CN102906374B - 用于涡轮机的导流风标装置及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于涡轮机的导流风标装置（100）。该导流风标装置（100）包括：具有通孔（301）的内平台（101），所述通孔形成用于冷却流体的流体通道，其中，内平台（101）在绕涡轮机的轴（304）的圆周方向（109）上延伸。该导流风标装置（100）进一步包括中空翼面（102），其具有冷却开口，该冷却开口用于交换穿过通孔（301）进出中空翼面（102）的冷却流体，其中，中空翼面（102）被固定到内平台（101）的第一表面（201）。该导流风标装置（100）进一步包括具有凹槽（104）的板条（103），所述凹槽具有冷却流体通路（105），其形成了冷却流体到达通孔（301）的通路，其中，板条（103）被固定到内平台（101）的第二表面（106），而且板条（103）沿第二表面（106）在绕轴（304）的圆周方向（109）上延伸。冷却流体通路（105）在圆周方向（109）上至少包括通孔（301）的尺寸。

Description

用于涡轮机的导流风标装置及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种用于涡轮机的导流风标（vane）装置，并涉及一种生产用于涡轮机导流风标装置的方法。

背景技术

传统的涡轮机喷嘴导流风标必须经受翼面特别是尾缘内圆角高程度的压力。此压力大多是由涡轮机的瞬间操作状态期间组件内不同的加热、冷却速率造成的。导流风标的翼面形成在内平台上，所述内平台在涡轮机轴的圆周方向上延伸的。翼面从内平台径向向外延伸。从内平台沿径向方向到涡轮机轴的中心，附连有内板条。内板条用来将隔板（diaphragm）安装在涡轮机轴的表面和内平台之间。内板条通常比该内板条所附连的内平台更厚、更宽，使得内板条相对于内平台而言响应涡轮机中温度变化的反应更慢。这可能引起热致应力，降低传统喷嘴导流风标装置的寿命。

在传统涡轮机喷嘴导流风标中，可通过将内板条的深度和宽度保持到最小所需来降低应力。这还可导致内板条相对于涡轮机喷嘴导流风标而言寿命降低，且降低了隔板的固定质量。

US4,126,405描述了一种涡轮机喷嘴节段，其通过一对从外箍到内箍径向延伸的凸耳相切地保持就位。每个凸耳充当端盖以防止空气从风标的一端泄漏。

EP1793088A2公开了一种用于燃气涡轮发动机的涡轮机喷嘴。涡轮机喷嘴包括外箍和内箍。在内箍和外箍之间，形成风标。凸缘和前内凸缘形成有内箍，其中，凸缘从内箍径向向内延伸。

US3,829,233公开了一种用于轴向流动流体机器(如燃气涡轮机)叶片状隔板的密封布置结构。涡轮机包括内罩，风标从所述内罩相对于涡轮机轴径向向外延伸，而凸缘和肋从所述内罩径向向内延伸。密封外壳环或隔板附连到这些凸缘和肋，使得内罩与涡轮机轴密封。内罩包括用于冷却流体的孔口，其中，孔口在空间上从凸缘和肋被定位。

发明内容

可能需要设计一种具有适当寿命和适当维护性能的导流风标装置。

这一需要可通过独立权利要求所述的用于涡轮机的导流风标装置和生产导流风标装置的方法来实现。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于涡轮机的导流风标装置。该导流风标装置包括内平台、中空翼面和板条。内平台包括通孔，该通孔形成了用于冷却流体的流体通道。内平台在绕涡轮机轴的圆周方向上延伸。中空翼面包括冷却开口，用于交换通过所述通孔进出中空翼面的冷却流体。中空翼面被固定到内平台的第一表面。板条包括具有冷却流体通路的凹槽，其中，冷却流体通路形成了用于冷却流体流到通孔的通路。板条被固定到内平台的第二表面，而且板条沿第二表面在绕所述轴的圆周方向上延伸。冷却流体通路在圆周方向上至少包括所述通孔的尺寸。

根据本发明的另一方面，提供了一种生产用于涡轮机的导流风标装置的方法。根据该方法，提供了一个内平台，其具有通孔以形成用于冷却流体的流体通道。内平台由此在绕涡轮机轴的圆周方向上延伸。接着，将中空翼面固定到内平台的第一表面（例如，其径向向外地与涡轮机轴线对齐），其中，中空翼面包括冷却开口，用于交换穿过通孔进出中空翼面的冷却流体。将板条固定到内平台的第二表面（例如，其径向向内地与涡轮机的轴线对齐），并使板条沿第二表面在绕所述轴的圆周方向上延伸。板条包括凹槽，凹槽具有冷却流体通路，所述冷却流体通路用于形成用于冷却流体的通路。所述冷却流体通路在圆周方向上至少包括通孔的尺寸。

内平台绕圆周方向沿涡轮机轴延伸。内平台可包括也在圆周方向上延伸的内冷却通道，冷却流体可通过内冷却通道被传输。在期望位置处，特别是在冷却流体被馈送到翼面内的位置处，形成该通孔。利用该通孔，冷却流体被交换进或交换出中空翼面。而且，该通孔形成了到板条的冷却流体连接，从而使得冷却流体在通向涡轮机轴的方向上或在来自涡轮机轴的方向上也是可交换的。

板条沿内平台的第二表面在绕涡轮机轴的圆周方向上延伸。而且，板条起始于第二表面径向向内地延伸到涡轮机轴。板条提供了规定的刚性，以便在板条的第二表面和涡轮机轴的表面之间固定一个密封元件（如隔板）。

而且，板条包括具有冷却流体通路的凹槽。该冷却流体通路形成了内平台的通孔与如下空间之间的通道（其径向延伸到涡轮机轴），该空间是内平台与涡轮机的轴之间的空间。当冷却流体通过冷却流体通路时，板条被冷却流体冷却。因此，冷却流体对板条和内平台两者进行冷却。

冷却流体通路可以不需要另外的管道元件或管。换言之，流过冷却流体通路的冷却流体直接接触板条的形成冷却流体通路的表面。而且，内平台的通孔可以不需要另外的管道元件或管。流过通孔的冷却流体可直接接触内平台的形成通孔的表面。因此，冷却流体通路和通孔的开口尺寸可直接决定用于冷却流体的相应流动横截面。

最小开口或直径限制了流体速度，因此限制了冷却效率。特别地，如果板条的冷却流体通路等于或大于内平台的通孔，则冷却流体以相同的冷却效率来冷却板条和内平台。

通孔的尺寸具体表示的是冷却流体通路和通孔沿圆周方向的大小。如果通孔和/或冷却流体通路是圆形的，则该尺寸表示例如直径。如果通孔或冷却流体通路的形状是椭圆形的，则尺寸可定义例如主轴线或横向直径。如果冷却流体通路和/或通孔的形状是矩形的，则该尺寸可表示沿圆周方向的长度。额外地或替代性地，术语“尺寸”表示冷却流体通路与通孔的重叠横截面的横截面面积。换言之，在冷却流体通路覆盖了通孔横截面的节段中，冷却流体通路的横截面面积大于通孔的横截面面积。

翼面包括具有尾缘和前缘的翼型。工作介质迎着前缘流动，并由翼面的表面（型面）引导到尾缘，工作介质在尾缘处以预定和期望的流动方向离开翼面。前缘和尾缘由一条称作“弦”的假想直线连接。翼面的弦包括与延伸（圆周）方向成0度至90度之间的角度。板条大致沿圆周方向形成。因此，翼面的冷却开口、通孔以及冷却流体通路的重叠横截面面积重叠，并形成重叠横截面。冷却流体流过重叠横截面。在重叠横截面中，冷却流体通路被制成比通孔大，使得冷却流体的最大质量流不受板条冷却流体通路尺寸的限制。换言之，与内平台和翼面的通孔相比，冷却流体通路并不形成冷却流体的最小通路。

因此，由于冷却流体以相同的冷却效率冷却内板条和内平台，所以降低了内平台和板条的温度差。特别地，板条相对于通孔具有较大的冷却流体通路可以允许板条跟随导流风标装置元件中其余元件(例如内平台和中空翼面）的总体温度（bulktemperature）的温度变化速率。这导致在瞬间和快速变化的温度条件下热应力较小。

因此，在通过修改冷却流体通路的尺寸降低板条的热应力时，降低了板条的热应力，并且可降低各种损坏，例如由于热差异造成的裂缝。

根据一个示例性实施例，所述凹槽比所述内平台的通孔大。凹槽可被制成像一个槽孔，其中槽孔的长度在相对于所述轴的所述圆周方向上延伸。因此，所述板条包括较少的重量，因为可从板条上去除更多的材料。

根据另一示例性实施例，板条与平台一体形成。特别地，板条和内平台可形成一个单体结构，并可在一个工厂铸造而成。

根据另一示例性实施例，导流风标装置包括另一中空翼面。内平台包括另一通孔，其形成了用于所述冷却流体的另一流体通道。另一中空翼面包括另一冷却开口，其用于接收穿过所述另一通孔进入到所述另一中空翼面中的冷却流体，其中所述另一中空翼面被固定到内平台的第一表面。所述板条包括另一凹槽，其具有另一冷却流体通路，所述另一冷却流体通路形成用于所述冷却流体到所述通孔的另一通路。所述另一冷却流体通路在圆周方向上至少包括所述另一通孔的尺寸。所述导流风标装置可形成涡轮机的圆周定子级的一个节段。该节段可包括仅仅一个或多个附连到内平台第一表面的翼面。每个节段可被连接到圆周方向的相邻导流风标节段。每个导流风标装置可通过可拆卸的连接而被附连到另一导流风标装置。然而，该节段可包括例如3、4、5或更多个翼面。所述导流风标装置（节段）还可形成一个具有多个翼面的完整（360度）部分。因此，损坏的导流风标装置（导流风标节段）可被更换。因此，可降低维护成本。

根据另一示例性实施例，所述导流风标装置进一步包括隔板，其用于相对于所述轴密封所述导流风标装置。所述板条包括安装部分，所述隔板被安装到所述安装部分。所述板条以如下方式固定所述隔板，即：将所述隔板保持在一期望位置，所述隔板在该期望位置中密封了所述内平台与所述涡轮机轴线之间的内空间。由于较大尺寸的所述通孔对所述板条的适当冷却，降低了所述板条的热变形，从而使得隔板与旋转的涡轮机轴之间由热变形引起的间隙较小。所述安装部分被制成，例如用于提供夹紧固定、螺栓连接和/或焊接连接。而且，所述隔板与所述轴形成了滑动连接，使得所述轴相对于所述隔板是可转动的。所述滑动连接还提供了所述轴与所述隔板之间的密封。

根据另一示例性实施例，所述导流风标装置进一步包括外平台，所述中空翼面以其相对于附连到所述内平台的内端而言的外端附连到所述外平台。所述外平台、所述翼面和所述内平台可被单体地（一体地）制成，例如通过铸造。

必须注意的是，已参照不同主题描述了本发明的实施例。具体地，已参照设备类型的权利要求描述了一些实施例，参照方法类型的权利要求描述了其它实施例。然而，根据上文和下文的描述，本领域技术人员将认识到，除非另行指出，否则除了属于一种类型的主题的特征的任意组合之外，关于不同主题的特征之间，特别是设备类型权利要求的特征和方法类型权利要求的特征之间的任意组合都应被认为已被本申请公开。

附图说明

根据下文将要描述的实施例，上文限定的各个方面和本发明的其他方面将变得明显，并且将参照实施例对它们进行解释。后文将参照实施例更加详细地描述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。

图1示出了根据本发明一个示例性实施例的导流风标装置的透视图；

图2示出了根据本发明一个示例性实施例的导流风标装置的另一透视图；

图3示出了根据本发明一个示例性实施例的导流风标装置的剖视图；和

图4示出了根据本发明一个示例性实施例的导流风标装置的侧视图的示意性图示。

具体实施方式

附图中的图示是示意性的。注意，在不同附图中，为相似或相同的元件提供了相同的附图标记。

图1示出了用于涡轮机的导流风标装置100。导流风标装置100包括内平台101、中空翼面102和板条103。内平台101包括通孔103（参见图3，图1中未示出），其形成了用于冷却流体的流体通道。内平台101在绕涡轮机轴304（参见图3）的圆周方向109上延伸。中空翼面102包括冷却开口，用于交换经过通孔301进入或流出中空翼面102的冷却流体。中空翼面102被固定到内平台101的第一表面201（参见图2）。板条103包括凹槽104，该凹槽具有冷却流体通路105，该冷却流体通路形成了用于冷却流体流到通孔301的通路。板条103被固定到内平台101的第二表面106，板条103沿第二表面106在绕轴304的圆周方向109上延伸。冷却流体通路105在圆周方向109上至少包括通孔301的尺寸。

从图1可知，板条103的具有冷却流体通路105的凹槽104包括与通孔301相等或比通孔301大的尺寸，特别是在圆周方向109上。因此，板条的总体温度以与内平台101和中空翼面102相同的方式变化，从而使得产生的热应力较少，特别是在改变的条件下。

而且，图1示出了形成于板条103的凹槽104中的冷却流体通路105。凹槽104是在圆周方向109上延伸的槽孔或通孔。由于在形成凹槽104时，将从板条103上切削下一些材料，因而板条103包括较少的重量。而且，因为板条103包括较少的材料，所以板条103可更快地适应改变的温度，并且通过冷却流体可更快地适应内平台101的温度。而且，冷却流体流过冷却流体通路105，以及流过或流入凹槽104中。凹槽104形成一个与冷却流体接触的大的接触表面，使得冷却流体更加有效地冷却板条103。

根据图1示例性实施例的导流风标装置100包括两个翼面102，例如燃气涡轮发动机内的涡轮机风标。每个翼面102被形成在内平台101和外平台108之间。外平台108可固定到例如涡轮机的外壳。

如图1所示的板条103进一步包括安装部分107。安装部分107包括适于固定密封元件特别是隔板303（参照图3）的固定装置。安装部分107的圆周位置可以处在用于两个翼面102的两个冷却流体通路105之间。特别地，安装部分107的圆周位置可以是这样的，即：其允许两个冷却流体通路105具有最大的可能的横截面。有利地是，通过两个冷却流体通路105的流体流动可以不被安装部分107额外限制。

图2示出了图1所示的示例性实施例。风标102形成于第一平台101和第二平台108之间。翼面102包括中空型面（或称轮廓），流体通过该中空型面流动。冷却流体例如可从外平台108的外部环境馈送到中空翼面102中。从图2可知，翼面102包括机翼型的空气动力学型面。在第一平台101和第二平台108固定部分的区域中，翼面102包括在铸造工艺中形成的内圆角202。内平台101和外平台108沿圆周方向109继续，其中圆周方向109由绕涡轮机转轴304的方向限定。密封元件，即隔板303，被附连到板条103的安装部分107，以便提供导流风标装置100和转轴304之间的密封。

图3示出了导流风标装置100的剖视图。中空翼面102形成于外平台108和内平台101之间。内平台101包括通孔301，该通孔将中空翼面102的中空型面302与板条103的冷却流体通路105连接在一起。从图3可知，冷却流体通路105包括更大的横截面积，即沿转轴304的中心轴线比通孔301更宽和/或更长。冷却流体的冷却效率由冷却流体的最小通路，即通孔301限制。因此，内平台101以及板条103的温度变化保持基本相等，使得由于温差造成的温度应力和所产生的热变形被降低。而且，板条103和内平台101温度应力的降低还可降低特别是内圆角202位置处的应力，使得这些区域中的裂缝可被降低。

而且，图3示出了隔板303，其被固定到板条103的安装部分107。隔板303与转轴304的表面之间呈可滑动的接触。由于由冷却流体通路105的适当尺寸导致板条103被适当冷却，因而降低了板条103的热变形，因此改善了隔板303相对于轴304的表面的密封特性。

图4示出了图3所示导流风标装置100的示意图，其中隔板303被更加详细地示出。隔板303包括支架式形状，并被夹紧到板条103的安装部分107。在隔板303与轴304的接触区域中，隔板303包括用于密封目的的密封唇。而且，图4示出了形成于外平台108和内平台101之间的翼面102。

应该注意，用语“包括”并不排除其它元件或步骤，用语“一”并不排除多个。联系不同实施例描述的元件可被组合。还应注意，权利要求中的附图标记不应被解读为限制了权利要求的范围。

附图标记列表：

100导流风标装置

101内平台

102中空翼面

103板条

104凹槽

105冷却流体通路

106第二表面

107安装部分

108外平台

109圆周方向

201第一表面

202内圆角

301通孔

302中空翼面的中空型面

303隔板

304轴。

Claims (8)

1.一种用于涡轮机的导流风标装置（100），所述导流风标装置（100）包括：

内平台（101），其具有通孔（301），所述通孔形成了用于冷却流体的流体通道，其中，所述内平台（101）在绕所述涡轮机的轴（304）的圆周方向（109）上延伸，

中空翼面（102），其具有冷却开口，所述冷却开口用于交换穿过所述通孔（301）进出所述中空翼面的冷却流体，其中，所述中空翼面（102）被固定到所述内平台（101）的第一表面（201），以及

包括凹槽（104）的板条（103），所述凹槽具有冷却流体通路（105），所述冷却流体通路形成了用于冷却流体流到通孔（301）的通路，其中，所述板条（103）被固定到所述内平台（101）的第二表面（106），所述板条（103）沿所述第二表面（106）在绕所述轴（304）的所述圆周方向（109）上延伸，

其中，所述冷却流体通路（105）在所述圆周方向（109）上至少包括所述通孔（301）的尺寸。

2.根据权利要求1所述的导流风标装置（100），

其中，所述凹槽（104）比所述通孔（301）大。

3.根据权利要求1或2所述的导流风标装置（100），

其中，所述板条（103）与所述内平台（101）被一体地制成。

4.根据权利要求1或2所述的导流风标装置（100），

其中，所述中空翼面（102）与所述内平台（101）被一体地制成。

5.根据权利要求1或2所述的导流风标装置（100），进一步包括：

另一中空翼面（102），

其中，所述内平台（101）包括另一通孔（301），所述另一通孔形成了用于所述冷却流体的另一流体通道，

其中，所述另一中空翼面（102）包括另一冷却开口，所述另一冷却开口用于接收穿过所述另一通孔（301）进入所述另一中空翼面（102）中的冷却流体，其中，所述另一中空翼面（102）被固定到所述内平台（101）的第一表面（201），

其中，所述板条（103）包括另一凹槽（104），所述另一凹槽具有另一冷却流体通路（105），所述另一冷却流体通路形成了用于所述冷却流体流到所述另一通孔（301）的另一通路，而且

其中，所述另一冷却流体通路（105）在所述圆周方向（109）上至少包括所述另一通孔（301）的尺寸。

6.根据权利要求1或2所述的导流风标装置（100），进一步包括：

隔板（303），用于相对于所述轴（304）密封所述导流风标装置（100），

其中，所述板条（103）包括安装部分（107），所述隔板（303）被安装到所述安装部分。

7.根据权利要求1或2所述的导流风标装置（100），进一步包括：

外平台（108），所述中空翼面（102）以其相对于附连到所述内平台（101）的内端而言的外端附连到所述外平台（108）。

8.一种生产用于涡轮机的导流风标装置（100）的方法，所述方法包括：

形成具有通孔（301）的内平台（101），所述通孔用于形成用于冷却流体的流体通道，

其中，所述内平台（101）在绕所述涡轮机的轴（304）的圆周方向（109）上延伸，

将中空翼面（102）固定到所述内平台（101）的第一表面（201），其中，所述中空翼面（102）包括冷却开口，所述冷却开口用于交换穿过所述通孔（301）进出所述中空翼面（102）的冷却流体，以及

将板条（103）固定到所述内平台（101）的第二表面（106），并使所述板条（103）沿所述第二表面（106）在绕所述轴（304）的圆周方向（109）上延伸，其中，所述板条（103）包括凹槽（104），所述凹槽具有冷却流体通路（105），所述冷却流体通路用于形成用于所述冷却流体的通路，

其中，所述冷却流体通路（105）在所述圆周方向（109）上至少包括所述通孔（301）的尺寸。