固定涡轮叶片的装置.pdf

本发明涉及一种固定涡轮叶片的装置，用于将涡轮叶片固定在涡轮机，尤其是燃气涡轮机的涡轮盘上，其中，针对涡轮盘(12)上的涡轮叶片(14)设计了一种走向与涡轮机旋转轴(R)至少近似平行的轴向异形槽(16)，一种截面与异形槽(16)的异形截面相匹配的涡轮叶片(14)的叶根(18)插入这个异形槽中，并且在这种装置上针对涡轮叶片(14)设计了一种固定元件(32)，用这个元件将插入异形槽(16)的涡轮叶片(14)叶根(18)固定在轴向方向上。根据本发明，固定元件(32)通过卡在涡轮盘(12)上而固定住，并且将叶根在轴向方向上牢固地张紧。此外，本发明还涉及一种用于这种装置的固定元件。

1、  一种用于将涡轮叶片(14)固定在涡轮机，尤其是燃气涡轮机的涡轮盘(12)上的装置，其中，针对涡轮叶片(14)在涡轮盘(12)上设置有与涡轮机的旋转轴至少近似平行延伸的轴向的异形槽(16)，在该异形槽中将插入在横截面上与异形槽(16)的异形横截面相匹配的涡轮叶片(14)叶根(18)，和针对涡轮叶片(14)设置有固定元件(32)，利用该固定元件使插入异形槽(16)中的涡轮叶片(14)的叶根(16)在轴向方向上锁定，其特征在于：固定元件(14)通过卡在涡轮盘(12)上而被固定并且将叶根(18)轴向地锁定。

2、  如权利要求1所述的装置，其特征在于，固定元件(32)为了在轴向上锁定而将叶根(18)沿轴向预张紧到异形槽(16)中，。

3、  如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，为了将固定元件(32)卡在涡轮盘(12)的尤其是至少近似径向走向的扁平面上，设有与旋转轴(R)同心分布的卡槽(22)。

4、  如权利要求3所述的装置，其特征在于，卡槽(22)由一个径向向外延伸的，最好经倒圆的第一卡紧凸缘(26)和/或一个径向向内延伸的，最好经倒圆的第二卡紧凸缘(28)限定。

5、  如权利要求3或4所述的装置，其特征在于，卡槽(22)从径向方向来看相对于异形槽这样地布置，使异形槽(16)至少部分地过渡到卡槽(22)，从而使插入异形槽(16)的涡轮叶片(14)叶根(18)凸入卡槽(22)中。

6、  如权利要求3、4或5所述的装置，其特征在于，固定元件(32)设计为截面呈Z形的两个扁平面(36、38)构成的弧形段(34)，这两个扁平面用走向至少与它们近似呈直角的中间连接板(40)相互连接起来，固定元件(32)在卡紧状态下通过其一个扁平面(36)保持在卡槽(22)里，而其另一个扁平面(38)贴靠在插入异形槽(16)的涡轮叶片(14)叶根(18)的端面。

7、  如权利要求1至6中的任意一项所述的装置，其特征在于，涡轮叶片(14)叶根(18)的一个部段在完全插入异形槽(16)的状态下从异形槽(16)中稍微伸出，通过在固定元件上构造的开口(50)凸出并且当固定元件(32)卡在涡轮盘(12)上时锁定在该开口中。

8、  如权利要求7所述的装置，其特征在于，为了将叶根(18)锁定在开口(50)中，一个在固定元件(32)上设置的凸耳(54)凸入开口(50)中，该凸耳与一个在涡轮叶片(14)的叶根(18)上构造的锁定槽(56)啮合。

9、  如上述任意一项权利要求所述的装置，其特征在于，异形槽(16)在涡轮盘(12)的整个轴向长度上延伸，并且在每个异形槽(16)的两端各自设置一个与涡轮盘(12)卡紧的固定元件(32)，其中插入异形槽(18)的涡轮叶片(14)叶根(18)在两个固定元件(32)之间被轴向锁定。

10、  用于如上述任意一项权利要求所述的装置的固定元件，其特征在于，固定元件(32)设计为一个横截面呈Z形的由两个扁平面(36、38)组成的弧形段(34)，，这两个扁平面用至少与它们近似呈直角走向的中间连接板(40)相互连接起来，固定元件(32)在卡紧状态下以其一个扁平面(36)保持在卡槽(22)里，而其另一个扁平面(38)贴靠在插入异形槽(16)的涡轮叶片(14)的叶根(18)的端面上。

11、  如权利要求10所述的固定元件，其特征在于，从固定元件的纵向的横向上看，中间连接板(40)弯曲成S形。

12、  如权利要求10或11所述的固定元件，其特征在于，在固定元件的纵向的横向上在扁平面(36、38)的两个相同指向的平面之间的距离(a)大致上对应于固定元件(32)的材料厚度(d)的3-5倍，尤其是大致上对应于固定元件(32)的材料厚度(d)的4倍，和/或大致上对应于支撑涡轮叶片(14)的叶根(18)的扁平面(36)从固定元件(32)的纵向上看的长度(11)的0.5-0.7倍，尤其是大致为0.6倍。

13、  如权利要求10至12中的任意一项所述的固定元件，其特征在于，固定元件(32)的总长度(12)从其纵向看大致上对应于支撑涡轮叶片(14)的叶根(18)的扁平面(36)从固定元件(32)的纵向看的长度(11)的1.8-2.2倍，尤其是大致为1.875倍，和/或涡轮盘的外径大致上对应于固定元件(32)从其纵向上来看的总长度(12)的46-52倍，尤其是48.8倍。

14、  一种涡轮机，尤其是燃气涡轮机，带有涡轮盘(12)以及在其上面固定的涡轮叶片(14)，其特征在于具有如上述任意一项权利要求所述的用于固定其中至少一个涡轮叶片(14)的装置。

15、  用于如权利要求14所述的涡轮机的涡轮盘，其特征在于具有一种卡槽(22)，涡轮盘的外径大致上对应于卡槽(22)在径向方向上的总高度的60-67倍，尤其大致为63倍。

固定涡轮叶片的装置
技术领域
本发明涉及一种将涡轮叶片固定在涡轮机，尤其是燃气涡轮机的涡轮盘上的装置，其中，针对涡轮盘上的涡轮叶片设计了与涡轮机旋转轴至少近似平行的轴向的异形槽，在横截面上与异形槽的异形横截面相匹配的涡轮叶片叶根应插入这个异形槽中，并且针对涡轮叶片设有固定元件，用该固定元件将插入异形槽的涡轮叶片叶根固定在轴向方向上。此外，本发明还涉及一种用于这种装置的固定元件，以及带有这种固定装置的涡轮机。
背景技术
德国专利DE 102004036389A1示出了一种开头所述形式的用于将涡轮叶片固定在涡轮机的涡轮盘上的装置。在这种已知的装置中，在涡轮盘上针对每个涡轮叶片都设计了一种轴向的异形槽，涡轮叶片的具有相应截面的叶根轴向地插入这个异形槽。在涡轮叶片的叶根上设计了一个槽，固定元件伸入这个槽中，并固定在涡轮盘的一个槽中，从而防止涡轮叶片的叶根在异形槽中轴向移动。在涡轮叶片叶根上的槽具有不同的曲率半径，起到避免固定元件在槽中移动的作用。
发明内容
本发明的任务是，改进以上所述形式的固定装置。
根据本发明，这一任务是通过具有权利要求1所述特征的装置，尤其是以这样的方式实现的，即固定元件被卡在涡轮盘中而固定住，并且固定元件将叶根固定在轴向方向上。权利要求10保护了一种相应的固定元件，权利要求14保护了一种相应的涡轮机。从属权利要求涉及优选的实施例。
在根据本发明的装置中，为了保证固定牢固，固定元件只须卡在涡轮叶片上。与之前所采用的技术不同，这样就不需要张紧涡轮盘和叶片叶根之间的固定元件，从而使涡轮盘和叶片叶根之间的相对运动和相对作用力不会再直接影响固定元件在涡轮盘上的固定，从而使固定装置更加稳定和简单。
根据本发明，仅仅涡轮盘必须配有相应的模件，以便将固定元件卡在涡轮盘上。这样就从整体上简化了涡轮机的生产，因为只有一个部件，也就是涡轮盘必须配备额外的模件，而涡轮叶片保持不变或可以具有简单的外形轮廓。
固定元件卡在涡轮盘上，尤其是固定在两个轴向方向上，从而使嵌在异形槽中的涡轮叶片的叶根被固定在轴向方向上。通过这种方式，一方面确保涡轮叶片牢固地固定在异形槽中，另一方面与之前所采用的技术相比，固定涡轮叶片所需的技术措施被大大简化了。
根据本发明，最好可以固定多个涡轮叶片，优选可以固定涡轮机的所有涡轮叶片。为此，在实施本发明时，针对每个涡轮叶片都设计了一个可以卡在涡轮盘上并且可以将各涡轮叶片的叶根沿轴向固定的固定元件。但是，同样地也可以将两个、三个或者更多涡轮叶片用一个固定元件共同固定在涡轮盘上。
为了进一步提高涡轮叶片叶根的可靠的固定程度，建议这样设计固定元件，即叶根在异形槽中不仅仅被轴向固定，而且为了固定在轴向方向上，叶根在异形槽中被预张紧。
根据本发明所述装置的一个优选的实施方案，为了将固定元件卡在涡轮盘的至少近似径向延伸的扁平面上，建议设计一个与旋转轴同心地延伸的卡槽。在制造涡轮盘的过程中，以很简单的方式就可以制成这样的卡槽，例如通过车削等切削加工。同时，一个这样的卡槽确保了卡在其中的固定元件被十分牢固地固定。此外，固定元件可以在卡槽中十分自由地定位，这样就可以以简单的方式抵消制造过程中产生的公差偏差。
根据这个实施方案的一个扩展方案例，建议在卡槽上设计一个径向向外延伸，最好是经过倒圆处理的第一卡紧凸缘，以及一个径向向内延伸，最好是经过倒圆处理的第二卡紧凸缘。这样设计的卡紧凸缘尤其是因为采用了倒圆处理，一方面可以方便地将固定元件卡在卡槽里，另一方面卡紧凸缘由于径向向内或向外延伸，可以在固定元件卡住后确保其固定牢固。
卡槽在径向方向的总高度，与涡轮盘的外径或额定直径，尤其是与压缩机叶轮的外径优选大致为1∶67-1∶60的比例，尤其是大致为1∶63。从固定牢固、结合力大小和安装方便程度角度来看，这个比例是最佳的折衷方案。例如一个带有732mm压缩机叶轮外径的涡轮盘的卡槽可以具有8.0-8.4mm的径向延伸段，接着是2.0-2.4mm的第一半径和位于其对面的1.0-1.4mm的第二半径，从而形成倒圆的第二卡紧凸缘。这个卡槽在径向方向上的总高度为大约11-12.2mm，732mm的压缩机叶轮外径对应于60-66.5倍。
为了使异形槽中的涡轮叶片叶根在轴向方向上更加牢固，对于配有卡槽的实施方式，建议从径向方向来看将卡槽相对于异形槽如此布置：异形槽至少部分过渡到卡槽，插入相应异形槽的涡轮叶片的叶根伸入卡槽中。通过这种方式，卡在卡槽里的固定元件就可以向涡轮叶片的叶根施加相对较高的轴向紧固力，优选是很高的轴向预紧力，因为固定元件的支撑点就位于紧靠近卡槽周围的涡轮叶片的叶根上。
尤其是对于配有卡槽的本实施方式，建议使用截面呈Z形的弧形段作为固定元件，这个弧形段具有两个扁平面，它们通过一个优选至少近似地与其呈直角的中间连接板相互连接起来。为了起到卡紧作用，固定元件与两个扁平面的纵向边缘先后卡住。此时，由于固定元件呈Z形，不仅仅使固定元件可以牢固地卡在卡槽中，而且由此产生的固定元件的预应力可以额外地将涡轮叶片的叶根在轴向方向上预紧在异形槽中。
为了进一步提高涡轮叶片的叶根在异形槽中的轴向紧固力，还建议将处于完全插入异形槽状态下的涡轮叶片的叶根的一个部段从异形槽中略微伸出一些，通过在固定元件上构造的一个开口凸出，并且当固定元件卡在涡轮盘上时固定在这个开口中。通过这种方式，不仅仅使涡轮叶片的叶根在轴向固定在一个方向上，而且同时使其在相反方向上也被轴向固定。由此，就基本上不会发生不小心松开涡轮叶片叶根的情况，但是依然只需使用最简单的工具就可以进行安装。
为了将叶根固定在开口中，在根据本发明的装置的这个实施形式中，在固定元件上设计了凸耳，该凸耳伸入开口，并与在涡轮叶片叶根上附加形成的锁定槽啮合。取代在固定元件上一体地设计的凸耳，也可以设计一种独立的锁定元件，该锁定元件插入到叶根的伸出固定元件的开口的部段的锁定槽中并支撑在受到预应力作用的固定元件上。
为了进一步简化这种装置的生产，此外还建议这样设计异形槽，使其在涡轮盘的整个轴向长度上延伸。为了涡轮叶片轴向固定在异形槽中，在每个异形槽的两端都各自设有一个与涡轮盘卡紧的固定元件，插入异形槽的涡轮叶片叶根在这种情况下在两个固定元件之间被轴向固定。在这种情况下就不需要凸入开口中的凸耳。
根据另一个方面，本发明涉及一种用于本发明装置的固定元件。这种固定元件设计为由两个扁平面构成、截面呈Z形的弧形段，两个扁平面通过一个至少近似与它们成直角的中间连接板相互连接起来。在卡紧状态下，这个固定元件以其一个扁平面固定在卡槽里，而其另一个扁平面靠在插入异形槽的涡轮叶片叶根的端面上。
为了在卡紧时得到高的机械支撑力，尤其是预应力，从与固定元件的纵向方向的横向上来看，固定元件的中间连接板弯曲成S形。通过中间连接板的S形形状，固定元件在卡住时在纵向方向上很容易被压下并在卡住后就牢固地支承在卡槽里。
固定元件的尺寸最好这样设计：在固定元件的纵向的横向上在扁平面的两个指向同一方向的平面之间的间距至少近似地相当于固定元件是材料厚度或壁厚的3-5倍，最好是相当于固定元件材料厚度的4倍。在一种特别优选的实施形式中，该实施形式被设计用于具有外径732mm的压缩机叶轮，两个平面之间的间距相当于4.8mm，而固定元件的材料厚度为1.2mm。对于其它的压缩机叶轮外径，最好使间距或材料厚度与外径的比例基本上在上述比例的范围之内。这是在生产和安装成本与轴向支撑力之间的最好的折衷方案。
为了很好地支撑住涡轮叶片叶根，固定元件的尺寸最好这样设计：在固定元件的纵向的横向上在扁平面的两个指向同一方向的平面之间的间距至少近似地相当于从固定元件的纵向方向来看的支撑涡轮叶片叶根的扁平面的长度的0.5-0.7倍，最好是0.6倍。如果压缩机叶轮的外径为732mm，则两个扁平面的间距最好为4.8mm，而扁平面的长度为8.0mm。对于其它压缩机叶轮外径，最好使间距或长度与外径的比例基本上处于该比例的范围之内。
相对于支撑涡轮叶片叶根的扁平面的长度，固定元件的总长度最好是其1.8-2.2倍，尤其是1.875倍。如果使用上述的外径732mm的压缩机叶轮，则固定元件的长度优选约为15.0mm。对于其它压缩机叶轮外径，最好使总长度或长度与外径的比例基本上处于上述比例的范围之内，尤其是涡轮盘的外径基本上相当于固定元件总长度的46-52倍，尤其是基本上为48.8倍。
附图说明
下面将利用一个实施例并参考附图详细地描述本发明。附图简要说明如下：
图1是根据本发明将涡轮叶片固定在涡轮盘上的装置的局部的透视图；
图2是图1中沿着截面线A-A的截面图，其中示出了用固定元件固定的涡轮叶片的叶根；
图3是穿过涡轮盘的纵截面的部分视图，其中示出了一个根据本发明的卡槽是如何在图1中所示装置中使用的；
图4是固定元件的透视图，其中示出了该固定元件如何在图1中所示装置中使用的；
图5是固定元件的侧视图；
图6是图3中所示卡槽一种变形方案放大的截面侧视图。。
具体实施方式
在图1和图2中，以部分透视图和截面视图的形式展示了一个根据本发明将涡轮叶片14固定在涡轮盘12上的装置10的实施例。为了固定涡轮叶片14，在涡轮盘12上设有截面呈异形的异形槽16，这个异形槽的走向至少与涡轮机旋转轴R近似平行。在异形槽16中，轴向插入了涡轮叶片14的一个叶根18，这个叶根是在涡轮叶片14的在已安装状态下径向向内布置的末端上形成的。以已知的方式使叶根18在轴向插入方向的横向上横截面与异形槽16的横截面相匹配，从而将涡轮叶片12在径向方向上与涡轮盘14牢固地连接起来。
为了防止叶根18在轴向方向上从异形槽16中松开，设计了根据本发明的装置10，下面借助图3和图4详细解释其各个元件。
图3是涡轮盘12的一个部段的截面图。在图3右边的涡轮盘12的扁平面20上，形成了一个与旋转轴R同心延伸的卡槽22。卡槽22具有一个延伸方向与旋转轴R大致呈直角的槽底24。槽底24由一个是径向向外延伸的凸缘26和一个是径向向内延伸的第二凸缘28限界，凸缘26过渡到卡槽22的部分被倒圆，第二凸缘28同样被倒圆第二，并且构成2.2mm的半径30，过渡到卡槽22的槽底24。相对于从径向方向来看与旋转轴R间距均匀地设置的异形槽16，卡槽22这样地布置，使得每个异形槽16的沿径向最向内布置的末端终止于卡槽22中并且是大致在第二凸缘28的下面。
根据本发明的装置10的第二主要元件是图4中以透视图形式展示的固定元件32，其卡在图3中的卡槽22上，下面对其进行详细说明。用钢板制成的固定元件32设计为横截面呈Z形的弧形段34。弧形段34由两个在至少接近相互平行地布置的平面中延伸的扁平面36和38组成，由走向与这两个扁平面至少接近呈直角的中间连接板40将它们连接起来。在两个扁平面36和38之间、过渡到中间连接板40的过渡段42和44从截面上来看形成了半径1.6mm的弧形段(相对应异型中线)，从而赋予固定元件32与形状相关的弹性。两个扁平面36和38的相互背离的纵向边46和48经过倒圆处理，其倒圆半径与卡槽22的半径相匹配。
此外，在固定元件32的中央设计了一个至少接近矩形的开口50，它大致从图4下部所示的第一扁平面36的中部开始，经过中间连接板40延伸到中间连接板40的过渡段44进入到图4上部所示的第二扁平面38。一个凸耳64从在第一扁平面36上形成的开口50的开口下缘52开始凸入到开口50中，该凸耳至少接近地在过渡段42的高度上从第一扁平面36终止于到中间连接板40中。
在固定元件的纵向的横向上在扁平面36和38的两个相同指向的平面之间的距离a对应于固定元件32的材料厚度d的4倍，在所示的实施例中对于外径为732mm的涡轮盘，材料厚度d为1.2mm(参阅图5)。
为了确保在卡槽22中固定元件32的可靠固定，在固定元件32的纵向的横向上的在扁平面36和38的两个相同指向的平面之间的距离a至少近似地对应于从固定元件32的纵向方向来看的对涡轮叶片14的叶根18支撑的扁平面36的长度l1的0.6倍，在所述的实施例中长度为8.0mm。
在所述的实施例中，从其纵向方向来看，固定元件32的总长度l2相当于支撑涡轮叶片14的叶根18的扁平面36的长度l1的1.875倍并且为15.0mm。对于其涡轮盘外径，最好相应地标定上述的绝对尺寸，使其与涡轮盘外径的比例大致上保持一致。
下面参照图1和图2描述了涡轮叶片14在涡轮盘12上的安装，在安装时，首先将涡轮叶片14通过其叶根18插入在涡轮盘12上设置的异形槽16。接着如图4所示，用固定元件32将每个涡轮叶片14固定好。
为了这个目的，固定元件32以第一扁平面36的纵向边46挂在卡槽22的第一凸缘26上，同时凸耳54挂在锁定槽56上，该锁定槽是在涡轮叶片14的叶根18从异形槽16伸出的一段的下侧上形成的。
接着将固定元件32朝轴向方向压向涡轮盘12，此时从第一扁平面36到固定元件32的中间连接板40的过渡段42卡在卡槽22的第二凸缘28上。过渡段42的半径与第二凸缘28的半径30相匹配，从而使这两个凸缘相互可靠地啮合或卡紧(参阅图2)。在这个卡紧过程中，叶根18运动到其在异形槽16中的最终安装位置，此时叶根18可以在轴向预应力的作用下，被在卡槽22中卡紧的固定元件的第二扁平面38保持住。但是同样地也可以没有预应力地由第二扁平面38将叶根18仅仅沿轴向锁定而就此不受力地位于槽16中。
同时，与叶根18的锁定槽56处于啮合状态的固定元件32的凸耳54将叶根18保持在预定的轴向位置。
图6展示了一个略有改变的卡槽22′，与图3中所示的卡槽22相比区别仅在于，第一凸缘26的走向呈直角或具有锐棱。通过这种方式，确保了固定元件32在卡槽22′中更加牢固。卡槽22′的尺寸对应于图3所示卡槽22的尺寸，并与固定元件32的尺寸相匹配，这样图6中所示的尺寸就可以直接用于图3所示的卡槽22。
因此，接近凸缘26的卡槽22′的宽度b比固定元件32的材料厚度d大一些，在以放大视图所示的实施例中为1.3mm。与涡轮盘14的扁平面平行的槽的径向深度t为2.0mm。卡槽22′的一段靠在固定元件32的扁平面36上，这一段的径向长度l3为8.2mm。在第二凸缘28上的两个半径R1和R2与中间连接板40的半径一致，较大的半径R1为2.2mm，较小的半径R2为1.2mm。对于外径与本实施例中的732mm不一致的涡轮盘，也最好相应地标定上述的几个或者全部的绝对尺寸，使其与涡轮盘外径的比例大致上保持一致。
利用根据本发明的装置10，可以用十分简单和巧妙的方式将涡轮叶片14轴向地固定在涡轮盘12上。在这个装置10中，不需要成本高昂、造型特殊的槽，如在背景技术中所述的。
10装置
12涡轮盘
14涡轮叶片
16异形槽
18涡轮叶片的叶根
20扁平面
R    旋转轴
22卡槽
24槽底
26第一凸缘
28第二凸缘
30半径
32固定元件
34弧形段
36扁平面
38扁平面
40中间连接板
42过渡段
44过渡段
46纵向边缘
48纵向边缘
50开口
52开口下缘
54凸耳
56固定槽
a    扁平面36和38之间的间距
d    材料厚度
l1扁平面36的长度
l2固定元件的总长度
t    卡槽22′的径向深度
b    卡槽22′的宽度
l3卡槽22′的径向长度
R1凸缘28上的较大的半径
R2凸缘28上的较小的半径。