用于渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子軸的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子軸，公開(kāi)一種適于圍繞其轉(zhuǎn)子軸線(110)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子軸(100)。該轉(zhuǎn)子軸(100)包括轉(zhuǎn)子空腔(120)，其與轉(zhuǎn)子軸線(110)同心地配置在轉(zhuǎn)子軸(100)內(nèi)。轉(zhuǎn)子軸(100)還包括多個(gè)冷卻孔(130)，其從轉(zhuǎn)子空腔(120)徑向向外延伸，以將冷卻空氣供給至葉片中的內(nèi)部冷卻系統(tǒng)。每個(gè)冷卻孔(130)包括孔入口部分(132)和遠(yuǎn)端孔出口部分(134)。各個(gè)孔入口部分(132)終止于高臺(tái)(124)中，該高臺(tái)(124)在轉(zhuǎn)子空腔(120)的外周輪廓(122)上方突出。因此，冷卻孔入口(132)移至低應(yīng)力區(qū)域，并且轉(zhuǎn)子的使用壽命被改進(jìn)。
【專利說(shuō)明】用于渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子軸

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及遭受高熱負(fù)荷的渦輪機(jī)尤其是燃?xì)鉁u輪的【技術(shù)領(lǐng)域】，并且更特別地，本發(fā)明用于這種渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子軸。

【背景技術(shù)】
[0002]渦輪機(jī)中的部件，例如壓縮機(jī)、燃?xì)鉁u輪或蒸汽渦輪，暴露于高熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，降低了這些部件的使用壽命。為了降低操作期間的熱應(yīng)力，這些部件由冷卻介質(zhì)例如蒸汽或空氣冷卻。
[0003]在燃?xì)鉁u輪中，葉片由冷卻空氣以對(duì)流方式冷卻。冷卻空氣從壓縮機(jī)分支并導(dǎo)向至轉(zhuǎn)子軸內(nèi)部的中央冷卻空氣供應(yīng)孔中。冷卻空氣從該中央孔徑向向外通過(guò)轉(zhuǎn)子空腔和多個(gè)單獨(dú)的徑向延伸冷卻孔被導(dǎo)向至葉片的內(nèi)部冷卻通道中。
[0004]EP 1705339公開(kāi)了一種用于燃?xì)鉁u輪的轉(zhuǎn)子軸，其帶有:冷卻空氣供應(yīng)部，其以中央軸向延伸孔的形式設(shè)置于所述轉(zhuǎn)子軸內(nèi)部；多個(gè)單獨(dú)的冷卻空氣管，其從中央冷卻空氣供應(yīng)部沿基本徑向方向向外延伸至將被冷卻的葉片。這些冷卻空氣管將冷卻空氣供給到葉片的內(nèi)部冷卻通道中。根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，冷卻空氣管從空腔發(fā)出，關(guān)于轉(zhuǎn)子軸線同心地布置。該結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵區(qū)域是這些轉(zhuǎn)子空腔的外周處的冷卻空氣管入口的區(qū)段。多個(gè)冷卻孔起始于轉(zhuǎn)子空腔的彎曲外區(qū)段。它們沿著轉(zhuǎn)子空腔的外周對(duì)稱地分布。由于所需的高冷卻空氣質(zhì)量流，冷卻空氣孔的數(shù)量和尺寸被給出，并導(dǎo)致各個(gè)冷卻空氣孔之間極小的保留壁厚。這導(dǎo)致轉(zhuǎn)子軸硬度的弱化。由于該區(qū)域中的高作用應(yīng)力，小壁厚導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的有限使用壽命。
[0005]為了增加最小壁厚，需要改變冷卻孔的數(shù)量和/或尺寸?；蛘邆溥x地，需要降低作用的機(jī)械負(fù)荷(離心葉片負(fù)荷)和熱負(fù)荷。然而，這些選項(xiàng)共同對(duì)葉片冷卻和/或?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)性能具有消極的影響。
[0006]所以，存在對(duì)于改進(jìn)的轉(zhuǎn)子軸設(shè)計(jì)的需要，其用于在受熱負(fù)荷的渦輪機(jī)中降低轉(zhuǎn)子軸的機(jī)械應(yīng)力并增加使用壽命。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目標(biāo)是提供用于渦輪機(jī)例如燃?xì)鉁u輪的轉(zhuǎn)子軸，其遭受高熱負(fù)荷，配備有多個(gè)徑向延伸的冷卻孔，該轉(zhuǎn)子軸相對(duì)于所述技術(shù)狀態(tài)是有利的，尤其是在其使用壽命方面。
[0008]此目標(biāo)可通過(guò)根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的轉(zhuǎn)子軸來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)子軸至少包括:冷卻空氣供應(yīng)部，其設(shè)置在轉(zhuǎn)子軸內(nèi)部且基本平行于轉(zhuǎn)子軸線延伸；至少一個(gè)轉(zhuǎn)子空腔，其與轉(zhuǎn)子軸線同心地布置在轉(zhuǎn)子軸內(nèi)，由此，冷卻空氣供應(yīng)部開(kāi)向至少一個(gè)轉(zhuǎn)子空腔；一些冷卻孔，其連接至至少一個(gè)轉(zhuǎn)子空腔并從該轉(zhuǎn)子空腔徑向向外延伸，每個(gè)冷卻孔具有入口部分和遠(yuǎn)端出口部分，各個(gè)孔入口部分適于緊靠至少一個(gè)轉(zhuǎn)子空腔的外周。該轉(zhuǎn)子軸的特征為:至少一個(gè)冷卻孔的入口部分形成為在轉(zhuǎn)子空腔壁的外周輪廓上方突出的高臺(tái)。
[0010]該措施的有利影響為:冷卻孔由此進(jìn)一步延伸至轉(zhuǎn)子空腔內(nèi)，并且冷卻孔入口從原來(lái)的空腔輪廓移至低應(yīng)力區(qū)域中。結(jié)果，轉(zhuǎn)子的機(jī)械應(yīng)力顯著減小，并且該轉(zhuǎn)子的減少機(jī)械應(yīng)力是增加其使用壽命的因素。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，每個(gè)冷卻孔的入口區(qū)段布置在相應(yīng)的高臺(tái)上。
[0012]根據(jù)備選的實(shí)施例，一些冷卻孔的入口區(qū)段布置在共同的高臺(tái)上。
[0013]根據(jù)又一實(shí)施例，周向高臺(tái)形成于轉(zhuǎn)子空腔中，并且所有冷卻孔的入口區(qū)段終止于該周向高臺(tái)中。
[0014]周向高臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)是其易于制造。
[0015]在其徑向外部，高臺(tái)經(jīng)由相對(duì)較小的半徑從原輪廓偏離，從而在空腔壁上形成臺(tái)階。
[0016]該引進(jìn)的臺(tái)階阻止了原來(lái)應(yīng)力分布的任何變化。
[0017]在其徑向內(nèi)部，在到轉(zhuǎn)子軸線的方向上，高臺(tái)具有到空腔壁的平滑切向過(guò)渡部。
[0018]高臺(tái)自身可具有彎曲的表面。但由于易制造的原因，帶有平直表面的高臺(tái)是優(yōu)選的。平直高臺(tái)的表面與冷卻孔的縱向軸線垂直地排列。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]現(xiàn)在通過(guò)不同的實(shí)施例參考附圖更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明。
[0020]圖1示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的轉(zhuǎn)子軸(未安裝葉片)的透視側(cè)視圖。
[0021]圖2示意地示出在配備有內(nèi)部冷卻空氣管的區(qū)域中穿過(guò)圖1的轉(zhuǎn)子軸的縱向區(qū)段。
[0022]圖3示出根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)子空腔的放大視圖。
[0023]在若干實(shí)施例的描述中，相同的參考標(biāo)號(hào)代表相同的部分。
[0024]參考標(biāo)號(hào):
100轉(zhuǎn)子軸
110轉(zhuǎn)子軸線
120轉(zhuǎn)子空腔
122冷卻孔入口處的空腔的原輪廓
123空腔壁
124高臺(tái)
125高臺(tái)124的表面
126空腔壁與高臺(tái)之間的徑向內(nèi)部過(guò)渡部
127空腔壁與高臺(tái)之間的徑向外部過(guò)渡部 130多個(gè)冷卻孔
132冷卻孔入口
134冷卻孔出口部分
140焊縫
11壓縮機(jī)部分
12渦輪部分
13轉(zhuǎn)子盤(pán) 14中央冷卻空氣供應(yīng)部。

【具體實(shí)施方式】
[0025]為了本公開(kāi)的透徹理解，將結(jié)合附圖對(duì)下述詳細(xì)描述做出參考。
[0026]圖1重現(xiàn)了燃?xì)鉁u輪的轉(zhuǎn)子軸100(未顯示安裝葉片)的透視側(cè)視圖。關(guān)于轉(zhuǎn)子軸線110旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的轉(zhuǎn)子軸100再分為壓縮機(jī)部分11和渦輪部分12。在兩個(gè)部分11與12之間，在燃?xì)鉁u輪內(nèi)，可布置燃燒室，在壓縮機(jī)部分11中壓縮的空氣導(dǎo)向至該燃燒室，并且熱氣體通過(guò)渦輪部分12流出該燃燒室。轉(zhuǎn)子軸100可由一些通過(guò)焊接彼此連接的轉(zhuǎn)子盤(pán)13裝配成。渦輪部分12具有在周邊上分布的接納槽，以用于接納對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)葉片。葉片的葉根借助類似杉樹(shù)的橫截面輪廓通過(guò)正連接以通常的方式被保持在接納槽中。
[0027]根據(jù)示出遭受高熱負(fù)荷的渦輪部分12的圖2，轉(zhuǎn)子軸100包括冷卻空氣供應(yīng)部16，其基本平行于轉(zhuǎn)子軸線110延伸并終止于轉(zhuǎn)子空腔120中。轉(zhuǎn)子空腔120與轉(zhuǎn)子軸線110同心地配置在轉(zhuǎn)子軸100內(nèi)。多個(gè)冷卻孔130從轉(zhuǎn)子空腔120徑向向外延伸至轉(zhuǎn)子軸100的外部，以用于將冷卻空氣供給到與轉(zhuǎn)子軸100相連的各個(gè)葉片(未顯示)的內(nèi)部冷卻通道中。每個(gè)冷卻孔130包括孔入口部分132和遠(yuǎn)端孔出口部分134。各個(gè)孔入口部分適于緊靠轉(zhuǎn)子空腔120。術(shù)語(yǔ)“緊靠”定義為意指孔入口部分132和轉(zhuǎn)子空腔120共享相同平面，孔入口部分132在轉(zhuǎn)子空腔120處匯合。轉(zhuǎn)子空腔120連接至中央冷卻空氣供應(yīng)部14，該中央冷卻空氣供應(yīng)部14向轉(zhuǎn)子空腔120供應(yīng)空氣，并且從此到多個(gè)冷卻孔130。
[0028]如圖3所示，環(huán)形轉(zhuǎn)子空腔120在軸向和周向上由空腔壁123限制。參考標(biāo)號(hào)140表示相鄰轉(zhuǎn)子盤(pán)13之間的焊縫。一些冷卻孔130從轉(zhuǎn)子空腔120的徑向外部區(qū)段(如文中引用的術(shù)語(yǔ)“徑向外部”、“徑向內(nèi)部”、“徑向向外”的基準(zhǔn)為轉(zhuǎn)子軸線110)徑向向外延伸。冷卻孔130的入口 132從原來(lái)的空腔輪廓122偏離并且在其遠(yuǎn)處位于添加材料的高臺(tái)124上。理想地，材料僅在每個(gè)冷卻孔入口 132的周圍增加，以便在每個(gè)單獨(dú)的冷卻孔入口 132周圍形成高臺(tái)124。冷卻孔130由此進(jìn)一步延伸到轉(zhuǎn)子空腔120內(nèi)，并且它們的入口 132從原來(lái)的空腔輪廓122偏離。優(yōu)選地，高臺(tái)124具有平直表面125，其與冷卻孔130的縱向軸線垂直地排列。在其徑向內(nèi)部，即在到轉(zhuǎn)子軸線110的方向上，高臺(tái)124具有到空腔壁123的平滑切向過(guò)渡部126，然而在其徑向外部，從空腔壁123至高臺(tái)124的過(guò)渡部由臺(tái)階形成，該臺(tái)階帶有相對(duì)較小的從空腔壁123至平臺(tái)124的過(guò)渡半徑127。表述“相對(duì)較小”意指與過(guò)渡半徑126相比。由于添加的材料，冷卻孔入口 132進(jìn)一步偏離到空腔120內(nèi)且遠(yuǎn)離原來(lái)的輪廓122。引進(jìn)的臺(tái)階127阻止原來(lái)應(yīng)力分布的任何變化。因此，冷卻孔入口 132移至低應(yīng)力區(qū)域。
[0029]代替根據(jù)冷卻孔130的數(shù)量制造多個(gè)單獨(dú)的高臺(tái)124，優(yōu)選的備選方案是沿著轉(zhuǎn)子空腔120的整個(gè)周邊形成相同高度的連續(xù)高臺(tái)124。該實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)是其易于制造。
[0030]本公開(kāi)的改進(jìn)轉(zhuǎn)子軸在許多范疇內(nèi)有利。在轉(zhuǎn)子軸在其中使用的機(jī)器或渦輪處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)中時(shí)，該轉(zhuǎn)子軸可在降低出現(xiàn)于其上的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力方面可適用。此外，獨(dú)立于本公開(kāi)的轉(zhuǎn)子軸是否由單件或多件制成的因素，本公開(kāi)的轉(zhuǎn)子軸在承受或減少溫度和離心或軸向力的作用方面是有利的。在討論的位置處，帶有這種截面輪廓的改進(jìn)的轉(zhuǎn)子軸能夠表現(xiàn)出為傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子的2到5倍的整個(gè)壽命周期。本公開(kāi)的轉(zhuǎn)子軸也有利于將孔入口區(qū)域中的作用應(yīng)力減少10%至40%。作用應(yīng)力為機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的混合。此外，轉(zhuǎn)子軸便于以有效且經(jīng)濟(jì)的方式使用。根據(jù)上述詳細(xì)描述和所附權(quán)利要求，本公開(kāi)的各種其他優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的。
[0031]已經(jīng)為了說(shuō)明和描述的目的而提出了本公開(kāi)的特定實(shí)施例的以上描述。它們并不意圖為詳盡的或者將本公開(kāi)限制所公開(kāi)的精確形式，并且顯然地，根據(jù)上述教導(dǎo)，許多更改和變型是可能的。選擇和描述這些實(shí)施例以便最佳地解釋本公開(kāi)的原理及其實(shí)際應(yīng)用，從而使其他本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠最佳地利用本公開(kāi)，并且可設(shè)想適應(yīng)于特定用途的帶有各種修改的各種實(shí)施例。應(yīng)理解，在情形可暗示或?qū)е聶?quán)宜之計(jì)時(shí)，可設(shè)想等同方案的各種省略和替換，但是這些意圖在不脫離本公開(kāi)的權(quán)利要求的精神和范疇的情況下覆蓋應(yīng)用或?qū)嵤┓桨浮?br> 【權(quán)利要求】
1.一種轉(zhuǎn)子軸(100)，用于諸如燃?xì)鉁u輪的受熱應(yīng)力的渦輪機(jī)，至少包括: 冷卻空氣供應(yīng)部(16)，其設(shè)置于所述轉(zhuǎn)子軸(100)內(nèi)且基本平行于轉(zhuǎn)子軸線(110)而延伸， 至少一個(gè)轉(zhuǎn)子空腔(120)，其與所述轉(zhuǎn)子軸線(110)同心地布置在所述轉(zhuǎn)子軸(100)內(nèi)，由此所述冷卻空氣供應(yīng)部(16)開(kāi)向至少一個(gè)轉(zhuǎn)子空腔(120)， 一些冷卻孔(130)，其連接至所述至少一個(gè)轉(zhuǎn)子空腔(120)且從該轉(zhuǎn)子空腔(120)徑向向外延伸，每個(gè)冷卻孔(130)具有入口部分(132)和遠(yuǎn)端出口部分(134)，各個(gè)孔入口部分(132)適于緊靠所述至少一個(gè)轉(zhuǎn)子空腔(120)的外周， 其特征在于，所述冷卻孔(130)的至少一個(gè)入口部分(132)形成為在所述轉(zhuǎn)子空腔(120)的外周輪廓(122)上方突出的高臺(tái)(124)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子軸(100)，其特征在于，所述冷卻孔(130)的每個(gè)入口區(qū)段(132)形成在所述轉(zhuǎn)子空腔(120)的外周輪廓(122)上方突出的單獨(dú)的高臺(tái)(124)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子軸(100)，其特征在于，所述冷卻孔(130)的至少兩個(gè)入口區(qū)段(132)形成共同的高臺(tái)(124)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子軸(100)，其特征在于，所述高臺(tái)(124)在所述轉(zhuǎn)子空腔(120)中形成為連續(xù)的周向高臺(tái)，并且所有所述冷卻孔(130)的入口區(qū)段(132)終止于該周向高臺(tái)(124)中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)子軸(100)，其特征在于，所述至少一個(gè)高臺(tái)(124)具有平直表面(125)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的轉(zhuǎn)子軸(100)，其特征在于，所述平直表面(125)基本垂直于所述冷卻孔(130)的縱向軸線。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子軸(100)，其特征在于，所述高臺(tái)(124)在到所述轉(zhuǎn)子軸線(110)的方向上具有到所述空腔壁(123)的平滑切向過(guò)渡部(126)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子軸(100)，其特征在于，所述高臺(tái)(124)的徑向外部形成到所述空腔壁(123)的臺(tái)階。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的轉(zhuǎn)子軸(100)，其特征在于，從所述空腔壁(123)到所述高臺(tái)(124)的所述臺(tái)階設(shè)計(jì)為帶有過(guò)渡半徑(127)的倒圓邊緣。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至9所述的轉(zhuǎn)子軸(100)，其特征在于，所述外部過(guò)渡半徑(127)比所述內(nèi)部過(guò)渡區(qū)段(126)處的半徑更小。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中的一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)子軸(100)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子軸(100)包括通過(guò)焊接彼此連接的一些轉(zhuǎn)子盤(pán)(13)。
【文檔編號(hào)】F01D25/12GK104373161SQ201410396288
【公開(kāi)日】2015年2月25日 申請(qǐng)日期:2014年8月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月13日
【發(fā)明者】S.霍扎尤塞, D.?？斯? S.里亞贊特塞, T.溫格 申請(qǐng)人:阿爾斯通技術(shù)有限公司