用于涡轮机转子的多叶片轮叶和包括该轮叶的转子
技术领域
本发明涉及涡轮机中的叶片转子的领域，更具体地涉及单独地生产轮叶并将轮叶固定在圆盘上以形成叶片转子的情况。
背景技术
特别地，低压涡轮转子通常由安装在圆盘上的几十个甚至数百个轮叶组成。每个轮叶由至少一个叶片、装配在转子的圆盘中的附接件和平台构成，该平台安置于叶片和附接件之间，以形成导管的内部面，气流在该导管中穿过叶片。
这样的转子可以通过非常高的转速来承受重负荷。在设计这些转子及其轮叶时，要解决的问题包括转子上的轮叶的保持以及关于平台处气流的密封。
在一个轮叶上具有多个叶片存在多个优点。首先，在同一部件上生产多个叶片使得可以降低整个转子的生产成本。此外，为了组装和避免热膨胀期间的接触，在每个轮叶之间需要有间隙。这些间隙会导致导管与导管外之间的泄漏，这对涡轮机的性能有害。
因此，如文献EP-B1-1447525中所示，众所周知使用双叶片轮叶，其中该概念适于调节叶片的共振频率。
参照图1，根据现有技术的双叶片轮叶100包括两个叶片101、102，这两个叶片在内平台103和外平台104之间沿径向方向R跨度延伸，内平台和外平台界定出气体流动的通道。内平台103还在叶片101、102与整体式附接根部105之间建立连接，该整体式附接根部105插入于转子107的圆盘的齿106(仅在轮叶附近示出)之间。燕尾形附接件包括灯泡形件(bulbe)107，该灯泡形件107安置在两部分式支撑件108的端部，两个部分中的每一个均与叶片的基部相连。由于轮叶是通过金属铸造制造的，因此为了避免支撑件108的两个部分之间有实心区域，使用在金属铸造方法中使用的芯部来在支撑件108的两个部分之间形成腔体109。
附接根部105基本上沿周向T在两个叶片101、102之间居中，以平衡应力来在离心力下保持叶片。在图1中可以看出，这要求支撑件108的两个部分都具有非径向部分以到达叶片的基部。图1中的箭头示意性地示出了由离心力引起的应力沿着支撑件108和叶片101、102的路径。在箭头未与径向方向R对齐的部分中，这在支撑件中产生了力矩，并因此产生额外的应力。
从尺寸的观点来看，附接根部105必须保持两个叶片而不是一个叶片，从而抵抗由于根部105相对于叶片的偏移而引起的额外的应力。此外，由于根部105被芯部109穿透，因此根部的宽度甚至必须大于单个根部的宽度的两倍以保持单个叶片。
另一众所周知的解决方案是在每个叶片下具有两个独立的附接根部，但是该组件将具有高度超静定性。实际上，在现有技术中，由于存在两个接触平面，因此轮叶和圆盘在运行中已超静定。如果设置两个正常的附接件，则将有4个接触平面，并因此有更多的超静定化问题。
此外，需要使轮叶的质量最小化，以减小至圆盘的连接上的应力以及达到整体质量平衡。
本发明的目的是提出一种解决方案，该解决方案特别是通过减小在转子运行期间轮叶的附接件必须承受的应力水平来使双叶片轮叶的附接件的质量最小化。
本发明的目的还在于避免在圆盘和轮叶之间的过度超静定化，过度超静定化将需要在轮叶的附接件和圆盘上的紧固齿之间进行昂贵的精细调节。
本发明的目的还在于使在与轮叶的连接处的转子组件的质量最小化。
发明内容
本发明涉及一种涡轮机转子轮叶，该轮叶包括：第一叶片和第二叶片，该第一叶片和第二叶片布置成形成叶片式转子的两个连续叶片；平台，该平台沿轴向方向基本上形成有角度的壁扇区，所述两个叶片通过其端部中的一个端部连接至平台且基本上沿基本上垂直于所述轴向方向的称为径向的方向延伸；以及连接到平台的附接装置，该附接装置被设计成与转子圆盘上的紧固装置配合。
所述轮叶的特征在于，所述附接装置包括两个独立的支撑件，每个支撑件在所述两个叶片中的一个叶片的延伸部中从所述平台沿径向方向延伸，并且在与所述平台相对的端部处带有附接构件，所述附接构件基本上平行于所述轴向方向延伸，并且包括面向平台的具有垂直于所述轴向方向的恒定横截面轮廓的至少一个表面，以形成从平台至叶片定向的用于沿所述径向方向保持轮叶的支承表面。
每个支撑件的附接构件平行于轴向方向延伸并具有恒定轮廓的支承表面这一事实使得能够通过使附接构件抵靠转子圆盘的齿沿轴向方向滑动来安装根据本发明的轮叶。
将每个支撑件安置在每个轮叶的延伸部中的事实使得在转子旋转期间能够更好地对准应力的通道，从而将轮叶保持在叶片和支撑件之间。因此，不需要使支撑件的尺寸具有额外的厚度来承受高的扭转力矩，并且与具有中心根部的双叶片轮叶的现有技术相比，这使得能够节省轮叶的质量。
此外，当圆盘由此配备有一系列轮叶而使得叶片可以与在叶片的延伸部中的支撑件进行两两相关联时，仅在支撑件之间的每第二周向间隔中提供保持齿可能就足够了。实际上，如果附接装置是对称的，则两个中的一个间隔对应于支承表面的存在，而另一间隔没有保持装置。
因此，这使得能够减小圆盘外周上的保持齿的质量。实际上，对于单叶片轮叶，等效的齿的数量减少了两个，并且与根据现有技术的具有中心根部的双叶片轮叶相比，通过将齿分散开并减小它们的周向宽度来减小齿的质量。
最后，从将轮叶保持在旋转圆盘上的角度来看，在双叶片轮叶(因此仅包括第一叶片和第二叶片)的情况下，本发明使得可以限制抵抗离心力的径向保持的超静定性。实际上，与现有技术的在每个叶片下方具有完整附接的双叶片轮叶的解决方案相比，根据本发明的轮叶仅具有两个接触平面，而不是4个接触平面。在具有4个接触平面的情况下，制造公差将必须比现有技术要严格的多，以确保支承表面中的一个或两个并非不起作用。
此外，支承表面的较大间距对于轮叶的叶片相对于圆盘的定位并因此对于它们在发动机中的定位也是有利的。实际上，这些支承表面与圆盘的齿一起限定出定位轮叶的接触表面。两个接触表面之间的距离越大，这些表面上的缺陷越小，这对叶片的角度错位的影响就小。
优选地，每个支撑件带有的附接构件的支承表面在附接构件的相对于两个支撑件沿垂直于所述轴向方向和径向方向的圆周方向在外部的一侧上。
在这种情况下，支撑件及其附接构件在组装期间可以在圆盘的两个连续齿之间滑动，从而在两个支撑件之间留有间隙。
支承表面本身相对于径向方向大致倾斜。
此外，在为双叶片轮叶的情况下，支承表面沿周向定位于支撑件外部有助于与圆盘的连接相对于在转子运行期间施加在轮叶上的力的稳定性。
有利地，每个支撑件包括平行于轴向方向的基本上平坦的腹板，该腹板形成带有所述附接构件的所述端部，所述腹板和附接构件布置成具有平行于轴向方向的面向与另一支撑件相反的方向的侧面，该侧面具有恒定轮廓。
在这种构造中，腹板的一部分也可以接合在圆盘的齿之间，并因此与齿配合以参与轮叶的侧向保持。
在一个优选实施例中，附接构件包括在支撑件的端部处相对于所述腹板形成凸耳的凸片。
该实施方式使用于使轮叶进行附接的质量最小化。
优选地，叶片在它们与平台的接合处沿垂直于所述轴向和径向方向的圆周方向偏移给定距离，两个支撑件的带有附接构件的所述端部偏移基本上等于所述给定距离的距离。
因此，多个连续的轮叶到转子的附接形成重复的图案，该重复的图案可以与围绕转子的圆盘外周均匀分布的相似齿相配合。
优选地，每个支撑件的附接构件沿垂直于所述轴向方向和径向方向的圆周方向定位于相应叶片的与平台连接的端部的中间(moyenne)位置上。
以此方式，支撑件在具有弯曲轮廓的轮叶与具有笔直的轴向延伸部的支承表面之间必须承受的偏移被最小化。因此，这使支撑件的尺寸相对于由离心力引起的应力最小化。
有利地，每个支撑件被成形为使得支撑件与平台的接合在支撑件沿着轴向方向的变化中跟随相应叶片与平台的接合。
轮叶可以有利地包括至少一个壁，该至少一个壁横向于所述轴向方向地连接两个支撑件。
这样的壁具有加强功能。这将避免支撑件在离心力的作用下变形，并使得能够减小支撑件的厚度并因此减小支撑件的质量。
壁可在支撑件之间从平台径向延伸至如下线，该线接合附接构件的与平台相对的径向端部。
这使得能够封闭在轮叶的平台下方在圆盘的齿之间的空气通道。
本发明还涉及一种包括如上所述的轮叶的涡轮机转子。
有利地，所述转子的圆盘在其外周上带有一系列类似的齿，这些齿被成形为与轮叶的附接装置配合，两个连续的齿沿圆周方向分隔开至少等于齿在该方向上的宽度的距离。
附图说明
当参照附图阅读以下描述时，将更好地理解本发明，并且本发明的其他细节、特征和优点将更加清楚地显现，其中：
图1以径向截面图表示了根据现有技术的双叶片轮叶沿旋转轴线的后视图。
图2表示根据本发明的双叶片轮叶沿旋转轴线的后视图。
图3以径向截面表示了根据本发明的双叶片轮叶的旋转轴线的后视图。
图4表示在根据本发明的轮叶的构件的内平台上的径向突出的图。
图5表示图3的细节，示出了相对于根据现有技术的某些实施例被本发明去除的虚拟齿。
图6以径向截面表示根据本发明的进一步改进的双叶片轮叶的后侧透视图。
图7表示关于图6的轮叶的替代性实施例的沿旋转轴线的后视图的一部分。
图8表示关于图6的轮叶的替代性实施例的后视图的一部分。
在附图中，在根据本发明的替代性实施例的不同轮叶中具有相同功能的构件用相同的附图标记来标记。
具体实施方式
参照图2、图3和图4，在一个优选实施例中，根据本发明的涡轮轮叶1包括两个叶片2、3，这两个叶片在内平台4和外平台5之间在沿径向方向R的跨度延伸。
叶片1附接到可围绕方向轴线X(图4所示)移动的转子圆盘6，仅该转子圆盘的外周部分被示出为具有轮叶的保持齿7。
轴向方向和径向方向是指转子轴线，术语“内”和“外”是相对于径向方向来理解的。沿轴向方向的上游和下游是指设计轮叶所针对的流动方向。
内平台4和外平台5界定出围绕所述轴线X的气流通道导管的角扇区。外平台5不受本发明的关注，并且如通常压缩机轮叶的情况那样，可能不存在外平台。因此，不再赘述外平台。更特别地，内平台4沿圆周方向T在两个轴向平面之间被界定出，以便与相邻轮叶的平台装配，从而确保导管的壁的连续性。界定出导管的内部平台4的主体8具有由涡轮的设计确定的径向轮廓，该径向轮廓可以相对于径向方向R倾斜。在该示例中，该轮廓从上游到下游偏离转子的轴线X。在所述主体8的轴向端部处，内平台4在这里包括上游径向腹板9和下游径向腹板10，该上游径向腹板9和该下游径向腹板10径向延伸以在距轴线X相等距离处与圆盘6上的保持齿7发生接触。
在这里，上游腹板9和下游腹板10具有对轮叶1的保持功能，以一方面阻止轮叶沿径向方向朝着轴线X的运动，另一方面阻止围绕平行于轴线X的方向的旋转。内平台4通常包括附接到上游腹板9和下游腹板10上的器件，例如环形扰流器11，用于与涡轮的沿轴向方向包围转子的定子元件密封。
两个叶片2、3具有相对于轴向方向X倾斜的弯曲轮廓，该弯曲轮廓可以沿着其在径向方向R上的跨度变化。图4示出了在叶片2、3的基部在其与平台4的接合处该轮廓的形状。两个叶片2、3的几何形状相似，且两个叶片的角度偏移对应于转子的设计以及要安装在转子中的轮叶的数量。因此，叶片2、3的基部在内平台4处偏移一定距离D。
在这里，轮叶1到圆盘6的附接包括两个独立的支撑件12、13，这两个支撑件连接到平台4的主体8，并且在叶片2、3中的一个叶片的径向延伸部中从平台4延伸，该平台4沿轴向方向X具有与所述叶片2、3基本上相同的延伸部。在这里，每个支撑件12、13在与平台相对的一侧上终止于平行于径向方向R的轴向腹板14、15，该轴向腹板14、15连接至平行于轴向方向X并且相对于径向方向倾斜的凸片16、17，该凸片形成支撑件的自由端。所述凸片16、17从轴向腹板14、15侧向向外偏离，以在横截面中形成端部凸耳，使得凸片的外侧表面S1、S2面向平台4。支承表面S1、S2相对于径向方向大致倾斜。倾斜角度取决于本领域技术人员关于涡轮的几何形状和运行约束条件而进行的设计。通常情况下，倾斜角度取40°至50°之间的值，但可以在该范围之外。因此，每个凸片16、17形成轮叶1的附接构件，并且表面S1、S2形成从平台到叶片定向的用于沿径向方向R保持轮叶的支承表面。支撑件12、13的轴向腹板14、15和端部凸片16、17与圆盘6的齿7配合以根据稍后将描述的操作来保持轮叶1。
每个支撑件12、13的端部的轴向腹板14、15沿圆周方向T定中心于平台4上的叶片2、3的基部的中间位置上，并且因此沿该方向偏移距离D’，该距离D’基本上等于所述叶片2、3的基部之间的偏移D。在这里，由轴向腹板14、15和端部凸片16、17形成的组件相对于穿过支撑件12、13中间的轴向平面基本上是对称的。
每个支撑件12、13在轴向腹板14、15与平台4之间具有三维形状，以遵循相应的叶片2、3的基部在其与平台4的主体8的接合处的轮廓。
相应地，转子的圆盘6在其外周上包括具有类似的齿7的环形件，该齿7沿圆周方向T偏移一定距离，该距离基本上等于叶片2、3的基部之间的偏移距离D的两倍，使得转子上的齿7是叶片2、3的一半。
在这里，每个齿7平行于轴线X延伸一段距离，并且具有恒定的横向轮廓，该段距离基本上对应于平台的上游腹板9和下游腹板10之间的距离。以这种方式，通过使支撑件12、13的轴向腹板14、15和端部凸片16、17在两个连续的齿7之间沿轴向方向X滑动，可以将上述轮叶1安装在两个连续的齿7之间。然后，在这里未描述的公知器件使得可以将轮叶1相对于转子保持在轮叶的轴向位置。这些器件不受本发明的关注。
每个齿7的轮廓具有灯泡的形状。因此，从圆盘6的外表面开始，齿包括具有恒定给定厚度的一部分，然后变宽。该变宽的形状被限定为使得：在齿7的一侧上形成面向圆盘6的表面，该面向圆盘6的表面与连接到轮叶1的支撑件中的一个支撑件12的支承表面S1接触；以及在齿的另一侧上形成面向圆盘6的另一表面，该面向圆盘的另一表面与连接到类似于轮叶1的相邻轮叶的支撑件中的另一个支撑件13的支承表面S2接触。如上所述，当轮叶的两个支撑件12、13的附接构件16、17是对称的时，齿7的轮廓关于齿的径向中间平面对称。
最后，齿7包括径向外表面，该径向外表面基本上是平坦的或形成以转子的轴线X为中心的圆筒体的一部分。因此，当发动机停止时，平台4的上游腹板9和下游腹板10的自由边缘可被支撑在该径向外表面上。如前所述，上游腹板9和下游腹板10的支承阻止了轮叶1朝向圆盘6的径向运动，从而维持了轮叶1在转子上的正确定位。
由每个支撑件12、13承载的端部凸片16、17的支承表面S1、S2被设计成承受由轮片1施加的离心力的大约一半，即基本上对应于叶片2、3中的一个叶片的离心力。因此，支撑件12、13及其端部凸片16、17必须被充分地设计尺寸以支撑由叶片施加的应力。此外，如图3中的箭头所示，支撑件12、13的三维部分以较小的径向倾角承受朝向相应叶片2、3的基部的这些应力，因为在这里目的本质上是补偿叶片2、3的轮廓的弯曲形状，而不是补偿与所述叶片的一半间隔的周向偏移。因此，支撑件12、13和端部凸片16、17的尺寸使得它们在横向方向上的厚度略大于单叶片轮叶的根部所需的厚度的一半，但比双叶片轮叶的单中心根部的厚度的一半要小得多。这节省了附接到用于轮叶1的圆盘6的附接装置的质量。
应当注意，就抵抗离心力而言，轮叶1通过仅两个支承表面S1和S2在支撑件12、13的外侧上沿圆周方向T的接触来保持，每个支承表面以与径向方向成一定角度地延伸。这限制了轮叶和圆盘之间的超静力性。此外，两个支撑件12、13间隔开，所述支承表面S1、S2本身间隔开并且沿圆周方向T靠近轮叶1的边缘。与组装在轮叶中心的单个附接件相比，这提高了组件在离心力应力下的稳定性。
本发明还使得圆盘6上的质量得到改进。从图3和图4中可以看出，双叶片轮叶1的两个支撑件12、13之间的空间中没有齿。另一方面，通过从轮叶1到另一轮叶的重复，圆盘6的每个齿7占据了在两个叶片之间沿圆周方向T延伸的空间，其中一个叶片属于一个轮叶，另一个叶片属于相邻轮叶。因此，如通过比较图3和图1可以看到的，相对于对具有中心根部的双叶片轮叶的公知解决方案，适用于根据本发明的轮叶的圆盘的齿7的宽度要比适用于具有单个根部的双叶片轮叶的圆盘的齿的宽度小得多。此外，图5示出了与使用对应于现有技术的具有2个附接件并因此将在圆盘和轮叶之间具有4个接触表面的双叶片轮叶或单叶片轮叶相比所获得的质量改进。单叶片轮叶的齿在周向方向T上具有较小的厚度，但数量将是两倍，这是因为必须添加虚线所示的齿7'来保持每个轮叶，这产生了以下事实：总的来说，本发明使得可以在圆盘的齿的质量上得到改进(gagner)。
根据本发明的改进，参照图6，轮叶21此外具有连接两个支撑件13、14的一个或多个横向加强腹板18。有利地，这种加强腹板18从平台4的主体8径向地延伸。在图6所示的示例中，该加强腹板仅在三维部分上封闭了支撑件12、13之间的空间，而在轴向腹板14、15之间留出自由空间。如图7所示，这样的实施例在平台4以及上游腹板9和下游腹板10下方，在转子的圆盘6的齿7之间留出空气通过区域。
在图8所示的替代性实施例中，轮叶31具有至少一个加强腹板19，该至少一个加强腹板19沿着圆盘6的外周延伸至由支撑件12、13承载的附接凸片16、17的径向端部，以封闭在平台4以及上游腹板9和下游腹板10下方在齿7之间的轴向空气通道。
在该文件中对本发明的实施例的描述不是限制性的。在这里描述的轮叶是双叶片式的，但可以考虑使用如下轮叶，该轮叶包括一系列在延伸部中具有其支撑件的叶片对。然而，在这种情况下，支承表面在齿上的组装对于轮叶而言变得超静定，因此调节起来更加精细。也可以考虑未示出的与圆盘连接的连接装置的其他实施例。例如，可以通过由支撑件承载的支承在圆盘6或齿7的径向顶点上的构件来确保对轮叶朝向轴线的径向阻挡。于是，内平台4可以不带有具有保持功能的上游腹板或下游腹板。已经在涡轮轮叶的情况下描述了本发明，但是本发明也可以涉及适用于其他类型的转子(例如压缩机转子)的轮叶。此外，除了相对于轴向腹板14、15形成弯折的凸片之外，在支撑件12、13的端部处的附接构件可以用于产生支承表面S1、S2。例如可以通过从腹板表面偏离的扰流器来进行。然后，圆盘上的齿的形状将适配于轮叶上使用的附接构件的形状。
