专利名称：汽轮机转子叶片组件及其组装方法
技术领域：
本发明涉及一种汽轮机转子叶片组件及其组装方法。
背景技术：
在热电厂或原子能发电厂中，工质的热能经由蒸汽轮机系统转化为机械能。
这种蒸汽轮机系统包括汽轮机壳体、沿着壳体轴纵向设置的多组定子叶片、和至少一组汽轮机转子叶片，该转子叶片固定在汽轮机转子外圆周上，以便该组汽轮机转子叶片相对于多组定子叶片交替设置，其中，每个汽轮机转子叶片沿着纵轴可旋转地得以支撑，以便相对于定子叶片转动。
这种现有技术系统包括覆环，该覆环插入汽轮机转子叶片顶端部分形成地多个凸榫部分中的每一个内，并然后通过铆接牢固地固定到每个汽轮机转子叶片上。这就形成了一个互联结构，该结构使得多个汽轮机转子叶片中每一个能够以均匀间隔开的关系牢固固定到汽轮机转子的外圆周上。汽轮机转子叶片顶端部分之间的这种互连结构不仅防止汽轮机转子叶片的振动，而且保持壳体内表面和汽轮机转子叶片外部之间的恒定的尺寸间隙，由此防止热蒸汽通过该间隙。
然而，这种现有技术组件的一个问题是覆环铆接工作取决于执行铆接的特定人员的个人技术，这就给保持铆接的一致性和强度的可靠性带来困难。
为了处理这个问题，尤其对于小叶型的短转子叶片，已经研制了使汽轮机转子叶片彼此互连的ISB(集成覆环叶片(integral shroud blade))系统。
图7到11示出了根据现有技术ISB系统的汽轮机转子叶片。如图7所示，汽轮机转子叶片120包括平台200，该平台200具有牢固插入转子170的轮盘160中的叶片根部180；从平台200径向向外延伸的叶型元件220；与叶型元件220一体形成的顶板240，多个这些顶板240连接到多个叶型元件220的顶部附近，从而多个汽轮机转子叶片圆周方向组合到一起。
如图8所示，多个汽轮机叶片120围绕转子170在圆周方向彼此邻近地设置。尤其如图9所示，顶板240包括端面260，该端面260在两个顶板240之间提供了邻接关系，并且这些端面260相对于从转子170中心向叶型元件220中心延伸的直线成平行关系。
与上述的覆环铆接系统类似，这种ISB系统减小工作中的振动和/或应力，这是由于当通过将叶片根部180插入转子170的轮盘160的外部内而组装时，多个汽轮机转子叶片借助于端面260在汽轮机转子叶片120在汽轮机叶片的顶板240之间提供了邻接关系得以牢固互连。
ISB系统的缺点在于两个顶板的邻接端面相对于从转子中心向叶型元件中心延伸的直线大致平行这个事实。
即，对于具有比特定高度更高的叶型的汽轮机转子叶片，由于在转动叶片工作过程中的离心力和热膨胀，沿着轮盘圆周的节距大小将显著增大。这种轮盘节距尺寸的扩大也导致在圆周方向上相邻汽轮机转子叶片的顶部之间的节距尺寸增大，从而在两个相邻的端面260之间会出现间隙。一方面，如果在设计汽轮机转子叶片过程中对这种膨胀加以考虑以保持他们圆周方向上固定的关系，那么两个相邻的汽轮机转子叶片将在组装汽轮机转子叶片组件时彼此重叠，如图10和11所示，这使得组装困难。另一方面，如果汽轮机转子叶片设计成可以轻易组装，在汽轮机转子叶片组件工作过程中每两个相邻端面之间会出现间隙，这将破坏每两个汽轮机转子叶片相邻顶部之间圆周方向上的牢固固定关系。
于是，本发明的一个目的是提供一种如下的汽轮机转子叶片组件，该组件可以容易地组装，并且在其工作过程中也可以保持每两个汽轮机转子叶片的相邻顶部之间圆周方向上的牢固固定关系。
本发明的另一目的是提供一种组装如下的汽轮机转子叶片组件的方法，该汽轮机转子叶片组件在其工作过程中可以保持每两个汽轮机转子叶片的相邻顶部之间圆周方向上的牢固固定关系。
发明内容
本发明涉及一种汽轮机转子叶片组件，该组件具有多个牢固插入到汽轮机转子外圆周内的汽轮机转子叶片。每个牢固插入到汽轮机转子内的汽轮机转子叶片包括从中心轴径向向外延伸的叶型元件、以及与叶型元件在其外端一体形成的顶板，其中，所述顶板提供了相邻汽轮机转子叶片之间的邻接互连关系。
其中，相邻汽轮机转子叶片之间的所述邻接接合表面相对于从转子中心到叶型元件中心延伸的中心直线倾斜地转成一个角度。
根据本发明的这个方面，汽轮机转子叶片通过将每个汽轮机转子叶片一个接一个地安装到转子外圆周上、同时使汽轮机转子叶片顶板的端面抵靠先前安装的汽轮机转子叶片顶板的端面安装而得以组装。
另外，即使在沿着轮盘圆周的节距尺寸由于工作过程中的离心力和热膨胀而扩大时，由于两个相邻汽轮机转子叶片的邻接接合端面相对于从转子中心到叶型元件中心的中心直线倾斜的转成一个角度，因此不可能在两个相邻的汽轮机转子叶片端面之间出现不期望的间隙，从而两个相邻的汽轮机转子叶片的邻接接合的顶端表面强制地彼此抵靠，由此保持两个相邻的汽轮机转子叶片的顶部之间圆周方向上的牢固固定关系，并在降低了工作过程中的振动和/和应力。
优选地是，所述倾斜角在5°和30°之间。
优选地是，所述多个汽轮机转子叶片包括如下的多个汽轮机转子叶片，该转子叶片的顶板具有不同于其他顶板的圆周长度。
本发明也涉及一种组装上述汽轮机转子叶片组件的方法，该方法包括将汽轮机转子叶片的根部一个接一个插入相应的转子轮盘中，直到所有汽轮机转子叶片牢固固定到相应的转子轮盘上，该步骤包括将垫片元件插入到要被固定的汽轮机转子叶片的平台和转子的处于与先前固定的汽轮机转子叶片相反一侧的外表面之间；在组装过程中偏压要被固定的汽轮机转子叶片以便在要被固定的汽轮机转子叶片的顶板的先前固定的汽轮机转子叶片顶板之间提供邻接接合；对于每个汽轮机转子叶片重复上述插入步骤和偏压步骤，直到安装了所有汽轮机转子叶片为止。
图1示出根据本发明的汽轮机转子叶片组件在其工作状态下的横截面图；图2示出取自图1中所绘圆圈II之内的组件的放大细节图；图3示出根据本发明的汽轮机转子叶片组件在其组装状态下的横截面图；图4示出取自图3中所绘圆圈IV内的组件的放大细节图；图5是示出两个相邻汽轮机转子叶片之间的间隙的示意图，用于给出该间隙变化的数学解释；图6是示出由图5所计算出的间隙的尺寸相对于两个相邻汽轮机转子叶片之间的倾斜角的曲线图；图7示出现有技术汽轮机转子叶片组件的立体图；图8示出现有技术汽轮机转子叶片组件在其工作状态下的横截面图；图9示出取自图8所绘的圆圈IX内的组件的放大细节图；图10示出现有技术汽轮机转子叶片组件在其组装状态下的横截面图；图11示出取自图10所绘的圆圈XI内的组件的放大细节图。
具体实施例方式
图1示出根据本发明的汽轮机转子叶片组件在其工作状态下的横截面图，图2示出取自图1所示圆圈II内的组件的放大细节图，图3示出根据本发明的汽轮机转子叶片组件在其组装状态下的横截面图，而图4示出取自图3所示的圆圈IV内的组件的放大细节图。
只有本发明的汽轮机转子叶片组件的特征予以详细描述，也就是说，与现有技术汽轮机转子叶片系统相似的结构将不再解释。
与现有技术中一样，汽轮机转子叶片组件10包括多个固定到转子外圆周上的汽轮机转子叶片12。汽轮机转子叶片12的数量是设计的问题。每个汽轮机转子叶片12包括平台20，该平台20具有牢固插入转子轮盘16外部内的叶片根部18；从平台20向外径向延伸的叶型元件22；以及与叶型元件整体形成的顶板24。多个汽轮机转子叶片12以多个汽轮机转子叶片在圆周方向通过每对相邻顶板24之间接合的方式彼此互连。平台20、叶型元件22、以及顶板24可以通过刨削一体形成。参照图2，当汽轮机转子叶片12围绕转子固定时，相邻汽轮机转子叶片12之间的邻接接合表面26相对于从转子中心向叶型元件22中心延伸的直线具有倾斜角α。优选地是，这个倾斜角在5°到30°之间，尽管它可以根据在工作过程中在离心力和热膨胀作用下两个相邻顶板24的端面26之间的间隙的大小来适当的选择。
多个汽轮机转子叶片中的每一个可以具有与其他叶片的顶板圆周长度不同的顶板。选定每个顶板的这种圆周长度差异以便适当地调节顶板的由其上的离心力所导致的向外突起量，由此优化两个相邻端面之间的抵靠力。
已经描述了图1～2所示的汽轮机转子叶片组件10，下面将详细描述其工作。
参照图3和图4，通过将汽轮机转子叶片一个接一个的安装到转子外圆周上，同时保持要被安装的汽轮机转子叶片的顶板24的端面26抵靠先前安装的汽轮机转子叶片12的顶板24的相邻端面，使得汽轮机转子叶片12组装成围绕转子固定。优选地是，这个组装过程包括将垫片元件插入要被固定的汽轮机转子叶片的平台20和转子在与先前固定的汽轮机转子叶片12相反一侧的外表面之间，并在组装过程中偏压要被固定的汽轮机转子叶片12以便在要被固定的汽轮机转子叶片12的顶板和先前固定的汽轮机转子叶片12的顶板之间提供邻接接合。对于每个汽轮机转子叶片，重复所述插入步骤和偏压步骤，直到完全构成了汽轮机转子叶片组件10为止。应指出的是，在所有汽轮机转子叶片已经安装以后，去除垫片元件。
再次参照图1和2，即使在沿着轮盘16圆周的节距大小由于工作过程中作用在轮盘16上的离心力和热膨胀而扩大，因为两个相邻的顶板24的邻接接合端面26相对于从转子中心到叶型元件中心的中心直线28倾斜地转成一个角度这个事实，因此不可能在两个相邻的汽轮机转子叶片12的端面26之间出现不希望的间隙C，从而两个相邻汽轮机转子叶片12的邻接接合的顶端表面26彼此强制抵靠，由此保持了两个相邻的汽轮机转子叶片的顶部之间圆周方向上的牢固固定关系，并减小了工作过程中的振动和/和应力。
根据上述实施例，由于多个汽轮机转子叶片12在其圆周方向彼此保持牢固固定关系，因此可以减小工作过程中的振动和/和应力，结果，可以延长汽轮机转子叶片12的寿命。
以下稍微以数学的方式解释将汽轮机转子叶片顶板上的邻接接合表面倾斜地转成一个角度所带来地效果。图5是示出两个相邻汽轮机转子叶片之间的间隙的示意图，用于给出该间隙变化的数学解释，图6是示出从图5计算出的间隙的尺寸相对于相邻汽轮机转子叶片之间的倾斜角的曲线图。
AAAA参照图5，线段AC对应于从叶片根部到顶板延伸的长度，其中点A被认为是其转动中心，而线段CD对应于顶板的长度。线段BF和EF中的每一条类似地分别对应于相邻的汽轮机转子叶片。位于从转动中心点O向外径向延伸的直线上的每个叶型元件分别转动，从而汽轮机转子叶片各自顶板的端点D和F中的每一个彼此在相同位置处重合，并且位于顶板各自端面上的这些点具有倾斜角α。将在下面解释当每个汽轮机转子叶片在其旋转中心分别指向角θ时相应顶板的每个端面的取向。
简要地说，在具有坐标原点O的X和Y坐标平面内，假设每个顶板12和13具有相同的圆周长度，并也假设所有的n个汽轮机转子叶片12以圆周上基本等间隔关系设置，从转子中心到顶板端点延伸的直线a将解释如下y=xtan(3602n)---(1)]]>当定义为OA＝OB＝R并且AC＝BF＝11时，每个点C、D、E、和F的坐标位置值分别描述表示如下C(x0，y0)x0＝0Y0＝R+11D(x1，y1)x1＝x2＝12E(x2，y2)y1＝y2＝R+11F(x3,y3):x3=(R+l1)sin360n]]>y3=(R+l1)cos360n]]>对应于线段OF的直线b描述如下y=xtan(360n)---(2)]]>其中对应于汽轮机转子叶片的顶板的线段c和线段b以其间角度为α彼此交叉，β定义成β=α-3602n]]>线段c描述如下y=-xtanβ+x1tanβ+y1---(3)]]>对应于相邻汽轮机转子叶片的顶板的线段d和EF描述如下
y=-(tan360n)x+(tan360n)+x3+y3---(4)]]>当每个汽轮机转子叶片已经转过角度θ时，上述每个点可以用附加的撇号“′”表示，由此每个点C′、D′、E′和F′分别描述如下C′(x0′，y0′)x0′＝11sinθy0′＝11cosθ+RD′(x1′，y1′)x1′＝11sinθ+12cosθy1′＝11cosθ-12sinθ+RE′(x2′，y2′)x2′=R1sin360n+l1sin(360n+θ)-l3cos(360n+θ)]]>y2′=R1cos360n+l1cos(360n+θ)+l3sin(360n+θ)]]>F′(x3′，y3′)x3′=R1sin360n+l1sin(360n+θ)]]>y3′=R1cos360n+l1cos(360n+θ)]]>穿过点(x1′，y1′)并且相对于线c以角度θ定位的线c′描述如下y=-xtan(β-θ)+x1′tan(β-θ)+y1′---(5)]]>类似地，穿过点(x2′，y2′)并相对于线c以角度θ定位的线c′描述如下y=-xtan(β-θ)+x2′tan(β-θ)+y2′---(6)]]>其中线c和线c′之间的距离m如下m2=|[x1′+tan(β-θ)*y1′]2-[x2′+tan(β-θ)*y2′]2|tan2(β-θ)+1---(7)]]>作为方程(7)的结果，图6示出了对于θ＝0.5的m相对于β的曲线。如图6所示，两个相邻端面之间的距离m大致为β的递增函数，即，例如，当将对于β＝0的m值与对于β＝6的m值相比时，后者大致为前者的二倍。于是，如果各端面的倾斜角(α和β)正确地选取，一方面在两个相邻端面之间将出现一特定的间隙，从而通过安装指向角θ的汽轮机转子叶片使得组装容易，另一方面，将不存在由于工作过程中离心力和热膨胀导致的节距尺寸扩大而带来的间隙，从而汽轮机转子叶片两个相邻的端面彼此强制抵靠，由此保持两个相邻汽轮机转子叶片顶部之间圆周方向上的牢固固定关系。
虽然本发明已经参照特定实施例详细描述，本领域技术人员将意识到在不背离所附权利要求书限定的本发明的范围和精髓前提下可以对其作出各种变化。
因此，提供了根据本发明的汽轮机叶片组件，该组件可以轻易组装，并且可以在工作过程中保持两个相邻汽轮机转子叶片顶部之间圆周方向上的牢固固定关系。
根据本发明的用于组装汽轮机转子叶片组件的方法，汽轮机转子叶片组件可以轻易组装，并也可以在工作过程中保持两个相邻汽轮机转子叶片顶部之间圆周方向上的牢固固定关系。
权利要求
1.一种汽轮机转子叶片组件，具有多个牢固插入到汽轮机转子外圆周内的汽轮机转子叶片，其中每个转子叶片包括从中心轴向外径向延伸的叶型元件和在其外端与叶型元件一体形成的顶板，其中，所述顶板提供了相邻汽轮机转子叶片之间的邻接互连关系；其中，相邻汽轮机转子叶片之间的所述邻接接合表面相对于从转子中心到叶型元件中心延伸的中心直线倾斜的转成一个角度。
2.如权利要求1所述的汽轮机转子叶片组件，其特征在于，所述倾斜角在5°和30°之间。
3.如权利要求1和2所述的汽轮机转子叶片组件，其特征在于，所述多个汽轮机转子叶片包括多个如下的汽轮机转子叶片，即，每个汽轮机转子叶片的顶板的圆周长度不同于其他顶板的圆周长度。
4.一种用于组装如权利要求1所述的汽轮机转子叶片的方法，包括将汽轮机转子叶片的根部一个接一个插入相应的转子轮盘中，直到所有汽轮机转子叶片牢固固定在转子轮盘上，所述方法包括以下步骤将垫片元件插入要被固定的汽轮机转子叶片的平台和转子的与先前固定的汽轮机转子叶片相反的一侧的外表面之间；在组装过程中偏压要被固定的汽轮机转子叶片，从而在要被固定的汽轮机转子叶片顶板和先前固定的汽轮机转子叶片顶板之间形成邻接接合；对于每个汽轮机转子叶片重复所述插入步骤和偏压步骤，直到所有汽轮机转子叶片安装好。
全文摘要
提供了一种汽轮机转子叶片组件，该组件可以轻易组装，并也可以在工作过程中保持相邻汽轮机转子叶片的顶部之间圆周方向上的牢固固定关系。本发明提供了一种汽轮机转子叶片组件，该组件具有多个固定到汽轮机转子外圆周上的汽轮机转子叶片，其中，汽轮机转子叶片牢固插入到汽轮机转子中，并且每个汽轮机转子叶片包括从中心轴径向向外延伸的叶型元件和与叶型元件在其外端形成为一体的顶板，其中，所述顶板提供了相邻汽轮机转子叶片之间的邻接互连关系，其中，相邻汽轮机转子叶片之间的所述邻接接合表面相对于从转子中心到叶型元件中心延伸的中心直线倾斜地转成一个角度。
文档编号F01D5/22GK1529788SQ0280012
公开日2004年9月15日 申请日期2002年6月7日 优先权日2002年6月7日
发明者佐佐木公良, 一, 池野恭一 申请人:三菱重工业株式会社