专利名称：用于蒸汽涡轮的焊接喷嘴组件和组装方法
技术领域：
本发明涉及一种用于蒸汽涡轮的喷嘴组件，特别涉及一种用于改进蒸汽流道的焊接喷嘴组件和装配该喷嘴的方法。
背景技术：
蒸汽涡轮通常包括将蒸汽流导入连接到转子上的动叶中的静态喷嘴部分。在蒸汽涡轮中，包括翼面或叶片结构的喷嘴通常被称为隔板级(diaphragm stage)。传统隔板级主要是利用以下两种方法中的一种构造。第一种方法利用带/环结构，其中翼面首先被焊接在内和外带之间，延伸约180°。然后将那些具有焊接翼面的弧形带进行组装，即焊接到涡轮定子的内外环之间。第二种方法通常由在界面处采用角焊的方式直接焊接到内外环上的翼面组成。后一种方法通常用于可以形成焊接入口的较大翼面。
利用组件的带/环方法存在固有的局限。带/环组件方法中的主要局限是流道(即在相邻的叶片和蒸汽通道侧壁之间)的固有焊接变形。用于这些组件的焊接是大尺寸和高热输入的。也就是说，焊接需要利用大量金属填料的高热输入。或者，焊接是无填充金属的深电子束焊接。该材料或热输入导致流道变形，例如，材料收缩导致翼面弯出它们在流道中的设计形状。在许多情况下，翼面需要在焊接和释放应力后进行调节。这种蒸汽通道变形的结果是减小定子效率。内和外带的表面轮廓也会由于将喷嘴焊接到定子组件中、进一步导致不规则的流道而改变。喷嘴和带因此通常是弯曲和变形的。这需要对喷嘴构造进行大幅修整，以使其符合设计准则。在许多情况下，喷嘴组件的整个构造成本的大约30％产生于喷嘴组件的变形中，在焊接和释放应力之后，恢复到其设计构造。
而且，利用焊接到环中的单个喷嘴结构的装配方法不具有规定的焊接深度，在内和外环上缺乏组件对齐特征，且在焊缝开裂的情况下缺乏保持特征。而且，目前的喷嘴组件和设计在喷嘴尺寸之间不具有可重复固定加工的通用特征。也就是说，对于机器控制工具参考而言，该喷组组件不具有通用于所有喷嘴尺寸的特征，在不具有该特征的情况下，各喷嘴组件尺寸需要特定安装、预处理和特定工具，进而增加成本。因此，这表明定子喷嘴需要一种改进的蒸汽流道，其包括低输入热焊接，以最小化或消除由焊接法引起的蒸汽通道变形结果，并通过加入有助于定子中的喷嘴组件的组装程序、加工固定、实现对齐的特征来提高产量和循环成本，并建立在焊缝开裂情况下防止喷嘴组件向下游运动的机械锁。
发明内容
在一个优选的实施例中，提供了一种用于涡轮的喷嘴组件，包括至少一个喷嘴叶片，其具有内和外侧壁，且在组装在涡轮中之后部分地限定流道；外环和内环；该外环具有下述(i)或(ii)之一，其中(i)被一对径向向外延伸的凹槽跨骑的凸缘突起，(ii)被一对径向向内延伸的凸缘突起跨骑的凹槽；该外侧壁具有下述(i)或(ii)中的另一个，其中(i)被一对径向向外延伸的凸缘突起跨骑的凹槽，(ii)被一对径向向内延伸的、能在外环和外侧壁之间并且逆着相对轴向运动互锁配合的凹槽跨骑的凸缘突起；该外环和外侧壁焊接到彼此上，且内环和内侧壁焊接到彼此上。
在另一个优选的实施例中，提供了一种用于涡轮的喷嘴组件，包括至少一个喷嘴叶片，其具有内和外侧壁，且在组装在涡轮中之后部分地限定流道；外环和内环；该内环具有下述(i)或(ii)之一，其中(i)被一对径向向内延伸的凹槽跨骑的凸缘突起，(ii)被一对径向向外延伸的凸缘突起跨骑的凹槽；该内侧壁具有下述(i)或(ii)中的另一个，其中(i)被一对径向向内延伸的凸缘突起跨骑的凹槽，(ii)被一对径向向外延伸的、能在内环和内侧壁之间并且逆着相对轴向运动互锁配合的凹槽跨骑的凸缘突起；该外环和外侧壁焊接到彼此上，且内环和内侧壁焊接到彼此上。
图1是示出了通过现有技术的蒸汽涡轮喷嘴的隔板级的横截面的示意线条图；图2是根据本发明的一个优选实施例的包括喷嘴组件和焊接特征的蒸汽涡轮级的线条图；图3是单个喷嘴组件的透视图；图4是图3的单个喷嘴组件位于定子的内和外环之间的示意图；图5和6是包括对齐和参考特征的单个喷嘴的放大透视图；和图7和8示出了喷嘴组件的局部透视图，其示出了对齐和参考特征的另一实施例。
具体实施例方式
参见图1，示出了一种总体上标记为10的、现有技术的喷嘴组件。组件10包括多个分别焊接在内和外带14和16之间的相对端上、周向间隔的翼面或叶片12。内和外带分别焊接在内和外环18和20之间。还示出了多个安装在转子24上的动叶(bucket)22。应当理解，喷嘴组件10和动叶22一起形成蒸汽涡轮的一个级。
仍然参见图1，翼面12分别单独地焊接在内和外带14和16中的、形状大体上相应的孔中，未示出。内和外带14和16通常延伸成两段，每段约为180度。在翼面焊接在内和外带之间后，然后利用非常高的热输入和深焊接将该预装组件焊接在内和外环18和20之间。例如，借助于利用大量金属填料和需要非常深的电子束焊接的焊缝26将内带14焊接到内环18上。此外，内带和内环之间的焊缝的后部，即下游侧，需要另一高热输入的焊缝28。类似地，需要利用包括大量金属填料和非常深的电子束焊接的高热输入焊缝30、32在如图所示的相对轴向位置上将外带16间接到外环20上。因此，当翼面12起先焊接到内和外带14、16，并随后焊接到内和外环18和20上时，那些大的焊缝由于高热输入和金属材料的收缩而导致流道的大幅度变形，且这会导致翼面从它们的设计构造的变形。而且，内和外带14、16可在形状上变得不规则、不同于它们的设计形状，进而使流道变形。因此，在焊接和释放应力之后，喷嘴组件必须重整回到它们的设计构造，如前所述，这会引起整个喷嘴组件构造成本的25-30％。最后，如果利用EBW(电子束焊接)，则其完全可以用于一致地从一个方向进行焊接直到相对侧(大约4英寸厚)。
目前还有单件型喷嘴组件，其不具有确定的焊缝深度，因此采用了变化的焊缝深度，以在内和外环之间将单件焊接到喷嘴组件中。也就是说，由于喷嘴单件侧壁和环之间的间隙不是一致的，所以焊缝深度可以变化。当间隙由于加工公差而变大时，焊缝深度和性质变化。致密的焊缝间隙会产生一个比希望值短的焊缝。越大的焊缝间隙会使焊缝或束线越深，并会导致在焊缝中形成不希望的空隙。目前的单件喷嘴设计还在界面处利用焊接预加工，且这需要利用一种不希望的更高的热输入填料焊接工艺。
现在参见图2和3，示出了根据本发明的喷嘴组件的一个优选实施例，其利用了一个单件，即单个采用低热输入焊接直接焊接到内和外环上的侧壁的翼面，其由于在喷嘴组件和内外簧之间的界面处的机械锁以及对齐特征而具有提高可靠性和减少危险的机械特征。特别地，该优选实施例中的喷组组件包括总体上标记为40的、整体地形成的单件预装组件。各预装组件40分别包括位于内和外侧壁44和46之间的单个翼面或叶片42，该叶片和侧壁由近精密锻造或一块材料加工而成。如图所示，内侧壁44包括被径向向内突出的凸缘台阶或法兰50和52沿内侧壁44的前缘和后缘包围或跨骑的凹槽48。或者，内侧壁44可构造为设置由靠近内侧壁的前缘和后缘处径向向外延伸的凹槽包围的中心凸起。同样地，如图所示，外侧壁46包括被一对在靠近外侧壁46的前缘和后缘处径向向外延伸的凸缘台阶或法兰56、58包围或跨骑的凹槽54。或者，外侧壁46可具有由径向向内延伸的凹槽沿外侧壁的前缘和后缘包围的中心凸起。
然后利用低热输入型焊接将喷嘴单件40分别在内和外环60和62之间组装。例如，低热输入型焊接利用对焊界面，优选地利用浅电子束焊接或线激光焊或浅溶渣TIG或A-TIG焊接方法。通过利用这些焊接方法和这些类型的焊缝，可以将焊缝限制在侧壁和靠近侧壁台阶的环之间的区域上，或者如果该构造在界面处与图2所示的方式相反，则可以将焊缝限制在内和外环的台阶区域内。因此，只在短的轴向距离上进行焊接，优选地沿侧壁的相对的轴向端不超过台阶的轴向程度。特别地，小于内和外侧壁的轴向间距跨度的1/2被用于在内和外环之间焊接单件喷嘴。例如，通过在轴向上从界面的前缘和后缘侧、在侧壁和环之间利用电子束焊接，侧壁和环结合处的焊缝的轴向程度小于轴向界面的程度的1/2。如前所述，如果利用EBW焊接，焊缝可以延伸通过侧壁和环的配准的整个轴向程度。
图4最好地示出了组装方法，其中所示的组装过程包括当环和单件处于水平方向上时，将单件40置于内和外环60、62之间。因此，通过相对于固定的电子束焊机周向地旋转该组件，或者反之亦然，然后颠倒该组件并从相反的轴向完成焊接，于是喷嘴组件便以周向排列的方式焊接到内和外环上，没有高热输入或利用填料。
如图2中清楚地所示，在单件40、50、52、56、58和环60、62之间还存在机械界面。该界面包括与互补部件的凹槽配合的台阶或法兰。该台阶和凹槽构造用于控制焊缝深度并使其在生产期间在喷嘴单件之间确定和一致。这种互锁还用于使喷嘴单件在内和外环之间轴向对齐。该互锁在喷组单件在内和外环之间的组装和焊接期间将喷嘴保持在适当位置上。也就是说，喷嘴单件可靠近彼此并在内外环之间紧密地封装，同时保持被环约束。而且，在蒸汽涡轮运行期间在焊缝开裂的情况下，该机械互锁将单件保持在轴向适当位置上，即防止单件向下游移动与转子接触。
特别参见图5、6和7，其进一步示出了增加到单件设计上、在其经受磨铣加工处理时，有助于固定喷嘴单件的特征。这些特征被增加到喷嘴单件设计上，以给出一致的界面以加工单件供给装置。例如，图5中，这些特征之一包括侧壁顶部或底部上的肋或导轨70。图7中所示的另一个固定特征包括沿外侧壁46向前延伸的肋72。应当理解，肋72可沿内侧壁44设置，且在两种情况下都可设置为靠近那些侧壁的后表面。图6中，平面74可设置在外侧壁的外表面上，以及平面76设置在内侧壁的外表面上。那些平面74和76用作加工数据，以在加工过程中有利于固定。目前的设计具有一个加工更复杂、成本更高且在部件加工时难以固定的径向表面。
图8中，一对孔可设置在向前或向后外侧壁上或设置在向前或向后内侧壁上。这些孔可借助于多个喷嘴设计和尺寸之间的加工中心一致地形成，以出于加工目的促进固定。因此，通过增加这些特征，为加工供给装置设置一个一致的界面，其用以减少单件加工的工件、预处理和加工循环。这些固定特征满足提供参考点的需求，使得数控加工工具可标识出通用于所有喷嘴的特征的位置。例如，图8中所示的两个孔78在一个固定上设置了两个点，且建立了两个平面，其在加工期间控制喷嘴的整个位置，使得加工可形成整体喷嘴单件的任何尺寸。
应当理解，各喷嘴单件上的固定物可保持在单件上或从单件上拆除。例如，图5中所示的喷嘴单件的肋70可容纳在形成在相应内和外环中的互补的槽中。图7中，优选的是，在形成单件之后切除了组件特征72。还应当理解，图6中在组装期间，平面不必沿内和外环精确地具有弧形表面。优选地只沿单件的前缘和后缘进行焊接，即，沿着台阶或法兰50、52、56和58和内外环进行焊接。因此，在台阶或法兰与环的径向内表面之间的轴向空间可以不焊接或没有填料，那些面可以或不可以彼此接触。
虽然本发明结合一些被认为最有用和最优选的实施例进行了描述，但是应当理解，本发明并不局限于所公开的实施例，而是相反，旨在覆盖各种包括在所附权利要求的精神和范围内的修改和等效装置。
权利要求
1.用于涡轮的喷嘴组件(40)，包括至少一个喷嘴叶片(42)，其具有内和外侧壁(44，46)，在组装在涡轮中之后部分地限定流道；外环(62)和内环(60)；所述外环具有下述之一(i)被一对径向向外延伸的凹槽跨骑的凸缘突起，或(ii)被一对径向向内延伸的凸缘突起跨骑的凹槽；所述外侧壁具有下述之一(i)被一对径向向外延伸的凸缘突起(56，58)跨骑的凹槽(54)，或(ii)被一对径向向内延伸的、能在所述外环(62)和所述外侧壁(46)之间并且逆着相对轴向运动互锁配合的凹槽跨骑的凸缘突起；所述外环(62)和所述外侧壁(46)焊接到彼此上，且所述内环(60)和所述内侧壁(44)焊接到彼此上。
2.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其中所述外侧壁(46)和外环(62)之间的焊缝的轴向程度小于外环和外侧壁之间的配准的轴向程度的1/2。
3.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其中所述一对凸缘突起(56，58)之一和所述一对彼此互锁的凹槽之一沿外环(62)和外侧壁(46)的上游部分布置，并且在不添加焊接填充材料的情况下焊接到彼此上。
4.根据权利要求3所述的喷嘴组件，其中所述一个凸缘突起和所述一个凹槽之间的焊缝被轴向限制为大约是所述一个凸缘突起和所述一个凹槽的轴向程度。
5.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其中所述一对凸缘突起(56，58)之一和所述一对彼此互锁的凹槽之一沿外环(62)和外侧壁(46)的下游部分布置，并且在不添加填充材料的情况下焊接到彼此上。
6.根据权利要求5所述的喷嘴组件，其中所述一个凸缘突起和所述一个凹槽之间的焊缝的轴向程度被限制为大约是所述一个凸缘突起和所述一个凹槽之间的配合的轴向程度。
7.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其中所述一对凸缘突起(56，58)，位于所述外侧壁(46)上、靠近外侧壁(46)相应的上游和下游部分、且通常径向向外突出，位于所述外环上的所述凹槽容纳所述外侧壁的凸缘突起(56，58)，在外侧壁的凸缘突起和外环的凹槽的配合表面之间仅局部地充分施加所述焊缝。
8.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其中所述内环(60)具有下述之一(i)被一对径向向外延伸的凸缘突起跨骑的凹槽，或(ii)被一对径向向内延伸的凹槽跨骑的凸缘突起；所述内侧壁(44)具有下述(i)或(ii)中的另一个，其中(i)被一对径向向内延伸的凸缘突起(50，52)跨骑的凹槽(48)，(ii)被一对径向向内延伸的凹槽跨骑的凸缘突起，所述内环(60)和所述内侧壁(44)焊接到彼此上。
9.根据权利要求8所述的喷嘴组件，其中所述一对凸缘突起(50，52)之一和所述一对彼此互锁的凹槽之一沿内环(60)和内侧壁(44)的上游部分布置，并且焊接到彼此上。
10.根据权利要求8所述的喷嘴组件，其中所述内侧壁(44)和内环(60)之间的焊缝的轴向程度小于内侧壁和内环之间的配准的轴向程度的1/3。
全文摘要
用于蒸汽涡轮的焊接喷嘴组件和组装方法，提供了一种在内和外侧壁(44，46)之间具有叶片或翼面(42)的蒸汽涡轮喷嘴单件(40)。该侧壁包括容纳在环中互补的凹槽中的台阶或法兰(56，58)，可以轴向缩短低热输入焊缝，例如电子束焊缝。这些互补的台阶和凹槽机械地将单件互锁在环之间，防止在焊缝开裂的情况下单件发生移动。该低热输入焊缝最小化或消除了喷嘴流道的变形。单件上的其它特征为铣削机提供一数据，以形成不同尺寸的单件。
文档编号B23K33/00GK101033694SQ200710084248
公开日2007年9月12日 申请日期2007年1月12日 优先权日2006年1月13日
发明者S·S·伯德吉克, T·W·克拉尔, T·P·鲁索 申请人:通用电气公司