專利名稱：滑槽設(shè)計的混合葉片以及相關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種蒸汽輪機葉片(或葉片)，尤其涉及一種在混合或復(fù)合葉片中附著填充材料。
背景技術(shù)：
蒸汽輪機葉片工作于高離心載荷和振動應(yīng)力的環(huán)境中。當(dāng)葉片的固有頻率達到共振時，振動應(yīng)力增加。當(dāng)葉片進行共振振動時，振動應(yīng)力的大小與系統(tǒng)中的阻尼大小(阻尼程度的大小可以通過材料以及氣動力學(xué)組件和機械組件達到)以及振動的激勵水平成比例。
同時，離心載荷是操作速度、葉片質(zhì)量以及距該質(zhì)量所在的發(fā)動機中心線的半徑的函數(shù)。隨著葉片質(zhì)量的增加，徑向高度較低處的物理面積或剖面面積必須有所增加，這樣才能承擔(dān)上面的質(zhì)量而不超過給定材料的許用應(yīng)力。在葉片寬度較小的區(qū)域增加橫截面積會導(dǎo)致在根部過多地阻礙流動，從而降低性能。葉片重量的增加也會造成較高的輪盤應(yīng)力(diskstresses)，從而潛在地降低了可靠性。
若干美國在先專利涉及到所謂的“混合”葉片設(shè)計，其中金屬葉片的翼型部分形成有一個或多個滑槽，滑槽中裝有聚合物(或者聚合物/金屬、玻璃或陶瓷混合)填充材料。這些在先專利包括美國專利No.6,287,080、6,139,278、6,042,338、6,039,542、6,033,186、5,947,688、5,931,641和5,720,597。也可以參見2003年4月16日提交的序號為No.10/249,518的共同待審的共有申請?，F(xiàn)有技術(shù)還沒有解決的一個方面就是無法將填充物更可靠地附著于形成于所述葉片翼型部分的滑槽或多個滑槽中這一問題。
更具體的說，蒸氣流對葉片表面的較大入射角會導(dǎo)致鑄型聚合物填充物與形成于所述葉片翼型部分的滑槽中分離。換句話說，蒸氣流對葉片表的較大入射角會帶來較大的風(fēng)險，即流體往往會趨于將填充物材料“抬離”所述滑槽表面。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種沿著形成于葉片翼型部分滑槽中一個或多個邊緣的邊緣幾何結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以提高填充物在交界面處的附著力，尤其是在蒸氣流場的入射角較大時。本發(fā)明使用了，例如美國專利No.5,931,641所揭示的混合葉片的概念，經(jīng)過擴展，這一概念包含了對葉片翼型部分中滑槽形狀所進行的最優(yōu)化設(shè)計，從而提高了填充物材料的附著力。
在示例性實施例中，所述滑槽的邊緣區(qū)域，優(yōu)選情況下為滑槽沿所述葉片的前緣延伸的邊緣形成有一個“根切”。該根切可以作用為不允許較大入射角的蒸氣流試圖將聚合物(或者聚合物/金屬混合物)填充物“抬離”所述滑槽。因此，所述根切可以保護填充物/葉片交界面部分免受具有最大入射角的流入蒸氣流的影響。不過，所述根切也可以進行擴展從而將滑槽或多個滑槽的后緣或者甚至所有邊緣都包括在內(nèi)。
因此，從較大的方面來講，本發(fā)明涉及一種蒸汽輪機葉輪，其中包括有多個圍繞所述葉輪圓周固定的葉片，每個葉片包括一個柄部和一個翼型部分，所述翼型部分中具有至少一個裝有填充材料的滑槽，葉片前緣附近的滑槽中至少一個邊緣形成有一個根切。
在另一方面，本發(fā)明涉及一種蒸汽輪機葉輪，其包括一排圍繞所述輪的圓周固定的葉片，每個葉片形成有一個或多個滑槽，滑槽中裝有填充材料，所述翼型前緣附近的滑槽的至少有一個邊緣包含有能夠增加填充材料相對于葉片的附著力的裝置。
在另一方面，本發(fā)明涉及一種渦輪葉片，所述葉片包括一個柄部和一個翼型部分，所述翼型部分至少具有一個裝有填充材料的滑槽，葉片前緣附近的滑槽中至少一個邊緣中形成有一個根切。
下面將結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明。


圖1是部分制造完成的葉片的透視圖，示出了葉片翼型部分中沒有進行填充的滑槽的外形；圖2是與圖1相似的葉片視圖，圖中已經(jīng)在滑槽中加入填充材料；圖3是另一個混合葉片的局部平面圖，示出了沿葉片翼型部分的多重填充滑槽；
圖4是圖3所示的葉片的剖面圖；圖5是按照本發(fā)明示例性實施例所構(gòu)造的混合葉片的正視圖；圖6是圖5中沿線6-6截取的剖面；以及圖7是從圖6取得的放大細節(jié)。
具體實施例方式
參照圖1，蒸汽輪機葉片10以部分制造完成的形式示出。所述葉片10包括一個柄部12和一個翼型部分14。所述翼型部分優(yōu)選使用鐵或鈦制造，但是也可以使用其它適合材料，包括鋁、鈷或鎳。翼肋16、18與所述翼型部分一體鑄成，從而形成有分立的滑槽20、22和24。不過，應(yīng)該正確理解的是，所述翼肋并不與所述翼型部分的邊緣26、28高度相同。所述翼肋高度實際上是根據(jù)特定的應(yīng)用而有所變化的?；诰酆衔?或者聚合物/金屬、玻璃或陶瓷混合物)的填充材料30，例如，如美國專利No.6,287,080和5,931,641所述，現(xiàn)場澆鑄于所述翼型的壓力側(cè)面上，填充所述滑槽20、22和24，并覆蓋所述翼肋，從而在所述葉片的壓力側(cè)上形成有光滑的表面，如圖2所示。
圖3和圖4示出了另一種已知的混合葉片構(gòu)造，其中所述葉片34沿葉片中翼型部分42的壓力側(cè)形成有若干分立的滑槽36、38、40等。在這種構(gòu)造中，填充材料44(圖4)單獨鑄造于每個滑槽中，其中的填充材料與周圍的翼型表面高度相同。因此，每個分立滑槽在外部是可見的。圖4也示出了為滑槽46、48形成側(cè)面50、52以及54、56的常規(guī)作法，所述側(cè)面50、52以及54、56在與翼型部分外表面的交界處沿徑向向外彎曲(以相對于附近翼型表面的斜角)。
目前，可用于將所述填充材料30或44粘結(jié)于所述翼型部分的金屬表面的方法包括但不局限于自粘合、在填充材料30或44與翼型部分的金屬表面之間的粘合、使用粘合劑(粘合膜或膠)以及熔化粘合。不過，正如上面所述，這些粘合技術(shù)不足以防止填充物沿著暴露于較大入射角蒸汽流的填充物-葉片交界處分離。按照本發(fā)明的示例性實施例，并參照圖5和6，通過沿所述滑槽的一些或所有邊緣采用根切來提高所述填充物的附著力。首先參照圖5，所述葉片58在葉片的翼型部分的壓力側(cè)66上形成有三個填充聚合物的滑槽60、62和64。填充材料68如圖所示是現(xiàn)場澆鑄的，其中的填充材料與周圍的翼型表面高度相同。如圖6所示，按照現(xiàn)有技術(shù)，滑槽64由最接近與所述翼型外表面光滑交界的葉片的后緣72的邊緣70限定。但是，與所述前緣76最接近的滑槽邊緣74現(xiàn)在形成有一個根切78，該根切在與附近的翼型表面交界處構(gòu)成了一個銳角α，從圖7中可以很清楚地看到。所述根切本身的半徑R取決于所述前緣附近翼型的厚度可大可小，并且所述半徑逐漸與所述滑槽的后壁80混合，以便減小由所述根切帶來的集中應(yīng)力。應(yīng)該理解的是，施加的方式以及填充物材料的組成可以與現(xiàn)有技術(shù)相同。
也應(yīng)該理解的是，所述滑槽的整體構(gòu)型可以根據(jù)需要而變化，在這里本發(fā)明主要涉及沿一個或多個滑槽的邊緣包括有一個根切，尤其是沿離所述滑槽前緣最接近(或相鄰)的邊緣，在此處，所述填充材料與所述滑槽壓力側(cè)上的相鄰?fù)獗砻娼唤?。不過，所述根切可以進行延伸，以包括與所述滑槽后緣最接近(或相鄰)的滑槽后緣，或者甚至包括一個或多個滑槽的所有邊緣。如上面所述，包含根切可以防止蒸氣流在最脆弱的位置，即沿所述翼型的前緣，分離滑槽中的填充材料。
雖然本發(fā)明在描述過程中使用了目前認為是最切實有效的以及最優(yōu)選的實施例，但是需要理解的是本發(fā)明并不是限制于所揭示的實施例，相反，其目的是覆蓋在所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的各種修改方式以及相等同的構(gòu)造。
權(quán)利要求
1.一種蒸汽輪機葉輪，包括多個圍繞所述葉輪圓周固定的葉片(58)，每個葉片(58)包括一個柄部(12)和一個翼型部分(14)，所述翼型部分具有至少一個填充有填充材料(68)的滑槽(64)，其中，在所述葉片前緣(76)附近的滑槽中的至少一個邊緣形成有一個根切(78)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蒸汽輪機葉輪，其中，所述根切(78)沿著在所述葉片后緣(72)附近的滑槽的第二邊緣(70)而形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蒸汽輪機葉輪，其中，所述根切(78)沿所述滑槽的整個外圍邊緣而形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的蒸汽輪機葉輪，其中，所述填充材料(68)包括一種基于聚合物的材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的蒸汽輪機葉輪，其中，所述填充材料(68)包括聚合物和金屬、玻璃或陶瓷的混合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蒸汽輪機葉輪，其中，所述至少一個滑槽(64)形成在所述翼型部分的壓力側(cè)(66)上。
7.一種蒸汽輪機葉輪，包括一排固定于所述輪圓周周圍的葉片，每個葉片(58)形成有一個或多個填充有填充材料(68)的滑槽(64)，在所述翼型的前緣(76)附近的所述滑槽中的至少一個邊緣(74)中包含有用于提高所述填充材料與所述葉片的附著力的裝置。
8.一種金屬渦輪葉片(58)，包括一個柄部(12)和一個翼型部分(14)，所述翼型部分(64)具有至少一個填充有填充材料(68)的滑槽，所述填充材料包括一種非金屬材料，其中，在所述葉片前緣(76)附近的滑槽中的至少一個邊緣(74)形成有一個根切(78)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的蒸汽輪機葉輪，其中，所述根切(78)沿在所述葉片后緣(72)附近的滑槽的第二邊緣(70)而形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的蒸汽輪機葉輪，其中，所述根切(78)沿所述滑槽的整個外圍邊緣而形成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種蒸汽輪機葉輪，包括多個固定于所述輪圓周周圍的葉片，每個葉片(58)包括一個柄部(12)和一個翼型部分(14)，所述翼型部分具有至少一個填充有填充材料(68)的滑槽(64)，其中，在所述葉片前緣(76)附近的滑槽中至少有一個邊緣(74)形成有一個根切(78)。
文檔編號F01D5/16GK1693678SQ20051006692
公開日2005年11月9日 申請日期2005年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月5日
發(fā)明者史蒂文·S·伯德吉克 申請人:通用電氣公司