叶根、相应的叶片、转子盘和涡轮机组件.pdf

根据本发明，提供一种叶根，该叶根包括多个凸角和内角以及在这两者之间的侧面，其中，在侧面和内角之间设置肩部，以增大与相应转子盘的相应凸角的距离，具有这种叶根的叶片插入该相应转子盘中。本发明还涉及具有这种叶根的转子叶片。而且，此特征也可以替代地或另外应用于转子盘的转子盘槽，使得转子盘槽的侧面经由软肩部并入转子盘槽的内角以增大与叶根的相应凸角的距离。此外，本发明的肩部也可以应用于叶根和转子盘的相应槽两者。

权利要求书
1.  一种叶根(1)，特别是涡轮叶片(2)的叶根(1)，包括：
多对相对的凸角(11、11'、12、12'、13、13')，各对凸角(11、11'、12、12'、13、13')被布置成大致镜像对称，并且各凸角(11、11'、12、12'、13、13')包括凸形凸角表面部(65、65'、66、66'、67、67')；
多对相对的内角(21、21'、22、22'、23、23')，各对内角(21、21'、22、22'、23、23')被布置成大致镜像对称，并且各内角(21、21'、22、22'、23、23')包括凹形内角表面部(75、75'、76、76'、77、77')；
多个侧面(31、31'、32、32'、33、33')，其中，凸角(11、11'、12、12'、13、13')和内角(21、21'、22、22'、23、23')以交替的顺序布置并且每个侧面(31、31'、32、32'、33、33')被布置在凸角(11、11'、12、12'、13、13')之一和内角(21、21'、22、22'、23、23')之一之间；
叶根(1)的底部(10)；
其中，背向底部(10)的多个侧面(31、31'、32、32'、33、33')的第一侧面(31)具有第一平坦表面部(PS1)，所述第一平坦表面部(PS1)与凸形表面部(CS1)相邻，第一平坦表面部(PS1)位于第一平面(PL1)中；并且
其中，凸形凸角表面部(65、65'、66、66'、67、67')与第一平坦表面部(PS1)相邻；并且
其中，凹形内角表面部(75、75'、76、76'、77、77')与凸形表面部(CS1)相邻；并且
其中，凸形表面部(CS1)和与凸形表面部(CS1)邻接的凹形内角表面部(75、75'、76、76'、77、77')的区域形成相对于第一平面(PL1)的局部凹陷(UC)。

2.  根据权利要求1的叶根(1)，其特征在于：
局部凹陷(UC)被形成为使得凸形表面部(CS1)在从其第一端(E1)到其第二端(E2)的方向上增加与第一平面(PL1)的垂直距离，在第一端(E1)处，凸形表面部(CS1)并入第一平坦表面部(PS1)，在第二端(E2)处，凸形表面部(CS1)并入凹形内角表面部(75、75'、76、76'、77、77')。

3.  根据前述权利要求之一的叶根(1)，其特征在于：
凸形表面部(CS1)以平滑过渡并入第一平坦表面部(PS1)和/或凸形表面部(CS1)以平滑过渡并入凹形内角表面部(75、75'、76、76'、77、77')。

4.  根据前述权利要求之一的叶根(1)，其特征在于：
各对凸角(11、11'、12、12'、13、13')包括限定该对凸角(11、11'、12、12'、13、13')的相对表面之间的最宽距离(d1、d2)的最远表面部(40、43、44)，以及
一对凸角(11、11'、12、12'、13、13')的相对表面之间的最宽距离(d1、d2)对于最接近底部(10)的那一对凸角(11、11'、12、12'、13、13')而言是最短的，并且对于与底部(10)的距离更大的各对凸角(11、11'、12、12'、13、13')而言增大。

5.  根据前述权利要求之一的叶根(1)，其特征在于：
各对内角(21、21'、22、22'、23、23')包括限定该对内角(21、21'、22、22'、23、23')的相对表面之间的最窄距离的最小距离表面部(41)，以及
一对内角(21、21'、22、22'、23、23')的相对表面之间的最窄距离对于最接近底部(10)的那一对内角(21、21'、22、22'、23、23')而言是最短的，并且对于与底部(10)的距离更大的各对内角(21、21'、22、22'、23、23')而言增大。

6.  根据前述权利要求之一的叶根(1)，其特征在于：
多个内角(21、21'、22、22'、23、23')的第一内角(23)的第一内角半径(R12)被布置在相对于叶根(1)的底部(10)最接近的第一位置，
多个内角(21、21'、22，22'、23、23')的第二内角(22)的第二内角半径(R11)被布置在相对于叶根(1)的底部(10)与所述第一位置相比更远距离的第二位置，
第一内角半径(R12)大致等于第二内角半径(R11)。

7.  根据前述权利要求之一的叶根(1)，其特征在于：
多对相对的凸角(11、11'、12、12'，13、13')和多对相对的内角(21、21'、22、22'、23、23')大致构成两个波纹状的无棱表面，所述表面特别地关于对称平面对称并且特别地在没有突出且没有垂直于所述对称平面的表面的情况下远离底部(10)连续地行进。

8.  根据前述权利要求之一的叶根(1)，其特征在于：
在零负荷下且在运行期间，第一平坦表面部(PS1)是平坦的。

9.  一种叶片(2)，特别是涡轮的叶片(2)，包括：
翼型(4)；
平台(3)，翼型(4)从平台(3)向上延伸；以及
叶根(1)，叶根(1)根据权利要求1至9之一来构造，叶根(1)从平台(3)向下延伸。

10.  一种转子盘(5)，特别是用于安装涡轮叶片(2)的转子盘(5)，包括多个盘槽(6)，多个盘槽(6)的每一个还包括：
多对相对的槽凸角(100)，各对槽凸角(100)被布置成大致镜像对称，并且各槽凸角(100)包括凸形槽凸角表面部(102)；
多对相对的槽内角(101)，各对槽内角(101)被布置成大致镜像对称，并且各槽内角(101)包括凹形槽内角表面部(103)；
多个槽侧面(104)，其中，槽凸角(100)和槽内角(101)以交替的顺序布置并且各槽侧面(104)被布置在槽凸角(100)之一和槽内角(101)之一之间；
盘槽(6)的底部(105)；
其中，大致面向底部(105)的多个槽侧面(104)的第一槽侧面(104')具有第二平坦表面部(PS2)，所述第二平坦表面部(PS2)与凸形过渡表面部(CS2)相邻，第二平坦表面部(PS2)位于第一平面(PL1)中；并且
其中，凸形槽凸角表面部(102)与第二平坦表面部(PS2)相邻；并且
其中，凹形槽内角表面部(103)与凸形过渡表面部(CS2)相邻；并且
其中，凸形过渡表面部(CS2)和与凸形过渡表面部(CS2)邻接的凹形槽内角表面部(103)的区域形成相对于第一平面(PL1)的局部凹陷(UC)。

11.  一种涡轮机组件，特别是用于涡轮的涡轮机组件，包括：
具有多个盘槽(6)的转子盘(5)；
根据权利要求9限定的多个叶片(2)，各叶片(2)插入多个盘槽(6)；
其中，盘槽(6)和叶片(2)被布置成使得在运行期间盘槽(6)的表面和叶片(2)的表面之间的接触区局限于第一侧面(31)的第一平坦表面部(PS1)并且局限于叶根(1)的多个侧面(31、31'、32、32'、33、33')的其它侧面的其它平坦表面部(PS11、PS111)。

12.  一种涡轮机组件，特别是用于涡轮的涡轮机组件，包括：
根据权利要求10限定的具有多个盘槽(6)的转子盘(5)；
多个叶片(2)，各叶片(2)插入多个盘槽(6)；
其中，盘槽(6)和叶片(2)被布置成使得在运行期间盘槽(6)的表面和叶片(2)的表面之间的接触区局限于第一槽侧面(104')的第二平坦表面部(PS2)并且局限于盘槽(6)的多个槽侧面(104)的其它槽侧面的其它平坦表面部。

13.  一种涡轮机组件，特别是用于涡轮的涡轮机组件，包括：
根据权利要求10限定的具有多个盘槽(6)的转子盘(5)；
根据权利要求9限定的多个叶片(2)，各叶片(2)插入多个盘槽(6)；
其中，盘槽(6)和叶片(2)被布置成使得在运行期间盘槽(6)的表面和叶片(2)的表面之间的接触区局限于与第一槽侧面(104')的第二平坦表面部(PS2)支承接触的第一侧面(31)的第一平坦表面部(PS1)并且局限于盘槽(6)的多个槽侧面(104)的其它槽侧面的和叶根(1)的多个侧面(31、31'、32、32'、33、33')的其它侧面的其它平坦表面部(PS11、PS111)。

说明书叶根、相应的叶片、转子盘和涡轮机组件
技术领域
本发明一般地涉及涡轮机叶片设计，并且更具体地涉及叶根和/或转子盘的优化轮廓。
背景技术
燃气涡轮的涡轮部段通常具有多排固定翼片和旋转叶片。一排叶片通常是彼此相同的，并且包括翼型部、平台部、和根部。另外，一些叶列可包括防止热气体在叶尖上方流出的护罩部。根部是叶片径向上最向内的部分，并且是用于将叶片安装在设置于转子盘中的凹槽或槽中。通常，对于各转子叶片，设置有相应的安装凹槽。具体地，通过将各根部轴向地滑入相应的凹槽中而组装叶片。
已知，通过配合枞树轮廓将涡轮叶片安装到涡轮盘上。这种固定方法提供叶片相对于盘的准确位置。枞树轮廓的强度足以承受盘及其附接叶片的旋转期间以及安装叶片的涡轮发动机的运行中施加在叶片上的向外径向离心力。在运行中，叶片的枞树轮廓的侧面(这些侧面以倾斜的方式背向发动机轴线并且与凹槽的相对的枞树轮廓接触)支持叶片防止其径向地向外运动，并且可以被看作是负载侧面。轮廓的相对侧面可以被看作是无负载侧面，因为在运行中它们不支持任何显著的径向力。
当从叶根的剖视图中观察时，仅利用直线和圆弧来限定涡轮叶片枞树型叶根的常规形状，剖视图由垂直于涡轮转子轴线的平面限定。针对一些几何约束和机械约束，对上述形状进行优化。
利用交替地凸形表面(通常但不总是呈弧形并且被称为内角或颈部)和凹形表面(通常但不总是呈弧形并且被称为角或凸角或齿或凸耳)的过渡区使轮廓的侧面相互连接。内角通常是高应力集中的区域。
通常，可在磨削工艺中形成涡轮叶根上的枞树轮廓。
基本的枞树型叶根构造包含多条潜在的负载路径，其中所产生应力的值取决于叶根与盘中相应凹槽之间的初始配合精度。在运行期间由作用于叶片的离心力产生这些应力，离心负荷取决于整个叶片的质量，这些应力作为疲劳或应力腐蚀开裂的这种潜在破坏值得特别关注。叶片的使用寿命或者叶片运行循环的数量是有限的。
叶根可以是大致镜像对称。叶根包括：一对对称的最高颈部或内角，这对颈部或内角从平台下表面向下延伸并且在圆周方向上形成凹陷；一对最高凸耳或凸角，这对凸耳或凸角从最高颈部向下延伸并且在圆周方向上构成突起。多对对称的颈部和凸角可以以交替的顺序向下延续。根部将结束于一对对称的最低颈部接着是一对对称的最低凸角。在叶根底部，一对最低凸角的表面将会聚，并且通过弧形或平的表面而在最低位置相互连接。
专利公开EP0431766、US2,343,225、EP0478234、JP59113206、DE3236021、EP1048821、GB2380770、EP0889202、US5554005、US2008/0298972等揭示了不同类型叶根轮廓，基本上所有的叶根轮廓均致力于叶根不同区域中的应力，均涉及优化不同尺寸叶片和/或用于不同运行速度的不同类型机械的叶根。进而，目标是减小在叶片与安装叶片的相应盘之间接触点中的高水平应力。
发明内容
本发明的目的由独立权利要求实现。从属权利要求描述了本发明的有利的发展和修改。
根据本发明，提供一种由多个凸角和内角以及在前两者之间的侧面所组成的叶根，其中在侧面与内角之间设置软肩部以增加与转子盘相应凸角之间的距离，具有这种叶根的叶片被插入相应凸角中。本发明还涉及具有这种叶根的转子叶片。替代地或另外，此特征还可应用于转子盘的转子盘槽，以便转子盘槽的侧面经由软肩部并入转子盘的内角从而增加与叶根的相应凸角之间的距离。
这种肩部(该肩部包括彼此相邻的内角的内半径和外半径，运行期间叶片的离心负荷作用于其相邻的内部和外部圆角半径)的作用是在外半径中在接触端产生压缩应力。这有助于消除将会由在此界面中的摩擦所形成的拉伸应力。
为了更具体地定义本发明，本发明的一个方面涉及一种叶根，特别地涉及涡轮叶片的叶根，该叶根包括多对相对的凸角、多对相对的内角、叶根的底部、和多个侧面；其中凸角和内角以交替的顺序布置并且各侧面被布置在凸角之一和内角之一之间。各对凸角被布置成大致镜像对称，并且各凸角包括凸形凸角表面部。各对内角被布置成大致镜像对称，并且各内角包括凹形内角表面部。背向底部的多个侧面的第一侧面具有第一平坦表面部(即平的表面，甚至在零负荷下)并且没有突起或凹槽。根据本发明，该第一平坦表面部与凸形表面部相邻和/或变化到凸形表面部。第一平坦表面部是在运行期间由于离心负荷因而将与相应盘槽侧面接触的叶根的部分。第一平面表面部位于(虚拟的)第一平面中。凸形凸角表面部与第一平坦表面部相邻和/或变化到第一平坦表面部。凹形内角表面部与凸形表面部相邻和/或变化到凸形表面部。根据本发明，凸形表面部和与凸形表面部邻接的凹形内角表面部的区域形成相对于第一平面的局部凹陷，即缺口、凹部。
换句话说，凸形表面部和与凸形表面部邻接的凹形内角表面部的区域形成底切。该底切被布置成使得当组装在一起时与转子盘的相应相对表面之间的距离由于凸形表面部而快速增加。在叶根内角的区域在叶根和转子盘的两个所述表面之间形成间隙。
术语两个凸角的“相对”对的凸角表示彼此为镜像对称并且限定在直径方向上相互面对的表面。因此，这同样适用于相对对的内角、侧面等。
如上所述，侧面特别是第一侧面可以是倾斜的表面，各表面基本上背向叶根的底部并且可限定支承或接触表面区，在装备有具有叶根的叶片的旋转机械的运行期间，转子盘(特别是涡轮盘)的相应表面在该表面区接触。具体地，如果将叶根插入可围绕轴线旋转的转子盘中，那么相对于旋转轴线这些侧面可以是径向的外侧面。
在第一实施例中，对于更接近叶根底部的侧面，支承表面的扩展区可增加。这是有利的，因为负荷被分布，从而可减小在运行期间在叶根与装备有叶片的盘之间的接触区的应力水平。叶根的使用寿命将增加，特别是增加低循环疲劳寿命。
本发明可以优选地涉及一种具有三对凸角、三对内角以及前两者之间的三对侧面的布置。
如果第二侧面被看作是中间侧面和最接近底部的第三侧面，那么第二侧面和第三侧面的平坦扩展区可以是相同的。替代地，第三侧面的第三平坦扩展区可以大于第二侧面的第二平坦扩展区。具体地，第二平坦扩展区可以比第一平坦扩展区大25%-50%。在一个非常优选的实施例，第二平坦扩展区可以大致地比第一平坦扩展区大33%。
内角的表面可以大致为圆柱体的部分，甚至是椭圆形的圆柱体。该圆柱体的半径可被称为内角半径。一个内角可由一个圆柱体的部分所限定。替代地，更复杂的表面结构是可能的，其中可以限定表面的若干部分，其中表面的各部分由内角半径限定。根据本发明的一个优选实施例，多个内角的第一内角的第一内角半径可被布置在最远离叶根底部的位置，多个内角的第二内角的第二内角半径可被布置在较接近叶根底部的位置，例如中间部或底部，并且第一内角半径可以大致等于第二内角半径。优选地，内角的所有内角半径可以是相同的，因为这样可以减少应力点。
本发明的局部凹陷可具体地形成为使得凸形表面部在从其第一端到其第二端的方向上增大与第一平面的垂直距离（即与虚拟平面之间的距离，假如该距离是在垂直于第一平面的方向上测量），在第一端处，凸形表面部并入第一平坦表面部，在第二端处，凸形表面部并入凹形内角表面部。因此，在叶根相应表面与转子盘之间形成间隙，并且利用特定的鞍状的凸形表面部与凹形内角表面部的相邻部分的组合的构造使该间隙变宽。
在另一个实施例中，凸形表面部可以以平滑过渡（特别是通过平滑的肩部）并入第一平坦表面部，即没有边缘或者没有锐弯或折曲。这同样适用于在凸形表面部并入凹形内角表面部的位置。
在另一个实施例中，枞树轮廓的宽度从平台区到叶根底部变窄。具体地，假设各对凸角包括限定该对凸角的相对表面之间的最宽距离的最远表面部，那么一对凸角的相对表面之间的最宽距离对于最接近叶根底部的那一对凸角而言可以是最短的，并且对于与底部的距离更大的各对凸角而言增大。另外或替代地，假设各对内角包括限定该对内角的相对表面之间的最窄距离的最小距离表面部，那么一对内角的相对表面之间的最窄距离对于最接近底部的那一对内角而言可以是最短的，并且对于与底部的距离更大的各对内角而言增大。
根据另一个实施例，最接近底部的两个内角的构造可以大致彼此相似。鉴于多个内角的第一内角的第一内角半径被布置在相对于叶根底部最接近第一位置并且多个内角的第二内角的第二内角半径被布置在与第一位置相比相对于叶根底部为更远距离的第二位置。然后，第一内角半径可以大致等于第二内角半径。
通常，叶根可具有特定的剖面，并且在整个叶根的长度上可具有相同的剖面。沿着其长度，叶根可以是平的或者可采用稳态曲线，该曲线具有可以在不倾斜的情况下插入相应槽中的设计。面向叶根的端部可看上去像剖面。叶根的侧面由凸角、内角、侧面、和叶根的底部构成，如前所述。具体地，多对相对的凸角和多对相对的内角可大致形成两个波纹状的无棱表面，这些表面特别地关于对称平面对称并且特别地在没有突出且没有垂直于对称平面的表面(如台阶或顶点)的情况下远离底部连续地行进。
在又一个实施例中，在制成后或者在零负荷下，叶根可以显示出前面讨论的构造。另外，当在运行期间产生负荷时，也存在此构造。具体地，在无负荷下，第一平坦表面部可以是平的表面。
在运行期间，这些表面的形状取决于所使用的材料。具体地，可以使用的材料是不可变形的非弹性材料、刚性材料。该材料可以是在运行期间作用于表面上的预期力作用下不可变形的材料。
此外，本发明还涉及一种可提供给旋转机械(如涡轮机)的叶片，例如特别是用于燃气或蒸汽涡轮的涡轮叶片。该叶片包括：翼型；平台，翼型从平台向上延伸；以及叶根，叶根向下延伸；该叶根用于将叶片在转子的凹槽或槽中附接到转子(例如转子盘)。叶根是根据前面讨论的任何实施例而构造的。
此外，本发明还涉及一种涡轮机组件，特别是用于涡轮（例如燃气或蒸汽涡轮)的涡轮机组件，包括具有多个槽的盘和如前面所限定的多个具有叶根的叶片，各叶片插入多个槽中。槽和叶片被布置成使得在运行期间槽的表面和叶片的表面之间的接触区(支承表面)局限于叶根的多个大致平坦表面部。
另外或替代地，本发明的构思也应用于转子盘的槽。在下面将更详细地定义并解释转子盘。即使没有如前面关于转子叶片那样全文详细描述，但所有上述针对叶根的实施例也可相应地适用于转子盘的槽。
根据本发明的一个方面，转子盘特别是用于安装涡轮叶片的转子盘包括多个盘槽，多个盘槽的每一个还包括：
多对相对的槽凸角，各对槽凸角被布置成大致镜像对称，并且各槽凸角包括凸形槽凸角表面部；
多对相对的槽内角，各对槽内角被布置成大致镜像对称，并且各槽内角包括凹形槽内角表面部；
多个槽侧面，其中槽凸角和槽内角以交替的顺序布置，并且每个槽侧面被布置在槽凸角之一和槽内角之一之间；
盘槽的底部；
其中多个槽侧面的第一槽侧面大致地面向具有第二平坦表面部的底部，第二平坦表面部与凸形过渡表面部相邻，第二平坦表面部位于第一平面中，该第一平坦表面部与前述叶根的第一平面大致相同；并且
其中凸形凸角表面部与第二平坦表面部相邻；并且
其中凹形槽内角表面部与凸形过渡表面部相邻；并且
其中凸形过渡表面部和与凸形过渡表面部邻接的凹形槽内角表面部的区域形成相对于第一平面的局部凹陷。
局部凹陷特别地形成第一平坦表面部的平行平移，就像导致偏移的台阶。
本发明还涉及一种涡轮机组件，该组件包括具有多个盘槽的转子盘以及安装在槽中的多个叶片。该涡轮机组件可包括具有本发明叶根的叶片，如前所述。在一个实施例中，转子盘槽可以不具有局部凹陷。在运行时，第一平坦表面部可以是支承表面。替代地，在另一个实施例中，转子盘槽可具有局部凹陷，如上所述，但叶根不具有这种特征。在运行时，第二平坦表面部可以是支承表面。
作为最后的构造，转子盘槽和叶根均可具有局部凹陷，如上所述。优选地，第一平坦表面部和第二平坦表面部将是大致理想的匹配表面，并且在运行期间是支承表面。
如前所述，本发明涉及将用于围绕轴线旋转的部件安装到携带安装部件的部件。这适用于例如蒸汽或燃气涡轮中的转子叶片。本发明原则上也可用于其它旋转机械，如电机或压缩机。此外，本发明的叶根也可以用于安装非旋转定子翼片，即使对于非旋转装置来说离心力的问题不存在。
必须指出的是，上面已就不同的主题描述了本发明的实施例。具体地，已就装置类型要求描述了一些实施例，但已就方法描述了其它实施例。然而，本领域技术人员将从上面和下面的描述中可以理解，除非另有说明，除了属于一种类型的主题的特征的任意组合外，与不同主题有关的特征之间的任意组合，特别是不同装置类型要求的特征之间或者装置类型实施例的特征之间以及关于方法的实施例也被认为是本专利申请中所公开的内容。
基于下文中描述的实施例的实例，本发明的上述方面和其它方面将变得显见，并且下面参考实施例的实例进行说明本发明的各方面。
附图说明
现在将通过举例并参照附图来说明本发明的实施例，其中：
图1以剖视图示意性地示出了燃气涡轮的涡轮部段的一部分；
图2以透视图示出了转子盘；
图3以剖视图示出了现有技术叶片的枞树形状叶根；
图4以剖视图示出了本发明叶片的枞树形状叶根和相应的盘；
图5示出了图4的本发明叶片的放大区；
图6示出了替代的本发明盘的放大区；
图7示出了本发明叶片和本发明盘的组合的一个替代实施例的放大区；
图8以透视图示出了本发明叶片。
附图中的说明是示意性的。应注意的是，对于不同附图中的相似或相同元件，将使用相同的附图标记。
下面将对组装的燃气涡轮部分特征特别是优点进行说明，但显然这些特征也可以适用于燃气涡轮的单个构件，但仅在组装后和在运行期间显示这些优点。但是当通过运行期间的燃气涡轮进行解释时，这些细节均不应局限于运行中的燃气涡轮。一般来说，本发明可应用于提供围绕旋转轴线的旋转运动且其中旋转部件需连接到承载元件的其它类型的机械，该机械执行围绕轴线的旋转运动，因而离心力对旋转部件产生影响。特别地，此技术可应用于燃气涡轮发动机或蒸汽涡轮发动机。关于燃气涡轮发动机，本发明可应用于涡轮部段和/或压缩机部段内部的转子叶片。
具体实施方式
现在参照图1，示出了沿旋转轴线的燃气涡轮的涡轮部段的一部分的剖视图。图中显示两个定子翼片和两个转子叶片是交替的。转子叶片2包括翼型4、平台2和叶根1。转子叶片2经由其叶根1插入转子盘5的槽。槽和转子盘5构成为相应地在转子盘5的旋转期间将转子叶片2和其它转子叶片加以固定。特别地，重要的是当受到由于转子盘5的高转速所产生离心力的作用时将转子叶片2加以固定。
为了固定转子叶片2，槽通常是锯齿形的，如图2中可见。
在本文件的全文中，轴向方向被定义成沿转子的旋转轴线的方向。在图1中，轴向方向将是在附图平面中，并且将是从左到右的方向。径向方向也将是在附图平面中，并且将垂直于轴向方向，例如从叶根1到叶片平台3再到翼型4。垂直于径向方向和轴向方向，可以限定圆周方向。
根据图2，在透视图中局部地示出了没有其相应叶片的两个转子盘5。图中示出了在盘5径向外区的多个槽6。各槽被设计成使得它们的形状为枞树形状，从而实现具有枞树形状叶根的叶片。
参照示出已知叶根的剖视图的图3，对现有技术叶片的枞树形状叶根的特征和术语加以说明。剖面是在转子盘的径向平面中，图中具体示出了叶根的枞树设计和转子盘的相应枞树设计。
参照图3，可以用一组直线和圆弧来描述剖视图中叶根的二维形状，正如从轴向方向上可见。完整的三维体可以基本上是该图示的二维剖面形状的轴向突出。
以下降的顺序径向地向内，如从指向叶片平台的叶根的径向向外端所见，叶片的叶根1包括一个最高叶根颈或内角21、至少一个中间颈部或内角22、和一个最低颈部或内角23。各内角在叶根中心线RCL两侧对称；下面将更详细地描述具有唯一形状的一对镜像弯曲表面。一对镜像对称内角的各最小距离点被表示为最小距离表面部25、26、27以及其对称的最小距离表面部25'、26'、27'。一对最小距离表面部25-25'、26-26'和27-27'之间的距离具有分别由最高内角21、中间内角22和最低内角23的水平线D15、D16和D17所表示的宽度。
最小距离表面部也可被称为底部或谷。该距离是在垂直于对称平面的方向上测量的。
最高凸耳或凸角11形成于最高内角21的下方，并且对称地设置在叶根中心线RCL的两侧。中间凸耳或凸角12设置在中间内角22的下方。最低凸耳或凸角13设置在最低内角23的下方。
一对镜像对称凸角的各最大距离点被表示为最远表面部15、16、17以及其对称的最远表面部15'、16'、17'。一对最远表面部15-15'、16-16'和17-17'之间的距离分别具有由最高凸角11、中间凸角12和最低凸角13的水平线D10、D11和D12所表示的宽度。
最远表面部也可称为顶峰、尖点、或顶部。该距离是在垂直于对称平面的方向上测量的。
在叶根中心线RCL各侧上的最高内角21具有复合半径，其中第一半径R1具有枢转中心R1C，从而限定从平台部3延伸到过渡点134的表面。在点134处，第二半径R2用于借由从枢转中心R1C的向内间隔的枢转中心R1C画出曲线而完成内角表面。
枢转中心R1C位于与叶根凸角11、12和13的外径向表面相切的直线TN上。从第一半径过渡到第二半径的点134是通过从切线TN中画出且经过在叶根中心线RCL上的相交点PI的垂直线PL而选择，其中包括最高凸角的支承表面以及叶根中心线RCL的平面PB彼此相交。
叶根的各凸角具有平坦的上支承表面，使得凸角11具有支承表面28a，凸角12具有支承表面30a并且凸角13具有支承表面32a。在最高凸角11中，在叶根中心线RCL的相对侧上的支承表面在RCL处相交，因此为垂直线PL提供参照点，该参考点提供在最高内角21的第一半径和第二半径之间的过渡点134。
就剩余的凸角和内角而言，可在交错的枢转中心处使用单个半径。例如，凸角11的外径向延伸部可由半径R3和R4的两个半径段组成。R3和R4可以彼此相等，但是枢转中心R3C和R4C可能竖直地交错从而在由两个相等长度的半径所形成的两个半径部之间形成平坦的表面部。
也存在从凸角11延伸到内角22的、大致径向向内面向的平坦表面28b。在凸角12和内角23之间可存在另一个平坦表面30b。
根据附图，最低凸角13具有平坦的底部表面。底部是用附图标记10表示。
基于所介绍的该术语，参照以下附图来描述本发明的实施例。
根据图4，剖视图中示出了本发明叶片的枞树形状的叶根1，包括表现为槽的转子盘5的枞树的剖面，叶片插入该槽中。该剖面是在转子盘5的径向平面中或者当面对转子盘5时可以从轴向视图中看见，考虑到在运行期间转子盘5将围绕轴线旋转。
图4中示出了与图3中所示叶根1相似的设计，在不修改的情况下大部分附图标记仍然适用于图4。已介绍的元件可以不再重复，前面所述的也可适用于图4。
在详细说明之前，图4与图3之间的主要差别在于叶根1的内角21、22、23、21'、22'、23'的区域，表面可以不与转子盘的相应凸角处于支承接触。由此，可减小应力并且可延长叶片的使用寿命。
在以下的描述中，“上”或“向上”可表示叶根1的更接近叶片平台3或者更接近翼型4的位置。“下”、“向下”或“下降”表示从叶根1到叶根1底部10的背向叶片平台3的相反方向。在本专利文件中，叶根1的最低部分将被称为底部10。一旦组装到可围绕旋转轴线旋转的盘5中，叶根1的叶根中心线RCL(如图3中所示)则取向在径向方向上。底部10比叶根1的其它部分更接近旋转轴线。因此，“径向地向外”对应于“向上”方向，“径向地向内”则限定相反方向。
图示的叶根1与可以用叶根中心线RCL(如图3中所示)所表示的平面镜像对称。镜像对称的元件通常将用相同的附图标记来表示并附加上撇号(')。
叶根1包括：底部10、多对相对的凸角、多对相对的内角。在靠近平台的叶根1的上端处开始并且然后向下，叶根的一侧上的表面由如下构成：第一内角21，接着是第一凸角11，进而是第二内角22(中间内角)，进而是第二凸角12，接着是第三内角23和第三凸角13(第三凸角13是底部球状叶根端的一部分并且并入底部10中)。最后，所讨论的表面在底部10遇到相对的表面。
相对的表面被相同地形成，因为其与刚刚限定的表面是对称的。相同顺序适用于该相对的表面，即靠近平台的第一内角21'，接着是第一凸角11'、第二内角22'、第二凸角12'、第三内角23'和第三凸角13'。两个表面将在底部10处闭合。
相对表面上的镜像对称点之间可以得到距离。一对相对的第一凸角11、11'的表面区之间的最大距离由第一宽度D10给出(见图3)。具有最大距离的表面区被表示为最远表面部15、15'(见图3)。类似地，最远表面部16、16'(见图3)限定一对相对的第二凸角12、12'之间的最大表面距离，即第二宽度D11(见图3)。此外，在最远表面部17、17'之间标示出第三宽度D12(见图3)，最远表面部17、17'具有在凸角13、13'的区域中的两个表面之间的最宽距离。
如图4中可见，关于叶根1的凸角11、11'、12、12'、13、13'之间的宽度，第一宽度D10大于第二宽度D11。最小宽度是第三宽度D12。
类似于凸角11、11'、12、12'、13、13'，也可以限定内角21、21'、22、22'、23、23'之间的距离。此外，将基于图4来说明部分的细节，但在图3中仅可看见附图标记。一对相对的第一内角21、21'的表面区之间的最短距离被标示为第一宽度D15。具有最短距离的表面区被标示为最小距离表面部25、25'。类似地，最小距离表面部26、26'限定一对相对的第二内角22、22'之间的最短表面距离，即第二宽度D16。此外，在最小距离表面部27、27'之间标示出第三宽度D17，最小距离表面部27、27'具有在最小距离表面部23、23'的区域中的两个表面之间的最短距离。
如图3中可见且类似于图4(即使图4中未示出附图标记)，关于最小距离表面部之间的宽度，第一宽度D15大于第二宽度D16。最小宽度是第三宽度D17。
适用于图3和/或图4实施例，一个表面侧的所有最小距离表面部25、26、27可位于单个虚拟平面中。这同样适用于图4，即使在附图中未标识内角21、21'、22、22'、23、23'的最小表面部的附图标记25、26、27。显然，这同样适用于枞树的镜像对称表面。另外，一个表面侧的所有最远表面部15、16、17可位于另一个单独的虚拟平面中。此外，这同样适用于图4，即使在附图中未示出用于凸角11、11'、12、12'、13、13'的最远表面部的附图标记15、16、17。
可构建与叶根表面的一侧切线，一个叶根侧的所有凸角表面可位于该切线上(见图3中的切线TN)。另外，可以构建与叶根表面的一侧的切线，叶根一侧的所有或至少两个内角表面可位于该切线上(参见图3中的切线TNN)。
叶根1可以进一步被限定成最小距离表面部25、25'具有大于最小距离表面部26、26'与最小距离底部10之间的距离，最小距离表面部26、26'再次大于最小距离表面部27、27'的距离。
如图中可见，凸角11、11'、12、12'、13、13'和内角21、21'、22、22'、23、23'以交替的方式布置。在它们之间存在过渡区。在倾斜方向上面向叶片平台且背向叶根1的底部10并且将会与盘5的槽6的相应表面接触的叶根表面的过渡区被标示为侧面31、31'、32、32'、33、33'。侧面31、31'、32、32'、33、33'是大致平坦的并且是支承表面。在向下方向上从平台开始并且仅关注一个表面侧上，接在第一内角21后面的是第一侧面31，第一侧面31然后并入第一凸角11。第二内角22经由第二侧面32并入第二凸角12。最后，第三侧面33限定第三内角23和第三凸角13之间的过渡区。相同情况适用于示出与侧面31、32、33相对的侧面31'、32'、33'的对称表面。
第一侧面31包括具有第一平坦扩展区（expansion）的第一平坦表面部PS1。第一平坦扩展区的形状大致为矩形，在图4的剖视图中可以看见一个维度并且另一个维度是叶根1的轴向长度。
其它侧面也各自具有带有平坦扩展区的平坦表面部，但下文中的所有说明是针对第一侧面31。
根据本实施例，最低侧面33的平坦扩展区可大于中间侧面32的平坦扩展区，中间侧面33的平坦扩展区也可大于最高侧面31的平坦扩展区。替代地，两个最低侧面32、33的平坦扩展区可以是相同的。
因为平坦扩展区表示支承表面，所以应理解的是经由具有比第一侧面31更大扩展区的第二侧面32，叶根中会出现较小的应力。
经由侧面31、31'、32、32'、33、33'来抑制运行期间的离心力。其它表面可与盘5的槽6直接接触，但是可以不被看作是支承表面。另外，在一些部件中，在槽6的表面和叶根1的表面之间甚至可以存在间隙。
在图4中，内角半径也被标示为R11和R12。可以考虑内角的一种简化形式仅仅遵循圆柱体或椭圆柱体的一部分。内角可由被内角半径限定的若干部分组成，如图3中所示。然而，在一个优选的实施例中，中间内角22、22'的两个所述内角半径R11和所有内角的下内角23、23'的半径R12是大致相同的。
与图4相对应，用A表示的区域在图5中被更详细地显示。所有的前述内容不仅适用于凸角11、第一侧面31和内角21(如图5中所示)，而且可适用于其它凸角、内角和侧面。
根据图5，在向上方向上，叶根1包括：具有凸形凸角表面部65的凸角11、具有第一平坦表面部PS1的第一侧面31、具有凹形内角表面部75的内角21。根据本发明的一个实施例，凸形凸角表面部6与第一平坦表面部PS1直接地相邻并且并入第一平坦表面部PS1，而过渡部则位于第一平坦表面部PS1和凹形内角表面部75之间。该过渡部包括局部凹陷或底切UC，该局部凹陷或底切UC由凸形表面部CS1和凹形内角表面部75的下端区域形成。
实际上，第一平坦表面部PS1平滑地远离第一平面PL1使得形成凸形表面部CS1，第一平坦表面部PS1位于第一平面PL1中。在向上方向，从凸形表面部CS1的第一端E1开始，叶根1的表面将增加与第一平面PL1的距离。凸形表面部CS1将变平坦并且在凸形表面部CS1的第二端E2(拐折线)处并入凹形内角表面部75。
凸形表面部CS1的扩展区具体地是凹形内角表面部75、第一平坦表面部PS1或者凸形凸角表面部65的扩展区的一部分。限定凸形表面部CS1的圆柱体的半径等于或大于凹形内角表面部75或凸形凸角表面部65的半径。
利用叶根1的这些表面特征，产生了总的拐折轮廓，从而增大了与相应转子盘表面的距离。肩部由凸形表面部CS1限定，在向上方向中，从该凸形表面部CS1开始，叶根1和转子盘5的相应表面将不处于支承接触。支承局限于第一平坦表面部PS1。
根据该实施例，转子盘5的槽可具有简单的轮廓，在凹形内角表面后面接着是平坦表面然后又是凸形凸角表面。槽的表面不具有如叶根1的局部凹陷或肩部(见底切UC)。
根据现有技术，径向地作用于支承界面外侧的叶片的离心负荷通常将会导致在界面的边缘产生局部高应力，或者约束，其被称为基底应力的边缘。已知此应力可引起叶根的疲劳破坏，其中，垂直于叶根侧面并且发源于接触边缘的裂纹是明显的。根据如上所述的改进设计，叶片离心负荷作用于相邻的内部和外部圆角半径的影响是在靠近凸形表面部CS1的第一端E1的接触边缘处引起外部半径中的压缩应力。这有助于消除由摩擦所产生的拉伸应力。这可具有增加内部圆角半径中的拉伸应力的副作用，但这些可趋向于显著地低于基底应力的边缘。
另外，给定的设计具有能够利用常规方法(例如间歇进给磨削或拉削工艺)制造此轮廓的优点。
图4和图5的发明构思也可以应用于转子盘使得转子盘5的槽6得以优化。在这种实施例中，进一步参照图6进行说明，当在剖视图中看时可以粗略地说与前述实施例相比以点对称来施加这些特征，使得现在槽表面包括肩部以形成局部凹陷并且叶根1不形成这种局部凹陷。
根据图6，叶根1具有比前面更简单的设计，使得在凸形凸角表面部65之后是第一平坦表面部PS1并且再次直接地接着凹形内角表面部75。叶根1的表面不具有如图4和图5的前述实施例的叶根1那样的凸形表面部CS1、局部凹陷或者肩部。
转子盘5包括用于安装涡轮叶片的多个盘槽6，各盘槽6包括多对相对的槽凸角和多对相对的槽内角。在下文中，将参照图6仅描述一个特定槽凸角100和一个特定的槽内角101。将要讨论的特征可以应用于例如图4中用附图标记A标出的区域。槽凸角100限定并入第一槽侧面104'的第二平坦表面部PS2的凸形槽凸角表面部102。所描述的侧面104'是支承表面并且是大致面向盘槽6的底部105(见图4)。根据本发明，第二平坦表面部PS2经由过渡部并入槽内角101的凹形槽内角表面部103，该过渡部形成在盘槽6的表面中的局部凹陷UC(或底切)。具体地，在向下方向上，在第二平坦表面部PS2之后是凸形过渡表面部CS2，其中后者顺利地并入凹形槽内角表面部103。
考虑到第二平坦表面部PS2位于第一平面PL1中，凸形过渡表面部CS2和与凸形过渡表面部CS2邻接的凹形槽内角表面部103的区域的组合形成相对于第一平面PL1的局部凹陷UC(或底切)。实际上，表面的横向位移由此构造实现。术语“局部凹陷”表示使得表面将再次升高至其开始的相同高度的腔。仅表面的下降表示类似于如果表面轮廓遵守反余切的数学函数即arccot(x)则可以达到的轮廓。
参照图7，示出了另一个实施例，其中，叶根1的表面和盘槽6的表面各自具有前述的局部凹陷。叶根1是如关于图4和图5所讨论的那样构造的。盘槽6是如关于图6所讨论的那样构造的。叶根现在呈现出被称为第一底切UC1的底切，盘槽呈现出被称为第二底切UC2的底切。
作为一个优选的构造，与第二底切UC2相比，第一底切UC1将在第一平坦表面部PS1和第二平坦表面部PS2的接触区的相对端。因此，由于叶片的凸形表面部CS1，叶片表面增加了与第一平面PL1的距离，第一平坦表面部PS1和第二平坦表面部PS2位于第一平面PL1中，而由于盘的凸形过渡表面部CS2，槽表面增加了与第一平面PL1的距离。
从不同的角度显示图4、图5或图7的实施例，图8中还可以看到第一平坦表面部PS1以及叶根1的其它凸角的其它平坦表面部，图8以透视图示出了本发明的涡轮叶片2。最上侧面31、31'的第一平坦表面部PS1（限定第一平坦扩展区A10）被标出并且代表与盘5的槽6的相应表面的接触区，盘5在图8中未示出。第一平坦表面部PS1大致为平的且呈矩形，如由第一平坦扩展区A10所示。
此外，图8中示出了中间凸角的第二平坦扩展区A11，第二平坦扩展区A11优选地大于第一平坦扩展区A10。特别地，与第一平坦扩展区A10相比，第二平坦扩展区A11可增大达30%。
最后，图8中还示出了最低凸角的第三平坦扩展区A12，该第三平坦扩展区A12优选地大于第一平坦扩展区A10并且可等于或大于第二平坦扩展区A11。第三平坦扩展区A12的扩展区由侧面33的长度L12和叶根1的轴向长度限定。
在轴向长度上，下凸角13、13'和底部10之间的表面的形状可以不做修改。替代地，如图中所示，中间部分可具有凹陷，该凹陷可用于形成冷却空气的进口，冷却空气应当被引导到叶片的内部中。
在图8中，内角半径也被标示为R10、R11和R12。可以考虑一种简化形式：内角仅遵循圆柱体或椭圆柱体的一部分。内角可由可以由多个内角半径限定的若干部分组成，如图3中所示。然而，应当理解的是，所有凸角和内角可具有大体相似或相同的轮廓，因而尽管在图5-7中仅示出了一个凸角和一个内角，但所有或至少若干个其它凸角和内角实际上可以以类似的方式实施为具有本发明的底切UC1和/或UC2。
前述的实施例可具有在叶片使用寿命方面的实质性利益。能够避免可能会导致裂纹的应力。
此外，必须指出的是，如果叶根上存在确切地三对凸角和三对内角则会是有利的。也许，其它构造也是可能的。
此外，必须指出的是所示实施例应当应用于非运行状态以及在运行期间应用。