采用拉筋或类似物连接叶片专利技术综述

刘玲++刘京

摘 要：本文从全球专利申请量、原创国申请量分布等多方面进行分析，阐述了采用拉筋或类似物连接叶片技术领域的专利申请发展趋势，追踪了其发展脉络，重点针对布置位置、布置型式、连接工艺这三大主要研究方向进行了梳理。

关键词：拉筋；连接；叶片；阻尼；振动

中图分类号：TK263 文献标识码：A

一、叶片间连接技术概述

燃气轮机或蒸汽轮机所使用的涡轮叶片，因工作流体的紊流成分在较宽的频率范围内不断被激振。叶片振动造成的叶片失效是叶片的主要事故形式之一，为设计高可靠性的叶片，一般将相邻的叶片彼此连接的构造，以避免共振。

近年来，为了增加大功率汽轮机低压级长叶片的抗震性能，制造厂都倾向于在中长叶片上采用自带围带或各种拉筋形式等连接件将整级叶片连接成整圈叶片组的形式广泛存在于现代燃气轮机、电站蒸汽轮机、航空发动机等高速叶轮机的设计中。

二、采用拉筋或类似物连接叶片专利技术分析

1.全球专利申请量

采用拉筋或类似物连接叶片的专利申请出现于20世纪初，其发展过程大致分如下几个时期：1927年以前，每年的申请量大多在5个以下，属于萌芽期；1927年～1932年，每年的申请量有所提升，属于探索期；1933年～1952年，每年的申请量出现了低位趋势，属于瓶颈期；1953年～1994年，每年的申请量在不断波动中保持相对增长，属于发展期；1995年之后，每年的申请量在整体波动中趋稳发展，属于成熟期。

2.原創国申请量分布

日本、美国、德国、法国和英国的申请量占总申请量的比例分别以25.7%、17.34%、16.47%、10.40%、8.96%的较高百分比位列原创国排行榜的前5位，足以说明他们在本领域的领先及核心地位。同时，在该领域出现高达21个国家积极参与研发设计，为其发展做出了不少贡献。

3.专利申请目标国分布

日本是最为重要的目标市场，美国、德国、法国、英国位列第二至四位，上述5个国家也是原创技术实力较强的国家；此外欧洲、瑞士、荷兰、中国、加拿大、比利时的目标市场份额紧随其后，这6个国家是该领域高度关注的竞争市场，是该技术的主要生产应用国家，具有较好的市场前景，这可能直接导致了未来市场的激烈竞争。

4.发展脉络

在布置位置方面，1904年，THOMSON HOUSTON ATELIERS提出在叶片顶部设置拉筋用于连接叶片。1926年，CHARLES ALGERNON PARSONS和ALFRED QUINTIN CARNEGIE提出了在旋转涡轮环状叶片组的中上部位置布置拉筋用于固定叶片。1987年，阿尔斯汤姆有限公司提出了在叶片顶部围带上的槽内插入一个扁平金属丝构成一个填片元件以对抗离心力作用下的叶片弯曲和产生摩擦力。1980年， ISHI提出了在叶片根部转子面附近设置的穿孔中设有线，在轴向涡轮运行中，线与穿孔摩擦接触，达到降低叶片振动的目的。1991年，富士电机有限公司提出在护罩环的槽内壁与置于槽中的线的有角度的侧面间通过摩擦起到阻尼效应，以降低运动叶片的振动。1998年，东芝提出在叶片中间位置设置中间连接装置，与叶片端部连接装置一起提供有效的防振对策。2012年，航空技术空间股份有限公司提出了在叶片底部穿过转子叶片排上若干相邻叶片平台的孔的扣环或相应形状的锁杆能够与之配合，从而确保叶片在转子上的保持。2013年，西门子提出了在叶片顶端护罩间的凹槽中设置阻尼线，用于降低叶片振动。

关于布置形式方面的申请， 1913年，ANTIEBOLAGET LJUNGSTROEMS AANG提出了采用折线型、X型、平行斜线型等形式的拉筋结构进行叶片的连接。1925年，西屋公司提出了采用类似三角形的拉筋结构对叶片进行连接，以最小化叶片中的振动应力，并在同一年中又提出了采用椭圆、菱形拉筋结构对叶片进行连接，以在流体流经叶片时以最小的应力获得最大的刚性。1928年，西屋公司提出了在叶片发生最大角度的偏斜弯曲时，将具有相对高弯曲应力的拉筋设置在叶片的偏斜曲线切点处，可在叶片顶部设置一个拉筋或同时设置多个，以获得拉筋的双重弯曲，利用其最大弹性范围。1929年， ABB集团提出了采用多层、分段、直线型、弧线型相结合的拉筋结构进行叶片连接。1980年，东芝提出了采用双层拉筋结构进行叶片连接。2008年，通用电气采用在翼型叶片的底端护罩凹槽中设置弹性保持环以使叶片沿径向向内方向偏斜。2011年，西门子提出了在线外面设置一同轴可相对滑动的套，这种形式的拉筋结构可防止阻尼线的断裂，增加蒸汽轮机的运行可靠性。2013年，西门子提出了连接叶片的连接件采用空气动力型翼型结构，为蒸汽轮机中流经的水蒸气提供浮力，获得优化的动力学性能及较好的阻尼特性。

对于连接工艺的研究，1908年，REED STANLEY JOHN提出了通过在叶片顶端设置穿有线的纱管套头护罩增强涡轮叶片环，它们通过铜焊或焊接，并在定位后膨胀，长叶片还设置中间几排纱管套头。1928年，西屋公司提出了通过焊接、铜焊、熔接或类似工艺固定管状部件，并将其拉筋通过铆钉固定，以这种方式形成的拉筋简易，制造成本低。1984年，ORTO-I提出了拉筋通过套管连接，套管中装有填充物，在转子运转时填充口通过喷丸密封，填充物在热涨与离心力作用下提供弹性。1988年，东芝提出了将铆钉穿过加强套的中部以在直径方向紧固连接涡轮叶片组的拉筋，增强应对蒸汽流带来的振动力的刚度，降低涡轮叶片在旋转方向的振动，减少拉筋的损坏。1991年，SCAL-N提出了通过肝连接相邻的叶片，两后部与相应的层构造，填料焊接部位连接在一起。1993年，日立通过一套管将第一级和第二级连接线的端部大概地彼此连接在一起。2000年，日立提出了拉筋的端部穿过套，插入相邻叶片的孔中，具有相比拉筋拥有更高耐磨损疲劳强度的金属薄片被设置于套的内表面或拉筋的外表面，用于提高叶片连接的可靠性，避免拉筋的损坏。2003年，日立提出了在两端具有中空部的每根拉筋插入涡轮叶片的孔中，具有相对弯曲表面的每个连接件插入相邻拉筋的中空部分，中空部分的端面用于接收弯曲表面，这种布置能降低连接件与拉筋连接部分的应力，改善拉筋与连接件的耐磨损、抗疲劳性能。2009年，西门子提出了偶联元件可通过旋拧、铆接或通过焊接与相邻叶片固定地连接。

结语

通过以上分析可以看出，采用拉筋或类似物连接叶片技术的研发集中在通用电气，日本、德国、法国和英国的申请量也占相当大的比重，其他国家申请数量偏少；从目标市场申请量方面分析可以看出，中国在该领域的市场还有发展潜力，中国申请人也应多研究和借鉴通用电气等公司或个人在该领域的前沿技术，增强我国该方面技术的竞争实力。

通过对采用拉筋或类似物连接叶片领域的专利技术综述，了解到其发展路线，从而有利于审查员更好把握该领域的技术实质，提高检索效率，提高审查质量。

参考文献

[1]王仲博.汽轮机松拉金整圈连接叶片组振动特性的试验研究[J].中国电力，1985（7）：8-13，25.

[2]黄文俊，等.汽轮机自带围带叶片整圈连接的接触分析[J].汽轮机技术，2009，51（5）：346-348.endprint