CN104763479B - 制造涡轮机隔板的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及制造涡轮机隔板的方法。一种涡轮机隔板(10)包括一圈静叶片和围绕所述一圈静叶片并且焊接在外部平台(32)上的外部隔板环(33)。每个静叶片包括内部平台(31)、翼部(30)和外部平台(32)。内部平台(31)用作内部隔板环,以降低材料和制造成本。此外,内部平台(31)的对置边缘(83(i))彼此干涉配合,并且翼部(30)在内部和外部平台之间处在承受扭转应力状态。后面这两个特征可提高隔板的动力学特性。
Description
本申请是于2008年1月8日提交的已进入中国国家阶段的PCT专利申请(中国国家申请号为200880001871.8,国际申请号为PCT/EP2008/050130,发明名称“用于涡轮机的隔板及制造方法”)的分案申请。
技术领域
本发明涉及轴流式涡轮机中所用的类型的隔板的新颖结构。特别涉及,但不局限于,汽轮机隔板。
背景技术
本发明涉及所谓的“平台”型隔板结构,见图1A和1B。图1A是静叶片或轮叶的透视图,图1B是构成静叶片的隔板在制造过程中的径向剖视图。在这种类型的隔板中,翼部(翼型)1的端部与径向内部和外部"平台"2、3形成一体,翼部和平台由实体材料机加工而成。在图1A中,相邻叶片形状以虚线表示,通过在内部和外部隔板环5、6之间将依次组合的翼部/平台部件4组装在一起形成为环形阵列,并将平台焊接到隔板环上,完整的一圈静叶片被组建起来。内部和外部隔板环和平台被进一步机加工,以适合于容纳涡轮机密封特征和装配相邻涡轮机特征。在组装完成后,内部和外部平台2、3形成隔板的内部和外部接口壁。
目前采用平台结构的HP和IP汽轮机的实践是将叶片构造在内部隔板环上,然后将外部隔板环收缩在叶片上。在目前的设计中,要求内部隔板环支撑静叶片,并且赋予隔板刚度,以抵抗在涡轮机的组装和操作过程中趋向于使隔板扭转变形的力。
发明内容
根据本发明,一种涡轮机隔板包括:
一圈静叶片,每个静叶片包括内部平台、翼部和外部平台;以及
外部隔板环,其围绕所述一圈静叶片并且焊接在外部平台上;
其中,内部平台用作内部隔板环,内部平台的对置边缘彼此干涉配合(interference fit),并且翼部在内部和外部平台之间处在承受扭转应力状态。
内部平台之间的干涉产生了围绕着完整隔板的内径的刚性带,其有益地影响隔板的动力学特性。
本发明消除了现有技术的内部隔板环以及将其连接到叶片内部平台所需的焊接,从而减少了隔板所需的材料和制造环节。此外,消除了内部隔板环,还伴随着增大涡轮机转子(内部平台必须密封在该转子上)的半径,这降低了涡轮机工作流体在隔板上的总压力负载。
在隔板环的内径与外部平台的外径之间可以存在带锥度的界面。
可通过下述方式在组装隔板的过程中获得翼部中的扭转应力:
初始组装所述一圈叶片,以使得相邻内部平台的选定对置边缘部分彼此接触,而相邻外部平台的所有对置边缘部分之间存在间隙;以及
利用外部隔板环将所述一圈叶片径向压缩至预定的最终直径,即通过外部隔板环的内表面与外部平台的外表面之间强制接触,以使得相邻外部平台的选定对置边缘部分之间的间隙被缩减掉,相邻内部平台的选定对置边缘部分之间的接触变为干涉配合,并且翼部中建立弹性扭转应力。
隔板组件中建立预应力可以有益地影响叶片动力学特性。
为了确保隔板组件中的全部扭转负载被限定在叶片圈上并且只有来自叶片圈的径向向外负载被隔板环承受,相邻外部平台的选定对置边缘部分(在隔板环被推压到外部平台上时这些选定对置边缘部分之间发生接触)包括轴向定向边缘部分和相对于圆周方向倾斜的边缘部分。
通过上述特征,所产生的隔板同现有技术相比具有减少的焊接和材料需求,同时具有相同的静态强度和可预期的操作中的良好动力学特性。
通过阅读下面的详细描述以及权利要求书中可以清楚地理解本发明。
附图说明
下面将参照附图描述本发明的代表性实施方式,在附图中:
图1A和1B示出了现有技术的“平台”型涡轮机隔板结构,图1A为静叶片或轮叶的透视图,图1B为隔板的径向部分在制造过程中的局部视图;
图2以局部径向剖视图示出了两个动涡轮机叶片列,和根据本发明的完全组装的涡轮机隔板,隔板安置在动叶片列之间;
图3A和3B是类似于图2所示的隔板中的单一静叶片的等角透视图,图3A是叶片翼部凹入(压力)侧的视图,图3B是叶片翼部凸出(吸力)侧的视图;
图4示出了根据本发明由金属板切割出多个半隔板环的过程;
图5示出了由两个半隔板环形成的完整隔板环的结构;
图6是根据本发明的涡轮机隔板组件的径向外侧部分的径向剖视图;
图7A和7B示出了根据本发明的涡轮机隔板组装过程的一部分;
图8A和8B显示了现有技术平台型涡轮机隔板结构与根据本发明的结构相比较的平台内间隙和接触;
图9是在根据本发明的焊接过程中涡轮机隔板的外侧部分的示意性径向剖视图;
图10是在对图9中的焊件进行机加工以将焊接的隔板分离为两个半体以便进行进一步机加工的半隔板的端部的等角透视图。
具体实施方式
图2是本发明的实施方式的局部径向剖切概图,显示了汽轮机中的完全组装的隔板10,其安置在依次相继的动叶片12、13的环形列之间。每个动叶片分别设有安置在机加工于转子毂18的轮缘中的相应槽16、17中的径向内部“T形叶根”部分14、15。动叶片还设有径向外部叶冠19、20,它们密封在外接分段环21、22上。已知的是,叶冠19、20和环21、22之间的密封由翅片23、24实现,所述翅片嵌塞到机加工于环21、22中的凹槽中。
隔板10包括一环形列的静叶片,每个静叶片具有翼部(翼型)30,翼部的径向内侧和外侧端部分别与径向内部和外部平台31、32形成一体。图3A和3B是静叶片在被组装到隔板中之前的相反两侧的图示,显示了内部和外部平台31、32的形状。在制造过程中,平台32的径向外表面焊接在大体积外部隔板环33的内径上,所说外部隔板环加固隔板并且在涡轮机操作中控制隔板的热膨胀和收缩。然而,与现有技术截然不同,本发明没有设置大体积内部隔板环。相反,内部平台31被制作成足够厚,以容纳密封在隔板10和转子毂18之间的浮动式迷宫密封件31A或类似物。
本发明的另一特征是内部和外部平台31、32的形状和相对尺寸,并且隔板10组装过程如后文所述使得翼部能够在它们的径向内侧和外侧端部之间承受一定程度的扭转;即,同它们被组装到隔板中之前的状态相比,组装过程使得内部平台31绕大致径向穿过每个叶片的扭转轴线相对于外部平台32略微扭转。这导致叶片承受预应力,从而对叶片处于负载下时的动力学特性产生有益的影响。
图8A示出了完成了的现有技术结构中的相邻平台之间的接触和间隙,图8B示出了完成了的本发明的结构中的接触和间隙。在图中,翼部30相对于平台31、32而言的近侧位置以虚线表示。可以预期,在圆周方向上内部平台比外部平台窄。图8A中的内部和外部平台具有相同的轴向宽度。在图8B中,外部平台的轴向宽度被显示为大于内部平台的轴向宽度,尽管这两个宽度可以相等。从俯视图中看,图8A和8B中的相邻内部和外部平台均沿着它们的界面具有互锁的锯齿或曲柄形状。内部平台31具有相对于流经涡轮机通道的气流而言的周向延伸的前缘和后缘L(i)、T(i),所述通道的方向以框形箭头表示。类似地,外部平台32的周向延伸的前缘和后缘表示为L(o)、T(o)。
在俯视图中看,图8A中的内部平台之间的界面的曲柄形状是这样实现的,即相邻平台的相互对置边缘80(i)包括第一和第二(分别较短和较长)轴向定向边缘部分81(i)和82(i),这两个边缘部分沿圆周方向彼此错开,以形成曲柄形状的第一和第二轴向延伸臂。沿着从每个内部平台的后缘T(i)至前缘L(i)的顺序,第一轴向定向边缘部分81(i)后面跟着的是倾斜边缘部分83(i),其形成该曲柄形状的倾斜臂并将第一轴向定向边缘部分81(i)与第二轴向定向边缘部分82(i)连接。如果将圆周方向用作基准线,则沿顺时针方向偏离该基准线的圆弧的角度表示为正,沿逆时针方向偏离该基准线的圆弧的角度表示为负,则边缘部分83(i)以角度-β相对于圆周方向倾斜。在本例中,β为大约25度,但可以根据设计者的选择而大于或小于该数值。类似地,图8A中的相邻外部平台的相互对置边缘80(o)具有轴向定向且沿圆周方向错开的第一和第二边缘部分81(o)和82(o),二者由倾斜边缘部分83(o)连接。
现在参看图8B,其示出了根据本发明的特征,并且还参看图3A和3B,它们是采用该特征的叶片的图示。首先指出,内部平台31具有前面参照图8A所描述的相同基本形状,并且构成对置平台边缘之间的界面的曲柄形状的对置边缘部分因此采用类似的标记。然而,外部平台32是不同的,因为它们的对置平台边缘80(o)1之间的界面形成了双曲柄形状。这是如下实现的,即每个平台边缘80(o)1分别包括第一、第二和第三轴向定向边缘部分81(o)、84(o)和85(o)。这些边缘部分沿圆周方向错开彼此,以形成曲柄形状的第一、第二和第三轴向延伸臂。第一轴向定向边缘部分81(o)短于第二轴向定向边缘部分84(o),第三轴向定向边缘部分85(o)短于第一轴向定向边缘部分81(o)。沿着从每个外部平台的后缘T(o)至前缘L(o)的顺序,第一轴向定向边缘部分81(o)后面跟着第一倾斜边缘部分83(o),其形成该曲柄形状的第一倾斜臂并将第一轴向定向边缘部分81(o)与第二轴向定向边缘部分84(o)连接。边缘部分84(o)后面跟着第二倾斜边缘部分86(o),其形成该曲柄形状的第二倾斜臂并将第二轴向定向边缘部分84(o)与第三轴向定向边缘部分85(o)连接。与内部平台的情况一样,边缘部分83(o)以角度-β相对于圆周方向倾斜。然而,边缘部分86(o)以不同的角度+φ相对于圆周方向倾斜。在本例中,φ为大约45度,但可以根据设计者的选择而大于或小于该数值。
在图8B中,通过前述在组装过程中内部平台31相对于外部平台32的扭转,实现对置内部和外部平台边缘80(i)和80(o)的前述不同部分之间的接触和间隙,如下面所解释。
在图8A中,在组装隔板的过程中没有扭转力施加于翼部,内部平台的尺寸被设置成使得,在完全组装状态:
• 在相互对置的第一轴向定向边缘部分81(i)之间存在间隙;并且
• 在相互对置的倾斜边缘部分83(i)之间存在间隙;
• 相互对置的第二轴向定向边缘部分82(i)之间存在接触。
本质上讲,图8A中的外部平台具有与内部平台相同的接触和间隙特性,尽管间隙在绝对尺寸的意义上讲可能不同。
与此不同,图8B中示出了内部平台的尺寸被设置成使得,在完全组装状态:
• 在相互对置的第一轴向定向边缘部分81(i)之间存在间隙;
• 在相互对置的第二轴向定向边缘部分82(i)之间存在间隙;
• 在相互对置的倾斜边缘部分83(i)之间存在干涉接触,这种干涉是通过相对于图8A中的现有技术加大倾斜边缘部分的尺寸而实现的。
另外,图8B中的外部平台的尺寸被设置成使得,在完全组装状态:
• 在相互对置的第一轴向定向边缘部分81(o)之间存在间隙;
• 在相互对置的第一倾斜边缘部分83(o)之间存在间隙。
• 在相互对置的第三轴向定向边缘部分85(o)之间存在间隙;
• 在相互对置的第二轴向定向边缘部分84(o)之间存在接触;并且
• 在相互对置的第二倾斜边缘部分86(o)之间存在接触。
制造隔板10的初始步骤为制作出隔板环33和静叶片,静叶片包括与内部和外部平台31、32形成一体的翼部30。
在已有的制造隔板环33的方法中,隔板环是从作为完整环的厚规格钢板(heavygauge steel plate)切割出来的,机加工成预期横截面轮廓,然后沿着直径切割成两个半圆形件,以使得叶片能够在其内部直径中组装和拆卸。然而,本发明的优选方法起始于分别从板料切割出每个板环,从而将隔板环制作成两个半体33A、33B。如示于图4,这允许更高效地使用板料,以降低材料成本,因为从板34切割出半环33A、33B的形状可以彼此局部嵌套布置。
如示于图5,在将半环33A、33B机加工成包含焊接区39的初始期望横截面轮廓后,它们的对置端部被开有螺纹孔,每个螺纹孔处被采用扭矩张紧型螺柱和垫块结构36。盲端螺纹孔37被钻设在下部半环33B的径向相对端部中,带有凹坑38A的螺纹孔38钻设穿过上部半环33A的径向相对端部。为了形成完整的隔板环33,两个半环33A、33B的对置端部101通过下述方式被带到一起形成彼此干涉接触:将螺柱36A拧入螺纹孔37、38,将垫块36B和垫片36C在凹坑38A中套在螺柱36A的端部上,其中螺柱36A在该凹坑中突伸到半环33A中的孔38之上,将锁紧螺母36D抵靠着垫块36B拧紧在螺柱上,直至获得预定的扭矩值。
还请参看图6,实线表示的是在初始机加工和组装到隔板上之后并且在最终机加工之前的外部平台32和隔板环33的外轮廓。点划线表示在最终机加工为完整隔板的形状之后它们的外轮廓。如前面所指出,在半环33A、33B的基本形状已经从重规格板切割出来后,它们的内周被机加工以产生隆起的焊接区39,以方便后面将组装的隔板环33焊接至外部平台32。从图6还应注意,在准备组装时,半环上的焊接区39的内表面和外部平台32的外表面32A被机加工,从而焊接区39具有锥角(楔角)α。在这种特定的实施例中,相对于平行于涡轮机转子的旋转轴线的平面P的锥角α为大约5º。然而,角度α可以根据设计者的选择而大于或小于该数值,其中要考虑到将被采用的隔板组装技术(见下文)、外部平台的任何轴向斜度以及涡轮级的流体动力学要求。例如,外部平台的厚度可以沿轴向方向的上游或下游缩窄,以便减小或增大焊接区39所需的锥角α。此外,假定采用轴向均匀的外部平台厚度,则锥角α取决于涡轮机通道的外部壁的张角,该张角是沿下游方向朝向涡轮机转子的旋转轴线会聚或从该旋转轴线张开的角度。请注意,在汽轮机中,靠近HP气流入口的高压(HP)涡轮级可能具有负的张角,即,它们可能具有局部会聚角度。因此,锥角α对于这样的涡轮级还可以是负的。
为了在准备阶段的机加工之后开始组装隔板10,一圈静叶片,包括翼部30以及内部和外部平台31、32,被组装在位于水平组装台面41上的定位板40上,如图7A中的剖视图所示。还请参看图3B和8B,叶片被初始安置成使得相邻内部平台31的倾斜边缘部分83(i)彼此接触,而其它相互对置边缘部分81(i)和82(i)之间存在间隙。关于外部平台32,它们具有的直径大于它们的最终直径,因此图7A示出了在定位板40的周边与在外部平台32的边缘上限定出定位台阶的唇缘32B之间具有径向间隙X。这样,在相邻外部平台的对置边缘80(o)1之间存在间隙。
为了继续该代表性实施方式中的组装,隔板环33被保持水平并与静叶片的圈同心,然后被降低以使得焊接后的焊接区39的内表面平滑地动到外部平台32的外表面32A上。隔板环33然后被强制进一步向下移动到外部平台32上,从而使得相邻外部平台的相互对置的第二倾斜边缘部分86(o)与相互对置的第二轴向延伸边缘部分84(o)发生接触。然而,小的间隙维持在相互对置边缘部分81(o)和83(o)之间。在本例中,隔板环33的最终位置示于图7B,其中,其上表面与外部平台32的前缘L(o)平齐(或非常近乎于此),并且间隙X被密闭至小的名义值。
隔板环33可以通过下述方式而强制向下移动到图7B所示位置,即利用一个阵列的夹持器(未示出),它们围绕隔板环的周边均布并且在台面41和隔板环之间产生压缩作用。除了使得相邻外部平台的对置边缘部分84(o)、86(o)之间的间隙密闭,径向压缩还在叶片的相邻内部平台上的初始接触边缘部分83(i)之间产生干涉装配,从而在翼部中产生所需程度的扭转。对叶片施加这种预应力可以有益地在隔板中影响它们的动力学特性。另外,内部平台上的边缘部分83(i)之间的干涉装配产生了围绕完整隔板的内径的刚性带,从而有益地影响隔板动力学特性。
一种替代性的密闭相邻外部平台的对置边缘部分84(o)和86(o)之间的间隙的方式是加热组装好的隔板环33(并且可选地还冷却叶片的圈),将隔板环安置到叶片的圈上,然后随着隔板环冷却使隔板环收缩到外部平台上。实现相同目的的另一替代性方式是将半环33A、33B(图5)安置到叶片的圈的每侧,插入螺栓和垫块等36A–36D,将半环逐渐牵拉到一起直至它们的对置端部表面101会合,它们之间适宜的干涉可通过将螺栓张紧到预定的扭矩值而实现。
综上所述,在组装隔板10的过程中在内部和外部平台之间扭转翼部可使得叶片产生预应力。这种扭转是如下实现的:
• 加大(同图8A中的现有技术相比)内部平台31上的倾斜边缘部分83(i)的尺寸,
• 初始组装一圈叶片,以使得相邻内部平台31的倾斜对置边缘部分83(i)彼此接触,而相邻外部平台的32对置边缘80(o)之间具有间隙;并且
• 利用隔板环33通过隔板环的内表面39与外部平台的外表面32A之间的接触而强制而将叶片环径向压缩至预定的最终直径,以使得相邻外部平台的32对置边缘部分84(o)和86(o)之间的间隙被密闭,相邻内部平台31的对置边缘部分83(i)之间的接触变为干涉配合,并且翼部30中建立弹性扭转应力。
还请注意,在组装状态下外部平台的双重接触设计中,对置边缘部分84(o)、86(o)之间的接触部位分别与圆周方向形成不同的角度90度和45度。这种双重接触可防止外部平台在组装过程中转动,并且确保全部扭转负载产生在叶片组件中,以使得隔板环33只经受径向向外的负载。
在前面参照图7A和7B描述的组装过程完成后,第二定位板42(见图9)被安置在叶片平台的前缘上,第二定位板的直径足以覆盖外部平台的前缘L(o)的内径。第二定位板然后通过在内部平台的内径内以相等角间隔位置穿过两个定位板的多个螺栓螺母结构(未示出)被夹持到第一定位板40上。附设在第二定位板42上的较小夹持器将隔板环33保持在抵靠着带锥角部分的正确位置,以便进行进一步的加工。
在检查确定叶片处在正确位置后,两个定位板40、42被焊接在叶片的外部平台上,如示于图9,其中三角形的焊珠90被现实为将定位板结合至平台边缘。这可以在主焊接过程中为组件提供适宜的支承,如示于图9,主焊接过程为,通过将隔板环与外部平台之间的环形空间91中充填焊接部(焊料)92,隔板环33被焊接在外部平台32上。由于环形空间91在轴向上较深,因此焊接部92可能通过两个或更多焊道来产生,空间90通过每个焊道而被部分地填充。图9示出了四个焊道中的三个焊道的情况,其中两个焊道已经在组件的平台前缘侧完成,一个焊道已经在组件的平台后缘侧完成。
上述焊接过程将在中隔板组件产生应力,因此在这一阶段应进行热处理以释放应力。定位板然后被机加工而从组件去掉。
为了便于最终机加工内部和外部平台31、32以及隔板环33,从而获得图2和6所示的最终轮廓,需要将隔板分离为两部分。这对于组装和拆卸涡轮机而言也是必需的。如示于图10,将焊接好的隔板分离为两个半隔板可以这样实现,即在隔板环33和外部平台32之间预先制成的深焊接部92中机加工出凹陷100,以使得在隔板两侧的焊接部92的一段短的周向延伸长度上,焊接材料被完全去除。在径向对置的一对外部平台32的对置边缘80(o)1已经相对于隔板环的两个半体33A和33B的端部表面101(图5)正确定位,并且机加工凹陷100的周向延展尺寸大于相邻外部平台的对置边缘80(o)1的周向延展尺寸的情况下,通过将螺柱和垫块结构36拆除,隔板就被分离为两部分。
上面仅以示例的方式描述了本发明,在本发明的范围内还可以作出各种修改。本发明还包括这里描述和指出或是附图中描述和指出的任何特征、这些特征之间的任何组合、这些特征及其组合的任何衍生物,并且扩展到它们的等同替换。因此,本发明的精神和范围不应局限于前述代表性实施方式。除非专门另加说明,否则包括附图在内说明书公开的每个特征可以被替换为用于相同、等价或类似目的的替代性特征。
对于本申请的说明书中讨论的任何现有技术,并不意味着承认这些现有技术是常用技术手段或者构成本领域公知常识的一部分。
除非专门清楚地提出,否则在整个本说明书中使用的术语“包括”等被认为是列举性的,而非排他性或封闭限定的;换言之,是指“包含,但不局限于”的意思。
Claims (4)
1.一种制造涡轮机隔板(10)的方法,所述涡轮机隔板包括外部隔板环(33)和一圈叶片,所述叶片具有与翼部(30)形成一体的径向内部和外部平台(31,32),相邻内部和外部平台具有相互对置边缘(80(i),80(o)),从俯视图中看所述相互对置边缘形成互锁曲柄形状,所述方法包括以下步骤:
(a) 初始组装所述一圈叶片,以使得相邻内部平台(31)的选定对置边缘部分(83(i))彼此接触,而相邻外部平台的所有对置边缘部分之间存在间隙;以及
(b) 利用外部隔板环(33)将所述一圈叶片径向压缩至预定的最终直径,即通过外部隔板环的内表面(39)与外部平台(32)的外表面(32A)之间强制接触,以使得相邻外部平台的选定对置边缘部分(85(o),86(o))之间的间隙被缩减掉,相邻内部平台的选定对置边缘部分(83(i))之间的接触变为干涉配合,并且翼部中建立弹性扭转应力,其中相邻内部平台的选定对置边缘部分(83(i))横跨所述内部平台(31)的整个径向高度延伸。
2.根据权利要求1所述的制造涡轮机隔板的方法,其特征在于,进一步包括将外部隔板环(33)焊接至外部平台(32)。
3.根据权利要求2所述的制造涡轮机隔板的方法,其特征在于,进一步包括将焊接形成的组件沿着直径分离为两部分,以便于对隔板最终机加工和组装到涡轮机中。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的制造涡轮机隔板的方法,其特征在于,进一步包括预先成形相邻外部平台的选定对置边缘部分,以使得所述相邻外部平台的选定对置边缘部分包括轴向定向边缘部分(85(o))和相对于圆周方向倾斜的边缘部分(86(o)),从而隔板组件中的全部扭转负载被限定在叶片圈上,并且只有来自叶片圈的径向向外负载被外部隔板环(33)承受。
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