用于大型蒸汽涡轮的改型方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。本专利技术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，本专利技术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。
技术实现思路
根据本专利技术的一方面，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。根据本专利技术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。在本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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专利技术的示例性实施例，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2示意性地示出了根据本专利技术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专利技术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专利技术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至图示意性地示出了根据本专利技术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。具体实施例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专利技术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Im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。根据本专利技术的下述示例，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溃纤维材料。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WO2011/039075中公开。然而，出于本专利技术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。可以看到有利的本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
2011.09.30 EP 11183509.61.一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/...

【专利技术属性】
技术研发人员：S库贝尔，R孔齐克，
申请(专利权)人：阿尔斯通技术有限公司，
类型：发明
国别省市：