CN101122243B - 一种涡轮机组喷嘴导向叶片的冷却衬套 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮机组喷嘴导向叶片的冷却衬套，叶片(2)和用于冷却叶片(2)的冷却衬套(6)组成组件，该叶片(2)有一个中心空腔(5)，其上至少有一个其中延伸有衬套(6)的第一开口(7)，衬套(6)有一个固定到开口(7)边缘(14)的法兰(13)。该组件还包括，靠近法兰(13)，该组件包含有一个插于冷却衬套(6)壁和开口(7)壁(7‘)之间的外部插件(16)。因此法兰(13)被密封。

Description

一种涡轮机组喷嘴导向叶片的冷却衬套

技术领域

本发明涉及一种涡轮机组喷嘴导向叶片组件中的一个组件，该组件包括叶片及用于冷却叶片的冷却衬套。 

背景技术

涡轮机组包括被喷嘴导向叶片组件分离的转子部分和压缩机和/或涡轮机转子部分。所述导向叶片组件包括多个固定的叶片，用来引导气体。在气体的通道中，固定的叶片在外盖板与内盖板之间延伸。由于穿过其中的气体温度，特别是在被喷嘴导向叶片组件分离的涡轮机转子部分中，所述叶片面临非常困难的工作环境；所以在叶片中对其进行冷却是必不可少的，冷却的方法通常为强制对流或者气流冲击。 

为了通过气流冲击进行冷却，需要使用多孔径向衬套。这些衬套通常用耐热合金制成，例如一种基于铬(Cr)、钴(Co)及镍(Ni)的合金。这样的衬套纵向地滑入叶片的腔中。冷却的气体在外盖板处补给给所述被套。由于衬套内腔的压力和衬套与叶片之间形成的腔中的压力不同，一部分空气经由衬套上的孔逆着叶片的内壁被推进，从而对其进行冷却。而后，这些空气沿着叶片后缘，经由校准穿孔进入气体通道。剩余的空气穿过内盖板到达发动机其它需要冷却的部份，如：涡轮盘或轴承。 

叶片的腔在内、外平面上形成两个开口。在外侧，该衬套通常固定在外开口的壁面，通过如铜焊或焊接等方法。这就形成一种钢焊导向槽连接。在衬套的另一端部，所述衬套也被引导，为了这一目的，在内开口处，其壁形成了导向槽，使得叶片和衬套间的不均匀膨胀被抵消成为可能。 

根据有利的结构，在其外侧，该衬套包括一个法兰，铜焊在喷嘴导向叶片组件上。所述法兰衬套如专利文件US2002/0028133所述。与将外端部钢焊接到导向槽的衬套相比，带有法兰的衬套在多方面的显示出了优势：它通过确定的定径向定位，使得该衬套很轻松地被安装在叶片里，将法兰焊接在喷嘴导向叶片组件上操作起来简单，而且可以直观地进行检查。

确保法兰处衬套与叶片之间的密封严密与否是十分必要的。这是因为如果密封不能达到要求，就会在某一方向上发生泄露或产生其它不利的影响。因而，如果喷嘴导向叶片组件的外盖板的外侧的压力大于衬套与叶片之间形成的腔的压力，空气就会进入后者的腔中；这引起了衬套外部的压力的增加，这意味着空气从衬套的内部被推到叶片上的倾向减小了，且叶片的冷却将因此受损失。相反地，如果衬套与叶片之间形成的腔的压力大于喷嘴导向叶片组件的外盖板的外侧的压力，则用来冷却叶片并因此被加热的空气将会从所述的腔中泄漏，并且给运用其它方法来对喷嘴导向叶片组件的外侧冷却带来不利的影响。上述问题可以通过增大冷却流的量的方法以达到部分缓解的目的，但是，在某一区域量的增加意味着在其它区域的减少。 

这些情况中没有一种令人满意，故一种符合要求的法兰上的密封连接是十分必要的。 

这样的连接可以通过铜焊的方法获得。而即使这样的铜焊连接可以在法兰上进行直观检查，其仍然存在不完全铜焊或有缺陷的铜焊的风险，从而留有空气泄漏的可能。 

发明专利内容 

本发明旨在提供一种组件组件，包括叶片和用于冷却叶片的带有法兰的冷却衬套，其中确保了对紧固法兰的密封。 

从而，本发明涉及一种组件，包括叶片和用于冷却叶片的冷却衬套，在本实例的涡轮机组喷嘴导向叶片组件中，叶片包括带有至少第一开口的中心空腔，该衬套延伸进入该空腔。该衬套包括固定在开口边缘的法兰。该组件包括在法兰附近的外围插件，该插件是插在衬套壁和开口壁之间。 

该种插件产生了压降。应当理解，压降不仅是指传统的通过隔板使流量通道的横截面变窄的压降，也指通过气密封产生的压降(无穷大)。 

借助于固定在边缘上的法兰和法兰附近的插件的联合作用，空气不会泄露。——至少泄漏的空气是微不足道的，且任何漏焊都不成问题。特别是，由于安装了法兰，任何泄漏的空气只能通过在法兰和边缘之间的微小间隙。而现在，这种通过微小间隙的泄漏无论在哪一个方向都将不可能出现，因为插件产生了压降。 

在解决一个特殊的问题时，申请人还发现可以大大简化该组件的装配过程。具 体地说，位于法兰附近的插件的出现极为有效地控制了空气泄漏，也就是说，不需要将法兰精密地焊接在喷嘴导向叶片组件上。因此，可以通过在法兰和边缘之间的点焊简单地将衬套固定于叶片上，而通过插件可以避免泄漏。这与沿着法兰的整个外围焊接相比，大大节省了时间和财力。 

插件可以作为隔板和/或密封件。 

较佳地，中心空腔形成第二开口，衬套在与法兰相对的一端具有一尾部，该部分由第二开口导引，第二开口壁形成导引作用的导向通路。 

本实例中有益的方面在于，在衬套和第一开口壁之间具有间隙。 

根据本发明第一实施方案，该插件包括形成隔板的外围条(peripheral strip)。 

根据本发明第二实施方案，该插件包括弹性片(elastic leaf)。 

根据本发明第三实施方案，该插件包括外围弹簧。 

本发明还涉及一种涡轮机组喷嘴导向叶片组件，包括如上所述的数个组件，且涉及包括该种喷嘴导向叶片的涡轮机组。 

以下，本发明还进一步涉及一种将冷却衬套装入涡轮机组喷嘴导向叶片组件的空的叶片中以形成本发明的组件的简化方法。该叶片包括至少具有一个第一开口的中心空腔，以及具有法兰的衬套。该方法包括： 

--通过第一开口将衬套插入叶片的空腔中，以在衬套壁和第一开口壁之间能放置外围插件；以及 

--将法兰点焊在边缘上。 

通过使用本发明所述的插件和带有法兰的衬套，可以以工业规模实施本发明，并可控制空气泄漏。当修理喷嘴导向叶片组件以及本发明的组件时，当将衬套从叶片中拿出并重新放入时，可以实施的方法包括： 

--磨损衬套的法兰，直至其边缘，而不磨损插件； 

--通过第一开口将衬套移出叶片的中心体； 

--将新法兰连接在衬套上； 

--通过第一开口将换上新法兰的衬套插入叶片的空腔中，以在衬套壁和第一开口壁之间放置外围插件； 

--将法兰固定在边缘上。 

这种方法的优点是实施简单。 

值得指出的是，本发明特别适用于下述组件，其中：衬套的两端都为开口，与 法兰相对端的尾部在开口中被导引，开口壁形成导向槽，但是很明显，本发明也适用于这种组件，其中：衬套只在法兰一端由开口，不需要在另一端由导向槽导引。 

附图说明

参考附图，在下述本发明优选实施方式描述的帮助下，可以更好地理解本发明。 

图1描述了本发明的喷嘴导向叶片组件的局部示意性立体图。 

图2描述了本发明组件的示意性剖视图。 

图3描述了本发明组件第一实施方式的插件的示意性剖视图。 

图4描述了本发明组件第二实施方式的插件的示意性剖视图。 

图5描述了本发明组件第三实施方式的插件的示意性剖视图。 

具体实施方式

参考图1和2，喷嘴导向叶片组件包括多个固定的叶片2，这些叶片2形成叶栅，叶栅增强了经过发动机气体通道的气流。图2中箭头表示气体从上游到下游流动的方向。该通道由外盖板3和内盖板4限定，支持叶片2。 

每个叶片2都是中空的，并且包括中心空腔5，衬套冷却衬套6插入在中心空腔5中。在图1中，离左侧最远的衬套冷却衬套6已经绘制出来了，其部分地取自其容纳叶片2的腔5，以更容易地理解各种元件的形状。此后将描述叶片2和衬套6的特定组件，理解为所有喷嘴导向叶片1的组件2，6在结构上相似。 

叶片2的腔5分别在喷嘴导向叶片组件的外盖板3和内盖板4中形成外开口7和内开口8。为了将衬套6装配到叶片2中，衬套6通过外开口7被插入。 

衬套6包括中空体9，在这种情况下，在上游侧部上穿孔有大量孔口10，通过这些孔口，在位于叶片2的外开口7附近的供应管11，供应给衬套6的中空体9的气体逆着叶片2的内壁被推进。在这个特别的情况下，叶片2的内壁包括面向这些孔口10的大量肋片11，这些肋片11形成了扰动以通过已知的方法，更好地冷却叶片2。衬套6在其外表面也包括大量凸台12，在图2中也示意性地绘制了凸台，尽管后一个图是剖面，但是其功能是允许衬套6定位在叶片2的腔5中。 

衬套6在其外端包括法兰13。这里，通过形成制造衬套6的薄板获得法兰13。它同样地可以应用于后者。法兰13被设计为承靠边缘14，边缘14由叶片2中的腔5所形成的外开口7周围的喷嘴导向叶片组件形成。法兰13通过下面将详述的铜焊 和焊接固定到该边缘14。 

在衬套6的内端，衬套6包括在其本体9延长部中的端部15，该端部15插入叶片2形成的内开口8中，其壁8’形成了导向槽以通过已知的方式引导该端部15。由于这种移动的自由，叶片2和衬套6之间的热膨胀差异可以被吸收。 

包括叶片2和衬套6的组件也包括法兰13附近的插件16。插件16的功能是在法兰13附近产生压降以阻止或至少限制在两个方向的气体泄漏。该插件16绕着衬套6的周边。它可以被固定到衬套6或者固定到喷嘴导向叶片组件1。它位于法兰13附近，也就是说它位于它的作用可以与法兰13的作用结合的区域中。换而言之，插件16产生的压降需要足够大以防止通过法兰13和边缘14之间可能的任何间隙的气体泄漏。在该特定的例子中，插件16位于法兰13下面，在外开口7的壁7’上，外开口7由边缘14延伸到固定法兰13的地方。 

现在将参考图3到5描述插件的三个特别实施方式。在这三个实施方式中，所描述的插件16固定于衬套6，但是对于本领域技术人员而言，不用多说，可以没有困难地实现将插件16固定到叶片2所形成的开口7的壁7’上。在这三个图中，用相同的附图标记16表示插件。 

参考图3，根据第一实施方式，插件16包括固定到法兰13下面衬套6周围的外周板条16或外周叶片。该金属条16设计为径向延伸一段距离，该距离小于将衬套6的壁和在该点上外开口7的壁7’分开的距离，优选地与后者齐平。表述“径向地”理解为意指径向地相对于衬套的整个轴，也就是说径向地相对于法兰13和端部15之间的其纵向。由此产生的压降足以阻止或满意地限制法兰13和边缘14之间的泄漏。在该实施方式中，插件形成了挡板，阻止衬套6整个周边的气流。 

参考图4，根据第二实施方式，插件16包括外周叶片16，该叶片显示了一定的弹性。该金属叶片16具有径向尺度，该尺度可能大于将衬套6的壁和在该点的外开口7的壁7’分开的平均距离。当衬套6被引入到开口7中时，衬套6不是正好地位于开口7的中心，不会有损坏。叶片16靠着衬套6最接近的开口7的壁部分7’，并且当衬套6被引入时，其向外被弹性地弯曲，因此补偿了间隙。对于待要制造的叶片16的尺寸，偶然附属的条件是叶片在衬套6的整个周边接触开口7的壁7’，以形成密封。 

本实施方案的优点是能够在衬套6和外开口7的壁7’之间留有空隙。这样的一种空隙使得安装衬套6更容易。由于被引入叶片2，衬套6在其端部15被导入位于 叶片2的内部的端部上的导向槽8内。这种导向能够无阻地完成，这是由于在外开口7的端部存在的空隙使得这种导向不会被内开口8和外开口9的任何偏移所阻挡。由于可以通过叶片16的弹性弥补，这种空隙不会对装置产生损害。因此，叶片16能够进入开口7并完成其限制泄漏的功能。依靠叶片16，空隙的存在不会产生泄漏；空隙和它所包含的好处被叶片16的存在所容许。 

在本实施例中，插件16或者作为挡板或者作为密封或者作为凭借其如果接触外开口7的壁(密封功能)或者不接触(挡板功能)。在这两个例子中，在其所处的区域产生了压降。当完成这两个功能时，当叶片16不与开口7的壁7’接触时，密封件16在某些部分上作为挡板，当叶片16与开口7的壁7’接触时，密封件16在其它部分上作为密封使用。 

参见图5，依据第三实施方案，插件16包括外围弹簧16。由金属制成的弹簧16包括叶片，叶片的边固定到衬套6的表面，在两个固定的所述边之间叶片呈现出扩大的U形横截面。如以前，这种弹簧形成的元件16能够弥补任何空隙，所述空隙可能是在外开口7上或者依靠在衬套6的区域，依据弹簧16是否与开口7的壁7’接触，作为密封和/或者挡板。 

依据这三个优选实施方案都采用了插件，但是，不言而喻能够设想使用其它的结构在衬套6的壁和开口7的壁之间延伸以产生压降。也能够结合数个插件且产生一种迷宫式密封。 

借助插件16，空气在法兰13处的泄漏，虽然不能完全避免，但至少被大大地限制了。通过铜焊接可将法兰13固定到边缘14上。在这种情况下，由于插件阻止或者限制泄漏，任何铜材料的缺失都是禁止的。插件的使用还容许使用特殊的方法将衬套6安装到叶片2上，在该方法中： 

-通过外开口7将衬套6插入叶片2的腔5内，和 

-将法兰点焊到边缘14上。 

这种装配方法非常快速且廉价。这是由于不需在整个周边上用铜焊接，法兰仅仅在一些点上焊接(通常使用术语“定位焊”)。由于点焊足够将衬套6保持在叶片2上同时插件16提供密封或者至少限制在法兰13上的泄漏，这种装配在操作上是可行的。值得注意的是，由于在喷嘴导向叶片装置衬套上的机械强度不是极其高，所以在衬套6和边缘14之间的点焊连接足够强。 

因此，所述连接方法一方面能够自如地适应以满足机械应力，另一方面能够限 制装配的时间和耗费。通过在衬套的壁和开口7的壁7’之间使用插件实现了这种自如，也使在铜焊和点焊之间进行选择成为可能。 

如果喷嘴导向叶片组件1需要维修，那么这是可能的：对于每个装置包括叶片2和衬套6，维修方法如下： 

-磨损衬套的法兰，直至其边缘，而不磨损插件， 

-经过开口7将衬套6从叶片2的中心空腔5移开， 

-将新法兰连接到衬套6， 

-将带有新法兰的衬套6经过外开口7插入叶片2的空腔5内，以定位衬套6的壁和开口7的壁之间的外围插件16，和 

-将法兰13固定到边缘14。 

磨损法兰13的步骤可通过机加工来完成或者优选地通过使用电释放机的造模铣切法(这类造模铣切法被本领域技术人员所熟知为“EDM造模铣切法”)。由于所有需要的是要掘出法兰13且这个法兰总的来说并不是非常厚，因此所需做的造模铣切法会很快地完成。一旦衬套6从叶片2的中心腔5移开，从此以后将法兰连接到衬套6的本体9上就很简单，例如通过焊接，再创造一个新的衬套。然后后者能够被再次插入叶片2的中心腔5。

Claims (9)

1.一种由叶片和用于冷却叶片的冷却衬套组成的组件，该叶片有一个中心空腔，其上至少有一个其中延伸有衬套的第一开口，衬套有一个固定到开口边缘的法兰，靠近法兰，该组件包含有一个插于冷却衬套壁和开口壁之间的外部插件，其特征在于该插件产生一个压力降，起到隔板和/或密封垫的作用；

在所述中心空腔中有一个第二开口，冷却衬套的末端部位位于法兰的对面，所述冷却衬套的部位导入第二开口中，其壁形成一个导入通道。

2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于在冷却衬套和第一开口的壁之间有一个间隔。

3.根据权利要求1或2所述的组件，其特征在于插件的外围带形成一个隔板。

4.根据权利要求1或2所述的组件，其特征在于所述插件有一个弹性片。

5.根据权利要求1或2所述的组件，其特征在于所述插件有一个外围弹簧。

6.根据权利要求1至5任何一个所述的组件，其特征在于所述法兰点焊固定在所述边缘上。

7.一种涡轮机组，包含有如权利要求1所述的喷嘴导向叶片。

8.一种将冷却衬套装入涡轮机组喷嘴导向叶片的方法，形成权利要求1至6要求的空心叶片组件，所述叶片的中心空腔至少有一个第一开口，并且冷却衬套有一个法兰，本方法的特征在于：

冷却衬套经第一开口插入叶片的腔里，设置一个插于冷却衬套壁和开口壁之间的外部插件，和

法兰点焊于所述边缘。

9.一种修理权利要求1至6所述组件的方法，其特征在于：

磨损衬套的法兰，直至其边缘，而不磨损插件，

经第一开口，将衬套从中心空腔移开，

在衬套上连接一个新法兰，

设置有新法兰的衬套经第一开口插入到叶片的腔里，使外部插件插于衬套壁和开口壁之间，

将法兰固定到所述边缘。

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