專利名稱：燃?xì)廨啓C(jī)輪葉的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及渦輪機(jī)中所使用的翼面，更確地說，本發(fā)明涉及使用在燃?xì)廨啓C(jī)渦輪部分的固定導(dǎo)向葉片中的翼面。
燃?xì)廨啓C(jī)使用多個(gè)固定導(dǎo)向葉片，它們排列在燃?xì)廨啓C(jī)渦輪部分的圓周上，這類渦輪導(dǎo)向葉片暴露在燃燒部分中放出的高熱中、有時(shí)暴露在腐蝕并帶有微粒的氣體中，從而給導(dǎo)向葉片帶來許多問題，包括腐蝕、燒蝕以及由于溫度過高和熱應(yīng)力而發(fā)生斷裂。這些問題降低了導(dǎo)向葉片的使用壽命，從而增加運(yùn)行成本、降低汽輪機(jī)的利用率。
由于高熱氣體直接流入導(dǎo)向葉片翼面的前緣部分而造成很高的熱傳導(dǎo)系數(shù)，因此腐蝕、燒蝕和斷裂問題在前緣處常常最為嚴(yán)重。不幸的是，由于導(dǎo)向葉片一般采用整體式鑄造結(jié)構(gòu)，因此前緣部分的修復(fù)需要進(jìn)行困難而昂貴的焊接。
以往旨在提高導(dǎo)向葉片壽命的一種辦法是在翼面的前緣部分形成冷卻空氣通道，從而降低其溫度。不幸的是，從燃燒部分分流的這類冷卻空氣的使用降低了渦輪的熱力性能。以往使用的另一種辦法是用具有良好的耐高溫、防腐蝕、抗燒蝕性能的陶瓷材料制造導(dǎo)向葉片?？墒?，這類陶瓷材料易脆，且承受不了由于導(dǎo)向葉片各部分不均勻熱膨脹造成的很高的熱應(yīng)力，特別是在開機(jī)和關(guān)機(jī)時(shí)。
因此，本發(fā)明的總目的是提供一種燃?xì)廨啓C(jī)導(dǎo)向葉片，它的前緣部分容易修復(fù)，并可用陶瓷材料制成，但又不會(huì)因不均勻熱膨脹而造成很高的應(yīng)力。
簡(jiǎn)言之，本發(fā)明的這一目的和其它目的是在一種燃?xì)廨啓C(jī)中完成的，該燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪部分包括一轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸上裝有一排轉(zhuǎn)動(dòng)葉片，一排固定導(dǎo)向葉片排列在轉(zhuǎn)軸的一圓周上。每一導(dǎo)向葉片的特征在于一由前緣部分、后緣部分和位于前后緣部分之間的中間部分構(gòu)成的翼面以及把前緣部分滑動(dòng)地固定到中間部分之上的裝置，其中，導(dǎo)向葉片的進(jìn)一步特征是裝在翼面上的一遮板以及形成在前緣部分與該遮板之間的一徑向間隙。
通過下述結(jié)合附圖對(duì)僅作為舉例的優(yōu)選實(shí)施例的說明，本發(fā)明會(huì)更容易理解。


圖1為采用本發(fā)明固定導(dǎo)向葉片的燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒部分和渦輪部分的縱向剖面圖;
圖2為圖1所示導(dǎo)向葉片的立體圖;
圖3為圖2所示導(dǎo)向葉片的內(nèi)遮板部分的底面圖;
圖4為圖3中的Ⅳ向剖面圖;
圖5為圖2所示導(dǎo)向葉片的前緣部分的立體圖;
圖6為圖3和圖4所示前緣部分蓋板的主體圖;
圖7為圖4中的Ⅶ向剖面圖。
參看各附圖，圖1示出燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒部分1。美國(guó)專利No.4，991，391(Kosinski)表示出一種典型的燃?xì)廨啓C(jī)，因此本說明書全部以它為參考。燃燒部分1由內(nèi)殼4和外殼5構(gòu)成，內(nèi)外殼之間形成環(huán)室7。內(nèi)殼4圍住位于中心的轉(zhuǎn)子6。燃燒部分1還包括多個(gè)導(dǎo)管3，把溫度超過1200℃(2200°F)的高熱燃?xì)鈴娜紵?未畫出)引至渦輪部分2。
渦輪部分2包括支撐在外殼5上的葉片環(huán)12。葉片環(huán)12支撐著一排固定導(dǎo)向葉片16，使它們排列在轉(zhuǎn)子6的一圓周上。裝在轉(zhuǎn)子6的輪圈部分8上的一排轉(zhuǎn)動(dòng)葉片10位于該排導(dǎo)向葉片16的下游。來自壓縮機(jī)部分(未畫出)的壓縮空氣流經(jīng)環(huán)室7。雖然來自壓縮機(jī)部分的大部分壓縮空氣用來為燃燒室的燃燒提供空氣，但一部分壓縮空氣形成冷卻空氣19。冷卻空氣19從燃燒室分流而通過葉片環(huán)12的孔14流入導(dǎo)向葉片16。
如圖2所示，每一導(dǎo)向葉片16由內(nèi)遮板20、外遮板22和位于內(nèi)外遮板之間的翼面24構(gòu)成，也即，兩遮板裝在翼面的兩端。掛耳32和34伸出在外遮板之上，把導(dǎo)向葉片16固定在葉片環(huán)12上，如圖1所示。按照本發(fā)明，每一翼面24包括一裝在翼面主體之上的可折卸的上游前緣部分26。該翼面主體包括下游后緣部分28，該部分28與位于前后緣部分之間的中間部分27做成一體。
如圖5所示，翼面的前緣部分26為一具有流線型前部45的細(xì)長(zhǎng)部件。如圖7所示，前部45的表面的形狀做成與分別形成翼面24主體的吸力面和壓力面的外凸面和內(nèi)凹面54和56的圓滑連結(jié)。
如圖5所示，在前緣部分26的后面上伸出一突起44。在優(yōu)選實(shí)施例中，該突起44的截面大體為T形。T形截面最好由成角度、而非直線的各邊構(gòu)成，從而形成技術(shù)人員一般稱之為“燕尾”的形狀，如圖7所示。伸出在中間部分27前面上的突起形成與前緣部分突起44相配的相應(yīng)形狀的槽46，從而使突起44和槽46互相鎖住。
如圖7所示，當(dāng)突起44與槽46相配時(shí)，它們形成的互鎖接合使得前緣部分26在徑向上也即在與轉(zhuǎn)子6中心線垂直的方向上可相對(duì)于中間部分27自由移動(dòng)。但是，這一突起/槽接合使得前緣部分26無法在軸向和圓周方向上移動(dòng)，從而把前緣部分固定連接到導(dǎo)向葉片的其余部分之上。
這種前緣部分26可作徑向移動(dòng)的結(jié)構(gòu)使得前緣部分能沿中間部分27滑動(dòng)，從而導(dǎo)致本發(fā)明與現(xiàn)有導(dǎo)葉比較有兩大優(yōu)點(diǎn)。
第一，由于前緣部分26可獨(dú)立于翼面24的其余部分而大體自由地作徑向膨脹和收縮，因此消除了否則會(huì)因前緣部分26與中間部分27之間的不均勻熱膨脹而在翼面中造成的局部熱應(yīng)力。第二，如果與下面要進(jìn)一步說明的一種通過遮板之一插入前緣部分26的裝置相結(jié)合，這種徑向移動(dòng)結(jié)構(gòu)即可通過簡(jiǎn)單便捷地徑向滑出舊的前緣部分并徑向滑入新的前緣部分而把比方說腐蝕、燒結(jié)或斷裂的前緣部分更換掉，從而不必采用昂貴的焊接修復(fù)工作。
如圖4所示，內(nèi)遮板20上開有一開口43。該開口43的形狀與前緣部分26相同，但稍大，而且，開口43在徑向上與前緣部分26對(duì)齊，從而可把前緣部分插入開口而滑動(dòng)到中間部分27上。如圖3、4和6所示，蓋板36在安裝完前緣部分26后插到開口43上封住該開口。如圖4所示，蓋板36用焊珠46焊到內(nèi)遮板的內(nèi)表面上。若要更換前緣部分26，只須磨去焊珠46并除去蓋板36。
從圖6可看得最清楚，橫截面形狀與前緣部分相匹配的插頭44伸出在蓋板36之上，它抵靠住前緣部分的底面而使其沿著中間部分27正確就位。
如圖4進(jìn)一步所示，外遮板22內(nèi)表面上有一凹座50。與開口43一樣，該凹座50的形狀與前緣部分26相同，但稍大，且在徑向上與前緣部分對(duì)齊，這種結(jié)構(gòu)使得前緣部分26的頂部和底部分別座落在內(nèi)外遮板(22和22)中，從而在翼面鄰近內(nèi)外遮板的兩端形成光滑連續(xù)的流線型表面。按照前緣部分26所使用的材料和翼面其余部分所使用的材料以及它們的相對(duì)熱膨脹系數(shù)，最好在前緣部分的頂面與外遮板的凹座50之間留有徑向間隙52。該間隙52使前緣部分26可相對(duì)于中間部分27發(fā)生膨脹，而又不在內(nèi)外遮板之間造成咬合，從而吸收掉不均勻熱膨脹。
按照本發(fā)明，由于前緣部分26不與翼面主體制成一體，因此可用與翼面主體不同的材料制成。如下文進(jìn)一步討論的，這一特征與整體式翼面相比較有重大優(yōu)點(diǎn)，特別是在與前緣部分可徑向膨脹的上述結(jié)構(gòu)結(jié)合時(shí)。
在以往，通過把來自燃燒部分的冷卻空氣分流并使之流經(jīng)翼面的中間部分27和后緣部分28而冷卻中間和后緣部分。因此，如圖4和圖7所示，中間部分27和后緣部分28的內(nèi)部因分別具有冷卻空氣通道38和39而大體上是空心的。外遮板22上的開口40和41使冷卻空氣14從圖1所示的環(huán)室7流入通道38和39。圖2所示的徑向排列的孔30和31使一部分冷卻空氣分別從通道38和39流出而流到翼面24的壓力面56上。此外，通道48使一部分冷卻空氣14流過翼面24的后緣的最下游端。
但是，按照本發(fā)明，與中間部分和后緣部分不同，翼面24的前緣部分26可做成實(shí)心，也即沒有冷卻空氣通道，如圖4和圖7所示。由于在前緣部分26不使用冷卻空氣，因此避免了因使用這類附加冷卻空氣而造成的熱力性能的下降。這一改進(jìn)之所以可能，是因?yàn)樵趦?yōu)選實(shí)施例中，前緣部分26是用諸如氮化硅Si3N之類的陶瓷材料制成的。這類材料具有優(yōu)良的耐高溫性和抗腐蝕性，從而毋需冷卻空氣。而且，由于上述突起/槽的滑動(dòng)接合結(jié)構(gòu)消除了前緣部分26與翼面主體間的不均勻徑向膨脹，因此克服了易碎陶瓷材料無法吸收熱應(yīng)力的缺點(diǎn)，而這一缺點(diǎn)迄今一直限制著易碎陶瓷材料在燃?xì)廨啓C(jī)中導(dǎo)向葉片上的應(yīng)用。另外，前緣部分26也可用陶瓷加上金屬母體的合成材料制成。中間部分27和后緣部分28可用陶瓷材料或傳統(tǒng)上用于渦輪導(dǎo)向葉片的鈷或其它金屬合金制成，比方說耐鹽酸鎳基銅鋁合金。
雖然上面參照燃?xì)廨啓C(jī)中渦輪導(dǎo)向葉片的翼面部分對(duì)本發(fā)明作了說明，但本發(fā)明也可應(yīng)用于渦輪機(jī)的其它翼面中，例如燃?xì)廨啓C(jī)或汽輪機(jī)的壓縮機(jī)部分的固定導(dǎo)葉的翼面或燃?xì)廨啓C(jī)或汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)葉片的翼面。因此，只要不背離后附權(quán)利要求的精神或基本特征，本發(fā)明可以其它具體形式實(shí)現(xiàn)，并因而應(yīng)以指明本發(fā)明范圍的后附權(quán)利要求為準(zhǔn)，而不是以上述說明書為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種燃?xì)廨啓C(jī)，包括具有轉(zhuǎn)動(dòng)軸(6)的渦輪部分(2)，該轉(zhuǎn)動(dòng)軸上裝有一排轉(zhuǎn)動(dòng)葉片(100，以及圍繞所述軸(6)沿圓周排列的一排固定導(dǎo)向葉片(16)，每一個(gè)所述導(dǎo)向葉片(16)包括翼面部分(24)，其特征在于，所述翼面(24)包括前緣部分(36)、后緣部分(28)和位于所述前緣部分(26)和所述后緣部分(28)之間的中間部分(27)以及把所述前緣部分(26)滑動(dòng)地固定到所述中間部分(27)之上的裝置(44，46)；其中，所述導(dǎo)向葉片(16)的進(jìn)一步特征在于一裝在所述翼面(24)上的遮板(22)以及在所述前緣部分(26)與所述遮板(22)之間形成的一徑向間隙。
2.按權(quán)利要求1所述的燃?xì)廨啓C(jī)，其特征在于，所述滑動(dòng)固定裝置(44、46)進(jìn)一步的特征在于，該裝置使所述前緣部分(26)可相對(duì)所述中間部分(27)作徑向滑動(dòng)。
3.按權(quán)利要求1所述的燃?xì)廨啓C(jī)，其特征在于，所述滑動(dòng)固定裝置的進(jìn)一步特征在于第一互鎖件(44)和第二互鎖件(46)分別突出在所述前緣部分(26)和中間部分(27)上。
4.按權(quán)利要求3所述的燃?xì)廨啓C(jī)，其特征在于，所述互鎖件之一形成一徑向伸展槽(46)。
5.按權(quán)利要求4所述的燃?xì)廨啓C(jī)，其特征在于，所述槽(46)有一大體為T形的截面。
6.按權(quán)利要求1所述的燃?xì)廨啓C(jī)，其中，所述滑動(dòng)固定裝置的特征在于一形成在所述前緣部分(26)與所述中間部分(27)之間的燕尾形接合(44、46)。
7.按權(quán)利要求1所述的燃?xì)廨啓C(jī)，其特征在于，所述前緣部分(26)由陶瓷材料制成。
8.按權(quán)利要求7所述的燃?xì)廨啓C(jī)，其特征在于，所述中間部分(27)由金屬材料制成。
9.按權(quán)利要求7所述的燃?xì)廨啓C(jī)，其特征在于，所述前緣部分(26)由以金屬作母體的陶瓷材料制成。
全文摘要
一種燃?xì)廨啓C(jī)渦輪部分的導(dǎo)向葉片，它包括由前緣部分、中間部分和后緣部分組成的翼面部分。前緣部分以燕尾接合裝到中間部分上，從而使前緣部分可相對(duì)中間部分在徑向上滑動(dòng)，但卻無法作軸向移動(dòng)和圓周方向上移動(dòng)，從而消除由于前緣部分與導(dǎo)葉其余部分之間的不均勻熱膨脹而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。通常用一蓋板密封的導(dǎo)葉內(nèi)遮板上的一開口使得前緣部分損壞時(shí)很容易加以更換。前緣部分可用陶瓷材料制成，并且毋需供應(yīng)冷卻空氣。
文檔編號(hào)F01D9/02GK1107934SQ9411761
公開日1995年9月6日 申請(qǐng)日期1994年10月27日 優(yōu)先權(quán)日1993年10月27日
發(fā)明者巴頓·M·彼波曼, 安多·J·艾波 申請(qǐng)人:西屋電氣公司