专利名称：涡轮叶片的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种涡轮叶片，特别是一种涡轮动叶片结构，每个叶片分别具有一个卡扣顶盖(整体式顶盖)，所述卡扣顶盖是通过将叶片顶部与叶片有效部分一起整体切割而形成的，或者所述卡扣顶盖通过冶金结合方法结合在叶片有效部分的顶端。
背景技术：
作为示例，在某些情况下，设在蒸汽涡轮机中的涡轮动叶片具有布置在叶片顶部的卡扣顶盖(整体式顶盖)，用于防止因蒸汽喷流沿叶片有效部分流动而产生振动激励力，或者用于防止因蒸汽从叶片顶部泄漏而导致叶片效率下降。此外，应当指出，如果没有特别解释，这里使用的术语“叶片”通常指的是动叶片。
特别地讲，在叶片被设置成彼此分开且独立的情况下，会有外力添加到叶片的特征振动上，因而会感应出谐振，从而会有预期之外的应力施加到叶片上。在某些情况下，应力(振动应力)会引起叶片断裂。特别地讲，在涡轮机组的情况下，在涡轮转子达到预定转速例如每分钟3000转或每分钟3600转之前，会因转子本身的振动、蒸汽喷流的力等等而导致各种类型的外力的施加。因此，需要防止因这些力而发生谐振。
为了消除这些缺陷，具有彼此分开且独立的叶片的结构被改造成下述结构，即若干叶片连接起来形成叶片组结构，或者所有叶片在整体外周上连接起来而形成整体外周式一组结构。这样，叶片组结构或整体外周式一组结构的特征振动频率的谐振点可以与所施加外力的谐振点分离。
形成在叶片顶部的前述叶片组结构或整体外周式一组结构被称为卡扣顶盖(整体式顶盖)。特别地讲，在叶片的凸出(外凸)侧和凹入(内凹)侧，卡扣顶盖设有临界表面，叶片的卡扣顶盖的临界表面被组装成接触相邻(毗邻)叶片的卡扣顶盖的临界表面。由于临界表面之间会产生摩擦，因此这种结构具有高的振动控制效果。另外，由于所有卡扣顶盖可以被有益地形成为具有相同形状和尺寸，也就是相同构造，因此卡扣顶盖可以被设计成容易以特定振动模式设置。
图7中示出了上述结构的一个例子。
涡轮叶片包括一个叶片有效部分1，其用于将蒸汽流引导到下一级；一个叶片嵌入部分2，其设在叶片有效部分的底侧，并且嵌入转子轮4中；以及一个卡扣顶盖(整体式顶盖)3，其设在叶片有效部分的顶部。
另外，涡轮叶片是这样形成的，即通过切割叶片原料或构件而形成叶片有效部分1、叶片嵌入部分2和卡扣顶盖3，这样，涡轮叶片具有一个整体结构。或者，可以切割叶片原料或构件而叶片有效部分1和叶片嵌入部分2，然后通过焊接等方法而将预先制成为单独元件的卡扣顶盖3冶金结合在叶片有效部分1的顶端，以形成一个整体结构。这种叶片本体的叶片嵌入部分2沿着形成在涡轮转子(未示出)上的转子轮4的周向串联嵌入转子轮中，因而形成涡轮叶片结构。
卡扣顶盖3上的位于叶片腹侧和位于叶片背侧的每个侧表面分别包括一个切面7a和两个临界表面6a1和6a2，以形成曲拐形状。相邻两个叶片的切面(或表面)7a和7b以及临界表面6a1和6b1、6a2和6b2分别彼此接触，以便通过摩擦力来增强振动控制力。
上面描述的具有搭扣结构的涡轮叶片包括位于腹侧和背侧的切面7a。因此，可以有效地利用摩擦力，而且通过沿转子轮4的周向串联布置的整个周向叶片组，可以获得相同的效果。因此，可以进一步提高振动衰减效果。
特别地讲，在上述曲拐形卡扣顶盖结构的情况下，接触面压力提供出振动控制效果，因此，对于在涡轮驱动时存在扭曲恢复这一缺点的长叶片而言，卡扣顶盖是实用的(例如公开于日本特公平6-60563号公报中)。另外，尽管结构简单，仍会有高的振动控制效果。卡扣顶盖可被用于燃气轮机叶片中(例如美国专利No.5,211,540)。
然而，上述被评价为具有高振动控制效果的涡轮叶片仍存在需要解决的问题。
在涡轮叶片具有卡扣结构的情况下，尽管在涡轮叶片被组装时卡扣顶盖3a与相邻卡扣顶盖3b和3b紧密接触，但卡扣顶盖3a可能会因涡轮叶片被驱动时产生的离心力而升高，或者可能会因离心力或材料热膨胀系数的差异而在切面7a与7b之间形成间隙。这样，由于卡扣顶盖3b、3a、3b之间产生间隙，因此不能提供足够的摩擦力。
为了解决上述问题，具有图8所示的另一种卡扣结构的涡轮叶片被提出。关于所提出的涡轮叶片的卡扣顶盖3a和相邻卡扣顶盖3b和3b的临界表面6a1(6a2)和6b1(6b2)的横截面形状，沿涡轮转子的轴向看，交替布置着两种叶片卡扣顶盖，其中一种的横截面形状向上缩窄，也就是山形，另一种的横截面向上加宽，也就是倒山形。换言之，楔块形横截面交替布置。根据这种结构，当卡扣顶盖3a在涡轮旋转过程中在离心力的作用下趋向于升高时，可通过卡扣顶盖3a与位于其两侧的卡扣顶盖3b和3b之间产生的楔面作用而阻止这种升高。
然而，这种结构会出现下述缺陷。也就是说，为了加工和组装卡扣顶盖3a、3b和3b，它们的临界表面6a1(6a2)和6b1(6b2)被成形为楔形，这需要消耗大量时间，此外，当涡轮旋转时产生的离心力施加在卡扣顶盖3a上时，一部分所述离心力会作用在相邻卡扣顶盖3b和3b上。因此，产生在相邻叶片的嵌入部分中的离心应力会变大。
在具有另一种卡扣结构的涡轮叶片中，考虑到为了在驱动过程中防止上述升高，卡扣顶盖3a和相邻卡扣顶盖3b的切面7a和7b被形成为平行于叶片有效部分1的旋转方向，如图9所示。
根据具有上述结构的涡轮叶片，可以消除因离心力而产生的卡扣顶盖3a的升高，而且因离心力或材料热膨胀系数的差异而在切面7a与7b之间形成的间隙也被消除。也就是说，可以认为其振动衰减效果高。
然而，根据上述类型的涡轮叶片，卡扣顶盖3a和相邻卡扣顶盖3b的切割部分5处的切面7a和7b被设置成平行于叶片有效部分1的旋转方向。因此，对于驱动过程中出现在与旋转方向不同的方向上的振动，可以获得振动控制效果。然而，所述涡轮叶片具有下述缺点。也就是说，关于在平行于旋转方向的方向上的振动抑制问题，由于摩擦力作用在一个平行于旋转方向的平面内，因此振动控制效果减弱，并且因此而不能确保充分的摩擦力。
另外，根据上述类型的涡轮叶片，组装时作用在每个切面7a和7b上的平面压力P与涡轮叶片驱动过程中因热膨胀而产生的平面压力组合为(P+ΔP)。也就是说，驱动时所需的平面压力主要取决于组装过程中施加的平面压力。因此，非常难以组装涡轮叶片以确保压力。特别地讲，极难组装叶片长度小的叶片。
考虑到前述情况，本发明被研制出来。本发明的目的是提供一种涡轮叶片，其中叶片结构可以被简化，在涡轮的驱动过程中卡扣顶盖和相邻卡扣顶盖之间的临界表面可维持接触状态，而且沿叶片有效部分的旋转方向的振动可以被充分控制。
发明内容
为了实现上述目的，本发明提供了一种涡轮叶片结构，其中设在一个叶片的叶片有效部分顶部的卡扣顶盖的至少一个侧表面接触设在与所述叶片相邻的另一个叶片的叶片有效部分顶部的卡扣顶盖的至少一个侧表面，所述叶片的所述侧表面具有相对于叶片有效部分的旋转方向倾斜的预定倾斜角度。
此外，在本发明的涡轮叶片中，每个卡扣顶盖被形成为曲拐形状，其中沿叶片有效部分的旋转方向位于卡扣顶盖前侧和后侧的侧表面分别包括两个临界表面和一个接触侧表面。
另外，在本发明的涡轮叶片中，接触侧表面沿叶片有效部分的旋转方向形成，并且具有相对于旋转方向倾斜的预定倾斜角度。
此外，在一个具体实施例中，可以通过提供下面描述的涡轮叶片来实现上述目的，该涡轮叶片包括一个嵌入部分、一个与嵌入部分连续形成的叶片有效部分、一个整体设置在叶片有效部分顶端的卡扣顶盖；其中，卡扣顶盖具有接触面和流体侧端面；所述接触面被形成为基本上垂直于涡轮叶片的旋转方向，并且沿着嵌有涡轮叶片的涡轮转子的径向看，所述接触面分别位于有效叶片的腹侧和与腹侧相反的背侧；所述接触面被形成为接触与上述涡轮叶片相邻的另一涡轮叶片，所述流体侧端面基本上垂直于接触面，或者基本上平行于涡轮叶片的旋转方向，并且位于叶片有效部分的前端侧和后端侧；每个所述接触面分别包括彼此连续的三个表面，它们是以预定间隔相互平行的接触先行表面和接触后行表面，以及将接触先行表面和接触后行表面相连的接触摩擦表面。
此外，在本发明的涡轮叶片中，接触摩擦表面相对于旋转方向具有的正的预定倾斜角度。
在上述实施例中，在涡轮叶片中，位于涡轮叶片的叶片有效部分的腹侧的接触摩擦表面配合在沿涡轮叶片旋转方向与前面首先提到的涡轮叶片相邻的另一涡轮叶片的叶片有效部分的背侧的接触摩擦表面上，并且位于涡轮叶片的叶片有效部分的背侧的接触摩擦表面配合在沿涡轮叶片旋转方向的反向与前面首先提到的涡轮叶片相邻的又一涡轮叶片的叶片有效部分的腹侧的接触摩擦表面上，以使嵌装在涡轮转子上的涡轮叶片的外周表面彼此连接。
图1是根据本发明的涡轮(动)叶片的局部剖切透视图。
图2是设在根据本发明的涡轮叶片的顶部卡扣顶盖的俯视图。
图3是沿涡轮轴方向看时正在旋转的涡轮叶片的特性。
图4由图4A和图4B中的局部放大俯视图组成，示出了在设于根据本发明的涡轮叶片顶部的卡扣顶盖停止和转动时的涡轮叶片特性。
图5是示出了在设于根据本发明的涡轮叶片顶部的卡扣顶盖被驱动之前的组装状态的俯视图。
图6是示出了在设于涡轮叶片顶部的卡扣顶盖被驱动时的组装状态的俯视图。
图7是一种已有结构的涡轮叶片的透视图。
图8是一种已有涡轮叶片的侧视图，其中一个卡扣顶盖与相邻(毗邻)卡扣顶盖的临界表面以倾斜方式形成。
图9是该已有涡轮叶片在驱动之前的组装状态的俯视图。
具体实施例方式
下面参照附图以及附图标记来描述根据本发明优选实施例的涡轮(动)叶片。
图1是根据本发明的一个实施例的涡轮叶片的局部剖切透视图。
根据该实施例的涡轮(动)叶片包括一个叶片嵌入部分11，其嵌入转子轮10中；一个叶片有效部分12，其用于将作为工作流体的诸如蒸汽等流体变向并引导到下一级；以及一个卡扣顶盖13(13a、13b和13c)，其设在叶片有效部分12(12a、12b和12c)上。涡轮叶片是这样形成的，即通过切割叶片原料或构件而形成叶片嵌入部分11、叶片有效部分12和卡扣顶盖13，以提供出一个整体结构；或者通过切割叶片原料或构件而形成叶片嵌入部分11和叶片有效部分12，然后通过焊接而将预先制成为单独元件的卡扣顶盖13冶金结合在叶片有效部分12的顶端，以形成一个整体结构。
位于叶片有效部分12b顶部的卡扣顶盖13b设有接触面14bF和14bB，它们分别在与叶片旋转方向相垂直的方向上位于叶片前侧或腹侧(外凸侧)以及后侧或背侧(内凹侧)。所述接触面14bF和14bB被形成为大致垂直于叶片的旋转方向，并且具有一定的位置关系，以便在它们之间提供出预定距离。接触面14bF(14bB)包括三个表面，也就是两个基本上相互平行的表面即接触先行表面15bF1(15bB1)和接触后行表面15bF2(15bB2)，以及一个接触摩擦表面16bF(16bB)。整体上，卡扣顶盖13b具有曲拐形状。
另外，卡扣顶盖13b具有一个位于叶片顶端方向的流体引入侧端面17bL，其基本上平行于叶片的旋转方向，并且将接触先行表面15bF1和15bB1相连；以及一个位于叶片后端方向的流体排出侧端面17bT，其基本上平行于叶片的旋转方向，并且将接触后行表面15bF2和15bB2相连。
在卡扣顶盖13b中，接触面14bF的接触先行表面15bF1和接触后行表面15bF2接触或者以狭窄间隙面对着设在与叶片有效部分12b相邻的叶片有效部分12c的叶片顶部的卡扣顶盖13c的接触面14cB的接触先行表面15cB1和接触后行表面15cB2。
另一方面，接触摩擦表面16bF在压力下接触接触摩擦表面16cB。接触摩擦表面16aF与16bB、16bF与16cB彼此接触，以使作为一组的叶片有效部分12a、12b、12c、...中的所有或一部分叶片部彼此接触。
关于卡扣顶盖，卡扣顶盖13a的接触摩擦表面16aF(16aB)被这样形成，即相对于叶片有效部分12a的旋转方向具有正的预定角度α，如图2所示。
另外，在压力下与接触摩擦表面16aF相接触的接触摩擦表面16bB也被形成相对于沿叶片有效部分12b的旋转方向具有预定角度α。
接触面14aF(14aB)的其它表面，即接触先行表面15aF1(15aB1)和接触后行表面15aF2(15aB2)，不需要接触相邻接触面14bF(14bB)的接触先行表面15bF1(15bB1)和接触后行表面15bF2(15bB2)，并且可以分别通过狭窄间隙A和B而面对着它们。
如前所述，在构成接触面14aF(14aB)和14bF(14bB)的各个表面中，接触摩擦表面16aF(16aB)和接触摩擦表面16bF(16bB)被形成为沿叶片旋转方向具有正角度α，并且彼此接触。即使与旋转方向相同的方向上的振动模式产生在叶片有效部分12a和12b中，并且这些部位之间的相对距离变小和变大，也能够在它们的接触部位C维持接触状态。结果，可通过作用在接触部位C上的摩擦力有效地衰减振动。
下面参照图3和4解释上述效果的原因。
图3示出了沿涡轮轴方向看时的涡轮叶片，其中实线表示叶片停止时的位置。每个叶片以其叶片嵌入部分11嵌入转子轮10中，叶片末端之间具有节距P。虚线部分表示因叶片旋转产生的离心力以及蒸汽造成的热膨胀而使叶片沿纵向伸长了ΔL的部分。此时，关于叶片的末端部分的节距，该叶片末端部分的节距P增加了ΔP，从而从节距P变为节距P’。
图4是根据本发明的卡扣顶盖13a和13b的接触面14aF和14bB的接触摩擦表面16aF和16bB的放大图。
参看图4，当涡轮叶片如图4A所示停止时，接触先行表面15aF1和接触后行表面15bB1通过间隙B彼此面对。接触先行表面15aF2和接触后行表面15bB2通过间隙A彼此面对。另外，接触摩擦表面16aF和接触摩擦表面16bB在平面压力下以角度α相互接触。
在叶片如图4B所示旋转且节距如图3所示从节距P变为节距P’时，卡扣顶盖13a和13b沿叶片旋转方向彼此分开更大距离。这样，接触先行表面15aF1和接触后行表面15bB1通过间隙B加上ΔP而彼此面对。接触先行表面15aF2和接触后行表面15bB2通过间隙A加上ΔP而彼此面对。另外，此时，由于接触摩擦表面16aF和接触摩擦表面16bB以角度α相互接触，因此这两个表面相互叠加，如图4A中的斜线所示。在实际中，该叠加部分会弹性变形，因而平面接触压力施加在相应的表面上。也就是说，在根据本发明的接触摩擦表面的情况下，随着叶片节距的增大，接触摩擦表面之间的平面压力增大。因此，振动会被进一步衰减。
图5和6中的俯视图示出了根据本发明的卡扣顶盖应用于涡轮叶片时的情况，其中图5是从叶片顶部看时的处于组装状态(涡轮叶片停止时)的卡扣顶盖的俯视图，图6是从叶片顶部看时的被驱动(涡轮叶片旋转时)的卡扣顶盖的俯视图。
参看卡扣顶盖13，当卡扣顶盖处于组装状态时(叶片停止旋转时)，卡扣顶盖13a的接触先行表面15aF1与卡扣顶盖13b的接触后行表面15bB1之间的间隙B以及卡扣顶盖13a的接触先行表面15aF2与卡扣顶盖13b的接触后行表面15bB2之间的间隙A减小，接触摩擦表面16aF和接触摩擦表面16bB在平面压力下彼此紧密接触，如图5所示。在涡轮叶片被驱动(旋转)时，叶片有效部分12a和12b在叶片旋转所产生的离心力作用下从它们的正常位置向外伸展。特别地讲，这种伸展是因叶片有效部分12a和12b自身的离心力、高温蒸汽造成的叶片热膨胀(伸长)、高温蒸汽造成的转子径向膨胀(未示出)而引起的。因此，叶片有效部分12a与相邻叶片有效部分12b之间的节距从图5所示组装状态下的节距P增大到图6所示的叶片旋转时的节距(P+ΔP)。
在叶片有效部分12a与相邻叶片有效部分12b之间的节距P增大到节距(P+ΔP)时，卡扣顶盖13a的接触先行表面15aF1与卡扣顶盖13b的接触后行表面15bB1之间的间隙B以及卡扣顶盖13a的接触先行表面15aF2与卡扣顶盖13b的接触后行表面15bB2之间的间隙A分别增加ΔP。
另一方面，在已有结构中，如果平行于叶片有效部分12a和12b的旋转方向发生振动，则间隙会产生在卡扣顶盖13(13a和13b)的接触摩擦表面16aF与16bB之间。这样，摩擦力变小或变为零，振动不能被充分衰减。
根据本实施例，如图5所示，接触面14aF和14bB的接触摩擦表面16aF和16bB分别被形成为具有预定正角度α，即相对于叶片有效部分12a和12b的旋转方向的角度。根据这种结构，即使叶片有效部分12a和12b之间的节距增加ΔP，并因此而导致接触先行表面15aF1与接触后行表面15bB1之间的间隙B以及接触先行表面15aF2与接触后行表面15bB2之间的间隙A分别增加ΔP，也能够在任何时间确保接触摩擦表面16aF和接触摩擦表面16bB之间的接触。因此，即使沿着与叶片有效部分12a和12b的旋转方向相同的方向发生振动，一个接触部位C与另一个接触部位之间接触时产生的摩擦力会起伏，并且可以充分地确保产生摩擦力所需的接触平面压力。
因此，根据本实施例，即使沿着与叶片有效部分12a和12b的旋转方向相同的方向发生振动，振动也能够被充分抑制。因此，涡轮叶片可以在稳定状态下被驱动。
此外，根据本实施例的设置在涡轮叶片上的卡扣顶盖13(13a和13b)可以应用在涡轮机的高压部分、中压部分和低压部分中的任一部分中。特别地讲，在卡扣顶盖应用于涡轮机的高压和中压部分中时，可以非常有效地获得很高的振动控制效果，因此是较为优选的。
根据本发明的涡轮叶片，对于设在一个叶片的叶片有效部分的叶片顶部上的卡扣顶盖以及设在与上述叶片相邻(毗邻)的另一个叶片上的叶片有效部分的叶片顶部上的卡扣顶盖而言，由多个侧表面组成的接触面分别被形成为曲拐形。在构成所述接触面的各个表面中，卡扣顶盖的接触摩擦表面相对于叶片有效部分的旋转方向具有正的倾斜角度。因此，即使因涡轮的驱动而导致叶片有效部分的节距增大，也可以在任何时间确保具有接触部位。这样，即使振动出现在叶片有效部分的旋转方向的相同方向包括平行方向，叶片也可以充分地应对振动。因此，涡轮叶片具有足够的振动控制效果，并且可以在稳定状态下被可靠地驱动。
权利要求
1.一种涡轮叶片结构，其中设在一个叶片的叶片有效部分顶部的卡扣顶盖的至少一个侧表面接触设在与所述叶片相邻的另一个叶片的叶片有效部分顶部的卡扣顶盖的至少一个侧表面，所述叶片的所述侧表面具有相对于叶片有效部分的旋转方向倾斜的预定倾斜角度。
2.如权利要求1所述的涡轮叶片结构，其特征在于，每个卡扣顶盖被形成为曲拐形状，其中沿叶片有效部分的旋转方向位于卡扣顶盖前侧和后侧的侧表面分别包括两个临界表面和一个接触侧表面。
3.如权利要求2所述的涡轮叶片结构，其特征在于，接触侧表面沿叶片有效部分的旋转方向形成，并且具有相对于旋转方向倾斜的预定倾斜角度。
4.一种涡轮叶片，包括一个嵌入部分、一个与嵌入部分连续形成的叶片有效部分、一个整体设置在叶片有效部分顶端的卡扣顶盖，其中，卡扣顶盖具有接触面和流体侧端面；所述接触面被形成为基本上垂直于涡轮叶片的旋转方向，并且沿着嵌有涡轮叶片的涡轮转子的径向看，所述接触面分别位于有效叶片的腹侧和与腹侧相反的背侧；所述接触面被形成为接触与上述涡轮叶片相邻的另一涡轮叶片，所述流体侧端面基本上垂直于接触面，或者基本上平行于涡轮叶片的旋转方向，并且位于叶片有效部分的前端侧和后端侧；每个所述接触面分别包括彼此连续的三个表面，它们是以预定间隔相互平行的接触先行表面和接触后行表面，以及将接触先行表面和接触后行表面相连的接触摩擦表面。
5.如权利要求4所述的涡轮叶片，其特征在于，接触摩擦表面相对于旋转方向具有的正的预定倾斜角度。
6.如权利要求5所述的涡轮叶片，其特征在于，在涡轮叶片中，位于涡轮叶片的叶片有效部分的腹侧的接触摩擦表面配合在沿涡轮叶片旋转方向与前面首先提到的涡轮叶片相邻的另一涡轮叶片的叶片有效部分的背侧的接触摩擦表面上，并且位于该涡轮叶片的叶片有效部分的背侧的接触摩擦表面配合在沿涡轮叶片旋转方向的反向与前面首先提到的涡轮叶片相邻的又一涡轮叶片的叶片有效部分的腹侧的接触摩擦表面上，以使嵌装在涡轮转子上的涡轮叶片的外周表面彼此连接。
全文摘要
在涡轮叶片中，设在一个叶片的叶片有效部分顶部的卡扣顶盖以及设在与所述叶片相邻的另一个叶片的叶片有效部分顶部的卡扣顶盖分别具有由多个侧表面组成的曲拐形接触面。在组成接触面的这些表面中，卡扣顶盖的摩擦接触面用于与相邻卡扣顶盖的摩擦接触面相接触，并且相对于叶片有效部分的旋转方向具有正的预定倾斜角度。根据这种结构，可以提供出一种涡轮叶片，其中在涡轮被驱动时，卡扣顶盖和相邻卡扣顶盖的接触面保持接触状态，沿着与叶片有效部分旋转方向相同的方向上的振动模式可被充分控制。
文档编号F01D5/12GK1659361SQ0381260
公开日2005年8月24日 申请日期2003年5月30日 优先权日2002年5月31日
发明者大石安志, 金子丈治, 奥野研一, 藤塚真也 申请人:株式会社东芝