CN101592044A - 替换复合翼型件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及替换复合翼型件的方法。一种替换涡轮机中的复合翼型件(22)的一部分的方法。该方法包括提供带有安装在叶轮(24)上的多个复合翼型件(22)的涡轮机的步骤。复合翼型件中的至少一个(22)具有由非塑料材料制成的芯体(30)以及用以包围芯体的至少一部分的塑料翼型件部分(32)。接近具有需要替换的塑料翼型件部分(32)的复合翼型件(22)。在芯体安装在叶轮(24)上的同时移除塑料翼型件部分(32)以暴露芯体(30)。在芯体安装在叶轮(24)上的同时模制塑料翼型件部分(32)以包围芯体(30)。

Description

替换复合翼型件的方法
技术领域
本发明大体涉及涡轮机械。特别地，本发明涉及替换涡轮机械中所使用的复合翼型件。
背景技术
涡轮机械可采用许多形式或者应用于各种用途。这些形式和用途可包括用于发电的蒸汽轮机、用于发电的燃气轮机、用于飞行器推动的燃气轮机以及用于发电的风力涡轮机。
在燃气轮机中，通常存在许多旋转的轮叶和静止的叶片。该轮叶和叶片布置在沿着涡轮机纵向地间隔开的交替的周向阵列中。轮叶和叶片中的各个包括附连到安装部分上的翼型件部分。
在燃气轮机的运行期间，污物、碎屑和/或水汽可接触翼型件并且对表面产生损坏、侵蚀和/或腐蚀。这通常导致燃气轮机性能的损失。通常，用于飞行器推动的燃气轮机允许对轮叶和叶片的相对较好的接近，因此可以移除和替换损坏了的一些轮叶和叶片。然而，用于发电的燃气轮机通常不提供用于移除和替换轮叶和叶片的这种接近。
如序列号为11/858326和11/858333的美国专利申请中所公开的，可以用于发电的一种燃气轮机具有多个压缩机级和涡轮机级。压缩机级中的至少一个包括复合翼型件。该复合翼型件具有用于附连到燃气轮机结构上的安装结构。芯体自安装结构延伸。该芯体由诸如金属或陶瓷的材料制成。翼型件部分包围该芯体并且由注射模制的塑料材料制成。
因此，存在对于修复或替换用于燃气轮机的复合翼型件的方式的需求。
发明内容
根据本发明的一方面的、替换涡轮机中的复合翼型件的一部分的方法包括提供带有安装在叶轮上的多个复合翼型件的涡轮机的步骤。复合翼型件中的至少一个具有由非塑料材料制成的芯体和用以包围芯体的至少一部分的塑料翼型件部分。接近带有需要替换的塑料翼型件部分的复合翼型件。在芯体安装于叶轮上的同时移除塑料翼型件部分以暴露芯体。在芯体安装于叶轮上的同时模制塑料翼型件部分以包围芯体。
根据本发明的另一方面的、替换涡轮机中的复合翼型件的一部分的方法包括提供带有安装在叶轮上的多个复合翼型件的涡轮机的步骤。复合翼型件中的至少一个具有由非塑料材料制成的芯体和用以包围芯体的至少一部分的塑料翼型件部分。接近需要替换的复合翼型件。移除塑料翼型件部分以暴露芯体。模制塑料翼型件部分以至少包围芯体的前缘。
根据本发明的又一方面的、替换复合翼型件的一部分的方法包括提供需要替换的复合翼型件的步骤。该复合翼型件具有由非塑料材料制成的芯体和用以包围芯体的至少一部分的塑料翼型件部分。移除塑料翼型件部分以暴露芯体。模制替换塑料翼型件部分以包围该芯体。
附图说明
当参照附图阅读以下的详细说明后，本发明的这些和其它特征、方面和优点将得到更好的理解，附图中：
图1是具有安装在叶轮上的复合翼型件的燃气轮机级组件的正视图；
图2是图1所示的复合翼型件其中之一的透视图；
图3是复合翼型件的侧视图，其示意了对各部分的、可能准许进行替换的代表性损坏；
图4是图1中所示的安装在燃气轮机外壳中的组件的正视图；
图5是图4中所示意的组件和外壳的一部分的放大视图；
图6是具有安装在其中的复合翼型件芯体的模具部件的透视图；且
图7是另一个模具部件的透视图。
部件列表：
组件        20
复合翼型件  22
转子叶轮    24
芯体        30
翼型件部分  32
根部        40
梢部        42
榫部        46
前缘        60
后缘        62
开口        82
壳体        100
夹具        102
接合面      104
保持器      106
模具组件    120
模具部件    122
模具部件    124
定位销      140
排放口      142
导管        144
轴线(涡轮机)A
轴线(轮叶积叠) B
损坏  D
侵蚀  E
介质  M
摩擦  R
具体实施方式
本发明的一方面提供了用以修复或替换燃气轮机中所使用的已经被损坏或需要更新的复合翼型件的方法。使用该方法，可以快速地且在现场修复或替换用于发电的燃气轮机中所使用的复合翼型件。
图1中示意了转子组件20的级。组件20包括呈安装到叶轮24上的轮叶的形式的多个复合翼型件22。组件20在运行期间可以绕着轴线A旋转。组件20适于作为例如燃气轮机的压缩机段中的第一级而在用于发电的燃气轮机中使用。虽然组件20被示为可旋转，但将显而易见的是，本发明将可应用于非可旋转叶片组件级，该非可旋转叶片组件级具有构造类似于复合翼型件22的构造的复合翼型件。
根据本发明的一方面，图2中详细地示意了复合翼型件22。复合翼型件22包括芯体30。复合翼型件22还包括塑料翼型件部分32。塑料翼型件部分32完全包围和封裹芯体30。
复合翼型件22由至少两种不同的材料制成。如本文所用，“复合”限定为使塑料材料形成位于形成芯体30的较强的结构性材料上的完成后的翼型件部分32。用语“塑料”限定为表示能够在比芯体30的材料的熔点相对更低的温度下熔融，因此其可流动且容易地模制成最终的合乎需要的形状。
根部40附连至芯体30且用于将复合翼型件22安装到燃气轮机结构上以便运行。根部40可以通过作为一件式子构件来整体地形成(诸如由单件原材料通过锻造或机加工)芯体和根部而附连到芯体30上。芯体30可由任何合适的非塑料材料(诸如金属或陶瓷)制成。或者芯体30和根部40可单独地制成，且芯体可以紧固、焊接或者以其它方式附连到根部上。梢部42定位于复合翼型件22的与根部40沿轴向相对的端部处。轴线B在沿着复合翼型件22的从根部40到梢部42的长度的方向上延伸。
复合翼型件22设计为以便在燃气轮机压缩机的第一组几个级将通常暴露于的典型温度下运行。在用于发电的燃气轮机应用中，“设计运行温度”是预期在压缩机中的第一组几个级中正常运行期间复合翼型件22和翼型件部分32经历的最高温度。第一组几个级中典型的燃气轮机设计运行温度的实例通常处于18℃到200℃的范围中(不作限制)。
在对于复合翼型件22的燃气轮机压缩机轮叶应用中，根部40通常包括榫部部分46，以便将复合翼型件安装在转子叶轮24的凹槽中。翼型件部分32具有前缘60和后缘62。
翼型件部分32是由沿着轴线B间隔开的区段处的一系列点所限定的非常复杂的表面。前缘60和后缘62通常是由相对较小的半径限定的圆表面。该复杂表面、前缘60和后缘62相对难以制造。由于空气动力学原因，通常需要具有带尽可能小的半径(例如0.010英寸，这在之前尚不可实现)的前缘60。对于翼型件部分32，还需要具有不要求机械抛光或涂敷的极平滑和精确的最终形状，这在之前也是不可实现的。具有形成为最终形状或接近最终形状的注射模制塑料翼型件部分32提供了许多优点。
优选地，翼型件部分32完全包围芯体30。在本发明的一方面中，复合翼型件22具有包围金属或陶瓷芯体30的至少一部分的塑料翼型件部分32。然而，将明白的是，芯体30不必由翼型件部分32完全包围且芯体可根据本发明的另一方面被部分地覆盖。模制塑料翼型件部分32而不需要纤维增强件，优选将其注射模制到芯体30上。注射模制工艺能够形成翼型件部分32、前缘60、后缘62以及在前缘和后缘之间延伸的压力侧表面和吸力侧表面的精确的和准确的部分。
复合翼型件22的呈芯体30形式的内部几何结构可以优化频率调谐和结构性需要。可以为了空气动力学性能而修改呈注射模制塑料翼型件部分32的形式的外表面。
在一个示例性的方面中，芯体30具有贯穿该芯体的多个开口82。开口82定位在芯体30的、不因强度或功能而需要连续实体结构的区域中。开口82减轻了芯体30以便有更低的旋转质量，更低的旋转质量通常是合乎需要的特征。开口82在注射模制过程期间接收翼型件部分32的塑料材料的一部分84，以便使翼型件部分相对于芯体30保持就位。开口82不必完全贯穿芯体30，但具有足以接收塑料材料的部分84的深度。塑料材料的该部分84不必完全填充开口82，但延伸到开口中足够的距离，以便使翼型件部分32相对于芯体30保持就位。
通过由注射模制的塑料生成翼型件部分32，可以结合对于空气动力学性能而言合乎需要的最终翼型件形状且优选不需要机加工、抛光或涂敷。因为翼型件部分32与芯体30的内部载荷承载结构分离，对于由吸入的碎屑引起的损坏更有容忍力的设计也是可行的。芯体30的载荷承载结构与翼型件部分32的该分离还增大了可用于制造芯体以最大限度地增强结构特征且最大限度地减轻重量的材料选择的数量。
因此，复合翼型件22以注射模制的塑料翼型件部分32来提供优化的空气动力学形状，且以芯体30来提供合乎需要的结构特性。翼型件部分32的塑料材料可以是任何合适的塑料材料。塑料材料选择为能够经受得住选择该材料在其中运行的燃气轮机特定级的设计运行温度。例如，燃气轮机压缩机的第一级在环境空气温度下以及在与该压缩机的其它以后的级相比较低的压力下运行。
在燃气轮机运行期间，介质M(图3)在所指示的大体方向上相对于复合翼型件22流动。在燃气轮机应用中，介质M通常包括空气。介质M流关于复合翼型件22的方向大体是从前缘60到后缘62。翼型件部分32的塑料材料经受由吸入的碎屑对前缘60的冲击损坏D，梢部42对燃气轮机的结构(诸如罩壳)摩擦R以及来自水汽、盐分或其它细微颗粒的侵蚀E或者腐蚀。
大多数大型燃气轮机并未设计为具有可现场替换的翼型件。通常要求拆卸转子组件20以使得能够在燃气轮机的大多数级上进行替换或修复。注射模制的复合翼型件22可以使翼型件部分32在现场替换，以校正该损坏而不要求从转子叶轮24上移除。翼型件部分32的形状和光洁度可以形成为合乎需要的空气动力学形状，以便以最小的停机时间来提供燃气轮机的最优性能。
可以根据本发明的一方面来替换复合翼型件22的翼型件部分32。在燃气轮机的位置处替换翼型件部分32可以是为了修复损坏或者为了修改或更新翼型件部分的材料、形状或光洁度。替换过程通过接近待操作的复合翼型件22而开始。如图4和5所示意，打开燃气轮机的壳体100。将转子叶轮24旋转到可接近待操作的复合翼型件22的位置。
首先从芯体30上移除复合翼型件22的现有的或当前的翼型件部分32。从芯体30上移除现有的或当前的翼型件部分32可以通过各种过程来完成。举例而言，这些过程可包括机械的、热学的或者化学的移除或者这些过程的任何组合。所使用的实际过程可取决于用于复合翼型件22的现有的或当前的翼型件部分32的材料。
示例性移除过程包括加热复合翼型件22的现有的或当前的翼型件部分32。可以通过使用石英灯或电加热元件来实现这种加热。施加热量直到现有的或当前的翼型件部分32达到预定的温度，在该温度下翼型件部分32变软且易弯曲。一旦达到预定的温度，现有的或当前的翼型件部分32就裂开且从芯体32上剥离。然后，芯体30在仍安装在转子叶轮24上的同时完全暴露。对芯体30进行检查以确定其是否适用于进一步的使用。如果认为芯体30可以使用，则其准备用于该过程中的下一步骤。
注射模制设备的蛤壳式模具组件120(图4-5)安装在芯体30周围并且被密封。模具组件120相对于壳体100保持就位。夹具102附连到壳体100的接合面104上。保持器106在模具组件120和夹具102之间延伸，以便当限制转子叶轮24进行旋转时关于芯体30将该模具组件保持在适当的位置。
模具组件120的各个模具部件122，124(图6-7)具有形成于模具部件中的翼型件的一部分的合乎需要的完成后的形状，其具有用于收缩和翘曲的余量。芯体30在模具内支承于预定的位置，如图5所示。模具120中的定位销140有助于相对于芯体30将模具组件120和翼型件形状恰当地定位在预定位置上。排放口142从模具部件122，124的内部延伸到外部。根部40定位在模具120外部，并且具有接合模具组件120以便相对于该模具来定位芯体30的表面。
模具部件122、124围绕芯体30。模具部件122，124夹在一起或者紧固在一起。提供导管144来将熔融的塑料材料导入到由模具组件120形成的腔体中。塑料材料在注射模制设备中熔融。随着熔融的塑料材料通过导管144流入模具组件120的腔体中，腔体内的空气可以通过模具部件122，124中的排放口142排放或者被排出。
注射模制替换翼型件部分32以包围芯体30的至少一部分且优选包围整个芯体。在注射模制过程期间，芯体30中的开口82填充有翼型件部分32的熔融的塑料材料。这就使翼型件部分32相对于芯体30保持在一定位置。然后塑料材料冷却并硬化以围绕芯体30形成由模具120的腔体所形成的合乎需要的形状。可能需要修剪飞边及最终打磨。替换翼型件部分32准备好在重新装配燃气轮机时使用。
在整个说明书中使用了特定的用语。这些特定用语意图仅仅是代表性的和说明性的，而不用于限制的目的。
已经关于至少一方面描述了本发明。本发明不局限于所公开的方面。修改和其它方面意图包括在所附的权利要求的范围内。

Claims (8)

1.一种替换复合翼型件的一部分(22)的方法，所述方法包括以下步骤：
提供具有需要替换的部分的复合翼型件(22)，所述复合翼型件具有由非塑料材料制成的芯体(30)和用以包围所述芯体的至少一部分的塑料翼型件部分(32)；
移除所述塑料翼型件部分(32)以暴露所述芯体(30)；以及
模制替换塑料翼型件部分(32)以包围所述芯体的至少一部分(30)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模制步骤包括以下步骤：
提供模具(120)；
围绕所述芯体(30)放置和密封所述模具(120)；以及
将可流动塑料材料导入所述模具中。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模制步骤包括注射模制所述替换翼型件部分(32)以完全包围所述芯体(30)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述注射模制步骤包括为所述替换翼型件部分(32)提供最终形状和光洁度的步骤。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述移除步骤包括以机械的方式、以热的方式或者以化学的方式从所述芯体(30)上移除所述塑料翼型件部分(32)。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述芯体(30)设有前缘，且所述模制步骤包括注射模制所述翼型件部分(32)以包围所述芯体的前缘。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述芯体(30)由金属或陶瓷材料制成。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
提供安装在叶轮(24)上的需要替换的复合翼型件(22)；
移除所述塑料翼型件部分(32)，以便在所述芯体安装于所述叶轮(24)上的同时暴露所述芯体(30)；以及
模制所述替换塑料翼型件部分(32)，以便在所述芯体安装于所述叶轮(24)上的同时包围所述芯体(30)的至少一部分。
CNA2009101492017A 2008-05-30 2009-05-27 替换复合翼型件的方法 Pending CN101592044A (zh)

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