專利名稱：燃氣輪機葉片葉冠的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種燃氣輪機葉片葉冠，并且尤其涉及一種關于它的機械剛度和部件的使用壽命的改進。
背景技術：
燃氣輪機葉片包括葉片葉冠以控制葉片末端和定子之間的泄漏流動并且使其最小化，并且限制振動強度。葉片葉冠通常包括平臺部以及一個或多個翼片，所述平臺部在基本平行于與葉片末端相對的定子的平面中延伸，所述翼片沿圓周延伸并且徑向向外朝著定子延伸。葉片葉冠的平臺部的形狀通常設計成它的邊緣平行于相鄰的葉片葉冠平臺部的邊緣。為了在燃氣輪機操作過程中承受高的熱負荷，葉片葉冠通過冷卻液冷卻，冷卻液流經葉冠的平臺部內的冷卻系統(tǒng)，所述冷卻系統(tǒng)與葉片內部的中空的冷卻腔流體連通。這種類型的葉片葉冠例如在EP 1083299中公開。
葉片葉冠的設計目前適應于使葉冠使用壽命最大化，同時使成本最小化。葉冠的使用壽命被離心力造成的機械應力所限制。這種應力目前通過使平臺部的壁厚最小化而被減小，所述平臺部同樣公知為葉冠腹板。然而由于制造和裝配公差，具有薄的壁厚的葉片葉冠可能不會與相鄰葉片的葉片葉冠對齊，即使所述公差被保持的極小，這也會發(fā)生。另外的配合不當是由在燃氣輪機操作過程中由于熱負荷以及機械負荷造成的葉冠平臺部的變形造成。兩個相鄰的葉片葉冠之間的配合不當允許高溫氣體進入定子和葉片葉冠之間的腔室。葉冠通常利用這樣的材料設計，所述材料在直到低于高溫氣體的溫度的溫度的情況下具有抗蠕變性和防氧化能力。高溫氣體的進入因此使得葉冠、相鄰的靜止部件和運動部件過早失效。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是設計一種燃氣輪機葉片葉冠，所述葉冠解決了與相鄰葉片葉冠的配合不當相聯系的問題，并且具有提高的使用壽命。
燃氣輪機葉片葉冠包括平臺部，所述平臺部例如在這樣的平面中延伸，所述平面基本同與葉片末端相對的定子的輪廓相匹配，并且根據本發(fā)明，所述葉冠包括側向導軌，所述側向導軌徑向地并且沿著平臺部的一個或兩個邊緣延伸，所述邊緣與燃氣輪機的相鄰的葉片葉冠的平臺部相對。
壁厚的增加導致部件的剛度根據壁厚的三次方而增加。根據本發(fā)明的葉片葉冠具有限制到平臺部的側向區(qū)域的增加的壁厚。因此，實現了增加剛度的優(yōu)點，并且導致在燃氣輪機操作過程中沿著徑向向外方向的變形和彎曲的降低。然而，壁厚的增加被局部化，從而它不會造成葉冠質量的顯著增加，并且不會顯著增加機械負荷。
相鄰的葉片葉冠平臺部的側向導軌的充分的重疊具有另外的優(yōu)點與葉冠的高溫氣體側上的壓力相比，葉冠的徑向外側的壓力保持為較高。這防止高溫氣體進入葉冠腔室中，并且因此提高了冷卻效果。
雖然側向區(qū)域中的壁厚增加了，但葉冠平臺部的主體的壁厚被保持的很小，因此使得需要最少的平臺部冷卻。
根據本發(fā)明的側向導軌設計具有另外的優(yōu)點由于沿著徑向方向的增加的尺寸，相鄰葉片葉冠之間的配合不當發(fā)生的可能性較小。
側向導軌的形狀和輪廓根據下面的參數設計直接影響剛度的徑向高度，將保持為最小的質量，使得部件可以后續(xù)進行機加工的制造。
對于本發(fā)明的下面的實施例，給出了葉片葉冠的形狀和尺寸。
葉片葉冠的第一實施例包括具有半圓形或者1/4圓形的輪廓的側向導軌。
第二實施例包括具有矩形輪廓形狀的側向導軌。
第三實施例包括具有梯形輪廓的側向導軌。
在所有的實施例中，寬度與高度的比率以及曲率半徑在從屬權利要求中給定的范圍內。
它們根據剛度的增加作為導軌的高度和寬度的函數進行選擇。
在葉片葉冠的另一個實施例中，沿圓周延伸的翼片的輪廓形狀使得從翼片到側向導軌具有光滑的過渡部分。


圖1示出了根據本發(fā)明的具有葉片葉冠的燃氣輪機葉片的透視圖，所述葉片葉冠具有翼片和側向導軌，圖2示出了葉片葉冠的俯視圖，圖3示出了葉片葉冠根據圖2中的III-III的橫截面視圖，圖4示出了根據本發(fā)明的具有側向導軌的兩個相鄰葉片，
圖5a、b、c示出了根據本發(fā)明的多個不同實施例的側向導軌的詳細的橫截面視圖，圖6示出了葉片葉冠的側視圖以及從翼片到側向導軌的過渡部分。
具體實施例方式
圖1示出了燃氣輪機葉片1的透視圖，葉片1包括葉片根部2、葉片葉冠4，葉片從所述根部2延伸到葉片末端，葉冠4設置在所述末端上，所述葉冠具有平臺部5并且基本平行于沿著徑向方向z與葉片末端相對的部件延伸。葉冠包括第一和第二翼片6和7，第一和第二翼片6、7相對于燃氣輪機的轉子(未示出)沿著徑向方向z和切向方向y延伸。側向導軌8基本軸向地沿著x方向在前部和后部翼片6和7之間延伸。側向導軌8沿著切向方向y靠近相鄰葉片的側向導軌。由于側向導軌沿著高度方向在高于平臺部的平面上方延伸，因此相鄰葉片葉冠的徑向重疊相比沒有側向導軌的葉片葉冠的重疊更大。例如，平臺部可具有數毫米的厚度。所制造的葉片的長度的公差連同將葉片安裝在轉子上的公差等于對于數毫米的葉片葉冠的徑向位置的公差。因此，不具有側向導軌以及最小化的公差的葉片葉冠不會與相鄰的葉片葉冠對齊，從而在它們之間產生配合不當或者間隙，高溫氣體會穿過所述間隙泄漏到葉片葉冠外側的腔室中。這種氣體會使得葉片葉冠受到損壞，并且使用壽命縮短。在所述公差存在的情況中，具有給定高度的側向導軌因此能夠提供增大的重疊，并且確保不會發(fā)生氣體泄漏。
翼片6和7具有給定的高度z，所述高度與側向導軌的高度相比優(yōu)選在給定的比率中，如圖2所示。
圖2示出了沿著朝著轉子的徑向向內的方向觀察的葉片葉冠4的俯視圖。其示出了根據本發(fā)明的葉片葉冠平臺部5、翼片6和7以及側向導軌8。
圖3示出了根據本發(fā)明的第一實施例的葉片葉冠4在圖2所示的III-III橫截面中的剖視圖以及均具有矩形輪廓的側向導軌8，所述導軌8具有給定的寬度B1和B2以及給定的高度H1和H2。如上所述，平臺部的厚度優(yōu)選為數毫米，例如在0.8和4毫米之間，以使葉冠的質量以及產生的離心力最小化。對于給定的平臺部厚度s，高度與寬度的比率例如H1/B1在1和5之間的范圍中，優(yōu)選為2。高度與寬度的優(yōu)選比率可以隨著s的不同值而改變。部件的剛度隨著厚度的三次方而增加，或者在這種情況中隨著側向導軌的高度的三次方而增加。它還隨著側向導軌的寬度而線性增加。
比率2代表最優(yōu)值，以防止側向導軌沿著橫向切向方向并且沿著徑向向外方向的彎曲。翼片的高度z和側向導軌的高度H1或H2的比率z/H1或z/H2在1.5和11之間的范圍中，優(yōu)選在3和8或6和8的范圍中。這是對于圖3和圖5a-c中所示的任一種輪廓形狀的情況。
圖4示出了具有圖3的葉片葉冠的葉片1以及相鄰葉片1’的葉冠，圖3的葉片葉冠具有側向導軌8，葉片1’的葉冠具有側向導軌8’，其中側向導軌8和8’的徑向位置微微地配合不當。由于側向導軌8、8’的足夠的高度，所述配合不當不會導致氣體能夠穿過的間隙。
圖5a示出了根據本發(fā)明的第二實施例的側向導軌在與圖3相同的橫截面中的剖視圖。側向導軌8的輪廓具有半圓形，所述半圓形具有半徑R1。從側向導軌到平臺部5的過渡部分的形狀被設計成具有曲率半徑R2。兩個半徑的比率R2/R1在0.1和3.5之間的范圍中。這個曲率對于機械強度來說是有利的，并且避免了尖角，在尖角處，會發(fā)生高強度的應力或者負荷，并且裂縫可能首先發(fā)生在尖角處。
圖5b示出了根據本發(fā)明的第三實施例的輪廓，該輪廓具有半徑為R1的大約1/4圓形以及到平臺部5的過渡部分中的曲率半徑R2。R2/R1的比率保持與根據圖5a的輪廓所給定的比率相同。尺寸m被限定為在平臺部邊緣和從R1到R2的過渡部分之間的垂直于導軌側面的距離。比率m/R1在0.35到2的范圍中。在圖5a和5b的實施例中，側向導軌具有整體高度h，其中對于上述給定的平臺部的壁厚s來說，h/R1的比率優(yōu)選在3和5之間的范圍中。
圖5c示出了根據本發(fā)明的另一個實施例。側向導軌8具有梯形的輪廓。它的尺寸為上部或者徑向外表面的寬度為c，梯形底部的寬度為d，所述尺寸彼此相關比率d/c在0.2和5之間的范圍中。梯形具有高度h，所述高度與寬度c和d相關2h/(c+d)具有在1和6之間的范圍中的值。平臺部厚度s再次在上面給定的范圍中。這種形狀特別適合，因為它鑄造方便。
圖6示出了具有翼片6、7以及側向導軌8的葉片的側視圖。同樣是因為機械強度的原因并且考慮避免從尖角產生破裂，從翼片到側向導軌的過渡部分是圓形的。曲率半徑Rf1和Rf2在從1毫米到翼片高度z的值的一半的范圍中。
在所有實施例中，平臺部的壁厚或者可以是在從0.8到4毫米的范圍內的恒定值，或者可以在相同的數值范圍內逐漸變小。
在上述任一個實施例中，翼片的末端以及在燃氣輪機的操作過程中彼此接觸的相鄰葉冠的面(同樣公知為聯結面)可以利用摩損保護面覆層涂覆，以提高側向導軌的耐磨性能，所述覆層例如碳化鉻CrC或者立方氮化硼CBN。
葉片葉冠的高溫氣體側適合地利用氧化/腐蝕保護覆層和/或熱保護覆層涂覆，所述熱保護覆層例如現有技術的熱障覆層(TBC)。根據本發(fā)明的葉片葉冠可以通過任何適合的方法制造，例如通過鑄造，可能需要后續(xù)加工。其它可行的制造方法是焊接、釬焊、鑄造、等離子噴涂、機加工、立體光刻(stereo lithographic)、以及電鍍方法，可以利用其中一種或多種方法。
取決于葉片葉冠在燃氣輪機內的位置，葉片葉冠另外可以不進行冷卻，或者可以通過現有技術的方法進行冷卻，例如薄膜冷卻、對流冷卻、來自葉冠本身、定子的沖擊冷卻、或者其它已知方法。
附圖標記列表1 葉片2 葉片根部34 葉片葉冠5 葉片葉冠平臺部6 第一翼片7 第二翼片8 側向導軌H 矩形側向導軌的高度B 矩形側向導軌的寬度h 圓形側向導軌的高度m 圓形側向導軌的寬度s 平臺部的壁厚
R1圓形側向導軌的曲率半徑R2過渡部分的曲率半徑c，d 梯形側向導軌的寬度Rf1，Rf2從翼片到側向導軌的過渡部分的曲率半徑z 翼片高度
權利要求
1.一種燃氣輪機葉片葉冠(4)，包括平臺部(5)和一個或多個翼片(6，7)，所述翼片從平臺部(5)徑向向外延伸，其特征在于，側向導軌(8)徑向向外并且沿著平臺部(5)的一個或兩個邊緣延伸。
2.如權利要求1所述的燃氣輪機葉片葉冠(4)，其特征在于，側向導軌(8)具有半圓形或者大約1/4圓形的輪廓。
3.如權利要求1所述的燃氣輪機葉片葉冠(4)，其特征在于，側向導軌(8)具有矩形輪廓形狀。
4.如權利要求1所述的燃氣輪機葉片葉冠(4)，其特征在于，側向導軌(8)具有梯形輪廓形狀。
5.如權利要求2所述的燃氣輪機葉片葉冠(4)，其特征在于，具有半圓形輪廓的側向導軌(8)具有高度(h)和曲率半徑(R1)，其中高度(h)與曲率半徑(R1)的比率在從3到5的范圍中，并且從側向導軌(8)到平臺部(5)具有彎曲的過渡部分，并且所述彎曲的過渡部分具有曲率半徑(R2)，其中過渡部分的曲率半徑(R2)與側向導軌輪廓的曲率半徑(R1)的比率在從0.1到3.5的范圍中。
6.如權利要求2所述的燃氣輪機葉片葉冠(4)，其特征在于，大約1/4圓形的側向導軌(8)具有寬度(m)和曲率半徑(R1)，其中寬度(m)與曲率半徑(R1)的比率在從0.35到2的范圍中。
7.如權利要求3所述的燃氣輪機葉片葉冠(4)，其特征在于，矩形側向導軌(8)具有高度(H1，H2)和寬度(B1，B2)，其中每個側向導軌(8)的高度(H1，H2)與寬度(B1，B2)的比率在從1到5的范圍中。
8.如權利要求4所述的燃氣輪機葉片葉冠(4)，其特征在于，梯形側向導軌(8)具有上部寬度(c)和底部寬度(d)，其中底部寬度(d)與上部寬度(c)的比率d/c在從0.2到5的范圍中，并且梯形側向導軌(8)具有高度(h)，其中比率2h/(c+d)在從1到6的范圍中。
9.如權利要求1所述的燃氣輪機葉片葉冠(4)，其特征在于，翼片(6，7)具有高度(z)，并且側向導軌(8)具有高度(H，h)，其中翼片(6，7)的高度(z)與側向導軌(8)的高度(H，h)的比率(z/h，z/H)在從1.5到11的范圍中。
10.如權利要求1所述的燃氣輪機葉片葉冠(4)，其特征在于，葉片葉冠(4)包括從翼片(6，7)到側向導軌(8)的彎曲的過渡部分(Rf1，Rf2)，其中過渡部分(Rf1，Rf2)的曲率半徑在從1毫米到翼片(6，7)的高度(z)的數值的一半的范圍中。
11.如權利要求1所述的燃氣輪機葉片葉冠(4)，其特征在于，翼片(6，7)的末端和葉片葉冠(4)的聯結面涂覆有磨損保護覆層。
12.如權利要求1所述的燃氣輪機葉片葉冠(4)，其特征在于，葉片葉冠(4)的高溫氣體側涂覆有熱保護覆層。
13.如權利要求1所述的燃氣輪機葉片葉冠(4)，其特征在于，葉片葉冠(4)的高溫氣體側涂覆有氧化/腐蝕保護覆層和/或熱障覆層。
14.一種制造如權利要求1所述的燃氣輪機葉片葉冠的方法，其特征在于，應用下列方法中的一種或多種焊接、鑄造、釬焊、等離子噴涂、機加工、立體光刻、或者電鍍方法。
全文摘要
根據本發(fā)明，一種燃氣輪機葉片葉冠(4)包括平臺部(5)和一個或多個翼片(6，7)以及側向導軌(8)，翼片朝著定子延伸，側向導軌(8)徑向朝著定子并且沿著平臺部(5)的邊緣延伸。在葉片葉冠(4)的側向區(qū)域中增加的壁厚實現了剛度的增加并且實現了在燃氣輪機操作過程中變形的降低。由于壁厚的局部增加，葉片葉冠(4)的質量仍然被最小化，從而機械負荷沒有顯著增加。側向導軌(8)另外提高了相鄰葉片的對齊，并且減少了高溫氣體泄漏到葉片葉冠(4)和定子之間的腔室中的可能性。側向導軌(8)具有這樣的輪廓形狀，該輪廓形狀考慮到剛度和機械負荷被優(yōu)化，并且適合于鑄造。根據本發(fā)明具有側向導軌(8)的葉片葉冠(4)具有更長的使用壽命。
文檔編號F01D5/20GK1950588SQ200580013870
公開日2007年4月18日 申請日期2005年4月19日 優(yōu)先權日2004年4月30日
發(fā)明者喬斯·瑪·安圭索拉·麥克菲特, 因戈爾夫·舒爾茨, 迪爾克·威廉 申請人:阿爾斯通技術有限公司