CN101131100A - 用于涡轮机的单翼片焊接喷嘴混合设计 - Google Patents

用于涡轮机的单翼片焊接喷嘴混合设计 Download PDF

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Abstract

包括单翼片，换句话说，有分别的内部和外部侧壁部件的单翼片的单翼片焊接喷嘴混合设计。外部侧壁部件被接收到外部载体的径向和周向凹槽中。内部侧壁的连接可以通过机械地配合和焊接内部侧壁到密封载体或者小环实现，或者可以在周向相邻的单翼片的侧壁端面之间提供小的径向焊接部。

Description

用于涡轮机的单翼片焊接喷嘴混合设计
背景技术
蒸汽涡轮机设计包括引导蒸汽流进入连接到转子的旋转叶片的静态喷嘴段。在蒸汽涡轮机中，喷嘴结构典型地称作隔板级。典型的隔板级使用两种方法的一个构造。第一个方法是“带/环”方法，其使用包括多个包含在内带和外带之间的翼片的组件，然后成带的翼片组件焊接到内部环(辐板)和外部环。第二个方法包括在接口处使用角焊接部直接焊接翼片到内部环和外部环。第二个方法典型地用于较大的翼片，其中进入以生成焊接部是可能的。然而，在较小级上使用带结构也有限制。一个缺点是流动路径侧壁和蒸汽路径侧壁的固有的焊接变形。在这点上，用于组件的焊接部具有可观的尺寸和热输入。这种材料和热输入导致流动路径变形，且翼片经常需要在焊接后调整和应力消除。变形的结果为降低的级效率。
在涡轮机中，热引起的应力一直导致涡轮机喷嘴破裂。由于苛刻的环境，前期现场历史已经显示沿着喷嘴翼片的发动机轴向(弦向)的破裂。如果破裂扩张通过翼片的整个长度，使得翼片会严重地失效，喷嘴的大块可能会脱落并向下游移动进入涡轮机的旋转硬件。对涡轮机硬件(旋转的和静态的)的后续的损坏可能是非常巨大和代价昂贵的。
在两翼片或者三翼片喷嘴设计(分别为每个喷嘴段2或者3个翼片)中，翼片的增加数量通过多负荷路径冗余为严重失效提供一定数量的保险。然而，由于单翼片(singlet)设计(每个喷嘴段一个翼片)，如果翼片要彻底地断裂为二，如果未能保持在两个平台上，喷嘴(翼片和/或者平台)的大断片会流失进入流动路径。
发明内容
本发明提供单翼片焊接喷嘴混合设计，其特别解决上述的变形问题。更确切地，在本发明的示例性的实施例中提供一种结构，其中单翼片(具有侧壁的单个翼片)直接就位在外部载体的径向和周向凹槽中，或者焊接到外部环且就位到外部载体的凹槽中。内部连接用独特的内部侧壁结构实现。在一个示例性的实施例中，内部侧壁机械地配合且焊接到周向延伸的环，或者通过内部侧壁端面(斜面)之间的径向的小焊接部互相焊接。
因而，本发明可以实施为涡轮机，该涡轮机包括：具有至少一个定子翼片、在定子翼片的径向内部端的内部侧壁，和在所述的定子翼片的径向外部端的外部侧壁结构的涡轮机喷嘴段，具有限定在其中的周向凹槽的内部侧壁的径向内表面，和用于接收在所述的周向凹槽中的具有键部分的互补环部件，所述环部件延伸涡轮机的轴线的周向至少部分，以接合至少两个分别相邻的喷嘴内部侧壁的内部侧壁，其中该环部件被机械地固定在喷嘴内部侧壁上。
本发明也可以实施为涡轮机，该涡轮机包括：具有至少一个定子翼片且在定子翼片的径向内部端包括内部侧壁和在所述的定子翼片的径向外部端包括外部侧壁结构的涡轮机喷嘴段；和具有径向地向内开口凹槽的外部环载体；其中所述外部侧壁构造成在径向可滑动地接合所述凹槽，同时被约束相对于其在轴向移动，且内部侧壁机械地联接到周向相邻的涡轮机喷嘴段。
本发明也可以实施为涡轮机，该涡轮机包括：具有至少一个定子翼片且在定子翼片的径向内部端包括内部侧壁和在所述的定子翼片的径向外部端包括外部侧壁结构的涡轮机喷嘴段，其中相邻的喷嘴内部侧壁端面分别焊接或者炖接(braise)在一起。
附图说明
图1为具有使用“带/环”方法形成的喷嘴隔板的常规级的示意性正视图；
图2是依照本发明的示例性的实施例的单翼片结构的示意性正视图；
图3是依照本发明的示例性的实施例的具有刷式密封的单翼片结构的径向内部端的示意性正视图；
图4是依照本发明的另一个示例性的实施例的具有层叠式密封的单翼片结构的径向内部端的示意性正视图；
图5是依照本发明的又一个示例性的实施例的具有刷式密封的单翼片结构的径向内部端的示意性正视图；
图6是依照本发明的进一步的示例性的实施例的单翼片结构的径向内部端的示意性正视图；
图7是依照本发明的另一个示例性的实施例的单翼片结构的示意性正视图；
图8是依照本发明的又一个示例性的实施例的单翼片结构的示意性正视图；和
图9是图示依照本发明的进一步的示例性的实施例的焊接在内部侧壁端面的相邻的单翼片喷嘴的轴向图。
具体实施方式
图1显示冲击式涡轮机级的常规结构，该结构使用隔开物、带和环焊接形成组件。更特定地，这种常规结构使用包括多个包含在内带和外带14，16中的翼片12的隔板组件10，该隔板组件在18，20，22，24处焊接到内部环(辐板)26和外部环28。
如上所述，合并单一喷嘴结构于环的结构的现有方法没有决定性的焊接深度，缺乏组装对准特征，且在焊接失效时也缺乏保持特征。而且，隔板结构的当前方法的一个主要问题是这些方法会导致显著的流动路径变形。实际上，常规的单翼片喷嘴组件可能使用导致不希望的流动路径变形的高热输入焊接方法。
本发明改进定子喷嘴(隔板)部件的蒸汽路径流动路径。用在内部侧壁连接处使用新的方法的简化的、有决定性的、低热输入单翼片焊接组件完成，例如，如下文描述的，焊接的端壁，有机械锁住的低热输入密封焊接部，或者焊接到内部侧壁的小环键。本发明通过增加有助于组装过程和加工固定的特征也改进产品成本和周期。此外，本发明增加降低由于硬件焊接失效而无意的涡轮机关闭的风险的特征。
依照本发明的示例性的实施例提供的单翼片焊接喷嘴混合设计生成包括单翼片的结构，换句话说，有各自的内部和外部侧壁部件的单个翼片。外部侧壁部件机械地配合且然后焊接到外部环载体。
内部侧壁的连接可以通过几个方式实现。如下文不同的实施例描述的，隔板的单翼片的内部侧壁可以机械地配合且焊接到密封载体或者小环，或者可以在周向相邻的单翼片的侧壁端面(斜面)之间提供小的径向焊接部。这种结构主要适合于被称作反应式涡轮机或者“鼓”型结构涡轮机部分的喷嘴结构，其特征为级的更小的轴向间距和级的典型地增加的数量。
图2图示本发明的示例性的实施例，其中单翼片喷嘴被滑入到载体中。单翼片包括翼片30和内部侧壁和外部侧壁32，34。在图2的实施例中，外部环载体40构造为可滑动地接合且径向和轴向机械地锁住到外部侧壁34。为此，在图示的实施例中，外部侧壁34形成为径向延伸，用于接收在外部环载体40的周向延伸凹槽42中。在图示的示例性的实施例中，外部侧壁34的轴向端面限定第一和第二凹槽44，46，其在周向范围内延伸，用于接收在环载体凹槽42中相应的轴向突出48，50。在单翼片34外部平台和载体40之间没有焊接部。如下文更详细描述的，喷嘴将以周向的方式滑动进入载体且仅在内部侧壁焊接到内部环。喷嘴可以是滑入凹槽42的单翼片，双翼片，或者任意其他数量。如果喷嘴是双翼片或者更多数量的，那么可以焊接单翼片到内有载体接口凹槽(混合设计)的部分外部环(以形成双翼片或者更多数量的子组件)。
依据示例性的实施例，周向相邻的单翼片的径向内部侧壁32是联接的。依据某些示例性的实施例，内部环52可以键合和焊接54，56到结构。键合的内部环可以限定密封载体。依据另一个可供选择的示例性的实施例，单翼片内部侧壁32在其邻接的端面互相焊接。上文提到的组件的示例在下文参见图3-6和9更详细地描述。这些示例性的实施例使用相同的附图标记(参见图2使用)的一些和一些相应的附图标记，但是适当地增加100的倍数描述。
图3显示布置成延伸转子的周向至少部分，从而周向地联接相邻的单翼片的内部环152示例。为了限定与内部侧壁132的对准/故障保险接口，内部环152包括键合突出158，以接合内部侧壁132的相应的切去部分160。更特定地，单翼片通过内部环与内部侧壁的键合切去部分160接口轴向保持。根据图示，在[每个]喷嘴内部侧壁和密封载体之间提供低热环焊接部(密封焊接部)154，156。由于在径向外部端(图2)的机械互锁会保持喷嘴端以防向下游移动，这个焊接部不必为显著的结构焊接部。在这点上，所描述的机械设计允许非常低的热输入的焊接部以导致翼片和蒸汽路径表面的最小变形。
在这个示例性的实施例中，内部环152构造成也包括密封载体。密封载体在设计中非常小，以便其可以配合在典型的鼓型结构涡轮机型的小的轴向和径向间距。这一般地区别于在转子接口处保持常规的填塞段要求的显著的区域。因而，提出的载体将便于更先进的密封，即刷式密封、叠瓦型密封或者耐磨密封。这个载体也可以在组装前用耐磨的喷射涂敷且在需要修理(再涂敷)时，小的密封焊接部可以加工掉用于环去除。在图3的示例性的实施例中，内部密封载体环152携带刷式密封结构162。
图4显示可供选择的具有层叠式密封262的内部密封载体环252。再次，在密封载体环252和内部侧壁232之间提供键合接口258/260。同样，根据图示，在上游和下游提供低热环焊接部(密封焊接部)254，256，以固定内部密封载体环252到单翼片喷嘴的各自的系列的内部侧壁232。
图5描绘内部载体环352的又一个实施例，该内部载体环352通过内部密封载体环3 52与内部侧壁332的键合切去部分360的接口如图3和4的实施例被轴向地保持。根据图示，在这个实施例中，密封载体环352有进入内部侧壁332和翼片330的径向螺栓364以相对于单翼片喷嘴保持载体环352到位，而不是提供参见图2，3和4的实施例描述的环焊接部54，56。虽然图示的径向紧固可以合并到其他的内部环结构而不偏离本发明，在这个示例中，密封载体环352合并刷式密封362。
图6图示本发明的另一进一步的可供选择的实施例，其中提供键环452，但是密封载体方面在整体省略。因而，在这个实施例中，喷嘴内部侧壁每个有通过其周向限定的键凹口或者凹槽460，且键环452就位在周向凹槽460内且用低热环焊接部(密封焊接部)454，456焊接到位。这样，焊接的键环用焊接的和机械的互锁与喷嘴单翼片周向成一体。
参见图3如上所述，在第一个示例性的实施例中，喷嘴，或者更特定地，喷嘴外部侧壁被分别地滑入载体，这样在喷嘴的外部端提供径向和轴向的锁住。图7显示进一步的可供选择的实施例，其中单翼片喷嘴外部侧壁534使用小的轴向焊接部在前面和在后面566，568焊接到实心的外部环538。然后单翼片喷嘴和外部环的组件就位在喷嘴载体540的相应的凹槽542内。喷嘴组件(外部环538和焊接到其的喷嘴)并不焊接到载体上；喷嘴组件可以在载体凹槽542内径向地移动。因而，在这个实施例中，载体540没有如在使用滑入式喷嘴的反应式涡轮机设计中典型的周向的凹槽。
在单翼片和外部环538之间的接口的机械特征被用作组装和对准特征，且允许改进的可靠性和风险消除。在这点上，在环和喷嘴之间的机械锁住意味着，在翼片的失效时，由于存在机械的干涉防止组件由于压力落下，环和喷嘴不会走向下游。另外，机械的锁住达到事先决定的和可重复的焊接止点的目的。在这点上，当碰到径向互锁接口时，焊束(假设EB焊接)将停止。图7实施例的进一步优势在于喷嘴外部侧壁的径向外表面构造成平的端，而不是图2的实施例中的成本更贵的周向的切割端。
图7的示例性的实施例有机械地锁住和炖接或者焊接到喷嘴内部侧壁532的内部环552，如图2-4和6的实施例，或者只是机械地锁住到喷嘴，如图5的实施例。
图8和9描绘本发明的另一进一步的示例性的实施例。更特定地，图8显示在径向地外部侧壁534处如图7实施例中焊接到外部环53 8的单翼片喷嘴的侧视图。然而，在径向地内部端，内部侧壁632端面670互相焊接，而不是如图7实施例中提供环密封552。因而，图9在轴向图中显示分别地焊接在一起的内部侧壁端壁/斜面。可以想象这个焊接将为低热输入焊接，类似于用激光焊接或者电子束焊接(EBM)实现的对接焊接。接口也可以被认作为炖接头，如果认为其更经济。这个径向焊接的目的是形成内部侧壁的连续联接。这个焊接不需要是结构焊接，但更多地为实现喷嘴段内部侧壁(端面)之间的零间隙。
虽然如上所述典型的单翼片喷嘴外部壁接口为周向地切割端，需要理解的是，作为可供选择的方案，单翼片喷嘴外部侧壁接口可能被加工成比周向切割端成本更低的平的端。
虽然本发明已结合目前被认为是最可行的和最优选的实施例被描述，应当考虑的是，本发明不限于披露的实施例，但是相反的是，本发明意欲覆盖包含在附上的权利要求书的精神和范围内的各种修改和等价的布置。
零件列表
隔板组件  10
翼片  12
内带和外带  14，16
焊接部  18，20，22，24
内部环(辐板)  26
外部环  28
翼片  30
内部侧壁和外部侧壁  32，34
外部环载体  40
周向延伸凹槽  42
第一凹槽和第二凹槽  44，46
轴向突出  48，50
内部环  52
焊接部  54，56
内部侧壁  132
内部环  152
低热环焊接部(密封焊接部)  154，156
键合突出  158
切去部分  160
刷式密封结构  162
内部侧壁  232
内部密封载体环  252
低热环焊接部(密封焊接部)  254，256
键合接口  258/260
层叠式密封  262
翼片  330
内部侧壁  332
内部载体环  352
键合切去部分  360
刷式密封  362
径向螺栓  364
键环  452
低热环焊接部(密封焊接部)  454，456
键凹口或者凹槽  460
内部侧壁  532
外部侧壁  534
外部环  538
喷嘴载体  540
凹槽  542
内部环  552
轴向焊接部  566，568
内部侧壁  632
端面  670

Claims (10)

1.一种涡轮机，其包括：
具有至少一个定子翼片(30)且包括在定子翼片的径向内部端的内部侧壁(32)，(132)，(232)，(332)，(432)，(532)，(632)和在所述的定子翼片的径向外部端的外部侧壁结构(34)，(534)的涡轮机喷嘴段；和
具有径向地向内开口凹槽(42)，(542)的外部环载体(40)，(540)；其中
所述外部侧壁(34)，(534)构造成在周向和径向的至少一个中接合所述凹槽(42)，(542)而被约束相对于其在轴向移动，和
内部侧壁(32)，(132)，(232)，(332)，(432)，(532)，(632)机械地联接(52)，(152)，(252)，(352)，(452)，(552)，(670)到周向相邻的涡轮机喷嘴段。
2.根据权利要求1所述的涡轮机，其中内部侧壁(32)，(132)，(232)的径向内表面具有限定在其中的周向凹槽(160)，(260)，(360)，(460)，和互补环部件(52)，(152)，(252)，(352)，(452)，(552)的至少部分(158)，(258)被接收到所述的周向凹槽中，所述环部件延伸涡轮机的轴线的周向至少部分，以接合至少两个分别相邻的喷嘴内部侧壁的内部侧壁，其中该环部件被机械地固定(54)，(56)；(154)，(156)；(254)，(256)；(364)；(454)，(456)到喷嘴内部侧壁上。
3.根据权利要求2所述的涡轮机，其中环部件被焊接(54)，(56)；(154)，(156)；(254)，(256)；(454)，(456)到喷嘴内部侧壁。
4.根据权利要求2所述的涡轮机，其中所述的环部件包括密封载体(52)，(152)，(252)，(352)，(552)。
5.根据权利要求4所述的涡轮机，其中所述的密封载体为刷式密封载体(152)，(352)。
6.根据权利要求4所述的涡轮机，其中所述的密封载体为层叠式密封载体(252)。
7.根据权利要求4所述的涡轮机，其中所述的密封(52)，(152)，(252)被焊接(54)，(56)；(154)，(156)；(254)，(256)到所述的喷嘴内部侧壁。
8.根据权利要求2所述的涡轮机，其中径向螺栓(364)被布置成延伸通过所述的环部件(352)且进入所述的喷嘴内部侧壁(332)。
9.根据权利要求1所述的涡轮机，其中所述的外部侧壁(534)被焊接到与所述外部侧壁接收在所述凹槽内的外部环(538)。
10.根据权利要求1所述的涡轮机，其中所述的周向相邻的涡轮机喷嘴段的相邻的喷嘴内部侧壁(632)端面分别焊接或者炖接(670)在一起。
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