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1、(10)申请公布号 CN 103422903 A (43)申请公布日 2013.12.04 CN 103422903 A *CN103422903A* (21)申请号 201310189355.5 (22)申请日 2013.05.21 12168682.8 2012.05.21 EP F01D 5/00(2006.01) F01D 25/00(2006.01) (71)申请人 阿尔斯通技术有限公司 地址 瑞士巴登 (72)发明人 A.R. 布鲁米特 - 布朗 A.C. 洛德 N. 马多纳德 (74)专利代理机构 中国专利代理(香港)有限公 司 72001 代理人 肖日松 严志军 (54) 发明。
2、名称 涡轮隔板构造 (57) 摘要 本发明涉及涡轮隔板构造。一种轴流式涡轮 隔板 (10) 在不使用焊接或其它金属结合技术的 情况下构造为静止叶片单元(12)的环形阵列。 各 叶片单元 (12) 包括翼型件 (18) 和与翼型件一体 的径向内平台和外平台。径向内平台由内隔板环 的节断 (14) 组成， 且径向外平台由外隔板环的节 断 (16) 组成。至少外环节断 (16) 具有与在叶片 单元的环形阵列中的相邻外环节断上的互补特征 机械地接合的接合特征 (161,162,165,166)， 接 合特征用以将相邻外环节断机械地互锁并制备自 支承涡轮隔板。 (30)优先权数据 (51)Int.Cl.。
3、 权利要求书 2 页 说明书 6 页 附图 6 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书6页 附图6页 (10)申请公布号 CN 103422903 A CN 103422903 A *CN103422903A* 1/2 页 2 1. 一种包括叶片单元的环形阵列的轴流式涡轮隔板 (10)， 各叶片单元 (12) 包括 ： 翼型件 (18) ； 与所述翼型件一体的径向内平台和外平台， 所述径向内平台由内隔板环的节断 (14) 组成且所述径向外平台由外隔板环的节断 (16) 组成， 至少所述外环节断 (16) 包括与在所 述叶片单元的环形阵列中的相邻外。
4、环节断上的互补接合特征机械地接合的接合特征 (161, 162, 165, 166)， 所述接合特征用以将相邻外环节断互锁并制备自支承涡轮隔板， 其中， 各 叶片单元(12)的所述外环节断(16)上的接合特征包括在所述外环节断的两个面朝周向侧 (163, 164) 上的钩特征 (161, 165)， 其与邻近叶片单元的相邻外环节断上的互补特征接 合， 所述钩特征定向成维持各叶片单元相对于其相邻件的轴向位置。 2. 根据权利要求 1 所述的轴流式涡轮隔板， 其特征在于， 各叶片单元 (12) 的所述外 环节断上 (16) 的接合特征包括与邻近叶片单元的所述外环节断上的互补特征接合的舌键 (162。
5、) 和凹槽 (166) 特征， 所述舌键和凹槽特征定向成维持各叶片单元相对于其相邻件的 径向位置。 3. 根据权利要求 2 所述的轴流式涡轮隔板， 其特征在于， 所述舌键和凹槽特征包括 ： (i) 在所述外环节断 (16) 的面朝周向第一侧 (164) 上的凹槽 (166)， 所述凹槽形成为 在钩 (165) 的径向外部与所述外环节断的径向外部的周向突出的唇部 (167) 之间的间隙 ； 和 (ii) 周向突出的舌键 (162)， 其与所述面朝周向第一侧 (164) 上的凹槽 (166) 精确相 对地从所述外环节断的面朝周向第二侧 (163) 突出。 4. 根据前述权利要求中的任一项所述的轴流。
6、式涡轮隔板， 其特征在于， 各叶片单元 (12) 的所述内环节断 (14) 还包括接合特征 (141, 142)， 其与在所述叶片单元的环形阵列 中的相邻内环节断上的互补特征机械地接合， 并且可操作以与所述外环节断上的接合特征 合作而制备自支承涡轮隔板。 5. 根据权利要求 4 所述的轴流式涡轮隔板， 其特征在于， 各叶片单元 (12) 的所述内环 节断上 (14) 上的接合特征包括与邻近叶片单元的相邻内环节断上的互补钩特征接合的钩 特征 (141,142)， 所述钩特征定向成维持各叶片单元相对于其相邻件的轴向位置。 6. 根据权利要求 5 所述的轴流式涡轮隔板， 其特征在于， 所述钩特征是由。
7、靠近所述翼 型件 (18) 的压力侧的径向延伸凹槽 (146) 形成的第一钩 (141) 和由靠近所述翼型件的吸 力侧的径向延伸凹槽 (147) 形成的第二钩 (142)。 7. 根据前述权利要求中的任一项所述的轴流式涡轮隔板， 其特征在于， 所述径向内环 节断(14)的径向内侧(149)构造为密封件或构造成固持密封件， 这种密封件可操作以限制 在所述隔板 (10) 的相对高压侧与低压侧之间的泄漏。 8. 一种叶片单元， 其用于根据前述权利要求中的任一项所述的轴流式涡轮隔板。 9. 一种组装根据权利要求 1 所述的涡轮隔板的方法， 包括以下步骤 ： (a) 将单独叶片单元 (12) 制备成其最。
8、终形状 ； (b) 将第一叶片单元 (12-1) 置于平坦表面上以准备与另外的叶片单元联接 ； (c) 使第二叶片单元 (12-2) 轴向滑动成与所述第一叶片单元和所述平坦表面接合， 使得所述第二叶片单元的外环节断 (16) 上的接合特征 (161, 162) 与所述第一叶片单元 (12-1) 的外环节断 (16) 上的互补接合特征 (165, 166) 配合 ； 以及 权 利 要 求 书 CN 103422903 A 2 2/2 页 3 (d) 相继地使另外的叶片单元轴向滑动成与已彼此接合的叶片单元和所述平坦表面 接合， 直到完成所述隔板的环形件。 权 利 要 求 书 CN 10342290。
9、3 A 3 1/6 页 4 涡轮隔板构造 技术领域 0001 本公开涉及用于涡轮的隔板 (diaphragm) 的构造， 并且特别涉及用于轴流式蒸汽 涡轮中的隔板的新颖结构和组装工艺。 背景技术 0002 一种构造蒸汽涡轮隔板的公知方式是将静止导叶的环形件安装在内环与外环之 间。每个这种叶片包括其中翼型件部分在内平台与外平台之间延伸的叶片单元， 叶片单元 被加工成单一构件。这被称为 “平台” 型构造。各平台呈柱体节断形式， 使得当组装叶片单 元的环形件时， 内平台组合而形成内端口壁且外平台组合而形成外端口壁。内平台焊接至 内环， 其保持涡轮叶片且提供用于密封布置的底座， 密封布置例如为迷宫式密。
10、封件， 其在内 环与涡轮的转子轴之间起作用。 外平台焊接至外环， 其对隔板提供支承和刚性。 内环和外环 中的每一个通常包括两个半圆形半部， 半部沿平面结合在一起， 该平面包含隔板的主轴线 且在叶片单元之间经过， 使得整个隔板可分离成两个部分以用于围绕涡轮机的转子组装。 0003 用于HP或IP蒸汽涡轮隔板的现有平台构造通常包括从厚金属板切割或锻制或由 棒料形成的实心内环和外环。 因为大型涡轮中的这种环具有沿涡轮的轴向和径向方向的相 当大的尺寸， 例如 100mm 至 200mm， 所以在大型蒸汽涡轮的出厂价中将隔板的构件焊接在一 起的成本占相当的比重， 尤其是因为所必需的深穿透焊接要求用于其制。
11、备的高级的专门焊 接设备。 而且， 焊接是隔板中冶金缺陷的可能来源， 并且还必须对隔板进行热处理以便释放 由焊接工艺导致的应力。 发明内容 0004 在其最广泛的方面， 本公开提供了包括叶片单元的环形阵列的轴流式涡轮隔板， 各叶片单元包括 ： 翼型件 ； 与翼型件一体的径向内平台和外平台， 径向内平台包括内隔板环的节断且径向外平 台包括外隔板环的节断， 至少外环节断包括与在叶片单元的环形阵列中的相邻外环节断上 的互补接合特征机械地接合的接合特征， 接合特征用以与相邻外环节断互锁且制备自支承 涡轮隔板。 0005 上述概念使叶片单元能够完全通过机械手段组装和保持在一起， 使得隔板可在不 使用焊接。
12、或其它金属熔融或粘合技术的情况下构造成近净形状 (near net shape)。 0006 还注意到， 在组装叶片单元而形成隔板之后， 隔板的径向外端口壁由形成叶片单 元的外平台的径向外环节断组成， 且隔板的径向内端口壁由形成叶片单元的内平台的径向 内环节断组成。 0007 显然， 就其尺寸和表面光洁度而言， 叶片单元(包括其内环节断和外环节断)应精 确地制造且紧密地彼此配合， 使得隔板的内端口壁和外端口壁足够平滑以避免过度的气动 阻力增大。 说 明 书 CN 103422903 A 4 2/6 页 5 0008 为了对抗跨隔板轴向作用的负载尤其是倾向于在隔板的外环中产生弯曲应 力的翼型件上。
13、的涡轮流体负载而维持隔板一体化， 各叶片单元的外环节断上的接合特 征包括在外环节断的两个面朝周向侧上的钩特征， 其与邻近叶片单元的相邻外环节断上的 互补特征接合， 钩特征定向成维持各叶片单元相对于其相邻件的轴向位置。 0009 为了对抗跨隔板径向施加的负载维持隔板的一体化， 各叶片单元的外环节断上的 接合特征包括与邻近叶片单元的外环节断上的互补特征接合的舌键 (tongue) 和凹槽特 征， 舌键和凹槽特征定向成维持各叶片单元相对于其相邻件的径向位置。 0010 优选地， 舌键和凹槽特征包括 ： (i) 在外环节断的面朝周向第一侧上的凹槽， 凹槽形成为在钩的径向外部与外环节断 的径向外部的周向。
14、突出的唇部之间的间隙 ； 以及 (ii) 与第一面朝周向侧上的凹槽精确相对的从外环节断的面朝周向第二侧突出的周 向突出的舌键。 0011 如果被要求以便在跨隔板加载涡轮流体期间抵抗所经历的弯曲应力， 则各叶片单 元的内环节断还可包括接合特征， 其与在叶片单元的环形阵列中的相邻内环节断上的互补 特征机械地接合， 并且可操作以与外环节断上的接合特征合作而制备自支承涡轮隔板。各 叶片单元的内环节断上的这种接合特征可包括钩特征， 其与在邻近叶片单元的相邻内环节 断上的互补钩特征接合， 钩特征定向成维持各叶片单元相对于其相邻件的轴向位置。如果 外环节断上的接合特征自身足以充分抵抗跨隔板的涡轮流体负载， 。
15、则可省略内环节断上的 这种接合特征。 0012 各叶片的径向内环节断上的钩特征可包括由靠近翼型件的压力侧径向延伸的凹 槽组成的第一钩以及由靠近翼型件的吸力侧径向延伸的凹槽组成的第二钩。 0013 还公开了适合于根据以上概念构造隔板的叶片单元的实施例。 0014 此外， 一种组装涡轮隔板的方法包括以下步骤 ： (a) 将单独叶片单元制备成其最终形状 ； (b) 将第一叶片单元置于平坦表面上以准备与另外的叶片单元联接 ； (c) 使第二叶片单元轴向滑动成与第一叶片单元和平坦表面接合， 使得第二叶片单元 的外环节断上的接合特征与第一叶片单元的外环节断上的互补接合特征配合 ； 以及 (d) 相继地使另。
16、外的叶片单元轴向滑动成与已彼此接合的叶片单元和平坦表面接合， 直到完成隔板的环形件。 0015 如果还在叶片单元的内环节断上存在接合特征， 则这种接合特征将与外环节断上 的接合特征平行地彼此配合。 0016 在研究了以下描述和所附权利要求之后， 本公开的另外的方面将变得显而易见。 附图说明 0017 现在将参考附图描述本文中公开的概念的实施例， 附图未按比例绘制， 其中 ： 图 1A 是示出从单独叶片单元组装之后的 HP 或 IP 蒸汽涡轮隔板的、 本概念的实施例的 蒸汽入口侧的视图 ； 图 1B 是图 1A 的隔板的蒸汽出口侧的视图 ； 图 2A 是准备合并入图 1 的蒸汽涡轮隔板中的叶片单。
17、元的压力侧的三维透视图 ； 说 明 书 CN 103422903 A 5 3/6 页 6 图 2B 是图 2A 的叶片单元的吸力侧的视图 ； 以及 图 3A 至图 3C 是示出隔板的组件中的级的视图。 0018 附图标记 ： 10 涡轮隔板 12 叶片单元 12-1 用于组装的第一叶片单元 12-2 用于组装的第二叶片单元 12-3 用于组装的第三叶片单元 14 内隔板环节断 141 钩 142 钩 143 内环节断 14 的入口侧 144 槽口 ( 缺口 ) 146 形成钩 141 的凹槽 147 形成钩 142 的凹槽 148 内环节断 14 的面朝周向侧 149 内环节断 14 的径向内。
18、侧 / 周向延伸凹部 16 外隔板环节断 161 钩 162 舌键 163 外环节断 16 的第一面朝周向侧 164 外环节断 16 的第二面朝周向侧 165 钩 166 凹槽 167 唇 18 翼型件 181 翼型件 18 的前缘 182 翼型件 18 的后缘。 具体实施方式 0019 图 1A 和图 1B 分别示出具有主轴线 X-X 的高压或中压蒸汽涡轮隔板 10 的前侧或 入口侧和后侧或出口侧。蒸汽涡轮隔板通常通过将它们的构件焊接在一起而构成， 但根据 本公开， 隔板 10 可在不使用焊接或者其它熔合或粘合金属结合技术的情况下构成。 0020 简言之， 本概念是将隔板 10 的所有通常特。
19、征的部分一体化成叶片单元 12， 即翼型 件 18、 外环 16 和内环 14， 使得当所有叶片单元机械地结合并配合在一起时， 所得到的是在 不使用焊接等的情况下制得的完整隔板， 从而仅需要圆形特征的最终加工和 / 或密封件的 装配等以制备最终制品。因此， 各叶片单元 12 形成隔板 10 的环形件的完整节断。在所示 的实施例中， 存在 50 个节断， 但节断的数量可变化， 例如取决于隔板的直径和翼型件的弦 尺寸。 说 明 书 CN 103422903 A 6 4/6 页 7 0021 当安装在涡轮中时， 外环 ( 且因此整个隔板 ) 可借助交叉键 (cross key) 定位特 征 ( 未示。
20、出 ) 支承在环绕的涡轮壳体 ( 未示出 ) 内， 如行业中公知的。 0022 更详细而言， 各叶片单元12包括 ： 径向内平台， 充当内隔板环的节断14 ； 径向外平 台， 充当外隔板环的节断 16 ； 以及翼型件 18， 在内隔板环 14 与外隔板环 16 之间延伸。所 示实施例是带有径向紧凑型构造的隔板， 与传统上用于大型蒸汽涡轮的更健壮型的构造相 比， 该隔板具有少得多的其内隔板环的径向厚度。 然而， 本文中所讨论的概念还可适用于具 有沿径向比所示内环更厚的内环的隔板。 0023 为了能够制备图 1A 和图 1B 中所示的隔板， 叶片单元如在图 2A 至图 3C 中的透视 图中所示那样。
21、制造和组装。 0024 现在参考图 2A 和图 2B， 代表性的叶片单元 12 示出为准备与邻近的相同叶片单元 联接以便形成隔板 ； 图 2A 是在翼型件 18 的压力 ( 凹入 ) 侧观察的视图， 且图 2B 是在翼型 件的吸力 ( 凸出 ) 侧观察的视图。为了使得能够在不使用焊接或者其它熔合或粘合金属结 合技术的情况下将隔板的构件锁定在一起， 至少外环节断 16 具有呈在节断的一个面朝周 向侧 163 上的钩 161 和舌键 162 形式的接合特征， 而节断的对立的面朝周向侧 164 具有呈 钩 165 和凹槽 166 形式的接合特征， 钩 165 和凹槽 166 在形状上分别与钩 161。
22、 和舌键 162 互补。 0025 为了制备钩 161， 外环节断 16 的入口侧 168 的大部分通过其径向和周向厚度切除 以形成轴向较深的槽口 ( 美国英语中的缺口 )， 其沿轴向方向延伸至靠近翼型件 18 的压力 侧的位置， 终止于形成钩 161 的径向延伸的凹槽 169 中。为了制备钩 165， 外环节断 16 的出 口侧170中的槽口匹配入口侧168中的槽口的周向广度， 但径向更广且轴向更浅， 终止于形 成钩 165 的径向延伸的凹槽 171 中。 0026 在所示实施例中， 外环节断 16 的侧 164 上的凹槽 166 方便地形成为在钩 165 的径 向外部分与外环节断的径向外部。
23、的周向突出的唇部 167 之间的间隙。周向突出的舌键 162 当然必须与侧 164 上的凹槽 166 精确相对地从外环节断 16 的侧 163 突出。 0027 在组装成隔板之后， 外环节断的侧 163 邻接周向邻近的外环节断的侧 164， 使得侧 163上的钩161与侧164上的钩165接合， 由此提供叶片单元12在隔板内的轴向位置， 并且 侧 163 上的舌键 162 与侧 164 上的凹槽 166 接合， 由此提供径向位置。当完整构造的隔板 为工作涡轮的一部分时， 各翼型件 18 的边缘 181 将是其前缘且边缘 182 将是其后缘， 并且 翼型件 18 将经历蒸汽负载。跨隔板沿轴向方向。
24、从翼型件 18 的前缘 181 到后缘 182 即从隔 板的入口面到其出口面将存在压降和所产生的弯矩。钩 161 与钩 165 的互锁抵抗该轴向力 和弯矩。实际上， 用于轴向定位的钩和用于径向定位的舌键和凹槽的组合有效地提供了外 环节断 16 相对于彼此的交叉键定位， 从而使叶片单元 12 稳定在隔板结构内。 0028 在所示实施例中， 已假定仅仅钩 161/165 将不足以承担在涡轮操作期间所有轴向 施加的蒸汽负载力， 且因此内环节断 14 还设有呈又一对轴向互锁的钩 141 和 142 形式的彼 此互补的接合特征。 0029 为了制备钩 141， 内环节断 14 的入口侧 143 的大部分。
25、通过其径向厚度切除以形成 深槽口 ( 美国英语中的缺口 )144， 其沿轴向方向延伸至靠近翼型件 18 的压力侧的位置， 终 止于形成钩 141 的浅的径向延伸凹槽 146。然而， 为了制备钩 142， 仅需要靠近翼型件 18 的 吸力侧在内环节断14的出口侧145中切割浅的径向延伸凹槽147。 在将叶片单元组装成隔 说 明 书 CN 103422903 A 7 5/6 页 8 板之后， 内环节断 14 的轴向槽口 144 面对周向邻近的内环节断的面朝周向侧 148， 使得钩 141 与钩 142 接合， 由此提供叶片单元 12 在隔板内的更多轴向位置。 0030 应当理解， 舌键 162、 。
26、凹槽 166 和钩 141、 142、 161、 165 的形状可从不同于图中所示 的那些， 图中所示的那些为示例性的。例如， 舌键 162 和槽 166 可为 T 形、 燕尾形或一些其 它底切或凹腔形。 0031 现在将参照图 3A 至图 3C 描述隔板 10 的组装。图 3A 已标注有参考标记和蓝线以 使得能够与图 2A 和图 2B 相比较， 但是图 3B 和图 3C 没有这样标注以避免使细节模糊。 0032 首先， 将用于合并入隔板中的单独叶片单元在组装之前制备成最终形状。图 3A 示 出置于平坦表面上以准备与另外的叶片单元联接以形成隔板的第一叶片单元 12-1。图 3B 示出第二叶片单。
27、元 12-2， 其轴向滑动成与第一叶片单元和平坦表面接合， 使得第二叶片单 元12-2上的外环节断和内环节断上的接合特征与第一叶片单元12-1的外环节断和内环节 断上的互补接合特征配合。具体而言， 第二叶片单元的外环节断 16 的侧 163 上的舌键 162 接合第一叶片单元的外环节断的侧164上的槽166， 第二叶片单元的外环节断的侧163上的 钩161接合第一叶片单元的外环节断的侧164上的钩165， 并且第二叶片单元的内环节断上 的钩141接合第一叶片单元的内环节断上的钩142。 图3C示出第一和第二叶片单元在平坦 表面上处于其最终接合和互锁位置， 且第三叶片单元 12-3 轴向滑动成与。
28、第一叶片单元接 合。 0033 在图中所示的径向紧凑实施例中， 径向内环 12 的各节断 14 的径向内侧包括周向 延伸的凹部 149， 其构造成固持单独的密封件 ( 未示出 )， 该密封件用于在隔板已组装到涡 轮中时抵靠转子直接密封， 密封件是必需的， 以限制在隔板的相对高压侧与低压侧之间的 泄漏。这种密封件可包括例如迷宫式密封件、 刷式密封件或叶式密封件。备选地， 径向内环 12的各节断14的径向内侧可构造为迷宫式密封件， 使得密封翅片(未示出)直接从各节断 的径向内侧朝所面对的转子突出。 0034 在用于蒸汽涡轮隔板的传统类型平台构造中， 叶片单元被加工成连同翼型件和内 平台及外平台的单。
29、个构件， 使得当平台焊接到它们对应的内环和外环上之后， 内平台和外 平台组合而形成周向连续的内端口壁和外端口壁。从附图和以上描述将理解， 包括将内环 和外环节断互锁的本概念还导致周向连续的内端口壁和外端口壁。然而重要的是， 内端口 壁和外端口壁足够平滑以避免过度的气动阻力增大， 并且为此， 内环节断和外环节断的接 合特征应当在它们的尺寸和表面光洁度方面精确地制造和紧密地彼此配合。 0035 采用本文中提出的概念给予以下优点 ： 除了可能增加密封件等外在隔板已组装之后为了将隔板对邻近的涡轮机 密封， 消除了在隔板的构造中焊接或其它金属结合技术的需要， 随之有成本的节省和减少 的制造时间 ； 焊接。
30、的消除消除了在隔板的结构中可能的缺陷源 ； 在隔板的构造中通常使用的焊接类型通常包括要求高级且昂贵的激光或电子束焊 接设备的深穿透焊接。 焊接的消除因此允许在选择用于构造涡轮隔板的制备设施方面的更 多选择。 0036 上述实施例仅在上文中通过举例的方式描述， 并且可在所附权利要求的范围内做 出修改。因此， 权利要求书的广度和范围不应受限于上述示例性实施例。在说明书 ( 包括 说 明 书 CN 103422903 A 8 6/6 页 9 权利要求书和附图 ) 中公开的各特征可由服务于相同、 等同或类似目的的备选特征代替， 除非明确陈述为其它。 0037 在说明书和权利要求书全文中， 除非上下文清。
31、楚地要求， 否则词语 “包括” 、“包含” 等应在包含性而不是排它或穷举性的意义上解释 ； 也就是说， 在 “包括但不限于” 的意义上 解释。 说 明 书 CN 103422903 A 9 1/6 页 10 图 1A 说 明 书 附 图 CN 103422903 A 10 2/6 页 11 图 1B 说 明 书 附 图 CN 103422903 A 11 3/6 页 12 说 明 书 附 图 CN 103422903 A 12 4/6 页 13 图 3A 说 明 书 附 图 CN 103422903 A 13 5/6 页 14 图 3B 说 明 书 附 图 CN 103422903 A 14 6/6 页 15 图 3C 说 明 书 附 图 CN 103422903 A 15 。