專利名稱：用于轉(zhuǎn)子的低變形焊接的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及用于裝配轉(zhuǎn)子的裝置和方法。具體而言，本發(fā)明描述了一種使轉(zhuǎn)子段徑向地對準(zhǔn)的機械接頭。
背景技術(shù)：
燃?xì)鉁u輪機廣泛用于發(fā)電的商業(yè)性運營。典型的燃?xì)鉁u輪機包括在前面的壓縮機、圍繞中間的一個或多個燃燒器和在后面的渦輪。壓縮機和渦輪典型地共享公共轉(zhuǎn)子，其從壓縮機的前面附近穿過燃燒器部分而延伸到渦輪后面附近。由于轉(zhuǎn)子的長度和尺寸，轉(zhuǎn)子的總重量可能接近或超過100噸。為了利于制造，可單獨地制造和加工多個轉(zhuǎn)子段，然后可將各個轉(zhuǎn)子段連接在一起以形成單個轉(zhuǎn)子。裝配好的轉(zhuǎn)子典型地以3000_3600rpm或更大的速度旋轉(zhuǎn)。結(jié)果，在被連接在一起之前必須精確地平衡各個轉(zhuǎn)子段?；蛟S更重要的是，必須以一種方式將各個轉(zhuǎn)子段連接在一起，使得為裝配好的轉(zhuǎn)子提供平衡且同心的旋轉(zhuǎn)軸線，以便在以操作速度旋轉(zhuǎn)的同時最小化振動、變形和偏心。存在用于連接各個轉(zhuǎn)子段的各種方法，以便對裝配好的轉(zhuǎn)子確保平衡且同心的旋轉(zhuǎn)軸線。例如，低變形的電子束和激光束焊接可用于連接各個轉(zhuǎn)子段，并徑向地固定各個轉(zhuǎn)子段的位置。然而，這些低變形焊接技術(shù)的每一種均需要昂貴的設(shè)備。另外，在將各個轉(zhuǎn)子段連接在一起之后，需要應(yīng)力消除工藝以消除各個轉(zhuǎn)子段之間的各焊縫中由焊接引起的應(yīng)力。然而在消除焊縫中的應(yīng)力時，應(yīng)力消除工藝可能輕微改變各個轉(zhuǎn)子段的徑向位置，造成裝配好的轉(zhuǎn)子中的偏心。通過加工外部或通過在裝配好的轉(zhuǎn)子的內(nèi)部或外部安裝配重可減少在裝配好的轉(zhuǎn)子中由于應(yīng)力消除工藝產(chǎn)生的偏心。然而，用來消除偏心的額外的加工和平衡增加了與制造轉(zhuǎn)子相關(guān)聯(lián)的成本、人工和時間。另外在操作速度下，轉(zhuǎn)子中的內(nèi)部不平衡可能產(chǎn)生有害的振動和/或諧振蕩。振動和/或振蕩可能負(fù)面地影響連接在轉(zhuǎn)子上的構(gòu)件之間的設(shè)計間隙，這些構(gòu)件與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，例如壓縮機葉片和渦輪葉片，并且可能損害軸承。因此，對于將轉(zhuǎn)子段裝配成轉(zhuǎn)子的改進的系統(tǒng)和方法存在需求。理想地，改進的系統(tǒng)和方法將確保在將轉(zhuǎn)子段焊接到一起之后轉(zhuǎn)子的同心度，而不需要昂貴的低變形焊接技術(shù)，例如電子束或激光束焊接。另外，該系統(tǒng)和方法可容許焊接后的應(yīng)力消除而不會在裝配轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生偏心。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的方面和優(yōu)點在以下描述中進行了闡述，或者可從描述而明顯，或者可通過本發(fā)明的實踐而獲悉。在本發(fā)明的一個實施例中，轉(zhuǎn)子包括具有第一外表面的第一轉(zhuǎn)子段和具有第二外表面的第二轉(zhuǎn)子段。轉(zhuǎn)子還包括位于第一轉(zhuǎn)子段和第二轉(zhuǎn)子段之間的機械接頭以及在機械接頭的徑向外部且處于第一外表面和第二外表面以下的空腔。焊珠在第一外表面和第二外表面之間。本發(fā)明的另一實施例是燃?xì)鉁u輪機。燃?xì)鉁u輪機包括壓縮機、位于壓縮機下游的至少一個燃燒器以及位于壓縮機下游的渦輪。轉(zhuǎn)子將壓縮機連接到渦輪上，并且轉(zhuǎn)子包括具有第一外表面的第一轉(zhuǎn)子段和具有第二外表面的第二轉(zhuǎn)子段。轉(zhuǎn)子還包括用于使第一轉(zhuǎn)子段和第二轉(zhuǎn)子段徑向地對準(zhǔn)的裝置以及在用來使第一轉(zhuǎn)子段和第二轉(zhuǎn)子段徑向地對準(zhǔn)的該裝置的徑向外部且處于第一外表面和第二外表面以下的空腔。另外，轉(zhuǎn)子包括用于連接第一外表面和第二外表面的裝置。 本發(fā)明還包括一種用于制造轉(zhuǎn)子的方法。該方法包括加工第一轉(zhuǎn)子段和第二轉(zhuǎn)子段，第一轉(zhuǎn)子段具有第一同心的旋轉(zhuǎn)軸線，第二轉(zhuǎn)子段具有第二同心的旋轉(zhuǎn)軸線。該方法還包括利用機械接頭使第一轉(zhuǎn)子段與第二轉(zhuǎn)子段徑向地對準(zhǔn)，并在第一轉(zhuǎn)子段和第二轉(zhuǎn)子段的一部分上應(yīng)用焊珠，從而將第一轉(zhuǎn)子段連接到第二轉(zhuǎn)子段上。本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員在查看本說明書后將更好地理解這種實施例以及其它實施例的特征和方面。


在說明書的其余部分，包括參考附圖，對本領(lǐng)域技術(shù)人員更具體地描述本發(fā)明完整且能夠?qū)嵤┑墓_，包括其最佳模式，其中圖1顯示了在本發(fā)明范圍內(nèi)的燃?xì)鉁u輪機的簡化的橫截面圖；圖2顯示了在本發(fā)明范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)子的一個實施例的橫截面圖；圖3顯示了在本發(fā)明范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)子的第二實施例的橫截面圖；且圖4顯示了在本發(fā)明范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)子的第三實施例的橫截面圖。部件列表10燃?xì)鉁u輪機12壓縮機14燃燒器16 渦輪18 轉(zhuǎn)子20燃?xì)鉁u輪機的軸線22第一轉(zhuǎn)子段24第一外表面26第二轉(zhuǎn)子段28第二外表面32榫接接頭34 空腔36 空腔38 焊珠40槽接接頭42 搭扣
44 螺栓46拼接接頭48 凹穴50 凹穴
具體實施例方式現(xiàn)在將詳細(xì)參考本發(fā)明的當(dāng)前實施例，附圖中圖示了其一個或多個示例。詳細(xì)描述使用數(shù)字標(biāo)號和字母標(biāo)號來指代圖中的特征。圖和詳細(xì)描述中使用相同或類似的標(biāo)號表示本發(fā)明的相同或類似的部件。各個示例是作為本發(fā)明的說明，而非本發(fā)明的限制而提供的。實際上，對本領(lǐng)域技術(shù)人員將會明顯的是，在不脫離本發(fā)明的范圍或精神的情況下可在本發(fā)明中做出修改和變化。例如，作為一個實施例的一部分而圖示或描述的特征可用于另一實施例，從而產(chǎn)生又一實施例。因而，假如其在所附權(quán)利要求及其等價物范圍內(nèi)，本發(fā)明意圖覆蓋此類修改和變化。圖1顯示了在本發(fā)明范圍內(nèi)的燃?xì)鉁u輪機10的簡化的橫截面圖。燃?xì)鉁u輪機10 通常包括在前面的壓縮機12、圍繞中間的一個或多個燃燒器14和在后面的渦輪16。壓縮機12和渦輪16共享公共轉(zhuǎn)子18，轉(zhuǎn)子18從壓縮機12的前面附近延伸到渦輪16的后面附近。轉(zhuǎn)子18由多個轉(zhuǎn)子段制成，它們連接在一起以形成整體的轉(zhuǎn)子18，轉(zhuǎn)子18在沿著燃?xì)鉁u輪機10延伸的軸線20上同心地旋轉(zhuǎn)。軸線20可以但不要求與燃?xì)鉁u輪機10的中心線同心。圖2顯示了在本發(fā)明范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)子段之間的連接的橫截面。在此實施例中，轉(zhuǎn)子 18包括具有第一外表面24的第一轉(zhuǎn)子段22和具有第二外表面28的第二轉(zhuǎn)子段26。第一轉(zhuǎn)子段22和第二轉(zhuǎn)子段26已經(jīng)過加工和平衡，從而具有了與軸線20同心的平衡的旋轉(zhuǎn)軸線。第一轉(zhuǎn)子段22和第二轉(zhuǎn)子段26包括用于使第一轉(zhuǎn)子段22和第二轉(zhuǎn)子段26徑向地對準(zhǔn)的裝置，使得當(dāng)連接時，第一轉(zhuǎn)子段22和第二轉(zhuǎn)子段26繼續(xù)具有與軸線20同心的平衡的旋轉(zhuǎn)軸線。用于使第一轉(zhuǎn)子段22和第二轉(zhuǎn)子段26徑向地對準(zhǔn)的裝置可以是第一轉(zhuǎn)子段22和第二轉(zhuǎn)子段26之間的機械接頭。由于第一轉(zhuǎn)子段22和第二轉(zhuǎn)子段26的質(zhì)量和厚度，機械接頭防止了第一轉(zhuǎn)子段22 第二轉(zhuǎn)子段26的徑向運動，徑向運動可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子 18的偏心。機械接頭可包括本領(lǐng)域中已知的任何合適的機械接頭，其用于將兩個相鄰的部件連接起來，并將相鄰的部件徑向地保持就位。例如，機械接頭可能是第一轉(zhuǎn)子段22和第二轉(zhuǎn)子段26之間的簡單榫接接頭32，如圖2中圖示的實施例中所示。榫接接頭32可圍繞第一轉(zhuǎn)子段22和第二轉(zhuǎn)子段26而周向地延伸，或者第一轉(zhuǎn)子段22和第二轉(zhuǎn)子段26可包括圍繞半徑而間隔開的多個榫接接頭32。在本發(fā)明范圍內(nèi)的機械接頭的其它示例包括暗榫接頭、花鍵、拼接、嵌合拼接、銷槽連接以及本領(lǐng)域中眾所周知的等效接頭。第一轉(zhuǎn)子段22和第二轉(zhuǎn)子段26各包括空腔34，36，空腔34，36在機械接頭的徑向外部并處于第一外表面24和第二外表面28下。當(dāng)組合時，第一轉(zhuǎn)子段22和第二轉(zhuǎn)子段 26形成空腔34，36，空腔34，36在機械接頭的徑向外部并處于第一外表面24和第二外表面 28下。
用于連接第一外表面24和第二外表面28的裝置將第一轉(zhuǎn)子段22和第二轉(zhuǎn)子段 26連接在一起，從而提供在第一轉(zhuǎn)子段22和第二轉(zhuǎn)子段26之間的扭轉(zhuǎn)強度。如圖2中所示，用于連接第一外表面24和第二外表面28的裝置可以是與在下面的空腔34，36軸向?qū)?zhǔn)的焊珠38。在備選實施例中，用于連接第一外表面24和第二外表面28的裝置可能是用螺栓固定或連接在第一外表面24和第二外表面28上的搭扣、條帶、板、橋或等效結(jié)構(gòu)。 焊珠38和在下面的空腔34，36的軸向?qū)?zhǔn)容許空腔34，36吸收或減輕由焊珠38 產(chǎn)生的任何徑向力。另外，通過將焊珠38遠(yuǎn)離機械接頭放置并由空腔34，36間隔開，焊珠 38充分遠(yuǎn)離機械接頭，從而在焊接期間不會消耗機械接頭。焊珠38尺寸設(shè)置成足夠厚，以便承載轉(zhuǎn)子18傳遞的扭矩，并提供整體的轉(zhuǎn)子18 的抗彎剛度。另外，焊珠38足夠窄，使得由焊接產(chǎn)生的任何徑向變形通過在焊縫下面的空腔34，36而減弱。結(jié)果，任何由焊珠38產(chǎn)生的最終徑向力極大地小于由機械接頭提供的徑向支撐，因而確保焊珠38不會在裝配好的轉(zhuǎn)子18中產(chǎn)生任何偏心。另外，因為機械接頭使第一轉(zhuǎn)子段22和第二轉(zhuǎn)子段26徑向地對準(zhǔn)，并且焊珠38 只提供在第一轉(zhuǎn)子段22和第二轉(zhuǎn)子段26之間的扭轉(zhuǎn)強度，所以本發(fā)明不需要之前采用的更昂貴且更費時的低變形焊接技術(shù)來裝配轉(zhuǎn)子構(gòu)件，例如電子束和激光束焊接。相反，利用本領(lǐng)域中已知的用于將兩個構(gòu)件焊接在一起的任何傳統(tǒng)方法可應(yīng)用焊珠38。例如，弧焊、 TIG焊接和MIG焊接可用于將焊珠38應(yīng)用于第一外表面24和第二外表面28上，從而將第一轉(zhuǎn)子段22和第二轉(zhuǎn)子段26連接起來。焊珠38可以是圍繞第一轉(zhuǎn)子段22和第二轉(zhuǎn)子段26的周圍的連續(xù)的焊珠，或者焊珠38可包括在圍繞第一轉(zhuǎn)子段22和第二轉(zhuǎn)子段26的周邊的間隔開的位置處執(zhí)行的間斷的焊接。如果需要，焊珠38可進行退火，以消除應(yīng)用焊珠38所產(chǎn)生的任何應(yīng)力。機械接頭的質(zhì)量徑向地將轉(zhuǎn)子段22，26保持就位，并防止應(yīng)力消除工藝在裝配好的轉(zhuǎn)子18中產(chǎn)生任何偏心。圖3顯示了在本發(fā)明范圍內(nèi)的一個備選實施例的橫截面。轉(zhuǎn)子18同樣包括如之前參照圖2所討論的第一段22和第二段26、第一外表面24和第二外表面28以及空腔34， 36。在圖3中圖示的實施例中，用于使第一轉(zhuǎn)子段22和第二轉(zhuǎn)子段26徑向?qū)?zhǔn)的裝置可以是槽接接頭40。同圖2中所示的榫接接頭32相比，槽接接頭40在向內(nèi)和向外兩個方向上為第一轉(zhuǎn)子段22和第二轉(zhuǎn)子段26提供了額外的徑向支撐。如同之前討論的榫接接頭32 一樣，槽接接頭40可圍繞第一轉(zhuǎn)子段22和第二轉(zhuǎn)子段26而周向地延伸，或者第一轉(zhuǎn)子段 22和第二轉(zhuǎn)子段26可包括圍繞半徑間隔開的多個槽接接頭40。在圖3中圖示的實施例中，用于連接第一外表面24和第二外表面28的裝置可以是搭扣42。穿過搭扣42以及第一外表面24和第二外表面28的螺栓44將搭扣固定在第一轉(zhuǎn)子段22和第二轉(zhuǎn)子段26上，從而為轉(zhuǎn)子18提供扭矩支撐。在備選實施例中，可將搭扣 42點焊到第一外表面24和第二外表面28上。圖4顯示了在本發(fā)明范圍內(nèi)的一個備選實施例的橫截面。該轉(zhuǎn)子同樣包括如之前參照圖2所討論的第一段22和第二段26、第一外表面24和第二外表面28、空腔34，36以及焊珠38。在圖4中圖示的實施例中，用于使第一轉(zhuǎn)子段22和第二轉(zhuǎn)子段26徑向地對準(zhǔn)的裝置可以是拼接接頭46。如同參照圖3討論的槽接接頭40 —樣，拼接接頭在向內(nèi)和向外兩個方向上為第一轉(zhuǎn)子段22和第二轉(zhuǎn)子段26提供了額外的徑向支撐。另外，拼接接頭46可利用拼接塊48，拼接塊48可分開加工，以便裝配到加工在第一轉(zhuǎn)子段22和第二轉(zhuǎn)子段沈中的相對應(yīng)的凹穴50，52中。以這種方式，可分開制造第一轉(zhuǎn)子段22和第二轉(zhuǎn)子段 26,并且可確定凹穴50，52的位置，并且可在第一轉(zhuǎn)子段22和第二轉(zhuǎn)子段沈的裝配期間執(zhí)行生產(chǎn)凹穴50，52的加工過程。 本領(lǐng)域中的技術(shù)人員應(yīng)該懂得，在不脫離所附權(quán)利要求及其等價物所陳述的本發(fā)明的范圍和精神的條件下，可對本文陳述的本發(fā)明的實施例做出修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種轉(zhuǎn)子(18)，包括a.具有第一外表面04)的第一轉(zhuǎn)子段02)；b.具有第二外表面08)的第二轉(zhuǎn)子段06)；c.所述第一轉(zhuǎn)子段0 和所述第二轉(zhuǎn)子段06)之間的機械接頭(32)；d.在所述機械接頭(3 的徑向外部、并且在所述第一外表面04)和所述第二外表面 (28)下面的空腔(34，36)；e.所述第一外表面04)和所述第二外表面08)之間的焊珠(38)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子(18)，其特征在于，所述機械接頭(3 使所述第一轉(zhuǎn)子段0 和所述第二轉(zhuǎn)子段06)徑向地對準(zhǔn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2中的任一項所述的轉(zhuǎn)子(18)，其特征在于，所述機械接頭(32) 是榫接接頭。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中的任一項所述的轉(zhuǎn)子(18)，其特征在于，所述機械接頭(32)是槽接接頭GO)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中的任一項所述的轉(zhuǎn)子(18)，其特征在于，所述機械接頭(32)是嵌合的拼接接頭。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中的任一項所述的轉(zhuǎn)子(18)，其特征在于，所述焊珠(38)與所述空腔(34，36)軸向地對準(zhǔn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中的任一項所述的轉(zhuǎn)子(18)，其特征在于，所述焊珠(38)是圍繞所述第一外表面04)和所述第二外表面08)的至少一部分而延伸的連續(xù)的焊珠。
8.一種用于制造轉(zhuǎn)子(18)的方法，包括a.加工第一轉(zhuǎn)子段(22)，其具有第一同心的旋轉(zhuǎn)軸線；b.加工第二轉(zhuǎn)子段(沈)，其具有第二同心的旋轉(zhuǎn)軸線；c.利用機械接頭(3 使所述第一轉(zhuǎn)子段0 與所述第二轉(zhuǎn)子段06)徑向地對準(zhǔn)；以及d.在所述第一轉(zhuǎn)子段0 和第二轉(zhuǎn)子段06)的一部分上應(yīng)用焊珠(38)，以便將所述第一轉(zhuǎn)子段0 連接到所述第二轉(zhuǎn)子段06)上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法還包括對所述第一轉(zhuǎn)子段02) 和所述第二轉(zhuǎn)子段06)之間的焊珠(38)進行退火。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9中的任一項所述的方法，其特征在于，所述方法還包括圍繞所述第一轉(zhuǎn)子段0 和所述第二轉(zhuǎn)子段06)的周邊連續(xù)地應(yīng)用所述焊珠(38)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于轉(zhuǎn)子的低變形焊接的裝置和方法，具體而言，轉(zhuǎn)子包括具有第一外表面的第一轉(zhuǎn)子段和具有第二外表面的第二轉(zhuǎn)子段。機械接頭在第一轉(zhuǎn)子段和第二轉(zhuǎn)子段之間，并且空腔在機械接頭的徑向外部，且在第一外表面和第二外表面下面。焊珠在第一外表面和第二外表面之間。一種用于制造轉(zhuǎn)子的方法包括加工具有第一同心的旋轉(zhuǎn)軸線的第一轉(zhuǎn)子段，以及加工具有第二同心的旋轉(zhuǎn)軸線的第二轉(zhuǎn)子段。該方法還包括利用機械接頭使第一轉(zhuǎn)子段與第二轉(zhuǎn)子段徑向地對準(zhǔn)，并且在第一轉(zhuǎn)子段和第二轉(zhuǎn)子段的一部分上應(yīng)用焊珠，從而將第一轉(zhuǎn)子段連接到第二轉(zhuǎn)子段上。
文檔編號B23K35/02GK102155268SQ20111000786
公開日2011年8月17日 申請日期2011年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月6日
發(fā)明者I·D·威爾遜 申請人:通用電氣公司