CN102741007B - 在槽口上执行两个通道的叶轮的束焊接的方法；具有这种焊接构型的叶轮和涡轮机械 - Google Patents

Abstract

根据这些示例性实施例的方法提供了用于与离心压缩机中的叶轮相关联的叶轮叶片(60)的焊接技术。根据一个示例性实施例，叶轮叶片(60)的连接区域具有“锤”形截面区域(70)，该截面有利于连接区域到叶片(60)待连接到的表面或主体中的槽口的束焊接。

Description

在槽口上执行两个通道的叶轮的束焊接的方法；具有这种焊接构型的叶轮和涡轮机械

技术领域

本发明大体上涉及压缩机，并且更具体而言，涉及用于焊接压缩机叶轮(impeller)的技术。

背景技术

压缩机是一种通过使用机械能来加速气体粒子以最终增加例如气体的可压缩流体的压力的机器。压缩机被用于多种不同的应用，包括作为燃气涡轮发动机的初始级来操作。在各种类型的压缩机中存在所谓的离心压缩机，在其中，机械能例如通过旋转可压缩流体所通过的离心叶轮(有时也称为“转子”)而以离心加速的方式作用于到压缩机的气体输入。更一般地说，离心压缩机可被称为是称作“涡轮机械”或“涡轮旋转机械”的一类机械的一部分。

离心压缩机可配备有单个叶轮，即单级构型，或者配备有串联的多个叶轮，在这种情况下，压缩机常常被称为多级压缩机。离心压缩机的每一级通常包括用于待压缩气体的入口管道、能够赋予输入气体动能的叶轮以及将离开转子的气体的动能转化为压力能的扩散器。

叶轮通常包括多个叶片，这些叶片相对于彼此径向设置以形成朝叶轮的中心会聚的多个通路，并且在操作过程中，可压缩气体通过这些通路流动。叶片在一端连接到轮毂，并且在另一端连接到围带。归因于例如叶轮旋转所处的高速度以及提供到离心压缩机的可压缩气体所处的高密度，这样的叶轮在操作期间经受相当大的应力。因此，重要的是将这样的叶轮设计成经得住这样的应力并长时期稳定地操作。

因此，叶片连接到轮毂和围带的方式对于叶轮的总体设计很重要，并且此前已经使用了多种不同的连接技术。并不少见的是，将叶片与轮毂作为一件一起铣削，并且然后例如通过焊接被连接到围带。例如，如图1所示，虽然在顶端附近具有小的平坦部分，但叶轮叶片10具有大体上三角形形状的截面连接区域，并且与轮毂12一体地形成。该叶片10可使用内部手动电弧焊技术连接到围带14。在其中形成五个电弧焊通道(如区1-5所示)，以将叶片10的端部焊接到围带14的表面。然而，该连接工艺遭受手动工艺的共同缺点，例如，焊缝中缺乏均匀性且成本效率低，前者由于手动焊接连接工艺在叶片中形成的几何形状变化而导致连接处变形缺陷，该缺陷阻止叶轮承受操作应力。因此，叶片在使用手动电弧焊连接到围带之后的最终形状将随叶轮内的叶片的不同而变化。

也已经提出自动的外部连接技术。例如，如图2中所示，自动的钨惰性气体(TIG)焊接工艺可用于将叶片20附连到围带22。在该连接机制中，在围带22中形成槽口24，槽口24初始用相对较薄的金属部分或膜26覆盖。在该技术中，可以看到，叶片20的连接区域具有大致矩形的截面形状。焊接从围带22的外部通过一系列焊接通道(weldingpass)(在图2中标为区1-7)进行，第一个焊接通道使薄金属部分26熔融，其余焊接通道填充在槽口24中。该焊接工艺也意图在叶片20与围带22之间生成圆角半径(弯曲的连接区域)。然而，由于该焊接工艺本身旨在在叶片20的任一侧上生成弯曲区域，结果是在叶轮内的各个叶片之间生成固有的不均匀的圆角半径。

也已经使用电子束和激光束焊接技术来将叶轮叶片连接到围带。如图3中所示，通过将电子束或激光束通过围带34直接施加到叶片30的连接区域并将叶片30熔融到围带34上，可将铣削到轮毂32上且具有典型的矩形连接区域截面的叶片30焊接到围带34上。然而，该方法还具有多个缺点。例如，在叶片30与围带34之间的连接区域中，不存在由该焊接工艺生成的圆角半径，即，叶片30的边缘仍然是直的且相对于围带的表面垂直。此外，不存在渗入围带34中的叶片30的连接区域，这导致不完整的焊缝。从制造角度来看，这样的不完整焊缝使得以往的电子束或激光束焊接技术不适合用于制造叶轮。这些技术的另一个缺点是与焊接工艺相关联的精度的缺乏，这使得难以直接在叶片尖端的中心中提供焊接，从而在接头中形成额外的缺陷。当叶片形状的复杂度例如弯曲和扭转增加时，该问题变得更加明显。

也已经使用或者单独或者与束焊接技术结合的硬焊技术来将叶轮附连到其它表面。然而，这些技术也存在上述渗透缺乏、圆角半径缺乏和焊接不完整问题。此外，使用硬焊技术形成的接头不均匀，从而导致接头的机械特性潜在地降低，特别是在包含可侵蚀硬焊材料的腐蚀性气体的操作条件下。

因此，将期望设计和提供用于叶轮叶片到例如围带的其它表面的电子束/激光束焊接的技术，该技术克服了现有焊接技术的上述缺点。

发明内容

示例性实施例涉及用于使自动束焊接技术能够用于将叶轮叶片接合到例如围带的系统和方法。根据一个示例性实施例，叶轮叶片的连接区域具有“锤”形截面区域，该截面有利于连接区域与叶片待连接到的表面或主体中的槽口之间的束焊接。

根据示例性实施例，一种用于将叶轮叶片束焊接到表面的方法包括下列步骤：将叶轮叶片连接区域插入到表面中的槽口内；在叶轮叶片连接区域的第一侧上执行第一束焊接通道以将叶轮叶片连接区域的第一侧焊接到槽口的一侧；以及在叶轮叶片连接区域的第二侧上执行第二束焊接通道以将叶轮叶片连接区域的第二侧焊接到槽口的另一侧。

根据另一个示例性实施例，一种叶轮包括：轮毂，其具有多个铣削在其中的叶轮叶片；和围带，其具有形成在其中的槽口并且通过将叶轮叶片连接区域的两侧中的每一个束焊接到槽口中的一个的对应侧而在叶轮叶片连接区域处连接到多个叶轮叶片中的每一个。

根据又一个示例性实施例，一种涡轮机械包括：转子组件，其包括至少一个叶轮；轴承，其连接到且用于可旋转地支承转子组件；和定子，其中，该至少一个叶轮包括：轮毂，其具有多个铣削在其中的叶轮叶片；和围带，其具有形成在其中的槽口并且通过将叶轮叶片连接区域的两侧中的每一个束焊接到槽口中的一个的对应侧而在叶轮叶片连接区域处连接到多个叶轮叶片中的每一个。

附图说明

附图示出示例性实施例，其中：

图1示出了用于叶轮叶片的手动电弧焊技术；

图2描绘了用于叶轮叶片的自动外部焊接技术；

图3示出了用于叶轮叶片的常规束焊接技术；

图4描绘了示例性的离心压缩机，其中可采用根据示例性实施例制造的叶轮；

图5和图6示出了可根据示例性实施例制造的示例性叶轮；

图7根据示例性实施例描绘了用于将叶轮束焊接到另一个表面的叶轮连接区域和方法；以及

图8是流程图，其根据示例性实施例示出了用于将叶轮焊接到另一个表面的方法。

具体实施方式

示例性实施例的下列详细描述参考了附图。不同图中的相同附图标记表示相同或类似的元件。另外，下列详细描述不限制本发明。相反，本发明的范围由所附权利要求限定。

为了为与根据这些示例性实施例的焊接技术和叶轮叶片连接区域形状有关的后续讨论提供一些背景，图4示意性地示出了其中可以采用使用这种技术制成的叶轮的多级离心压缩机40。其中，压缩机40包括其中安装有旋转的压缩机轴44的箱或壳体(定子)42，压缩机轴44设有多个离心转子或叶轮46。转子组件48包括轴44和转子46，并且通过设置在转子组件48的任一侧上的轴承50径向地且轴向地支承。

多级离心压缩机操作以从管道入口52取得输入的过程气体，以通过转子组件48的操作来加速过程气体粒子，并且随后将过程气体以高于其输入压力的输出压力输送通过各个级间管道54。过程气体可例如是二氧化碳、硫化氢、丁烷、甲烷、乙烷、丙烷、液化天然气中的任一种，或它们的组合。在叶轮46与轴承50之间提供密封系统(未示出)，以防止过程气体流至轴承50。壳体42被构造以致覆盖轴承50和密封系统两者，以致防止气体从离心压缩机40逸出。

图5中提供了对叶轮46的更详细但完全示例性的图示。在图中可以看到，叶轮46具有在轮毂62与围带64之间径向取向的多个叶轮叶片60，叶轮叶片60例如在连接点66处附连到围带64。叶轮46的分解截面揭示了叶轮叶片60从叶轮46的窄端向其更宽端的扭转性质。图6是通过叶轮的中心截取的图5的叶轮46的局部剖视图。在其中，可以更清楚地看到叶轮叶片60到围带64的连接点66，并且现在将从图7开始描述根据示例性实施例形成这种连接的机制，其中图7是沿图6的线B-B截取的剖视图。

其中，可看到根据示例性实施例的叶轮叶片60的连接区域70的“锤”状形状。不同于上文所述其它叶轮叶片连接区域，可看到，连接区域70从其外端72到其内端74相对于叶轮叶片60的下一相邻部分更宽(更厚)。另外，在内端74处，连接区域70经由弯曲部段76和78接合叶片60的剩余部分。这些弯曲部段76和78设计有例如3至4mm的预定曲率半径(圆角半径)，以为所附连的叶轮叶片提供所需的强度和弯曲特性。因此，连接区域70的宽度(厚度)可例如等于叶片60的厚度加上两倍的所期望的圆角半径。

根据示例性实施例，为了将叶轮叶片60附连到围带64，可以进行图8的流程图中所示的焊接技术。首先，将叶轮叶片60的连接区域70插入在围带64中的对应槽口80内。然后，激光束或电子束焊机(图6中未示出)在连接区域70的一侧与围带64中的槽口80的一侧之间的(小)间隙中生成激光或电子焊接束，并且然后在连接区域70的另一侧上重复该过程，如图6中在连接区域的侧面和围带中的槽口的侧面之间示出的两个大箭头所表示地。用来执行各焊接通道的电子束焊接和/或激光束焊接设备本身可为如例如美国专利No.7,312,417和7,413,620中所公开的标准束焊接设备，这两份专利的公开通过引用并入本文中。这两个束焊接工艺通道在连接区域70的两侧上快速地形成到围带64的实心连接接头，而不熔融或以其它方式影响弯曲部分76和78的圆角半径或使叶片60变形，因为除了别的以外，焊接沿连接区域70的侧面进行，且不改变预成形的圆角半径76和78。

因此，根据示例性实施例，一种用于将叶轮叶片束焊接到例如叶轮的围带的表面的方法可包括图7的流程图中所示的步骤。其中，在步骤90处，将叶轮叶片连接区域插入表面中的槽口内。然后，在步骤92处，在叶轮叶片连接区域的第一侧上执行第一束焊接通道以将叶轮叶片连接区域的第一侧焊接到槽口的一侧。接着，在步骤94处，在叶轮叶片连接区域的第二侧上执行第二束焊接通道以将叶轮叶片连接区域的第二侧焊接到槽口的另一侧。

上述示例性实施例意图在各个方面说明本发明，而不是限制本发明。因此，本发明在详细实施中可具有许多变型，这些变型可由本领域技术人员从本文所包含的描述中得到。所有这些变型和修改被认为在由所附权利要求所限定的本发明的范围和精神内。在本申请的描述中所使用的元件、动作或指令不应解释为对于本发明是关键或必不可少的，除非明确地如此描述。另外，如本文所用，冠词“一”意图包括一个或多个物件。

Claims (10)

1.一种用于将叶轮叶片束焊接到表面的方法，所述方法包括：

将叶轮叶片连接区域插入到所述表面中的槽口内，其中所述表面在围带上；

在所述叶轮叶片连接区域的第一侧上执行第一束焊接通道，以将所述叶轮叶片连接区域的所述第一侧焊接到所述槽口的一侧；以及

在所述叶轮叶片连接区域的第二侧上执行第二束焊接通道，以将所述叶轮叶片连接区域的所述第二侧焊接到所述槽口的另一侧；

其中所述在所述叶轮叶片连接区域的第一侧上执行第一束焊接通道以及所述在所述叶轮叶片连接区域的第二侧上执行第二束焊接通道均不改变所述叶轮叶片的预成形的圆角半径。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述束焊接为激光束焊接工艺和电子束焊接工艺中的一种。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述叶轮叶片连接区域具有锤形截面区域，所述锤形截面区域从其插入所述槽口内的第一端部到其第二端部比所述叶轮叶片的相邻部分更宽。

4.一种叶轮，包括：

轮毂，其具有铣削在其中的多个叶轮叶片；和

围带，其具有形成在其中的槽口并且通过将叶轮叶片连接区域的两侧中的每一个束焊接到所述槽口中的一个的对应侧而在所述叶轮叶片连接区域处连接到所述多个叶轮叶片中的每一个，其中所述叶轮叶片连接区域的两侧的束焊接不改变所述叶轮叶片的预成形的圆角半径。

5.根据权利要求4所述的叶轮，其特征在于，所述束焊接为激光束焊接工艺和电子束焊接工艺中的一种。

6.根据权利要求4或5所述的叶轮，其特征在于，所述叶轮叶片连接区域具有锤形截面区域，所述锤形截面区域从其插入对应槽口内的第一端部到其第二端部比所述叶轮叶片的相邻部分更宽。

7.根据权利要求4所述的叶轮，其特征在于，所述叶轮叶片还包括：

两个弯曲部段，所述两个弯曲部段将所述叶轮叶片连接区域连接到所述叶轮叶片的相邻部分，其中，所述两个弯曲部段各具有预定的圆角半径且不受束焊接通道的影响。

8.一种涡轮机械，包括：

转子组件，其包括至少一个叶轮；

轴承，其连接到且用于可旋转地支承所述转子组件；和

定子，

其中，所述至少一个叶轮包括：

轮毂，其具有铣削在其中的多个叶轮叶片；和

围带，其具有形成在其中的槽口并且通过将叶轮叶片连接区域的两侧中的每一个束焊接到所述槽口中的一个的对应侧而在所述叶轮叶片连接区域处连接到所述多个叶轮叶片中的每一个，其中所述叶轮叶片连接区域的两侧的束焊接不改变所述叶轮叶片的预成形的圆角半径。

9.根据权利要求8所述的涡轮机械，其特征在于，所述叶轮叶片连接区域具有锤形截面区域，所述锤形截面区域从其插入对应槽口内的第一端部到其第二端部比所述叶轮叶片的相邻部分更宽。

10.根据权利要求9所述的涡轮机械，其特征在于，所述叶轮叶片连接区域还包括：

两个弯曲部段，其将所述叶轮叶片连接区域连接到所述叶轮叶片的所述相邻部分。