渦輪葉片頂部葉冠專利技術(shù)綜述

曹昕慧+++張云芳

摘 要：本文通過對渦輪葉片頂部葉冠技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)主題進行介紹，并對該領(lǐng)域全球申請量及申請人情況作了比較，最后對該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展路線進行梳理，并重點針對應(yīng)力改善、冷卻和減少泄漏等主題進行了分析。

關(guān)鍵詞：葉冠；圍帶；專利；技術(shù)綜述

中圖分類號：TH16 文獻標識碼：A

大型動力機械是實現(xiàn)熱能向機械能轉(zhuǎn)換的重要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于電力、冶金、鋼鐵、石化、船舶等行業(yè)。葉片是大型動力機械實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件，因而葉片的研究對于大型動力機械設(shè)備的發(fā)展具有重要意義。

葉片的設(shè)計主要針對葉冠、葉身、緣板、伸根、榫頭進行。其中葉冠的設(shè)計極為關(guān)鍵，它直接影響葉片的強度、振動、可靠性、壽命甚至動力機械的安全。

一、渦輪葉片頂部葉冠概況

燃氣輪機轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形式很多，葉片頂部延伸出的冠狀部分即為葉冠，在渦輪領(lǐng)域，其通常也可稱為圍帶、護罩、覆環(huán)等等。

目前，對渦輪葉片頂部葉冠的專利申請所涉及主題的主要目的為延長葉片壽命和提高渦輪效率兩個方面，其中，葉冠的應(yīng)力（包括動應(yīng)力與靜應(yīng)力）改善、葉冠的冷卻等主要是為了延長葉片壽命，而通過葉片頂部葉冠的設(shè)計實現(xiàn)減少流體的泄漏則主要是為了提高渦輪效率。

二、渦輪葉片頂部葉冠專利技術(shù)分析

1.全球申請量分析

有關(guān)渦輪葉片頂部葉冠的申請早在1907年就已經(jīng)提出，但對它的研究長期處于停滯狀態(tài)，直到20世紀40年代人們才開始對其有了更多的關(guān)注，關(guān)于該技術(shù)的申請了有了第一個高峰期。在經(jīng)過若干年的停滯后，從20世紀80年代開始，人們開始再次關(guān)注該技術(shù)，專利申請的數(shù)量逐漸增加，尤其在2005年后，專利申請的數(shù)量與之前相比顯著增大，說明人們已經(jīng)明顯意識到該技術(shù)的重要性。另一方面，也反映了該技術(shù)在有些方面已走向成熟，具有較高的商業(yè)化前景。

2.不同技術(shù)主題申請量分析

通過對歷年來各種技術(shù)主題的申請量占比比較可知，對于渦輪葉片頂部葉冠，申請量最大的為減少泄漏方面的設(shè)計改進，之后依次為應(yīng)力改善和冷卻。

3.申請人分析

通過對專利技術(shù)申請人分析可知，在該領(lǐng)域申請量最大的公司為通用電氣，其次為三菱重工業(yè)、勞斯萊斯公司，聯(lián)合工藝、阿爾斯通、西門子等公司在該領(lǐng)域也具有一定量的申請和研究。根據(jù)申請人的國別，以美國居首，其申請量占總申請量的45%，其次是日本，占比33%，英國和法國各占11%。由于渦輪葉片頂部葉冠有時會涉及較細微結(jié)構(gòu)以及較復(fù)雜流體機理，因而日本的申請人相對較多。

在1985年以前，進行渦輪葉片頂部葉冠研究的申請人主要是勞斯萊斯公司，作為主要申請人的通用電氣公司在該階段僅處于起步狀態(tài)，除聯(lián)合工藝公司外，其他申請人的申請量幾乎為零。在1986年～2000年，三菱重工業(yè)公司的申請量有了小的興起，在該階段是申請量最大的申請人。在2001年后，通用電氣公司的申請量顯著增加，遠遠超越了其他申請人的申請量。

4.發(fā)展脈絡(luò)

在應(yīng)力改善方面，早在1907年，PEARCE STANDEN LEONARD就提出了有關(guān)渦輪葉片葉冠的專利申請，其提出了連接相鄰圍帶的鎖定條，防止相鄰圍帶之間橫向錯位，防止葉片振動。在1920年，西屋電氣提出相鄰圍帶之間采用連接鍵連接，同樣為了防止葉片振動；進而在1942年，西屋電氣針對圍帶連接件提出了一系列申請，其目的都是為了改善葉片應(yīng)力。1967年，BRISTOL SIDDELEY ENGINES LTD提出了采用外包拉筋防止葉片的振動。1975年，EUROP TURB VAPEUR提出了相鄰圍帶通過凸起連接，且設(shè)有彈性元件，減小葉片振動。進一步的，1976年，日立提出了通過改進葉冠的輪廓形狀實現(xiàn)振動的減小，也即在葉冠上設(shè)有擴大部，通過擴大部的作用減小葉片的振動。1991年，勞斯萊斯提出了使用拉筋實現(xiàn)葉片的減振，并具體限定了拉筋在葉冠的具體位置，即在葉冠的兩端設(shè)有徑向突出部且設(shè)有軸向凹槽，徑向突出部用于密封，軸向凹槽用于放置拉筋。2009年，通用電氣通過設(shè)置阻尼片實現(xiàn)更好的減振效果。2012年，通用電氣提出了使尖端護罩的前、后緣部分的壓力側(cè)部分比吸力側(cè)部分的表面積大，減少渦輪機葉片的振動，減少渦流產(chǎn)生和壓力混合，提高渦輪機葉片的效率。2014年，日立提出了在相鄰圍帶之間設(shè)有彈性件，也是為了減小葉片振動。

關(guān)于渦輪葉片頂部葉冠冷卻方面的申請發(fā)展相對較晚，最早在1957年，勞斯萊斯提出了有關(guān)葉冠冷卻的申請，在頂部葉冠與葉片相連通處設(shè)有冷卻通道，實現(xiàn)對葉冠的冷卻。1969年，通用電氣提出了在葉冠中部設(shè)有與葉片相通的冷卻腔室，實現(xiàn)葉冠的冷卻。1988年，勞斯萊斯提出了設(shè)置多個冷卻通道，提高頂部葉冠的冷卻效果，1994年，西屋提出了對燃氣輪機葉片圍帶的冷卻，旨在使用盡量少的冷卻劑實現(xiàn)較好的冷卻效果。2004年，三菱重工業(yè)提出了通過從定子部件的冷卻通道提供冷卻流體，對葉冠進行冷卻。2007年，通用電氣提出了采用沖擊冷卻方式實現(xiàn)對葉冠的冷卻，實現(xiàn)了局部快速有效冷卻。2009年，通用電氣提出了在葉冠冷卻腔內(nèi)設(shè)有擾流件，提高冷卻效果。2012年，通用電氣提出了冷卻結(jié)構(gòu)的改進設(shè)計，尖端圍帶設(shè)置有與冷卻腔室相連通的排出部，將冷卻空氣從高速區(qū)排出，同時還有使冷卻空氣從低速區(qū)排出的凈化孔。

對于減少葉片頂部泄漏的研究，在1942年，ALLIS CHALMERS MFG CO最早提出了關(guān)于減少泄漏的申請，其提出了在葉冠端部設(shè)有徑向突出的單個密封齒。在1958年，勞斯萊斯首次提出了迷宮式密封，在葉冠兩個端部均設(shè)有密封齒，且在定子部件上設(shè)有分別與之對應(yīng)的密封元件，類似于迷宮式密封。后在1977年，勞斯萊斯為了進一步提高密封效果，提出在定子部件上設(shè)有流體通道，通過冷卻流體密封結(jié)合密封疏齒密封，有效減少葉頂泄漏的泄漏量，提高了渦輪機效率。在1997年，三菱重工業(yè)提出了高低齒式密封結(jié)構(gòu)，同時還結(jié)合了對葉冠的冷卻。而在下一年，三菱重工業(yè)提出了在定子部件上設(shè)有臺階部，與葉冠上的密封齒相對應(yīng)，形成迷宮式密封。2010年，三菱重工業(yè)提出在葉冠上設(shè)有臺階部，且在與葉冠相對的定子部件上也設(shè)有臺階部，并配合有密封齒，通過剝離流機理實現(xiàn)葉頂泄漏流的減少。2014年，中國科學(xué)院工程熱物理研究所提出了具有密封泄漏流導(dǎo)流功能的渦輪裝置，在葉冠附近設(shè)有導(dǎo)流件，更有效地減少了密封泄漏流引起的流動損失。

結(jié)語

綜合來看，在渦輪葉片頂部葉冠領(lǐng)域，申請的重點涉及應(yīng)力改善、冷卻以及減少泄漏，由于葉片振動對動力機械的安全性有重要影響，可能造成重大事故，故應(yīng)力改善中的防止振動在最早出現(xiàn)相關(guān)申請。同時，為了保證葉片的壽命，應(yīng)力改善中的靜應(yīng)力改善也受到人們廣泛的關(guān)注。而對葉冠的冷卻也是為了保證葉片的壽命所必不可少的，對冷卻的研究主要沿著提高冷卻效率發(fā)展，例如增加冷卻面積、增強換熱效率。對于減少泄漏，這是人們?yōu)榱颂岣邷u輪效率所考慮的，最常見的是在葉冠設(shè)置密封齒，或者改善葉冠輪廓，使相鄰葉冠之間的泄漏減小。同時，人們還根據(jù)剝離流的機理等制造臺階部來實現(xiàn)泄漏量的減少。

目前，關(guān)于渦輪葉片頂部葉冠的各主要分支的技術(shù)已經(jīng)成熟，對葉冠設(shè)計的總體目的仍是使葉片的壽命延長并使渦輪效率最大化。今后的發(fā)展對于結(jié)構(gòu)的研究點將更細微，更注重對產(chǎn)生機理的研究；并且，研究趨向于幾種技術(shù)主題的相結(jié)合。

參考文獻

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