CN101839498A - 具有径向挡块和窄槽的涡轮机单喷嘴组件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有径向挡块和窄槽的涡轮机单喷嘴组件,具体而言,提供了一种用于涡轮机的喷嘴组件,该喷嘴组件包括翼型件、内侧壁和外侧壁以及内环和外环。侧壁和环通过使用焊接和机械相互连接部而联接在一起,包括轴向和径向挡块以允许正确组装,从而确保部件在焊接期间正确的径向和轴向位置,以使焊接收缩最小化并控制轴向焊缝长度。该构造还可在环和成角度地远离界面以形成窄槽的侧壁之间的界面处包括一个或多个表面。该构造还可包括具有可消耗根部的环,以便于焊接,并提供夹紧挡块以进一步确保部件保持在正确位置上。
Description
相关申请的交叉引用
本专利申请涉及共同转让的与本申请同时提交的序列号为12/402081、标题为“TURBINE SINGLET NOZZLE ASSEMBLY WITHMECHANICAL AND WELD FABRICATION”的美国专利申请。
技术领域
本发明一般地涉及涡轮机技术。更特别地,本发明涉及具有用于焊缝坡口加工(weld preparation)的径向挡块和窄槽的涡轮机单喷嘴组件设计。
背景技术
涡轮机(包括燃气或蒸汽涡轮机)包括喷嘴组件,该喷嘴组件将蒸汽或燃气流引入联接到旋转轴上的转动叶片,以使旋转轴转动。用于喷嘴组件的一种构造包括单设计,其在内侧壁和外侧壁之间包括叶片或翼型件,且侧壁分别联接到内环和外环上,并在侧壁和环之间的界面处具有机械轴向挡块。
制造这些单喷嘴组件的当前方法需要横跨侧壁和环的界面将喷嘴组件的不同部件焊接在一起。然而,某些焊接技术会引入大量的热,以及大量的焊接填充材料,这会使被焊接的单喷嘴的部件变形。因此,典型地使用诸如浅电子束焊接、浅激光焊接的低热焊接类型,而不优选诸如钨极气体保护电弧焊(GTAW)(也已知为钨极惰性气体(TIG)保护焊)和气体保护金属极电弧焊(GMAW)(也已知为金属惰性气体(MIG)保护焊)的高热焊接类型,因为它们由于大量的焊接填充材料和/或高热输入而可使被焊接的部件变形。
发明内容
本发明的实施例包括用于涡轮机的喷嘴组件,该喷嘴组件包括翼型件、内侧壁和外侧壁以及内环和外环。内环和内侧壁(以及类似地外环和外侧壁)经由机械元件和焊接在界面处相互连接。相互连接部包括轴向和径向的机械挡块以允许精确组装,从而确保部件在焊接期间正确的径向和轴向位置,以使焊接收缩最小化并控制轴向焊缝长度。该构造还可在环和成角度地远离界面的侧壁之间的界面处包括一个或多个表面,以形成窄槽。该构造还可包括具有便于焊接的可消耗根部的环,并提供夹紧挡块以进一步确保部件保持在正确位置。该构造进一步构造成使得焊缝根部上的应力集中处于大体垂直的方向上。
本公开的第一方面提供一种用于涡轮机的喷嘴组件,该喷嘴组件包括:具有外侧壁的至少一个翼型件;在界面处机械地联接到外侧壁上的外环;在外侧壁和外环的界面处的机械轴向挡块,该机械轴向挡块构造成将至少一个翼型件保持在正确的轴向位置上;以及外侧壁和外环的界面处的机械径向挡块,该机械径向挡块构造成将至少一个翼型件保持在正确的径向位置上,其中,(a)界面处的外环的一部分和(b)界面处的外侧壁的一部分中的至少一个成角度地远离界面,以在外环和外侧壁之间形成窄槽。
本公开的第二方面提供一种用于涡轮机的喷嘴组件,该喷嘴组件包括:具有内侧壁的至少一个翼型件;在界面处机械地联接到内侧壁上的内环;内侧壁和内环的界面处的机械轴向挡块,该机械轴向挡块构造成将至少一个翼型件保持在正确的轴向位置上;以及内侧壁和内环的界面处的机械径向挡块,该机械径向挡块构造成将至少一个翼型件保持在正确的径向位置上,其中,(a)界面处的内环的一部分和(b)界面处的内侧壁的一部分中的至少一个成角度地远离界面,以在内环和内侧壁之间形成窄槽。
附图说明
图1A示出了根据本发明实施例的用于涡轮机的喷嘴组件的示意图;
图1B示出了根据本发明实施例的用于涡轮机的喷嘴组件的三维示意图;
图2A-2C示出了根据本发明实施例的喷嘴组件的侧壁和环之间的界面的分解横断面视图;
图3-4示出了根据本发明实施例的喷嘴组件的侧壁和环之间的界面的分解横断面视图。
部件列表
80 | 界面 |
90 | 焊接区域 |
100 | 喷嘴组件 |
102 | 翼型件、叶片 |
104 | 内侧壁 |
105,111 | 部分 |
106 | 外侧壁 |
107 | 机械轴向挡块 |
108 | 内环 |
109 | 机械径向挡块 |
110 | 外环 |
112 | 第一凹阶梯 |
114 | 第一凸阶梯 |
80 | 界面 |
116 | 第二凹阶梯 |
118 | 第二凸阶梯 |
120 | 槽 |
122 | 根部 |
具体实施方式
参考附图,图1A示出了用于燃气或蒸汽涡轮机(未示出)的喷嘴组件100的线条画示意图,而图1B示出了喷嘴组件100的三维示意图。喷嘴组件100包括具有内侧壁104和外侧壁106的至少一个翼型件102。喷嘴组件100还包括内环108和外环110。如本文所用,内和外指相对于转子(未示出)的径向位置,翼型件102的内端部经由内环108联接到转子上。内环108和内侧壁104在界面处机械地并通过焊接联接在一起,并且类似地,外环110和外侧壁106在界面80处机械地并通过焊接联接在一起,该界面80理解为指环和侧壁相邻和联接的整个区域。内环108和内侧壁104(并且类似地外环110和外侧壁106)沿界面80在若干点处焊接在一起。焊接在一起的界面80的多个焊接区域一般地在图1A中示出为区域90。
环108、110和侧壁104、106之间的多个界面80各包括机械径向挡块109,该挡块109在焊接期间将叶片102保持在正确的径向位置上并防止焊接变形。各界面80还包括机械轴向挡块107,该挡块107将叶片102保持在正确的轴向位置上并控制焊缝长度深度。这些机械挡块107、109包括一系列凸阶梯组成的相互连接部,这些凸阶梯与本文更详细描述的互补部件的相应的凹阶梯接合。这样,界面80包括焊接区域90和机械相互连接部107、109两者。
图2A和2B中示出了外环110和外侧壁106之间的界面80的分解图。图2A示出了外环110和外侧壁106的界面80的线条画,其为了解释目的而放大,且外环110和外侧壁106尚未连接。如图2B中所示,一旦外环110和外侧壁106匹配在一起,则侧壁106和环110之间的界面80包括机械轴向和径向挡块107、109,也就是,与互补部件的相应凹阶梯接合的一系列凸阶梯的相互连接部。
例如,如图2A中所示,机械轴向挡块107可由包括第一凹阶梯112的外环110和包括相应的第一凸阶梯114的外侧壁106形成。机械径向挡块109可由具有邻近第一凹阶梯112的第二凹阶梯116的外环110和包括邻近第一凸阶梯114的相应第二凸阶梯118的外侧壁106形成。图2B示出了联接后的外环110和外侧壁106的界面80的分解图,包括机械径向挡块109和机械径向挡块107。
备选地,如图2C中所示,机械轴向挡块107和机械径向挡块109可通过反转与互补部件的凹阶梯接合的凸阶梯的相互连接而形成。换句话说,尽管在其它图中示出了外侧壁106包括中心凸阶梯,并且外环110示出为具有中心凹阶梯,但也公开了如图2C中所示的相反关系。外侧壁106可相反地包括中心凹阶梯,而外环110可包括中心凸阶梯。也应注意的是,尽管凹阶梯和凸阶梯在二维图中示出为大体上水平,但这些部件也可成角度,以帮助喷嘴组件的部件的适当放置。
在图3中公开了根据本发明的一个实施例的喷嘴组件110的外侧壁106和外环110之间的界面80的另一个实施例。如图3中所示,外侧壁106通过界面80联接到外环110上,如上所讨论的那样,界面80包括与互补部件的相应凹阶梯接合的凸阶梯的相互连接部,以提供机械轴向挡块109和机械径向挡块107。此外,界面80处的一个或多个表面可成角度地远离该界面以便形成窄槽120。在图3中示出的实施例中,示出为部分111的外环110的一部分成角度地远离界面80以便形成窄槽120。窄槽120可通过使外环110的成角度部分111以大约0°到大约11°范围内的角度成角度而形成。尽管外环110显示为具有成角度地远离界面80的部分111,但外侧壁106可替代地具有成角度地远离界面80的部分。
也如图3中所示的实施例所示,外环110还可包括突出的可消耗根部122,该根部向外侧壁106和外环110之间的界面80延伸。可消耗根部122可包括具有适于在外环110和外侧壁106之间的界面80处便于焊接的任何形状和大小的材料。例如,可消耗根部122可包括斜面、或方形底槽。可消耗根部122可充当用于诸如TIG焊接的焊接的可消耗根部,或可充当诸如电子束焊接(EBW)的焊接的夹具挡块,以确保部件被保持在正确位置上。
尽管可使用传统的低热焊接技术将外环110和外侧壁106焊接在一起,但本公开的喷嘴组件也允许高热焊接,例如GTAW(使用通电或非通电的填充焊丝)、GMAW或EBW。如果使用GTAW(也已知为TIG)焊接,则可使用手工TIG焊接或全自动TIG焊接。
使用本发明实施例的构造,外侧壁106和外环110之间的焊缝根部上的应力集中在大体上垂直的方向上。另外,焊缝深度与宽度的比优选地在大约3∶1至10∶1的范围内。
在图4中所示的本发明的另一个实施例中,邻接外环110的外侧壁106的边缘(显示为部分105)也成角度地远离界面80。与图3相反,其中仅环/侧壁界面处的一个表面成角度地远离界面80,图4中所示的实施例包括成角度地远离界面80的表面105、111两者,以便形成窄槽120。此外,部分105以大约0°到11°范围内的角度成角度地远离界面80。
也应当注意的是,尽管本公开相对于外侧壁106和外环110讨论本发明的实施例,但对于内侧壁104和内环108也公开了类似的实施例。至于内侧壁104和内环108,与互补部件的相应凹阶梯接合的凸阶梯的构造可与用于外侧壁106和外环110的那些构造相同,或者可为该构造的镜像。
用语“第一”、“第二”等,本文中并不指任何顺序、数量或重要性,而是用来把一个元件与另一个元件区别开,并且用语“一”和“一个”在本文中不是指数量的限制,而是指至少一个所引用项目的存在。与数量相关使用的修饰词“大约”包括所述的值,并且具有由上下文所规定的意思,(例如,包括与特定量的测量相关的误差度)。本文所使用的复数形式“(多个)”意图包括它所修饰用语的单数和复数,因此包括一个或多个该项目(例如,(多种)金属包括一种或多种金属)。本文所公开的范围是包含性的,并可独立地组合(例如,“直到大约25wt%或更具体地,大约5wt%到20wt%”的范围包括端点和“大约5wt%到大约20wt%”范围内的所有中间值,等等)。
尽管本文描述了不同的实施例,但将从说明书了解的是,其中元件的不同组合、变型或改进可由本领域技术人员做出,并且在本发明的范围内。另外,在不脱离本发明实质范围的情况下,可做出许多改型以使特殊情况或材料适应本发明的教导。因此,意图使本发明不限于以被认为是实施本发明的最佳方式而公开的特定实施例,而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。
Claims (15)
1.一种用于涡轮机的喷嘴组件(100),所述喷嘴组件(100)包括:
具有外侧壁(106)的至少一个翼型件(102);
在界面(80)处机械地联接到所述外侧壁(106)上的外环(110);
在所述外侧壁(106)和所述外环(110)的所述界面(80)处的机械轴向挡块(107),所述机械轴向挡块(107)构造成将所述至少一个翼型件(102)保持在正确的轴向位置上;以及
所述外侧壁(106)和所述外环(110)的所述界面(80)处的机械径向挡块,所述机械径向挡块构造成将所述至少一个翼型件(102)保持在正确的径向位置上;
其中,(a)所述界面(80)处的所述外环(110)的一部分(105,111)和(b)所述界面(80)处的所述外侧壁(106)的一部分(105,111)中的至少一个成角度地远离所述界面(80),以在所述外环(110)和所述外侧壁(106)之间形成窄槽(120)。
2.如权利要求1所述的喷嘴组件,其特征在于,所述外环(110)还包括突出的可消耗根部(122),所述可消耗根部(122)向所述外侧壁(106)和所述外环(110)的所述界面(80)延伸。
3.如权利要求1所述的喷嘴组件,其特征在于,所述外环(110)的所述部分(105,111)或者所述外侧壁(106)的所述部分(105,111)在所述界面(80)处以大约0°到大约11°范围内的角度成角度地远离所述界面(80)。
4.如权利要求1所述的喷嘴组件,其特征在于,所述机械轴向挡块(107)包括:
(a)具有第一凹阶梯(112)的所述外环(110)和具有相应第一凸阶梯(114)的所述外侧壁(106);或者
(b)具有第一凹阶梯(112)的所述外侧壁(106)和具有相应第一凸阶梯(114)的所述外环(110);并且
其中,所述机械轴向挡块(107)使得所述外环(110)和所述外侧壁(106)之间能够互锁接合。
5.如权利要求4所述的喷嘴组件,其特征在于,所述机械径向挡块包括:
(a)具有邻近所述第一凹阶梯(112)的第二凹阶梯(116)的所述外环(110),和具有邻近所述第一凸阶梯(114)的相应第二凸阶梯(118)的所述外侧壁(106);或者
(b)具有邻近所述第一凹阶梯(112)的第二凹阶梯(116)的所述外侧壁(106),和具有邻近所述第一凸阶梯(114)的相应第二凸阶梯(118)的所述外环(110);并且
其中,所述机械径向挡块也使得所述外环(110)和所述外侧壁(106)之间能够互锁接合。
6.如权利要求1所述的喷嘴组件,其特征在于,所述界面(80)处的所述外环(110)的所述部分(105,111)和所述界面(80)处的所述外侧壁(106)的所述部分(105,111)两者均成角度地远离所述界面(80)。
7.如权利要求6所述的喷嘴组件,其特征在于,所述界面(80)处的所述外环(110)的所述部分(105,111)和所述界面(80)处的所述外侧壁(106)的所述部分(105,111)以大约0°到大约11°范围内的角度成角度地远离所述界面(80)。
8.如权利要求1所述的喷嘴组件,其特征在于,所述外环(110)的部分(105,111)和所述外侧壁(106)使用如下焊接工艺之一焊接在一起:使用通电填充焊丝的钨极气体保护电弧焊(GTAW)、使用非通电填充焊丝的钨极气体保护电弧焊、气体保护金属极电弧焊(GMAW)或电子束焊接(EBW)。
9.如权利要求8所述的喷嘴组件,其特征在于,所述外侧壁(106)和所述外环(110)之间的焊缝上的应力集中在大体上垂直的方向上。
10.如权利要求8所述的喷嘴组件,其特征在于,焊缝的深度与所述焊缝的宽度的比率在大约3∶1至10∶1的范围内。
11.一种用于涡轮机的喷嘴组件(100),所述喷嘴组件(100)包括:
具有内侧壁(104)的至少一个翼型件(102);
在界面(80)处机械地联接到所述内侧壁(104)上的内环;
在所述内侧壁(104)和所述内环(108)的所述界面(80)处的机械轴向挡块(107),所述机械轴向挡块(107)构造成将所述至少一个翼型件(102)保持在正确的轴向位置上;以及
所述内侧壁(104)和所述内环(108)的所述界面(80)处的机械径向挡块,所述机械径向挡块构造成将所述至少一个翼型件(102)保持在正确的径向位置上;
其中,(a)所述界面(80)处的所述内环(108)的一部分(105,111)和(b)所述界面(80)处的所述内侧壁(104)的一部分(105,111)中的至少一个成角度地远离所述界面(80),以在所述内环(108)和所述内侧壁(104)之间形成窄槽(120)。
12.如权利要求11所述的喷嘴组件,其特征在于,所述内环还包括突出的可消耗根部(122),所述可消耗根部(122)向所述内侧壁(104)和所述内环(108)的所述界面(80)延伸。
13.如权利要求11所述的喷嘴组件,其特征在于,所述界面(80)处的所述内环(108)的所述部分(105,111)或者所述界面(80)处的所述内侧壁(104)的所述部分(105,111)以大约0°到大约11°范围内的角度成角度地远离所述界面(80)。
14.如权利要求11所述的喷嘴组件,其特征在于,所述机械轴向挡块(107)包括:
(a)具有第一凹阶梯(112)的所述内环(108)和具有相应第一凸阶梯(114)的所述内侧壁(104);或者
(b)具有第一凹阶梯(112)的所述内侧壁(104)和具有相应第一凸阶梯(114)的所述内环(108);并且
其中,所述机械轴向挡块(107)使得所述内环(108)和所述内侧壁(104)之间能够互锁接合。
15.如权利要求14所述的喷嘴组件,其特征在于,所述机械径向挡块包括:
(a)具有邻近所述第一凹阶梯(112)的第二凹阶梯(116)的所述内环(108),和具有邻近所述第一凸阶梯(114)的相应第二凸阶梯(118)的所述内侧壁(104);或者
(b)具有邻近所述第一凹阶梯(112)的第二凹阶梯(116)的所述内侧壁(104),和具有邻近所述第一凸阶梯(114)的相应第二凸阶梯(118)的所述内环(108);并且
其中,所述机械径向挡块(109)也使得所述内环(108)和所述内侧壁(104)之间能够互锁接合。
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