涡轮叶片顶部叶冠专利技术综述

曹昕慧+++张云芳

摘 要：本文通过对涡轮叶片顶部叶冠技术领域的技术主题进行介绍，并对该领域全球申请量及申请人情况作了比较，最后对该领域技术发展路线进行梳理，并重点针对应力改善、冷却和减少泄漏等主题进行了分析。

关键词：叶冠；围带；专利；技术综述

中图分类号：TH16 文献标识码：A

大型动力机械是实现热能向机械能转换的重要设备，广泛应用于电力、冶金、钢铁、石化、船舶等行业。叶片是大型动力机械实现能量转换的关键部件，因而叶片的研究对于大型动力机械设备的发展具有重要意义。

叶片的设计主要针对叶冠、叶身、缘板、伸根、榫头进行。其中叶冠的设计极为关键，它直接影响叶片的强度、振动、可靠性、寿命甚至动力机械的安全。

一、涡轮叶片顶部叶冠概况

燃气轮机转子的结构形式很多，叶片顶部延伸出的冠状部分即为叶冠，在涡轮领域，其通常也可称为围带、护罩、覆环等等。

目前，对涡轮叶片顶部叶冠的专利申请所涉及主题的主要目的为延长叶片寿命和提高涡轮效率两个方面，其中，叶冠的应力（包括动应力与静应力）改善、叶冠的冷却等主要是为了延长叶片寿命，而通过叶片顶部叶冠的设计实现减少流体的泄漏则主要是为了提高涡轮效率。

二、涡轮叶片顶部叶冠专利技术分析

1.全球申请量分析

有关涡轮叶片顶部叶冠的申请早在1907年就已经提出，但对它的研究长期处于停滞状态，直到20世纪40年代人们才开始对其有了更多的关注，关于该技术的申请了有了第一个高峰期。在经过若干年的停滞后，从20世纪80年代开始，人们开始再次关注该技术，专利申请的数量逐渐增加，尤其在2005年后，专利申请的数量与之前相比显著增大，说明人们已经明显意识到该技术的重要性。另一方面，也反映了该技术在有些方面已走向成熟，具有较高的商业化前景。

2.不同技术主题申请量分析

通过对历年来各种技术主题的申请量占比比较可知，对于涡轮叶片顶部叶冠，申请量最大的为减少泄漏方面的设计改进，之后依次为应力改善和冷却。

3.申请人分析

通过对专利技术申请人分析可知，在该领域申请量最大的公司为通用电气，其次为三菱重工业、劳斯莱斯公司，联合工艺、阿尔斯通、西门子等公司在该领域也具有一定量的申请和研究。根据申请人的国别，以美国居首，其申请量占总申请量的45%，其次是日本，占比33%，英国和法国各占11%。由于涡轮叶片顶部叶冠有时会涉及较细微结构以及较复杂流体机理，因而日本的申请人相对较多。

在1985年以前，进行涡轮叶片顶部叶冠研究的申请人主要是劳斯莱斯公司，作为主要申请人的通用电气公司在该阶段仅处于起步状态，除联合工艺公司外，其他申请人的申请量几乎为零。在1986年～2000年，三菱重工业公司的申请量有了小的兴起，在该阶段是申请量最大的申请人。在2001年后，通用电气公司的申请量显著增加，远远超越了其他申请人的申请量。

4.发展脉络

在应力改善方面，早在1907年，PEARCE STANDEN LEONARD就提出了有关涡轮叶片叶冠的专利申请，其提出了连接相邻围带的锁定条，防止相邻围带之间横向错位，防止叶片振动。在1920年，西屋电气提出相邻围带之间采用连接键连接，同样为了防止叶片振动；进而在1942年，西屋电气针对围带连接件提出了一系列申请，其目的都是为了改善叶片应力。1967年，BRISTOL SIDDELEY ENGINES LTD提出了采用外包拉筋防止叶片的振动。1975年，EUROP TURB VAPEUR提出了相邻围带通过凸起连接，且设有弹性元件，减小叶片振动。进一步的，1976年，日立提出了通过改进叶冠的轮廓形状实现振动的减小，也即在叶冠上设有扩大部，通过扩大部的作用减小叶片的振动。1991年，劳斯莱斯提出了使用拉筋实现叶片的减振，并具体限定了拉筋在叶冠的具体位置，即在叶冠的两端设有径向突出部且设有轴向凹槽，径向突出部用于密封，轴向凹槽用于放置拉筋。2009年，通用电气通过设置阻尼片实现更好的减振效果。2012年，通用电气提出了使尖端护罩的前、后缘部分的压力侧部分比吸力侧部分的表面积大，减少涡轮机叶片的振动，减少涡流产生和压力混合，提高涡轮机叶片的效率。2014年，日立提出了在相邻围带之间设有弹性件，也是为了减小叶片振动。

关于涡轮叶片顶部叶冠冷却方面的申请发展相对较晚，最早在1957年，劳斯莱斯提出了有关叶冠冷却的申请，在顶部叶冠与叶片相连通处设有冷却通道，实现对叶冠的冷却。1969年，通用电气提出了在叶冠中部设有与叶片相通的冷却腔室，实现叶冠的冷却。1988年，劳斯莱斯提出了设置多个冷却通道，提高顶部叶冠的冷却效果，1994年，西屋提出了对燃气轮机叶片围带的冷却，旨在使用尽量少的冷却剂实现较好的冷却效果。2004年，三菱重工业提出了通过从定子部件的冷却通道提供冷却流体，对叶冠进行冷却。2007年，通用电气提出了采用冲击冷却方式实现对叶冠的冷却，实现了局部快速有效冷却。2009年，通用电气提出了在叶冠冷却腔内设有扰流件，提高冷却效果。2012年，通用电气提出了冷却结构的改进设计，尖端围带设置有与冷却腔室相连通的排出部，将冷却空气从高速区排出，同时还有使冷却空气从低速区排出的净化孔。

对于减少叶片顶部泄漏的研究，在1942年，ALLIS CHALMERS MFG CO最早提出了关于减少泄漏的申请，其提出了在叶冠端部设有径向突出的单个密封齿。在1958年，劳斯莱斯首次提出了迷宫式密封，在叶冠两个端部均设有密封齿，且在定子部件上设有分别与之对应的密封元件，类似于迷宫式密封。后在1977年，劳斯莱斯为了进一步提高密封效果，提出在定子部件上设有流体通道，通过冷却流体密封结合密封疏齿密封，有效减少叶顶泄漏的泄漏量，提高了涡轮机效率。在1997年，三菱重工业提出了高低齿式密封结构，同时还结合了对叶冠的冷却。而在下一年，三菱重工业提出了在定子部件上设有台阶部，与叶冠上的密封齿相对应，形成迷宫式密封。2010年，三菱重工业提出在叶冠上设有台阶部，且在与叶冠相对的定子部件上也设有台阶部，并配合有密封齿，通过剥离流机理实现叶顶泄漏流的减少。2014年，中国科学院工程热物理研究所提出了具有密封泄漏流导流功能的涡轮装置，在叶冠附近设有导流件，更有效地减少了密封泄漏流引起的流动损失。

结语

综合来看，在涡轮叶片顶部叶冠领域，申请的重点涉及应力改善、冷却以及减少泄漏，由于叶片振动对动力机械的安全性有重要影响，可能造成重大事故，故应力改善中的防止振动在最早出现相关申请。同时，为了保证叶片的寿命，应力改善中的静应力改善也受到人们广泛的关注。而对叶冠的冷却也是为了保证叶片的寿命所必不可少的，对冷却的研究主要沿着提高冷却效率发展，例如增加冷却面积、增强换热效率。对于减少泄漏，这是人们为了提高涡轮效率所考虑的，最常见的是在叶冠设置密封齿，或者改善叶冠轮廓，使相邻叶冠之间的泄漏减小。同时，人们还根据剥离流的机理等制造台阶部来实现泄漏量的减少。

目前，关于涡轮叶片顶部叶冠的各主要分支的技术已经成熟，对叶冠设计的总体目的仍是使叶片的寿命延长并使涡轮效率最大化。今后的发展对于结构的研究点将更细微，更注重对产生机理的研究；并且，研究趋向于几种技术主题的相结合。

参考文献

[1]樊江，等.涡轮叶冠的优化设计技术研究[J].机械设计与制造，2011，8（4）：44-46.

[2]黄树红，等.汽輪机原理[M].北京：中国电力出版社，2008：178-205.endprint