本發(fā)明公開涉及用于通過偏移葉片積疊(bladestack)質(zhì)心來生產(chǎn)燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片的系統(tǒng)和方法，葉片積疊質(zhì)心進(jìn)一步由三個(gè)葉片積疊部分限定。根據(jù)本發(fā)明公開的燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片并不限于燃?xì)鉁u輪機(jī)。渦輪機(jī)械的轉(zhuǎn)子葉片或引導(dǎo)葉片都在本發(fā)明公開的范圍內(nèi)。

背景技術(shù)：

旋轉(zhuǎn)的燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片必須滿足考慮了運(yùn)行期間作用在旋轉(zhuǎn)葉片上的高機(jī)械和熱學(xué)應(yīng)力的多重材料和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。由于作用到旋轉(zhuǎn)葉片上的巨大的離心力和葉片必須承受的巨大的熱負(fù)荷，主要的葉片設(shè)計(jì)任務(wù)是提供高度的剛性并避免運(yùn)行期間的葉片振動(dòng)。使用旋轉(zhuǎn)葉片的翼型件內(nèi)的冷卻通道的主動(dòng)冷卻也必須考慮。葉片上的熱學(xué)涂層是又另一個(gè)設(shè)計(jì)考慮。尋求一種用于通過改變翼型件形狀來“調(diào)整”葉片的固有頻率的方法，以便改善空氣力學(xué)固有頻率刺激裕度(margintostimuli)，同時(shí)保持或改善空氣動(dòng)力學(xué)性能。

旋轉(zhuǎn)的葉片成排布置，它們在軸向方向上與靜止葉片的排交替。每對排都包括一排靜止葉片和直接跟在下游的一排旋轉(zhuǎn)葉片，從而形成所謂的級。渦輪的所有級都按順序編號，始于在渦輪的入口開口處的第一級，第一級具有第一排靜止葉片，繼之以第一排旋轉(zhuǎn)葉片。

燃?xì)鉁u輪機(jī)的正常操作顯示例如第一級的靜止葉片是對于作用在后續(xù)旋轉(zhuǎn)葉片上的振動(dòng)的激勵(lì)源，后續(xù)的旋轉(zhuǎn)葉片以第二固有頻率共振。減少此類激勵(lì)源的效果以避免振動(dòng)傳播以及任何級中布置在靜葉(vane)下游的旋轉(zhuǎn)葉片上的激勵(lì)是有利的。改變?nèi)細(xì)鉁u輪機(jī)葉片的第一固有頻率與由靜止葉片導(dǎo)致的第二激勵(lì)固有頻率之間的差異即間隔可以減少這些效果。

對于常規(guī)的翼型件積疊，改變翼型件弦分布是調(diào)整軸向頻率的典型方法。典型地，為了增加軸向頻率，根弦被增加而梢弦被減少。這通常將增加軸向頻率的第一和第二諧波兩者，所以刺激裕度僅能在這些模式的其中一個(gè)(而不是兩個(gè))上獲得。另一個(gè)方法將是改變?nèi)~片的徑向長度，這會(huì)要求對渦輪架構(gòu)的極大改變。這些改變可能產(chǎn)生極大的性能損失(performancepenalty)。

用于“調(diào)整”無圍帶(unshrouded)葉片軸向頻率的現(xiàn)有技術(shù)具有若干缺點(diǎn)。第一軸向(1a)模式和第二軸向(2a)模式傾向于以類似的方式響應(yīng)于翼型件變化，即，都增加或都降低頻率。通常，獲得對一個(gè)模式的裕度導(dǎo)致?lián)p失對另一個(gè)模式的裕度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明公開的多個(gè)方面和優(yōu)點(diǎn)將在以下說明中部分地闡述，或者可由該說明而顯而易見，或者可通過實(shí)踐本發(fā)明公開而獲悉。

公開了一種用于生產(chǎn)旋轉(zhuǎn)渦輪葉片的方法，其具有確定現(xiàn)有葉片的質(zhì)量、弦分布、后緣平面、限定第一有效梁長度(effectivebeamlength)的第一固有頻率、以及限定第二有效梁長度的第二固有頻率的步驟，第一和第二固有頻率對應(yīng)于現(xiàn)有葉片的任何共振頻率；限定現(xiàn)有葉片的具有上質(zhì)心的上部、具有中間質(zhì)心的中部以及具有下質(zhì)心的下部的步驟；沿第一方向相對于下質(zhì)心偏移現(xiàn)有葉片的中間質(zhì)心的步驟；沿第二方向相對于下質(zhì)心偏移現(xiàn)有葉片的上質(zhì)心的步驟，第二方向不同于第一方向；以及執(zhí)行以上步驟以改變第二有效梁長度，從而改變改型葉片的第一固有頻率和第二固有頻率之間的間隔。還公開了用于調(diào)整葉片固有頻率的一種系統(tǒng)。

實(shí)施方案1.一種用于制造旋轉(zhuǎn)渦輪葉片的方法，包括如下步驟：

確定現(xiàn)有葉片的質(zhì)量，弦分布，后緣平面，限定第一有效梁長度的第一固有頻率,以及限定第二有效梁長度的第二固有頻率，其中所述第一和第二固有頻率對應(yīng)于所述現(xiàn)有葉片的任何共振頻率，

限定所述現(xiàn)有葉片的具有上質(zhì)心的上部，具有中間質(zhì)心的中部，以及具有下質(zhì)心的下部，

沿第一方向相對于所述下質(zhì)心偏移所述現(xiàn)有葉片的所述中間質(zhì)心,

沿第二方向相對于所述下質(zhì)心偏移所述現(xiàn)有葉片的所述上質(zhì)心，所述第二方向不同于所述第一方向，以及

執(zhí)行上述步驟來改變所述第二有效梁長度，從而改變改型葉片的第一固有頻率和第二固有頻率之間的間隔。

實(shí)施方案2.根據(jù)實(shí)施方案1所述的方法，其特征在于，還包括如下步驟：

保持所述現(xiàn)有葉片的恒定的質(zhì)量，恒定的弦分布和恒定的第一有效梁長度。

實(shí)施方案3.根據(jù)實(shí)施方案1所述的方法，其特征在于，所述第一和第二固有頻率是選自包括軸向頻率、撓曲頻率和扭轉(zhuǎn)頻率的組的至少一個(gè)頻率。

實(shí)施方案4.根據(jù)實(shí)施方案1所述的方法，其特征在于，所述第一和第二方向是選自包括周向方向,徑向方向和軸向方向及其組合的組的至少一個(gè)方向。

實(shí)施方案5.根據(jù)實(shí)施方案1所述的方法，其特征在于，所述第一和第二方向是相反的。

實(shí)施方案6.如實(shí)施方案1所述的方法，其特征在于，所述后緣平面是恒定的。

實(shí)施方案7.根據(jù)實(shí)施方案1所述的方法，其特征在于，穿過所述現(xiàn)有葉片的上部、中部和下部的質(zhì)心的弦長對于所述改型葉片的對應(yīng)弦長被保持。

實(shí)施方案8.根據(jù)實(shí)施方案1所述的方法，其特征在于，還包括如下步驟：

執(zhí)行所述偏移步驟使得質(zhì)心相對于彼此移動(dòng)固定的徑向距離。

實(shí)施方案9.根據(jù)實(shí)施方案8所述的方法，其特征在于，每個(gè)質(zhì)心都徑向地定位在每個(gè)相應(yīng)部分的中間。

實(shí)施方案10.根據(jù)實(shí)施方案8所述的方法，其特征在于，葉梢上的空氣負(fù)載被降低。

實(shí)施方案11.一種用于調(diào)整葉片固有頻率的系統(tǒng)，包括通過如下步驟制造的渦輪葉片：

確定現(xiàn)有葉片的質(zhì)量，弦分布，后緣平面，限定第一有效梁長度的第一固有頻率,以及限定第二有效梁長度的第二固有頻率，其中所述第一和第二固有頻率對應(yīng)于所述現(xiàn)有葉片的任何共振頻率，

限定所述現(xiàn)有葉片的具有上質(zhì)心的上部，具有中間質(zhì)心的中部，以及具有下質(zhì)心的下部,

沿第一方向相對于所述下質(zhì)心偏移所述現(xiàn)有葉片的所述中間質(zhì)心,

沿第二方向相對于所述下質(zhì)心偏移所述現(xiàn)有葉片的所述上質(zhì)心，所述第二方向不同于所述第一方向，以及

執(zhí)行上述步驟來改變所述第二有效梁長度，從而改變改型葉片的第一固有頻率和第二固有頻率之間的間隔。

實(shí)施方案12.根據(jù)實(shí)施方案10所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括以下步驟：

保持所述現(xiàn)有葉片的恒定的質(zhì)量，恒定的弦分布和恒定的第一有效梁長度。

實(shí)施方案13.根據(jù)實(shí)施方案10所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一和第二固有頻率是選自包括軸向頻率、撓曲頻率和扭轉(zhuǎn)頻率的組的至少一個(gè)頻率。

實(shí)施方案14.根據(jù)實(shí)施方案10所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一和第二方向是選自包括周向方向,徑向方向和軸向方向及其組合的組的至少一個(gè)方向。

實(shí)施方案15.根據(jù)實(shí)施方案10所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一和第二方向是相反的。

實(shí)施方案16.根據(jù)實(shí)施方案10所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述后緣平面是恒定的。

實(shí)施方案17.根據(jù)實(shí)施方案10所述的系統(tǒng)，其特征在于，穿過所述現(xiàn)有葉片的上部、中部和下部的質(zhì)心的弦長對于所述改型葉片的對應(yīng)弦長被保持。

實(shí)施方案18.根據(jù)實(shí)施方案10所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括如下步驟：

執(zhí)行所述偏移步驟使得質(zhì)心相對于彼此移動(dòng)固定的徑向距離。

實(shí)施方案19.根據(jù)實(shí)施方案18所述的系統(tǒng)，其特征在于，每個(gè)質(zhì)心都徑向地定位在每個(gè)相應(yīng)部分的中間。

實(shí)施方案20.根據(jù)實(shí)施方案18所述的系統(tǒng)，其特征在于，葉梢上的空氣負(fù)載被降低。

參考以下說明和所附權(quán)利要求，本發(fā)明公開的這些和其他特征、方面以及優(yōu)點(diǎn)將變得更好理解。結(jié)合在說明書中并構(gòu)成說明書一部分的附圖圖示了本發(fā)明公開的實(shí)施例，并且與說明一起用于解釋本發(fā)明公開的原理。

附圖說明

說明書中描述了針對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員的完整而能夠?qū)嵤┑墓_，包括其最佳模式，其引用了附圖，其中：

圖1圖示了可能結(jié)合在本發(fā)明公開的至少一個(gè)實(shí)施例中的示例性燃?xì)鉁u輪機(jī)的功能性圖解；

圖2是可能結(jié)合在圖1中所示的燃?xì)鉁u輪機(jī)中并且可能結(jié)合本發(fā)明公開的不同實(shí)施例的示例性現(xiàn)有轉(zhuǎn)子葉片和改型轉(zhuǎn)子葉片的透視圖。

本說明書和附圖中參考標(biāo)號的重復(fù)使用旨在代表本發(fā)明公開中相同或類似的特征或元件。

標(biāo)號部件

10燃?xì)鉁u輪機(jī)

12入口段

14壓縮機(jī)段

16燃燒段

18渦輪段

20排氣段

22軸

24轉(zhuǎn)子軸

26轉(zhuǎn)子盤

28轉(zhuǎn)子葉片

30外殼體

32熱氣體路徑

34熱氣體

100現(xiàn)有轉(zhuǎn)子葉片

101改型轉(zhuǎn)子葉片

106翼型件

107軸向方向

108徑向方向

109周向方向

110平臺

112外表面

114壓力側(cè)壁

116吸力側(cè)壁

118根部

120梢部

124前緣

126后緣

128下部

130下質(zhì)心

132中部

134中間質(zhì)心

136上部

138上質(zhì)心。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在將詳細(xì)參考本發(fā)明公開的實(shí)施例，其一個(gè)或更多示例在附圖中圖示。每個(gè)示例作為本發(fā)明公開的解釋而非本發(fā)明公開的限制提供。實(shí)際上，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)明顯的是在本發(fā)明公開中可做出各種改型和變型而不背離本發(fā)明公開的范圍或精神。例如，作為一個(gè)實(shí)施例的一部分圖示并描述的特征可結(jié)合另一實(shí)施例使用來產(chǎn)生又其他的實(shí)施例。因此，其意圖在于本發(fā)明公開覆蓋落入所附權(quán)利要求書及其等價(jià)物范圍內(nèi)的此類改型和變型。

積疊線定義為在翼型件的壓力側(cè)的表面上在軸向弦長的50%±5%的軸向位置處延伸0%到100%翼展的線。軸向弦長定義為葉片當(dāng)安置在渦輪中時(shí)葉片到平行于渦輪軸線的線上的投影(projection)的長度。弦長定義為葉片輪廓到弦線上的垂直投影的長度，其大約等于前緣和后緣之間的線性距離。有效梁長度(l)定義為在以下等式中用于特定構(gòu)件的梁固有頻率(ωn)的長度，和/或根據(jù)該等式用來計(jì)算渦輪葉片固有頻率(ωn)的長度；

其中：l=有效梁長度(l1和l2)

m=有效梁的質(zhì)量

如本文中所用，術(shù)語“第一”、“第二”和“第三”可以可交換地使用來將一個(gè)部件與另一個(gè)相區(qū)分并且并不意圖表示單個(gè)部件的位置、重要性或特定葉片頻率。術(shù)語“上游”和“下游”指相對于流體路徑中流體流的相對方向。例如，“上游”指流體從其流動(dòng)的方向，而“下游”指流體流向的方向。術(shù)語“徑向地”指大致垂直于特定部件的軸向中心線和/或大致垂直于渦輪機(jī)械的軸向中心線的相對方向，而術(shù)語“軸向地”指的是大致平行于和/或與特定部件的軸向中心線同軸對齊和/或與渦輪機(jī)械的軸向中心線同軸對齊的相對方向，而術(shù)語“周向地”指的是大致平行于特定部件的圓周和/或大致平行于渦輪機(jī)械環(huán)形殼體元件的相對方向。

每個(gè)示例作為本發(fā)明公開的解釋而非本發(fā)明公開的限制提供。實(shí)際上，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)明顯的是在本發(fā)明公開中可做出各種改型和變型而不背離本發(fā)明的范圍或精神。例如，作為一個(gè)實(shí)施例的一部分圖示并描述的特征可用在另一實(shí)施例上來產(chǎn)生又其他的實(shí)施例。因此，其意圖在于本發(fā)明公開覆蓋落入所附權(quán)利要求書及其等價(jià)物范圍內(nèi)的此類改型和變型。盡管本文示出并描述了工業(yè)或陸基燃?xì)鉁u輪機(jī)，但是如本文所示出并描述的當(dāng)前公開并不限于陸基和/或工業(yè)燃?xì)鉁u輪機(jī)，除非在權(quán)利要求書中另外指出。例如，如本文所描述的發(fā)明公開可用在任何類型的渦輪機(jī)中，包括但不限于蒸氣渦輪機(jī)或船舶燃?xì)鉁u輪機(jī)。

現(xiàn)在參考附圖，圖1圖示了燃?xì)鉁u輪機(jī)10的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。燃?xì)鉁u輪機(jī)10通常包括入口段12、設(shè)置在入口段12下游的壓縮機(jī)段14、設(shè)置在壓縮機(jī)段14下游的燃燒器段16內(nèi)的多個(gè)燃燒器(未示出)、設(shè)置在燃燒器段16下游的渦輪段18以及設(shè)置在渦輪段18下游的排氣段20。另外，燃?xì)鉁u輪機(jī)10可包括聯(lián)接在壓縮機(jī)段14和渦輪段18之間的一根或多根軸22。

渦輪段18通常可包括具有多個(gè)轉(zhuǎn)子盤26(示出了其中一個(gè))和多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片的轉(zhuǎn)子軸24，轉(zhuǎn)子葉片28從轉(zhuǎn)子盤26徑向向外地延伸并且被相互連接到轉(zhuǎn)子盤26上。每個(gè)轉(zhuǎn)子盤26又可聯(lián)接到轉(zhuǎn)子軸24的一部分上，轉(zhuǎn)子軸24的一部分延伸穿過渦輪段18。渦輪段18還包括周向地包圍轉(zhuǎn)子軸24和轉(zhuǎn)子葉片28的外殼體30，從而至少部分地限定穿過渦輪段18的熱氣體路徑32。

在運(yùn)行期間，諸如空氣的工作流體流經(jīng)入口段12并進(jìn)入壓縮機(jī)段14，在那里空氣被逐步壓縮，從而給燃燒段16的燃燒器提供加壓空氣。加壓空氣與燃料混合并且在每個(gè)燃燒器內(nèi)燃燒以產(chǎn)生燃燒氣體34。燃燒氣體34從燃燒段16流經(jīng)熱氣體路徑32進(jìn)入渦輪段18，在那里能量(動(dòng)能和/或熱能)從燃燒氣體34傳遞給轉(zhuǎn)子葉片28，從而使得轉(zhuǎn)子軸24旋轉(zhuǎn)。機(jī)械旋轉(zhuǎn)能然后可用于驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)段14和/或用來產(chǎn)生電力。離開渦輪段18的燃燒氣體34然后可從燃?xì)鉁u輪機(jī)10經(jīng)由排氣段20排出。

圖2是示例性現(xiàn)有轉(zhuǎn)子葉片100和如可結(jié)合本發(fā)明公開的一個(gè)或更多實(shí)施例以及如可結(jié)合到燃?xì)鉁u輪機(jī)10的渦輪段18中替代如圖1中所示的轉(zhuǎn)子葉片28的改型轉(zhuǎn)子葉片101的透視圖。如圖2中所示，現(xiàn)有轉(zhuǎn)子葉片100和改型轉(zhuǎn)子葉片101通常包括沿翼展向外沿徑向方向108從轉(zhuǎn)子葉片100的平臺部分110延伸的翼型件106。平臺110通常用作用于流經(jīng)渦輪段18的熱氣體路徑32的燃燒氣體34的徑向向內(nèi)流邊界(圖1)。

翼型件106包括包圍翼型件106的外表面112。外表面112至少部分地由壓力側(cè)壁114和相對的吸力側(cè)壁116限定。壓力側(cè)壁114和吸力側(cè)壁116大致徑向地向外從平臺110沿翼展從翼型件106的根部118向翼型件106的葉梢或梢部120延伸。翼型件106的根部118可限定于翼型件106和平臺110之間的交叉處。葉梢120與根部118徑向相對地設(shè)置。

壓力側(cè)壁114和吸力側(cè)壁116在翼型件106的前緣124處連接在一起或相互連接，前緣124指入燃燒氣體34的流。壓力側(cè)壁114和吸力側(cè)壁116還在翼型件106的后緣126處連接在一起或相互連接，后緣126與前緣124向下游隔開。壓力側(cè)壁114和吸力側(cè)壁116關(guān)于后緣126是連續(xù)的。壓力側(cè)壁114通常是凹陷的而吸力側(cè)壁116通常是凸出的。翼型件106的弦長是連接前緣114和后緣116的直線的長度，而從前緣114到后緣116的方向典型地被描述為弦向方向。

同樣在圖2中，現(xiàn)有轉(zhuǎn)子葉片100和改型轉(zhuǎn)子葉片101兩者都被分成三個(gè)大致的部分：下部128，中部132和上部136。改型轉(zhuǎn)子葉片101通過以下步驟制造：確定質(zhì)量(m)，弦分布，后緣126平面，限定第一有效梁長度(l1)的第一固有頻率，以及限定第二有效梁長度(l2)的第二固有頻率，第二有效梁長度(l2)作為圖2中所示的兩條分支的和限定，第一和第二固有頻率對應(yīng)于現(xiàn)有轉(zhuǎn)子葉片100的任何共振頻率；限定現(xiàn)有葉片100的具有上質(zhì)心138的上部136，具有中間質(zhì)心134的中部132，以及具有下質(zhì)心130的下部128；沿第一方向偏移葉片的中間質(zhì)心134；沿第二方向偏移葉片100的上質(zhì)心138，第二方向不同于第一方向；保持下質(zhì)心130的位置；以及執(zhí)行以上步驟來改變第二有效梁長度(l2)從而改變改型葉片101的第一固有頻率和第二固有頻率之間的間隔。

該方法還可包括保持現(xiàn)有葉片的恒定的質(zhì)量(m)，恒定弦分布和恒定第一有效梁長度(l1)。該方法還可包括共振頻率，使得第一和第二固有頻率是選自包括軸向頻率、撓曲頻率和扭轉(zhuǎn)頻率的組的至少一個(gè)頻率。同樣，該方法可包括偏移步驟，使得第一和第二方向是選自包括周向109，徑向108和軸向107及其組合的組的至少一個(gè)方向。第一和第二方向也可以是相反的方向。另一個(gè)附加的方法實(shí)踐可以包括在偏移質(zhì)心時(shí)保持后緣126平面恒定。又另一個(gè)方法實(shí)踐可包括如下步驟，其中穿過現(xiàn)有葉片的上部136、中部132和下部128的質(zhì)心的弦長對于改型葉片的對應(yīng)弦長被保持。該方法可包括附加的步驟，其中執(zhí)行偏移步驟，使得上部質(zhì)心138和中部質(zhì)心134相對于彼此以固定的徑向108距離移動(dòng)。每個(gè)質(zhì)心都可以徑向地108在每個(gè)相應(yīng)的部分上定位在中間。此方法可導(dǎo)致葉片末梢上的氣體負(fù)載降低。該方法還可用作用來調(diào)節(jié)對于無圍帶或有圍帶渦輪葉片的葉片固有頻率(ωn)的系統(tǒng)。

此方法和系統(tǒng)促進(jìn)渦輪葉片的固有頻率模式之間的分離。可以在一個(gè)(或兩個(gè))模式上獲得頻率裕度而不負(fù)面地影響另一個(gè)。使用此葉片積疊方法和系統(tǒng)改變了與第二軸向頻率成比例的葉片第二有效長度(l2)。在這樣做時(shí)，描述第一軸向頻率的第一有效長度(l1)不受影響，這促進(jìn)了頻率分離和改善的調(diào)整裕度。除了改變第二軸向頻率的有效長度(l2)之外，此積疊方法和系統(tǒng)在熱氣體34流體流上強(qiáng)加了力，其減小了葉梢120的負(fù)載，從而改善了空氣動(dòng)力學(xué)性能并且降低了末梢間隙靈敏度。

此書面說明書使用示例來公開本發(fā)明，包括最佳模式，并且也使得任何本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制造并使用任何裝置或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何所結(jié)合的方法。本發(fā)明公開可授予專利的范圍由權(quán)利要求書限定，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其他示例。此類其他示例如果包括不異于權(quán)利要求的字面語言的結(jié)構(gòu)元件，或者如果它們包括與權(quán)利要求的字面語言沒有實(shí)質(zhì)性區(qū)別的等同結(jié)構(gòu)元件，則此類其他示例意在落入權(quán)利要求的范圍內(nèi)。