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涡轮叶片顶部叶冠专利技术综述

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

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,专本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。

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。

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。

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