CN103422903A - 涡轮隔板构造 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及涡轮隔板构造。一种轴流式涡轮隔板(10)在不使用焊接或其它金属结合技术的情况下构造为静止叶片单元(12)的环形阵列。各叶片单元(12)包括翼型件(18)和与翼型件一体的径向内平台和外平台。径向内平台由内隔板环的节断(14)组成，且径向外平台由外隔板环的节断(16)组成。至少外环节断(16)具有与在叶片单元的环形阵列中的相邻外环节断上的互补特征机械地接合的接合特征(161,162,165,166)，接合特征用以将相邻外环节断机械地互锁并制备自支承涡轮隔板。

Description

涡轮隔板构造
技术领域
本公开涉及用于涡轮的隔板(diaphragm)的构造，并且特别涉及用于轴流式蒸汽涡轮中的隔板的新颖结构和组装工艺。
背景技术
一种构造蒸汽涡轮隔板的公知方式是将静止导叶的环形件安装在内环与外环之间。每个这种叶片包括其中翼型件部分在内平台与外平台之间延伸的叶片单元，叶片单元被加工成单一构件。这被称为“平台”型构造。各平台呈柱体节断形式，使得当组装叶片单元的环形件时，内平台组合而形成内端口壁且外平台组合而形成外端口壁。内平台焊接至内环，其保持涡轮叶片且提供用于密封布置的底座，密封布置例如为迷宫式密封件，其在内环与涡轮的转子轴之间起作用。外平台焊接至外环，其对隔板提供支承和刚性。内环和外环中的每一个通常包括两个半圆形半部，半部沿平面结合在一起，该平面包含隔板的主轴线且在叶片单元之间经过，使得整个隔板可分离成两个部分以用于围绕涡轮机的转子组装。
用于HP或IP蒸汽涡轮隔板的现有平台构造通常包括从厚金属板切割或锻制或由棒料形成的实心内环和外环。因为大型涡轮中的这种环具有沿涡轮的轴向和径向方向的相当大的尺寸，例如100mm至200mm，所以在大型蒸汽涡轮的出厂价中将隔板的构件焊接在一起的成本占相当的比重，尤其是因为所必需的深穿透焊接要求用于其制备的高级的专门焊接设备。而且，焊接是隔板中冶金缺陷的可能来源，并且还必须对隔板进行热处理以便释放由焊接工艺导致的应力。
发明内容
在其最广泛的方面，本公开提供了包括叶片单元的环形阵列的轴流式涡轮隔板，各叶片单元包括：
－翼型件；
－与翼型件一体的径向内平台和外平台，径向内平台包括内隔板环的节断且径向外平台包括外隔板环的节断，至少外环节断包括与在叶片单元的环形阵列中的相邻外环节断上的互补接合特征机械地接合的接合特征，接合特征用以与相邻外环节断互锁且制备自支承涡轮隔板。
上述概念使叶片单元能够完全通过机械手段组装和保持在一起，使得隔板可在不使用焊接或其它金属熔融或粘合技术的情况下构造成近净形状(near net shape)。
还注意到，在组装叶片单元而形成隔板之后，隔板的径向外端口壁由形成叶片单元的外平台的径向外环节断组成，且隔板的径向内端口壁由形成叶片单元的内平台的径向内环节断组成。
显然，就其尺寸和表面光洁度而言，叶片单元(包括其内环节断和外环节断)应精确地制造且紧密地彼此配合，使得隔板的内端口壁和外端口壁足够平滑以避免过度的气动阻力增大。
为了对抗跨隔板轴向作用的负载——尤其是倾向于在隔板的外环中产生弯曲应力的翼型件上的涡轮流体负载——而维持隔板一体化，各叶片单元的外环节断上的接合特征包括在外环节断的两个面朝周向侧上的钩特征，其与邻近叶片单元的相邻外环节断上的互补特征接合，钩特征定向成维持各叶片单元相对于其相邻件的轴向位置。
为了对抗跨隔板径向施加的负载维持隔板的一体化，各叶片单元的外环节断上的接合特征包括与邻近叶片单元的外环节断上的互补特征接合的舌键(tongue)和凹槽特征，舌键和凹槽特征定向成维持各叶片单元相对于其相邻件的径向位置。
优选地，舌键和凹槽特征包括：
(i)在外环节断的面朝周向第一侧上的凹槽，凹槽形成为在钩的径向外部与外环节断的径向外部的周向突出的唇部之间的间隙；以及
(ii)与第一面朝周向侧上的凹槽精确相对的从外环节断的面朝周向第二侧突出的周向突出的舌键。
如果被要求以便在跨隔板加载涡轮流体期间抵抗所经历的弯曲应力，则各叶片单元的内环节断还可包括接合特征，其与在叶片单元的环形阵列中的相邻内环节断上的互补特征机械地接合，并且可操作以与外环节断上的接合特征合作而制备自支承涡轮隔板。各叶片单元的内环节断上的这种接合特征可包括钩特征，其与在邻近叶片单元的相邻内环节断上的互补钩特征接合，钩特征定向成维持各叶片单元相对于其相邻件的轴向位置。如果外环节断上的接合特征自身足以充分抵抗跨隔板的涡轮流体负载，则可省略内环节断上的这种接合特征。
各叶片的径向内环节断上的钩特征可包括由靠近翼型件的压力侧径向延伸的凹槽组成的第一钩以及由靠近翼型件的吸力侧径向延伸的凹槽组成的第二钩。
还公开了适合于根据以上概念构造隔板的叶片单元的实施例。
此外，一种组装涡轮隔板的方法包括以下步骤：
(a)将单独叶片单元制备成其最终形状；
(b)将第一叶片单元置于平坦表面上以准备与另外的叶片单元联接；
(c)使第二叶片单元轴向滑动成与第一叶片单元和平坦表面接合，使得第二叶片单元的外环节断上的接合特征与第一叶片单元的外环节断上的互补接合特征配合；以及
(d)相继地使另外的叶片单元轴向滑动成与已彼此接合的叶片单元和平坦表面接合，直到完成隔板的环形件。
如果还在叶片单元的内环节断上存在接合特征，则这种接合特征将与外环节断上的接合特征平行地彼此配合。
在研究了以下描述和所附权利要求之后，本公开的另外的方面将变得显而易见。
附图说明
现在将参考附图描述本文中公开的概念的实施例，附图未按比例绘制，其中：
图1A是示出从单独叶片单元组装之后的HP或IP蒸汽涡轮隔板的、本概念的实施例的蒸汽入口侧的视图；
图1B是图1A的隔板的蒸汽出口侧的视图；
图2A是准备合并入图1的蒸汽涡轮隔板中的叶片单元的压力侧的三维透视图；
图2B是图2A的叶片单元的吸力侧的视图；以及
图3A至图3C是示出隔板的组件中的级的视图。
附图标记：
10 涡轮隔板
12 叶片单元
12-1 用于组装的第一叶片单元
12-2 用于组装的第二叶片单元
12-3 用于组装的第三叶片单元
14 内隔板环节断
141 钩
142 钩
143 内环节断14的入口侧
144 槽口(缺口)
146 形成钩141的凹槽
147 形成钩142的凹槽
148 内环节断14的面朝周向侧
149 内环节断14的径向内侧/周向延伸凹部
16 外隔板环节断
161 钩
162 舌键
163 外环节断16的第一面朝周向侧
164 外环节断16的第二面朝周向侧
165 钩
166 凹槽
167 唇
18 翼型件
181 翼型件18的前缘
182 翼型件18的后缘。
具体实施方式
图1A和图1B分别示出具有主轴线X-X的高压或中压蒸汽涡轮隔板10的前侧或入口侧和后侧或出口侧。蒸汽涡轮隔板通常通过将它们的构件焊接在一起而构成，但根据本公开，隔板10可在不使用焊接或者其它熔合或粘合金属结合技术的情况下构成。
简言之，本概念是将隔板10的所有通常特征的部分一体化成叶片单元12，即翼型件18、外环16和内环14，使得当所有叶片单元机械地结合并配合在一起时，所得到的是在不使用焊接等的情况下制得的完整隔板，从而仅需要圆形特征的最终加工和/或密封件的装配等以制备最终制品。因此，各叶片单元12形成隔板10的环形件的完整节断。在所示的实施例中，存在50个节断，但节断的数量可变化，例如取决于隔板的直径和翼型件的弦尺寸。
当安装在涡轮中时，外环(且因此整个隔板)可借助交叉键(cross key)定位特征(未示出)支承在环绕的涡轮壳体(未示出)内，如行业中公知的。
更详细而言，各叶片单元12包括：径向内平台，充当内隔板环的节断14；径向外平台，充当外隔板环的节断16；以及翼型件18，在内隔板环14与外隔板环16之间延伸。所示实施例是带有径向紧凑型构造的隔板，与传统上用于大型蒸汽涡轮的更健壮型的构造相比，该隔板具有少得多的其内隔板环的径向厚度。然而，本文中所讨论的概念还可适用于具有沿径向比所示内环更厚的内环的隔板。
为了能够制备图1A和图1B中所示的隔板，叶片单元如在图2A至图3C中的透视图中所示那样制造和组装。
现在参考图2A和图2B，代表性的叶片单元12示出为准备与邻近的相同叶片单元联接以便形成隔板；图2A是在翼型件18的压力(凹入)侧观察的视图，且图2B是在翼型件的吸力(凸出)侧观察的视图。为了使得能够在不使用焊接或者其它熔合或粘合金属结合技术的情况下将隔板的构件锁定在一起，至少外环节断16具有呈在节断的一个面朝周向侧163上的钩161和舌键162形式的接合特征，而节断的对立的面朝周向侧164具有呈钩165和凹槽166形式的接合特征，钩165和凹槽166在形状上分别与钩161和舌键162互补。
为了制备钩161，外环节断16的入口侧168的大部分通过其径向和周向厚度切除以形成轴向较深的槽口(美国英语中的缺口)，其沿轴向方向延伸至靠近翼型件18的压力侧的位置，终止于形成钩161的径向延伸的凹槽169中。为了制备钩165，外环节断16的出口侧170中的槽口匹配入口侧168中的槽口的周向广度，但径向更广且轴向更浅，终止于形成钩165的径向延伸的凹槽171中。
在所示实施例中，外环节断16的侧164上的凹槽166方便地形成为在钩165的径向外部分与外环节断的径向外部的周向突出的唇部167之间的间隙。周向突出的舌键162当然必须与侧164上的凹槽166精确相对地从外环节断16的侧163突出。
在组装成隔板之后，外环节断的侧163邻接周向邻近的外环节断的侧164，使得侧163上的钩161与侧164上的钩165接合，由此提供叶片单元12在隔板内的轴向位置，并且侧163上的舌键162与侧164上的凹槽166接合，由此提供径向位置。当完整构造的隔板为工作涡轮的一部分时，各翼型件18的边缘181将是其前缘且边缘182将是其后缘，并且翼型件18将经历蒸汽负载。跨隔板沿轴向方向从翼型件18的前缘181到后缘182即从隔板的入口面到其出口面将存在压降和所产生的弯矩。钩161与钩165的互锁抵抗该轴向力和弯矩。实际上，用于轴向定位的钩和用于径向定位的舌键和凹槽的组合有效地提供了外环节断16相对于彼此的交叉键定位，从而使叶片单元12稳定在隔板结构内。
在所示实施例中，已假定仅仅钩161/165将不足以承担在涡轮操作期间所有轴向施加的蒸汽负载力，且因此内环节断14还设有呈又一对轴向互锁的钩141和142形式的彼此互补的接合特征。
为了制备钩141，内环节断14的入口侧143的大部分通过其径向厚度切除以形成深槽口(美国英语中的缺口)144，其沿轴向方向延伸至靠近翼型件18的压力侧的位置，终止于形成钩141的浅的径向延伸凹槽146。然而，为了制备钩142，仅需要靠近翼型件18的吸力侧在内环节断14的出口侧145中切割浅的径向延伸凹槽147。在将叶片单元组装成隔板之后，内环节断14的轴向槽口144面对周向邻近的内环节断的面朝周向侧148，使得钩141与钩142接合，由此提供叶片单元12在隔板内的更多轴向位置。
应当理解，舌键162、凹槽166和钩141、142、161、165的形状可从不同于图中所示的那些，图中所示的那些为示例性的。例如，舌键162和槽166可为T形、燕尾形或一些其它底切或凹腔形。
现在将参照图3A至图3C描述隔板10的组装。图3A已标注有参考标记和蓝线以使得能够与图2A和图2B相比较，但是图3B和图3C没有这样标注以避免使细节模糊。
首先，将用于合并入隔板中的单独叶片单元在组装之前制备成最终形状。图3A示出置于平坦表面上以准备与另外的叶片单元联接以形成隔板的第一叶片单元12-1。图3B示出第二叶片单元12-2，其轴向滑动成与第一叶片单元和平坦表面接合，使得第二叶片单元12-2上的外环节断和内环节断上的接合特征与第一叶片单元12-1的外环节断和内环节断上的互补接合特征配合。具体而言，第二叶片单元的外环节断16的侧163上的舌键162接合第一叶片单元的外环节断的侧164上的槽166，第二叶片单元的外环节断的侧163上的钩161接合第一叶片单元的外环节断的侧164上的钩165，并且第二叶片单元的内环节断上的钩141接合第一叶片单元的内环节断上的钩142。图3C示出第一和第二叶片单元在平坦表面上处于其最终接合和互锁位置，且第三叶片单元12-3轴向滑动成与第一叶片单元接合。
在图中所示的径向紧凑实施例中，径向内环12的各节断14的径向内侧包括周向延伸的凹部149，其构造成固持单独的密封件(未示出)，该密封件用于在隔板已组装到涡轮中时抵靠转子直接密封，密封件是必需的，以限制在隔板的相对高压侧与低压侧之间的泄漏。这种密封件可包括例如迷宫式密封件、刷式密封件或叶式密封件。备选地，径向内环12的各节断14的径向内侧可构造为迷宫式密封件，使得密封翅片(未示出)直接从各节断的径向内侧朝所面对的转子突出。
在用于蒸汽涡轮隔板的传统类型平台构造中，叶片单元被加工成连同翼型件和内平台及外平台的单个构件，使得当平台焊接到它们对应的内环和外环上之后，内平台和外平台组合而形成周向连续的内端口壁和外端口壁。从附图和以上描述将理解，包括将内环和外环节断互锁的本概念还导致周向连续的内端口壁和外端口壁。然而重要的是，内端口壁和外端口壁足够平滑以避免过度的气动阻力增大，并且为此，内环节断和外环节断的接合特征应当在它们的尺寸和表面光洁度方面精确地制造和紧密地彼此配合。
采用本文中提出的概念给予以下优点：
－除了可能增加密封件等外——在隔板已组装之后——为了将隔板对邻近的涡轮机密封，消除了在隔板的构造中焊接或其它金属结合技术的需要，随之有成本的节省和减少的制造时间；
－焊接的消除消除了在隔板的结构中可能的缺陷源；
－在隔板的构造中通常使用的焊接类型通常包括要求高级且昂贵的激光或电子束焊接设备的深穿透焊接。焊接的消除因此允许在选择用于构造涡轮隔板的制备设施方面的更多选择。
上述实施例仅在上文中通过举例的方式描述，并且可在所附权利要求的范围内做出修改。因此，权利要求书的广度和范围不应受限于上述示例性实施例。在说明书(包括权利要求书和附图)中公开的各特征可由服务于相同、等同或类似目的的备选特征代替，除非明确陈述为其它。
在说明书和权利要求书全文中，除非上下文清楚地要求，否则词语“包括”、“包含”等应在包含性而不是排它或穷举性的意义上解释；也就是说，在“包括但不限于”的意义上解释。

Claims (9)

1.一种包括叶片单元的环形阵列的轴流式涡轮隔板(10)，各叶片单元(12)包括：
翼型件(18)；
与所述翼型件一体的径向内平台和外平台，所述径向内平台由内隔板环的节断(14)组成且所述径向外平台由外隔板环的节断(16)组成，至少所述外环节断(16)包括与在所述叶片单元的环形阵列中的相邻外环节断上的互补接合特征机械地接合的接合特征(161, 162, 165, 166)，所述接合特征用以将相邻外环节断互锁并制备自支承涡轮隔板，其中，各叶片单元(12)的所述外环节断(16)上的接合特征包括在所述外环节断的两个面朝周向侧(163, 164)上的钩特征(161, 165)，其与邻近叶片单元的相邻外环节断上的互补特征接合，所述钩特征定向成维持各叶片单元相对于其相邻件的轴向位置。
2.根据权利要求1所述的轴流式涡轮隔板，其特征在于，各叶片单元(12)的所述外环节断上(16)的接合特征包括与邻近叶片单元的所述外环节断上的互补特征接合的舌键(162)和凹槽(166)特征，所述舌键和凹槽特征定向成维持各叶片单元相对于其相邻件的径向位置。
3.根据权利要求2所述的轴流式涡轮隔板，其特征在于，所述舌键和凹槽特征包括：
(i) 在所述外环节断(16)的面朝周向第一侧(164)上的凹槽(166)，所述凹槽形成为在钩(165)的径向外部与所述外环节断的径向外部的周向突出的唇部(167)之间的间隙；和
(ii) 周向突出的舌键(162)，其与所述面朝周向第一侧(164)上的凹槽(166)精确相对地从所述外环节断的面朝周向第二侧(163)突出。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的轴流式涡轮隔板，其特征在于，各叶片单元(12)的所述内环节断(14)还包括接合特征(141, 142)，其与在所述叶片单元的环形阵列中的相邻内环节断上的互补特征机械地接合，并且可操作以与所述外环节断上的接合特征合作而制备自支承涡轮隔板。
5.根据权利要求4所述的轴流式涡轮隔板，其特征在于，各叶片单元(12)的所述内环节断上(14)上的接合特征包括与邻近叶片单元的相邻内环节断上的互补钩特征接合的钩特征(141,142)，所述钩特征定向成维持各叶片单元相对于其相邻件的轴向位置。
6.根据权利要求5所述的轴流式涡轮隔板，其特征在于，所述钩特征是由靠近所述翼型件(18)的压力侧的径向延伸凹槽(146)形成的第一钩(141)和由靠近所述翼型件的吸力侧的径向延伸凹槽(147)形成的第二钩(142)。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的轴流式涡轮隔板，其特征在于，所述径向内环节断(14)的径向内侧(149)构造为密封件或构造成固持密封件，这种密封件可操作以限制在所述隔板(10)的相对高压侧与低压侧之间的泄漏。
8.一种叶片单元，其用于根据前述权利要求中的任一项所述的轴流式涡轮隔板。
9.一种组装根据权利要求1所述的涡轮隔板的方法，包括以下步骤：
(a) 将单独叶片单元(12)制备成其最终形状；
(b) 将第一叶片单元(12-1)置于平坦表面上以准备与另外的叶片单元联接；
(c) 使第二叶片单元(12-2)轴向滑动成与所述第一叶片单元和所述平坦表面接合，使得所述第二叶片单元的外环节断(16)上的接合特征(161, 162)与所述第一叶片单元(12-1)的外环节断(16)上的互补接合特征(165, 166)配合；以及
(d) 相继地使另外的叶片单元轴向滑动成与已彼此接合的叶片单元和所述平坦表面接合，直到完成所述隔板的环形件。
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