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『技术专栏』关于叶片系列四:透平叶片之叶根,叶冠和叶型
之前,我们研究了通过快速流动的水、蒸汽、燃气、风或其他流体产生连续动力的透平机。在本周的关于叶片系列专题中,我们将一起来探索一下装有叶片的转子部件,以及它是如何组装的。叶片的叶根、叶冠和叶型的形状和结构取决于它被应用在哪里(例如汽轮机、燃气轮机或压气机) ,但本质上来说,它们的功能是相同的。
 
叶片的形状由热力学和力学边界条件决定,这些条件根据叶片所处的环境和应用场合的不同而有很大的变化。
 
载荷能力的影响很大
 
叶片承受的载荷也决定了叶片的设计。
* 离心力、扭矩和弯曲力(空气阻力形式) 等形式的静态载荷以及运动叶片的动态载荷。
其它因素,如叶片伸长(由于热) ,高温、侵蚀、,腐蚀和氧化也将决定设计。
 
对设计过程的影响
 
首先,所有的设计都是为了确保产品符合规格,但以最具成本效益的方式来生产,同时达到最少的浪费和最大的性能。叶根,叶冠和叶型的设计将取决于叶片所处的环境条件。
 
高、中、低压的应用决定了叶片尺寸和材料的选择。例如,对于高压透平机,由于处在高温高压的环境,叶片往往更小。它还需要耐热材料,如镍基高温合金。虽然低压透平机具有较低的温度,叶片往往特别长,并由普通不锈钢耐热材料制成。但由于叶片机械负荷大,高转速下叶片质量大,产生了较大的离心力和机械负荷,从而导致叶根更加复杂,安全性要求很高。
 
 
叶根,叶冠和叶型
 
叶根
 
 
叶根负责将转子叶片安装到转子上,如果是静子叶片,则安装到机匣上。通过将静子叶片/转子叶片相邻安装,可以得到一个由静子叶片和转子叶片组成的一个大的圆形,并与通过涡轮机或压缩机的空气相互作用。叶根的形状取决于热力学和机械负荷,它将需要承受一段时间以上考验。设计工程师必须降低制造成本,同时提高性能。更复杂的叶根设计意味着更高的安全等级,因为载荷将承担更多,但这也意味着更高的制造成本,因为叶根的形状在制造过程中需要更高要求的精度和工具以及技术。
 
 
转子叶片/静子叶片与转子/机匣的连接通常是通过形状配合或焊接连接而建立的
 
叶冠
 
叶冠的主要目的是通过相邻叶冠之间松散的连接来稳定转子叶片/静子叶片。装配完成后,这个闭合的叶冠的环形降低了绕过叶型的气体或空气的流动泄漏。此外,在叶冠的顶部可以有一个迷宫式的设计,以进一步减少泄漏。为了增加叶冠之间的稳定性,它们可以用连锁的几何特征相互连接。
 
 
 
 
当稳定性和气密性不是性能的一个影响因素时,上述特性并非必要
 
叶型
 
叶型是与经过的气体或蒸汽或流体相互作用的部分。透平叶片叶型的作用是将气体的部分能量转化为转子的旋转。对于压气机叶片来说,转子的强制旋转(通过发动机)导致空气被吸入并被多级叶片压缩。因此,压气机是以保留的工作原理来工作。
 
 
静子叶片叶型(涡轮机或压气机)的作用是使气流以理想的角度改变方向,以便与下一个叶片相互作用。这对于优化性能和最大限度地利用气体非常重要。转子叶片和静子叶片的叶型剖面都显示出一个前缘、后缘,这是一个吸入侧和压力侧。前缘是气流进入剖面的位置,而后缘是气流离开剖面的位置。这些相邻的叶片建立了气流通道,气流通过机匣并按照其设计的方式运行。
 
叶型轮廓从前缘到后缘弯曲,以确保气流以特定方向进入轮廓并在通道内重新定向使其以所期望的方式相互作用并从另一个方向离开轮廓。叶型轮廓的入口和出口角度必须与气流方向同步,以尽可能达到高效。吸入侧和压力侧之间的设计必须尽可能平滑和均匀,以满足高效率要求。 
 
根据局部边界条件(尤其是流速),叶型的轮廓从叶根到叶冠是不断在变化着的。这就导致叶型形状的连续变化以及从叶根到叶冠的倾斜和扭曲。
 
 
叶片的具体半径、形状、长度和厚度是通过复杂的模拟软件确定的,该软件可计算速度、温度、压力,并减少叶片在必须发挥最佳性能的领域上的缺陷。
 
这些几何元素必须在高性能水平的设备或平台上进行设计、制造和测量,以匹配最高等级的效率以及未来的改进。在确定什么是最佳性能设计以及在哪里改进设计方面测量扮演着重要的作用。
 
如何测量
 
快速光学测量,与生产节拍同步
 
质量控制和质量保证是确保安全的重要组成部分。最后,我们来看一下使用温泽的CORE D设备来测量叶片,该设备适用于更高效的叶片测量。特别是在航空领域,叶片的前缘非常薄。CORE 的光点可以测量非常小的半径,并检测到最小的缺陷。这也适用于医疗器械制造业,众所周知,医疗器械的零件错综复杂。
 
与其它光学系统不同,CORE可以直接测量抛光和高反光表面成品的零件,无需将其喷白。这种完全集成的光学测头提供了快速检测复杂几何零件所需的灵活性和测量能力。CORE 着眼于在制造车间直接进行测量。CORE的结构进行了有限元优化设计。直线导轨-宽轴承使其即使在18° – 30°C 的生产环境中,也能确保较长的使用寿命和稳定的运行。
 
CORE 叶片测量“专家”
 
以更快的速度测量更多的组件是温泽三坐标测量机的使命
 
一体式、高分辨率、直接驱动的转台为测头提供同步的部件定位,通过完整的 5 轴同步运动进一步优化了检测周期。整个零件表面的最大扫描速度高达 400 毫米/秒。CORE 的行程范围为 300 x 200 x 450 mm,并针对透平叶片、外科植入物和其它小型零件的大批量质量控制的测量进行了最优化。
 
* 静态和动态重量:当您走向停放在杂货店前的汽车时,它被定义为静态重量,但当您进入汽车并开始驾驶时,它可以被定义为道路上的一个动态重量的例子。
* 热力学和力学边界:它是指使其起作用的热和机械环境。工作温度、温度变化、压力、力、扭矩等。
 
关于温泽
德国温泽集团是计量领域创新的先驱。温泽多样化的产品提供了三维测量、计算机断层扫描、光学高速扫描等多个行业的独特解决方案。温泽集团的技术解决方案在汽车、航空航天、发电及医疗等众多行业中有大量应用。温泽在全球范围内已交付安装超过10,000台测量设备。其子公司和业务伙伴在超过50个国家销售产品,并提供售后服务以满足客户需求。
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