缘板阻尼装置

技术领域

本发明涉及燃气轮机的叶片的缘板阻尼装置。

背景技术

燃气轮机叶片设计是发动机领域中的关键技术，高温高转速下叶片的阻尼减振设计对于提供叶片的高周疲劳寿命至关重要。现有高压涡轮叶片设计普遍在缘板下方放置阻尼块来控制叶身振动应力降低振动风险。缘板阻尼装置一经设计定型结构参数便不可改变，其提供的阻尼特性只在特定工况下达到最优化，无法根据转速及温度自适应匹配最优减振特性。

根据干摩擦理论，阻尼块对摩擦面提供的正压力会影响到阻尼块滑动的临界条件，一旦正压力设计不合理将会造成阻尼块粘滞无法滑动。阻尼块正压力与涡轮转速息息相关，因此根据不同工况设计不同参数的阻尼块可以实现各工况下减振特性最优。然而现有阻尼块设计无法实现这一目的，其对于不同转速工况的自适应性并不理想。

发明内容

本发明的目的在于提供一种缘板阻尼装置，可根据不同工况具备不同结构参数。

根据本发明的缘板阻尼装置，包括在一个叶片缘板中设置的阻尼槽，在另一个叶片缘板中设置的滑槽，其中，滑块在所述阻尼槽中可径向滑动；弹性装置设置在所述滑槽中，在所述滑块上施加预作用力，以使所述滑块的起始位置保持在所述滑槽的径向内端；以及阻尼块设置在所述阻尼槽中，具有第一阻尼面和第二阻尼面；所述阻尼槽具有第一摩擦面，所述滑块具有第二摩擦面；在第一工况时，所述阻尼块由所述滑块保持在所述阻尼槽中且在离心力作用下运动至所述第一阻尼面与所述第一摩擦面摩擦接触，由所述阻尼块提供的正压力施加在所述第一摩擦面上；在第二工况时，所述滑块在离心力作用下因克服所述弹性装置的预作用力而径向移动，并释放所述阻尼块，所述阻尼块在离心力作用下受所述第一摩擦面引导向所述滑槽侧滑动，以使所述第二摩擦面和所述第二阻尼面摩擦接触，由所述阻尼块提供的正压力施加在所述第一摩擦面、第二摩擦面上。

在一实施例中，所述阻尼块设置有弧形槽，所述弧形槽容纳有活动体，弧形槽具有第一端和第二端，所述第一端相对所述第二端更靠近所述滑动槽；在所述第一工况，所述活动体在离心力作用下运动至所述第二端，以使阻尼块整体的质心偏向所述阻尼槽的深处；在所述第二工况，所述活动体在离心力作用下运动至位于所述滑槽中的所述第一端，以改变使阻尼块整体的质量分布。

在一实施例中，所述活动体为成组的颗粒球。

在一实施例中，所述成组的颗粒球设置成在因离心力而处于压紧状态时能提供颗粒阻尼效果。

在一实施例中，所述第一摩擦面为所述阻尼槽的径向外侧壁面上的曲面，所述第一阻尼面为所述阻尼块的径向外侧且与所述第一摩擦面相对的曲面，所述第一阻尼面和所述第一摩擦面以互补的形状进行配合。

在一实施例中，所述第二摩擦面为在所述滑块的径向内侧且靠近所述阻尼槽一侧的斜面，所述第二阻尼面为在所述阻尼块的径向外侧且靠近所述滑槽一侧的斜面。

在一实施例中，所述弹性装置为压缩弹簧，所述压缩弹簧装在所述滑槽中且在所述滑块的径向外侧施加所述预作用力。

在一实施例中，所述第一摩擦面、所述第二摩擦面、所述第一阻尼面或所述第二阻尼面采用不同系数摩擦系数涂层。

本发明的实施例基于转速变化改变阻尼块质心位置，使阻尼块在阻尼槽中滑动，从而在高低转速下匹配最优正压力进行摩擦耗能。此外面阻尼块内部活动题在叶片振动下可提供阻尼效果，进一步提高阻尼减振特性。本发明的实施例可在不改变现有叶片设计的情况下可实现阻尼块对多工况覆盖，提高叶片全飞行循环下疲劳寿命。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1是根据一实施例的叶片与阻尼块装配的示意图；

图2是根据一实施例的相邻叶片与滑块装配的示意图；

图3是根据一实施例的缘板阻尼装置的示意图；

图4是根据一实施例的阻尼块的示意图；

图5是根据一实施例的缘板阻尼装置处于第一工况的示意图；

图6是根据一实施例的缘板阻尼装置处于第二工况的示意图；

图7是缘板阻尼装置的阻尼特性曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。

航空发动机涡轮叶片减振设计常采用干摩擦阻尼器实现，现有阻尼器构型比较固定且其结构参数无法根据工况自适应改变，只能针对特定转速区间提供最优阻尼特性，不具有全飞行循环自适应的减振能力。

干摩擦阻尼器主要靠阻尼块与摩擦面发生相对位移实现摩擦耗能，阻尼器临界滑动条件及阻尼特性均与阻尼器提供的正压力息息相关。在阻尼器质量一定的情况下正压力随转速发生变化，因此转速会影响到临界正压力及阻尼特性。阻尼器设计时通常根据叶片共振转速区间进行设计，现实情况是叶片在多个高低转速区间均存在共振风险，因此需要同时匹配高低转速工况进行阻尼优化设计。当涡轮进入高转速区间时随着离心力增大，阻尼器临界正压力提高导致阻尼器卡滞难以发挥作用，现有缘板阻尼设计无法根据转速自适应优化正压力。为了解决现有阻尼器阻尼特性固定不可变的问题，后述实施例提供了一种基于转速改变阻尼器质心位置的结构，该结构可在高转速下增大摩擦面积并优化阻尼正压力分配关系，从而提升阻尼器整体阻尼特性并达到全转速工况下阻尼器减振特性最优化。此外，通过弧形槽内安装的颗粒球，一方面可基于转速改变结构质心位置优化正压力分配，另一方面在共振情况下也可提供颗粒阻尼效果，进一步提高阻尼减振效果。

后述实施例将要描述的缘板阻尼装置通过优化正压力改善叶片高低转速下阻尼特性，实施例中的叶片是指涡轮叶片。缘板阻尼装置主要通过巧妙的机械设计实现质心变化以优化正压力，以此实现不同转速下对阻尼特性的设计要求，在图1至图7中，坐标系X、Y和Z分别表示涡轮转动部件的轴向、周向和径向。

图1所示的叶片包括叶身1、缘板2、伸根和榫头3、阻尼槽4，图2所示的相邻叶片包括叶身31、缘板32、伸根和榫头33、滑槽34，缘板阻尼装置包括阻尼块10、可径向移动的滑块20、控制滑块移动的弹性装置21。两叶片通过榫头3、33安装在涡轮盘上，缘板阻尼装置的阻尼块10安装在缘板2下方阻尼槽4中，滑块20和弹性装置21安装在相邻叶片的滑槽34中。

弹性装置21设置在滑槽34中，在滑块20上施加预作用力，以使所述滑块20的起始位置保持在滑槽34的径向内端。

如图4和图5所示，阻尼块10具有第一阻尼面101和第二阻尼面102。相应地，阻尼槽4具有第一摩擦面5，滑块20具有第二摩擦面23。在图5所示的第一工况时，阻尼块10由滑块20保持在阻尼槽4中且在离心力作用下运动至第一阻尼面101与第一摩擦面5摩擦接触，由阻尼块10提供的正压力施加在第一摩擦面5上，在图6所示的第二工况时，滑块20在离心力作用下因克服弹性装置21的预作用力而径向移动，并释放阻尼块10，阻尼块10在离心力作用下受第一摩擦面5引导向滑槽34侧滑动，以使第二摩擦面23和第二阻尼面102摩擦接触，由阻尼块10提供的正压力施加在第一摩擦面5、第二摩擦面23上。

第一工况对应涡轮或发动机的低转速工况，第二工况对应涡轮或发动机的高转速工况。在第一工况时滑块20离心力较小从而难以克服弹性装置21的预作用力，此时滑块20径向位置低并对阻尼块10起到限位作用，阻尼块10则通过第一摩擦面5和第一阻尼面101进行摩擦耗能。在第二工况时滑块20的离心力较大从而克服弹性装置21的预作用力，滑块20径向位置升高失去对阻尼块10的限位作用，此时阻尼块10在离心力作用下沿第一摩擦面5进行滑动，到达平衡位置时阻尼块10的左侧的第二阻尼面102与滑块20的第二摩擦面23接触，右侧的第一阻尼面101与阻尼槽4的第一摩擦面5接触，在第二工况时两侧接触面同时提供摩擦效果增大了摩擦面积。

如本文所使用的，术语“第一”，“第二”和“第三”可以互换使用以将一个部件与另一个部件区分开，并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。阻尼面或摩擦面均是主要提供摩擦作用。

参照图4，在优选的实施例中，阻尼块10设置有弧形槽11，弧形槽11容纳有活动体12，弧形槽11具有第一端111和第二端112，同时结合图3或图5，第一端111相对第二端112更靠近滑槽34。在第一工况，活动体12在离心力作用下运动至第二端112，以使阻尼块10整体的质心偏向阻尼槽4的深处；在第二工况，活动体12在离心力作用下运动至位于滑槽34中的第一端111，以改变使阻尼块10整体的质量分布。

在如图所示的实施例中，在阻尼块10中设计弧形槽11并在其中容纳活动体12。在对应低转速工况的第一工况时，弧形槽11的左侧径向位置低于右侧使活动题12在离心力作用下向右滑动，阻尼块10结构整体质心位置靠右，对第一摩擦面5提供全部正压力。在对应高转速工况的第二工况时，阻尼块10沿第一摩擦面5向左侧滑动导致弧形槽11左侧径向位置高于右侧，活动题12在离心力作用下向左滑动使阻尼块10的整体质心位置靠左，通过弧形槽11的角度及长度设计匹配阻尼特性分析方法从而实现对不同转速下质心位置改变，可按设计的比例分配正压力到两侧摩擦面，使高转速工况下临界正压力降低。弧形槽11的尺寸及弧度设计匹配阻尼特性分析方法从而实现对不同转速下质心位置改变，达到分配正压力的效果。

在可选的实施例中，活动体12为成组的颗粒球。颗粒球可提供更顺畅的运动，几乎无延迟地随着工况的改变而达到期望的位置，进而改变阻尼块10的质心位置。

在可选的实施例中，成组的颗粒球设置成在因离心力而处于压紧状态时能提供颗粒阻尼效果，如此能进一步提高摩擦耗能效果。颗粒球的大小不一，从而更好地达到颗粒阻尼效果。

如图3至图5所示，第一摩擦面23为在滑块20的径向内侧且靠近所述阻尼槽4一侧的斜面，第一阻尼面102为在阻尼块10的径向外侧且靠近滑槽34一侧的斜面。在当涡轮或发动机由低转速进入到高转速工况时，滑块20在离心力作用下克服弹性装置21的预作用力，径向向上移动，第一摩擦面23、第一阻尼面102设置成斜面，有利于二者逐渐过渡到最大接触面积的摩擦，实现不同阻尼效果的平稳过渡。

在可选的实施例中，弹性装置21为压缩弹簧，如图1和图2所示，两压缩弹簧装在滑槽34中且在滑块20的径向外侧施加预作用力。通过调节压缩弹簧的刚度，可灵活适应不同的阻尼效果需求。

所述第一摩擦面、所述第二摩擦面、所述第一阻尼面或所述第二阻尼面采用不同系数摩擦系数涂层，可实现高低转速工况下阻尼块特性均最优。

以下进行不同转速下阻尼块在缘板阻尼槽中的工作状态说明。附图4中，当涡轮处于低转速工况时，滑块20受到的离心力相对较小，弹性装置21压缩变形稍小，此时滑块20的竖直面22对阻尼块10提供限位并传递左侧叶片缘板32的周向位移。阻尼块10处于阻尼槽4中，摩擦面5与阻尼块10发生摩擦，同时弧形槽11左侧位置A径向低于右侧位置B，颗粒球或活动体12在自身离心力作用下沿弧形槽滑动到B处，阻尼块整体质心位置偏右，正压力全部施加在摩擦面5上。低转速时由于温度不高，阻尼块10的摩擦系数值偏低，此时通过阻尼块10质量设计及第一摩擦面5的倾角设计可得到低转速最优临界正压力。

如图6中所示，当涡轮由低转速进入到高转速工况时，滑块20离心力变大压缩弹性装置21沿径向箭头42方向移动。滑块20失去对阻尼块10的限位作用，阻尼块10沿第一摩擦面5向左侧移动。通过滑块10质量及弹性装置21刚度设计实现高转速时滑块处于图示位置，此时阻尼块10左侧与滑块20的斜面或第二摩擦面23接触，叶片振动时滑块20的斜面23和阻尼槽4的第一摩擦面5同时提供干摩擦、增大了摩擦面积。高转速时弧形槽11左侧位置A径向高于右侧位置B，颗粒球12在自身离心力作用下沿弧形槽11滑动到A处，阻尼块10质心位置发生改变，阻尼块10的正压力分配到斜面23和第一摩擦面5上，通过弧形槽11及颗粒球12匹配设计改变阻尼块质量进行两侧摩擦面正压力分配，从而优化了高转速工况下临界宏滑动条件。当涡轮再由高转速回到低转速时，滑块20沿图4中径向箭头41方向移动，阻尼块回到图4中低转速状态。

基于上述设计结合阻尼特性分析方法，得到不同转速下阻尼特性曲线，如图7所示，矩形框C示出了叶片的工作区间。基于图5中低转速工况第一摩擦面5提供的阻尼特性如图7中实线所示，在叶片工作区间内(叶身振动应力低于100MPa)缘板阻尼装置提供的阻尼比峰值约1.1％。若采用传统阻尼块设计，随着转速提高临界正压力快速增大，如图7中虚线所示，在100MPa范围的工作区间内阻尼比降低0.1％以下，阻尼块失去减振作用。若采用前述实施例的设计(即图6中高转速状态)，由于正压力得到优化且摩擦面积增大，如图7中点划线所示，在100MPa范围的工作区间内临界应力降低且阻尼比峰值得到提高，阻尼比峰值约1.3％，相比原有设计高低转速工况均得到了优化提升。同时颗粒球提供的颗粒阻尼也对阻尼减振提供了增益效果。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。