[发明专利]用于大型蒸汽涡轮的改型方法和装置

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。本发明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，本发明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。

发明内容

根据本发明的一方面，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。

根据本发明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。

在本发明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。

本发明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，本发明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发明的示例性实施例，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；

图2示意性地示出了根据本发明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发明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；