專利名稱：混合的調(diào)諧混合式葉片及有關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及蒸汽渦輪葉片(或槳葉)；尤其涉及被專門設(shè)計(jì)來提供不同的預(yù)定材料頻率和/或阻尼特性以改善系統(tǒng)性能的混合式復(fù)合葉片。
背景技術(shù)：
蒸汽渦輪葉片在受到大的離心負(fù)載和振動(dòng)應(yīng)力作用的環(huán)境中工作。當(dāng)葉片的自然頻率與運(yùn)轉(zhuǎn)速度或其他通過頻率(上游葉片或噴嘴的個(gè)數(shù)或其他主要的周期/轉(zhuǎn)(per/rev)特性)共振時(shí)，振動(dòng)應(yīng)力增大。當(dāng)葉片作共振振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)應(yīng)力的大小與系統(tǒng)中的阻尼量成比例(阻尼由材料，空氣動(dòng)力學(xué)和機(jī)械零件以及振動(dòng)的激勵(lì)強(qiáng)度構(gòu)成)。對于連續(xù)地連接的葉片，振動(dòng)頻率為一排中整個(gè)葉片系統(tǒng)的函數(shù)，而不必為該排內(nèi)的單個(gè)葉片的函數(shù)。
同時(shí)，離心負(fù)載為工作速度，葉片質(zhì)量和離該質(zhì)量所在的發(fā)動(dòng)機(jī)中心線的半徑的函數(shù)。當(dāng)葉片的質(zhì)量增加時(shí)，在其下邊的徑向高度處的實(shí)際面積或橫截面積必需增加，以便可以在不超過該給定材料的允許應(yīng)力的條件下，在其上面承載該質(zhì)量。這種在下部跨度處葉片截面積的增加會使在根部的流動(dòng)受到過大的阻塞，因此性能降低。該葉片的重量使得轉(zhuǎn)子燕尾槽和圓盤的應(yīng)力較高，因此可靠性降低。
幾個(gè)先前的美國專利涉及所謂的“混合式”葉片設(shè)計(jì)。在該葉片中，通過將翼面組成為金屬和聚合物填充劑材料的結(jié)合而減小該翼面的重量。具體地是，在該翼面部分上作出一個(gè)或多個(gè)凹坑，并充以聚合物填充劑材料，使該翼面輪廓不改變。這些先前的專利包括美國專利613927號，6042338號，5931641號和5720597號。2003年4月16日提出的正在審查中和公共擁有的申請S.N.10/249518說明了改變凹坑形狀，以改變相應(yīng)的葉片組的阻尼特性的混合式葉片。
因此，需要繼續(xù)開發(fā)混合式葉片，以改善多排渦輪葉片的集中的自然頻率和/或阻尼特性。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及擴(kuò)展混合式葉片工藝，以減小或更有效地阻尼蒸汽渦輪葉片的振動(dòng)。
在第一個(gè)示例性實(shí)施例中，將該葉片制造成帶有一個(gè)或多個(gè)凹坑，凹坑則充以聚合物填充劑材料。選擇該填充劑材料，以改變在一排葉片內(nèi)，葉片的自然頻率。這樣，通過在一排這種葉片中，對各種葉片選擇適當(dāng)?shù)奶畛鋭┎牧?，可以“調(diào)除”不希望的自然頻率。為了達(dá)到所希望的頻率改造，可以在許多葉片的凹坑中使用二種或多種填充劑材料。這種結(jié)構(gòu)可以或不可以改變該整個(gè)排的葉片的阻尼特性。
在這個(gè)實(shí)施例的變型中，將二維混合式葉片安裝成一排葉片。一組混合式葉片使用的聚合物填充劑材料的剛度，比在第一組葉片中使用的該材料的剛度高。通過將該葉片以預(yù)先確定的對稱的模式裝配在葉輪上，不但自然頻率改變而且整排葉片的阻尼特性也可改變。在任何情況下，通過在一排葉片內(nèi)，改變?nèi)~片的自然頻率，可以抑制該整排的空氣彈性響應(yīng)，而不會對葉片的空氣動(dòng)力學(xué)性質(zhì)有不好的影響。
在第二個(gè)實(shí)施例中，選擇聚合物填充劑材料作為該填充劑材料的阻尼特性的函數(shù)。換句話說，作為其阻尼特性的函數(shù)來規(guī)定填充劑材料，使得可將葉片振動(dòng)抑制至一個(gè)允許的水平。在一個(gè)例子中，為了改變一排葉片的阻尼特性，在一排葉片中的所有葉片，在葉片凹坑中將使用至少二種填充劑材料。在另一個(gè)例子中，在一排中安裝二組或多組葉片。每一組葉片使用的填充劑材料的阻尼特性與在另一組或多個(gè)組中使用的填充劑材料不同。這個(gè)實(shí)施例的焦點(diǎn)是依賴“混合調(diào)諧”的概念，來安排多組葉片，以達(dá)到一排葉片的阻尼更大。然而，也有可能是這種方法可使每一個(gè)葉片的頻率偏移，以進(jìn)一步改善系統(tǒng)對同步和非同步振動(dòng)的響應(yīng)總的阻尼。
因此，在較廣的方面來說，本發(fā)明涉及包括一個(gè)柄部分和一個(gè)翼面部分的蒸汽渦輪葉片，該翼面部分上作出至少一個(gè)凹坑，該凹坑充以作為加在該渦輪葉片上的自然頻率的函數(shù)選擇的聚合物填充劑材料。
在另一個(gè)方面中，本發(fā)明涉及一種蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子葉輪，該葉輪包括固定在該葉輪的圓周周邊周圍的多個(gè)葉片，每一個(gè)葉片包括一個(gè)柄部分，一個(gè)翼面部分和在該翼面部分中的一個(gè)或多個(gè)凹下的凹坑。該多個(gè)葉片分成二組葉片，一組葉片的凹坑充以一種或多種聚合物填充劑材料，而且另一組葉片的凹坑充以一種或多種聚合物填充劑材料；其中，在一組葉片中的聚合物填充劑材料形成在一組葉片中與另一組葉片中的聚合物填充劑材料不同的自然頻率；并且其特征還在于，二組葉片根據(jù)預(yù)先確定的模式，裝配在該轉(zhuǎn)子葉輪上。
在另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及包括一個(gè)柄部分和一個(gè)翼面部分的蒸汽渦輪葉片，該翼面部分上作出多個(gè)凹坑，該凹坑充以作為該聚合物填充劑材料的阻尼特性的函數(shù)選擇的聚合物填充劑材料。
在另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一個(gè)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子葉輪。該葉輪包括多個(gè)固定在該葉輪的圓周周邊周圍的多個(gè)葉片，每一個(gè)葉片包括一個(gè)柄部分，一個(gè)翼面部分和一個(gè)或多個(gè)在翼面部分上的凹坑。該多個(gè)葉片分成二個(gè)葉片組，一個(gè)組的葉片的一個(gè)或多個(gè)凹坑充以第一種聚合物填充劑材料，而另一組葉片的凹坑充以第二種聚合物填充劑材料；其中，該第一和第二種填充劑形成在一個(gè)組的葉片中，與在另一個(gè)組的葉片中聚合物填充劑材料不同的阻尼特性；并且其中，該二組葉片根據(jù)預(yù)先確定的模式裝配在該轉(zhuǎn)子葉輪上。
在又一個(gè)方面中，本發(fā)明涉及抑制在蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子葉輪上的一排葉片的空氣彈性響應(yīng)的方法。該方法包括(a)提供多個(gè)葉片，每一個(gè)葉片上作出一個(gè)或多個(gè)凹坑；(b)利用作為加在該排葉片上的自然頻率的函數(shù)選擇的一種或多種填充劑材料充以該一個(gè)或多個(gè)凹坑。
在又一個(gè)方面中，本發(fā)明涉及抑制在蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子葉輪上的一排葉片的空氣彈性響應(yīng)的方法。該方法包括(a)提供多個(gè)葉片，每一個(gè)葉片上作出一個(gè)或多個(gè)凹坑；和(b)利用作為該一種或多種填充劑材料的阻尼特性的函數(shù)選擇的一種或多種填充劑材料充以該一個(gè)或多個(gè)凹坑。
現(xiàn)在結(jié)合下述的附圖詳細(xì)說明本發(fā)明。
附圖簡要說明

圖1為作出填充劑凹坑的部分地制造的葉片的透視圖；圖2為將聚合物填充劑材料添加在葉片上之后的圖1所示的葉片的透視圖；圖3為根據(jù)另一個(gè)例子的部分地制造的葉片的透視圖；和圖4為上面安裝著多個(gè)渦輪葉片的渦輪轉(zhuǎn)子葉輪的示意性的側(cè)視圖。
本發(fā)明的詳細(xì)說明參見圖1，圖中所示的蒸汽渦輪葉片10為部分地制造的形式。該葉片10包括一個(gè)柄部分12和一個(gè)翼面部分14。本發(fā)明特別涉及由鋼或鈦制造的該翼面部分14，但其他適當(dāng)?shù)牟牧习ㄤX、鈷或鎳。肋16，18與該翼面部分整體地鑄造出來，以形成分開的填充劑凹坑(或簡單地說為凹坑)20，22和24。然而，該肋不與該翼面部分的側(cè)邊緣26，28齊平。如圖2所示，在一個(gè)例子中，在該翼面的壓力(或負(fù)壓)側(cè)上，就地鑄造基于聚合物(尿烷)的填充劑材料30，充以該凹坑20，22和24；并覆蓋該肋，從而在該葉片的整個(gè)壓力側(cè)上，形成光滑的聚合物表面32。使該肋或形成單個(gè)凹坑的表面與該翼面的剩余的外表面齊平，將各凹坑或凹部逐一填充，在該聚合物填充劑和金屬表面之間的界面平滑的結(jié)構(gòu)也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
在上述實(shí)施例中，肋16，18沿著該翼面部分14的長度，在相反方向形成一個(gè)角度，但沿著該翼面部分壓力(或負(fù)壓)側(cè)，在所希望的位置上作出不同形狀的凹坑的其他結(jié)構(gòu)也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
例如，圖3表示包括一個(gè)柄部分36和一個(gè)翼面部分38的葉片34。在該翼面部分38的壓力側(cè)上作出在徑向方向的內(nèi)凹坑和外凹坑40，42。該內(nèi)外凹坑由較寬的輻板或肋44和一個(gè)中間跨度的阻尼器隔開。
該凹坑20，22，24，40和42的填充劑材料30可以包括不同硬度的以尿烷為基礎(chǔ)的聚合物，以硅酮為基礎(chǔ)的聚合物，以橡膠為基礎(chǔ)的化合物，或帶有適當(dāng)?shù)挠不瘎┑木酆衔锘旌衔?，?或?yàn)榱苏{(diào)節(jié)頻率，阻尼，耐腐蝕性等的諸如玻璃或陶瓷一類的其他材料。在美國專利6287080和5931641號中說明了幾種適當(dāng)?shù)奶畛鋭┏煞?。將該填充劑材?0粘接在該翼面部分的金屬表面上的選擇無限制地包括自行粘接，在填充劑材料30和該翼面部分的金屬表面之間的粘接，粘接劑粘接(粘接劑薄膜或膏)和熔融粘接。
在第一個(gè)示例性實(shí)施例中，在一排這種葉片內(nèi)的葉片10的凹坑20，22和24，或葉片34的凹坑40，42充以作為自然頻率函數(shù)選擇的填充劑材料。在一個(gè)例子中，所有的凹坑(從1個(gè)至4個(gè)或更多)充以相同的聚合物填充劑材料，以達(dá)到單個(gè)葉片以及整排葉片的所希望的自然頻率。在另一個(gè)例子中，每一個(gè)葉片包括至少二種不同剛度的填充劑材料，以達(dá)到所希望的自然頻率。
在第二個(gè)實(shí)施例中，二組或多組帶有如同圖1中的沿著該翼面的壓力側(cè)的凹坑20，22和24(或圖3中的40，42)的凹下的凹坑的葉片10(或34)，可以作成每一組的葉片的凹坑中的填充劑材料不同。作為一個(gè)例子，一組葉片可以使用較高強(qiáng)度或“較高剛性”的材料作為該凹坑的填充劑，而另一組葉片可以使用剛度較低的材料。另一種方案是，一組葉片的多個(gè)凹坑可以相應(yīng)地充以多種聚合物填充劑，而另一組的葉片的多個(gè)凹坑可以充以相應(yīng)地不同的多種聚合物填充劑。這樣，例如對于第一組葉片，參見圖3中的葉片34，凹坑40可充以聚合物“a”，凹坑42可充以聚合物“b”。對于第二組葉片34，凹坑40可充以聚合物“c”，凹坑42可充以聚合物“d”。選擇這些材料也是為了達(dá)到在二組葉片中不同的共振頻率。
如圖5所示，可以利用上述的葉片設(shè)計(jì)形成在一個(gè)蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子葉輪48上的一排葉片。具體地說，可以將組A和B(由葉片10或34組成)以預(yù)先確定的圖形形狀(例如圖形ABAB......)安裝在該渦輪葉輪上，使A組的葉片總是鄰近B組葉片。這樣，可以有目的地制造二組(或更多)葉片，并按邏輯裝配，使得利用其共振頻率固有的差別作為減小系統(tǒng)對同步或非同步的振動(dòng)的響應(yīng)的方法不會對該葉片設(shè)計(jì)的空氣動(dòng)力學(xué)性質(zhì)有不利影響。另外，在這方面，存在著設(shè)計(jì)一組自然頻率相等地配置在二個(gè)“周期-轉(zhuǎn)”標(biāo)準(zhǔn)(例如，每轉(zhuǎn)4個(gè)和每轉(zhuǎn)5個(gè)裂縫)和設(shè)計(jì)帶有不同的填充劑材料的另一組葉片的可能，使其相等地配置在另一組“周期-轉(zhuǎn)”激勵(lì)源(例如，每轉(zhuǎn)3個(gè)或每轉(zhuǎn)4個(gè)裂縫)，周圍。
還可以改變?nèi)~片組分布的模式，以達(dá)到所希望的頻率特性。例如，可以使用模式AABBAA......或AABAAB......。
在本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例中，將該葉片制成帶有一個(gè)或多個(gè)充以尿烷或硅聚合物填充物材料的凹坑，該填充劑材料可作為該填充劑材料的阻尼特性的函數(shù)選擇。
這可用二種方法中的一種完成。第一種方法是在每一個(gè)葉片10的凹坑20，22，24內(nèi)(或葉片34的凹坑40，42)使用一種或多種多樣填充劑，用以改變每一個(gè)葉片的阻尼系數(shù)，以及整排葉片的阻尼響應(yīng)。根據(jù)那里需要特殊的材料性質(zhì)，一些凹坑可以充以阻尼大的材料，或可以滿足一些特殊要求，但不一定與阻尼有關(guān)的材料。在葉片的一些區(qū)域，腐蝕可能是一個(gè)問題；然而，對防止腐蝕理想的材料，可能對減小振動(dòng)不理想。在另一些區(qū)域中，腐蝕可能不是一個(gè)大問題，而振動(dòng)阻尼可以為主要問題。在任何情況下，通過改變阻尼特性至較大或較小程度，可將一排葉片中的系統(tǒng)振動(dòng)的振幅減小至允許水平。
與這個(gè)第二個(gè)實(shí)施例有關(guān)的第二種方法包括將葉片10隔開成二個(gè)分開的組，每一個(gè)組包括不同的填充劑材料30，以便在相應(yīng)的組內(nèi)調(diào)節(jié)葉片的阻尼系數(shù)。例如，一個(gè)組的所有葉片可包括在相應(yīng)凹坑中的一種或多種填充劑；而第二組的所有葉片包括一種或多種填充物的不同選擇。該葉片可裝配成一定的圖形，如上述圖形那樣(即ABAB......或AABBAA......等)。該圖形結(jié)構(gòu)可通過在每一組葉片中的葉片的各種阻尼響應(yīng)，產(chǎn)生混合調(diào)諧該組葉片，以形成阻尼更大的葉片排或組。這還可使每一個(gè)葉片的頻率偏移，使混合調(diào)諧的概念有更大優(yōu)點(diǎn)。
每一種上述方法都可以導(dǎo)致除去在一些葉片設(shè)計(jì)的中間跨度處的典型的機(jī)械阻尼器(圖3)。這種中間跨度連接是一種流動(dòng)干擾，可使渦輪效率降低。換句話說，通過使用帶有改進(jìn)的阻尼性質(zhì)的適當(dāng)?shù)奶畛鋭┎牧?，可以完全除去目前的中間跨度的阻尼器。
雖然已經(jīng)結(jié)合目前認(rèn)為是最實(shí)際和優(yōu)選的實(shí)施例說明了本發(fā)明，但應(yīng)了解，本發(fā)明不是僅限于所述的實(shí)施例，相反，它涵蓋包括在所附權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)的各種改進(jìn)和等同的結(jié)構(gòu)。
零件清單蒸汽渦輪葉片10柄部分 12翼面部分14肋 16，18填充劑凹坑 20，22，24側(cè)邊緣 26，28填充劑材料 30葉片34柄部分 38翼面部分38內(nèi)和外凹坑 40，42翼面部分38輻板或肋44機(jī)械阻尼器 46蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子葉輪48
權(quán)利要求
1.一種蒸汽渦輪葉片(10)，包括一個(gè)柄部分(12)和一個(gè)翼面部分(14)，該翼面部分上制出至少一個(gè)凹坑(20)，該凹坑充以被選為加在該渦輪葉片上的自然頻率的函數(shù)的聚合物填充劑材料。
2.如權(quán)利要求1所述的蒸汽渦輪葉片，其特征為，在每一個(gè)葉片上制出二個(gè)凹坑(20，22)，每一個(gè)凹坑充以基本上相同的填充劑材料。
3.如權(quán)利要求1所述的蒸汽渦輪葉片，其特征為，在每一個(gè)葉片上制出二個(gè)凹坑(20，22)，每一個(gè)凹坑充以不同的填充劑材料。
4.如權(quán)利要求1所述的蒸汽渦輪葉片，其特征為，所述的聚合物填充劑材料包括以尿烷為基礎(chǔ)的聚合物。
5.如權(quán)利要求1所述的蒸汽渦輪葉片，其特征為，所述第一和第二種聚合物填充劑材料包括不同硬度的以尿烷為基礎(chǔ)的聚合物。
6.如權(quán)利要求1所述的蒸汽渦輪葉片，其特征為，所述聚合物填充劑材料包含一種或多種硬化劑。
7.一種蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子葉輪(48)，包括固定在該葉輪圓周周邊周圍的多個(gè)葉片(10)；每一個(gè)葉片包括一個(gè)柄部分(12)，一個(gè)翼面部分(14)，和在該翼面部分上的一個(gè)或多個(gè)凹下的凹坑(20)；所述多個(gè)葉片被分成二個(gè)葉片組，一組葉片(A)的凹坑(20)充以一種或多種聚合物填充劑材料，而另一組葉片(B)的凹坑充以一種或多種聚合物填充劑材料；其中，一組葉片(A)內(nèi)的聚合物填充劑材料在該一組葉片中形成與另一組葉片(B)中的聚合物填充劑材料不同的自然頻率；并且，其中，該二個(gè)組葉片(A，B)根據(jù)預(yù)先確定的方式，被裝配在該轉(zhuǎn)子葉輪(48)上。
8.如權(quán)利要求7所述的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子葉輪，其特征為，一組葉片(A)沿葉輪(48)的圓周周圍與另一組葉片(B)交替，使得一組中的任何葉片總是與另一組中的一個(gè)葉片相鄰。
9.如權(quán)利要求7所述的蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子葉輪，其特征為，所述第一和第二種聚合物填充劑材料包括不同硬度的以尿烷為基礎(chǔ)的聚合物。
10.一種抑制一蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子葉輪(48)上一排葉片(10)的空氣彈性響應(yīng)的方法，它包括(a)提供多個(gè)葉片(10)，每一個(gè)葉片在其上制出一個(gè)或多個(gè)凹坑(20)；和(b)用一種或多種被選為加在該排葉片上的自然頻率的函數(shù)的填充劑材料充以所述一個(gè)或多個(gè)凹坑。
11.一種抑制蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子葉輪(48)上的一排葉片(10)的空氣彈性響應(yīng)的方法，該方法包括(a)提供多個(gè)葉片(10)，每一葉片在其上制出一個(gè)或多個(gè)凹坑(20)；和(b)用一種或多種被選為該一種或多種填充劑材料的阻尼特性的函數(shù)的填充劑材料充以所述的一個(gè)或多個(gè)凹坑(20)。
全文摘要
一種蒸汽渦輪葉片(10)包括一個(gè)柄部分(12)和一個(gè)翼面部分(14)。翼面部分上作出至少一個(gè)凹坑(20)，該凹坑利用作為加在該渦輪葉片上的自然頻率的函數(shù)，或作為該填充劑材料的阻尼特性的函數(shù)選擇的聚合物填充劑材料充以。一種蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子葉輪(48)包括固定在該葉輪圓周周邊周圍的多個(gè)葉片(10)，每一個(gè)葉片在其翼面部分上有一個(gè)或多個(gè)凹坑(20)，該多個(gè)葉片分成二個(gè)葉片組(A，B)。一個(gè)組的葉片(A)的凹坑充以一種或多種聚合物填充劑材料，而且另一個(gè)組的葉片(B)的凹坑充以一種或多種聚合物填充劑材料；其特征為，一個(gè)組的葉片中的該聚合物填充劑材料，在一個(gè)組的葉片中，形成與在另一組的葉片中的聚合物填充劑材料不同的自然頻率或阻尼特性。該二個(gè)組的葉片根據(jù)預(yù)先確定的模式，裝配在該轉(zhuǎn)子葉輪上。
文檔編號F01D5/10GK1734062SQ200510089780
公開日2006年2月15日 申請日期2005年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月9日
發(fā)明者S·S·博德吉克, G·W·德萊昂納多, W·W·林, K·J·巴布 申請人:通用電氣公司