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

關(guān)鍵詞：葉冠；圍帶；專(zhuān)利；技術(shù)綜述

中圖分類(lèi)號(hào)：TH16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

大型動(dòng)力機(jī)械是實(shí)現(xiàn)熱能向機(jī)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(dòng)力機(jī)械實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件，因而葉片的研究對(duì)于大型動(dòng)力機(jī)械設(shè)備的發(fā)展具有重要意義。

葉片的設(shè)計(jì)主要針對(duì)葉冠、葉身、緣板、伸根、榫頭進(jìn)行。其中葉冠的設(shè)計(jì)極為關(guān)鍵，它直接影響葉片的強(qiáng)度、振動(dòng)、可靠性、壽命甚至動(dòng)力機(jī)械的安全。

一、渦輪葉片頂部葉冠概況

燃?xì)廨啓C(jī)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(chēng)為圍帶、護(hù)罩、覆環(huán)等等。

目前，對(duì)渦輪葉片頂部葉冠的專(zhuān)利申請(qǐng)所涉及主題的主要目的為延長(zhǎng)葉片壽命和提高渦輪效率兩個(gè)方面，其中，葉冠的應(yīng)力（包括動(dòng)應(yīng)力與靜應(yīng)力）改善、葉冠的冷卻等主要是為了延長(zhǎng)葉片壽命，而通過(guò)葉片頂部葉冠的設(shè)計(jì)實(shí)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(zhuān)利技術(shù)分析

1.全球申請(qǐng)量分析

有關(guān)渦輪葉片頂部葉冠的申請(qǐng)?jiān)缭?907年就已經(jīng)提出，但對(duì)它的研究長(zhǎng)期處于停滯狀態(tài)，直到20世紀(jì)40年代人們才開(kāi)始對(duì)其有了更多的關(guān)注，關(guān)于該技術(shù)的申請(qǐng)了有了第一個(gè)高峰期。在經(jīng)過(guò)若干年的停滯后，從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，人們開(kāi)始再次關(guān)注該技術(shù)，專(zhuān)利申請(qǐng)的數(shù)量逐漸增加，尤其在2005年后，專(zhuān)利申請(qǐng)的數(shù)量與之前相比顯著增大，說(shuō)明人們已經(jīng)明顯意識(shí)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(qǐng)量分析

通過(guò)對(duì)歷年來(lái)各種技術(shù)主題的申請(qǐng)量占比比較可知，對(duì)于渦輪葉片頂部葉冠，申請(qǐng)量最大的為減少泄漏方面的設(shè)計(jì)改進(jìn)，之后依次為應(yīng)力改善和冷卻。

3.申請(qǐng)人分析

通過(guò)對(duì)專(zhuān)利技術(shù)申請(qǐng)人分析可知，在該領(lǐng)域申請(qǐng)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(mén)子等公司在該領(lǐng)域也具有一定量的申請(qǐng)和研究。根據(jù)申請(qǐng)人的國(guó)別，以美國(guó)居首，其申請(qǐng)量占總申請(qǐng)量的45%，其次是日本，占比33%，英國(guó)和法國(guó)各占11%。由于渦輪葉片頂部葉冠有時(shí)會(huì)涉及較細(xì)微結(jié)構(gòu)以及較復(fù)雜流體機(jī)理，因而日本的申請(qǐng)人相對(duì)較多。

在1985年以前，進(jìn)行渦輪葉片頂部葉冠研究的申請(qǐng)人主要是勞斯萊斯公司，作為主要申請(qǐng)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(qǐng)人的申請(qǐng)量幾乎為零。在1986年～2000年，三菱重工業(yè)公司的申請(qǐng)量有了小的興起，在該階段是申請(qǐng)量最大的申請(qǐng)人。在2001年后，通用電氣公司的申請(qǐng)量顯著增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了其他申請(qǐng)人的申請(qǐng)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(zhuān)利申請(qǐng)，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(cuò)位，防止葉片振動(dòng)。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(dòng)；進(jìn)而在1942年，西屋電氣針對(duì)圍帶連接件提出了一系列申請(qǐng)，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(dòng)。1975年，EUROP TURB VAPEUR提出了相鄰圍帶通過(guò)凸起連接，且設(shè)有彈性元件，減小葉片振動(dòng)。進(jìn)一步的，1976年，日立提出了通過(guò)改進(jìn)葉冠的輪廓形狀實(shí)現(xiàn)振動(dòng)的減小，也即在葉冠上設(shè)有擴(kuò)大部，通過(guò)擴(kuò)大部的作用減小葉片的振動(dòng)。1991年，勞斯萊斯提出了使用拉筋實(shí)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(guò)設(shè)置阻尼片實(shí)現(xiàn)更好的減振效果。2012年，通用電氣提出了使尖端護(hù)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(jī)葉片的振動(dòng)，減少渦流產(chǎn)生和壓力混合，提高渦輪機(jī)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(dòng)。

關(guān)于渦輪葉片頂部葉冠冷卻方面的申請(qǐng)發(fā)展相對(duì)較晚，最早在1957年，勞斯萊斯提出了有關(guān)葉冠冷卻的申請(qǐng)，在頂部葉冠與葉片相連通處設(shè)有冷卻通道，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)葉冠的冷卻。1988年，勞斯萊斯提出了設(shè)置多個(gè)冷卻通道，提高頂部葉冠的冷卻效果，1994年，西屋提出了對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)葉片圍帶的冷卻，旨在使用盡量少的冷卻劑實(shí)現(xiàn)較好的冷卻效果。2004年，三菱重工業(yè)提出了通過(guò)從定子部件的冷卻通道提供冷卻流體，對(duì)葉冠進(jìn)行冷卻。2007年，通用電氣提出了采用沖擊冷卻方式實(shí)現(xiàn)對(duì)葉冠的冷卻，實(shí)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(jìn)設(shè)計(jì)，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(shí)還有使冷卻空氣從低速區(qū)排出的凈化孔。

對(duì)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(qǐng)，其提出了在葉冠端部設(shè)有徑向突出的單個(gè)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(gè)端部均設(shè)有密封齒，且在定子部件上設(shè)有分別與之對(duì)應(yīng)的密封元件，類(lèi)似于迷宮式密封。后在1977年，勞斯萊斯為了進(jìn)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(guò)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(jī)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(shí)還結(jié)合了對(duì)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(tái)階部，與葉冠上的密封齒相對(duì)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(tái)階部，且在與葉冠相對(duì)的定子部件上也設(shè)有臺(tái)階部，并配合有密封齒，通過(guò)剝離流機(jī)理實(shí)現(xiàn)葉頂泄漏流的減少。2014年，中國(guó)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(dòng)損失。

結(jié)語(yǔ)

綜合來(lái)看，在渦輪葉片頂部葉冠領(lǐng)域，申請(qǐng)的重點(diǎn)涉及應(yīng)力改善、冷卻以及減少泄漏，由于葉片振動(dòng)對(duì)動(dòng)力機(jī)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(dòng)在最早出現(xiàn)相關(guān)申請(qǐng)。同時(shí)，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(duì)葉冠的冷卻也是為了保證葉片的壽命所必不可少的，對(duì)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(qiáng)換熱效率。對(duì)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(jiàn)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(shí)，人們還根據(jù)剝離流的機(jī)理等制造臺(tái)階部來(lái)實(shí)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(duì)葉冠設(shè)計(jì)的總體目的仍是使葉片的壽命延長(zhǎng)并使渦輪效率最大化。今后的發(fā)展對(duì)于結(jié)構(gòu)的研究點(diǎn)將更細(xì)微，更注重對(duì)產(chǎn)生機(jī)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(xiàn)

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