CN1040078A - 压缩机隔板组件 - Google Patents

Abstract

本发明为一种燃气轮机，包括：外壳(50)和转子(40)，转子包括许多旋转刀片(42)。燃气轮机还有一个带膜片组件的压缩部件(34)。膜片组件包括带有一起整体形成的内套环(68)的叶片翼剖面(66)和外环子组件(72)。外环子组件(72)上具有与以一个错列角分布的用于接受叶片翼剖面(66)的槽，这些槽最好垂直于流径叶片(66)气流产生的力矢量伸展。

Description

总的来说，本发明涉及燃气轮机或者叫气轮机，具体地说，本发明涉及这些透平机上所用的压缩机隔板组件。

大约有三分之二的大型工业燃气轮机（有时候也被叫做“气轮机机”）用于发电。由于它们很适于自动控制和遥控，各种电为设施公司主要都选用燃气轮机完成带动高峰负载的工作。然后，当急需附加的发电容量同时又能得到廉价的精炼油或者能利用气轮机的排出能量时，燃气轮机也被常用来进行带动基本负载的发电。

在用于发电的环境下，一个典型的燃气轮机一般包括四部分：（1）进气部分，（2）压缩部分，（3）燃烧部分，（4）排气部分。空气从进气部分进入燃气轮机，并在压缩部分中进行绝热压缩，与燃油混和同时在压缩部分中的恒定压力下被加热，然后在产生绝热膨胀之后通过排气部分排出。这样就完成了基本的燃气循环，这种循环通常地被称为是布莱顿（Brayton）循环或者焦耳（Joule）循环。

众所周知，常规的燃气轮的净输出等于它产生的功率与压缩部分所吸收的功率之差。在典型情况下，燃气轮机产生的功率中的三分之二被用于驱动压缩部分。这样，燃气轮机的总体性能与它的压缩部分的效率关系极为密切。为了能确保高效率和高压缩率的维持，大多数压缩部分都采用了轴流式结构，这个结构中有一个带有许多沿一根轴轴向分布的旋转刀片，这些旋转刀片中间置有许多带内覆环的静止叶片，这些叶片和阶梯式的迷宫式级间密封件一起提供了一种隔板组件。

但是，由于通常使用的制造（比方说）叶片的方法的关系，在带内覆环叶片的翼剖面上有疲劳裂缝这样的严重问题。举个例子来说，在大多数压缩机隔板组件的制造商目前所采用的压制或者锻造方法中，都需要使用焊接工艺把叶片与各自的内、外覆环焊在一起，而这种工艺在每个焊接点上产生一个“受热影响区域”。人们发现：因疲劳而产生的裂缝差不多总是发生在这种受热影响区域中。因此，人们希望不仅提供一种能抗疲劳裂缝的改进的压缩机隔板组件，而且还能提供一种能把产生“受热影响区域”的工艺减少到最小程度的制造这种组件的方法。

但是，仅仅靠取消那些产生“受热影响区域”的制造工艺还是不能解决与疲劳裂缝有关的问题。这是因为有些锻制成的叶片就算精心进行过应力释放以减少受热影响区域的影响。也会产生疲劳裂缝问题。因此，很显然可以看出：燃气轮机中不仅静态激励因素，而且动态激励因素也会导致疲劳裂缝的产生。

除了垂直地和正切地施加在叶片的轮廓表面上气动力之外，还有阶间压力差，它们中每一个均导致其他的力和力矩的产生，这些产生的力和力矩被传至外覆环，再通过联结叶片和外覆环的焊接处传至燃气轮机外壳。

看起来好象只要简单换用带有外、内整体覆环的叶片就能解决疲劳裂缝这两个起因，即似乎完全消除了“受热影响区”的问题，燃气轮机中的静态和动态激励因素产生的不稳定性方面的问题似乎也被减少到最小程度。然而，事实并不是这样。

举例来说，在上面所描述的那些静力和力矩的影响下，这种理想的叶片的外覆环段与燃气轮机的外壳不会稳定地接合，除非由外覆环段的末端和燃气轮机外壳上用于装入上述的覆环段的狭槽壁的接触产生一个制动力矩。这样，外覆环段就会在空隙缝（只要外壳狭缝经受热膨胀）中转动结果，燃气轮机中理想叶片的使用将在外覆环段附近产生很大的应力和过量的平移和旋转错位;在动态激励因素下，情况会更加恶化。

本发明的主要目的就是提供一种压缩机隔板组件，这种组件能使燃气轮机中经常遇到的因静态和动态激励因素产生的与燃气轮机外壳的接合的不稳定性减小至最小程度，而且这种组件可以用现有的制造技术很容易地，以很小的成本制造。

带有上述目的本发明可用于燃气轮机中，一个燃气轮机包括外壳、一个包括沿一根有许多圆盘的轴轴向散布许多旋转刀片的转子、在燃气轮机的压缩机部分的外壳内形成的具有圆环形第一截面上的一个或多个狭槽;二述的压缩机部分有一个装有许多叶片的隔板组件，每个上述的叶片都有一个与其构成一个整体内覆环，其特征在于：一个外环子组件，这个外环子组件上有许多以一个错列角排列的许多平行槽，自个槽用来以错列角接受许多叶片中的一片;上述的外环子组件还有一个具有与上述的第一预定截面互补的截面的径向外端部分，这个径向外径部分可滑动地接受在气轮机外套上的狭缝中，其特征还在于一个与每个上述的内覆环相配合的支架子部件，上述的支架子部件上包括至少一对与圆盘相配合的密封件。

通过下面以只作示范例的方式给出的一个最佳实施例的详细描述，本发明将变得更清楚。

附图中，

图1.是采用燃气轮机的一个典型的发电厂的示意图。

图2.是图1中的燃气轮机部分切掉后的等角图（立体图）。

图3.示出了施加在用一种先有技术制造的带内覆环的叶片上的各个力。

图4.示出了用第二种先有技术制造的另一个带内覆环的叶片。

图5.是根据本发明的一个内带覆环的叶片的等角图。

图6.是根据本发明的一个最佳实施例安装的一个带内覆环的叶片的示意图。

图7.是图6所所示组件的俯视图，图中示出了根据本发明的预定叶片安装角。

现在来参考附图，在各图中相似的符号表示相似的或者对应的部件。图1中示出了一个典型的使用一台公知的燃气轮机12（如西屋电气公司燃气轮机系统分部制造的W-501D型单轴式重负载燃气轮机）的发电厂10和常规的发电厂一样，电厂10包括由气轮机口驱动的发电机14，起动系统16，具有乙二醇冷却器20的电力系统18、具有油冷系统24的机械系统22和空气冷却系统26。它们中的每一个都支持着气轮机12的运行。另外，在发电厂10的进气口和排气管处还装有用于抑制气轮机12运行时的射流噪声的常规装置28，在发电机14处还装有用于引出所产生的电能的常规的终端装置30。

正如图2中详细示出的那样，气轮机12点的来说包括：进气部分32，压缩机部分34，燃烧部分36及排气部分38，空气从进气部分32进入气轮机12，并在压缩机部分进行绝热压缩，然后在燃烧部分36中在常压下与燃油混合并被加热。被加热的油/气气体将发生绝热膨胀，然后从燃烧部分36通过排气部分38排出，这样，就完成了一个基本的燃气循环。这样的热力循环还被叫做布莱顿（Brayton）循环或者焦耳循环。

为了确保在气轮机12中维持所希望的高效率的高压缩率，压缩机部分34与大多数常规的燃气轮机中的压缩机一样也采用带转子440的轴流式结构。转子40包括沿轴44轴向分布的许多旋转刀片42及多个圆盘46。有一对毗邻的旋转刀片组之间插装有一组装在气轮机外壳50上的带内覆环的静止叶片48（这在下面将详细解释），这样，便带有分级的迷宫式级间密封件52的圆盘46一起构成了一种隔板组件。

由于通常使用的制造带内覆环的叶片48的方法的缘故，叶片中存在着严重的疲劳裂缝的问题。举个例子来说（现在参照图3和图4），在大多数压缩机隔板组件制造商所采用的两种方法中都使用了焊接工艺把带内覆环的叶片48的翼剖面部分54与各自的内覆环56和外覆环58相联接。正如大家所知道的那样，在有一焊接接合处62都将产生一个受热影响区域60。

正象美国金属协会（地址：Metals    Park，Ohio）所编的“金属手册（Metals    handbook）”（第九版）一书第    册”焊接、铜焊和软焊”中所定义的那样，受热影响区域是指那部分未被熔化但其机械特性和微结构已被焊接、铜焊、软焊或切割所产生的热所改变了的基底金属。在用于制造叶片轮廓54，内覆环56和外覆环58的那种不锈钢合金中，因疲劳而产生的裂缝往往发生在这类受热影响区域60中。

但是正象上面说过的那样，只通过取消这些产生受热影响区域58的制造工艺是不能解决疲劳裂缝这个问题的。图3中示出的是通过恒定截面压制的方法制成的带内覆环的叶片48，而图4示出的是通过厚度弦长比可变的锻制方法制造的带内套环的叶片48。

典型情况下作用在常规压缩机隔板组件（如图3和图4所示的）的内覆环及密封件52上的力主要由密封件压力降Fs引起。这些力再加上垂直和正切地施加在叶片轮廓部分上的气动力F_A和F_T引起其他一些力和力矩的产生，这些产生的力和力矩被传送至外覆环58，然后通过联接叶片轮廓54和外覆环58的焊接联接处62传递至燃气轮机12的外壳50。

不管怎样，就是使用具有整体形成的内覆环和外覆环（从而消除了受热影响区域60）的理想叶片也不能消除疲劳裂缝。在上面描述的那些静力和力矩的影响下，这个理想叶片的外覆环段不能与气轮机的外壳稳定相联接，除非外覆环段的末端与外壳上形成的用于装入外覆环段的狭槽壁的接触能产生一个制动力矩。这样，外覆环段会在一个间隙缝（因外壳狭槽发生热膨胀而产生）转动。结果是，在燃气轮机中就算使用理想的叶片翼剖面也会产生在外套环附近大量应力和过大的轴向的旋转错位，在动态激励下，每个问题都将更恶化。

我们发现，一个如图5-7所示压缩机隔板组件64可以基本上消除上面所讨论的疲劳裂缝问题。如图5所示，这种压缩机隔板组件64包括许多叶片66，每个叶片都是与一个整体内覆环68一起形成的，一个从内覆环68上悬下的分段的密封架70，和一个与气轮机12的纵轴成预定角度As（见图7）支撑上述的多个叶片轮廓66的分段外环72，这个外环72通过外壳50上形成的圆环状狭槽与气轮机12的外壳相连。

每个外环段76上都有一条或多条用来装入一个叶片轮廓66的外端部80的槽78，每个密封架段82都包括一对用来装入圆盘的密封件84，并能与一个或多个叶片66的内覆环68啮合。

根据本发明的一个重要方面，带有整体形成的内覆环68的多个叶片轮廓66是通过没有加热的工艺与各自的外环与密封架段76、82相联的，因此，受热影响区域被完全消除。此外，由于每个叶片66的外端面80是做成与和它对应的平行于预定角度As的槽相啮合的，叶片66与外壳上的狭槽74之间（由于静态的或动态的激励因素）存在着很小（如果有的话）的接合不稳定度。

上面所说的那个预定角度As通常还被称作“错列角”，是每个叶片翼剖面66相对于气轮机的长度轴安装的角度。也就是说，结合图5观察图7中的力矩，叶片66的外端部分80将旋转至它与错列角平行（也就是与F_T产生的力垂直）为止。外端部分80以这个错列角As与形成在外环段76上的一个狭槽78啮合，使作用在外端部分80上的垂直力的分布均匀。这样，结合具有0·001吋间隙的典型转子刀片，就要提供一种使叶片翼剖面66的错位和旋转为最小的稳定的钳制系统。

再看一下图6，从图中可以看出多个叶片76是通过把各自的外端部分80插入外环段76上形成的槽中的方法而装配的。这样，叶片66（特别是它们外端部分80）能与错列角As达到最佳平行。虽然图中示出的外端部分80具有一个大至呈三角形的截面，但实际上这个连接件根据本发明可采用任何形状截面，只要与槽78的截面相补就行。

许多外环段76可以通过连接块86和定位螺丝（induxingscrew）88连接形成外环72，此外，只要外环段76构成的弧度与分段密封架70所构成的弧度一致，外环段76还可以不连接。不管是哪种情况，外环段76的截面做成大替上呈“T”型，以便与气轮机12外套50上狭槽74相啮合，并用常规的定位螺丝90定位。

为了方便本发明的压缩机隔板的安装和拆除，把生产成本降至最低，在各个叶片66之间还装不同尺寸的隔离块92以提供正确的间隙。和连接块86及叶片66的外端部分80一样，每个叶片翼剖面66的内端部分68和叶片间的所有隔离块92都可用常规的限制螺丝90或定位螺丝88固定住。

正如上面所解释的那样，根据本发明的压缩机隔板组件能消除在受热影响区域产生疲劳裂缝的问题，同时也大大降低了通常在内、外覆环建立的应力密度。通过整体形成叶片轮廓这一方法使制造成本下降至最小，而使产品的质量达到了最佳，这是因为在制造转子刀片时可以利用一个较为成熟的工艺（如铸造、锻制、靠模制造：铣削、等等）。还可以很容易看出的是，更换单个损坏了的叶片66也是非常容易实现的，此外，叶片轮廓66、分段密封架70、外环72及狭槽74之间的接触面的数量的增多也增加了机械阻尼，这样使动态响应也减至最小。

很显然，根据上面的描述可以对本发明进行很多修进和变型。因此，应该理解到的是，在后面的权利要求的范围之内还可用和上面描述的方法不同的途径来实施本发明。

Claims (6)

1、一种燃气轮机，包括一个外壳(50)，一个具有许多沿一根带有多个圆盘(46)的轴(44)轴向散布的旋转刀片(42)，一个或多条在上述燃气轮机的压缩部分(34)的外壳(50)内以圆环形式形成的具有第一预定截面的狭缝(74)，上述的压缩部分(34)有一个带有许多叶片翼剖面(66)的膜片组件，每个叶片翼剖面均有一个与它整体形成的一个内套环(68)，其特征在于：一个外环子组件(72)，这个环子组件上有许多以一个错列角排列的许多平行槽(78)，每个槽用来以错列角接受许多叶片(66)中的一片；上述的外环子组件(72)还有一个具有与上述的第一预截面互补的截面的径向外端部分，这个径向外径部分可滑动地接受在气轮机外套上的狭缝(74)中；其特征还在于一个与每个上述的内覆环(68)相配合的支架子部件(70)，上述的支架子部件(70)上包括至少一对与圆盘相配合的密封件(84)。

2、一种根据权利要求1的燃气轮机，其特征在于上述的平行槽狭缝（78）具有燕尾状截面，每个上述的叶片翼剖面包括一个具有互补的燕尾状截面的外端部分。

3、一种根据权利要求1或2的燃气轮机，其特征在于上述的错列角与流过上述叶片（66）的气流产生的力矢量基本垂直地增大。

4、一种根据权利要求1或2或3的燃气轮机，其特征在于上述的外环子组件（72）包括许多外环段（76）。

5、一种根据权利要求4的燃气轮机，其特征在于上述的外环段（76）是相邻成对联结的。

6、一种根据权利要求1-5中的任何一个的燃气轮机，其特征在于：装有使上述的外环子组件（72）锁定在各自的狭缝中的装置（90），及把上述的架子组件（82）固定在上述的内套环（68）上的装置（90）。

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