CN104583539A - 用于维修涡轮机械部件的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于维修涡轮机械部件的装置和方法，所述装置包括工具传送机构(700)，所述工具传送机构适于将工具传送至涡轮机(100)中的期望位置。工具支承件(1080)适于被固定至涡轮机的主体上，并且还被构造成支承工具传送机构(700)。加工工具(1090)附接至工具传送机构(700)，并且包括：轴向滑动夹具(420)，所述轴向滑动夹具被构成夹紧至涡轮机部件；径向滑动件(430)，所述径向滑动件可滑动地连接至轴向滑动夹具；弹簧，所述弹簧连接至轴向滑动夹具和径向滑动件，所述弹簧(750)提供轴向张力；和加工钻头，所述加工钻头被至少部分地保持在径向滑动件内。
Description
技术领域
本发明的装置和方法总体涉及涡轮机械。更具体地，所述装置和方法涉及现场维修或修复涡轮机械部件。
背景技术
涡轮机压缩机叶片能够由于例如腐蚀、摩擦裂纹、点蚀以及异物的影响而受到损坏。在这种损坏的情况下，期望及时检测和修复这些叶片，以防止尖端解离以及随后的压缩机故障。当前的用于叶片修复的实践需要移除压缩机外壳，这不可避免地是耗时并且昂贵的。移除压缩机外壳以用于修复压缩机叶片还产生不期望的停机时间，由此造成机器拥有者/操作者的收入损失。
发明内容
在本发明的一个方面中，一种适于维修涡轮机部件的装置包括工具传送机构，该工具传送机构适于将工具传送至于涡轮机中的期望位置。工具支承件适于被固定至涡轮机的主体上，并且还被构造成支承该工具传送机构。加工工具附接至工具传送机构，并且包括：轴向滑动夹具，该轴向滑动夹具被构造成夹紧至涡轮机部件；径向滑动件，该径向滑动件可滑动地连接至轴向滑动夹具；弹簧，该弹簧连接至轴向滑动夹具和径向滑动件，该弹簧提供轴向张力；和加工钻头(machine bit)，该加工钻头被至少部分地保持在径向滑动件内。该装置适于现场维修涡轮机的部件。
在本发明的另一个方面中，提供一种用于维修涡轮机部件的装置。该装置包括加工工具，该加工工具具有：轴向滑动夹具，该轴向滑动夹具被构造成夹紧至涡轮机部件；径向滑动件，该径向滑动件可滑动地连接至轴向滑动夹具；弹簧，该弹簧连接至轴向滑动夹具和径向滑动件，该弹簧提供轴向张力；和加工钻头，该加工钻头被至少部分地保持在径向滑动件内。该装置适于现场维修涡轮机的部件。
在本发明的另一个方面中，提供一种方法，该方法包括以下步骤：调节进口引导轮叶的取向；调节转子/定子同步；将工具传送机构移动至第一期望位置；将工具传送机构旋转至第二期望位置；将加工工具附接至涡轮机的部件；以及操纵手柄以移动加工工具修复部件。
附图说明
图1示出了涡轮机的局部剖视图；
图2示出了压缩机的局部透视图，其中示出了翼型件以及轮叶；
图3示出了在压缩机叶片上进行的尖端切料(tip cropping)的例子；
图4示出了根据本发明的方面的可以用于修复或加工部件的加工工具的末端执行器的侧视图；
图5示出了根据本发明的方面的轴向滑动夹具的简化图；
图6示出了根据本发明的方面的轴向滑动夹具的简化图；
图7示出了根据本发明的方面的工具传送机构的透视图；
图8示出了根据本发明的方面的通过压缩机中的各个转子和定子级导航的工具传递机构和加工工具的示意图；
图9示出了根据本发明的方面的附接至或固定到涡轮机的部件上的图4的加工工具的端视图；
图10示出了根据本发明的方面的工具传送机构的透视图；以及
图11示出了根据本发明的方面的修复涡轮机部件的方法。
具体实施方式
下文将对本发明的一个或多个特定方面/实施例进行描述。为了提供对这些方面/实施例的简明描述，说明书中可能不会对实际实施方式的所有特征进行描述。应当理解，在开发任何这种实际实施方式的过程中，如在任何工程或设计项目中，必须进行多种实施方式特定的判定，以实现开发者的特定目标(例如遵守机器相关、系统相关和商业相关的约束)，所述特定目标可能随着实施方式的不同而发生变化。此外，应当理解，这种开发工作可能是复杂和耗时的，但是无论如何，对于受益于本发明的本领域普通技术人员而言，这是设计、加工、和制造的常规任务。
当引入本发明的各个实施例的元件时，冠词“一个”、“该”和“所述”意在表示具有元件中的一个或多个元件。术语“包括”、“包含”和“具有”意为包含的并且意味着除了所列出的元件还可能具有另外的元件。操作参数和/或环境状况的任何例子都不排除所公开的实施例的其它的参数/状况。此外，应当理解，不期望将对本发明的“一个实施例”、“一个方面”或“实施例”或“方面”的提及被理解成排除同样结合了所列举的特征的额外的实施例或方面的存在。
涡轮机被定义成在转子与流体或者流体与转子之间传递能量的机器，其中包括但不限于燃气涡轮机、蒸汽涡轮机和压缩机。涡轮机械被定义成在转子与流体之间或者流体与转子之间传递能量的一个或多个机器，其中包括但不限于燃气涡轮机、蒸汽涡轮机和压缩机。开发现场叶片或轮叶修复方法以及装置的主要挑战是设计出能够将修复有效载荷传送至压缩机内侧的目标叶片或轮叶的机构，原因是压缩机流动路径内的紧密工作空间所造成的严格空间约束。传送机构应当能够到达目标轮叶的前缘和后缘、翼型件或叶片(例如，第二行压缩机转子叶片(R1)或轮叶(S1))。
图1示出了涡轮机100的局部剖视图，该涡轮机100可以是燃气涡轮机压缩机。然而，应当理解，本发明能够应用于任何涡轮机，其中包括但不限于燃气涡轮机、蒸汽涡轮机、压缩机等。在涡轮机100中，为了清楚地示出一些位于内侧的轮叶和叶片目的，省去了钟形嘴110的一半。第一级定子轮叶被称为进口引导轮叶(IGV)120。钟形嘴110包括外表面112和内表面114，并且进入流(例如，空气)通过这两个表面之间。典型地，多个支承构件116被紧固或焊接至外表面112和内表面114以用于支承。
图2示出了压缩机翼型件和轮叶的局部透视图，其中为了清楚而省去了外壳。定子轮叶是大体固定的，而转子翼型件/叶片连接至可旋转转子204。进口引导轮叶120也是大体固定的，但是可以围绕大体径向轴线变桨(pitch)，以改变进入流的方向或量。进口引导轮叶120后面是第一行转子翼型件230。翼型件也能够被称为R0翼型件或叶片，因为它们是R0级的部件/部分。接下来是定子轮叶240，并且定子轮叶240还能够被称为S0轮叶，因为它们是S0级的部件/部分。下一行转子翼型件/叶片250能够被称为R1翼型件或叶片，因为它们是R1级的部件/部分。R1翼型件后面是S1定子轮叶260，因为它们是S1级的部件/部分，等。
如果传送机构能够通过钟形嘴110并且到达目标叶片或轮叶、以及传送期望的工具组以进行期望的修复操作将是期望的。仅作为一个例子，根据本发明的方面，R1叶片可能经受各种类型的损坏并且该叶片能够在不需要移除外壳的情况下到达。
图3示出了用于R1叶片的尖端切料修复的几个例子，然而，在特定应用中，该类型的修复能够根据需要应用于任何叶片或轮叶。仅作为几个例子，损坏可能由于腐蚀、裂纹、疲劳和/或点蚀而造成。因此，根据典型地发生在R1叶片的损坏，如图3中所示地确定并且定义三种类型的配料(blending)操作。叶片310示出了1型配料(Type 1 blend)，其中移除了叶片尖端的一部分。在该例子中，D的最大量等于翼弦长度(CL)的一半，并且C的最大量等于叶片长度(BL)的三分之一。叶片320示出了2型配料，其中E×F的最大量等于预定量并且R等于大约0.25”的拐角半径。叶片330示出了边缘配料(edge blend)，其中A大于距离X(损坏的翼弦深度)的五倍。因此，在特定应用中，能够根据需要使用任何特定的量和/或距离，并且先前给出的值仅仅是示例性的。此外，1型、2型和3型配料可以定位在叶片前缘311和/或后缘312上。其它类型的配料和修复(包括全尖端切料)也可以由本发明完成。
图4示出了根据本发明的方面的加工工具400(或装置)的局部侧视图。加工工具400被构造成夹紧到涡轮机部件410(例如转子叶片、定子轮叶或转子翼型件)上，并且随后加工所述部件的期望区域。轴向滑动夹具420布置于部件410的两侧上，并且图4中仅示出了轴向滑动夹具的一侧。轴向滑动夹具包括一个或多个大体轴向延伸的槽422和424。张力施加装置426(例如螺钉或夹具)被构造成将轴向滑动夹具420的两侧夹紧到部件410上。
径向滑动件430通过一个或多个突出部(图4中未示出)可滑动地连接至轴向滑动夹具420，该一个或多个突出部延伸至大体轴向延伸的槽422和424中。轴向延伸的槽422被构造成允许径向滑动件430的轴向移动。突出部可以具有圆柱形或矩形的形状，或者在特定实施例中根据需要具有任何其它的形状。径向滑动件430还包括至少一个大体径向地延伸的槽432，该至少一个大体径向延伸的槽432被构造成允许加工钻头(machining bit)440的径向移动。径向延伸的槽432用作用于磨削钻头440的止动件或引导件，并且夹具420的几何形状(或形状)将根据修复的类型改变(例如方形、矩形、三角形或曲线形)以用于修复，如图3中的几个非限制性例子中所示。如图4中所示，轴向滑动夹具420被构造成用于2型或矩形切料(crop)/修复。径向方向大体由箭头401表示并且轴向方向大体由箭头402表示，并且这些方向大体转化成涡轮机的径向和轴向方向。
弹簧450连接至轴向滑动夹具420和径向滑动件430二者，并且在两个元件之间提供轴向张力。弹簧450朝向部件410的表面拉动加工钻头440，使得钻头440在加工操作期间接触部件410的表面。例如，当加工钻头440是磨削钻头(grinding bit)时，在加工操作期间随着磨削钻头磨削掉部件410的期望部分，弹簧450朝向部件410轴向地拉动径向滑动件430。工具钻头440还可以包括砂磨机、抛光机、标记装置、笔、或者可能在特定应用中期望的任何其它合适的工具。
图5示出了被构造成用于1型，或三角形，修复的轴向滑动夹具520。部件510将在修复或加工操作之后移除三角形部分511。槽522和524被径向滑动件(图5中未示出)使用。图6示出了被构造成用于3型或曲线形修复的轴向滑动夹具620。部件610将在修复或加工操作之后移除半椭圆形部分611。槽622和624由径向滑动件(图6中未示出)使用。
图7示出了附接至加工工具400的工具传送机构700的透视图。工具传送机构700可以用于将加工或修复工具(例如，研磨机)传送至涡轮或压缩机中以到达目标叶片或轮叶。如上所述，设计工具传送机构700的主要挑战的原因是涡轮或压缩机或压缩机流动路径内的紧密工作空间所造成的严格空间约束。此外，存在前几行压缩机叶片/轮叶的无穷数量的可能同步构造，原因是不同行的叶片/轮叶之间的同步的两种不确定性。具体而言，转子与定子之间的同步可能是任意的，并且第一级与第二级转子叶片之间的同步可能因涡轮机的一个单元与另一个单元而非常不同。由于转子/定子同步是可调谐的(即，转子翼型件/叶片能够相对于固定定子轮叶转动)，因此能够对转子/定子同步进行战略上的调节，以有利于工具传送机构700的进入/离开，而多个转子级(例如，R0/R1)同步是固定的并且因此是不可控的，原因是一个机器与另一个机器的多个转子级同步会有不同。因此，工具传送机构700被设计成能够通过多个同步设置或布置来完成对各个级中的翼型件、叶片和轮叶的所有的三种类型的配料(blends)。
工具传送机构700包括两连杆机构，该两连杆机构已被具体设计成有利于工具传送。工具传送机构700包括手柄710、中间连杆720和末端执行器(end effector)730，该中间连杆720包括两个杆，所述两个杆可以包括第一杆722和第二旋转杆724。万向节(universaljoints)740附接至第一杆722、和旋转(或第二)杆724的每一个端部。因此，工具传送机构700中可以采用四个万向节740。在两个端部处具有万向节740的两个杆722、724随后彼此基本平行地组装并且附接至两个端板752、754。手柄710附接至端板752，并且末端执行器730附接至端板754。术语“接头”或“多个接头”可以分别被定义成包括万向节和/或球接头、以及多个万向节和/或多个球接头。
加工工具包括两个轴向滑动夹具420和驱动加工钻头440的加工装置441。在一个例子中，加工装置441是向钻头440施加旋转运动的马达。马达能够是空气(例如，气动)或电动马达，或者在特定实施例中根据需要的任何其它合适的马达。钻头440能够是任何合适的磨料介质或材料(例如，研磨机、砂磨机、抛光机或者还有标记装置或笔)。通过缆绳760操纵加工装置441(和加工钻头440)，所述缆绳在一个端部处附接至加工装置引导轨道761并且在相对端部处附接至缆绳手柄762。操作者能够推动或拉动缆绳以移动加工装置741，并且该移动转化成加工钻头440的移动。一个或多个弹簧750可以连接至加工装置441以有利于加工装置的移动。该构造允许操作者控制加工钻头440相对于部件410的表面的移动速度和位置。
根据本发明的方面并且参照图8，提供将工具传送机构700插入到涡轮机械(例如，压缩机)内侧以修复涡轮机中的部件的方法。第一步骤可包括调节进口引导轮叶120取向(orientation)，并且该步骤可以跟随有或在先有调节转子/定子同步，以有利于工具传送机构700的进入/离开。为了将工具传送机构700插入到压缩机100中并且执行维修/修复操作，进口引导轮叶120可以定向成使得其与R0叶片230大致平行。可以调节转子和定子的相对同步，使得在该例子中，相关联的R0叶片832的后缘非常接近S0轮叶841的前缘。相关联的R0叶片832是目标R1叶片851沿顺时针方向周向地在R0叶片831与下一个R0叶片833之间同步的叶片。在确定相关联的R0叶片832、并且其后缘与S0轮叶841的前缘对准之后，将存在能够获得的位于S0级处的两个完全开口以用于插入工具传送机构700。
在插入工具传送机构700期间，2-连杆机构首先定向成使得末端执行器730与压缩机基本径向对准，并且中间连杆720与IGV基本平行。更具体而言，如在图8中观察到的，末端执行器730将基本指向纸外。随后工具传送机构800能够容易地滑动到压缩机中，直到工具传送机构到达期望的位置(例如，S0或R1级)为止。随后工具传送机构700能够旋转大约90度，并且被置于如图8中所示的构造中。
图9示出了被夹紧在部件410上的加工工具的简化端视图。轴向滑动夹具420通过使用螺纹杆426和紧固件427(例如，螺母或内螺纹孔)被夹紧在部件410上。螺纹杆可以通过致动旋钮770而旋转，该旋钮770随后使旋转杆724旋转，该旋转杆724通过合适的传动装置和连接器连接至螺纹杆426。径向滑动件430保持和引导钻头440，使得钻头可以通过使用缆绳760向上和向下移动(如图9中所示)。钻头440的磨削部分可以仅被限制于将与部件410相接触的钻头440的那个部分。钻头440的将与作用为提供所需修复的形状(例如，用于修复320的矩形或方形)的止动件/引导件的夹具420相接触的部段将是平坦或光滑的，以避免夹具420的磨削。
图10示出了根据本发明的方面的工具传送机构和加工工具的透视图。工具传送机构1000包括中间连杆1020、末端执行器1030和旋钮1070，该中间连杆1020具有两个杆1022和1024。工具传送机构由工具支承件1080支承，该工具支承件1080具有基部1081和支承构件1082。基部1081可以包括磁性装置或者能够被构造成非磁性。基部被放置在钟形嘴110的表面上。马达1041(可以是气动或电动的)连接至轴或管道1060。该轴或管道1060延伸至定位在工具传送机构的远端处的加工工具1090。加工工具(可以类似于加工工具400)被夹紧至或被放置成靠近部件410。
图11示出了根据本发明的方面的修复涡轮机部件的方法1100。该方法1100包括调节进口引导轮叶的取向的步骤1110、调节转子/定子同步的步骤1120、将工具传送机构移动至第一期望位置的步骤1130、将工具传送机构旋转至第二期望位置的步骤1140、将加工工具附接至涡轮机的部件的步骤1150、和操纵手柄以移动末端执行器从而进行以下中的至少一项的步骤1160：检查、标记和修复涡轮机中的部件。以上方法还能够包括将工具传送机构的中间连杆定向成使得中间连杆与进口引导轮叶基本平行，并且随后将末端执行器移动至靠近以下中的至少一个的位置：S0轮叶、S1轮叶、R0叶片和R1叶片。另一个步骤可以包括监测加工工具的插入以及监测修复过程，并且这可以通过使用管道镜视频成像装置(未示出)来完成。该方法还能够包括在S0轮叶、S1轮叶、R0叶片和R1叶片中的至少一个上执行1型、2型和3型现场修复中的至少一种的步骤。
用于工具传送机构700的机械设计的一个重要特征是整个系统应当具有足够的刚度以承受在修复或研磨/磨削操作期间所产生的不同的力。例如，经验已显示磨削力可能沿所有方向达到大约30lbf或以上并且属于宽谱内(0-大约500Hz及以上)。系统的不充分的刚度将在磨削操作期间造成抖振，降低机械准确性和可操作性。磨削头的端部处的定位不准确性应当小于标称30lbf加工负载的预定距离，以保证加工精度。在理想情况下，磨削机头的位置应当主要由手柄510和缆绳760/手柄762的取向确定。然而，由于在工具传送机构700中的每一个机械部件的灵活性以及接头中的间隙(包括万向节740和末端执行器730的柱状接头)，尽管操作者不期望改变工具头位置，但是该工具头位置仍然可能由于加工负载而发生变化。因此，在设计和实施工具传送机构500的过程中，部件刚度和接头间隙是重要的考虑因素。
本说明书使用例子对本发明进行了公开(其中包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实施本发明(其中包括制造和使用任何装置或系统并且执行所包含的任何方法)。本发明的可专利范围通过权利要求进行限定，并且可以包括本领域技术人员能够想到的其它的例子。如果这种其它的例子具有与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果这种其它的例子包括与权利要求的字面语言没有实质区别的等同结构元件，则期望这种其它的例子落入权利要求的范围内。
Claims (20)
1.一种用于维修涡轮机械部件的装置，所述装置包括：
工具传送机构，所述工具传送机构适于将工具传送至涡轮机械中的期望位置；
工具支承件，所述工具支承件适于被固定至所述涡轮机械的主体上，所述工具支承件被构造成支承所述工具传送机构；
加工工具，所述加工工具附接至所述工具传送机构，所述加工工具包括：
轴向滑动夹具，所述轴向滑动夹具被构成夹紧至所述涡轮机械部件；
径向滑动件，所述径向滑动件可滑动地连接至所述轴向滑动夹具；
弹簧，所述弹簧连接至所述轴向滑动夹具和所述径向滑动件，所述弹簧提供轴向张力；
加工钻头，所述加工钻头被至少部分地保持在所述径向滑动件内；并且
其中，所述装置适于现场维修所述涡轮机的部件。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述轴向滑动夹具还包括：
至少一个大体轴向延伸的槽，所述至少一个轴向延伸的槽被构造成允许所述径向滑动件的轴向移动。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述径向滑动件还包括：
大体径向延伸的槽，所述径向延伸的槽被构造成允许所述加工钻头的径向移动。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置与所述涡轮机械结合，其中所述涡轮机械是以下中的至少一种：燃气涡轮机、蒸汽涡轮机、和压缩机。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述部件是以下中的至少一个：
转子翼型件、转子叶片、和定子轮叶。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述涡轮机械是压缩机并且所述部件是转子翼型件或转子叶片，并且其中所述部件是压缩机的R0或R1级的部件。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述涡轮机械是压缩机并且所述部件是定子轮叶，并且其中所述部件是压缩机的S0或S1级的部件。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述工具传送机构还包括：
手柄，所述手柄附接至第一端板；
中间连杆，所述中间连杆通过第一多个万向节附接至所述第一端板；以及
末端执行器，所述末端执行器附接至第二端板，其中所述第二端板通过第二多个万向节附接至所述中间连杆。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述中间连杆还包括：
第一杆、第二旋转杆。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
缆绳，所述缆绳在一个端部处附接至缆绳手柄并且在另一个端部处附接至引导轨道；
其中，所述缆绳的移动转化成所述加工工具的移动。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述加工工具还包括：
马达；以及
研磨机、砂磨机、抛光机、标记装置、或笔中的至少一种。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述马达是电动马达或气动马达中的至少一种。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述马达连接至一个或多个弹簧，所述一个或多个弹簧还附接至所述末端执行器。
14.一种适于维修涡轮机部件的装置，所述装置包括：
加工工具，所述加工工具包括：
轴向滑动夹具，所述轴向滑动夹具被构造成夹紧至所述涡轮机部件；
径向滑动件，所述径向滑动件可滑动地连接至所述轴向滑动夹具；
弹簧，所述弹簧连接至所述轴向滑动夹具和所述径向滑动件，所述弹簧提供轴向张力；
加工钻头，所述加工钻头被至少部分地保持在所述径向滑动件内；并且
其中，所述装置适于现场维修所述涡轮机的部件。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述轴向滑动夹具还包括：
至少一个大体轴向延伸的槽，所述至少一个轴向延伸的槽被构造成允许所述径向滑动件的轴向移动。
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述径向滑动件还包括：
至少一个大体径向延伸的槽，所述至少一个径向延伸的槽被构造成允许所述加工钻头的径向移动。
17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述加工工具还包括：
马达；以及
研磨机、砂磨机、抛光机、标记装置、或笔中的至少一种。
18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
缆绳，所述缆绳在一个端部处附接至缆绳手柄并且在另一个端部处附接至引导轨道；
其中，所述缆绳的移动转化成所述加工工具的移动。
19.一种修复涡轮机部件的方法，所述方法包括：
调节进口引导轮叶的取向；
调节转子/定子同步；
将工具传送机构移动至第一期望位置；
将所述工具传送机构旋转至第二期望位置；
将加工工具附接至所述涡轮机部件；
操纵手柄以移动所述加工工具从而修复所述涡轮机部件。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在以下中的至少一个上执行1型、2型和3型修复中的至少一种：S0轮叶、S1轮叶、R0叶片和R1叶片。
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