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CN103032103A - 用于大型蒸汽涡轮的改型方法和装置 - Google Patents

用于大型蒸汽涡轮的改型方法和装置 Download PDF

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CN103032103A CN2012103771810A CN201210377181A CN103032103A CN 103032103 A CN103032103 A CN 103032103A CN 2012103771810 A CN2012103771810 A CN 2012103771810A CN 201210377181 A CN201210377181 A CN 201210377181A CN 103032103 A CN103032103 A CN 103032103A
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Abstract

本发明涉及用于大型蒸汽涡轮的改型方法和装置，描述了一种替换蒸汽涡轮的插入转子中的旋转金属叶片的方法，该转子具有用于插入金属叶片的根部段的一个或更多现有凹槽，该方法包括下列步骤：提供具有纤维增强复合材料的径向向内定向的根部段的替换叶片；改变转子中的一个或更多凹槽的形状以形成用于插入纤维增强复合材料的根部段的腔体；以及将替换叶片插入转子中。

Description

用于大型蒸汽涡轮的改型方法和装置
技术领域
本发明涉及用于对大型蒸汽涡轮改型的方法和装置，尤其是低压蒸汽涡轮，甚至更具体地低压蒸汽涡轮的末级或倒数第二级。
背景技术
在下面的描述中，术语“涡轮”用来指具有被诸如水、蒸汽或气体的流体介质力联接的旋转部件和定子部件的旋转发动机。本发明尤其关注轴流式蒸汽涡轮，其包括径向布置的固定的定子叶片或静叶，该定子叶片或静叶与由通过涡轮的蒸汽流力联接的径向布置的移动的转子叶片交替。移动通常限定为相对于壳体或外壳的移动。
在大型涡轮尤其是蒸汽涡轮中，动叶片或翼型件目前使用钢或钛基合金来制造。在多级涡轮中，叶片的尺寸逐级增加。在最大的低压涡轮的末级中，涡轮叶片的高度可超过一米。虽然希望增加涡轮级的尺寸并因此增加它们的排气表面和效率，但现有材料的性质已达到其极限，主要是因为作用在旋转叶片上的较大离心力。
为了克服由钢和钛的材料性质设置的障碍，已经提出主要使用碳纤维基材料的复合材料翼型件。尽管已经公布了大量的此类设计，但这样的复合材料叶片的现实应用目前局限于用于高级飞行器发动机的燃气涡轮。
动叶片通常使用叶片上的根部段(例如，所谓的“杉树”)安装到涡轮转子上，根部段机械锁定到切入转子上的盘中的沟槽内。然而，用于由纤维增强复合材料制成的翼型件的最佳根部通常不同于常规金属翼型件的根部段。这种区别使得在对最初设计用于金属叶片的现有涡轮进行修理、升级或改型时难以用复合材料翼型件来替换金属翼型件。
美国专利No. 3883267提出一种用于流体力学机械的叶片，其具有通过在金属芯上叠加多个复合纤维材料的叠加层而构成的翼型件部段，所述金属芯具有伸出所述翼型件部段以便充当叶片附连根部的部分。
鉴于已知的现有技术，可以看到，本发明的目的是提供有利于对带有诸如复合纤维材料的高级材料的翼型件或叶片的大型涡轮进行改型的方法和装置。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种替换蒸汽涡轮的插入转子中的旋转金属叶片的方法，转子具有用于插入金属叶片的根部段的一个或更多凹槽，该方法包括下列步骤：提供具有纤维增强复合材料的径向向内定向的端部段的替换叶片；改变转子中的一个或更多凹槽的形状以提供用于插入纤维增强复合材料的端部段的腔体；以及将替换叶片插入转子中。
蒸汽涡轮的后面几级通常具有不是周向而是轴向定向的凹槽，该凹槽通常包括相对于转子轴线的角度。凹槽的轨线可以是直的或者弯曲的。然而，在根部带销叶片的情况中，转子中的凹槽是周向的且能成形为沟槽。
当谈及径向时，这样的方向被限定为涡轮转子的旋转轴线的径向方向。
根据本发明的该方面的优选实施例，通过将改变的凹槽轮廓加工到转子中和/或通过将适配器(adapter)插入凹槽中而改变一个或更多凹槽的形状。
在本发明的该方面的优选实施例中，纤维增强复合材料的端部段在插入之后延伸到转子中改变的凹槽轮廓中和/或适配器中，使得端部段通过至少一层金属与涡轮中的蒸汽分开。
在该实施例的变型中，纤维增强复合材料的端部段或者延伸到凹槽中，或者适配器包括径向向外延伸超出转子外径的腔体，纤维增强复合材料的端部段插入该腔体中。
在一优选实施例中，适配器包括与原始凹槽形状匹配的部段，使得原始凹槽的这些部分能继续充当用于将适配器和替换叶片的根部固定到转子的构件。在一优选变型中，在原始根部为杉树型根部的情形下，与原始凹槽形状匹配的部段包括第一和底部齿或钩。
本发明的另一方面包括用于替换蒸汽涡轮的插入转子中的旋转金属叶片的适配器，转子具有一个或更多现有凹槽以用替换叶片插入金属叶片的根部段中，替换叶片具有纤维增强复合材料的径向向内定向的根部段，其中，适配器包括与用于将适配器固定到转子的现有凹槽的至少一部分匹配的至少一个部段以及用于容纳纤维增强复合材料的径向向内定向的根部段的至少一个腔体部分。在原始根部为杉树型根部的情况下，与原始凹槽形状匹配的部段可包括第一和底部齿或钩。
根据下面的详细描述和如下文所列的附图，本发明的这些和另外的方面将显而易见。
附图说明
现在将参照附图描述本发明的示例性实施例，在附图中：
图1示出了通过常规蒸汽涡轮设计的末级的示意性垂直剖视图；
图2示意性地示出了根据本发明的示例的用于装配复合材料替换叶片的现有涡轮的转子的适应性凹槽；
图3示意性地示出了根据本发明的示例的适配器在现有涡轮的转子凹槽中的使用，以装配复合材料的替换叶片；
图4示意性地示出了根据本发明的示例的用于在现有涡轮的转子凹槽中为复合材料替换叶片提供腔体的另一适配器的透视图；以及
图5A至图5D示意性地示出了根据本发明的另外的示例的在现有涡轮的转子中装配用于容纳适配器的改变的凹槽，该适配器继而提供用于复合材料的替换叶片的腔体。
附图标记：
10 多级蒸汽涡轮
11 转子
12 叶片或翼型件
121 凹槽
13 静止喷嘴叶片
14 环形通道
221 新凹槽轮廓
222 指示根部段的虚线
320 适配器件
321 新内部凹槽轮廓
322 杉树型根部
323 固定销
420 金属适配器
421 腔体部分
422 根部段
42 叶片
423 用于固定螺栓的孔
424 保护层
425 翼型件主体
520 适配器
521 指示边界的虚线
522 复合材料根部和翼型件
524 (移除的)齿
524 (剩余的)齿。
具体实施方式
在下面的描述中使用用于低压(LP)蒸汽涡轮的末级转子叶片的示例来进一步详细描述本发明的示例的方面和细节。
参见图1，示出了通过用于轴向流动的常规多级蒸汽涡轮10的末级的上半部到旋转轴线的示意性垂直剖视图。涡轮包括通常由3.5% CrNiMoV钢制成的转子11。多个旋转的叶片或翼型件12附连到转子或焊接到转子的盘。每个叶片12具有根部段，在涡轮10的组装期间，该根部段开沟槽为与切入转子盘中的凹槽121匹配。蒸汽通过带有多个固定喷嘴叶片13的隔板进入末级。在离开末级之后，蒸汽进入环形通道14、扩散器，并通往冷凝器(未示出)。动叶片12通常由钢合金(例如12%Cr钢)或钛合金加工或锻造而成。就已知的涡轮而言，对于最大功率的蒸汽涡轮设计来说，末级旋转叶片12的径向长度通常在1m至1.5m的范围内。
在改型中，如图1的示例中所示的涡轮通常通过替换现有涡轮的部件来修理或升级。根据本发明的下述示例，旧转子11不被新转子替换，然而，旧的动叶片12被替换成至少部分地由纤维增强复合材料制成的叶片。
复合材料翼型件或叶片是已知的。它们可以例如使用已知的真空导入工艺来制造。在该工艺中，纤维织网被铺开在模具中，模具接近待制造的翼型件的形状。额外的纤维材料在翼型件的顶端处被添加到股线或织垫中。在将纤维材料添加到顶端处之后，在真空条件下在模具中用诸如树脂的基质材料来浸渍纤维材料。
可以使用诸如手工层压的其它已知的制造方法。也可应用诸如预浸料、湿铺层或树脂传递模塑的变型。用于制备复合材料的芯的已知方法的综述例如在国际专利申请WO 2011/039075中公开。然而，出于本发明的目的且为了清楚起见，这里不再重复这些标准方法的更多细节。
在图2的示例中，现有凹槽121经过再加工步骤，让新的凹槽轮廓221覆盖旧轮廓。这里，可以应用与用于原始几何形状的相同的技术和类似的工具，例如铣削或钻孔。在该示例中，新凹槽轮廓221为适用于许多复合型叶片或翼型件的简单的燕尾榫。虚线222表示这样的叶片的根部段。现有间隙和旧轮廓与该轮廓之间的腔体可用附加的适配器来封闭。备选地或另外地，留下的间隙可由成形部件封闭和/或由聚合物或复合材料填充。
可以看到有利的是，由诸如CFRP(碳纤维增强聚合物)、CMC(陶瓷基质复合材料)或MMC(金属基质复合材料)的短纤维增强合成材料来填充这些留下的间隙。
在图3的示例中，不改变旧转子-凹槽轮廓121。插入适配器件320，其具有与原始(金属)叶片相同的外部轮廓且因此以与旧叶片的根部段相同的方式装配。然而，适配器件320提供了新的内部轮廓321，这是为了容纳复合材料叶片翼型件。在该示例中，新的内部凹槽轮廓321适于匹配将由附加的销323固定的杉树型根部322。其它轮廓也是可能的，例如，直凹槽、阶梯状凹槽或燕尾形凹槽。在这些备选方案中的任一个中，复合材料都可以任选地用一个或更多螺栓来固定。
可以看作该实施例的优点的是，适配器件320能提供任何其它所需的轮廓以匹配复合型叶片或翼型件的给定根部。还可以看作本发明的重要优点的是提供适应现有凹槽的适配器和方法，使得在由复合材料制成的叶片的根部的任何部分之间的过渡发生在适配器的金属结构内。换言之，适配器包封叶片的复合材料根部段。
这样的适配器件可成形为包括径向伸出的外壁以形成腔体的至少一部分。金属根部适配器于是形成外包络以保护复合翼型件的根部段和下脚部段。这样的优点是，突出/外部金属区另外提供针对水滴侵蚀的更好保护。
本发明的该另外方面在图4的示例中具体示出。在该示例中，金属适配器420包括从原始凹槽121的顶部的表面径向向外伸出的腔体部分421。腔体的内部尺寸与纤维增强复合材料的叶片42的根部段422相匹配。叶片显示处于插入步骤。根部段422可使用粘结剂粘结或胶水固定在适配器420的腔体部分421内。备选地或除粘结剂粘结之外，根部段422可用螺栓(未示出)固定在适配器420的腔体部分421内，该螺栓插入孔423内并穿过腔体421的壁和叶片42的根部422。
理想地，适配器的外表面与任何保护层424的根侧端直接接触，保护层424包裹在叶片42的上部周围以保护纤维增强复合材料的翼型件主体425不受侵蚀。
根据本发明的又一示例在图5中示出。在图5A的示例中，同样假设原来适应杉树根部的现有凹槽121首先被加工以从原始的五个锚固齿或钩523、524的中间三个周围的区域移除材料525。该步骤可被看作类似于上文参见图2时示出的方法。然而，在图5的示例中，小心地仅从由现有凹槽周围的封闭轮廓限定的体积移除材料525。据信，保留尽可能多的现有转子主体能提高改型后的叶片的稳定性及其对离心力的抵抗。
从其中移除材料的体积的外部界限可由现有凹槽的几何形状限定。一种这样的可能限定是当由现有凹槽的最大宽度(对于杉树形根部来说在周向上)形成的边界(通常假设在凹槽的顶部处)伸出时所形成的体积，该边界或者作为如图5A中显示为虚线521的从中心等距的平行线，或者径向通过转子的中心。
该图在左半部示出了在从原始凹槽121移除包括齿的材料块525的阶段期间的示意性剖视图。该图剩余侧的另一半示出了在插入适配器520和翼型件的复合材料根部522之后的阶段的示意性剖视图。如此修改的凹槽121被适配器520填充，适配器520提供了用于复合材料的翼型件522的内端的腔体。翼型件522在该示例中显示为具有燕尾形端部。适配器520被原始凹槽的剩余齿524保持就位，剩余齿包括底部齿和顶部齿。
通过使现有底部凹槽基本上保持完好，支撑原始杉树根部的背衬和轴向锁定机构可再用于适配器并因此用于改装的复合纤维翼型件。
图5A的示例在图5B至图5D的另外的变型中示出，图5B至图5D使用相同标记表示与图5A所示相同或类似的元件。这些变型从左到右为四齿(图5B)和三齿(图5C)杉树凹槽。如在图5A中那样，这些图在左半部示出在从原始凹槽121移除材料525的阶段期间的示意性剖视图。这些图剩余侧的另一半示出了在插入适配器520和翼型件的复合材料根部522之后的阶段的示意性剖视图。
以上方法和所用适配器可以容易地改变以匹配如图5D中展示的不同根部几何形状。复合材料的根部522显示为双燕尾几何形状。然而，诸如带销根部的其它几何形状也可被容纳。
以上纯粹以举例方式描述了本发明，在本发明的范围内可以进行修改，包括例如对复合材料叶片的不同形状的根部的适应。本发明还在于本文所描述或暗示或附图中示出或暗示的任何单独的特征，或者任何这样的特征的任何组合，或者任何这样的特征或组合的任何一般化，这延伸到它们的等同物。因此，本发明的广度和范围不应受上述示例性实施例中的任一个限制。
包括附图在内的说明书中公开的每个特征可被起到相同、等同或类似作用的备选特征所代替，除非另有明确说明。
除非在本文中明确说明，整个说明书中对现有技术的任何讨论并未承认这样的现有技术是公知的或者形成本领域中的一般常识的一部分。

Claims (8)

1. 一种替换蒸汽涡轮的插入转子中的旋转金属叶片的方法，所述转子具有用于插入所述金属叶片的根部段的一个或更多现有凹槽，所述方法包括以下步骤：提供具有纤维增强复合材料的径向向内定向的根部段的替换叶片；改变所述转子中的所述一个或更多凹槽的形状以提供用于插入所述纤维增强复合材料的根部段的腔体；以及将所述替换叶片插入所述转子中。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一个或更多凹槽的形状通过将改变的凹槽轮廓加工到所述转子中和/或通过将适配器插入所述现有凹槽中而改变。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述一个或更多现有凹槽具有若干齿或钩，并且所述一个或更多现有凹槽的形状通过将改变的凹槽轮廓加工到所述转子中使得至少顶部齿和底部齿保持无显著改动而改变，并且所述适配器被钩到剩余的至少所述顶部齿和所述底部齿。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纤维增强复合材料的根部段延伸到所述转子中的所述改变的凹槽轮廓中和/或所述适配器中，使得所述端部段由至少一层金属与所述涡轮中的蒸汽分开。
5. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述叶片的根部段的纤维增强复合材料与所述金属之间的过渡发生在所述适配器的主体内。
6. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述纤维增强复合材料的根部段或者延伸到所述凹槽中或者所述适配器包括径向向外延伸超出所述转子的外径的腔体，所述纤维增强复合材料的端部段插入所述腔体中。
7. 一种用于替换蒸汽涡轮的插入转子中的旋转金属叶片的适配器，所述转子具有一个或更多现有凹槽以用替换叶片插入所述金属叶片的根部段，所述替换叶片具有纤维增强复合材料的径向向内定向的根部段，其中，所述适配器包括与用于将所述适配器固定到所述转子的所述现有凹槽的至少一部分匹配的至少一个部段以及用于容纳所述纤维增强复合材料的径向向内定向的根部段的至少一个腔体部分。
8. 根据权利要求7所述的适配器，其特征在于，与用于固定所述适配器的所述现有凹槽的至少一部分匹配的所述至少一个部段在被应用以将所述金属叶片的根部段固定到所述转子时与底部和顶部的钩或齿匹配。
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