技术领域
[0001] 本文公开的主题涉及用于将轮叶固定在
涡轮机内的轮叶锁定组件、固定方法和涡轮机。
背景技术
[0002] 诸如轴向
压缩机和涡轮(例如，燃气涡轮轴向压缩机、
蒸汽涡轮等)的涡轮机可大体包括
转子部分，其在系统运行期间围绕轴线旋转。例如，在轴向压缩机或蒸汽涡轮中，转子部分(例如，级的盘)可包括多个轮叶(例如，旋转
叶片)，其围绕轴设置。轮叶沿周向设置成围绕转子部分彼此相邻。通常这些轮叶沿切向方向加载到转子部分上。加载在转子部分上的最后一个轮叶称为封闭轮叶。封闭轮叶固定到转子部分上，以将轮叶在转子上锁定就位，以及阻止轮叶沿着转子部分(即，相对于转子部分)的周向运动。但是，用来将封闭轮叶固定到转子部分上的机构可导致转子的应
力集中和/或转子在级(例如，蒸汽涡轮的涡轮级或压缩机级)的重新组装期间对转子较多地重新加工。
发明内容
[0003] 下面概述在范围上与原本要求保护的发明相当的某些
实施例。这些实施例不意图限制要求保护的发明的范围，而是这些实施例仅意图提供本发明的可行形式的简要概述。实际上，本发明可包含可类似于或不同于下面阐述的实施例的各种形式。
[0004] 根据第一实施例，一种涡轮机包括至少一个转子盘或级、多个轮叶、封闭轮叶和单个锁定元件；转子盘或级包括外围部分，其设置成围绕至少一个转子盘或级的旋
转轴线，其中外围部分包括凹槽，其沿周向围绕外围部分延伸，其中凹槽具有第一凹槽表面和设置成与第一凹槽表面相反的第二凹槽表面；多个轮叶中的各个设置在凹槽内而彼此相邻；封闭轮叶设置在凹槽内而与至少一个轮叶相邻，其中封闭轮叶具有与第一凹槽表面交接的第一轮叶表面，以及设置成与第一轮叶表面相反的第二轮叶表面，并且封闭轮叶阻止多个轮叶在凹槽内相对于至少一个转子盘或级沿周向运动；单个锁定元件设置在第二轮叶表面和第二凹槽表面之间且
接触第二轮叶表面和第二凹槽表面，其中在第一运行状况中，单个锁定元件接触第二轮叶表面和第二凹槽表面，以将封闭轮叶固定在凹槽内，并且在第二运行状况中，单个锁定元件是松动的。
[0005] 要注意，当单个锁定元件处于第一运行状况时，即当涡轮机组装好时(具体而言当其旋转时)，其作用类似于楔，即使其不是渐缩形状的；为此，锁定元件在以下详细描述中称为“楔”。
[0006] 根据第二实施例，一种轮叶锁定组件，用于将多个轮叶固定在涡轮机的转子盘或级的凹槽内，以阻止多个轮叶相对于转子盘或级的周向运动，轮叶锁定组件包括封闭轮叶和单个锁定元件；封闭轮叶构造成在凹槽内设置在相邻多个轮叶之间，其中封闭轮叶具有构造成与凹槽的第一凹槽表面交接的第一轮叶表面，以及设置成与第一轮叶表面相反的第二轮叶表面，并且封闭轮叶构造成阻止多个轮叶在凹槽内相对于转子盘或级的周向运动；单个锁定元件设置在第二轮叶表面和第二凹槽表面之间且接触第二轮叶表面和第二凹槽表面，其中在第一运行状况中，单个锁定元件接触第二轮叶表面和第二凹槽表面，并且经历轴向力，以将封闭轮叶固定在凹槽内，并且在第二运行状况中，单个锁定元件是松动的。
[0007] 根据第三实施例，一种用于将轮叶固定在涡轮机的转子盘或级的凹槽内的方法，包括将单个锁定元件设置在凹槽的封闭凹槽部分中，其中单个锁定元件设置在轮叶表面和凹槽表面之间且接触轮叶表面和凹槽表面，其中在第一运行状况中，单个锁定元件接触轮叶表面和凹槽表面，并且经历轴向力，以将封闭轮叶固定在凹槽内，并且在第二运行状况中，单个锁定元件是松动的。
附图说明
[0008] 当参照附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，在附图中，相同符号在所有图中表示相同部件，其中：
[0009] 图1为涡轮机系统(例如，燃气涡轮系统)的实施例的横截面侧视图，其包括压缩机，压缩机具有联接的盘转子，盘转子具有用于各个转子盘或级的自锁定封闭轮叶组件；
[0010] 图2为自锁定封闭轮叶组件的实施例的局部侧视透视图，其设置在转子盘或级的凹槽内；
[0011] 图3为图2的自锁定封闭轮叶组件的实施例的局部后视透视图，其在转子盘或级的凹槽内设置在相邻轮叶之间；
[0012] 图4为图2的自锁定封闭轮叶组件的实施例的局部正视透视图，其在转子盘或级的凹槽内设置在相邻轮叶之间；
[0013] 图5为图2的自锁定封闭轮叶组件的实施例的俯视图，其设置在转子盘或级的凹槽内；
[0014] 图6为用于轮叶的凹槽部分的实施例的沿着图5的线6-6得到的横截面侧视图；
[0015] 图7为用于自锁定封闭轮叶组件的封闭凹槽部分的实施例的沿着图5的线7-7得到的横截面侧视图；
[0016] 图8A-F为一系列局部侧视图，其示出根据实施例的图2的自锁定封闭轮叶组件在封闭凹槽部分内的组装；
[0017] 图9为涡轮机系统(例如，燃气涡轮系统)的实施例的横截面侧视图，其包括压缩机，压缩机具有单件转子，单件转子对于各个级具有图2的自锁定封闭轮叶组件；以及[0018] 图10为涡轮机系统(例如，蒸汽涡轮系统)的局部横截面侧视图，其包括涡轮，涡轮具有单件转子，单件转子对于各个级具有图2的自锁定封闭轮叶组件。
具体实施方式
[0019] 下面将对本发明的一个或多个具体实施例进行描述。为了致力于提供对这些实施例的简明描述，可能不会在
说明书中对实际实现的所有特征进行描述。应当理解，当例如在任何工程或设计项目中开发任何这种实际实现时，必须作出许多对实现而言专有的决定来实现开发者的具体目标，例如符合与系统有关及与商业有关的约束，开发人员的具体目标可根据不同的实现彼此有所改变。此外，应当理解，这种开发工作可能是复杂和耗时的，但尽管如此，对具有本公开的益处的普通技术人员来说，这种开发工作将是设计、生产和制造的例行任务。
[0020] 当介绍本发明的各实施例的元件时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”意图表示存在一个或多个该元件。用语“包括”、“包含”和“具有”意图为包括性的，并且表示除了列出的元件之外，可存在另外的元件。
[0021] 本公开涉及涡轮机，其包括自锁定封闭轮叶组件。例如，涡轮机可为燃气涡轮
发动机、蒸汽涡轮发动机、压缩机或任何其它类型的
旋转机器(例如，涡轮机)。自锁定封闭轮叶组件可用来阻止其它轮叶(例如，切向入口鸠尾轮叶)在转子盘或级(例如，相同排或级)的凹槽内的周向运动。具体而言，自锁定封闭轮叶组件包括封闭轮叶(例如，旋转叶片，其具有安装基部部分)和仅单个楔，单个楔设置在凹槽的相同部分(例如，封闭凹槽部分)内，以将封闭轮叶固定在封闭凹槽内。封闭凹槽部分包括第一凹槽表面、设置成与第一凹槽表面相反的第二凹槽表面，以及设置在第一和第二凹槽表面之间的第三表面。封闭轮叶包括与第一凹槽表面(例如，具有用于突起的凹部)交接的第一表面(例如，具有突起的外凸鸠尾部分的第一表面)，以及第二表面，第二表面设置成与第一表面相反，以接触单个楔或与单个楔交接。单个楔可预先插入或设置在封闭凹槽部分中(例如，抵靠着第三凹槽表面)。封闭轮叶组件可包括非加载螺钉(例如，
螺纹紧固件)，其沿着楔的纵向轴线延伸通过楔。螺钉使得楔能够沿径向从第三凹槽表面移位到封闭轮叶和封闭凹槽部分之间的
位置。例如，沿径向移位的楔可与封闭轮叶的第二表面和封闭凹槽的第二凹槽表面两者交接或接触它们两者。在运行状况下，抵靠着封闭轮叶的第二表面(和封闭凹槽的第二凹槽表面)施加在单个楔上的轴向力与
离心力一起将封闭轮叶固定在封闭凹槽内。自锁定封闭轮叶组件使得封闭轮叶能够固定在封闭凹槽内，而不使用锁定螺钉，锁定螺钉通过封闭轮叶(例如，鸠尾部分)延伸到转子(例如，转子盘或级)中。因此，可避免转子中由于传统的锁定螺钉而引起的
应力集中。另外，自锁定轮叶组件可使得能够重新组装级或排，而不损害或重新加工转子(例如，在维护涡轮或压缩机级期间)。
[0022] 现在转到附图，图1示出涡轮机系统10的实施例(例如，燃气涡轮系统，其具有轴向压缩机14，轴向压缩机14具有联接的盘转子)，其具有用于各个转子盘或级12的自锁定封闭轮叶组件(例如，轮叶锁定组件)。下面更详细描述的自锁定封闭轮叶组件使用封闭轮叶由于其不对称形状而经历的离心力矩，以将封闭轮叶本身固定在相应的转子盘或级12的凹槽内，并且阻止在相同排、级或凹槽内的其它轮叶的周向运动。
[0023] 楔的功能在于对源自封闭轮叶的离心力矩的轴向力作出反应，以及将轴向力传递到凹槽(例如，下游凹槽表面)。自锁定封闭轮叶组件避免需要设置成通过封闭轮叶的鸠尾部分且设置在转子盘或级12中的锁定螺钉。因而，可避免由于这种固定螺钉引起的潜在应力集中。另外，自锁定封闭轮叶组件使得能够重新组装级，而不损害或重新加工转子盘或级12。自锁定封闭轮叶组件可用于任何涡轮机中，诸如，但不限于
燃气涡轮发动机、蒸汽涡轮发动机、液力涡轮、压缩机或任何其它旋转机器。
[0024] 系统10包括压缩机14(例如，旋转机器)和涡轮20。在示出的实施例中，压缩机14包括压缩机叶片或轮叶32。压缩机14内的压缩机轮叶32联接到转子盘或级12上，并且在压缩机14的转子盘或级12 (其形成轴)被涡轮20驱动旋转时旋转。除了图1的系统10的轴向压缩机14之外，自锁定封闭轮叶组件还可用于图9的轴向压缩机14中，图9示出燃气涡轮系统150，其具有轴向压缩机14，轴向压缩机14具有单件转子152。而且，自锁定封闭轮叶组件还可用于蒸汽涡轮系统160(例如，轴向排气蒸汽涡轮)中，蒸汽涡轮系统160具有图10中示出的单件转子162。图10的蒸汽涡轮系统包括涡轮区段164，其包括多个级166。各个级166包括多个叶片168，其布置成沿周向围绕轴318延伸的排。在以下论述中，可相对于系统10的旋转或纵向轴线28参照各种方向，诸如轴向方向或轴线38、径向方向或轴线40和周向方向或轴线42。
[0025] 图2为自锁定封闭轮叶组件44的实施例的局部侧视透视图，其设置在转子盘或级12的凹槽46(例如，封闭凹槽部分48)内。凹槽46沿周向方向42沿着外围部分50延伸，外围部分50设置成围绕转子盘或级12的
旋转轴线28 (参见图1)。凹槽46包括凹槽表面52、54、56。
凹槽表面52设置成与凹槽表面54相反。凹槽表面56在凹槽46的基部或底部部分58处设置在凹槽表面52、54之间。封闭凹槽48的凹槽表面52包括多个凹部60(例如，钩)，其沿轴向38在凹槽表面52内延伸(参见图7)。凹部60的数量可在1至5个或更多个凹部60之间改变。如描绘，凹槽表面52包括两个凹部60。封闭凹槽48的凹槽表面54包括单个凹部62，其沿轴向38在凹槽表面54内延伸(参见图7)。总之，凹槽表面52、54形成轴向平台63，其与封闭轮叶组件44交接，以将组件44固定在封闭凹槽48内。如下面更详细描述的那样，封闭凹槽48的横截面积大于用于其它轮叶的凹槽部分的横截面积。
[0026] 封闭轮叶组件44包括轮叶64(例如，封闭轮叶64)、单个楔66和螺纹紧固件或螺钉68(例如，未加载的固定螺钉)，螺纹紧固件或螺钉68设置在相同封闭凹槽部分48内(与沿周向方向42延伸的沿轴向相邻的凹槽部分相反)。轮叶64包括上部部分65(例如，叶片或
翼型件67)和下部部分69(例如，安装部分或外凸九尾结构70)。下部部分69包括表面71(例如，上游表面)和表面72(例如，下游表面)。表面71包括多个突起74(例如，轴向突出部或钩)，其从表面71沿轴向38延伸。突起74的数量可在1至5个或更多个突起74之间改变。如描绘的那样，凹槽表面52包括三个突起74。至少一些突起74构造成配合在凹槽表面52的凹部60内，以阻止封闭轮叶64沿径向方向40运动，而其它突起74可邻靠着凹槽表面52，而不与凹部60交接。
表面72包括多个凹部76，其沿轴向延伸到表面72中。一个凹部76与单个楔66交接。封闭轮叶
64构造成沿径向40插入且然后通过一系列轴向38和径向40移位，轮叶64
定位在封闭凹槽48内，以阻止其它轮叶在凹槽46内相对于转子盘或级12的周向运动42。
[0027] 单个楔66包括楔表面78、80、82、84。楔表面78设置成与楔表面80相反，而楔表面82(例如，顶部表面)设置成与楔表面84(例如，底部表面)相反。楔表面78、80延伸在楔表面82和84之间。螺钉68沿着楔66的纵向轴线85延伸通过楔66。螺钉68构造成通过螺钉68围绕纵向轴线85的旋转88使楔66沿径向40移位。另外，仅需要螺钉68来避免楔66在转子盘或级12不旋转时失去运行位置。螺钉68未加载(即，没有力施加在螺钉68上)。因而，在螺钉68的旋转88期间，螺钉58没有应力。在某些实施例中，螺钉68可包括六
角凹头81(或任何其它适当的工具
接口)，其位于螺钉68的顶部端83处，使得工具(例如，六角键)能够使螺钉68旋转，以使楔66沿着螺钉68向上和/或向下运动。楔66构造成在封闭轮叶64之前，插入封闭凹槽部分48内，其中表面84接触凹槽表面56而楔66位于螺钉68的底部部分86 上(参见图8)。在螺钉
68的旋转88时，楔66沿径向移位到螺钉68的顶部部分89，直到楔表面78接触封闭轮叶64的表面72或与表面72(例如，一个凹部68)交接，以及楔表面80接触凹槽表面54或与凹槽表面
54(例如，凹部62)交接，如图2中描绘。两个表面54、72阻止楔66的进一步径向运动40。当沿径向40移位到接触表面54、72时，楔66包括上部部分90，其设置在轮叶64和凹槽表面54之间且接触其两者。在运行状况下，在这个位置，上部部分90经历在凹槽表面54上的轴向力(由于封闭轮叶的离心力矩引起)。结合在转子盘或级12和轮叶64的周向42旋转期间施加在轮叶64上的离心力，施加在楔66上的轴向力将封闭轮叶64固定在封闭凹槽48内。这避免使用设置成通过轮叶64进入转子12的锁定螺钉和在转子12中的任何相关联的应力集中。另外，轮叶的级可重新组装，而不损害或重新加工转子12。
[0028] 在某些实施例中，楔66的材料可包括不同于封闭轮叶64的
热膨胀系数。例如，楔66可包括比封闭轮叶64更高的
热膨胀系数。楔66的更高的热膨胀系数可使得楔66(同时还赋予楔66更高的摩擦)能够在涡轮机系统10的运行期间膨胀得更多，以对轮叶64和封闭凹槽48两者施加甚至更大的轴向力38。在一些实施例中，楔66和/或封闭轮叶64可在组装封闭轮叶组件44之前冷冻(例如，在液体氮中)，以临时使楔66和/或轮叶64收缩，使得一旦楔66和/或轮叶64变暖和膨胀，能够有更好的干涉配合。
[0029] 图3和4为图2的自锁定封闭轮叶组件44的实施例的局部后视(例如，下游)和正视(例如，上游)透视图，其在转子盘或级12的凹槽46内设置在相邻轮叶92之间。如描绘的那样，封闭轮叶64邻靠着相邻轮叶92，从而阻止轮叶92相对于转子盘或级12的周向运动42。相邻轮叶92包括切向入口鸠尾轮叶。类似于封闭轮叶64，轮叶92各自包括上部部分94(例如，旋转叶片或翼型件96)和下部部分98(例如，安装部分或外凸鸠尾构造100)。下部部分98构造成在沿切向进入凹槽12的凹槽部分102中或移除之前插入凹槽12的封闭凹槽48内或从凹槽12的封闭凹槽48移除。凹槽部分102沿周向42沿着凹槽12从封闭凹槽部分48的一个侧部104延伸到封闭凹槽部分48的另一个侧部106。凹槽部分102包括凹槽表面52、54。封闭凹槽部分48具有的横截面积比凹槽部分102的横截面积更大(参见图6和7)。凹槽部分102的较小横截面积(以及布置)阻止封闭轮叶64从封闭凹槽部分48沿周向42运动到凹槽部分102。
[0030] 各个轮叶92的下部部分98包括表面108(例如，上游表面)和表面110(例如，下游表面)。类似于封闭轮叶64，各个轮叶92的下部部分98包括突起112(例如，轴向突出部)，其沿轴向38从表面108、110两者向
外延伸。从各个表面108、110延伸的突起112的数量可从1至5个或更多个改变。如描绘，各个轮叶92的表面108包括上轴向突出部114和下轴向突出部116，而各个轮叶92的表面110还包括上轴向突出部118和下轴向突出部120。凹槽部分102包括多个凹部122， 用于接收轮叶92的突起112。例如，凹槽部分102的凹槽表面52包括凹部
124、126，而凹槽部分102的凹槽表面54包括凹部128、130。凹部124、126、128、130分别接收轴向突出部114、116、118、120。总之，凹槽表面52、54形成轴向平台63，其与各个轮叶92交接且将各个轮叶92固定在凹槽部分102内。例如，下轴向突出部116、120设置在凹部116、120内会阻止各个轮叶92的径向运动40。
[0031] 如描绘，封闭轮叶64的下部部分69和楔66相对于凹槽46的中心线134以角度132设置，凹槽46沿周向42围绕封闭凹槽部分48内的转子盘或级12延伸(参见图5，即，封闭凹槽48中的自锁定封闭轮叶组件44的俯视图)。相应的轮叶64、92的下部部分69、98相对于中心线134以相同角度132设置。角度132的范围可为大约0至60度、0至30度、30至60度、15至45度和它们之间的所有子范围。例如，角度132可为大约0、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、或
60度，或任何其它角度。
[0032] 图6为用于轮叶92的凹槽部分102的实施例沿着图5的线6-6得到的横截面侧视图，而图7为用于自锁定封闭轮叶组件44的封闭凹槽部分48的实施例沿着图5的线7-7得到的横截面侧视图。封闭凹槽部分48和凹槽部分102如上面在图2-5中所描述。另外，各个凹槽部分48、102的深度或高度136从凹槽部分48、102的顶部部分138到底部部分58为相同。如图6中显示，凹槽部分102包括在表面52、54之间在凹部124、128处的宽度140和在表面52、54之间在凹部126、130处的宽度142。宽度140大于宽度142。如图7中显示，封闭凹槽部分48包括在表面52、54之间在凹部60、62上方在顶部部分138附近的相同宽度140。在某些实施例中，宽度140可改变。封闭凹槽部分48包括在表面52、54之间的宽度144，其始于表面52的上凹部60且终止于底部部分58。凹槽部分102的宽度142描绘在封闭凹槽部分48内。如示出，封闭凹槽部分48的从上凹部60到底部部分58的宽度144大于凹槽部分102的宽度142。另外，如上面所提到，封闭凹槽部分48具有的横截面积146大于凹槽部分102的横截面积148。凹槽部分102的较小的横截面积148 (以及布置)阻止封闭轮叶64从封闭凹槽部分48到凹槽部分102的周向42运动。另外，封闭凹槽部分48的较大的横截面积146使得轮叶92能够沿切向从凹槽部分
102进入封闭凹槽部分48和从封闭凹槽部分102移除。
[0033] 图8A-F为一系列局部侧视图，其示出图2的自锁定封闭轮叶组件44在转子盘或级12的封闭凹槽部分48内的组装。封闭轮叶组件44和封闭凹槽部分48如上面所描述。如图8A中所描绘，楔66在封闭轮叶64之前插入封闭凹槽部分48内，其中表面84接触凹部62内的凹槽表面56，而楔66位于螺钉68的底部部分86上。在图8B中，封闭轮叶64沿径向40插入封闭凹槽部分48中，直到表面72(例如，上凹部76)接触或邻靠着转子盘或级14。在图8C中，封闭轮叶64沿轴向38移位或移动，直到表面71(例如，中间突起74)接触或邻靠着凹槽表面52。在图
8D中，封闭轮叶64沿径向40移位或移动，直到突起74(例如，中间和底部突起74)与凹槽表面
52内的相应的凹部60对准。在图8E中，封闭轮叶64沿轴向38移位或移动，直到突起74(例如，中间和底部突起74)接触凹槽表面52和设置在相应的凹部60内。在图8F中，螺钉68围绕纵向轴线85旋转88(例如，通过工具，诸如六角键)，以沿径向40使楔66的顶部部分89移位，直到楔表面78与封闭轮叶64的表面72(例如，一个凹部68)接触或交接，并且楔表面80与凹槽表面54(例如，凹部62)接触或交接。两个表面54、72阻止楔66的进一步径向运动40。在运行状况下，在这个位置上，楔66的上部部分90经历在凹槽表面54上的轴向力(由于封闭轮叶的离心力矩产生)。结合在转子盘或级14和轮叶64的周向42旋转期间施加在轮叶64上的离心力，施加在楔66上的轴向力将封闭轮叶64固定在封闭凹槽48内。这避免使用设置成通过轮叶64进入转子12的锁定螺钉和转子12中的任何相关联的应力集中。另外，轮叶级可重新组装，而不损害或重新加工转子12。封闭轮叶组件44的拆卸可通过以相反的顺序执行一些或所有上面的步骤进行。
[0034] 而且，如下面提到，楔66可包括比封闭轮叶64高的热膨胀系数。另外，在一些实施例中，楔66和/或封闭轮叶64可在组装封闭轮叶组件44之前冷冻(例如，在液体氮中)，以临时使楔66和/或轮叶64收缩，使得一旦楔66和/或轮叶64变暖和膨胀能够有更好的干涉配合。
[0035] 公开的实施例的技术效果包括提供自锁定封闭轮叶组件44，以阻止轮叶92在转子盘或级14的相同凹槽42(例如，排或级)内的周向运动。具体而言，自锁定封闭轮叶组件44包括封闭轮叶64、单个楔66和螺钉68(例如，未加载的固定螺钉)，螺钉68构造成设置在相同封闭凹槽部分48内。在楔66沿径向40(例如，通过螺钉68)在封闭轮叶64的表面72和凹槽表面54之间移位时，楔66沿轴向38在轮叶64(例如，表面72)和转子表面54两者上施加力。在运行状况下，在这个位置上，楔66的上部部分90经历在凹槽表面54上的轴向力(由于封闭轮叶的离心力矩引起)。这避免使用设置成通过轮叶64进入转子12的锁定螺钉和在转子12中的任何相关联的应力集中。另外，轮叶级可重新组装，而不损害或重新加工转子12。
[0036] 本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的可取得
专利的范围由
权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例具有不异于权利要求的字面语言的结构元素，或者如果这样的其它实例包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则它们意图处于权利要求的范围之内。
