專利名稱：用于蒸汽渦輪的焊接噴嘴組件和組裝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于蒸汽渦輪的噴嘴組件，特別涉及一種用于改進(jìn)蒸汽流道的焊接噴嘴組件和裝配該噴嘴的方法。
背景技術(shù)：
蒸汽渦輪通常包括將蒸汽流導(dǎo)入連接到轉(zhuǎn)子上的動(dòng)葉中的靜態(tài)噴嘴部分。在蒸汽渦輪中，包括翼面或葉片結(jié)構(gòu)的噴嘴通常被稱為隔板級(jí)(diaphragm stage)。傳統(tǒng)隔板級(jí)主要是利用以下兩種方法中的一種構(gòu)造。第一種方法利用帶/環(huán)結(jié)構(gòu)，其中翼面首先被焊接在內(nèi)和外帶之間，延伸約180°。然后將那些具有焊接翼面的弧形帶進(jìn)行組裝，即焊接到渦輪定子的內(nèi)外環(huán)之間。第二種方法通常由在界面處采用角焊的方式直接焊接到內(nèi)外環(huán)上的翼面組成。后一種方法通常用于可以形成焊接入口的較大翼面。
利用組件的帶/環(huán)方法存在固有的局限。帶/環(huán)組件方法中的主要局限是流道(即在相鄰的葉片和蒸汽通道側(cè)壁之間)的固有焊接變形。用于這些組件的焊接是大尺寸和高熱輸入的。也就是說，焊接需要利用大量金屬填料的高熱輸入?；蛘?，焊接是無填充金屬的深電子束焊接。該材料或熱輸入導(dǎo)致流道變形，例如，材料收縮導(dǎo)致翼面彎出它們?cè)诹鞯乐械脑O(shè)計(jì)形狀。在許多情況下，翼面需要在焊接和釋放應(yīng)力后進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種蒸汽通道變形的結(jié)果是減小定子效率。內(nèi)和外帶的表面輪廓也會(huì)由于將噴嘴焊接到定子組件中、進(jìn)一步導(dǎo)致不規(guī)則的流道而改變。噴嘴和帶因此通常是彎曲和變形的。這需要對(duì)噴嘴構(gòu)造進(jìn)行大幅修整，以使其符合設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。在許多情況下，噴嘴組件的整個(gè)構(gòu)造成本的大約30％產(chǎn)生于噴嘴組件的變形中，在焊接和釋放應(yīng)力之后，恢復(fù)到其設(shè)計(jì)構(gòu)造。
而且，利用焊接到環(huán)中的單個(gè)噴嘴結(jié)構(gòu)的裝配方法不具有規(guī)定的焊接深度，在內(nèi)和外環(huán)上缺乏組件對(duì)齊特征，且在焊縫開裂的情況下缺乏保持特征。而且，目前的噴嘴組件和設(shè)計(jì)在噴嘴尺寸之間不具有可重復(fù)固定加工的通用特征。也就是說，對(duì)于機(jī)器控制工具參考而言，該噴組組件不具有通用于所有噴嘴尺寸的特征，在不具有該特征的情況下，各噴嘴組件尺寸需要特定安裝、預(yù)處理和特定工具，進(jìn)而增加成本。因此，這表明定子噴嘴需要一種改進(jìn)的蒸汽流道，其包括低輸入熱焊接，以最小化或消除由焊接法引起的蒸汽通道變形結(jié)果，并通過加入有助于定子中的噴嘴組件的組裝程序、加工固定、實(shí)現(xiàn)對(duì)齊的特征來提高產(chǎn)量和循環(huán)成本，并建立在焊縫開裂情況下防止噴嘴組件向下游運(yùn)動(dòng)的機(jī)械鎖。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，提供了一種用于渦輪的噴嘴組件，包括至少一個(gè)噴嘴葉片，其具有內(nèi)和外側(cè)壁，且在組裝在渦輪中之后部分地限定流道；外環(huán)和內(nèi)環(huán)；該外環(huán)具有下述(i)或(ii)之一，其中(i)被一對(duì)徑向向外延伸的凹槽跨騎的凸緣突起，(ii)被一對(duì)徑向向內(nèi)延伸的凸緣突起跨騎的凹槽；該外側(cè)壁具有下述(i)或(ii)中的另一個(gè)，其中(i)被一對(duì)徑向向外延伸的凸緣突起跨騎的凹槽，(ii)被一對(duì)徑向向內(nèi)延伸的、能在外環(huán)和外側(cè)壁之間并且逆著相對(duì)軸向運(yùn)動(dòng)互鎖配合的凹槽跨騎的凸緣突起；該外環(huán)和外側(cè)壁焊接到彼此上，且內(nèi)環(huán)和內(nèi)側(cè)壁焊接到彼此上。
在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，提供了一種用于渦輪的噴嘴組件，包括至少一個(gè)噴嘴葉片，其具有內(nèi)和外側(cè)壁，且在組裝在渦輪中之后部分地限定流道；外環(huán)和內(nèi)環(huán)；該內(nèi)環(huán)具有下述(i)或(ii)之一，其中(i)被一對(duì)徑向向內(nèi)延伸的凹槽跨騎的凸緣突起，(ii)被一對(duì)徑向向外延伸的凸緣突起跨騎的凹槽；該內(nèi)側(cè)壁具有下述(i)或(ii)中的另一個(gè)，其中(i)被一對(duì)徑向向內(nèi)延伸的凸緣突起跨騎的凹槽，(ii)被一對(duì)徑向向外延伸的、能在內(nèi)環(huán)和內(nèi)側(cè)壁之間并且逆著相對(duì)軸向運(yùn)動(dòng)互鎖配合的凹槽跨騎的凸緣突起；該外環(huán)和外側(cè)壁焊接到彼此上，且內(nèi)環(huán)和內(nèi)側(cè)壁焊接到彼此上。


圖1是示出了通過現(xiàn)有技術(shù)的蒸汽渦輪噴嘴的隔板級(jí)的橫截面的示意線條圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的包括噴嘴組件和焊接特征的蒸汽渦輪級(jí)的線條圖；圖3是單個(gè)噴嘴組件的透視圖；圖4是圖3的單個(gè)噴嘴組件位于定子的內(nèi)和外環(huán)之間的示意圖；圖5和6是包括對(duì)齊和參考特征的單個(gè)噴嘴的放大透視圖；和圖7和8示出了噴嘴組件的局部透視圖，其示出了對(duì)齊和參考特征的另一實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
參見圖1，示出了一種總體上標(biāo)記為10的、現(xiàn)有技術(shù)的噴嘴組件。組件10包括多個(gè)分別焊接在內(nèi)和外帶14和16之間的相對(duì)端上、周向間隔的翼面或葉片12。內(nèi)和外帶分別焊接在內(nèi)和外環(huán)18和20之間。還示出了多個(gè)安裝在轉(zhuǎn)子24上的動(dòng)葉(bucket)22。應(yīng)當(dāng)理解，噴嘴組件10和動(dòng)葉22一起形成蒸汽渦輪的一個(gè)級(jí)。
仍然參見圖1，翼面12分別單獨(dú)地焊接在內(nèi)和外帶14和16中的、形狀大體上相應(yīng)的孔中，未示出。內(nèi)和外帶14和16通常延伸成兩段，每段約為180度。在翼面焊接在內(nèi)和外帶之間后，然后利用非常高的熱輸入和深焊接將該預(yù)裝組件焊接在內(nèi)和外環(huán)18和20之間。例如，借助于利用大量金屬填料和需要非常深的電子束焊接的焊縫26將內(nèi)帶14焊接到內(nèi)環(huán)18上。此外，內(nèi)帶和內(nèi)環(huán)之間的焊縫的后部，即下游側(cè)，需要另一高熱輸入的焊縫28。類似地，需要利用包括大量金屬填料和非常深的電子束焊接的高熱輸入焊縫30、32在如圖所示的相對(duì)軸向位置上將外帶16間接到外環(huán)20上。因此，當(dāng)翼面12起先焊接到內(nèi)和外帶14、16，并隨后焊接到內(nèi)和外環(huán)18和20上時(shí)，那些大的焊縫由于高熱輸入和金屬材料的收縮而導(dǎo)致流道的大幅度變形，且這會(huì)導(dǎo)致翼面從它們的設(shè)計(jì)構(gòu)造的變形。而且，內(nèi)和外帶14、16可在形狀上變得不規(guī)則、不同于它們的設(shè)計(jì)形狀，進(jìn)而使流道變形。因此，在焊接和釋放應(yīng)力之后，噴嘴組件必須重整回到它們的設(shè)計(jì)構(gòu)造，如前所述，這會(huì)引起整個(gè)噴嘴組件構(gòu)造成本的25-30％。最后，如果利用EBW(電子束焊接)，則其完全可以用于一致地從一個(gè)方向進(jìn)行焊接直到相對(duì)側(cè)(大約4英寸厚)。
目前還有單件型噴嘴組件，其不具有確定的焊縫深度，因此采用了變化的焊縫深度，以在內(nèi)和外環(huán)之間將單件焊接到噴嘴組件中。也就是說，由于噴嘴單件側(cè)壁和環(huán)之間的間隙不是一致的，所以焊縫深度可以變化。當(dāng)間隙由于加工公差而變大時(shí)，焊縫深度和性質(zhì)變化。致密的焊縫間隙會(huì)產(chǎn)生一個(gè)比希望值短的焊縫。越大的焊縫間隙會(huì)使焊縫或束線越深，并會(huì)導(dǎo)致在焊縫中形成不希望的空隙。目前的單件噴嘴設(shè)計(jì)還在界面處利用焊接預(yù)加工，且這需要利用一種不希望的更高的熱輸入填料焊接工藝。
現(xiàn)在參見圖2和3，示出了根據(jù)本發(fā)明的噴嘴組件的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，其利用了一個(gè)單件，即單個(gè)采用低熱輸入焊接直接焊接到內(nèi)和外環(huán)上的側(cè)壁的翼面，其由于在噴嘴組件和內(nèi)外簧之間的界面處的機(jī)械鎖以及對(duì)齊特征而具有提高可靠性和減少危險(xiǎn)的機(jī)械特征。特別地，該優(yōu)選實(shí)施例中的噴組組件包括總體上標(biāo)記為40的、整體地形成的單件預(yù)裝組件。各預(yù)裝組件40分別包括位于內(nèi)和外側(cè)壁44和46之間的單個(gè)翼面或葉片42，該葉片和側(cè)壁由近精密鍛造或一塊材料加工而成。如圖所示，內(nèi)側(cè)壁44包括被徑向向內(nèi)突出的凸緣臺(tái)階或法蘭50和52沿內(nèi)側(cè)壁44的前緣和后緣包圍或跨騎的凹槽48?；蛘?，內(nèi)側(cè)壁44可構(gòu)造為設(shè)置由靠近內(nèi)側(cè)壁的前緣和后緣處徑向向外延伸的凹槽包圍的中心凸起。同樣地，如圖所示，外側(cè)壁46包括被一對(duì)在靠近外側(cè)壁46的前緣和后緣處徑向向外延伸的凸緣臺(tái)階或法蘭56、58包圍或跨騎的凹槽54?；蛘撸鈧?cè)壁46可具有由徑向向內(nèi)延伸的凹槽沿外側(cè)壁的前緣和后緣包圍的中心凸起。
然后利用低熱輸入型焊接將噴嘴單件40分別在內(nèi)和外環(huán)60和62之間組裝。例如，低熱輸入型焊接利用對(duì)焊界面，優(yōu)選地利用淺電子束焊接或線激光焊或淺溶渣TIG或A-TIG焊接方法。通過利用這些焊接方法和這些類型的焊縫，可以將焊縫限制在側(cè)壁和靠近側(cè)壁臺(tái)階的環(huán)之間的區(qū)域上，或者如果該構(gòu)造在界面處與圖2所示的方式相反，則可以將焊縫限制在內(nèi)和外環(huán)的臺(tái)階區(qū)域內(nèi)。因此，只在短的軸向距離上進(jìn)行焊接，優(yōu)選地沿側(cè)壁的相對(duì)的軸向端不超過臺(tái)階的軸向程度。特別地，小于內(nèi)和外側(cè)壁的軸向間距跨度的1/2被用于在內(nèi)和外環(huán)之間焊接單件噴嘴。例如，通過在軸向上從界面的前緣和后緣側(cè)、在側(cè)壁和環(huán)之間利用電子束焊接，側(cè)壁和環(huán)結(jié)合處的焊縫的軸向程度小于軸向界面的程度的1/2。如前所述，如果利用EBW焊接，焊縫可以延伸通過側(cè)壁和環(huán)的配準(zhǔn)的整個(gè)軸向程度。
圖4最好地示出了組裝方法，其中所示的組裝過程包括當(dāng)環(huán)和單件處于水平方向上時(shí)，將單件40置于內(nèi)和外環(huán)60、62之間。因此，通過相對(duì)于固定的電子束焊機(jī)周向地旋轉(zhuǎn)該組件，或者反之亦然，然后顛倒該組件并從相反的軸向完成焊接，于是噴嘴組件便以周向排列的方式焊接到內(nèi)和外環(huán)上，沒有高熱輸入或利用填料。
如圖2中清楚地所示，在單件40、50、52、56、58和環(huán)60、62之間還存在機(jī)械界面。該界面包括與互補(bǔ)部件的凹槽配合的臺(tái)階或法蘭。該臺(tái)階和凹槽構(gòu)造用于控制焊縫深度并使其在生產(chǎn)期間在噴嘴單件之間確定和一致。這種互鎖還用于使噴嘴單件在內(nèi)和外環(huán)之間軸向?qū)R。該互鎖在噴組單件在內(nèi)和外環(huán)之間的組裝和焊接期間將噴嘴保持在適當(dāng)位置上。也就是說，噴嘴單件可靠近彼此并在內(nèi)外環(huán)之間緊密地封裝，同時(shí)保持被環(huán)約束。而且，在蒸汽渦輪運(yùn)行期間在焊縫開裂的情況下，該機(jī)械互鎖將單件保持在軸向適當(dāng)位置上，即防止單件向下游移動(dòng)與轉(zhuǎn)子接觸。
特別參見圖5、6和7，其進(jìn)一步示出了增加到單件設(shè)計(jì)上、在其經(jīng)受磨銑加工處理時(shí)，有助于固定噴嘴單件的特征。這些特征被增加到噴嘴單件設(shè)計(jì)上，以給出一致的界面以加工單件供給裝置。例如，圖5中，這些特征之一包括側(cè)壁頂部或底部上的肋或?qū)к?0。圖7中所示的另一個(gè)固定特征包括沿外側(cè)壁46向前延伸的肋72。應(yīng)當(dāng)理解，肋72可沿內(nèi)側(cè)壁44設(shè)置，且在兩種情況下都可設(shè)置為靠近那些側(cè)壁的后表面。圖6中，平面74可設(shè)置在外側(cè)壁的外表面上，以及平面76設(shè)置在內(nèi)側(cè)壁的外表面上。那些平面74和76用作加工數(shù)據(jù)，以在加工過程中有利于固定。目前的設(shè)計(jì)具有一個(gè)加工更復(fù)雜、成本更高且在部件加工時(shí)難以固定的徑向表面。
圖8中，一對(duì)孔可設(shè)置在向前或向后外側(cè)壁上或設(shè)置在向前或向后內(nèi)側(cè)壁上。這些孔可借助于多個(gè)噴嘴設(shè)計(jì)和尺寸之間的加工中心一致地形成，以出于加工目的促進(jìn)固定。因此，通過增加這些特征，為加工供給裝置設(shè)置一個(gè)一致的界面，其用以減少單件加工的工件、預(yù)處理和加工循環(huán)。這些固定特征滿足提供參考點(diǎn)的需求，使得數(shù)控加工工具可標(biāo)識(shí)出通用于所有噴嘴的特征的位置。例如，圖8中所示的兩個(gè)孔78在一個(gè)固定上設(shè)置了兩個(gè)點(diǎn)，且建立了兩個(gè)平面，其在加工期間控制噴嘴的整個(gè)位置，使得加工可形成整體噴嘴單件的任何尺寸。
應(yīng)當(dāng)理解，各噴嘴單件上的固定物可保持在單件上或從單件上拆除。例如，圖5中所示的噴嘴單件的肋70可容納在形成在相應(yīng)內(nèi)和外環(huán)中的互補(bǔ)的槽中。圖7中，優(yōu)選的是，在形成單件之后切除了組件特征72。還應(yīng)當(dāng)理解，圖6中在組裝期間，平面不必沿內(nèi)和外環(huán)精確地具有弧形表面。優(yōu)選地只沿單件的前緣和后緣進(jìn)行焊接，即，沿著臺(tái)階或法蘭50、52、56和58和內(nèi)外環(huán)進(jìn)行焊接。因此，在臺(tái)階或法蘭與環(huán)的徑向內(nèi)表面之間的軸向空間可以不焊接或沒有填料，那些面可以或不可以彼此接觸。
雖然本發(fā)明結(jié)合一些被認(rèn)為最有用和最優(yōu)選的實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不局限于所公開的實(shí)施例，而是相反，旨在覆蓋各種包括在所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的修改和等效裝置。
權(quán)利要求
1.用于渦輪的噴嘴組件(40)，包括至少一個(gè)噴嘴葉片(42)，其具有內(nèi)和外側(cè)壁(44，46)，在組裝在渦輪中之后部分地限定流道；外環(huán)(62)和內(nèi)環(huán)(60)；所述外環(huán)具有下述之一(i)被一對(duì)徑向向外延伸的凹槽跨騎的凸緣突起，或(ii)被一對(duì)徑向向內(nèi)延伸的凸緣突起跨騎的凹槽；所述外側(cè)壁具有下述之一(i)被一對(duì)徑向向外延伸的凸緣突起(56，58)跨騎的凹槽(54)，或(ii)被一對(duì)徑向向內(nèi)延伸的、能在所述外環(huán)(62)和所述外側(cè)壁(46)之間并且逆著相對(duì)軸向運(yùn)動(dòng)互鎖配合的凹槽跨騎的凸緣突起；所述外環(huán)(62)和所述外側(cè)壁(46)焊接到彼此上，且所述內(nèi)環(huán)(60)和所述內(nèi)側(cè)壁(44)焊接到彼此上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴嘴組件，其中所述外側(cè)壁(46)和外環(huán)(62)之間的焊縫的軸向程度小于外環(huán)和外側(cè)壁之間的配準(zhǔn)的軸向程度的1/2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴嘴組件，其中所述一對(duì)凸緣突起(56，58)之一和所述一對(duì)彼此互鎖的凹槽之一沿外環(huán)(62)和外側(cè)壁(46)的上游部分布置，并且在不添加焊接填充材料的情況下焊接到彼此上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的噴嘴組件，其中所述一個(gè)凸緣突起和所述一個(gè)凹槽之間的焊縫被軸向限制為大約是所述一個(gè)凸緣突起和所述一個(gè)凹槽的軸向程度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴嘴組件，其中所述一對(duì)凸緣突起(56，58)之一和所述一對(duì)彼此互鎖的凹槽之一沿外環(huán)(62)和外側(cè)壁(46)的下游部分布置，并且在不添加填充材料的情況下焊接到彼此上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的噴嘴組件，其中所述一個(gè)凸緣突起和所述一個(gè)凹槽之間的焊縫的軸向程度被限制為大約是所述一個(gè)凸緣突起和所述一個(gè)凹槽之間的配合的軸向程度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴嘴組件，其中所述一對(duì)凸緣突起(56，58)，位于所述外側(cè)壁(46)上、靠近外側(cè)壁(46)相應(yīng)的上游和下游部分、且通常徑向向外突出，位于所述外環(huán)上的所述凹槽容納所述外側(cè)壁的凸緣突起(56，58)，在外側(cè)壁的凸緣突起和外環(huán)的凹槽的配合表面之間僅局部地充分施加所述焊縫。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴嘴組件，其中所述內(nèi)環(huán)(60)具有下述之一(i)被一對(duì)徑向向外延伸的凸緣突起跨騎的凹槽，或(ii)被一對(duì)徑向向內(nèi)延伸的凹槽跨騎的凸緣突起；所述內(nèi)側(cè)壁(44)具有下述(i)或(ii)中的另一個(gè)，其中(i)被一對(duì)徑向向內(nèi)延伸的凸緣突起(50，52)跨騎的凹槽(48)，(ii)被一對(duì)徑向向內(nèi)延伸的凹槽跨騎的凸緣突起，所述內(nèi)環(huán)(60)和所述內(nèi)側(cè)壁(44)焊接到彼此上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的噴嘴組件，其中所述一對(duì)凸緣突起(50，52)之一和所述一對(duì)彼此互鎖的凹槽之一沿內(nèi)環(huán)(60)和內(nèi)側(cè)壁(44)的上游部分布置，并且焊接到彼此上。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的噴嘴組件，其中所述內(nèi)側(cè)壁(44)和內(nèi)環(huán)(60)之間的焊縫的軸向程度小于內(nèi)側(cè)壁和內(nèi)環(huán)之間的配準(zhǔn)的軸向程度的1/3。
全文摘要
用于蒸汽渦輪的焊接噴嘴組件和組裝方法，提供了一種在內(nèi)和外側(cè)壁(44，46)之間具有葉片或翼面(42)的蒸汽渦輪噴嘴單件(40)。該側(cè)壁包括容納在環(huán)中互補(bǔ)的凹槽中的臺(tái)階或法蘭(56，58)，可以軸向縮短低熱輸入焊縫，例如電子束焊縫。這些互補(bǔ)的臺(tái)階和凹槽機(jī)械地將單件互鎖在環(huán)之間，防止在焊縫開裂的情況下單件發(fā)生移動(dòng)。該低熱輸入焊縫最小化或消除了噴嘴流道的變形。單件上的其它特征為銑削機(jī)提供一數(shù)據(jù)，以形成不同尺寸的單件。
文檔編號(hào)B23K33/00GK101033694SQ200710084248
公開日2007年9月12日 申請(qǐng)日期2007年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月13日
發(fā)明者S·S·伯德吉克, T·W·克拉爾, T·P·魯索 申請(qǐng)人:通用電氣公司