具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本发明所要求保护的范围。术语“包括”在使用时表明存在特征，但不排除存在或增加一个或多个其它特征。

压气机中通常包括轮盘6和设置在轮盘6上的叶片，旋转的轮盘6带动叶片转动，进而使叶片压缩空气。故在设计叶片时，叶片需要满足流体力学的设计要求，同时还应调整叶片的频率，保持叶片在不同阶的频率均不会产生共振、避免带来危险。并且在设计叶片时，还应尽量使叶片的重量较小、减轻支撑装置的承重、并且避免叶片过重影响轮盘6的旋转。尤其对于重型燃气轮机，叶片相对较大，在设计时更应注意调整频率和减轻重量。本发明提供的压气机叶片设计的技术方案，不仅可以准确地实现对叶片调整频率，并且还可以有效地减轻叶片的重量。

压气机叶片通常包括叶片本体，叶片本体包括叶身1、缘板2和榫头3。其中，叶身1即为用以压缩空气的主体，榫头3即为叶片用以插接在轮盘6上的部分，而缘板2即为当叶片插接在轮盘6上后、与轮盘6插接叶片的叶片槽5的顶端相抵接限位。三者之间的连接关系为：缘板2设置在中部，缘板2的上端与叶身1相连，缘板2的下端与榫头3相连。榫头3包括与缘板2相连的第一部分31和与第一部分31相连的第二部分32，即榫头3上又根据截面形状的变化分为第一部分31和第二部分32。

本发明提出在榫头3上设置沿轮盘6周向方向开设的调频槽口4，通过调频槽口4改变所述榫头3的径向面积进而实现调频。并且调频槽口4在榫头3上设置位置的改变、调频槽口4自身尺寸的改变均可调节榫头3的径向面积，进而实现准确的调节叶片的频率。

本发明将调频槽口4设置在叶片的榫头3上的设计比较合理。在叶片的叶身1上设置调频槽口4将可能破坏叶身1的外形、进而影响叶身1处的气体流动。在缘板2上设置调频槽口4的话，将影响缘板2与叶片槽5之间的抵接效果，进而可能影响叶片的固定。故本实施例提出的在榫头3的位置设置调频槽口4的方案更加合理，不会对叶片的固定和运转带来影响。

调频槽口的形状结构需满足的条件：

调频槽口4可设置在榫头3上的任意位置，而无论调频槽口4设置在任何位置其轴向延伸长度均需满足下列条件：调频槽口4在轴向上的长度与所述第二部分32在轴向上的长度之和为第一轴向长度，所述缘板2在轴向上的长度为第二轴向长度，所述第一轴向长度小于第二轴向长度。即上述的，缘板2应当起到与叶片槽5相抵接限位的效果，故缘板2的轴向长度应大于榫头3的第二部分32、调频槽口4在轴向上的长度。缘板2起到承接叶身1的作用，故缘板2应相对设计的较长。如果第二部分32、调频槽口4在轴向上延伸较长，也将影响榫头3插接在叶片槽5内。

优选的，第一部分31在轴向上的长度为第三轴向长度，所述第一轴向长度小于或等于第三轴向长度。即榫头3在轴向方向上由第一部分31向第二部分32收窄，使整体榫头3在轴向方向呈类似锥形的结构，这样使榫头3的形状便于插接固定在叶片槽5内。进一步优选的，所述第二轴向长度、所述第三轴向长度和所述第一轴向长度依次减小。即在轴向方向上缘板2、锁头的第一部分31、第二部分32依次收窄，这样利于叶身1的稳定，并且便于上述的榫头3插接在叶片槽5内。

如图1-12中所示，调频槽口4的径向高度还应满足下述的条件：第二部分32的顶面为第二顶面，调频槽口4的顶面为第三顶面，第三顶面在径向方向上的高度大于或者等于第二顶面在径向方向上的高度。调频槽口4的径向高度大于第二部分32的径向高度，可使调频槽口4具有一定的径向高度，可达到有效减重的效果。

进一步优选的，所述第一部分31的顶面为第一顶面，所述第三顶面在径向方向上的高度大于第二顶面在径向方向上的高度，且小于或等于第一顶面在径向方向上的高度。当调频槽口4的高度大于第一顶面的径向高度时，将可能导致调频槽口4与缘板2连通，进而影响缘板2的结构。即这样设置，避免调频槽口4由于在径向上延伸较高，而影响榫头3和缘板2的稳定性。

如图中1-12所示，调频槽口4的顶面与侧面的交界处为圆弧形状。上述的圆弧形状可起到稳定过渡、避免在叶片安装、加工的过程中划伤手。优选的，圆弧相对于所述榫头3的垂直中分面呈镜面对称，便于设计且外观美观。对于调频槽口4设置在榫头3的周向中部的方案：调频槽口4的轴向宽度L大于位于中部的调频槽口4的圆弧的半径R1；位于中部的调频槽口4的轴向宽度L大于位于中部的调频槽口4的圆弧的半径R1的2倍。即保证调频槽口4的轴向宽度至少大于两圆弧的轴向宽度之和。对于调频槽口4设置在榫头3的周向两侧的方案：调频槽口4的圆弧半径R2大于第四轴向长度，第四轴向长度为第二轴向长度与榫头3的第二部分32在轴向上的长度之差的一半。

具体如图1-12中所示，榫头3的截面可为倒T型。在径向方向上榫头3的第二部分32向第一部分31收窄，榫头3的第一部分31与第二部分32的截面在径向方向上形成倒T型形状。即在径向方向上榫头3的第一部分31构成倒T型结构中较窄的“I”部分结构，榫头3的第二部分32构成T型结构中较宽的“一”部分结构。进一步优选的，第一部分31的截面宽度小于第二部分32的截面宽度。在径向的方向上，第二部分32宽于第一部分31，使得整体榫头3的结构更加稳定。

实际在榫头3上可设置任意数量的调频槽口4，但为了避免给设计带来困难、并且避免设置较多的调频槽口4影响榫头3的强度，故优选的，调频槽口4的数量为1～3个。

本发明提供的压气机叶片的方案，可通过在叶片的榫头3上设置调频槽口4调节榫头3的径向面积进而达到调节叶片频率的效果，并且在榫头3上设置调频槽口4可达到对叶片减重的效果。

调频槽口的设计：

上述论述了调频槽口4在设计时形状需满足的条件，以下将论述具体如何设计调频槽口4。在设计调频槽口4时，首先需要确定调频槽口4的开槽方式，而后设计调频槽口4的具体尺寸。

第一步、确定开槽方式：

所述开槽方式包括：设计调频槽口4在榫头3上的具体位置，比如，可将调频槽口4设置在榫头3的中部或者外缘等。开槽方式还包括调频槽口4的类型，比如可将调频槽口4设置为通槽或者具有封闭端的槽。开槽方式还包括具体的调频槽口4的形状，比如将调频槽口4设置为长圆形槽或者弧形槽等。

具体设计调频槽口4的开槽方式时，主要需根据叶片自身的结构决定。即当叶片自身强度较强时，在榫头3上设置调频槽口4对其影响较小，不会产生叶片强度不够的风险，故可将调频槽口4设置在对强度影响较大的位置，比如中榫头3的轴向中部的位置，并且调频槽口4可设置为易加工、但对强度影响较大的通槽。当叶片自身强度较差时，需要将调频槽口4设置在对强度影响较小的位置，比如榫头3的外缘。

峰值应力的安全系数K1只跟材料自身的结构有段，并且峰值应力的安全系数K1可反映叶片的强度。当叶片的强度越强，说明叶片在承受峰值应力时越容易保证安全，即叶片的峰值应力的安全系数K1越大。故具体的，调频槽口4的开槽方式确定为：根据压气机的结构确定初始峰值应力的安全系数K1，并根据所述安全系数K1确定所述调频槽口4在所述榫头3轴向方向上的位置、从而确定开槽方式。更具体的，通过峰值应力的安全系数K1判断具体在榫头3轴向中部或者其他位置进行开槽。当初始峰值应力的安全系数K1较大时，调频槽口4设置在榫头3轴向中部；当始峰值应力的安全系数K1较小时，调频槽口4设置在对榫头3的强度影响较小的位置。

以下以两个实施例说明具体的开槽方式。

开槽方式实施例1

当初始峰值应力的安全系数K1＞1.75时，则将调频槽口4设置在榫头3的轴向中部，如图1-6中所示。由于初始峰值应力的安全系数K1＞1.75，认为叶片自身的强度较高，故可将调频槽口4设置在榫头3上应力较大的中部位置。并且将调频槽口4设置为较易加工的沿榫头3周向的通槽。具体地，调频槽口4为类似于长方体的结构，调频槽口4的顶部的两顶角位置设置半径相对较大的圆倒角。此结构的调频槽口4的形状便于加工。

开槽方式实施例2

当初始峰值应力的安全系数K1＞1.75时，说明叶片自身的强度较弱，则将调频槽口4设置在榫头3上对强度影响较小的两侧位置。具体如图7-12中所示，在榫头3的周向的外缘两侧分别设置调频槽口4。两侧的调频槽口4设置为关于榫头3的轴向中心线对称的结构，且两个调频槽口4为开口指向榫头3之外的弧形结构。

第二步、确定开槽尺寸通过上述步骤，已经确定了开槽方式，之后需确定具体的开槽尺寸。在确定开槽尺寸时，首先需要预设开槽尺寸，而后进行通过迭代校核修改设置的开槽尺寸，直到校核设置的开槽尺寸满足设计要求后确定开槽尺寸。

即确定开槽尺寸包括以下步骤：

1、预设调频槽口4的开槽尺寸：

预设调频槽口4的开槽尺寸时，主要根据调频槽口4的形状和经验进行设置。

预设开槽尺寸实施例1

当如图1-6中所示，在榫头3的轴向中部设置调频槽口4时，首先初步预设图中所示的R、L、H的值。其中，L预设的值可根据与峰值应力安全系数K1的函数关系确定，H预设的值由叶根的尺寸决定、依据不能破坏榫头3的倒圆结构等条件设置，R应预设一较大的值。

预设开槽尺寸实施例2

当如图6-12中所示，在榫头3的轴向两侧设置调频槽口4时，首先初步预设图中所示的α、H的值。

2、对开槽尺寸进行迭代校核并最终确定开槽尺寸

调频槽口4的开槽尺寸的迭代校核包括：根据开槽尺寸确定更新峰值应力的安全系数K2、并确定更新阶数和对应的更新频率。具体的，假设在榫头3上按照上述预设的开槽尺寸进行开槽后，开槽后叶片的结构发生变化、进而导致峰值应力的安全系数为更新后的峰值应力的安全系数K2、叶片不同阶所对应的频率也发生变化。根据叶片的新结构重新核算更新后的峰值应力的安全系数K2、更新阶数和对应的更新频率。而后根据各阶更新频率与初始频率的差值和更新后的峰值应力安全系数K2进行校核。如果校核通过，则可按照预设的开槽尺寸进行开槽，如果校核未通过，则可重新设定调频槽口4的尺寸，重复上述步骤进行迭代校核。直至校核通过后，确定调频槽口4的尺寸。

当每次校核未通过时，重新设置调频槽口4的尺寸时，均根据公式重新进行设置。

重新设置调频槽口4的尺寸实施例1：

对于如图1-6所示的在榫头3的轴向中部设置调频槽口4的方案，再次预设的新的Ln＝Ln-1ΔF/Δfn，其中,Ln为最新的预设的调频槽口4轴向宽度，Ln-1为上一次预设的调频槽口4的轴向宽度，ΔF为需要的总的调频量，Δfn为本次频率的改变量。并且需要配合重新预设的调频槽口4的轴向宽度Ln，重新设定调频槽口4新的径向高度Hn和新的倒角Rn的值。在根据新预设的Ln、Hn和Rn的值重新进行上述的校核。

重新设置调频槽口4的尺寸实施例2：

对于如图7-12所示的在榫头3的轴向两侧设置调频槽口4的方案，再次预设的新的调频槽口4的周向开槽角度α＝Ln/Lwhole*αwhole，其中Lwhole为榫头3周向接触面的总周向长度，αwhole为榫头3的总周向角度倾斜角度，Ln为新的调频槽口4的接触面的周向长度；H在保证流道完整的条件下应尽可能设计较大。同理，根据重新设置的调频槽口4的周向开槽角度α、径向高度H的值重新进行上述的校核。迭代校核直至校核通过时，便可确定调频槽口4的尺寸。

其中，校核通过的标准为：根据当前的叶片结构计算的峰值应力的安全系数、各阶频率与初始频率的差值满足设计要求。峰值应力的安全系数代表着叶片的强度，峰值应力的安全系数满足设计要求说明叶片的强度足够；各阶频率与初始频率的差值代表频率的改变量，频率的改变量应等于需要的调频量ΔF，证明已按照需要实现调频的目标。

在校核的过程中，每次叶片的模型进行调整后求取各阶频率、峰值应力安全系数时，可根据一维或者三维进行计算校核。其中，三维计算主要通过有限元仿真的方式进行，不需要实际加工叶片的模型，只需根据叶片的三维模型，便可求取出在相应的结构下的各阶频率、强度、峰值应力安全系数，达到减少设计费用的效果。

本发明提供的调频槽口4尺寸的确定方法，通过不断的迭代校核的方式，保证最终得出的调频槽口4的具体尺寸可实现对叶片精准调频的效果，并且最终的叶片结构满足各项设计要求。本发明提供的调频槽口4尺寸的确定方法，不需要多次实际加工叶片的模型，主要通过模拟仿真、迭代校核的方式，可减少加工成本、缩短设计周期。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

1、本发明提供的压气机叶片的榫头上设置调频槽口的方案，可通过调频槽口改变榫头的径向面积，进而达到对叶片调频的效果；并且又可通过调频槽口的设置减轻叶片的重量。

2、本发明提供的调频槽口在榫头上设计的尺寸和形状需满足的条件，可保证在榫头上设计调频槽口后不会影响叶片自身的稳定，并且不影响叶片的安装和使用。

3、本发明提供的调频槽口尺寸的确定方法，通过不断的迭代校核的方式，保证最终得出的调频槽口的具体尺寸可实现对叶片精准调频的效果，并且最终的叶片结构满足强度等各项设计要求。

4、本发明提供的调频槽口尺寸的确定方法，不需要多次加工叶片，主要通过模拟仿真、迭代校核的方式确定，可节约成本、缩短设计周期。

5、本发明还提供了具有上述压气机叶片的压气机和燃气轮机。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。