CN101059081A - 涡轮机叶片和隔板构造 - Google Patents

Abstract

轴流涡轮机叶片和隔板构造包括静涡轮机叶片(20)的环和具有缝隙(41、43)的内间隔环和外间隔环(40、42)，缝隙(41、43)成形为容纳叶片的内平台部分和外平台部分(22、23)，以此平台部分和间隔环一起形成了涡轮机隔板的内通道壁和外通道壁。叶片特别的特征是内平台部分和外平台部分(22、23)具有直侧缘(22B、22C)和(23B、23C)，它们通过弯曲的前缘(22D和23D)相互结合，前缘(22D和23D)在平面视图中具有如下的形状，在翼片(21)的前缘(26)的区域内该形状跟随角部圆角(24)的边缘。

Description

涡轮机叶片和隔板构造

技术领域

本发明涉及用于使用在轴流涡轮机中的静叶片环的新型构造。特别地但不排他地涉及蒸汽涡轮机隔板。

背景技术

本发明涉及两个称为“间隔带”和“平台”的已知类型的构造。在图1A中示出的间隔带类构造中，通过由平的条卷成的“内环带”4和“外环带”5将叶片翼片1固定到径向内部和外部结构构件2、3。在带4、5内切出孔6(例如通过激光)以匹配翼片形状的截面，翼片的端部然后插入到孔内且填角焊到位置。带又焊接到内构件2和外构件3以形成蒸汽通路壁，或所谓的“通道壁”。

间隔带构造的优点是与一些其他的使用在蒸汽涡轮机中的类型的构造相比，它涉及相对地小的对叶片的加工量。例如，在所谓的“平台”类隔板构造中，见图1B，翼片7的端部与径向“内平台”8和“外平台”9成整体，翼片和平台从实体中加工出。静叶片的完整的环通过在内环和外环之间组装相继的组合的翼片/平台部件10且将平台焊接到环构成。为图示组装过程，邻近的叶片形状以虚线示出。当组装完成时，内平台8和外平台9形成了隔板的内通道壁和外通道壁。

此构造形式与间隔带类构造形式相比具有性能优点，但因在生产组合的翼片/平台部件10中涉及的额外的材料和加工，此构造形式也具有高得多的制造成本。然而，对于一些类型的使用，特别是对现有的涡轮机的改型，尽管平台类构造的额外的成本，它的性能优点使得它是最经济的解决方案。性能优点来自于如下事实：平台构造使得能实现在翼片和通道壁之间的角部处的空气动力学上有利的圆角半径11、更平滑的通道壁和在涡轮机运行期间在通道壁内维持更好的圆形。

本发明的目的是提供隔板构造的类型，它具有以上的平台类构造的良好的性能特征，同时制造更经济。

定义

在本说明书中使用的某些术语具有如下的意义：

弦线：当叶片以其凸侧向上放置在平的表面上时，二维叶片区段的前部和后部触及平的表面的点之间的线。

角部圆角：叶片部分与平台部分相交以在叶片部分和平台部分之间形成空气动力学上平滑的过渡的倒圆的角部。

压力侧：翼片部分的凹表面，其经历最高压力。

吸力侧：翼片部分的凸表面，其经历最低压力。

前缘：翼片或平台部分的前部或鼻部，它首先与工作流体相交。

后缘：翼片或平台部分的后部或尾部，工作流体从其离去。

发明内容

根据本发明，用于轴流涡轮机的静叶片包括：

a)具有前缘、后缘、压力侧、吸力侧和弦线的翼片部分；

b)与翼片部分成整体的径向内平台部分和外平台部分；

c)角部圆角，在角部圆角处翼片部分与每个平台部分相交以形成在翼片部分和每个平台部分之间的平滑过渡；

d)每个平台部分在平面视图中包括：

i)形成为在涡轮机轴线的周向延伸的后缘，

ii)在翼片的压力侧和吸力侧的每个上的直侧缘，

iii)弯曲的前缘，它将侧缘相互结合且在平面视图中具有在翼片部分的前缘的区域内跟随角部圆角的边缘的形状。

为在组装期间容易将叶片装配在隔板内，每个平台部分的侧缘大体上相互平行且平行于翼片部分的弦线。相关的弦线可以是翼片部分的平均弦线，但优选地是翼片部分与相关的平台部分相交处的翼片部分的弦线。

为最小化在平台部分内的材料的量，每个平台部分在翼片部分压力侧上的侧缘在翼片部分的前缘和后缘处与角部圆角相切，即如在平面视图中可见，在翼片部分的压力侧上的平台部分的侧缘应与弦线仅分开角部圆角的宽度。

类似地，在翼片部分的吸力侧上，优选的是至少内平台部分的侧缘与角部圆角相切。此外，优选的是平台部分的弯曲的前缘具有如下的形状，即该形状跟随在翼片的前缘与翼片吸力侧上平台部分的侧缘和角部圆角相切的点之间的角部圆角的边缘。实践中，可能需要的是叶片吸力侧上外平台部分的侧缘和弯曲的前缘与角部圆角分开。

本发明的第二方面提供了轴流涡轮机隔板构造，包括以上的静涡轮机叶片的环形阵列或环以及在其内具有缝隙的内间隔环和外间隔环，缝隙成形为分别容纳内平台部分和外平台部分，以此平台部分和间隔环一起形成了涡轮机隔板的内通道壁和外通道壁。

如以下将描述，内平台部分和外平台部分被焊接到提供在内间隔环和外间隔环内的匹配缝隙内。

本发明的第三方面提供了制造以上的轴流涡轮机隔板构造的方法，包括如下步骤：

a)通过将平台部分滑动到间隔环内的缝隙内将静叶片组装到隔板内，

b)将环形覆盖板在静涡轮机叶片的环的每侧上定位在静涡轮机叶片的环上，覆盖板尺寸设定为使得覆盖板的内缘和外缘与内平台部分和外平台部分的前缘和后缘部分地重叠，

c)将每个覆盖板的内缘和外缘焊接到内平台部分和外平台部分的前缘和后缘，以及焊接到内间隔环和外间隔环的居于其间的部分，

d)在隔板内绕每个覆盖板的内缘和外缘加工出焊接准备槽，使得内平台部分和外平台部分的前缘和后缘以及内间隔环和外间隔环的任何居于其间的部分被底切，

e)在焊接准备槽内进行焊接过程以填充焊接准备槽，且将内平台部分和外平台部分固定到内间隔环和外间隔环，和

f)加工覆盖板的内缘和外缘以将其从隔板去除。

以上是归纳的过程，且更详细地步骤b)和c)方便地以如下次序进行，包括：

(i)将第一环形覆盖板在静涡轮机叶片的环的第一侧上定位在静涡轮机叶片的环上，且对于第一环形覆盖板进行焊接操作；和

(ii)将第二环形覆盖板在静涡轮机叶片的环的第二侧上定位在静涡轮机叶片的环上，且对于第二环形覆盖板进行焊接操作。

此外，步骤d)和e)可以以如下次序进行，包括：

(i)在隔板内绕第一覆盖板的内缘和外缘的一个加工出第一焊接准备槽且在第一焊接准备槽内进行焊接操作；

(ii)在隔板内绕第一覆盖板的内缘和外缘的另一个加工出第二焊接准备槽且在第二焊接准备槽内进行焊接操作；

(iii)在隔板内绕第二覆盖板的内缘和外缘的一个加工出第三焊接准备槽且在第三焊接准备槽内进行焊接操作；以及

(iv)在隔板内绕第二覆盖板的内缘和外缘的另一个加工出第四焊接准备槽且在第四焊接准备槽内进行焊接操作。

附图说明

现将参考附图描述本发明的典型实施例，各图为：

图1A图示了涡轮机构造的已知的间隔带类型；

图1B图示了与平台成整体的固定叶片，用于如已经已知的平台类构造中；

图2图示了根据本发明的单个的固定叶片；

图3A至图3D图示了从多种观察点观察的图2的叶片；

图4图示了根据本发明的蒸汽涡轮机隔板的组装；

图5A和图5B图示了在主焊接操作前的过程，通过它将叶片和间隔环固定在一起，图5B是图5A的在虚线方框内的放大的部分；

图6图示了在主焊接操作前的加工操作的结果；和

图7图示了完成主焊接操作后在隔板内的叶片组。

具体实施方式

图2示出了用于根据本发明的隔板构造的静叶片20。静叶片20具有类似于图1B中静叶片10的翼片7的翼片部分21。然而，虽然静叶片20分别具有整体的内部平台部分22和外部平台部分23，但它们比叶片10的相应的平台部分8、9小得多。实际上，平台部分22、23的相对的侧缘22A、22B和23A、23B大体上相互平行且平行于翼片部分的弦线行进，且至少对于内部平台22，侧缘之间的距离仅刚好足够于包围翼片部分的截面连同其角部圆角24。

参考图3，图3A和图3B是平台部分的平面视图。图3A是径向向内观看径向内平台部分22的平面视图，其中翼片21的截面示出为细线条区，且翼片角部圆角24的延伸示出为外部的虚线。图3B是径向向外观看径向外平台23的视图，又示出了翼片21的截面和翼片角部圆角24的延伸。特别地，应注意的是在翼片21的前缘26处和附近，平台部分的前缘22D、23D紧密地跟随包括角部圆角的翼片形状。适应于角部圆角24的平台部分的成形在图3C和图3D中又是明显的，图3C和图3D是叶片20的相对侧上的等轴视图。

从检查附图中将认识到的是，每个平台部分22、23包括：形成为在涡轮机轴线的周向上延伸的后缘22A、23A；在翼片的压力侧上的较长的直线侧缘，在翼片的吸力侧上的较短的直线侧缘22C、23C；和弯曲的前缘22D、23D，前缘22D、23D将侧缘相互结合且在平面视图中具有至少在翼片21的前缘26的区域内跟随角部圆角24的边缘的形状。对于内平台部分和外平台部分，在翼片部分的压力侧上的每个平台部分的侧缘22B、23B与在翼片的前缘26和后缘27处的角部圆角24相切。仅对于内平台部分22，其在翼片的吸力侧上的较短的侧缘22C与角部圆角24相切地行进，且内平台部分22的弯曲的前缘22D具有跟随翼片的前缘26和点28之间的角部圆角的边缘的形状，在翼片吸力侧上的平台部分的较短的侧缘22C在该点28处与角部圆角24相切。为最小化在外平台部分23上的材料的量，如果外平台部分23在叶片的吸力侧上具有与内平台部分22相同的构造则是优选的。然而，因为翼片的设计和外平台部分23处于比内平台部分22更大的直径上的事实，需要的是叶片吸力侧上外平台部分的侧缘23C和弯曲的前缘23D与角部圆角分开小的量。

与在图1B中示出的“平台构造”相对比，本领域技术人员将认识到，因为根据本发明的叶片在周向方向上跨过小得多的距离，所以本发明的实施：

使得叶片能由合金板坯或板制造，而不是由特定的棒尺寸制造，这简化了材料定购和存储要求；

降低了通过加工去除的材料的量；

降低了加工时间。

现在参考图4，图4图示了隔板的初始组装过程，可见径向内间隔环40和外间隔环42分别形成有槽41，43。槽41、43加工在间隔环内，作为与平台公形状的匹配母形状，使得降低尺寸的平台部分22、23是封闭但滑动装配在槽内。内间隔环40和外间隔环42相互同心地保持在夹具(未示出)内，且内平台部分22和外平台部分23滑动到其匹配槽41、43内，如所示出。将注意的是，尽管槽41、43在一端45、47是打开的以接收平台部分，但它们在其另一端49、51处是封闭的或至少变窄，以为间隔环内的平台部分提供端部停止确定位置。如已提及，在翼片的前缘26处和附近，平台的形状接近于翼片21的形状，所以槽的相应的端部49、51类似地成形。

当将叶片20组装到间隔环40、42内时建立了平滑的通道壁，因为在槽和平台部分的加工中注意到保证它们具有匹配的径向厚度。因此，通道壁由平台部分22、23和间隔环在槽41、43之间的“圆角部分”44、46构成。

一旦所有叶片20已经组装到间隔环40、42，则它们必须被牢固地焊接在位置上。为实现这点而无损坏翼片的风险，使用在图5A中示出的临时覆盖板48。临时覆盖板48的尺寸定为使其定位在内通道壁边缘和外通道壁边缘上且部分地与它们重叠，且与隔板同心地被保持。覆盖板48的径向内缘和外缘然后通过填角焊50、52固定到平台部分22、23的前缘面22D、23D和间隔环40、42的居于其间的圆角部分44、46。填角焊52在图5B中更清晰地可见。类似的覆盖板(未示出)也在相同的位置焊接在隔板的另外的侧上。这固定且支撑了平台部分和圆角段用于随后的加工，这是使得能保证平台部分到内间隔环和外间隔环的牢固的焊接所必需的。

一旦覆盖板已经焊接到位置，加工操作底切(例如)在隔板的蒸汽出口侧上覆盖板48的外圆周处的外平台部分23和圆角部分46。作为结果的焊接准备槽56在图6中示出。当加工槽56完成后，在槽56内进行埋弧焊操作，埋弧焊填充槽56且将外平台23固定到外间隔环42。注意到覆盖板也防止底切间隔环圆角部分在焊接过程期间的移动。然后，在覆盖板的内圆周处加工类似的槽54，且重复焊接操作以将内平台22固定到内间隔环40。最后，相同的加工和焊接过程在隔板的另一侧(蒸汽入口)上进行。然后可以通过在覆盖板的边缘处的加工操作去除覆盖板，且然后如在图7中示出除去例如凸缘的任何特征外完成了隔板，这些特征需要加工在间隔环内用于组装到涡轮机。

以上已纯粹地通过例子描述了本发明，且可以在如要求的本发明的范围内进行修改。本发明也包括任何在此描述或暗示的，或在附图中示出或暗示的单独的特征，或任何这样的特征的任何组合，或任何这样的特征或组合的任何的归纳，这延伸到其等价物。因此，本发明的宽度和范围应不被以上描述的典型实施例的任何实施例所限制。在说明书中包括权利要求书和附图中披露的每个特征可以被替代的特征代替，用于相同的、等价的或类似的目的，除非清楚地另行陈述。

在整个说明书中对现有技术的任何讨论并非承认这样的现有技术在本领域中是广为已知的，或是普通的一般知识的形成部分。

除非上下文清晰地另外要求，在整个说明书和权利要求书中，词语“包括”、“包含”等被解释为与排他的或详尽的意义相对的包含的意义；换言之，意义为“包括但不限制于”。

Claims (11)

1.一种用于轴流涡轮机的静叶片(20)，其包括：

a)具有前缘(26)、后缘(27)、压力侧、吸力侧和弦线的翼片部分(21)；

b)与翼片部分(21)成整体的径向的内平台部分(22)和外平台部分(23)；

c)角部圆角(24)，在角部圆角处翼片部分(21)与每个平台部分(22、23)相交以形成在翼片部分和每个平台部分之间的平滑过渡；

d)每个平台部分(22、23)，包括：

i)后缘(22A、23A)，

ii)在翼片的压力侧和吸力侧的每个上的侧缘(22B、23B、22C、23C)，

iii)将侧缘(22B、23B、22C、23C)相互结合的前缘(22D、23D)，

其特征在于，在每个平台部分的平面视图中，后缘(22A、23A)形成为在涡轮机轴线的周向延伸，侧缘(22B、23B、22C、23C)是直的且前缘(22D、23D)具有弯曲的形状，在翼片部分的前缘(26)的区域内该弯曲的形状跟随角部圆角(24)的边缘。

2.根据权利要求1所述的静叶片，其中每个平台部分(22、23)的侧缘(22B、23B、22C、23C)大体上相互平行且平行于翼片部分(21)的弦线。

3.根据权利要求1或2所述的静叶片，其中翼片部分(21)的压力侧上每个平台部分(22、23)的侧缘(22B、23B)在翼片部分的前缘和后缘(26、27)处与角部圆角(24)相切。

4.根据任何前述权利要求所述的静叶片，其中在翼片部分(21)的吸力侧上至少内平台部分(22)的侧缘(22C)与角部圆角(24)相切。

5.根据权利要求4所述的静叶片，其中平台部分(22)的弯曲的前缘(22D)具有如下的形状，该形状跟随在翼片(21)的前缘(26)与翼片吸力侧上平台部分的侧缘(22C)和角部圆角(24)相切的点(28)之间的角部圆角(24)的边缘。

6.根据权利要求4或5所述的静叶片，平台部分是内平台部分(22)。

7.根据权利要求1至3的任一项所述的静叶片，其中叶片吸力侧上的外平台部分(23)的侧缘(23C)和弯曲的前缘(23D)与角部圆角(24)分开。

8.一种轴流涡轮机隔板构造(图4)，其包括根据任何前述权利要求所述的静叶片(20)的环，且进一步地特征在于，内间隔环和外间隔环(40、42)在其内具有缝隙(41、43)，缝隙成形为分别容纳内平台部分和外平台部分(22、23)，以此平台部分和间隔环一起形成了涡轮机隔板的内通道壁和外通道壁。

9.一种制造根据权利要求8所述的轴流涡轮机隔板构造的方法，其特征在于如下步骤：

a)通过将平台部分(22、23)滑动到间隔环(40、42)内的缝隙(41、43)内将静叶片(20)组装到隔板内，

b)将环形覆盖板(48)在静涡轮机叶片(20)的环的每侧上定位在静涡轮机叶片的环上，覆盖板尺寸设定为使得覆盖板的内缘和外缘与内平台部分和外平台部分(22、23)的前缘和后缘(22D、22A、23D、23A)部分地重叠，

c)将每个覆盖板(48)的内缘和外缘焊接到内平台部分和外平台部分(22、23)的前缘和后缘(22D、22A、23D、23A)，以及焊接到内间隔环和外间隔环(40、42)的居于其间的部分(44、46)，

d)在隔板内绕每个覆盖板(48)的内缘和外缘加工出焊接准备槽(54、56)，使得内平台部分和外平台部分(22、23)的前缘和后缘(22D、22A、23D、23A)以及内间隔环和外间隔环(40、42)的任何居于其间的部分(44、46)被底切，

e)在焊接准备槽(54、56)内进行焊接过程以填充焊接准备槽，且将内平台部分和外平台部分(22、23)固定到内间隔环和外间隔环(40、42)，和

f)加工覆盖板(48)的内缘和外缘以将其从隔板去除。

10.根据权利要求9所述的方法，其中步骤b和c)以如下次序进行，包括：

(i)将第一环形覆盖板在静涡轮机叶片的环的第一侧上定位在静涡轮机叶片的环上，且对于第一环形覆盖板进行焊接操作；和

(ii)将第二环形覆盖板在静涡轮机叶片的环的第二侧上定位在静涡轮机叶片的环上，且对于第二环形覆盖板进行焊接操作。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其中步骤d)和e)以如下次序进行，包括：

(i)在隔板内绕第一覆盖板的内缘和外缘的一个加工出第一焊接准备槽且在第一焊接准备槽内进行焊接操作；

(ii)在隔板内绕第一覆盖板的内缘和外缘的另一个加工出第二焊接准备槽且在第二焊接准备槽内进行焊接操作；

(iii)在隔板内绕第二覆盖板的内缘和外缘的一个加工出第三焊接准备槽且在第三焊接准备槽内进行焊接操作；以及

(iv)在隔板内绕第二覆盖板的内缘和外缘的另一个加工出第四焊接准备槽且在第四焊接准备槽内进行焊接操作。

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