专利名称：定子垫片焊接的制作方法
定子垫片焊接技术领域流的定子轮叶。更特定地，本发明涉及用于通过将垫片焊接到定子轮 叶的基部增加定子轮叶结构的可靠性的方法。
背景技术：
常规的燃气涡轮机一般地基于这样的原理运行，即在压缩机内压 缩空气且然后将压缩的空气输送到燃烧室内，在燃烧室内将燃料添加 到空气且点燃。然后，将作为结果的燃烧混合物输送到发动机的涡轮 机部分，在此由燃烧过程生成的能量的部分由涡轮机获取以通过轴驱 动压缩才几。在多极压缩机部分中，定子放置在压缩机部分的入口和出口处以 及在每个压缩机级之间，以用于正确地将空气流引导到每个相继的压 缩机级的目的。作为结果，定子可以通过适当地影响压縮机部分内的 空气流动和压力而提高发动机性能。定子 一 般地包括翼片或轮叶的环形阵列。定子典型地形成在段 内，作为包括由基部支承的一个或多个翼片的定子轮叶单元。这些定 子轮叶单元然后单独地安装到压缩机壳体以形成环形阵列，使得翼片 在邻近的级对之间径向突出。在工业燃气涡轮压缩机中，定子轮叶在启动停止循环期间装载和 卸载。另外，在运行期间轮叶受到小的压力波动。这些导致轮叶基部 和其中组装了轮叶的壳体之间的相对运动。相对运动导致轮叶基部和 壳体的磨损，这又导致松弛的轮叶。松弛的轮叶变得更加容易相对运 动且开始颤振。轮叶和壳体的昂贵的修理或更换不解决磨损和颤振问题；它仅简单地重新开始该过程。修理和/或替换轮叶和壳体是昂贵 的。类似的问题存在于保持了多个定子轮叶单元的定子环段之间，定 子环段安装在压缩机壳体的狭槽内。图1图示了压缩机部分10，图中示出了压缩机的打开的壳体15 的部分，示出了五个典型的定子4仑叶单元25的级(行)20a至2 0e。在示出的实施例中，壳体部分15是半圆形的。壳体15具有安装表面 30,安装表面30可以使用延伸通过多个孔35的紧固件而固定到另一 个壳体部分上相应的安装表面上。对于完整的压缩机，半圆形的壳体 部分的两个将绕转子(未示出)配合在一起。每个定子轮叶单元25具有从基部45向上且径向向内向压缩机转 子轴(未示出)延伸的翼片轮叶40。翼片轮叶40，即定子轮叶插入 在转子叶片(未示出)之间。压缩机的某些定子级可以将定子轮叶单 元直接安装在壳体内的狭槽内。其他定子级将定子轮叶单元安装在环 段内，环段然后安装在壳体的狭槽内。将更详细地描述两个类型的安 装。图2图示了单独的定子轮叶单元。翼片轮叶40从基部45垂直地 延伸。基部45具有两个相对的保持面50。基部45具有一对突出物55, 保持面的每个上一个。突出物55将由壳体的狭槽内的相应地成形沟 槽接收。沟槽将定子轮叶单元25在壳体的狭槽内保持到位。基部45 的其他两个相对的面是接合面60。当定子轮叶单元安装在壳体狭槽内 时，基部45的接合面60邻靠邻近的定子轮叶单元的基部45。图3图示了壳体的放大的侧视图，图中示出了其中单独的定子轮 叶单元组装在压縮机壳体的狭槽内的级。对于此安装类型，多个定子 轮叶单元组装在壳体内以形成定子轮叶级。壳体15具有多个狭槽70 以用于接收定子轮叶单元25。狭槽70具有一对侧边缘75,侧边缘75 每个具有沟槽或燕尾形凹陷80。正方形基部燕尾槽80将轮叶单元25 保持到位。每个轮叶单元25被允许滑动到位，使得基部45接收在狭 槽70内且突出物55接收在沟槽80内。壳体15在此示出的特定的实 施例中具有位于级下方的且由狭槽70和定子轮叶单元25所形成的空 气抽取腔85。虽然示出了用于翼片单元25的正方形基部45,但应认 识到的是，基于翼片的个数、尺寸和形状，其他形状可能是希望的。 例如，基部45可以具有矩形形状或平行四边形形状。用于单独的级的定子轮叶单元25相继地放置在壳体15的狭槽70 内，直至狭槽的完全周向走向已填充以指定个数的定子轮叶单元。定子轮叶的其他级可以使用环段组件接附到壳体。环段组件包括 环段和定子轮叶单元。环段保持了多个定子轮叶单元。在环段已装载 有定子轮叶单元后，环段滑动到涡轮机壳体内的周向狭槽内且相互邻靠以相继地填充轴向狭槽。较大的且其上受到较大力的叶片可以使用 此轮叶和环段组件组装以提供更刚硬的基部安装件。图4图示了从壳体15滑动出且离开壳体15的环段组件85。环段 90接收了多个定子轮叶单元25。定子轮叶单元25的基部45滑动(以 一般地相对于压缩机的轴向方向)到环段90内。定子轮叶单元25的 基部45包括燕尾榫95,它配合到环段90内相应的燕尾形狭槽100内 且由它保持。环段90滑动到壳体15的周向狭槽70内。当环段90处于狭槽70 内时，环段90的侧壁105轴向地由狭槽70的侧壁110支承。环段90 的正方形基部燕尾榫115配合在周向狭槽70的沟槽120内，因此将 环段90保持在周向狹槽70内。环段90相继地放置在壳体15的狭槽 70内，直至狭槽70填充以希望个数的环段组件。在最后的轮叶单元已安装在壳体狭槽内或最后的环段已插入后， 剩下的未填充狭槽空间的任何周向间隙应填充以垫片来维持设计配 合。垫片将轮叶单元或环段的基部分开，使得最后安装的接合面处于 与壳体的边缘140的可允许空隙内。不能維持设计将导致部件的振动 和过分磨损，从而可能引起运行期间的故障。至少一个垫片可以放置 在定子轮叶单元之间的，或环段之间的最后的和次最后空间之间，或 可以放置在多个定子轮叶单元之间，或多个环段之间。图2进一步示出了在两个定子轮叶单元25之间分开的垫片130。 插入在定子轮叶单元25的接合面60之间的垫片130 —般地符合定子 轮叶单元25的基部45的接合面的形状成形。垫片包括接合(图3) 壳体15的狭槽70的沟槽80的突出部135，因此帮助将垫片130保持 在狭槽70内。垫片可以类似地使用，以在环段之间封闭间隙，对于 使用段环的那些级，将定子轮叶单元在壳体狹槽(未示出)内保持到 位。在现有技术中，随轮叶单元和垫片因为翼片上的空气动力学力的 移动，突出部135被磨损掉且垫片150可以突出到流动路径内，如在截面视图。在此，因为在定子轮叶单元25的基部45之间的间隙145 内插入一个或多个垫片，定子轮叶单元的基部45的接合面60完全地 延伸到壳体15的边缘140。突出的垫片150示出为在基部之间部分突出出间隙145。突出的垫片可以导致旋转叶片激励和流动阻塞。另外， 垫片可以完全出离壳体15内的狭槽70，且进入到空气流内且导致下 游叶片和轮叶上的叶片异物损伤(FOD)。图6图示了从两个定子轮叶单元25的基部45之间的间隙145突 出的两个垫片150。已试图以不同方式将垫片固定到位以克服此问题。 图7图示了用于使用驱动销来保持垫片在定子轮叶单元上到位的现有 方法。在此过程中，孔125必须钻通垫片130且到定子轮叶单元25 的基部45的接合面60上的至少一个位置内。每个定子轮叶单元类型 具有必须钻孔的不同位置。方法也要求添加的硬件驱动销。Anderson 等人(美国专利6,984,108 )解决了用于燃气涡轮机压缩机内的定子 轮叶的垫片的问题。Anderson等人试图通过定位在定子轮叶的邻近基 部之间的 一 系列榫4丁件来防止垫片到涡轮机流动流内的再定位或释 放。榫钉件装配到定子轮叶的相邻基部部分中的凹进内。榫钉件被弹 簧加载且行进通过垫片中心内的孔，因此将垫片维持到位。然而，弹 簧加载的榫钉件使得带有故障潜在性的复杂性。简单方法的需要。方法应优选地是简单的且最小化对附加硬件的要 求。发明内容本发明涉及用于在燃气涡轮机压缩机内将垫片保持到位的方法，段之间保持到位的方法。简要地，根据本发明的一个方面，提供了用于燃气涡轮机的定子轮叶单元。每个定子轮叶单元包括基部。基部合并了一对当定子轮叶单元安装在壳体内时相对于燃气涡轮机的壳体周向定位的接合表面，和一对当定子轮叶单元安装在壳体内时相对于燃气涡轮机的壳体轴向定位的相对保持表面。定子轮叶单元也包括从基部突出的翼片轮叶和焊接到基部的一个接合面的垫片。垫片包括定尺寸为当安装在绕压缩机的壳体周边的狭槽内时维持 定子轮叶单元的紧密性的厚度尺寸。垫片限定了完全穿透垫片的厚度尺寸到基部的接合面的孔。垫片可以通过孔焊接到基部的接合表面。孔可以构造为法向于基部的接合面的直圆柱形腔。替代地，孔可以构 造为法向于基部的周向表面的卵形腔，其中卵形包括在每端上以半球 形部分封闭的矩形中心部分。垫片可以进一 步包括至少 一个从每个保 持面突出的突出部，以与压缩机壳体的狭槽内的相应的沟槽匹配。根据本发明的第二方面，提供了用于燃气涡轮机的环组件。环段 组件包括环段、多个定子轮叶单元和焊接到环段的至少一个接合面的 垫片。环段包括一对当环段安装在壳体内时相对于燃气涡轮机的壳体 周向定位的接合表面，和一对当环段安装在壳体内时相对于燃气涡轮 机的壳体轴向定位的相对保持表面。垫片包括定尺寸为当安装在绕压缩机的壳体周边的狭槽内时维持 环段紧密性的厚度尺寸。垫片限定了完全穿透垫片的厚度尺寸到环段 的接合面的孔。垫片可以通过孔焊接到环段的接合表面。孔可以构造 为法向于基部的接合面的直圆柱形腔。替代地，孔可以构造为法向于 环段的接合面的卵形腔，其中卵形包括在每端上以半球形部分封闭的 矩形中心部分。垫片可以进一步包括至少一个从每个保持面突出的突 出部，以与燃气涡轮机壳体的狭槽内的相应的沟槽匹配。根据本发明的进一 步的方面，提供了用于将垫片接附到定子轮叶单元的基部和环段组件的环段的至少一个的方法。方法包括提供成的包:预先确定的厚度尺^"垫片；、i向于垫片的面且完全延伸通过 垫片的厚度尺寸钻孔至少一个孔；将垫片定位在定子轮叶单元的基部 和段环组件的段环的至少一个的接合面上；且将垫片焊接到定子轮叶 单元的基部和定子环组件的环段的至少一个的接合面上。提供至少一个钻孔的孔的步骤包括法向于垫片的面钻孔。提供垫 片的预先确定的厚度的步骤包括从一组具有预先确定的厚度的垫片中 选择具有预先确定厚度的垫片。选择具有预先确定的厚度的垫片的步 骤进一步包括考虑到封闭当安装设计个数的定子轮叶单元或设计个数 的环段时剩余的周向间隙来选择预先确定的厚度。提供至少 一个钻孔的孔的步骤包括一般地相对于垫片的面在中心 钻孔，且可以包括钻孔一般地圆形的孔。替代地，钻孔可以产生一般 地卵形的孔，其中卵形包括矩形的中心部分，矩形中心的每侧具有半 圆形部分。焊接垫片的步骤进一步包括通过在垫片内钻孔的孔填充焊接垫片 到定子轮叶单元和段环的至少一个。
在参考附图阅读如下详细描述时将更好地理解本发明的这些和其 他特征、方面和优点，全部附图中类似的符号代表类似的零件，各图为图1图示了包括打开的压缩机壳体的部分的压缩机部分，图中示 出了五个典型的定子轮叶单元级；图2图示了单独的定子轮叶单元；图3图示了组装在涡轮机壳体的狭槽内的定子轮叶单元； 图4图示了从涡轮机壳体狭槽滑动出的环段组件； 图5图示了带有在定子轮叶单元之间突出的垫片的压缩机壳体的 截面视图；图6图示了在压缩机壳体狭槽内的定子轮叶单元之间突出的垫片；图7图示了用于将垫片以驱动销在定子轮叶单元上保持到位的现有方法；图8A图示了带有圆形孔的典型垫片； 图8B图示了带有卵形孔的典型垫片； 图9图示了焊接到定子轮叶单元的垫片； 图10图示了焊接到环段组件的垫片。
具体实施方式
本发明的如下实施例具有许多优点，包括将垫片直接接附到定子 轮叶单元和环段的接合表面以排除在设备运行期间垫片脱离而突出到气体流内或异物损伤。现有技术方法提供了可以通过驱动销保持到位的垫片，驱动销将垫片固定到定子轮叶单元或段环的接合面。弹簧加载的榫钉可用于配 合在邻近的定子轮叶单元或段环的接合面内的孔内，且延伸通过插入 在邻近的接合面之间的垫片内的孔。这些用于保持垫片的方法要求附 加的件(驱动销或弹簧加载的榫钉)。这些方法也导致安装的更大的复杂性，特别是如果榫钉安装在许多或全部相邻定子轮叶单元或段环 之间。接合面之间或段环的接合面之间的垫片的确定捕获的方法是将垫片直 接焊接到接合面的一个。图8A图示了限定了圓形孔21(3的典型的垫片200。垫片200制造 为包括突出部230且一般地符合定子轮叶单元(未示出)的基部的接 合面的表面220的形状。圆形孔210在垫片200的^矣合表面220上的 中心240。圓形孔完全延伸通过垫片的厚度尺寸250。孔的直径可以 在大约1/4英寸到大约1/2英寸之间变化。图8B图示了限定了卵形孔310的典型的垫片300。垫片300制造 为具有包括突出部330 —般地符合定子轮叶单元(未示出)的基部的 接合面的表面32G的形状。卵形的孔310定位340在垫片的接合表面 320上。卵形孔310完全地延伸通过垫片的厚度尺寸350。卵形形状 可以包括矩形形状的中心部分360，使得矩形形状的中心的每侧具有 半圆形部分370。卵形形状的孔可以定尺寸为大约1/4英寸到大约1/2 英寸之间。垫片定位在它所焊接到其上的定子轮叶单元或环段的接合表面一般必须小心以正确地将垫片的接合^面与它所焊^妻到的基部或环段的 接合面对齐。垫片超过它所焊接到的表面的接合表面的任何交迭可能 干扰组合的零件滑动通过壳体内的狭槽的能力。图9图示了使用根据本发明的方法的通过圆形孔210填充焊接280 焊接到定子轮叶单元25的垫片200。图10图示了以根据本发明的方 法的通过卵形孔310填充焊接380焊接到环段90的垫片300。然而， 任一形状的腔可以用于接附到定子轮叶单元和环段组件。进一步地， 虽然描述了圆形和卵形孔，但本发明不限制于这些形式，且对于填充 焊接可以使用其他成形的腔。在一些应用中，邻近的定子轮叶单元或段环的接合面可能是径向 的，因此导致了邻近的单元之间的饼段形状的间隙。在此情况中，垫 片的厚度可以相对于涡轮机轴线从内表面向外表面扩大。在其他应用 中，定子轮叶单元或段环的接合表面可能已被渐缩。在此情况中，垫片的厚度尺寸可以在整个接合表面上是恒定的。垫片可以制造为一组 预先确定的厚度，或垫片可以切割为特定的厚度。根据此方法，垫片提供为 一般地符合垫片将接附到的定子轮叶单 元或环段的接合表面的形状。垫片的保持面可以具有与它将接附到的 保持面的表面相同的表面外形，和与它将邻靠的邻近的保持面相同的 表面外形。垫片可以优选地包括突出部，以如可应用则接合壳体或环 段的狭槽。然而，垫片的接合表面的形状也可以是比它所焊接到的或 它所邻靠的整个表面小的形状。方法包括在垫片的接合表面内造成孔。孔造成为法向于垫片的接 合面的表面且完全延伸通到垫片的相对的接合面。孔一般地定位在垫 片的接合表面的表面区的中心。垫片可以优选地从销售商处带有到位 的孔发送，或可以在不带有孔发送的现有4支术的垫片内造成孔。造成 孔的步骤可以进一步包括钻制、钻孔或使用本领域已知的任何其他合 适的技术。造成孔的步骤也可以包括造成圆形孔或卵形孔。圆形孔通常造成为直径是大约1/4英寸至大约1/2英寸。卵形孔可以定尺寸为 大约1/4英寸到1/2英寸。方法然后包括定位垫片的接合表面和接合表面对齐。定位的步骤 可以进一步包括将垫片的对齐的接合表面和邻近的定子轮叶单元或环 段通过夹紧或焊接准备中的其他已知的固定装置固定。方法进一步包括将垫片焊接到定子轮叶单元或段环的接合表面。子轮叶单元或环段的接合表面到垫片。焊接后，如果需要则步骤包括 恢复垫片绕孔的非焊接接合表面。这可以包括研磨和抛光垫片的非焊 接接合表面以维持用于邻靠邻近的定子轮叶单元或环段的平面性。焊 接根据标准填充焊接过程进行，或使用本领域中已知的用于垫片的合虽然在此仅图示且描述了本发明的某些特征，但本领域一般技术 人员将想到许多修改和改变。因此，需理解的是附带的权利要求书意 图于覆盖所有这样的落入本发明的实际精神内的修改和改变。零件列表10 涡轮机部分15 壳体20 级a-f25 定子轮叶单元30 安装表面35 孑L40 翼片轮叶45 基部50 保持面55 突出物60 _接合面65 级70 狹槽75 侧面80 沟槽85 环段组件90 环段95 定子轮叶单元内的燕尾榫100 环段内的狭槽105 环^殳的侧壁110 狹槽的侧壁115 环段的燕尾榫120 狭槽的沟槽130 垫片135 突出部140 壳体边缘145 间隙150 突出垫片155 位置165 驱动销200 210 220 230 240 250 280 300 310370 380垫片 圆形孔 表面 突出部 中心厚度填充焊接 垫片 卯形孔 面出部度 形 半圆形 填充焊接表突中厚矩2 3 4 5 权利要求
1.一种用于燃气涡轮机压缩机的定子轮叶(25)单元，该轮叶单元包括基部(45)，包括一对当定子轮叶单元安装在壳体内时相对于压缩机壳体周向定位的接合面(60)，和一对当定子轮叶单元(25)安装在壳体内时相对于燃气涡轮机的压缩机壳体轴向定位的相对保持表面(50)；从基部(45)突出的翼片轮叶(40)；和焊接到基部(45)的至少一个接合面(60)的垫片(200)，其中垫片(200)包括定尺寸为当安装在绕燃气涡轮机的壳体周边的狭槽内时维持定子轮叶单元(25)的紧密性的厚度尺寸(250)，且垫片(200)限定了完全穿透垫片(200)的厚度尺寸(250)到基部(45)的接合面(60)的孔，垫片(200)可以通过孔焊接到基部(45)的接合面(60)。
2. 根据权利要求1所述的定子轮叶单元(25 ),该孔包括至少一个法向于基部(45)的接合表面(60)的直圆柱形腔(no)和卵形腔(310),其中卵形包括在每端上以半球形部分(37 0 )封闭 的矩形中心部分(360 )。
3. 根据权利要求l所述的定子轮叶单元(25),其中垫片(200 ) 包括至少一个从基部(45)的每个保持面(50)突出的突出部，以与燃气涡轮机压缩机的壳体的狭槽内的相应的沟槽匹配。
4. 一种用于燃气涡轮机压缩机的环段组件(85 )，该环段组件包括环段(90)，包括 一对当环段安装在壳体内时相对于燃气涡轮 机的壳体周向定位的接合表面(60)，和一对当环段(90)安装在壳 体内时相对于燃气涡轮机压缩机的壳体轴向定位的相对保持表面 (50);多个定子轮叶单元(25);和焊接到环段(90)的至少一个接合面(60)的垫片(300 ),其中 时维持环段组件(:)的紧密i的厚度尺寸(35。)， jJ垫片(3。。)限定了完全穿透垫片的厚度尺寸到环段(90)的接合面(60)的孔 (310)，垫片(300 )可以通过孔焊接到环段(90)的接合表面(60)。
5. 根据权利要求4所述的环段组件(85 ),该孔(310)包括 法向于环段(90)的接合面(60)的直圆柱形腔(210)和法向于环段(90)的周向表面的卵形腔(310)的至少一个，其中卯形腔
6. 根据权利要求4所述的环段组件(85)，其中垫片(300 )包 括至少一个从环段(90)的每个保持面(60)突出的突出部("0)， 以与燃气渴轮机压缩机的壳体的狹槽内的相应的沟槽匹配。
7. —种用于将垫片(200、 300 )接附到定子轮叶单元(")的 基部(45)和环段组件(85)的环段(90)的至少一个的方法，该方 法包括提供成形为符合定子轮叶单元(25 )的基部(45 )和段环组件(85 ) 的段环(90)的至少一个的接合面(60)的包括预先确定的厚度尺寸 (250， 350 )的垫片(200、 300 );完全延伸通过垫片(200、 300 )的厚度尺寸(25 0、 35 0 )钻孔至 少一个孔(210、 310);将垫片(200、 300 )定位在定子轮叶单元(")的基部(45)和 段环组件(85)的段环(90)的至少一个的接合面(60)上；和将垫片(200、 300 )焊接到定子轮叶单元(25)的基部(45)和 定于环组件(85)的环l爻(90)的至少一个的接合面上。
8. 根据权利要求7所述的用于接附垫片(200、 300 )的方法， 提供至少一个钻孔的孔(210、 310)的步骤包括法向于垫片(200、 300 )的面且一般地在垫片(200、 300 )的面 中心钻孔(210、 310)。
9. 根据权利要求7所述的用于接附垫片(200、 300 )的方法， 提供垫片的预先确定的厚度的步骤包括从一组具有预先确定的厚度的垫片中选择具有预先确定厚度 (250 、 350 )的垫片(200、 300 )，其中考虑到封闭当安装设计个数的定子轮叶单元和环段时剩余的周向间隙来设定预先确定的厚度 (250、 35 0 )。
10. 根据权利要求7所述的用于接附垫片(200、 300)的方法，钻孔至少一个孔的步骤包括钻孔一般地圆形的孔(210)和一般地卵形的孔(310)的至少一 个，卵形包括矩形中心部分(360 ),在矩形中心的每侧上具有半圆形 部分(370 )。
全文摘要
提供用于将垫片(200、300)接附到燃气涡轮机压缩机内的定子轮叶单元(25)的基部(45)和环段组件(85)的环段(90)的至少一个的方法。方法包括提供成形为符合定子轮叶单元(25)的基部(45)的接合面(60)或段环组件(85)的段环(90)的带有预先确定的厚度尺寸(250、350)的垫片；法向于垫片(200、300)的面且完全延伸通过垫片的厚度尺寸(250、350)钻孔至少一个孔；将垫片(200、300)定位在定子轮叶单元的基部和段环组件的段环的至少一个的接合面(60)上；和将垫片焊接到定子轮叶单元(25)的基部(45)和定子环组件(85)的环段(90)的至少一个的接合面(60)上。
文档编号B23K33/00GK101240804SQ200710188660
公开日2008年8月13日 申请日期2007年11月21日 优先权日2006年11月21日
发明者B·C·惠勒, K·R·阿伦, L·C·加涅, T·R·蒂普顿 申请人:通用电气公司