專利名稱：渦輪機翼片尾緣修理及其方法
技術領域：
本發(fā)明涉及翼片尾緣的修理，具體地，涉及一種尾緣塊，具有尾緣冷卻結構，用于更換燃氣輪機的噴嘴翼片的損壞尾緣部分。本發(fā)明還涉及修理翼片的尾緣部分的方法。
背景技術：
燃氣輪機的高操作效率已經(jīng)通過更高燃燒溫度和翼片，如噴嘴的不動翼片，的增強的空氣動力學設計，得到實現(xiàn)。先進的渦輪機已經(jīng)采用改進的冷卻結構，尤其是翼片尾緣的冷卻結構。應當認識到，渦輪機的氣體流道中的熱氣體溫度在第一級翼片，即噴嘴，接近1700到1800°F。對于更高的操作溫度和翼片先進的空氣動力學設計，已經(jīng)采用改進的冷卻結構來減少和減緩暴露于這些氣體的翼片的損壞速率。已經(jīng)提出和實施各種結構的尾緣冷卻系統(tǒng)。例如，一種冷卻系統(tǒng)包括多個穿過尾緣的徑向間隔開的開口，并結合互相徑向間隔開的薄膜冷卻孔，各孔與相鄰的尾緣軸向間隔開。薄膜冷卻孔沿翼片的壓力側，即較熱側，設置，以便薄膜冷卻其余的尾緣表面。帶有這樣先進的冷卻結構的翼片已經(jīng)設置到燃氣輪機，并可延長渦輪機噴嘴的使用壽命，幾乎是現(xiàn)有的冷卻結構的使用壽命的2倍。結果是，燃氣輪機可操作，即使用，相當長的時間才需要進行維修，相關的成本優(yōu)勢不僅表現(xiàn)在渦輪機效率，還表現(xiàn)在渦輪機的停機時間。
渦輪機翼片已經(jīng)通過用新的替換尾緣部分更換損壞的尾緣部分進行修理。構成噴嘴翼片的替換尾緣部分的尾緣塊焊接到翼片的其余的前和中間部分，翼片的損壞尾緣部分已經(jīng)取下。迄今尾緣塊尚不能用來大量延長渦輪機翼片的使用壽命，因為缺少所要求的冷卻結構。目前使用的噴嘴在這些噴嘴的翼片嚴重損壞前只有有限的使用壽命，故限制了渦輪機的效率，并要求進行維修。例如，許多現(xiàn)有的渦輪機的翼片只有24,000小時的使用周期。盡管具有類似尾緣部分，如渦輪機現(xiàn)有的尾緣部分，的尾緣塊可以或已經(jīng)用于更換損壞的尾緣部分，修理過的噴嘴翼片的使用時間未極大地延長，預計只有與原來翼片類似的使用壽命。
噴嘴翼片一般設有多個噴嘴組，圍繞渦輪機軸線以周邊排列的方式設置。各個組包括內(nèi)和外帶圈或平臺，其間延伸一個或多個噴嘴葉片，即翼片。各噴嘴組一般用貴金屬鑄造成。盡管可以用具有改進的冷卻結構的新噴嘴組來整體更換噴嘴組，得到更長時間的使用期，但因為材料和實現(xiàn)更換所需的機械加工，這種代換的噴嘴組具有極高的成本。因此，需要一種尾緣塊和修理渦輪機尾緣的方法，以延長修理噴嘴的使用壽命，并超過原來設置到渦輪機的噴嘴翼片的使用周期。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面，提供了一種尾緣塊，其具有增強的冷卻能力，可用于替換損壞的噴嘴翼片的尾緣部分，修理的翼片可提高渦輪機噴嘴的使用壽命。尾緣塊包括多個薄膜冷卻孔，一般沿塊的壓力側在徑向上互相間隔開；以及多個穿過尾緣的徑向間隔開的開口。多個徑向間隔開的肋部在塊的相對的壓力及吸入側和塊的前緣之間延伸，肋部有徑向倒角以焊接到噴嘴翼片的剩余部分，損壞的尾緣部分已從翼片取下。通過焊接尾緣塊到現(xiàn)有翼片剩余部分，修理翼片可具有延長的使用壽命。質(zhì)量提高的翼片具有冷卻結構，該結構對應于具有先進冷卻結構的新翼片結構，使噴嘴組有延長的使用壽命。
本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，提出了一種物件，用于修理渦輪機噴嘴組，各噴嘴組具有內(nèi)和外平臺之間的翼片，取下翼片的尾緣部分，留下內(nèi)和外平臺之間的翼片的中間和前緣部分；物件包括尾緣塊，具有壓力和吸入側壁部分；多個薄膜冷卻孔，沿所述尾緣塊的壓力側壁在徑向上互相間隔開；所述尾緣塊包括尾緣，其具有多個沿徑向間隔開的開口；和多個沿徑向間隔開的肋部，在所述塊的相對的壓力和吸入側邊之間延伸，壓力和吸入側壁部分的邊帶有倒角，用于焊接到所述翼片的中間部分的壓力和吸入側壁部分。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例中，提出了一種修理的渦輪機噴嘴，包括翼片前緣部分和翼片中間部分，及內(nèi)平臺和外平臺，形成噴嘴組的剩余部分，噴嘴組取下了損壞的尾緣部分；尾緣塊具有尾緣，壓力側和吸入側壁部分，多個薄膜冷卻孔，一般沿徑向和所述塊的壓力側壁部分互相間隔開；多個沿所述尾緣和徑向間隔開的開口，和多個徑向間隔開的肋部，在翼片的相對的壓力和吸入側之間延伸；焊縫位于剩余部分的相對的壓力和吸入側邊，及所述尾緣塊的各壓力和吸入側邊，因此剩余部分和所述塊在內(nèi)和外平臺之間形成完整的翼片。
在本發(fā)明的又一個優(yōu)選實施例中，提出了一種修理渦輪機噴嘴組的翼片的方法，包括步驟(a)取下所述翼片損壞的尾緣部分，留下包括前緣和中間部分的其余翼片部分；(b)提供尾緣塊，其具有壓力和吸入側壁部分，多個薄膜冷卻孔，一般沿徑向和所述塊的壓力側壁部分互相間隔開；和多個徑向間隔開的開口，和多個徑向間隔開的肋部，在所述翼片的相對的壓力和吸入側之間延伸；和(c)沿剩余翼片部分的相對的壓力和吸入側和所述塊進行焊接，以固定所述塊到其余的翼片部分。


圖1是形成渦輪機級的部分環(huán)形排列噴嘴的多個噴嘴組的部分軸向視圖；
圖2是安裝到內(nèi)和外殼體部分之間的噴嘴組的側視圖；圖3是穿過噴嘴組的翼片的放大的截面圖，顯示出焊接到原來噴嘴的可重新使用部分的尾緣塊；圖4是用于修理噴嘴翼片的尾緣塊的放大截面圖；圖5是圖4的尾緣塊的放大側視圖；圖6是沿尾緣塊的壓力側的薄膜冷卻孔的放大圖；和圖7到9是修理噴嘴翼片方式的示意圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在參考圖1，其顯示了多個沿周邊間隔設置的噴嘴組，用數(shù)字10表示，形成部分燃氣輪機，并圍繞渦輪機的軸線環(huán)形排列。應當認識到，各個噴嘴組10包括一個或多個噴嘴葉片或翼片12，其在內(nèi)平臺14和外平臺16之間延伸。噴嘴翼片12以及平臺14，16形成部分的穿過渦輪機沿軸向延伸的熱氣通道，并形成部分渦輪機級。圖2和圖3更具體地顯示了噴嘴組10。在這個實施例中，一對翼片12形成部分噴嘴組10，分別在內(nèi)和外平臺14，16之間延伸。應當理解，各噴嘴組可包括一個或多個平臺之間的翼片。圖2還顯示了保持環(huán)20和內(nèi)支撐環(huán)22，噴嘴組固定到保持環(huán)，內(nèi)支撐環(huán)具有槽24，可容納徑向向內(nèi)延伸的內(nèi)平臺14的導軌26，以固定噴嘴組抵抗沿向后方向的軸向運動。
如前面所提到的，噴嘴翼片12在使用中經(jīng)常開裂和氧化，必須進行更換。應當理解，對噴嘴組進行整體更換是不符合成本效益的，因為要考慮該部件的成本和涉及的勞動，以及進行更換所需的停機時間。此外，磨損的噴嘴翼片更換為新翼片一般在一定時間后將導致類似的開裂和氧化，必須在類似的一定使用周期內(nèi)再次進行更換。因此，應當進行有效的維修，使其不僅可減少維修費用，還能夠延長噴嘴翼片的壽命到比原來翼片更長的周期。
為了實現(xiàn)前面所討論的，應當認識到有很多開裂和氧化的噴嘴翼片部分位于尾緣區(qū)。噴嘴翼片的位于尾緣區(qū)前面的區(qū)域不經(jīng)受相同程度的開裂和氧化，因此與尾緣區(qū)相比具有延長的壽命。這樣，可以取下噴嘴翼片的損壞的尾緣部分，用新的尾緣部分和尾緣塊更換該部分，新的部分具有改進的性能，可延長修理的噴嘴翼片的壽命，極大地超過原來翼片的壽命，如超過原來翼片壽命的2倍。
參考圖4到6，尾緣塊30設置成具有壓力和吸入側壁部分32，34，分別終止于尾緣36。尾緣塊30構成了取下的原來翼片的損壞尾緣部分的置換件。尾緣塊30設置了冷卻結構，可減緩修理的翼片的尾緣的氧化速率，因此尾緣塊可使修理的翼片具有延長的使用壽命。盡管尾緣塊30的冷卻結構類似于正在使用的原來翼片的冷卻結構，但這些冷卻結構從未用于修理損壞噴嘴翼片的尾緣塊。
現(xiàn)在具體參考圖4到6，尾緣塊30包括多個肋部38，其在尾緣區(qū)40內(nèi)的徑向間隔位置在壓力和吸入側32，34之間延伸。肋部38之間的徑向間隔形成徑向間隔的流道，可在修理的翼片內(nèi)部沿軸向向后方向引導冷卻空氣，回到壓力通風系統(tǒng)42。壓力通風系統(tǒng)42基本沿徑向在噴嘴翼片的內(nèi)和外兩端之間延伸。多個徑向間隔開的通道44與壓力通風系統(tǒng)42流體連通，沿軸向延伸并終止于尾緣塊30的尾緣36的出口孔。因此，應當理解，在修理的翼片中流動的冷卻空氣一般沿軸向流動通過肋部38之間的通道，對流冷卻翼片的側面，并排出到壓力通風系統(tǒng)42。冷卻空氣然后通過通道44和尾緣36排出，當空氣從壓力通風系統(tǒng)42流到尾緣36時冷卻了翼片的相對側面。
此外，沿尾緣塊30的壓力側32設置了多個通常間隔開的薄膜冷卻孔46。修理翼片內(nèi)的冷卻空氣還流過薄膜冷卻孔46，和沿修理翼片的壓力側壁32流動，薄膜冷卻壓力側尾緣區(qū)。薄膜冷卻孔46具有沿壓力側的外表面，其如圖6中48所示端部是擴大的。端部沿徑向和軸向后方向擴大，使得冷卻空氣薄膜分布到尾緣區(qū)40到尾緣區(qū)36的基本整個壓力側表面。通過薄膜冷卻孔46，其擴大的表面以及延伸通過尾緣36的冷卻通道44，容納這些冷卻結構的修理的翼片減少了氧化和開裂的可能性。
為了修理損壞的翼片，參考圖7到9，噴嘴組從渦輪機取下。噴嘴組的翼片的損壞的尾緣區(qū)50從翼片12取下。具體地，分別沿壓力和吸入側和距尾緣一定距離切割翼片，并沿取下的尾緣區(qū)和內(nèi)外平臺14，16連接處進行切割。實施切割可通過水射流切割器，線切割機，或等離子焰炬，如圖7中52示意性地顯示。已經(jīng)損壞的尾緣區(qū)50取下，如圖8所示，留下沿原來翼片的壓力和吸入側的分離的邊。對這些邊進行清洗和加工，以容納相應的尾緣塊30的邊54，56(見圖4)。剩余的翼片部分分別包括中間部分53，55的前緣。
具體地，如圖9所示，尾緣塊30然后置于內(nèi)和外平臺之間，將壓力和吸入側邊54，56焊接到翼片的剩余部分的壓力和吸入側邊，形成具有與原來翼片相同的空氣動力學特征結構的修理翼片。此外，應當認識到，修理翼片的尾緣的冷卻結構已經(jīng)通過取下?lián)p壞的尾緣區(qū)50改變，添加的尾緣塊30帶有上面介紹的冷卻結構。
焊接尾緣塊30到翼片的剩余部分可通過如TIG焊接方法來實現(xiàn)。焊縫57沿翼片的的相對側面位于內(nèi)和外平臺之間，還位于尾緣塊的徑向外及內(nèi)邊和外及內(nèi)平臺之間。對焊縫進行清理以提供平滑的表面，需要時設置圓角59(見圖9)，并與在各個噴嘴組具有先進冷卻結構的修理翼片結合。
這些部分然后設置到渦輪機。因為修理尾緣塊具有新冷卻結構，噴嘴翼片的使用壽命有極大的提高。開裂和氧化減少，進行修理的間隔時間極大地增加，如增加了2倍。
盡管已經(jīng)通過最實際和優(yōu)選的實施例對本發(fā)明進行了介紹，應當知道本發(fā)明不限于所公開的實施例，而是相反，應覆蓋屬于所附權利要求的精神和范圍內(nèi)的各種改進和等效設置。
零件表

權利要求
1.一種用于修理渦輪機噴嘴組的物件，所述噴嘴組具有在內(nèi)和外平臺之間的翼片，翼片的尾緣部分取下，留下所述平臺之間的翼片的中間和前緣部分，所述物件包括尾緣塊(30)，具有壓力側壁部分(32)和吸入側壁部分(34)；多個薄膜冷卻孔(46)，沿所述尾緣塊的壓力側壁在徑向互相間隔開；所述尾緣塊包括尾緣(36)，具有多個沿徑向間隔開的開口(44)；和多個沿徑向間隔開的肋部(36)，在所述塊的相對的壓力和吸入側邊之間延伸，所述壓力和吸入側壁部分的邊(54，56)帶有倒角，用于焊接到所述翼片的中間部分的壓力和吸入側壁部分。
2.根據(jù)權利要求1所述的物件，其特征在于，所述孔(46)一般是圓柱形，通過所述塊的壓力側壁部分的錐形部分使端部擴大(48)，以從所述孔分配空氣到壓力側壁部分的下游表面，使得薄膜冷卻孔下游的所述塊的基本整個尾緣部分。
3.根據(jù)權利要求1所述的物件，其特征在于，所述開口的數(shù)量超過所述薄膜冷卻孔的數(shù)量至少兩倍。
4.一種修理的渦輪機噴嘴，包括翼片前緣部分(53)和翼片中間部分(55)，及內(nèi)平臺和外平臺，形成了噴嘴組的剩余部分，所述噴嘴組取下了損壞的尾緣部分(50)；尾緣塊，具有尾緣(36)，壓力側和吸入側壁部分(32，34)，多個薄膜冷卻孔(46)，一般沿徑向和沿所述塊的壓力側壁部分互相間隔開；多個沿所述尾緣和徑向間隔開的開口(44)，和多個徑向間隔開的肋部(38)，在所述翼片的相對的壓力和吸入側之間延伸；焊縫(55，57)，位于所述剩余部分的相對的壓力和吸入側邊，及所述尾緣塊的各壓力和吸入側邊，因此所述剩余部分和所述塊在所述內(nèi)和外平臺之間形成完整的翼片。
5.根據(jù)權利要求4所述的修理過的噴嘴，其特征在于，所述開口的數(shù)量超過所述孔的數(shù)量至少兩倍
6.根據(jù)權利要求4所述的修理過的噴嘴，其特征在于，所述孔(46)一般是圓柱形，通過所述塊的壓力側壁部分的錐形部分使端部擴大(48)，以從所述孔分配空氣到壓力側壁部分的下游表面，使得薄膜冷卻孔下游的所述塊的基本整個尾緣部分。
7.一種修理渦輪機噴嘴組的翼片的方法，包括步驟(a)取下所述翼片的損壞的尾緣部分(50)，留下包括前緣和中間部分(53，55)的其余翼片部分；(b)提供尾緣塊(30)，其具有壓力和吸入側壁部分(32，34)，和多個薄膜冷卻孔(46)，一般沿徑向和沿所述塊的壓力側壁部分互相間隔開；和多個徑向間隔開的開口(49)，和多個徑向間隔開的肋部(38)，在所述翼片的相對的壓力和吸入側之間延伸；和(c)沿所述其余翼片部分的相對的壓力和吸入側和所述塊焊接(55，57)，以固定所述塊到所述其余翼片部分。
8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法還包括焊接所述塊相對的徑向邊到內(nèi)和外平臺(14，16)。
9.根據(jù)權利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在所述塊的相對的徑向邊和所述內(nèi)外平臺的連接處形成圓角(59)。
10.根據(jù)權利要求7所述的方法，其特征在于，所述步驟(b)包括提供尾緣塊，其上的開口的數(shù)量超過所述孔的數(shù)量至少2倍。
全文摘要
噴嘴組的翼片尾緣的尾緣塊焊接到取下了損壞的尾緣部分的噴嘴組的翼片部分。該尾緣塊包括薄膜冷卻孔，孔沿該塊的壓力側壁互相間隔開；和多個沿尾緣徑向間隔開的開口。通過焊接該塊的壓力和吸入側邊到翼片的剩余部分的壓力和吸入側邊，可延長噴嘴的使用壽命。
文檔編號B23K9/00GK1721660SQ20051006963
公開日2006年1月18日 申請日期2005年4月22日 優(yōu)先權日2004年4月22日
發(fā)明者B·P·阿爾內(nèi)斯, G·D·謝爾洛克, J·L·莫洛索, S·W·貝茨, G·W·彼得斯 申請人:通用電氣公司