具有摩擦和冲击振动阻尼元件的涡轮叶片的制作方法

具有摩擦和冲击振动阻尼元件的涡轮叶片
1.本发明是在美国政府合同能源部(doe)合同号de-fe0031613下进行的，并且政府享有本文的权利。
技术领域
2.本公开整体上涉及阻尼制品中的振动。此外，本公开涉及用于涡轮的叶片的阻尼。


背景技术：

3.轴流涡轮系统内的涡轮和压缩机区段一般包括转子组件，该转子组件包括旋转盘和围绕盘周向设置的多个转子叶片。每个叶片包括基部、翼型件以及定位在基部与翼型件之间过渡区域中的平台。叶片的基部被接纳在盘内互补形的凹陷部中。叶片的平台横向向外延伸并且共同形成穿过转子级的流体的流动路径。每个叶片的前边缘一般称为前缘，并且后边缘称为后缘。前被定义为通过系统的燃气流中后侧的上游。
4.涡轮操作中的一个问题是涡轮叶片在操作期间经受振动应力的趋势。例如，气体温度、压力和/或密度的变化可激发整个转子组件的振动，尤其是在叶片翼型件内。在许多装置中，涡轮的频繁加速和减速使叶片暂时至少经受某些主要频率的振动应力，并且在许多情况下，经受二级或三级频率的振动应力。在全速、满载稳态操作状况期间，涡轮叶片在它们由来自上游流的周期性或“脉动”力激发时还通常经受振动应力。当叶片经受振动应力时，其振动幅度可易于积累到可改变操作的程度。
5.可阻尼叶片以避免或减小高振动应力。解决在涡轮操作期间的振动的一种方法包括改变叶片的自然频率以避免谐振，例如通过改变叶片的物理结构。例如，可使用联接相邻叶片的中间跨度护罩。在另一个示例中，顶罩可在相邻叶片之间产生摩擦以在操作期间耗散动能。通过改变叶片的空气动力学性能和添加重量和/或长度，改变或添加结构带来了额外的挑战。
6.在另一个示例中，已知阻尼器可附接到翼型件的外表面。将阻尼器添加到外表面的公认缺点是阻尼器暴露于发动机内的恶劣、腐蚀性环境。只要阻尼器一开始腐蚀，其效率就可能折衷。此外，阻尼器可由于腐蚀而与翼型件分离。
7.在其他方法中，采用被动吸收在使用期间产生振动的动能的机构。可邻近叶片的外尖端，在一个示例中提供腔体，或在另一个示例中提供挡板，以吸收操作期间的压力变化。在另一种情况下，高压气流可从上游位置被引导到叶片级的前缘中。


技术实现要素：

8.本公开的第一方面提供了一种涡轮叶片，该涡轮叶片包括：翼型件主体，该翼型件主体具有外尖端和平台；零件跨度护罩，该零件跨度护罩定位在翼型件主体的外尖端与平台之间，该零件跨度护罩具有第一开口，该第一开口具有第一内表面，该第一开口延伸通过翼型件主体；第二开口，该第二开口在翼型件主体中，该第二开口从第一开口径向向外延伸并且具有第二内表面；第一细长振动阻尼元件，该第一细长振动阻尼元件设置在第一开口
中；和第二细长振动阻尼元件，该第二细长振动阻尼元件径向设置在第二开口中，该第二细长振动阻尼元件包括自由的径向外端和与第一细长振动阻尼元件联接的径向内端。
9.本公开的另一个方面提供了一种制品，该制品包括：翼型件主体，该翼型件主体具有外尖端和平台；零件跨度护罩，该零件跨度护罩定位在翼型件主体的外尖端与平台之间，该零件跨度护罩具有第一开口，该第一开口具有第一内表面，该第一开口延伸通过翼型件主体；第一细长振动阻尼元件，该第一细长振动阻尼元件设置在第一开口中并且与第一内表面摩擦地接合，以用于摩擦地阻尼振动；和第二细长振动阻尼元件，该第二细长振动阻尼元件径向设置在翼型件主体中的第二开口中，该第二细长振动阻尼元件具有径向内端和自由的径向外端，该径向内端联接到第一细长振动阻尼元件，该自由的径向外端用于通过冲击第二开口的第二内表面来阻尼振动。
10.本公开的另一个方面提供了一种阻尼涡轮叶片中振动的方法，该方法包括：通过摩擦定位在涡轮叶片的翼型件主体的外尖端与平台之间的零件跨度护罩来阻尼振动，该零件跨度护罩具有第一开口和第一细长振动阻尼元件，该第一开口具有第一内表面，该第一细长振动阻尼元件设置在第一开口中并且与第一内表面摩擦地接合；以及通过冲击径向设置在翼型件主体中的第二开口中的第二细长振动阻尼元件来阻尼振动，第二细长振动阻尼元件具有联接到第一细长振动阻尼元件的径向内端和能够通过冲击第二开口的内表面来阻尼振动的径向外端。
11.本公开的示例性方面被设计成解决本文描述的问题和/或未讨论的其他问题。
附图说明
12.从结合描绘本公开的各种实施方案的附图的对本公开的各个方面的以下详细描述，将更容易理解本公开的这些和其他特征，其中：
13.图1示出了燃气涡轮系统的形式的例示性涡轮机的简化横截面视图；
14.图2示出了根据本公开的实施方案的例示性涡轮的一部分的横截面视图；
15.图3示出了根据本公开的实施方案的包括叶片振动阻尼系统的涡轮叶片的透视图；
16.图4示出了根据本公开的实施方案的包括叶片振动阻尼系统的涡轮叶片的侧视图；
17.图5示出了根据本公开的实施方案的包括叶片振动阻尼系统的涡轮叶片的放大透视图；
18.图6示出了根据本公开的实施方案的沿图5中线6-6截取的涡轮叶片的横截面视图；
19.图7示出了根据本公开的实施方案的细长振动阻尼元件的横截面视图；并且
20.图8示出了根据本公开的其他实施方案的细长振动阻尼元件的横截面视图。
21.应当注意，本公开的附图未必按比例绘制。附图旨在仅描绘本公开的典型方面，并且因此不应当被视为限制本公开的范围。在附图中，类似的编号表示附图之间的类似的元件。
具体实施方式
22.首先，为了清楚地描述当前技术，当提及和描述涡轮系统内的相关机器部件时，将有必要选择某些术语。在这样做时，如果可能的话，通用的行业术语将以与其接受含义一致的方式进行使用和采用。除非另有说明，否则应当对此类术语给出与本技术的上下文和所附权利要求书的范围一致的广义解释。本领域的普通技术人员将了解，通常可以使用若干不同或重叠术语来引用特定部件。在本文中可描述为单个零件的物体可以包括多个部件并且在另一个上下文中被引用为由多个部件组成。另选地，本文中可描述为包括多个部件的物体可在别处称为单个零件。
23.此外，本文中可能会定期使用若干描述性术语，并且在本节开始时定义这些术语应当证明是有帮助的。除非另有说明，否则这些术语以及其定义如下。如本文所用，“下游”和“上游”是指示相对于流体流动方向的术语，诸如通过涡轮系统的工作流体，或者例如通过燃烧器的空气流或通过一个涡轮的部件系统的冷却剂。术语“下游”对应于流体流动方向，并且术语“上游”是指与流动相反的方向。已经认识到，在相对的流动构型中，上游和下游方向可根据涡轮机系统中的位置而变化。在没有任何进一步细节的情况下，术语“前”和“后”是指方向，其中“前”是指涡轮系统的前端，并且“后”是指涡轮系统的后侧。
24.通常需要描述相对于中心轴线处于不同径向位置的零件。术语“径向”是指垂直于轴线的移动或位置。在这种情况下，如果第一部件比第二部件更靠近轴线驻留，则本文中将说明第一部件是第二部件的“径向向内”或“内侧”。另一方面，如果第一部件比第二部件更远离轴线驻留，则本文可以说明第一部件是第二部件的“径向向外”或“外侧”。术语“轴向”是指平行于轴线的移动或位置。最后，术语“圆周”是指围绕轴线的移动或位置。应当理解，此类术语可关于涡轮系统的中心轴线(例如其转子的轴线)而应用。
25.此外，在本文中可以有规律地使用若干描述性术语，如下所述。术语“第一”、“第二”和“第三”可以可互换地使用，以将一个部件与另一个部件区分开，并且不旨在表示单独部件的位置或重要性。
26.本公开的实施方案提供了一种具有振动阻尼系统的制品或涡轮叶片，该振动阻尼系统包括摩擦和冲击振动阻尼元件。该制品或涡轮叶片可包括具有外尖端和平台的翼型件主体；以及定位在翼型件主体的外尖端与平台之间的零件跨度护罩。零件跨度护罩具有第一开口，该第一开口中具有第一内表面。翼型件主体包括第二开口，该第二开口从第一开口径向延伸并且具有第二内表面。第一细长振动阻尼元件设置在第一开口中，并且第二细长振动阻尼元件径向设置在第二开口中。第二细长振动阻尼元件包括自由的径向外端和联接到第一细长振动阻尼元件的径向内端。第一细长振动阻尼元件摩擦地阻尼振动，并且第二细长振动阻尼元件使用第二开口内的冲击阻尼振动。包括振动阻尼元件的振动阻尼系统以简单的布置减少了叶片振动，并且不向叶片添加额外的质量，使得其不向叶片根部添加额外的离心力或者不需要叶片构型的改变。
27.参考附图，图1是包括可应用本公开的教导内容的涡轮的例示性机器的示意图。在图1中，示出了燃烧涡轮或燃气涡轮(gt)系统100(在下文中称为“gt系统100”)形式的涡轮机90。gt系统100包括压缩机102和燃烧器104。燃烧器104包括燃烧区域105和燃料喷嘴部分106。gt系统100还包括涡轮108和普通压缩机/涡轮轴110(在下文中称为“转子110”)。
28.在一个实施方案中，gt系统100为7ha.03引擎，可从general electric company
(greenville,s.c)商购获得。本公开不限于任一种特定的gt系统，并且可以与其他发动机一起实现，包括例如general electric company的ha、f、b、lm、gt、tm和e级发动机型，以及其他公司的发动机型。更重要的是，本公开的教导内容不一定仅适用于gt系统中的涡轮，并且可应用于几乎任何类型的涡轮，例如蒸汽涡轮、喷气发动机、压缩机(如图1所示)、涡轮风扇、涡轮增压器等。因此，对gt系统100的涡轮108的参考仅出于描述性目的，而不是限制性的。
29.图2示出了涡轮108的例示性部分的横截面视图。在所示的示例中，涡轮108包括可与图1中的gt系统100一起使用的四个级l0-l3。该四个级称为l0、l1、l2和l3。级l0是第一级并且是四个级中的最小级(在径向方向上)。级l1是第二级并且在轴向方向上邻近第一级l0设置。级l2是第三级并且在轴向方向上邻近第二级l1设置。级l3是第四级(最后级)并且是最大的(在径向方向上)。应当理解，四个级仅作为一个示例示出，并且每个涡轮可以具有多于或少于四个级。
30.多个静止叶片或喷嘴112可与多个旋转涡轮叶片114(下文为“叶片114”)配合，以形成涡轮108的每个级l0-l3和限定通过涡轮108的工作流体路径的一部分。每个级的叶片114例如由将它们周向地联接到转子110(图1)的相应转子轮116联接到转子110(图1)。即，叶片114例如通过转子轮116以周向间隔方式机械联接到转子110。静止喷嘴区段115包括围绕转子110(图1)周向间隔的多个静止叶片112。每个喷嘴112可包括与翼型件124连接的至少一个端壁(或平台)120、122。在所示的示例中，喷嘴112包括径向外端壁120和径向内端壁122。径向外端壁120将喷嘴112联接到涡轮108的静止壳体124。
31.参考图1和图2，在操作中，空气流过压缩机102，并且加压空气被供应到燃烧器104。具体地，加压空气被供应到燃料喷嘴区段106，该燃料喷嘴区段与燃烧器104成一整体。燃料喷嘴区段106与燃烧区域105流体连通。燃料喷嘴区段106还与燃料源(图1中未示出)流体连通，并且将燃料和空气引导到燃烧区域105。点燃燃烧器104并且燃烧燃料。燃烧器104与涡轮108流体连通，在该涡轮内通过引导燃烧的燃料(例如，工作流体)到工作流体路径中以转动叶片114，来将燃气流热能转换为机械旋转能。涡轮108可旋转地联接到转子110并且驱动该转子。压缩机102可旋转地联接到转子110。转子110的至少一端可远离压缩机102或涡轮108轴向延伸，并且可附接到负载或机器(未示出)，诸如但不限于发电机、负载压缩机和/或另一个涡轮。
32.图3和图4分别示出了叶片114的透视图和侧视图，对于该类型的叶片可采用本公开的振动阻尼系统128的实施方案。多个叶片114中的每个叶片包括根部或基部130，叶片114由该根部或基部附接到转子110(图1)。基部130可包括楔形榫132，该楔形榫被构造成安装在转子110(图1)的转子轮116(图2)周边的对应楔形榫槽中。基部130还可包括在楔形榫132与平台136之间延伸的柄134，该平台设置在翼型件138和基部130的连结处，并且限定通过涡轮108的工作流体路径(图2)的内侧边界的一部分。应当理解，翼型件138是叶片114的活动部件，其拦截工作流体的流动并且引起转子110(图1)旋转。可以看出，叶片114的翼型件138包括凹形压力侧(ps)外壁140和周向或横向相对的凸形吸力侧(ss)外壁142，这些外壁分别在相对的前缘144与后缘146之间轴向延伸。侧壁140和142也在径向方向上从平台136延伸到外尖端148。因此，翼型件主体138从平台136延伸到外尖端148。
33.叶片114还可包括从每个外壁140、142延伸的零件跨度护罩150。零件跨度护罩150
径向定位在翼型件主体138的外尖端148与平台130之间，即，在平台136的径向外侧。如所理解，零件跨度护罩150可沿叶片114的径向跨度定位，并且可与相邻叶片的零件跨度护罩150相互作用或配合，以除此之外减少每个叶片114中的振动。在一个示例中，零件跨度护罩150从平台136定位在翼型件主体138的径向外侧的一半以上，以比平台136更靠近外尖端148，这对较长叶片特别有利，以在外尖端148附近提供增加的振动阻尼。然而，零件跨度护罩150可定位在外尖端148与平台136之间的任何径向位置处。虽然已经描述了例示性叶片114，但是应当理解，该叶片可跨不同类型的涡轮在结构上变化。
34.如所指出的那样，在涡轮的操作期间，叶片114可通过多个不同的施力功能被激发成振动。例如，工作流体温度、压力和/或密度的变化可激发整个转子组件的振动，尤其是在叶片翼型件和/或外尖端内。以周期性或“脉动”方式离开涡轮和/或压缩机部分上游的气体也可激发不期望的振动。本公开的实施方案旨在减少大型旋转涡轮叶片114的振动而不显著改变叶片设计。
35.图5示出了在零件跨度护罩150附近并且包括外尖端148的叶片114的放大透视图，并且图6示出了叶片114沿图5中视线6-6截取的俯视横截面视图。如上所述，零件跨度护罩150定位在翼型件主体138的外尖端148与平台136(图3)之间。通常，零件跨度护罩150是实心材料或在该零件跨度护罩中包括小冷却通道。根据本公开的实施方案，零件跨度护罩150包括具有第一内表面162的第一开口160。第一开口160沿零件跨度护罩150的纵向长度的大部分(如果不是全部的话)以基本上线性的方式延伸，并且延伸通过翼型件主体138。叶片114还包括翼型件主体138中的第二开口164，该第二开口从第一开口160径向向外延伸并且具有第二内表面166。第二开口164通向并且与第一开口160对准。即，第一开口160和第二开口164例如在第一开口160的径向外边界168(图5)处彼此相交。用户可例如基于期望的振动阻尼和/或翼型件主体138内部结构沿第一开口160的长度限定两个开口交汇的位置。第一开口160和第二开口164可使用任何现在已知或以后开发的技术(例如机械加工(诸如钻孔)、增材制造等)形成。
36.第二开口164可以多种方式定位在翼型件主体138中。在一个示例中，如图3所示，翼型件主体138可包括实心材料块，在这种情况下，第二开口164在材料块内径向延伸。在图6所示的另一个示例中，翼型件主体138包括内部肋或壁169，该内部肋或壁限定从翼型件主体138的外尖端148向内延伸的细长内部腔体170。如本领域所理解，内壁169和细长内部腔体170可采取多种形式以提供期望的结构完整性给叶片114和/或期望的冷却剂递送以保持叶片冷却。在图6所示的示例中，第二开口164在内壁170内径向延伸。因为叶片114的内部结构可显著变化，所以应当理解，第二开口164可在叶片114中除了所示的那些之外的各种替代内部结构中延伸。
37.振动阻尼系统128和叶片114还可包括设置在第一开口160中的第一细长振动阻尼元件176和径向设置在第二开口164中的第二细长振动阻尼元件178。第一细长振动阻尼元件176(下文为“第一振动阻尼元件176”)接合第一开口160的第一内表面162的至少一部分，从而允许第一振动阻尼元件176通过与第一开口160的第一内表面162的摩擦接合来阻尼振动。第一阻尼元件176与第一内表面162之间的摩擦接合程度可由用户限定以提供任何期望量的摩擦阻尼。
38.第二细长振动阻尼元件178(下文为“第二振动阻尼元件178”)包括径向内端180
(图5)，该径向内端联接到第一阻尼元件176，即，接近开口160、164的交点。因此，第一阻尼元件176和第二阻尼元件178可在翼型件主体138中共同具有倒置t形。取决于第二开口164的位置，t形可以是或可以不是对称的。第二阻尼元件178可以多种方式联接到第一阻尼元件176。在一个实施方案中，第二阻尼元件178的径向内端180螺纹联接在第一阻尼元件176中的开口182(图5)中。在替代实施方案中，它们可以任何方式紧固在一起，具有足够的强度以防止第二阻尼元件178的径向移动，例如压力配合。
39.然而，第二阻尼元件178不摩擦地接合在第二开口164内。相反，第二阻尼元件178在第二开口164内自由移动，并且具体地，包括仅受第二开口阻碍的自由的径向外端184以冲击第二开口164内的内表面166，即在第二开口164内振动。就这一点而言，如例如图7中的横截面视图所示，第二开口164的尺寸d1可大于第二阻尼元件178的对应外部尺寸d2。该结构允许第二阻尼元件178在第二开口164内的有限移动范围，以用于通过与第二开口164的第二内表面166的冲击来阻尼振动，并且允许将第二阻尼元件178紧固到第一阻尼元件176。允许的移动量可由用户限定以提供任何期望量的冲击阻尼。在一个非限制性示例中，第二开口164的尺寸d1可为1.8厘米(0.7英寸)，并且第二阻尼元件178的最大尺寸d2可为1.6厘米(0.6英寸)。第二开口164与第二阻尼元件178之间的间隔不需要围绕元件178一致，并且可根据多种因素而变化，诸如但不限于预期的振动方向、振动量等。在任何情况下，尺寸d1、d2允许足够的空间以允许将第二阻尼元件178紧固到第一阻尼元件176，例如，旋转以用于螺纹连接、间隔以用于压力配合等。
40.第一阻尼元件176和第二阻尼元件178可由与翼型件主体138相同的材料(例如超合金)制成，或者它们可由其他材料制成。在任何情况下，阻尼元件176、178通常被构造成添加尽可能少的额外质量。虽然开口160、164和阻尼元件176、178被示出为具有圆形或椭圆形/椭形(图7)横截面，但是应当强调，任一个元件实际上可具有任何期望的横截面，包括除了所示的那些之外的多边形横截面(如图8所示)。因此，阻尼元件176或178可采用任何期望的横截面形状的杆或销的形式。在一个实施方案中，第二开口164具有圆形横截面形状，并且第二阻尼元件178具有选自圆形(图6)、具有不同长度的长轴和短轴的椭圆形(图7)和多边形(图8)的横截面形状。如上所述，第二开口164具有足够的宽度以允许第二阻尼元件178允许紧固(例如，转到螺纹连接)到第一阻尼元件176中，而不管横截面形状如何。
41.可定制开口160、164和阻尼元件176、178以根据很多种因素提供期望的阻尼，这些因素诸如但不限于：预期的振动幅度和/或方向、叶片尺寸、叶片内部结构、尖端护罩的存在和/或零件跨度护罩150的尺寸和/或形状。阻尼元件176、178可以任何方式插入开口160、164中。例如，第一阻尼元件176可被强制和摩擦地装配到第一开口160中，而第二阻尼元件178可通过外尖端148插入第二开口164中并且例如通过转动元件178以将端180拧入第一阻尼元件176中而联接到第一阻尼元件176。第二阻尼元件178可例如在用顶板和/或尖轨(未示出)闭合外尖端148之前插入第二开口164中。
42.本公开的实施方案还提供了一种阻尼涡轮叶片114中振动的方法，即，使用阻尼振动系统128。在操作中，涡轮叶片114在涡轮108(图2)内以正常方式操作。然而，通过第一阻尼元件176在第一开口160中的摩擦接合，通过摩擦的阻尼振动在定位在涡轮叶片114的翼型件主体138的外尖端148与平台136之间的零件跨度护罩150中执行。如所述，第一开口160具有第一内表面162，其中第一阻尼元件176被设置成使得第一阻尼元件176摩擦地接合第
一开口160的第一内表面162。同时(simultaneously)或同时(contemporaneously)，阻尼振动通过径向设置在翼型件主体138中的第二开口164中的第二阻尼元件178的冲击来执行。如所述，第二阻尼元件178具有径向内端180和径向外端184，该径向内端联接到第一阻尼元件176，该径向外端能够通过与第二开口164的内表面166冲击来阻尼振动。
43.虽然本公开的实施方案在本文中已被描述为作为涡轮的零件的叶片，但是应当注意，本公开的教导内容可应用于包括翼型件的制品的各种其他应用。
44.本公开的实施方案提供了以t形销设计组合的两种不同阻尼机构。大致水平的第一阻尼元件176通过与第一开口160的内表面162的摩擦来耗散能量，并且径向延伸的第二阻尼元件178通过与第二开口164的内表面166的冲击来耗散能量。因此，本公开的实施方案保持叶片114牵拉负载以及叶片和转子的初始构型，同时有效地减少叶片挠曲振动，并且设计简单。
45.本文使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的并且不旨在限制本公开。如本文所用，单数形式“一个”、“一种”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确地说明。将进一步理解，当在说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定存在陈述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组。“任选的”或“任选地”意指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，并且该描述包括事件发生的实例和事件不发生的实例。
46.在元件或层被称为“在
…
上”、“接合到”、“连接到”或“联接到”另一个元件或层的情况下，它可直接在另一个元件或层上、接合到、连接到或联接到另一个元件或层，或者可存在居间元件或层。相比之下，当元件被称为“直接处于另一个元件或层上”、“直接接合到另一个元件或层”、“直接连接到另一个元件或层”或“直接联接到另一个元件或层”时，可不存在居间元件或层。用于描述元件之间关系的其他词语应以类似的方式解释(例如，“在
…
之间”与“直接在
…
之间”，“相邻”与“直接相邻”等)。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。
47.如在整个说明书和权利要求书中使用的，近似语言可以用于修改可以允许变化的任何定量表示，而不会导致与其相关的基本功能的变化。因此，由一个或多个术语(诸如“约”、“大约”和“基本上”)修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度。这里以及整个说明书和权利要求书中，范围限制可以组合和/或互换。除非上下文或语言另有说明，否则这些范围被识别并包括其中包含的所有子范围。应用于范围的特定值的“大约”应用于两个值，除非另外依赖于测量值的仪器的精度，否则可指示所述值的 /-10％。
48.以下权利要求书中的所有装置或步骤加功能元件的对应结构、材料、动作和等同物旨在包括用于结合具体要求保护的其他要求保护的元件执行功能的任何结构、材料或动作。已经出于说明和描述的目的给出了对本公开的描述，但其并不旨在穷举或将本公开限制于所公开的形式。在不脱离本公开的范围和实质的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员将是显而易见的。选择和描述实施方案是为了最好地解释本公开的原理和实际应用，并且使得本领域的其他普通技术人员能够理解本公开。