CN103321694A

CN103321694A - 涡轮隔板结构

Info

Publication number: CN103321694A
Application number: CN2013100913316A
Authority: CN
Inventors: A.R.布鲁米特-布朗; A.C.洛德
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2012-03-21
Filing date: 2013-03-21
Publication date: 2013-09-25
Also published as: US20140322007A1; JP2013194742A; EP2642079A1

Abstract

本公开涉及涡轮隔板结构。涡轮隔板具有包括盒结构的径向内中空隔板环(22)和径向外中空隔板环(24)，其包括作为它们的结构的一部分的静止叶片单元(26)的径向内平台部分(261)和径向外平台部分(262)。盒结构通过合并在盒结构的壁之间径向和轴向地延伸的肋部或支柱(28,30)而加强。

Description

涡轮隔板结构

技术领域

本公开内容涉及用于涡轮的隔板(diaphragm)结构，且具体地涉及一种用于在轴流蒸汽涡轮功率设备的高压或中压(HP或IP)级中的隔板的新颖结构和制造工艺。

背景技术

一种构成涡轮隔板的已知方式是将静止导叶单元的环形件安装在内环与外环之间。每一个这样的叶片单元都包括在内平台与外平台之间延伸的翼型件部分，该叶片单元通常作为单个一体的构件制造。这称为“平台”型的结构。每个平台的形式都是柱体的分段，使得当组装叶片单元的环形件时，内平台结合而形成内柱体且外平台结合而形成外柱体。内平台被焊接到内环上，该内环保持叶片单元并提供用于作用在内环与涡轮的转子轴之间的诸如迷宫式密封件的密封装置的支座。外平台被焊接到向隔板提供支承和刚度的外环上。内环和外环中的每一个都包括沿一平面接合的两个半圆形半部，该平面包含隔板的主轴并经过叶片单元之间，使得整个隔板可被分隔成两个部分以用于组装在涡轮机的转子周围。

用于大型HP或IP蒸汽涡轮隔板的现有平台结构一般包括从厚金属板切削而成、或锻造、或从棒料形成的实心内环和外环。由于此类环在涡轮的轴向方向上具有相当大的尺寸，例如100mm至200mm，因此此类环的成本是大型蒸汽涡轮的出厂价的重要因素。如果环从厚板切割而成，则存在高比例的浪费(例如，内环的中心切出部分)，而锻造或其它成型操作增加了较多费用并由于操控更大厚度和重量的原料而变得更加难以控制。

发明内容

在其最宽泛的方面，本公开内容提供了一种包括径向内环和径向外环的高压或中压、轴流涡轮隔板，至少一个这种环是中空的并具有包括板材的轴向相对的壁。

优选地，该涡轮隔板包括：

-静止叶片单元的环形件，每一个这样的叶片单元都具有翼型件部分、径向内平台部分和径向外平台部分；以及

-径向内中空隔板环和/或径向外中空隔板环，该或每一个这种中空环包括盒结构，该盒结构包括作为盒结构的一部分的叶片单元。

如以上所指的，并非总是需要内环和外环两者都包括中空结构。因此，环中的一个将可以是中空的，而另一个环可以是已知类型的实心结构。

在一个实施例中，内中空隔板环的盒结构包括：

-一对轴向相对的侧壁；

-径向内部周向延伸的壁；以及

-由静止叶片单元的径向内平台部分形成的径向外部周向延伸的壁。

类似地，外中空隔板环的盒结构可包括：

-一对轴向相对的侧壁；

-径向外部周向延伸的壁；以及

-由静止叶片单元的径向外平台部分形成的径向内部周向延伸的壁。

我们推荐静止叶片单元的径向内、外平台部分中的至少一个且优选地两个例如通过从单件材料加工而与翼型件部分一体地形成。但是，还可以通过将平台部分中的一个或两个附接到翼型件部分上来制作静止叶片单元。

为了给内和外中空隔板环的盒结构提供良好的刚度，我们建议通过在它们的内部并入多个加强肋部来加强它们，这些肋部与径向和轴向方向对齐并彼此周向地间隔开。因此，肋部跨越在轴向地相对的侧壁与径向内部和外部周向延伸的壁之间的盒结构延伸。应该理解的是，当在此说明书和所附权利要求书全文中使用词语“肋部”时，它包括诸如支柱等的结构上相当的加强特征。

可选地，外隔板环的径向外壁可通过加强肋中的至少一个的径向向外突出部而分成多个单独的周向延伸区段。这种布置可便于负载提升特征与外环的上、下半部的配合，和/或外环与包围隔板的涡轮外壳中对应的定位特征接合。外环与此类定位特征的接合可实现隔板在涡轮外壳内的横向键定位和/或在静止叶片在蒸汽涡轮的操作期间使蒸汽流偏转时防止隔板在外壳内旋转。

径向内环的径向内壁的径向内侧可包括构造成固定密封件的周向延伸的凹部，该密封件防止隔板的相对高压侧与低压侧之间的泄漏。

为使隔板能够组装在涡轮内，隔板制作成在组装后彼此在直径(diametric)接合线上联合的两个半部。接头可包括设置于外隔板环的直径接合线的每一端处的螺栓接头。备选地，隔板的上半部和下半部的直径相对端可借助将外隔板环支承在周围的涡轮外壳内的定位特征而保持彼此对准。

在一些实施例中，设想内隔板环和外隔板环中的仅一个将是中空结构，另一个环是实心的。

本公开内容还提供了如本文中所述并且在所附权利要求中要求保护的制造中空隔板环和隔板的方法。

附图说明

现将参照附图描述本文中公开的概念的实施例，在附图中：

图1是通过已知类型的HP轴流蒸汽涡轮隔板的上半部的图解径向剖面；

图2是通过根据本文公开的概念构成的HP或IP蒸汽涡轮隔板的上半部的径向剖面的图解表示；

图3是HP或IP蒸汽涡轮隔板的上半部的部分地拆解的实施例的三维透视图；

图4是与图3相似但为隔板的下半部的视图；

图5是一组静止叶片单元已被安装在其上的内环的三维透视图；以及

图6是与图5相似的视图，其中，不完整的外环已被安装在上述成组静止叶片单元上。

附图未按比例绘制。

具体实施方式

图1图示了用于大型、重型、轴流蒸汽涡轮隔板1的已知“平台”型的结构，并且示出在制造期间隔板的上半部的径向区段上的视图，隔板1的中心线作为点划线C示出。该视图包括静止叶片单元2以及翼型件部分5，静止叶片单元2包括径向内平台3和径向外平台4，该翼型件部分5的径向内端和外端与翼型件和平台一体形成，整个叶片单元由实心件加工。当完成组装时，内平台3和外平台4形成用于蒸汽流经隔板的内端口和外端口。通过将连续的叶片单元2组装在内隔板环6与外隔板环7之间的环形阵列中并借助深填充焊8至11将平台附接到隔板环上来组建完整的隔板1。内隔板环和外隔板环和平台被进一步适当加工以容纳涡轮密封特征并配合相邻的涡轮特征。例如，已在内环6的内侧周边上加工密封特征，该特征包括带有凹入钩特征13的通槽12，该通槽12设置成保持迷宫式密封件等(未示出)以在内环6与通过虚线表示的涡轮轴14之间密封。

在实践中已知HP蒸汽涡轮采用平台结构以将叶片单元2构建在内隔板环6上且然后使外隔板环7收缩(shrink)到叶片单元2上。需要内隔板环6和外隔板环7来支承叶片单元，以给予隔板抵抗在涡轮的组装和操作期间趋于使它扭曲的力的刚度，并且相对于外隔板环，将隔板可靠地固连在涡轮外壳(未示出)内，该涡轮外壳在最终涡轮结构中包围隔板。

图2是通过根据本文公开的概念构成的HP或IP蒸汽隔板20的上半部的径向剖视图，其中径向内隔板环22和外隔板环24是中空的，其由板材制成为盒结构。因此，内中空隔板环22的盒结构包括一对轴向相对的侧壁221、222、径向内部周向延伸的壁223、以及由静止叶片单元26的径向内平台部分形成的径向外部周向延伸壁的261。类似地，外中空隔板环24的盒结构包括一对轴向相对的侧壁241和242、由静止叶片单元26的径向外平台部分形成的径向内部周向延伸的壁262、以及径向外部周向延伸的壁243。

作为示例，各侧壁221、222、241、242和外壁243的板材厚度可小于它作为其一部分的环的轴向厚度的35%(比如说，20%至30%)。但是，径向最内部的壁223被示出为由于在其中加工出凹部228而具有比其它壁更大的厚度，如稍后解释的。用于制作中空隔板环的合适板材的一个示例是铬钼钢板，例如规格为ASTM A 387 Gr.22 C12的钢板。此类钢普遍用来制作压力容器并且全世界有许多铬钼钢板的供应商。其它高合金钢也可以是适合的。

在此实施例中，静止叶片单元26的径向内平台部分261和径向外平台部分262分别与它们的翼型件部分263一体地形成。备选地，还可以通过在将平台部分合并到内环和外环中之前将平台部分261、262中的一个或两个与翼型件部分263接合来制作静止叶片单元26。在任意情形中，叶片单元可包括例如公知且易于购得的12Cr合金钢，但是也可使用其它材料，例如镍基超合金。

为了给内中空隔板环22和外中空隔板环24的盒结构提供良好的刚度，我们建议通过在它们的内部分别合并多个扶强肋部28、30来加强它们，肋部28、30沿径向和轴向方向对齐并彼此周向地间隔开。因此，在轴向方向上，肋部28、30跨越在内环22和外环24的轴向相对的侧壁221、222和241、242之间的盒结构延伸，而沿径向方向，肋部28、30跨越在环的径向内周向延伸的壁223、261之间的和外周向延伸的壁262、243之间的盒结构延伸。

为了从本概念获得最大成本效益，以上假设内隔板环和外隔板环两者都将包括中空盒结构，但不过也可能仅一个环是中空的，另一个环是实心结构的。

如下文将更详细地介绍的，可通过将侧壁221、222和241、242附接到加强肋部28和30上然后将叶片单元26的内平台261附接到内环22的侧壁221、222上来制作盒结构。此后，可将外环24的侧壁241、242附接到叶片单元26的外平台262上。可通过将内部周向延伸的壁223附接到内环22的侧壁上并将外部周向延伸的壁243附接到外环24的侧壁上来完成内环和外环的盒结构。上述附接可通过将构件点焊在一起来形成，但如图2中所示进行永久焊接以完成隔板，图2中示出了周向延伸的焊接线224至227和244至247。因此，对于内环22而言，焊接226和227将侧壁221、222附接到平台部分261上并且焊接224和225将侧壁221、222附接到径向内壁223上，而对于外环24而言，焊接244和245将侧壁241、242附接到平台部分262上并且焊接246和247将侧壁241、242附接到径向外壁243上。

如还在图2中示出的，径向内环22的径向内壁223的径向内侧可包括凹部或钩装置228，其构造成固定和保持诸如迷宫式密封件或刷式密封件(未示出)的轴密封件，该密封件与轴14密封接合，以使在隔板的相对高压侧和低压侧之间的泄漏最小化。

为了能够将此类隔板组装到涡轮中，以两个半部、即上半部和下半部制作隔板，这两个半部在水平直径接合线J上彼此联合。例如，螺栓接头可设置于接合线J的每一端处。备选地，隔板的上半部和下半部均可借助于如本行业中已知的横向键定位特征独立地支承。

为了更详细地说明根据本概念的隔板制作，我们参照附图3和图4。图3是HP或IP蒸汽涡轮隔板的上半部的部分拆解实施例的三维示图，而图4是隔板的下半部的相似视图。在两视图中，仅示出在上和下、内和外半环22U、24U以及22L、24L之间的位置处的一个静止叶片单元26，其它叶片单元已被省略以更清楚地示出半环的盒结构。图3和图4尽可能使用与图2相同的参考标号方案。

一个可能的制造序列以从板材将用于上半环22U和24U、下半环22L和24L以及扶强肋部28、30的侧壁切割成隔板将被安装在其中的指定涡轮所需的尺寸开始。另外，从更厚的基准板产生用于上述螺栓接头的接块(joint block)32U、34U和32L、34L(其也用来加强盒结构)以用于合并在上外半环24U和下外半环24L中。

接下来，将扶强肋部28附接到各内半环22U、22L的侧壁中的一个上，并且将扶强肋部30连同接块32U、34U一起附接到外半环24U的侧壁中的一个上，接块32U、34U定位在外半环24U的直径相对端。类似地，将扶强肋部30连同接块32L、34L一起附接到外半环24L的侧壁中的一个上。此后，将内半环和外半环的其它侧壁附接到肋部28和30上，并且在外半环的情形中附接到接块上。在此阶段(或备选地，在将接块合并到盒结构内之前)，可在它们各自的接块中加工螺栓孔36U、36L。

以上序列产生尚不完整的内半环和外半环，因为上内半环和下内半环22、22L仅包括它们的侧壁和它们的扶强肋部，而上外半环24和下外半环25L仅包括它们的侧壁、它们的扶强肋部和它们的接块。

用于隔板的上半部和下半部的内半环现在可一起安置在夹具上以产生内环。类似地，用于隔板的上半部和下半部的外半环可接合在一起以产生外环。而内半环可通过临时点焊而在夹具上接合在一起，外半环可通过延伸穿过设置于上外半环和下外半环的直径相对端部处的接块的临时螺栓接合在一起。

在已将两个内半环22、22L接合在一起的情况下，可将静止叶片单元26的内平台261点焊在内环的侧壁221、222上以产生图5中所示的组件。在仍位于夹具上的情况下，执行加工操作以在静止叶片单元26的外平台262上产生平整、圆形外表面。此后，将外环加热且然后在叶片单元26上收缩，以使侧壁241、242与外平台262接合，从而产生图6中所示的组件。

在隔板的生产中的这一阶段，在图6的组件上执行结合图2指出的周向焊接226、227和244、245，以将内环22和外环24可靠地固连结合至静止叶片单元26。可在隔板的上半部和下半部之间的接合线J处中断周向焊接。备选地，周向焊接在接合线上可以是连续的，随后在接合线加工掉焊缝以使隔板的上半部和下半部能够彼此分离。

在上述周向焊接操作后，并且重新参照图3和图4，隔板制作工艺的最终工序是使用如图2中所示的周向焊接224、225和246、247将外环24的径向外壁243附接到侧壁241、242上，并且将内环22的径向内壁223附接到侧壁221、222上。将显而易见的是，由于下文解释的原因，在必要的情况下可中断这些焊接，以顾及上半环和下半环以及通过肋部30彼此分开的外壁243的任何区段之间的接头。

在以上概述的制作工艺的变型中，可在将叶片单元26的内平台261附接到内环的侧壁221、222上之前将径向内壁223附接到中空内环22上。此外，可在将外环24的侧壁241、242附接到叶片单元26的外平台262上之前或之后将径向外壁243附接到中空外环24上。

从图3和图4将看出，内环的径向内壁223在各上半环22U和下半环22L的整个圆周长度(extent)上是连续的，而径向外壁243是不连续的，被加强肋30的径向外突出部分成多个单独的周向延伸区段。尽管肋部30径向突出超出侧壁241、242的径向长度，但肋部并未一直延伸穿过径向外壁243的区段的径向厚度，从而在径向外壁243中形成矩形凹部。这些凹部可协助增加便于操作组装好的隔板的特征，因为可在肋部30的露出端中钻出螺纹孔(未示出)以容纳起重机吊耳。备选地或另外地，凹部可用来使外环24能够与在完全组装好的涡轮中包围它的涡轮外壳(未示出)中对应地突出的防旋转键和/或横向键定位特征接合。

还应指出，肋部30可能径向突出超出外壁243的外表面，而不是从外壁243的外表面径向向内凹进。该布置也可用来结合周围的涡轮外壳以提供防旋转键和横向键定位特征。

尽管以上提出可通过多个肋部30来分开外壁243，但应理解的是，被选定成突出超出壁241、242的径向长度的肋部30的数量在于设计者的选择。例如，在上死点突出的单个肋部结合在涡轮外壳中的互补特征将足以形成用于隔板的防旋转特征。

应该指出的是，尽管对于一些用途而言可能是方便的，但加强肋部不必径向地延伸超出侧壁241、242以便于定位或提升特征的形成。例如，在图6中，将可以看到肋部301具有与侧壁的径向外边缘表面齐平的径向外边缘表面，使得可以将外壁243的未中断区段焊接到肋部301上方的位置，参看图3。事实上，外环24中的所有肋部30都可以与肋部301相似，使得径向外壁243除了通过接块32L、34L和32U、34U外不会被分成多个区段。然后可以将任何必要的提升或定位特征加工在或焊接到外壁243上。

从图3将注意到，径向外壁243的区段的最接近接块32U、34U的端部相对于上半环24U的侧壁241、242向内倾斜，以允许接近将最终隔板的上半部和下半部保持在一起的螺栓(未示出)。

如上所述，可构成隔板，其中仅一个环将是中空盒结构，其它环是实心结构的环。在其中仅内隔板环是中空盒结构的情况下，它可如上所述制作并组装在夹具上，利用静止叶片单元完成，并且实心外环的两个半部可接合在一起并收缩到叶片单元的外平台上，随后适当地焊接。在其中仅外隔板环是中空环的情况下，可将实心内隔板环的两个半部组装到夹具上并且可以将叶片单元的内平台点焊到内实心环上。外环可如上所述地制造且可然后收缩到叶片单元的外平台上并适当地焊接。

在如上所述制作隔板后，需要隔板经历应力解除热处理和最终加工步骤，例如在内环22的内壁223中加工凹部228，参看图2。然后可以将隔板分割成它的上半部和下半部，准备组装到涡轮中。

尽管以上说明已在大型、重型蒸汽涡轮的上下文中谈及本概念，但它也可适用于重量较轻的涡轮，例如在船舶中使用的涡轮或在工业设备中的辅助涡轮。也不应该忽视该概念对燃气涡轮隔板的可能应用。

采取本文所提出的概念赋予了许多优点。

-第一，减小了隔板制造所用的材料量，而没有相应地减小强度。这是因为隔板环所经历的载荷主要是弯曲负荷，并且它们的中性轴线附近的材料对弯曲强度的贡献相对较小。

-第二，静止叶片单元平台被用作内环和外环的一体部分，从而优化了材料使用。

-第三，隔板的上半部和下半部之间的螺栓接头的制造相对于用于实心外环的步骤简化。这是因为根据本概念的环的中空盒结构允许预先构成的螺栓接纳块插入环的侧壁之间。

-第四，并且根据上文，内环和外环中所用的昂贵高等级材料量的减小、在构件加工期间所产生的废料量的减小、以及关于螺栓接头的生产的加工工艺中复杂性的降低引起最终隔板的成本的显著降低，例如根据我们的初步研究降低高达40%。

-第五，加强肋部可用来简化作用在隔板与涡轮外壳之间的防旋转键和定位键的设置。

上文纯粹通过示例的方式说明了以上实施例，并且在所附权利要求的范围内可做出修改。因此，权利要求的外延和范围不应局限于上述示例性实施例。除非清楚地另外表述，否则包括权利要求和附图的说明书中所公开的每一特征都可由用于相同、等效或类似用途的备选特征替代。

除非上下文清楚地另外要求，否则在说明书和权利要求书全文中，用词“包括”、“包含”等都应该在包含的意义上而不是在排他或穷举的意义上解释；即，在“包括但不受限于”的意义上解释。

Claims

1. 一种高压或中压、轴流涡轮隔板(20)，其包括径向内环(22)和径向外环(24)，至少一个这种环是中空的并具有包括板材的轴向相对的壁(221,222和/或241,242)。

2. 根据权利要求1所述的涡轮隔板，其特征在于，所述涡轮隔板包括：

(a) 静止叶片单元(26)的环形件，每一个这种叶片单元都具有翼型件部分(263)、径向内平台部分(261)和径向外平台部分(262)；以及

(b) 径向内中空隔板环(22)和/或径向外中空隔板环(24)，所述或每个这种中空环包括盒结构，所述盒结构包括作为所述盒结构的一部分的叶片单元(26)。

3. 根据权利要求2所述的涡轮隔板，其特征在于，所述内中空隔板环(22)的盒结构包括：

(a)一对轴向相对的侧壁(221,222)；

(b)径向内部周向延伸的壁(223)；以及

(c)由所述静止叶片单元(26)的径向内平台部分(261)形成的径向外部周向延伸的壁。

4. 根据权利要求2或3所述的涡轮隔板，其特征在于，所述外中空隔板环(24)的盒结构包括：

(a)一对轴向相对的侧壁(241,242)；

(b)径向外部周向延伸的壁(243)；以及

(c)由所述静止叶片单元(26)的径向外平台部分(262)形成的径向内部周向延伸的壁。

5. 根据权利要求2至4中的任一项所述的涡轮隔板，其特征在于，所述静止叶片单元的径向内平台部分(261)和径向外平台部分(262)中的一个或两个与所述翼型件部分(263)一体地形成。

6. 根据权利要求2至5中的任一项所述的涡轮隔板，其特征在于，所述或每一个中空隔板环(22,24)的盒结构通过将多个加强肋部(28,30)合并到所述盒结构内而被加强，所述肋部与所述径向方向和轴向方向对齐并彼此周向地间隔开。

7. 根据从属于权利要求4的权利要求6所述的涡轮隔板，其特征在于，所述外隔板环(24)的径向外壁(243)被所述加强肋部(30)中的至少一个分成单独的周向延伸的区段。

8. 根据权利要求3所述的涡轮隔板，其特征在于，所述径向内环(22)的径向内壁(223)的径向内侧包括构造成固定密封件的周向延伸的凹部(228)，所述密封件防止在所述隔板(20)的相对高压侧和低压侧之间的泄漏。

9. 根据前述权利要求中的任一项所述的涡轮隔板，其特征在于，为了使所述隔板(20)能够组装在涡轮内，所述隔板作为两个半部制作，所述两个半部在组装后在直径接合线(J)上彼此联合。

10. 根据权利要求9所述的涡轮隔板，其特征在于，螺栓接头设置于所述外隔板环的直径接合线(J)的每一端。

11. 根据权利要求9所述的涡轮隔板，其特征在于，所述隔板的上半部和下半部的直径相对端通过将它们支承在周围的涡轮外壳内的定位特征来保持彼此对准。

12. 根据前述权利要求中的任一项所述的涡轮隔板，其特征在于，所述内隔板环和外隔板环中的仅仅一个是中空结构，另一个环是实心的。

13. 一种制作根据从属于权利要求3的权利要求6所述的涡轮隔板的方法，其中，所述内中空隔板环(22)通过以下步骤制作：

(a)将所述侧壁(221,222)附接到所述加强肋部(28)上；

(b)将所述叶片单元(26)的内平台(261)附接到所述内环(22)的侧壁(221,222)上；以及

(c)将所述内部周向延伸的壁(223)附接到所述内环(22)的侧壁上。

14. 一种制作根据从属于权利要求4的权利要求6所述的涡轮隔板的方法，其中，所述外中空隔板环(24)通过以下步骤制作：

(a)将所述侧壁(241,242)附接到所述加强肋部(30)上；

(b)将所述叶片单元(26)的外平台(262)附接到所述外环(24)的侧壁(241,242)上；

(c)将所述外部周向延伸的壁(243)附接到所述外环(24)的侧壁上。

15. 一种制作根据从属于权利要求3和4的权利要求6所述的涡轮隔板的方法，包括以下步骤：

(a)将所述侧壁(221,222)和(241,242)附接到所述加强肋部(28)和(30)上；

(b)将所述叶片单元(26)的内平台(261)附接到所述内环(22)的侧壁(221,222)上；

(b)将所述外环(24)的侧壁(241,242)附接到所述叶片单元(26)的外平台(262)上；

(d)将所述内部周向延伸的壁(223)附接到所述内环(22)的侧壁上并且将所述外部周向延伸的壁(243)附接到所述外环(24)的侧壁上。

16. 根据权利要求13或15所述的方法的变型，其特征在于，在将叶片单元(26)的所述内平台(261)附接到所述内环(24)上之前将所述径向内壁(223)附接到所述内环(22)上。

17. 根据权利要求14或15所述的方法的变型，其特征在于，在将所述外环(24)的侧壁(241,242)附接到叶片单元(26)的外平台(262)上之前将所述径向外壁(243)附接到所述外环(24)上。