CN102239311A

CN102239311A - 用于轴流式涡轮机的导向叶片装置

Info

Publication number: CN102239311A
Application number: CN2009801488378A
Authority: CN
Inventors: U·西贝尔; F·本克勒; R·科斯塔马格纳; B·默滕斯
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-12-05
Filing date: 2009-11-02
Publication date: 2011-11-09
Also published as: WO2010063525A1; RU2011127398A; JP2012510582A; EP2194230A1; US20110286851A1; EP2356319A1

Abstract

本发明涉及一种用于轴流式涡轮机的导向叶片装置(12)，所述导向叶片装置包括至少一个环形的导向叶片支承件(14)和与所述导向叶片支承件(14)同心设置的内环(22)，在所述导向叶片支承件和所述内环之间辐射状地设置多个导向叶片(20)。为了将由导向叶片支承件(14)支承的导向叶片(20)低磨损且尤其耐久地固定在内环(22)上，本发明提出了：所述导向叶片(20)被弹性地固定在内环(22)上。在此，这种固定借助于弹簧元件(52)实现。通过弹簧元件(52)可以确保将导向叶片头部(30)均匀地压靠到内环(22)上或者必要时压靠到另一弹簧元件(52)上，从而可以降低出现的应力和磨损。

Description

用于轴流式涡轮机的导向叶片装置

本发明涉及一种用于轴流式涡轮机的导向叶片装置(Leitschaufel-anordnung)，所述导向叶片装置包括环形的导向叶片支承件和与所述导向叶片支承件同心设置的内环，在所述导向叶片支承件和所述内环之间辐射状地设置多个具有叶身的导向叶片，其中，每个导向叶片固定在所述导向叶片支承件上。

开头所述的导向叶片装置在现有技术中已被广泛已知。例如该导向叶片装置在固定式燃气轮机的压缩机中是已知的，其中，压缩机的导向叶片固定在导向叶片支承件上或者固定在压缩机壳体上。为此，尤其大部分被构造为管形的已知导向叶片支承件在其内壳面上具有沿周向延伸的保持槽，这些保持槽具有底部凹槽(Hinterschneidung)，在该底部凹槽中插入并固定导向叶片或外环。在此，导向叶片一方面被构造为独立的导向叶片，从而其叶身顶端在形成间隙情况下与压缩机的流动路径的内界定壁相对置。例如还由US 20007/0177973A1已知，流动路径的内界定壁是导向叶片的一部分，或者可以由导向叶片本身保持。在这种情况下，或者已知的导向叶片具有分别设置在头侧的覆盖带，该覆盖带就构成了所述界定壁的部分，或者导向叶片在头侧承载内环，该内环的外壳面是流动路径的内界定部。在此，内环在导向叶片装置的导向叶片上的固定通过适合的螺纹连接、焊接或者借助于冲压来实现。

在将内环固定在导向叶片装置的导向叶片上的已知固定方式中，在压缩机运行期间可能会在内环和导向叶片的连接结构上出现裂纹或者出现磨损。磨损迹象由于通过空气动力学的叶片负荷引起的内环旋转而产生和/或由于受热引起的膨胀而产生，所述膨胀由于在压缩机中进行压缩时产生的热量而出现。周期性的叶片负荷变化或者振动也会导致磨损迹象。

此外，从文献GB 2 400 415A和US 2,914,300中已知一种径向向内弹性的叶身固定结构。

因此本发明的目的是，提供一种开头所述类型的用于轴流式涡轮机的导向叶片装置，其实现了能将导向叶片特别简单地、耐受膨胀地、低磨损地以及可靠地固定在内环上。

所述基于本发明的目的通过根据权利要求1的特征的导向叶片装置来实现。

根据本发明规定，在开头所述类型的导向叶片装置中，所述导向叶片包括突入到所述内环的环绕的凹槽中的导向叶片头部，所述导向叶片头部具有连接片和在其上横向延伸的头部部分，并且所述凹槽分别在两个相邻的导向叶片之间的部分中由盖部所封闭，相邻的盖部在形成接纳所述连接片的凹口的情况下彼此间隔开，并且所述导向叶片中的至少一个的所述导向叶片头部借助于至少一个弹簧元件弹性地固定在所述内环上，所述弹簧元件设置在所述凹口的朝向相关的连接片的侧表面中。

本发明基于这样的认识，即导向叶片在内环上的刚性连接是不利的。因此，本发明提出一种连接方式，该连接方式实现了导向叶片能在较小的范围内无磨损地相对于内环进行相对运动，而不会损害连接。因此本发明避开此前的设置方式，在该设置方式中设置了在导向叶片和内环之间的刚性的固定连接。

现在根据本发明，为了将导向叶片固定在内环上而应用简单的弹簧元件。通过应用导向叶片在内环上的一种弹性固定结构，可以实现将相关的导向叶片均匀地挤压在内环上，这使得由热膨胀和/或静态的和/或动态的应力引起的、出现的应力有效地最小化。同时通过这种弹性固定结构可以特别简单地补偿对于简单安装所需要的安装隙部。

通过减少磨损和避免裂纹，可以总地实现设备利用率的提高，因为在应用本发明时省略了对于磨损部件此前所需的检查和修整。另外，可以节约维修费用，必要时还省略了中间检验。此外，所述措施可以很容易地与一些根据现有技术已知的解决方案组合起来，这一点改进了现有涡轮机的维修可能性。

每个相关的导向叶片在内环侧包括沉埋在内环中的、即插入到为此设置的凹槽中的导向叶片头部，借助于该导向叶片头部将导向叶片弹性地固定在内环上。为了使相关的导向叶片可以弹性地固定在内环上，导向叶片包括至少一个构件、即所述导向叶片头部，该导向叶片头部可以与内环连接并且适合于承载该内环。

根据一种简单的设计方案，每个相关的导向叶片的导向叶片头部均包括一连接片，所述连接片分别设置在向外敞开的且设在内环上的凹口内，并且其中，在所述凹口的至少一个朝向相关的连接片的侧表面中设置弹簧元件，所述弹簧元件预紧地贴靠在内环上以及贴靠在相关的导向叶片的连接片上。因此，为了将导向叶片弹性地固定在内环上，设置了另一构件，即所述弹簧元件，所述弹簧元件一方面支承在内环上，另一方面支承在相关的导向叶片的连接片上。在此，如此设计导向叶片装置，使得弹簧元件优选被预紧，进而或者间接地或者直接地将相关的导向叶片的连接片压到内环上，具体而言，压到凹口的两个侧表面中的一个侧表面上。

导向叶片头部借助于连接片和在其上横向延伸的头部部分设计成锤形，其中连接片使头部部分与相关的导向叶片的空气动力学地弯曲的叶身相连接，并且其中内环具有与导向叶片头部相应地成形的、用于接纳导向叶片头部的环绕的凹槽，所述凹槽分别在两个相邻的导向叶片之间的部段中由盖部、即朝向叶身来封闭。通过借助于设置在导向叶片上的锤形的导向叶片头部或者导向叶片钩以及与导向叶片头部形状相应的且设置在内环上的凹槽使导向叶片形状配合地与内环相连接，可以提供一种导向叶片装置，其中内环特别可靠地被导向叶片承载。这种构造方式尤其在下述情况时具有优点：导向叶片装置本身、内环和/或环形导向叶片支承件相应地未被构造为一体，而是通过至少两个弧形的环段构成，这两个环段在安装和/或拆卸时与其他环段分离地操作。盖部一方面阻止内环相对于导向叶片沿外周移位，因为盖部总是设置在两个导向叶片之间，并且进而阻止沿着凹槽的移位行程。另一方面，盖部还用于流动管路的无级界定面。总之，该装置的部件和装置本身都易于制造。

在从属权利要求中给出有利的设计方案。

根据一种有利的设计方案，为每个相关的导向叶片设置两个弹簧元件，这两个弹簧元件设置在所述凹口的彼此对置的侧表面上。由此各个以这种方式支承的导向叶片间接地、即通过弹簧元件预紧地设置在内环上。在此按照适当方式，各个弹簧元件的弹簧力沿内环的周向取向。如果将一种夹紧套筒用作弹簧元件，那么在每个相关的导向叶片的连接片和夹紧套筒之间仅存在线性接触，由此该导向叶片在连接位置上的静态负荷比在平面固定的导向叶片时的静态负荷更小。因为静态负荷主要通过由空气动力学的叶片负荷引起的、内环的沿周向发生的移位来实现，所以沿周向需要弹性支承形式的且容忍移位的固定，以便避免磨损和裂纹产生以及裂纹扩展。

为了简单地制造所述导向叶片装置，在下述情况下具有优点：内环包括两个分环，这两个分环能在其组装成一体的内环之后进行安装。

如果所述导向叶片装置尤其应用在固定式涡轮机中，在下述情况下具有优点：导向叶片装置自身包括两个或者多个环段，也就是说，内环和/或环形的导向叶片支承件被构造为弧形环段。因为导向叶片装置和其部件属于涡轮机的不能相对转动的构件，上述构件如果应用于固定区域中而具有分型面，由此不能相对转动的所述组件分为上半部分和下半部分，所以分为两个各180°大的环段的导向叶片装置尤其适合于固定式涡轮机。那么可以将单个构件简单地安装成整体环形的导向叶片装置。所述导向叶片装置优选应用于涡轮机中，该涡轮机尤其可以被构造为轴流式压缩机或者轴流式涡轮机。此外，导向叶片支承件可以设置在单独的壳体之内或者也可以自身被构造为壳体。

结合附图描述本发明。在此，其他优点和其他特征由附图说明给出。其中示出了：

图1以透视图示出了轴流式涡轮机的导向叶片装置12的扇形件10；

图2是图1的分解图；

图3以纵剖面图示出导向叶片和内环的根据本发明的连接结构；

图4在没有导向叶片的情况下示出内环的一部分；

图5示出根据截面V-V的侧视图；以及

图6和图7对于根据现有技术固定的导向叶片来说和对于根据本发明固定的导向叶片来说示意性示出通过负载和支承反作用引起的导向叶片扭曲。

图1以透视图示出轴流式涡轮机的导向叶片装置12的扇形件10。该扇形件10设计成弧形并且围成180°的弧形。在图1中所示的两个扇形件10可以组合成根据本发明的导向叶片装置12，该导向叶片装置12就呈环形了。在导向叶片支承件14的内表面16上设有沿轴向延伸的用于接纳导向叶片20的凹槽18。在图2中示出，要插入到凹槽18中的导向叶片20基于分解式图示方式与导向叶片支承件14错开。在此，导向叶片20的径向外部相应地称为导向叶片根部，而导向叶片20的径向内部称为导向叶片头部。在导向叶片根部和导向叶片头部之间，导向叶片20具有以空气动力学的方式弯曲的叶身。在头侧在导向叶片20上设有内环22，其中图2仅示出180°大的扇形件。在此内环22或者说其扇形段由两个分环36、38或者说分环段组成。

因此，由两个扇形件10组成的导向叶片装置12包括导向叶片20的环，该环已知作为导向叶环并且可以是压缩机级或者涡轮机级的部分。

导向叶片支承件14被固定在轴流式涡轮机、例如压缩机的未进一步示出的壳体上，或者该导向叶片支承件本身设计成壳体。导向叶片支承件14支承着在内部固定在其上的导向叶片20，所述导向叶片本身在内部头侧支承着内环22。在此，内环22的外壳面和导向叶片支承件14的内表面16形成用于流经轴流式涡轮机的介质的径向内部和外部的界定部。如果轴流式涡轮机设计成压缩机，那么该介质是已被压缩的或者要压缩的空气。

图3以纵剖面图(按照轴流式涡轮机)示出导向叶片20和内环22的根据本发明的连接结构。属于导向叶片20的叶身28仅部分地示出。在叶身28上，在导向叶片20的头侧区域上设置导向叶片头部30，该导向叶片头部30具有连接片32以及在其上横向延伸的头部部分34。借助于连接片32和头部部分34，导向叶片头部30从横截面观察整体呈锤形。

内环22设有向外敞开的凹槽44，该凹槽的纵截面轮廓与导向叶片头部30相应。内环22包括两个分环36、38，这两个分环本身根据图2同样设计成180°大的弧形段。分环36、38或者说分环段通过焊接部40彼此固定连接。分环36、38分别具有彼此指向的凸出部42、43，以相应形成底部凹槽(Hinterschneidung)，通过该底部凹槽可以沿径向固定锤形的导向叶片头部30。

图4以透视图示出内环22的部段，其中为清楚起见，分环36、38并没有处于其最终结构位置，而是在间隔开的情况下示出。在其最终结构位置中，两个凸出部42、43尽可能无间隙地彼此贴合。在分环36的凸出部43中为每个导向叶片20设置凹口46，在图4中示出了其中的两个凹口。凹口46用于接纳导向叶片20的导向叶片头部30的连接片32。因而凸出部43在这些凹口之间构成盖部47，盖部封闭两个导向叶片20之间的凹槽44，以便提供无错位的流动路径。因此，在两个相邻的盖部47之间分别设置一凹口46，连接片32纳入凹口46(图3)。为了清楚起见，在图3中示出的导向叶片20在图4中未示出。每个凹口46均具有两个彼此对置的侧表面48。在每个凹口46的两个侧表面48的至少其中一个中设置另一凹腔50，在凹腔中设置被设计成夹紧环的弹簧元件52以用于将导向叶片20弹性地固定在内环22上。在图4中仅示意性示出在凹口46(在那里在更靠左侧示出)中的弹簧元件52。图5以侧视图示出分环36的部段(在图4中更靠右侧示出)。凹口46由两个侧表面48限定，在这两个侧表面中分别设有凹腔50。该凹腔50基本呈圆弓形，并且在凹口46的整个轴向长度上延伸。在此，该凹腔50在掏制凹口46之前例如可以通过钻孔或者侵蚀方法来制造。在此，凹腔50如此布置，使得凹腔50的位于轴流式涡轮机的径向平面中的直径设置在凸出部43或者说盖部47中，从而凹口46仅包括孔圆(Bohrkreis)的较小的部段。夹紧套筒的直径仅比凹腔50的直径略小。通过凹腔50的所选位置，被设计成夹紧套筒的弹簧元件52还能以如此程度插入凹口46，使得在那里设置的连接片32(在图5中未示出)通过弹簧元件52弹性地固定在内环22上。基于凹口46的所选择的布置，弹簧元件的力方向沿周向作用于凹腔50和弹簧元件52。

基于凹腔50的位置可以避免弹簧元件52从凹腔50掉入到凹口46中。这一点简化了导向叶片装置12的组装。

当然，弹簧元件52还可以支承在凹腔中，该凹腔设在连接片32上而不是设置在凹口46的侧表面48上。

图6和图7对于根据现有技术固定的导向叶片(图6)来说和对于根据本发明固定的导向叶片(图7)来说示意性示出导向叶片20的通过负载和支承反作用引起的扭曲。

因为在头侧根据现有技术固定的导向叶片20特别强烈地扭曲，所以在其最薄弱的位置上，即在导向叶片头部32上，或者在内环上可能会出现特别高的负荷和磨损，这种负荷和磨损根据负荷的情况可能会导致裂纹形成和裂纹扩展。现在利用本发明提出了导向叶片头部30的弹性的固定结构、进而提出了要称为活动支承结构的固定结构，这种固定结构使得导向叶片20通过载荷和支承反作用引起的明显较小的扭曲。由此可以降低在导向叶片头部32上的负荷，这延迟或者阻止了裂纹和磨损的形成。特别是，内环沿周向由于空气动力学的叶片负荷出现的周向的移位引起了叶片的静态负荷，该叶片与根据现有技术固定的导向叶片相比通过根据本发明的连接方式更好地得以补偿。

总之，本发明涉及一种用于轴流式涡轮机的导向叶片装置12，该导向叶片装置12包括至少一个环形的导向叶片支承件14和与该导向叶片支承件14同心设置的内环22，在导向叶片支承件和内环之间辐射状地设置多个导向叶片20。为了将由导向叶片支承件14支承的导向叶片20无磨损且尤其耐久地固定在内环22上，提出了将导向叶片20弹性地固定在内环22上。在此，这种固定借助于弹簧元件52来实现。通过弹簧元件52可以确保将导向叶片头部30均匀地压靠到内环22上或者必要时压靠到另一弹簧元件52上，从而可以降低所出现的应力和磨损。

Claims

1.用于轴流式涡轮机的导向叶片装置(12)，所述导向叶片装置包括环形的导向叶片支承件(14)和与所述导向叶片支承件(14)同心设置的内环(22)，在所述导向叶片支承件和所述内环之间辐射状地设置多个具有叶身(28)的导向叶片(20)，

其中，每个导向叶片(20)固定在所述导向叶片支承件(14)上，

其特征在于，

所述导向叶片(20)包括插入到所述内环(22)的环绕的凹槽(44)中的导向叶片头部(30)，所述导向叶片头部具有连接片(32)和在其上横向延伸的头部部分(34)，并且所述凹槽(44)分别在两个相邻的导向叶片(20)之间的部分中由盖部(47)封闭，

相邻的盖部(47)在形成接纳所述连接片(32)的口(46)的情况下彼此间隔开，并且

所述导向叶片(20)中的至少一个的所述导向叶片头部借助于至少一个弹簧元件(52)弹性地固定在所述内环(22)上，所述弹簧元件设置在所述凹口(46)的朝向相关的连接片(32)的侧表面(48)中。

2.根据权利要求1所述的导向叶片装置(12)，

其中，所述弹簧元件(52)预紧地贴靠在所述内环(22)上以及贴靠在相关的导向叶片(20)的所述连接片(32)上。

3.根据权利要求1或2所述的导向叶片装置(12)，

其中，为每个相关的导向叶片(20)设置两个弹簧元件(52)，所述两个弹簧元件设置在所述口(46)的彼此对置的侧表面(48)上。

4.根据权利要求1、2或3所述的导向叶片装置(12)，

其中，所述弹簧元件(52)设计成夹紧套筒。

5.根据权利要求1至4之一所述的导向叶片装置(12)，

其中，在所述侧表面(48)中设置用于接纳所述弹簧元件(52)的凹腔(50)，所述弹簧元件(52)部分地从所述凹腔伸出。

6.根据权利要求1至5之一所述的导向叶片装置(12)，

其中，弹力沿所述内环(22)的周向取向。

7.根据权利要求1至6之一所述的导向叶片装置(12)，

其中，所述内环(22)包括两个分环(36、38)。

8.根据权利要求1至7之一所述的导向叶片装置(12)，

其中，所述内环(22)和/或所述环形的导向叶片支承件(14)包括至少两个环段。

9.根据权利要求1至8之一所述的导向叶片装置(12)，

其中，所述导向叶片支承件(14)构成壳体。

10.具有根据权利要求1至9之一所述的导向叶片装置(12)的涡轮机。

11.根据权利要求10所述的涡轮机，

所述涡轮机设计成轴流式压缩机或者轴流式涡轮机。