采用拉筋或類似物連接葉片專利技術(shù)綜述

劉玲++劉京

摘 要：本文從全球?qū)＠暾?qǐng)量、原創(chuàng)國(guó)申請(qǐng)量分布等多方面進(jìn)行分析，闡述了采用拉筋或類似物連接葉片技術(shù)領(lǐng)域的專利申請(qǐng)發(fā)展趨勢(shì)，追蹤了其發(fā)展脈絡(luò)，重點(diǎn)針對(duì)布置位置、布置型式、連接工藝這三大主要研究方向進(jìn)行了梳理。

關(guān)鍵詞：拉筋；連接；葉片；阻尼；振動(dòng)

中圖分類號(hào)：TK263 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

一、葉片間連接技術(shù)概述

燃?xì)廨啓C(jī)或蒸汽輪機(jī)所使用的渦輪葉片，因工作流體的紊流成分在較寬的頻率范圍內(nèi)不斷被激振。葉片振動(dòng)造成的葉片失效是葉片的主要事故形式之一，為設(shè)計(jì)高可靠性的葉片，一般將相鄰的葉片彼此連接的構(gòu)造，以避免共振。

近年來(lái)，為了增加大功率汽輪機(jī)低壓級(jí)長(zhǎng)葉片的抗震性能，制造廠都傾向于在中長(zhǎng)葉片上采用自帶圍帶或各種拉筋形式等連接件將整級(jí)葉片連接成整圈葉片組的形式廣泛存在于現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)、電站蒸汽輪機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等高速葉輪機(jī)的設(shè)計(jì)中。

二、采用拉筋或類似物連接葉片專利技術(shù)分析

1.全球?qū)＠暾?qǐng)量

采用拉筋或類似物連接葉片的專利申請(qǐng)出現(xiàn)于20世紀(jì)初，其發(fā)展過(guò)程大致分如下幾個(gè)時(shí)期：1927年以前，每年的申請(qǐng)量大多在5個(gè)以下，屬于萌芽期；1927年～1932年，每年的申請(qǐng)量有所提升，屬于探索期；1933年～1952年，每年的申請(qǐng)量出現(xiàn)了低位趨勢(shì)，屬于瓶頸期；1953年～1994年，每年的申請(qǐng)量在不斷波動(dòng)中保持相對(duì)增長(zhǎng)，屬于發(fā)展期；1995年之后，每年的申請(qǐng)量在整體波動(dòng)中趨穩(wěn)發(fā)展，屬于成熟期。

2.原創(chuàng)國(guó)申請(qǐng)量分布

日本、美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)和英國(guó)的申請(qǐng)量占總申請(qǐng)量的比例分別以25.7%、17.34%、16.47%、10.40%、8.96%的較高百分比位列原創(chuàng)國(guó)排行榜的前5位，足以說(shuō)明他們?cè)诒绢I(lǐng)域的領(lǐng)先及核心地位。同時(shí)，在該領(lǐng)域出現(xiàn)高達(dá)21個(gè)國(guó)家積極參與研發(fā)設(shè)計(jì)，為其發(fā)展做出了不少貢獻(xiàn)。

3.專利申請(qǐng)目標(biāo)國(guó)分布

日本是最為重要的目標(biāo)市場(chǎng)，美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、英國(guó)位列第二至四位，上述5個(gè)國(guó)家也是原創(chuàng)技術(shù)實(shí)力較強(qiáng)的國(guó)家；此外歐洲、瑞士、荷蘭、中國(guó)、加拿大、比利時(shí)的目標(biāo)市場(chǎng)份額緊隨其后，這6個(gè)國(guó)家是該領(lǐng)域高度關(guān)注的競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)，是該技術(shù)的主要生產(chǎn)應(yīng)用國(guó)家，具有較好的市場(chǎng)前景，這可能直接導(dǎo)致了未來(lái)市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)。

4.發(fā)展脈絡(luò)

在布置位置方面，1904年，THOMSON HOUSTON ATELIERS提出在葉片頂部設(shè)置拉筋用于連接葉片。1926年，CHARLES ALGERNON PARSONS和ALFRED QUINTIN CARNEGIE提出了在旋轉(zhuǎn)渦輪環(huán)狀葉片組的中上部位置布置拉筋用于固定葉片。1987年，阿爾斯湯姆有限公司提出了在葉片頂部圍帶上的槽內(nèi)插入一個(gè)扁平金屬絲構(gòu)成一個(gè)填片元件以對(duì)抗離心力作用下的葉片彎曲和產(chǎn)生摩擦力。1980年， ISHI提出了在葉片根部轉(zhuǎn)子面附近設(shè)置的穿孔中設(shè)有線，在軸向渦輪運(yùn)行中，線與穿孔摩擦接觸，達(dá)到降低葉片振動(dòng)的目的。1991年，富士電機(jī)有限公司提出在護(hù)罩環(huán)的槽內(nèi)壁與置于槽中的線的有角度的側(cè)面間通過(guò)摩擦起到阻尼效應(yīng)，以降低運(yùn)動(dòng)葉片的振動(dòng)。1998年，東芝提出在葉片中間位置設(shè)置中間連接裝置，與葉片端部連接裝置一起提供有效的防振對(duì)策。2012年，航空技術(shù)空間股份有限公司提出了在葉片底部穿過(guò)轉(zhuǎn)子葉片排上若干相鄰葉片平臺(tái)的孔的扣環(huán)或相應(yīng)形狀的鎖桿能夠與之配合，從而確保葉片在轉(zhuǎn)子上的保持。2013年，西門子提出了在葉片頂端護(hù)罩間的凹槽中設(shè)置阻尼線，用于降低葉片振動(dòng)。

關(guān)于布置形式方面的申請(qǐng)， 1913年，ANTIEBOLAGET LJUNGSTROEMS AANG提出了采用折線型、X型、平行斜線型等形式的拉筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行葉片的連接。1925年，西屋公司提出了采用類似三角形的拉筋結(jié)構(gòu)對(duì)葉片進(jìn)行連接，以最小化葉片中的振動(dòng)應(yīng)力，并在同一年中又提出了采用橢圓、菱形拉筋結(jié)構(gòu)對(duì)葉片進(jìn)行連接，以在流體流經(jīng)葉片時(shí)以最小的應(yīng)力獲得最大的剛性。1928年，西屋公司提出了在葉片發(fā)生最大角度的偏斜彎曲時(shí)，將具有相對(duì)高彎曲應(yīng)力的拉筋設(shè)置在葉片的偏斜曲線切點(diǎn)處，可在葉片頂部設(shè)置一個(gè)拉筋或同時(shí)設(shè)置多個(gè)，以獲得拉筋的雙重彎曲，利用其最大彈性范圍。1929年， ABB集團(tuán)提出了采用多層、分段、直線型、弧線型相結(jié)合的拉筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行葉片連接。1980年，東芝提出了采用雙層拉筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行葉片連接。2008年，通用電氣采用在翼型葉片的底端護(hù)罩凹槽中設(shè)置彈性保持環(huán)以使葉片沿徑向向內(nèi)方向偏斜。2011年，西門子提出了在線外面設(shè)置一同軸可相對(duì)滑動(dòng)的套，這種形式的拉筋結(jié)構(gòu)可防止阻尼線的斷裂，增加蒸汽輪機(jī)的運(yùn)行可靠性。2013年，西門子提出了連接葉片的連接件采用空氣動(dòng)力型翼型結(jié)構(gòu)，為蒸汽輪機(jī)中流經(jīng)的水蒸氣提供浮力，獲得優(yōu)化的動(dòng)力學(xué)性能及較好的阻尼特性。

對(duì)于連接工藝的研究，1908年，REED STANLEY JOHN提出了通過(guò)在葉片頂端設(shè)置穿有線的紗管套頭護(hù)罩增強(qiáng)渦輪葉片環(huán)，它們通過(guò)銅焊或焊接，并在定位后膨脹，長(zhǎng)葉片還設(shè)置中間幾排紗管套頭。1928年，西屋公司提出了通過(guò)焊接、銅焊、熔接或類似工藝固定管狀部件，并將其拉筋通過(guò)鉚釘固定，以這種方式形成的拉筋簡(jiǎn)易，制造成本低。1984年，ORTO-I提出了拉筋通過(guò)套管連接，套管中裝有填充物，在轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)填充口通過(guò)噴丸密封，填充物在熱漲與離心力作用下提供彈性。1988年，東芝提出了將鉚釘穿過(guò)加強(qiáng)套的中部以在直徑方向緊固連接渦輪葉片組的拉筋，增強(qiáng)應(yīng)對(duì)蒸汽流帶來(lái)的振動(dòng)力的剛度，降低渦輪葉片在旋轉(zhuǎn)方向的振動(dòng)，減少拉筋的損壞。1991年，SCAL-N提出了通過(guò)肝連接相鄰的葉片，兩后部與相應(yīng)的層構(gòu)造，填料焊接部位連接在一起。1993年，日立通過(guò)一套管將第一級(jí)和第二級(jí)連接線的端部大概地彼此連接在一起。2000年，日立提出了拉筋的端部穿過(guò)套，插入相鄰葉片的孔中，具有相比拉筋擁有更高耐磨損疲勞強(qiáng)度的金屬薄片被設(shè)置于套的內(nèi)表面或拉筋的外表面，用于提高葉片連接的可靠性，避免拉筋的損壞。2003年，日立提出了在兩端具有中空部的每根拉筋插入渦輪葉片的孔中，具有相對(duì)彎曲表面的每個(gè)連接件插入相鄰拉筋的中空部分，中空部分的端面用于接收彎曲表面，這種布置能降低連接件與拉筋連接部分的應(yīng)力，改善拉筋與連接件的耐磨損、抗疲勞性能。2009年，西門子提出了偶聯(lián)元件可通過(guò)旋擰、鉚接或通過(guò)焊接與相鄰葉片固定地連接。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析可以看出，采用拉筋或類似物連接葉片技術(shù)的研發(fā)集中在通用電氣，日本、德國(guó)、法國(guó)和英國(guó)的申請(qǐng)量也占相當(dāng)大的比重，其他國(guó)家申請(qǐng)數(shù)量偏少；從目標(biāo)市場(chǎng)申請(qǐng)量方面分析可以看出，中國(guó)在該領(lǐng)域的市場(chǎng)還有發(fā)展?jié)摿Γ袊?guó)申請(qǐng)人也應(yīng)多研究和借鑒通用電氣等公司或個(gè)人在該領(lǐng)域的前沿技術(shù)，增強(qiáng)我國(guó)該方面技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。

通過(guò)對(duì)采用拉筋或類似物連接葉片領(lǐng)域的專利技術(shù)綜述，了解到其發(fā)展路線，從而有利于審查員更好把握該領(lǐng)域的技術(shù)實(shí)質(zhì)，提高檢索效率，提高審查質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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