专利名称：燃气轮机轮叶的制作方法
技术领域：
本发明涉及涡轮机中所使用的翼面，更确地说，本发明涉及使用在燃气轮机涡轮部分的固定导向叶片中的翼面。
燃气轮机使用多个固定导向叶片，它们排列在燃气轮机涡轮部分的圆周上，这类涡轮导向叶片暴露在燃烧部分中放出的高热中、有时暴露在腐蚀并带有微粒的气体中，从而给导向叶片带来许多问题，包括腐蚀、烧蚀以及由于温度过高和热应力而发生断裂。这些问题降低了导向叶片的使用寿命，从而增加运行成本、降低汽轮机的利用率。
由于高热气体直接流入导向叶片翼面的前缘部分而造成很高的热传导系数，因此腐蚀、烧蚀和断裂问题在前缘处常常最为严重。不幸的是，由于导向叶片一般采用整体式铸造结构，因此前缘部分的修复需要进行困难而昂贵的焊接。
以往旨在提高导向叶片寿命的一种办法是在翼面的前缘部分形成冷却空气通道，从而降低其温度。不幸的是，从燃烧部分分流的这类冷却空气的使用降低了涡轮的热力性能。以往使用的另一种办法是用具有良好的耐高温、防腐蚀、抗烧蚀性能的陶瓷材料制造导向叶片。可是，这类陶瓷材料易脆，且承受不了由于导向叶片各部分不均匀热膨胀造成的很高的热应力，特别是在开机和关机时。
因此，本发明的总目的是提供一种燃气轮机导向叶片，它的前缘部分容易修复，并可用陶瓷材料制成，但又不会因不均匀热膨胀而造成很高的应力。
简言之，本发明的这一目的和其它目的是在一种燃气轮机中完成的，该燃气轮机的涡轮部分包括一转轴，转轴上装有一排转动叶片，一排固定导向叶片排列在转轴的一圆周上。每一导向叶片的特征在于一由前缘部分、后缘部分和位于前后缘部分之间的中间部分构成的翼面以及把前缘部分滑动地固定到中间部分之上的装置，其中，导向叶片的进一步特征是装在翼面上的一遮板以及形成在前缘部分与该遮板之间的一径向间隙。
通过下述结合附图对仅作为举例的优选实施例的说明，本发明会更容易理解。
图1为采用本发明固定导向叶片的燃气轮机的燃烧部分和涡轮部分的纵向剖面图;
图2为图1所示导向叶片的立体图;
图3为图2所示导向叶片的内遮板部分的底面图;
图4为图3中的Ⅳ向剖面图;
图5为图2所示导向叶片的前缘部分的立体图;
图6为图3和图4所示前缘部分盖板的主体图;
图7为图4中的Ⅶ向剖面图。
参看各附图，图1示出燃气轮机的燃烧部分1。美国专利No.4，991，391(Kosinski)表示出一种典型的燃气轮机，因此本说明书全部以它为参考。燃烧部分1由内壳4和外壳5构成，内外壳之间形成环室7。内壳4围住位于中心的转子6。燃烧部分1还包括多个导管3，把温度超过1200℃(2200°F)的高热燃气从燃烧室(未画出)引至涡轮部分2。
涡轮部分2包括支撑在外壳5上的叶片环12。叶片环12支撑着一排固定导向叶片16，使它们排列在转子6的一圆周上。装在转子6的轮圈部分8上的一排转动叶片10位于该排导向叶片16的下游。来自压缩机部分(未画出)的压缩空气流经环室7。虽然来自压缩机部分的大部分压缩空气用来为燃烧室的燃烧提供空气，但一部分压缩空气形成冷却空气19。冷却空气19从燃烧室分流而通过叶片环12的孔14流入导向叶片16。
如图2所示，每一导向叶片16由内遮板20、外遮板22和位于内外遮板之间的翼面24构成，也即，两遮板装在翼面的两端。挂耳32和34伸出在外遮板之上，把导向叶片16固定在叶片环12上，如图1所示。按照本发明，每一翼面24包括一装在翼面主体之上的可折卸的上游前缘部分26。该翼面主体包括下游后缘部分28，该部分28与位于前后缘部分之间的中间部分27做成一体。
如图5所示，翼面的前缘部分26为一具有流线型前部45的细长部件。如图7所示，前部45的表面的形状做成与分别形成翼面24主体的吸力面和压力面的外凸面和内凹面54和56的圆滑连结。
如图5所示，在前缘部分26的后面上伸出一突起44。在优选实施例中，该突起44的截面大体为T形。T形截面最好由成角度、而非直线的各边构成，从而形成技术人员一般称之为“燕尾”的形状，如图7所示。伸出在中间部分27前面上的突起形成与前缘部分突起44相配的相应形状的槽46，从而使突起44和槽46互相锁住。
如图7所示，当突起44与槽46相配时，它们形成的互锁接合使得前缘部分26在径向上也即在与转子6中心线垂直的方向上可相对于中间部分27自由移动。但是，这一突起/槽接合使得前缘部分26无法在轴向和圆周方向上移动，从而把前缘部分固定连接到导向叶片的其余部分之上。
这种前缘部分26可作径向移动的结构使得前缘部分能沿中间部分27滑动，从而导致本发明与现有导叶比较有两大优点。
第一，由于前缘部分26可独立于翼面24的其余部分而大体自由地作径向膨胀和收缩，因此消除了否则会因前缘部分26与中间部分27之间的不均匀热膨胀而在翼面中造成的局部热应力。第二，如果与下面要进一步说明的一种通过遮板之一插入前缘部分26的装置相结合，这种径向移动结构即可通过简单便捷地径向滑出旧的前缘部分并径向滑入新的前缘部分而把比方说腐蚀、烧结或断裂的前缘部分更换掉，从而不必采用昂贵的焊接修复工作。
如图4所示，内遮板20上开有一开口43。该开口43的形状与前缘部分26相同，但稍大，而且，开口43在径向上与前缘部分26对齐，从而可把前缘部分插入开口而滑动到中间部分27上。如图3、4和6所示，盖板36在安装完前缘部分26后插到开口43上封住该开口。如图4所示，盖板36用焊珠46焊到内遮板的内表面上。若要更换前缘部分26，只须磨去焊珠46并除去盖板36。
从图6可看得最清楚，横截面形状与前缘部分相匹配的插头44伸出在盖板36之上，它抵靠住前缘部分的底面而使其沿着中间部分27正确就位。
如图4进一步所示，外遮板22内表面上有一凹座50。与开口43一样，该凹座50的形状与前缘部分26相同，但稍大，且在径向上与前缘部分对齐，这种结构使得前缘部分26的顶部和底部分别座落在内外遮板(22和22)中，从而在翼面邻近内外遮板的两端形成光滑连续的流线型表面。按照前缘部分26所使用的材料和翼面其余部分所使用的材料以及它们的相对热膨胀系数，最好在前缘部分的顶面与外遮板的凹座50之间留有径向间隙52。该间隙52使前缘部分26可相对于中间部分27发生膨胀，而又不在内外遮板之间造成咬合，从而吸收掉不均匀热膨胀。
按照本发明，由于前缘部分26不与翼面主体制成一体，因此可用与翼面主体不同的材料制成。如下文进一步讨论的，这一特征与整体式翼面相比较有重大优点，特别是在与前缘部分可径向膨胀的上述结构结合时。
在以往，通过把来自燃烧部分的冷却空气分流并使之流经翼面的中间部分27和后缘部分28而冷却中间和后缘部分。因此，如图4和图7所示，中间部分27和后缘部分28的内部因分别具有冷却空气通道38和39而大体上是空心的。外遮板22上的开口40和41使冷却空气14从图1所示的环室7流入通道38和39。图2所示的径向排列的孔30和31使一部分冷却空气分别从通道38和39流出而流到翼面24的压力面56上。此外，通道48使一部分冷却空气14流过翼面24的后缘的最下游端。
但是，按照本发明，与中间部分和后缘部分不同，翼面24的前缘部分26可做成实心，也即没有冷却空气通道，如图4和图7所示。由于在前缘部分26不使用冷却空气，因此避免了因使用这类附加冷却空气而造成的热力性能的下降。这一改进之所以可能，是因为在优选实施例中，前缘部分26是用诸如氮化硅Si3N之类的陶瓷材料制成的。这类材料具有优良的耐高温性和抗腐蚀性，从而毋需冷却空气。而且，由于上述突起/槽的滑动接合结构消除了前缘部分26与翼面主体间的不均匀径向膨胀，因此克服了易碎陶瓷材料无法吸收热应力的缺点，而这一缺点迄今一直限制着易碎陶瓷材料在燃气轮机中导向叶片上的应用。另外，前缘部分26也可用陶瓷加上金属母体的合成材料制成。中间部分27和后缘部分28可用陶瓷材料或传统上用于涡轮导向叶片的钴或其它金属合金制成，比方说耐盐酸镍基铜铝合金。
虽然上面参照燃气轮机中涡轮导向叶片的翼面部分对本发明作了说明，但本发明也可应用于涡轮机的其它翼面中，例如燃气轮机或汽轮机的压缩机部分的固定导叶的翼面或燃气轮机或汽轮机的转动叶片的翼面。因此，只要不背离后附权利要求的精神或基本特征，本发明可以其它具体形式实现，并因而应以指明本发明范围的后附权利要求为准，而不是以上述说明书为准。
权利要求
1.一种燃气轮机，包括具有转动轴(6)的涡轮部分(2)，该转动轴上装有一排转动叶片(100，以及围绕所述轴(6)沿圆周排列的一排固定导向叶片(16)，每一个所述导向叶片(16)包括翼面部分(24)，其特征在于，所述翼面(24)包括前缘部分(36)、后缘部分(28)和位于所述前缘部分(26)和所述后缘部分(28)之间的中间部分(27)以及把所述前缘部分(26)滑动地固定到所述中间部分(27)之上的装置(44，46)；其中，所述导向叶片(16)的进一步特征在于一装在所述翼面(24)上的遮板(22)以及在所述前缘部分(26)与所述遮板(22)之间形成的一径向间隙。
2.按权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于，所述滑动固定装置(44、46)进一步的特征在于，该装置使所述前缘部分(26)可相对所述中间部分(27)作径向滑动。
3.按权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于，所述滑动固定装置的进一步特征在于第一互锁件(44)和第二互锁件(46)分别突出在所述前缘部分(26)和中间部分(27)上。
4.按权利要求3所述的燃气轮机，其特征在于，所述互锁件之一形成一径向伸展槽(46)。
5.按权利要求4所述的燃气轮机，其特征在于，所述槽(46)有一大体为T形的截面。
6.按权利要求1所述的燃气轮机，其中，所述滑动固定装置的特征在于一形成在所述前缘部分(26)与所述中间部分(27)之间的燕尾形接合(44、46)。
7.按权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于，所述前缘部分(26)由陶瓷材料制成。
8.按权利要求7所述的燃气轮机，其特征在于，所述中间部分(27)由金属材料制成。
9.按权利要求7所述的燃气轮机，其特征在于，所述前缘部分(26)由以金属作母体的陶瓷材料制成。
全文摘要
一种燃气轮机涡轮部分的导向叶片，它包括由前缘部分、中间部分和后缘部分组成的翼面部分。前缘部分以燕尾接合装到中间部分上，从而使前缘部分可相对中间部分在径向上滑动，但却无法作轴向移动和圆周方向上移动，从而消除由于前缘部分与导叶其余部分之间的不均匀热膨胀而产生的热应力。通常用一盖板密封的导叶内遮板上的一开口使得前缘部分损坏时很容易加以更换。前缘部分可用陶瓷材料制成，并且毋需供应冷却空气。
文档编号F01D9/02GK1107934SQ9411761
公开日1995年9月6日 申请日期1994年10月27日 优先权日1993年10月27日
发明者巴顿·M·彼波曼, 安多·J·艾波 申请人:西屋电气公司