專利名稱：具有帶有至少一個(gè)鉆孔轉(zhuǎn)子盤的轉(zhuǎn)子的渦輪機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種有一個(gè)可繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)地支承的轉(zhuǎn)子的渦輪機(jī)，該轉(zhuǎn)子包括至少一個(gè)轉(zhuǎn)子盤，在該轉(zhuǎn)子盤內(nèi)設(shè)有至少一個(gè)軸向延伸的孔。此外，本發(fā)明涉及一種渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子和一種具有至少一個(gè)穿過轉(zhuǎn)子盤軸向延伸的孔的轉(zhuǎn)子盤。
具有由多個(gè)轉(zhuǎn)子盤組成的轉(zhuǎn)子的固定式燃?xì)廨啓C(jī)和航空渦輪是眾所周知的。一個(gè)中心的或多個(gè)分散的貫穿螺栓將這些轉(zhuǎn)子盤互相夾緊。為此轉(zhuǎn)子盤有至少一個(gè)供貫穿螺栓穿過延伸的圓柱形孔。
例如由US2579745已知這些轉(zhuǎn)子盤。每個(gè)轉(zhuǎn)子盤橫截面設(shè)計(jì)為I形，以及在其平行于旋轉(zhuǎn)軸線布置的外突緣上帶有渦輪或壓縮機(jī)的動(dòng)葉片。沿徑向在內(nèi)部的突緣同樣平行于旋轉(zhuǎn)軸線延伸，其中，在內(nèi)突緣沿軸向看的外端設(shè)有沿徑向向內(nèi)伸出的凸塊。因此，轉(zhuǎn)子盤的內(nèi)突緣有一個(gè)位于凸塊之間的凹槽，凹槽面朝轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線的圓周面在兩個(gè)外凸塊之間的中央?yún)^(qū)圓柱形延伸。
此外由GB2190655已知一種有中心孔的轉(zhuǎn)子盤，在其輪轂一側(cè)沿軸向看設(shè)一個(gè)單側(cè)懸伸的彈性臂。為了改善臂的彈性作用，它在其沿軸向延伸的中央?yún)^(qū)縮小。
由JP62-251403A還已知一種雙流式汽輪機(jī)的整體轉(zhuǎn)子，它有一個(gè)中心孔。為了減小沿切向的材料應(yīng)力密度，轉(zhuǎn)子中心孔有一個(gè)在內(nèi)圓周上橫截面環(huán)形的槽，它大體平行于比較應(yīng)力線(Vergleichsspannunglinie)延伸。
每個(gè)轉(zhuǎn)子盤在其外圓周裝有排列成一圈的動(dòng)葉片，它們?yōu)榱藟嚎s流動(dòng)介質(zhì)或?yàn)榱宋{流動(dòng)介質(zhì)的轉(zhuǎn)動(dòng)能量可被流動(dòng)介質(zhì)繞流。固定在轉(zhuǎn)子盤上的動(dòng)葉片在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生非常大的離心力，所以每個(gè)轉(zhuǎn)子盤遭受巨大的負(fù)荷。
為了能經(jīng)受住這些負(fù)荷，轉(zhuǎn)子盤必須沒有缺陷。為此已知一些適用的檢驗(yàn)方法，借助它們對(duì)轉(zhuǎn)子盤在其第一次使用前以及在重復(fù)檢驗(yàn)時(shí)檢查裂紋和缺陷部位，以保證渦輪機(jī)的最短使用壽命并因而保證更可靠地運(yùn)行。
由于鉆孔轉(zhuǎn)子盤的尺寸日益增大或在使用粗晶粒材料時(shí)，通過檢驗(yàn)來識(shí)別裂紋缺陷的可識(shí)別性越來越受到限制。
一種確保所需使用壽命的可能性是，有針對(duì)性地往轉(zhuǎn)子盤材料內(nèi)引入內(nèi)壓應(yīng)力，在以后運(yùn)行時(shí)這些內(nèi)壓應(yīng)力可延遲缺陷部位例如裂紋的生長(zhǎng)。為此在鉆孔轉(zhuǎn)子盤制造期間使它有針對(duì)性地過載，亦即使轉(zhuǎn)子盤在高于轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速的離心轉(zhuǎn)速下受離心拋甩。這在孔的區(qū)域內(nèi)引起導(dǎo)致產(chǎn)生內(nèi)壓應(yīng)力的塑性變形。然而，在轉(zhuǎn)子盤材料內(nèi)的內(nèi)壓應(yīng)力的大小會(huì)受到離心機(jī)試驗(yàn)臺(tái)最大離心轉(zhuǎn)速和離心旋轉(zhuǎn)時(shí)溫度的限制，從而可能造成比所期望更小的內(nèi)壓應(yīng)力。
此外，在轉(zhuǎn)子盤內(nèi)的所識(shí)別不出的或容許的缺陷部位基于所述高負(fù)荷和僅有限大小的內(nèi)壓應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生裂紋和導(dǎo)致裂紋生長(zhǎng)，這會(huì)縮短轉(zhuǎn)子盤并因而渦輪機(jī)的使用壽命。
因此本發(fā)明的目的是提供一種渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子盤、一種渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子和一種渦輪機(jī)，它們的使用壽命通過采取一些結(jié)構(gòu)措施得以延長(zhǎng)。
針對(duì)渦輪機(jī)的目的通過權(quán)利要求1的特征達(dá)到，針對(duì)轉(zhuǎn)子的目的通過權(quán)利要求3的特征達(dá)到，以及針對(duì)轉(zhuǎn)子盤的目的通過權(quán)利要求4的特征達(dá)到。在從屬權(quán)利要求中給出一些有利的擴(kuò)展設(shè)計(jì)。
按本發(fā)明規(guī)定，轉(zhuǎn)子盤的孔沿軸向至少部分有在中央?yún)^(qū)增大直徑的球狀凸形。因此在孔內(nèi)通過球狀的幾何形狀構(gòu)成的附加凹槽沒有圓柱形區(qū)段。
所述的方案基于此發(fā)明思想，即，通過沿軸向并至少部分呈球狀凸起延伸的孔，增大孔區(qū)域內(nèi)的米塞氏(Mises氏)比較應(yīng)力并導(dǎo)致切向應(yīng)力的均勻化。比較應(yīng)力(Vergleichsspannung)的增大基于孔的球狀幾何形狀，亦即其凸的橫截面形狀，對(duì)軸向和切向應(yīng)力分力的影響。當(dāng)離心拋擲時(shí)通過增大的比較應(yīng)力在輪轂區(qū)內(nèi)導(dǎo)致更大的塑性變形，由此因幾何形狀引起增大內(nèi)壓應(yīng)力值，無需提高離心轉(zhuǎn)速。增大比較應(yīng)力意味著在以后運(yùn)行時(shí)延遲裂紋發(fā)展和降低脆性斷裂的危險(xiǎn)。
因此，與JP62-25143相比，本發(fā)明的創(chuàng)造性尤其在于認(rèn)識(shí)到轉(zhuǎn)子盤的橫向收縮比已知的整體式轉(zhuǎn)子軸小得多。與已知的轉(zhuǎn)子軸相比，按本發(fā)明的轉(zhuǎn)子盤基于很小的橫向收縮第一次可以達(dá)到極大地提高比較應(yīng)力，其結(jié)果是可以加入更大的內(nèi)壓應(yīng)力。迄今未知能達(dá)到如此高的比較應(yīng)力。
此外，通過沿軸向呈球狀凸形延伸的孔減小了切向應(yīng)力。因?yàn)樵跍u輪機(jī)運(yùn)行時(shí)切向應(yīng)力同樣引起裂紋和有利于裂紋生長(zhǎng)，所以采用球狀凸形阻止裂紋形成和決定性地延遲裂紋生長(zhǎng)。
恰當(dāng)?shù)?，渦輪機(jī)可設(shè)計(jì)為透平機(jī)、壓縮機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)或汽輪機(jī)。在這里與渦輪機(jī)設(shè)計(jì)為單級(jí)、多級(jí)或軸向流、徑向流無關(guān)。
按有利的設(shè)計(jì)，所述的孔安排在中央，亦即轉(zhuǎn)子盤的中心，和/或偏心，亦即離轉(zhuǎn)子盤中心有距離。在這里，采用球狀的實(shí)施形式達(dá)到的效果，與將孔設(shè)在中心或偏心無關(guān)。
按有利的設(shè)計(jì)，球狀孔的最大內(nèi)徑處沿軸向看處于轉(zhuǎn)子盤兩端側(cè)之間的中央。由此達(dá)到增大的內(nèi)壓應(yīng)力對(duì)稱分布。
下面借助


本發(fā)明。其中圖1示意表示按先有技術(shù)的渦輪機(jī)；圖2表示按本發(fā)明的帶有球狀凸形的孔的轉(zhuǎn)子盤的側(cè)視圖；圖3表示按圖2的轉(zhuǎn)子盤的剖面圖；圖4表示按先有技術(shù)的轉(zhuǎn)子盤的剖面圖；圖5表示按先有技術(shù)的轉(zhuǎn)子盤的半徑-應(yīng)力曲線；圖6表示通過按本發(fā)明的轉(zhuǎn)子盤的剖面圖；圖7表示按本發(fā)明的轉(zhuǎn)子盤的半徑-應(yīng)力曲線；以及圖8表示圖5與圖7的特征線比較。
燃?xì)廨啓C(jī)及其工作方式是眾所周知的。在這里圖1表示一種設(shè)計(jì)為燃?xì)廨啓C(jī)1的渦輪機(jī)，它有一個(gè)可繞旋轉(zhuǎn)軸線3旋轉(zhuǎn)地支承的轉(zhuǎn)子5。沿其縱向長(zhǎng)度，在壓縮機(jī)7的后面是帶燃燒器11的燃燒室9。在燃燒室9的下游連接透平單元13。不僅在壓縮機(jī)7內(nèi)而且在透平單元13內(nèi)，轉(zhuǎn)子5有多個(gè)前后排列的轉(zhuǎn)子盤20，在每個(gè)轉(zhuǎn)子盤內(nèi)設(shè)一中心孔16，一個(gè)貫穿螺栓21穿過該中心孔延伸。
圖2表示按本發(fā)明帶一個(gè)中心孔15的轉(zhuǎn)子盤14的側(cè)視圖，孔15沿軸向部分呈球狀凸形地延伸，亦即向外曲拱狀延伸。
圖3表示圖2所示本發(fā)明轉(zhuǎn)子盤的剖面。孔15沿轉(zhuǎn)子5的軸向首先呈圓柱形延伸，接著過渡為一個(gè)球狀凸形區(qū)段和以圓柱形區(qū)段結(jié)束?？?5的直徑17在球狀區(qū)段內(nèi)在轉(zhuǎn)子盤14兩個(gè)端面19之間的中心處最大，以及朝端面19或圓柱形區(qū)段的方向在兩側(cè)均勻減小。通過孔15沿軸向局部呈球狀凸形延伸，轉(zhuǎn)子盤14有一個(gè)凸的、但在任何位置均非圓柱形的凹槽。轉(zhuǎn)子盤圍繞凹槽的材料因而有一凹的輪廓形狀。
圖4表示由先有技術(shù)已知的穿過轉(zhuǎn)子盤20的圓柱形孔16。
圖5表示先有技術(shù)的轉(zhuǎn)子盤20的應(yīng)力σ在半徑-應(yīng)力曲線圖中的變化過程。畫為點(diǎn)劃線的特征線22表示切向應(yīng)力與離孔16表面徑向距離x的變化關(guān)系。同樣，畫為實(shí)線的特征線24表示Mises氏比較應(yīng)力。兩種應(yīng)力隨著離轉(zhuǎn)子盤20圓柱形孔16表面徑向距離x的增大而減小。在轉(zhuǎn)子盤20離心拋甩后轉(zhuǎn)子盤具有內(nèi)壓應(yīng)力，它的變化過程用畫為虛線的特征線26表示。內(nèi)壓應(yīng)力的值隨距離x增大而減小。
圖6表示按本發(fā)明的轉(zhuǎn)子盤14，它有一個(gè)沿軸向設(shè)計(jì)為完全凸形的孔15，它的形狀也稱為球狀。
圖7表示按本發(fā)明的轉(zhuǎn)子盤14的應(yīng)力σ在半徑-應(yīng)力曲線圖中的變化過程。按本發(fā)明的轉(zhuǎn)子盤14的切向應(yīng)力28用點(diǎn)劃線表示以及Mises氏比較應(yīng)力30用實(shí)線表示。兩種應(yīng)力隨著離轉(zhuǎn)子盤14球狀孔15表面距離x的增大而減小。在轉(zhuǎn)子盤14離心拋甩后它有用實(shí)線表示的內(nèi)壓應(yīng)力32，它的值隨距離x增大而減小。
圖8表示圖5與圖7所示兩個(gè)曲線圖中的特征線22、24、26、28、30、32的比較。
采用凸形的孔15，由先有技術(shù)確定的切向應(yīng)力22按箭頭34減小到切向應(yīng)力28。反之，Mises氏比較應(yīng)力24通過孔15的球狀延伸按箭頭36增大到Mises氏比較應(yīng)力30，其結(jié)果是在用同樣大小的離心轉(zhuǎn)速實(shí)施離心拋甩后，至少在沿徑向處于內(nèi)部的球狀孔15區(qū)域內(nèi)按箭頭38造成數(shù)值上更大的內(nèi)壓應(yīng)力。
在每個(gè)孔周圍的區(qū)域，尤其在設(shè)中心孔時(shí)輪轂附近的區(qū)域，在渦輪機(jī)運(yùn)行時(shí)將遭受最大的負(fù)荷，因此提高內(nèi)壓應(yīng)力和減小切向應(yīng)力可延遲在此部位的裂紋生長(zhǎng)，并因而延長(zhǎng)轉(zhuǎn)子盤、轉(zhuǎn)子和渦輪機(jī)的使用壽命。
權(quán)利要求
1.一種渦輪機(jī)(2)轉(zhuǎn)子(5)的轉(zhuǎn)子盤(14)，其包括至少一個(gè)沿軸向穿過轉(zhuǎn)子盤(14)延伸的孔(15)，其特征為該孔(15)沿軸向在中央?yún)^(qū)至少部分呈球狀凸形。
2.按照權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子盤(14)，其特征為，所述轉(zhuǎn)子盤(14)設(shè)計(jì)成壓縮機(jī)的壓縮機(jī)葉輪盤或透平機(jī)的透平葉輪盤。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的轉(zhuǎn)子盤(14)，其特征為，所述孔(15)設(shè)在中心和/或偏心地設(shè)置。
4.按照權(quán)利要求1、2或3所述的轉(zhuǎn)子盤(14)，其特征為，所述球狀孔(15)的最大內(nèi)徑處(17)沿軸向看處于中央。
5.按照權(quán)利要求1至4之一所述轉(zhuǎn)子盤(14)被應(yīng)用于渦輪機(jī)(2)、尤其是軸流式透平機(jī)、壓縮機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)(1)或汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子(5)中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子盤，其帶有至少一個(gè)沿軸向延伸的孔。為了使渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子盤有更長(zhǎng)的使用壽命，建議，為了增大內(nèi)壓應(yīng)力和減小切向應(yīng)力，所述孔至少部分有在中央?yún)^(qū)增大直徑的球狀凸形。
文檔編號(hào)F01D5/06GK101040101SQ200580029209
公開日2007年9月19日 申請(qǐng)日期2005年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月5日
發(fā)明者哈拉爾德·赫爾, 雷馬·沙爾, 沃納·塞茨 申請(qǐng)人:西門子公司