式的蒸汽轮机主要包括可转动地安装的转子和围绕转子设置的壳体。通常，蒸汽轮机由内壳体和外壳体构成，其中外壳体围绕内壳体设置。转子包括分布在环周上的涡轮工作叶片，所述涡轮工作叶片通常在沟槽中彼此相邻地设置。由此，沿着旋转轴线产生多个连续设置的涡轮工作叶片排。内壳体还包括涡轮导向叶片，所述涡轮导向叶片同样沿环周方向彼此相邻地设置，使得由此产生涡轮导向叶片排，所述涡轮导向叶片排设置在涡轮工作叶片排之间。在运行中，具有高的热能的蒸汽在涡轮工作叶片和涡轮导向叶片之间流动，其中蒸汽的热能被转换为转子的转动动能。

各个构件的安装，例如将涡轮工作叶片安装到沟槽中，在室温下进行。相反地，在运行中能够出现高于600℃的温度，这造成对这种流体机械的构造的提高的技术要求。

由此，涡轮部件通常在运行中承受瞬时热负荷，这意味着，热变化引起各个涡轮部件被加热或冷却。构件的热容和尺寸通常是不同的，这引起如下效果，即各个涡轮部件对温度变化产生不同的反应。较小的涡轮部件与较大的涡轮部件相比更快地被加热或冷却。

在流体机械构造中使用的钢具有不等于零的热膨胀系数，这引起涡轮部件的尺寸随着温度变化而变化。通常，涡轮部件随着温度增加而变大。这引起在瞬时温度变化期间能够产生在以不同的速度变热的部件之间的应力。尤其能够产生在不同尺寸的涡轮部件之间的应力，因为这些涡轮部件以不同的速度变热。

所述应力能够引起涡轮部件的显著的机械负荷直至造成涡轮部件的损坏。

由此，提出要求，尤其在瞬时运行方面对流体机械进行设计。由于通过可再生的能量补偿波动的流馈入，蒸汽轮机的运行通过如下方式表现，即所述蒸汽轮机迫切需要在变负荷运行中运行。在此，在发电站的经济方面重要的是，蒸汽轮机对负荷的快速变化进行快速反应。

负荷变换梯度越大以及开始时间越短，涡轮部件的热负荷就提高越大，进而各个涡轮部件由于热应力而损坏的风险也就提高越大。同样成问题的是温度突变，所述温度突变必须保持在一定的范围中。

涡轮部件例如是转子和涡轮叶片。涡轮叶片在沿环周方向设置的沟槽中密封地彼此贴靠。由在运行中产生的蒸汽绕流的涡轮叶片非常快速地接受蒸汽的温度变化，这与如下情况有关，即涡轮叶片用作冷却或加热肋片，所述冷却或加热肋片相对于其体积具有大的表面积。与其相反地，转子仅沿着相对于其体积较小的表面积承受在运行中产生的蒸汽。由此，转子与涡轮叶片相比明显更慢地变热。这意味着，工作叶片排例如比转子更快地吸收热量并且同样热量更快地增长，使得转子的热增长落后于涡轮叶片的增长。

这在涡轮叶片的锚固处产生由热引起的应力。因为叶片排的直径不能增加，所以在环周方向上也产生压应力。

涡轮叶片具有叶身和叶根。叶根的特定实施方式具有菱形截面。在安装状态中，菱形成形的叶根彼此紧密地贴靠。在运行中，由于热梯度产生压应力，这造成扭力作用在涡轮叶根处。这引起，菱形的角部被轴向地推入轴中。所述力能够大至，使得叶根的或转子的角部塑性变形。这引起，在该部位处涡轮叶根不再紧密地贴靠并且变得松动。

为了避免所述问题，通常蒸汽轮机运行成，使得温度变化保持在允许的范围中。

发明内容

因此，本发明的目的是提出一种涡轮叶片，所述涡轮叶片在运行期间允许更快的温度变化。

所述目的通过一种涡轮叶片来实现，所述涡轮叶片包括：叶身；叶根，其中所述叶根构成为菱形的锤头形根部，所述锤头形根部设置在环周沟槽中；设置在所述叶身的端部上的叶尖；在所述叶根和所述叶身之间的盖板；其中所述叶根和所述叶身沿着叶片轴线从所述叶根至所述叶尖地构成，其中所述盖板具有平行四边形形状，所述平行四边形形状具有正面和与所述正面平行设置的背面，以及第一贴靠面和与所述第一贴靠面平行地设置的第二贴靠面，其中第一贴靠面定向为，用于贴靠到相邻的涡轮叶片的第二贴靠面上，其中所述叶身成型地构成并且具有入流棱边和出流棱边，其中所述入流棱边指向所述正面，而所述出流棱边指向所述背面，其特征在于，所述正面部段地具有弯曲部，其中所述正面具有长度L_O以及所述弯曲部在L_KV处开始，其中适用：0.2L_O<L_KV<0.8L_O。

所述目的同样通过一种用于制造涡轮叶片在流体机械的沟槽中的布置的方法来实现，其中涡轮叶根成形为，使得在运行中出现的从所述涡轮叶根到沟槽上的力不引起塑性变形，其中所述涡轮叶根具有贴靠在所述沟槽上的正面并且构成为具有弯曲部，并且其中所述正面具有长度L_O以及所述弯曲部在L_KV处开始，其中适用：0.2L_O<L_KV<0.8L_O。

有利的改进方案在下文中给出。

由此，借助于本发明提出，局部地改变叶根的几何形状，使得在对热瞬态作出预期的反应时最小化塑性变形的倾向。通过在侧面中的弯曲部实现如下效果，即在涡轮叶片在运行中出现更大程度扭转时力传递变得更小，使得所产生的应力被限制并且抑制永久的塑性变形。由此能够考虑更大的温度差或梯度，而这不引起叶片松动。这尤其在蒸汽轮机启动或开始运行时是有利的，因为不发生塑性变形和随后的叶片松动。由此实现更灵活的运行方式，所述运行方式表现为更短的开始运行时间、更快的负荷变换等。

在一个有利的改进方案中，弯曲部被描述为凸状的弯曲部。由此，能够最优地分配所传递的力。

有利地，在侧面从一半起实现弯曲部，因为所传递的力在侧面的边缘处是更被期望的。有利地，弯曲部构成为，使得在运行中仅发生弹性变形。由此，有利地防止发生塑性变形。

附图说明

现在根据实施例详细阐述本发明。

其示出：

图1示出两个涡轮叶片的立体图；

图2示出单个涡轮叶片的立体图；

图3示出多个连续设置的涡轮叶片的在安装状态中的俯视图；

图4示出覆盖带的在安装状态中的示图；

图5示出覆盖带的在热膨胀时的示图；

图6示出覆盖带的在热膨胀和力传递时的示图；

图7示出图6中的细节的放大图；

图8示出涡轮叶根的放大图。

具体实施方式

图1示出涡轮叶片1。涡轮叶片1能够是涡轮导向叶片或涡轮工作叶片。涡轮叶片1具有叶身2和叶根3，所述叶身和叶根沿着叶片轴线4设置。叶片轴线4基本上对应于涡轮叶片1的长形的构造。叶身2被成型，并且设计为用于装入流体机械、尤其蒸汽轮机中。涡轮叶片1接合到未详细示出的沟槽中。流体机械，例如蒸汽轮机，具有可围绕旋转轴线5转动地安装的转子和围绕转子设置的壳体。所述沟槽在转子中设置在表面上(未示出)，其中转子围绕旋转轴线5构成。由此，转子沿围绕旋转轴线5的转动方向6旋转。叶片轴线4在此构成为垂直于旋转轴线5。旋转轴线5和叶片轴线4形成半径面7。叶根3具有侧面8，所述侧面构成为基本上垂直于半径面7并且与旋转轴线5相交。在图1中示出系统9，其中示出旋转轴线5的、叶片轴线4的和侧面8的取向。叶片轴线4垂直于旋转轴线5定向。通过叶片轴线4和旋转轴线5形成半径面7。侧面8垂直于半径面7设置。在涡轮叶片1的立体图中，部分地示出环周方向10，并且所述环周方向基本上对应于未详细示出的转子的和未详细示出的沟槽的表面。叶根3具有正面11和背面12，在根据图1的立体图中没有示出所述背面。在侧面8中设置有凹部13。

在已装入的状态中，涡轮叶片1在环形轨道中围绕旋转轴线5沿着环周方向19设置。在此，环形轨道相对于旋转轴线5旋转对称。

涡轮叶片1具有在叶根3和叶身2之间的盖板14。盖板14具有平行四边形形状42，所述平行四边形形状具有正面40和与正面平行地设置的背面41以及第一贴靠面43和与第一贴靠面平行地设置的第二贴靠面44。

图2示出涡轮叶片1的一个替代的实施方式。与根据图1的涡轮叶片1不同的是，叶根3具有枞树形状13，所述枞树形状设置到转子中相应的互补的枞树形沟槽中。

在图3中示出叶片装置的俯视图，所述叶片装置包括沿环周方向10连续地紧密贴靠的涡轮叶片1。叶根3具有盖板14，所述盖板菱形或平行四边形似地构成。在盖板14上设置有叶身2。也就是说，盖板14的前面11贴靠在盖板14的背面12上。在此，前面11和背面12能够相互接触。由此，沿环周方向10产生完整的涡轮叶片排。为了清楚起见，仅示出三个涡轮叶片1。叶根3沿环周方向10观察具有宽度15。未详细示出的转子包括沟槽，所述沟槽同样具有宽度15。由此，侧面8在安装状态中贴靠到沟槽的相应的沟槽面上。

这在图4中示出，其中仅示出叶根3的三个盖板14。没有示出叶身2。图4示出在一定温度下、例如在室温下的安装状态。能看到的是，对应于盖板14的宽度和沟槽宽度的宽度15基本上相同。

在特定的运行条件下，例如在瞬时运行中，与转子的沟槽相比，盖板14或叶根3能够更快地变热。该理论状态在图5中示出，其中能看到的是，沟槽如前所述包括宽度15，因为在瞬时运行中由于转子的质量大而略微发生热膨胀。相反，叶根3的盖板14由于质量小而更大程度地热膨胀至宽度15a。能看到的是，热膨胀的宽度15a比宽度15更大。此外，能看到的是，沿环周方向10观察，盖板14的热膨胀同样使得重叠在理论上是可行的。这引起下述应力状态，所述应力状态引起盖板14转动，如其在图6中示出那样。在图6中示出实际状态，其中盖板14连同叶根3略微逆时针转动。这引起在角部16处侧面8被压到沟槽的沟槽壁上。所述状态在图6中以用圆17突出的细节示出。所述状态能够引起侧面8在盖板14的角部16处的塑性变形。

在图7中再次突出了所述情况。直线18象征沟槽壁，其中在圆17中示出的细节在图7的右侧放大地示出。叶根3在角部16处构成为，使得侧面8沿着关于叶片轴线4的环周垂直线19部段地具有弯曲部20。所述弯曲部20基本上大约从侧面8的中点21开始并且在第一具体实施形式中直线地构成。侧面8在至中点21的平面中平坦地构成并且从中点21起发生折弯，所述折弯引起弯曲部20。

弯曲部20在中点21开始并且引导至侧边缘22，所述侧边缘与前面11一致。弯曲部20在此构成为，使得在运行中盖板14仅发生弹性变形。尤其地，弯曲部20不产生塑性变形。弯曲部20朝向侧边缘22伸展。侧面8和前侧11形成角部23。角部23以90度角(由此尖地)构成。关于角部23正相对地构成角部24，所述角部24在背侧12和侧面8之间形成。角部24同样从中点21起具有朝向侧边缘22的弯曲部20。沿叶片轴线4的方向，叶根3菱形地构成。侧面8关于环周垂直线19基本上直至一半或中点21平面地构成。

涡轮叶片1构成为用于装入流体机械的转子的具有沟槽面的沟槽中，其中流体机械尤其是蒸汽轮机，其中侧面在安装状态中贴靠在沟槽面的侧面上。

图8示出涡轮叶根的放大的俯视图。除了第一实施方式外，还能看到拱形的凸状的弯曲部20b，其中在第一实施方式中弯曲部20构成为直线20a。

图1至8示出涡轮叶片1，所述涡轮叶片具有叶身2和叶根3，其中涡轮叶片1设计为用于装入流体机械、尤其蒸汽轮机中，其中流体机械具有可围绕旋转轴线5旋转的转子，其中叶身2具有叶尖30，其中叶根3和叶身2沿着叶片轴线4构成，所述叶片轴线垂直于旋转轴线5定向，其中旋转轴线5和叶片轴线4形成半径面7并且叶根3具有侧面8，所述侧面基本上垂直于半径面7构成并且与旋转轴线5相交，其中侧面8沿着关于叶片轴线4的环周方向19部段地具有弯曲部20，其中多个涡轮叶片1在装入状态中在环形轨道中围绕旋转轴线5沿着环周方向19设置。

此外，附图示出，弯曲部20凸状地构成。

此外，叶根3的侧面8由侧边缘22限界并且凸状的弯曲部20b伸展至侧边缘22。

此外，凸状的弯曲部20b正相对地设置在侧边缘22上。

此外，叶根3沿叶片轴线4的方向观察菱形地构成。

此外，侧面8关于环周垂直线19基本上直至一半平面地构成，并且从一半起设置有弯曲部20。

此外，涡轮叶片1构成为用于装入流体机械的转子的沟槽中，所述沟槽具有沟槽面，其中在安装状态中侧面8贴靠在沟槽面上，其中在流体机械运行中出现从叶根3经由侧面8到沟槽面上的力，其中弯曲部20构成为，使得进行弹性变形。

此外，附图示出用于在流体机械的沟槽中制造涡轮叶片装置的方法，其中涡轮叶根3成形为，使得在运行中出现的从涡轮叶根3到沟槽上的力不引起塑性变形。

Claims (12)

1.一种涡轮叶片(1)，其包括：

叶身(2)，和

叶根(3)，

其中所述叶根(3)构成为菱形的锤头形根部，所述锤头形根部设置在环周沟槽中，

设置在所述叶身(2)的端部上的叶尖(30)，

在所述叶根(3)和所述叶身(2)之间的盖板(14)，

其中所述叶根(3)和所述叶身(2)沿着叶片轴线(4)从所述叶根(3)至所述叶尖(30)地构成，

其中所述盖板(14)具有平行四边形形状(42)，所述平行四边形形状具有正面(40)和与所述正面平行设置的背面(41)，以及第一贴靠面(43)和与所述第一贴靠面平行地设置的第二贴靠面(44)，

其中第一贴靠面(43)定向为，用于贴靠到相邻的涡轮叶片的第二贴靠面(44)上，

其中所述叶身(2)成型地构成并且具有入流棱边(45)和出流棱边(46)，其中所述入流棱边(45)指向所述正面(40)，而所述出流棱边(46)指向所述背面(41)，

其特征在于，

所述正面(40)部段地具有弯曲部(20)，

其中所述正面(40)具有长度L_O以及所述弯曲部(20)在L_KV处开始，

其中适用：0.2L_O<L_KV<0.8L_O。

2.根据权利要求1所述的涡轮叶片(1)，

其中适用：0.3L_O<L_KV<0.7L_O。

3.根据权利要求2所述的涡轮叶片(1)，

其中适用：0.45L_O<L_KV<0.55L_O。

4.根据权利要求1所述的涡轮叶片(1)，

其中所述背面(41)部段地具有弯曲部(20)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的涡轮叶片(1)，

其中所述弯曲部(20)围绕所述叶片轴线(4)实现。

6.根据权利要求1所述的涡轮叶片(1)，

其中所述弯曲部(20)凸状地构成。

7.根据权利要求1所述的涡轮叶片(1)，

其中所述背面(41)具有长度L_O，以及所述弯曲部(20)在L_KR处开始，

其中适用：0.2L_O<L_KR<0.8L_O。

8.根据权利要求7所述的涡轮叶片(1)，

其中适用：0.3L_O<L_KR<0.7L_O。

9.根据权利要求8所述的涡轮叶片(1)，

其中适用：0.45L_O<L_KR<0.55L_O。

10.根据权利要求1所述的涡轮叶片(1)，

其中所述弯曲部(20)构成为直的。

11.一种用于制造涡轮叶片在流体机械的沟槽中的布置的方法，

其中涡轮叶根(3)成形为，使得在运行中出现的从所述涡轮叶根(3)到所述沟槽上的力不引起塑性变形，

其中所述涡轮叶根(3)具有贴靠在所述沟槽上的正面(40)并且构成为具有弯曲部(20)，并且

其中所述正面(40)具有长度L_O以及所述弯曲部(20)在L_KV处开始，其中适用：0.2L_O<L_KV<0.8L_O。

12.根据权利要求11所述的方法，

其中所述弯曲部凸状地(20b)构成。