專利名稱：渦輪機葉片和隔板構造的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于使用在軸流渦輪機中的靜葉片環(huán)的新型構造。特別地但不排他地涉及蒸汽渦輪機隔板。
背景技術：
本發(fā)明涉及兩個稱為“間隔帶”和“平臺”的已知類型的構造。在圖1A中示出的間隔帶類構造中，通過由平的條卷成的“內環(huán)帶”4和“外環(huán)帶”5將葉片翼片1固定到徑向內部和外部結構構件2、3。在帶4、5內切出孔6(例如通過激光)以匹配翼片形狀的截面，翼片的端部然后插入到孔內且填角焊到位置。帶又焊接到內構件2和外構件3以形成蒸汽通路壁，或所謂的“通道壁”。
間隔帶構造的優(yōu)點是與一些其他的使用在蒸汽渦輪機中的類型的構造相比，它涉及相對地小的對葉片的加工量。例如，在所謂的“平臺”類隔板構造中，見圖1B，翼片7的端部與徑向“內平臺”8和“外平臺”9成整體，翼片和平臺從實體中加工出。靜葉片的完整的環(huán)通過在內環(huán)和外環(huán)之間組裝相繼的組合的翼片/平臺部件10且將平臺焊接到環(huán)構成。為圖示組裝過程，鄰近的葉片形狀以虛線示出。當組裝完成時，內平臺8和外平臺9形成了隔板的內通道壁和外通道壁。
此構造形式與間隔帶類構造形式相比具有性能優(yōu)點，但因在生產組合的翼片/平臺部件10中涉及的額外的材料和加工，此構造形式也具有高得多的制造成本。然而，對于一些類型的使用，特別是對現(xiàn)有的渦輪機的改型，盡管平臺類構造的額外的成本，它的性能優(yōu)點使得它是最經濟的解決方案。性能優(yōu)點來自于如下事實平臺構造使得能實現(xiàn)在翼片和通道壁之間的角部處的空氣動力學上有利的圓角半徑11、更平滑的通道壁和在渦輪機運行期間在通道壁內維持更好的圓形。
本發(fā)明的目的是提供隔板構造的類型，它具有以上的平臺類構造的良好的性能特征，同時制造更經濟。
定義在本說明書中使用的某些術語具有如下的意義弦線當葉片以其凸側向上放置在平的表面上時，二維葉片區(qū)段的前部和后部觸及平的表面的點之間的線。
角部圓角葉片部分與平臺部分相交以在葉片部分和平臺部分之間形成空氣動力學上平滑的過渡的倒圓的角部。
壓力側翼片部分的凹表面，其經歷最高壓力。
吸力側翼片部分的凸表面，其經歷最低壓力。
前緣翼片或平臺部分的前部或鼻部，它首先與工作流體相交。
后緣翼片或平臺部分的后部或尾部，工作流體從其離去。

發(fā)明內容
根據本發(fā)明，用于軸流渦輪機的靜葉片包括a)具有前緣、后緣、壓力側、吸力側和弦線的翼片部分；b)與翼片部分成整體的徑向內平臺部分和外平臺部分；c)角部圓角，在角部圓角處翼片部分與每個平臺部分相交以形成在翼片部分和每個平臺部分之間的平滑過渡；d)每個平臺部分在平面視圖中包括i)形成為在渦輪機軸線的周向延伸的后緣，ii)在翼片的壓力側和吸力側的每個上的直側緣，iii)彎曲的前緣，它將側緣相互結合且在平面視圖中具有在翼片部分的前緣的區(qū)域內跟隨角部圓角的邊緣的形狀。
為在組裝期間容易將葉片裝配在隔板內，每個平臺部分的側緣大體上相互平行且平行于翼片部分的弦線。相關的弦線可以是翼片部分的平均弦線，但優(yōu)選地是翼片部分與相關的平臺部分相交處的翼片部分的弦線。
為最小化在平臺部分內的材料的量，每個平臺部分在翼片部分壓力側上的側緣在翼片部分的前緣和后緣處與角部圓角相切，即如在平面視圖中可見，在翼片部分的壓力側上的平臺部分的側緣應與弦線僅分開角部圓角的寬度。
類似地，在翼片部分的吸力側上，優(yōu)選的是至少內平臺部分的側緣與角部圓角相切。此外，優(yōu)選的是平臺部分的彎曲的前緣具有如下的形狀，即該形狀跟隨在翼片的前緣與翼片吸力側上平臺部分的側緣和角部圓角相切的點之間的角部圓角的邊緣。實踐中，可能需要的是葉片吸力側上外平臺部分的側緣和彎曲的前緣與角部圓角分開。
本發(fā)明的第二方面提供了軸流渦輪機隔板構造，包括以上的靜渦輪機葉片的環(huán)形陣列或環(huán)以及在其內具有縫隙的內間隔環(huán)和外間隔環(huán)，縫隙成形為分別容納內平臺部分和外平臺部分，以此平臺部分和間隔環(huán)一起形成了渦輪機隔板的內通道壁和外通道壁。
如以下將描述，內平臺部分和外平臺部分被焊接到提供在內間隔環(huán)和外間隔環(huán)內的匹配縫隙內。
本發(fā)明的第三方面提供了制造以上的軸流渦輪機隔板構造的方法，包括如下步驟a)通過將平臺部分滑動到間隔環(huán)內的縫隙內將靜葉片組裝到隔板內，b)將環(huán)形覆蓋板在靜渦輪機葉片的環(huán)的每側上定位在靜渦輪機葉片的環(huán)上，覆蓋板尺寸設定為使得覆蓋板的內緣和外緣與內平臺部分和外平臺部分的前緣和后緣部分地重疊，c)將每個覆蓋板的內緣和外緣焊接到內平臺部分和外平臺部分的前緣和后緣，以及焊接到內間隔環(huán)和外間隔環(huán)的居于其間的部分，d)在隔板內繞每個覆蓋板的內緣和外緣加工出焊接準備槽，使得內平臺部分和外平臺部分的前緣和后緣以及內間隔環(huán)和外間隔環(huán)的任何居于其間的部分被底切，e)在焊接準備槽內進行焊接過程以填充焊接準備槽，且將內平臺部分和外平臺部分固定到內間隔環(huán)和外間隔環(huán)，和f)加工覆蓋板的內緣和外緣以將其從隔板去除。
以上是歸納的過程，且更詳細地步驟b)和c)方便地以如下次序進行，包括(i)將第一環(huán)形覆蓋板在靜渦輪機葉片的環(huán)的第一側上定位在靜渦輪機葉片的環(huán)上，且對于第一環(huán)形覆蓋板進行焊接操作；和(ii)將第二環(huán)形覆蓋板在靜渦輪機葉片的環(huán)的第二側上定位在靜渦輪機葉片的環(huán)上，且對于第二環(huán)形覆蓋板進行焊接操作。
此外，步驟d)和e)可以以如下次序進行，包括(i)在隔板內繞第一覆蓋板的內緣和外緣的一個加工出第一焊接準備槽且在第一焊接準備槽內進行焊接操作；(ii)在隔板內繞第一覆蓋板的內緣和外緣的另一個加工出第二焊接準備槽且在第二焊接準備槽內進行焊接操作；(iii)在隔板內繞第二覆蓋板的內緣和外緣的一個加工出第三焊接準備槽且在第三焊接準備槽內進行焊接操作；以及(iv)在隔板內繞第二覆蓋板的內緣和外緣的另一個加工出第四焊接準備槽且在第四焊接準備槽內進行焊接操作。


現(xiàn)將參考附圖描述本發(fā)明的典型實施例，各圖為圖1A圖示了渦輪機構造的已知的間隔帶類型；圖1B圖示了與平臺成整體的固定葉片，用于如已經已知的平臺類構造中；圖2圖示了根據本發(fā)明的單個的固定葉片；圖3A至圖3D圖示了從多種觀察點觀察的圖2的葉片；圖4圖示了根據本發(fā)明的蒸汽渦輪機隔板的組裝；圖5A和圖5B圖示了在主焊接操作前的過程，通過它將葉片和間隔環(huán)固定在一起，圖5B是圖5A的在虛線方框內的放大的部分；圖6圖示了在主焊接操作前的加工操作的結果；和圖7圖示了完成主焊接操作后在隔板內的葉片組。
具體實施例方式
圖2示出了用于根據本發(fā)明的隔板構造的靜葉片20。靜葉片20具有類似于圖1B中靜葉片10的翼片7的翼片部分21。然而，雖然靜葉片20分別具有整體的內部平臺部分22和外部平臺部分23，但它們比葉片10的相應的平臺部分8、9小得多。實際上，平臺部分22、23的相對的側緣22A、22B和23A、23B大體上相互平行且平行于翼片部分的弦線行進，且至少對于內部平臺22，側緣之間的距離僅剛好足夠于包圍翼片部分的截面連同其角部圓角24。
參考圖3，圖3A和圖3B是平臺部分的平面視圖。圖3A是徑向向內觀看徑向內平臺部分22的平面視圖，其中翼片21的截面示出為細線條區(qū)，且翼片角部圓角24的延伸示出為外部的虛線。圖3B是徑向向外觀看徑向外平臺23的視圖，又示出了翼片21的截面和翼片角部圓角24的延伸。特別地，應注意的是在翼片21的前緣26處和附近，平臺部分的前緣22D、23D緊密地跟隨包括角部圓角的翼片形狀。適應于角部圓角24的平臺部分的成形在圖3C和圖3D中又是明顯的，圖3C和圖3D是葉片20的相對側上的等軸視圖。
從檢查附圖中將認識到的是，每個平臺部分22、23包括形成為在渦輪機軸線的周向上延伸的后緣22A、23A；在翼片的壓力側上的較長的直線側緣，在翼片的吸力側上的較短的直線側緣22C、23C；和彎曲的前緣22D、23D，前緣22D、23D將側緣相互結合且在平面視圖中具有至少在翼片21的前緣26的區(qū)域內跟隨角部圓角24的邊緣的形狀。對于內平臺部分和外平臺部分，在翼片部分的壓力側上的每個平臺部分的側緣22B、23B與在翼片的前緣26和后緣27處的角部圓角24相切。僅對于內平臺部分22，其在翼片的吸力側上的較短的側緣22C與角部圓角24相切地行進，且內平臺部分22的彎曲的前緣22D具有跟隨翼片的前緣26和點28之間的角部圓角的邊緣的形狀，在翼片吸力側上的平臺部分的較短的側緣22C在該點28處與角部圓角24相切。為最小化在外平臺部分23上的材料的量，如果外平臺部分23在葉片的吸力側上具有與內平臺部分22相同的構造則是優(yōu)選的。然而，因為翼片的設計和外平臺部分23處于比內平臺部分22更大的直徑上的事實，需要的是葉片吸力側上外平臺部分的側緣23C和彎曲的前緣23D與角部圓角分開小的量。
與在圖1B中示出的“平臺構造”相對比，本領域技術人員將認識到，因為根據本發(fā)明的葉片在周向方向上跨過小得多的距離，所以本發(fā)明的實施使得葉片能由合金板坯或板制造，而不是由特定的棒尺寸制造，這簡化了材料定購和存儲要求；降低了通過加工去除的材料的量；降低了加工時間。
現(xiàn)在參考圖4，圖4圖示了隔板的初始組裝過程，可見徑向內間隔環(huán)40和外間隔環(huán)42分別形成有槽41，43。槽41、43加工在間隔環(huán)內，作為與平臺公形狀的匹配母形狀，使得降低尺寸的平臺部分22、23是封閉但滑動裝配在槽內。內間隔環(huán)40和外間隔環(huán)42相互同心地保持在夾具(未示出)內，且內平臺部分22和外平臺部分23滑動到其匹配槽41、43內，如所示出。將注意的是，盡管槽41、43在一端45、47是打開的以接收平臺部分，但它們在其另一端49、51處是封閉的或至少變窄，以為間隔環(huán)內的平臺部分提供端部停止確定位置。如已提及，在翼片的前緣26處和附近，平臺的形狀接近于翼片21的形狀，所以槽的相應的端部49、51類似地成形。
當將葉片20組裝到間隔環(huán)40、42內時建立了平滑的通道壁，因為在槽和平臺部分的加工中注意到保證它們具有匹配的徑向厚度。因此，通道壁由平臺部分22、23和間隔環(huán)在槽41、43之間的“圓角部分”44、46構成。
一旦所有葉片20已經組裝到間隔環(huán)40、42，則它們必須被牢固地焊接在位置上。為實現(xiàn)這點而無損壞翼片的風險，使用在圖5A中示出的臨時覆蓋板48。臨時覆蓋板48的尺寸定為使其定位在內通道壁邊緣和外通道壁邊緣上且部分地與它們重疊，且與隔板同心地被保持。覆蓋板48的徑向內緣和外緣然后通過填角焊50、52固定到平臺部分22、23的前緣面22D、23D和間隔環(huán)40、42的居于其間的圓角部分44、46。填角焊52在圖5B中更清晰地可見。類似的覆蓋板(未示出)也在相同的位置焊接在隔板的另外的側上。這固定且支撐了平臺部分和圓角段用于隨后的加工，這是使得能保證平臺部分到內間隔環(huán)和外間隔環(huán)的牢固的焊接所必需的。
一旦覆蓋板已經焊接到位置，加工操作底切(例如)在隔板的蒸汽出口側上覆蓋板48的外圓周處的外平臺部分23和圓角部分46。作為結果的焊接準備槽56在圖6中示出。當加工槽56完成后，在槽56內進行埋弧焊操作，埋弧焊填充槽56且將外平臺23固定到外間隔環(huán)42。注意到覆蓋板也防止底切間隔環(huán)圓角部分在焊接過程期間的移動。然后，在覆蓋板的內圓周處加工類似的槽54，且重復焊接操作以將內平臺22固定到內間隔環(huán)40。最后，相同的加工和焊接過程在隔板的另一側(蒸汽入口)上進行。然后可以通過在覆蓋板的邊緣處的加工操作去除覆蓋板，且然后如在圖7中示出除去例如凸緣的任何特征外完成了隔板，這些特征需要加工在間隔環(huán)內用于組裝到渦輪機。
以上已純粹地通過例子描述了本發(fā)明，且可以在如要求的本發(fā)明的范圍內進行修改。本發(fā)明也包括任何在此描述或暗示的，或在附圖中示出或暗示的單獨的特征，或任何這樣的特征的任何組合，或任何這樣的特征或組合的任何的歸納，這延伸到其等價物。因此，本發(fā)明的寬度和范圍應不被以上描述的典型實施例的任何實施例所限制。在說明書中包括權利要求書和附圖中披露的每個特征可以被替代的特征代替，用于相同的、等價的或類似的目的，除非清楚地另行陳述。
在整個說明書中對現(xiàn)有技術的任何討論并非承認這樣的現(xiàn)有技術在本領域中是廣為已知的，或是普通的一般知識的形成部分。
除非上下文清晰地另外要求，在整個說明書和權利要求書中，詞語“包括”、“包含”等被解釋為與排他的或詳盡的意義相對的包含的意義；換言之，意義為“包括但不限制于”。
權利要求
1.一種用于軸流渦輪機的靜葉片(20)，其包括a)具有前緣(26)、后緣(27)、壓力側、吸力側和弦線的翼片部分(21)；b)與翼片部分(21)成整體的徑向的內平臺部分(22)和外平臺部分(23)；c)角部圓角(24)，在角部圓角處翼片部分(21)與每個平臺部分(22、23)相交以形成在翼片部分和每個平臺部分之間的平滑過渡；d)每個平臺部分(22、23)，包括i)后緣(22A、23A)，ii)在翼片的壓力側和吸力側的每個上的側緣(22B、23B、22C、23C)，iii)將側緣(22B、23B、22C、23C)相互結合的前緣(22D、23D)，其特征在于，在每個平臺部分的平面視圖中，后緣(22A、23A)形成為在渦輪機軸線的周向延伸，側緣(22B、23B、22C、23C)是直的且前緣(22D、23D)具有彎曲的形狀，在翼片部分的前緣(26)的區(qū)域內該彎曲的形狀跟隨角部圓角(24)的邊緣。
2.根據權利要求1所述的靜葉片，其中每個平臺部分(22、23)的側緣(22B、23B、22C、23C)大體上相互平行且平行于翼片部分(21)的弦線。
3.根據權利要求1或2所述的靜葉片，其中翼片部分(21)的壓力側上每個平臺部分(22、23)的側緣(22B、23B)在翼片部分的前緣和后緣(26、27)處與角部圓角(24)相切。
4.根據任何前述權利要求所述的靜葉片，其中在翼片部分(21)的吸力側上至少內平臺部分(22)的側緣(22C)與角部圓角(24)相切。
5.根據權利要求4所述的靜葉片，其中平臺部分(22)的彎曲的前緣(22D)具有如下的形狀，該形狀跟隨在翼片(21)的前緣(26)與翼片吸力側上平臺部分的側緣(22C)和角部圓角(24)相切的點(28)之間的角部圓角(24)的邊緣。
6.根據權利要求4或5所述的靜葉片，平臺部分是內平臺部分(22)。
7.根據權利要求1至3的任一項所述的靜葉片，其中葉片吸力側上的外平臺部分(23)的側緣(23C)和彎曲的前緣(23D)與角部圓角(24)分開。
8.一種軸流渦輪機隔板構造(圖4)，其包括根據任何前述權利要求所述的靜葉片(20)的環(huán)，且進一步地特征在于，內間隔環(huán)和外間隔環(huán)(40、42)在其內具有縫隙(41、43)，縫隙成形為分別容納內平臺部分和外平臺部分(22、23)，以此平臺部分和間隔環(huán)一起形成了渦輪機隔板的內通道壁和外通道壁。
9.一種制造根據權利要求8所述的軸流渦輪機隔板構造的方法，其特征在于如下步驟a)通過將平臺部分(22、23)滑動到間隔環(huán)(40、42)內的縫隙(41、43)內將靜葉片(20)組裝到隔板內，b)將環(huán)形覆蓋板(48)在靜渦輪機葉片(20)的環(huán)的每側上定位在靜渦輪機葉片的環(huán)上，覆蓋板尺寸設定為使得覆蓋板的內緣和外緣與內平臺部分和外平臺部分(22、23)的前緣和后緣(22D、22A、23D、23A)部分地重疊，c)將每個覆蓋板(48)的內緣和外緣焊接到內平臺部分和外平臺部分(22、23)的前緣和后緣(22D、22A、23D、23A)，以及焊接到內間隔環(huán)和外間隔環(huán)(40、42)的居于其間的部分(44、46)，d)在隔板內繞每個覆蓋板(48)的內緣和外緣加工出焊接準備槽(54、56)，使得內平臺部分和外平臺部分(22、23)的前緣和后緣(22D、22A、23D、23A)以及內間隔環(huán)和外間隔環(huán)(40、42)的任何居于其間的部分(44、46)被底切，e)在焊接準備槽(54、56)內進行焊接過程以填充焊接準備槽，且將內平臺部分和外平臺部分(22、23)固定到內間隔環(huán)和外間隔環(huán)(40、42)，和f)加工覆蓋板(48)的內緣和外緣以將其從隔板去除。
10.根據權利要求9所述的方法，其中步驟b和c)以如下次序進行，包括(i)將第一環(huán)形覆蓋板在靜渦輪機葉片的環(huán)的第一側上定位在靜渦輪機葉片的環(huán)上，且對于第一環(huán)形覆蓋板進行焊接操作；和(ii)將第二環(huán)形覆蓋板在靜渦輪機葉片的環(huán)的第二側上定位在靜渦輪機葉片的環(huán)上，且對于第二環(huán)形覆蓋板進行焊接操作。
11.根據權利要求9或10所述的方法，其中步驟d)和e)以如下次序進行，包括(i)在隔板內繞第一覆蓋板的內緣和外緣的一個加工出第一焊接準備槽且在第一焊接準備槽內進行焊接操作；(ii)在隔板內繞第一覆蓋板的內緣和外緣的另一個加工出第二焊接準備槽且在第二焊接準備槽內進行焊接操作；(iii)在隔板內繞第二覆蓋板的內緣和外緣的一個加工出第三焊接準備槽且在第三焊接準備槽內進行焊接操作；以及(iv)在隔板內繞第二覆蓋板的內緣和外緣的另一個加工出第四焊接準備槽且在第四焊接準備槽內進行焊接操作。
全文摘要
軸流渦輪機葉片和隔板構造包括靜渦輪機葉片(20)的環(huán)和具有縫隙(41、43)的內間隔環(huán)和外間隔環(huán)(40、42)，縫隙(41、43)成形為容納葉片的內平臺部分和外平臺部分(22、23)，以此平臺部分和間隔環(huán)一起形成了渦輪機隔板的內通道壁和外通道壁。葉片特別的特征是內平臺部分和外平臺部分(22、23)具有直側緣(22B、22C)和(23B、23C)，它們通過彎曲的前緣(22D和23D)相互結合，前緣(22D和23D)在平面視圖中具有如下的形狀，在翼片(21)的前緣(26)的區(qū)域內該形狀跟隨角部圓角(24)的邊緣。
文檔編號F01D9/04GK101059081SQ20071000516
公開日2007年10月24日 申請日期2007年2月15日 優(yōu)先權日2006年3月27日
發(fā)明者D·P·布拉克福德, D·J·尼爾默斯, B·V·科爾塔 申請人:阿爾斯托姆科技有限公司