具有寄生翼密封焊接區的渦輪噴嘴及其焊接方法

2023-10-11 22:28:39

專利名稱：具有寄生翼密封焊接區的渦輪噴嘴及其焊接方法
技術領域：
本發明涉及渦輪噴嘴，尤其是涉及一種將蓋板連接到具有寄生翼密封(angel wing seal)的噴嘴上的技術。
背景技術：
燃氣輪機中的渦輪噴嘴通常連接在渦輪機匣的內圓柱形表面上。這些噴嘴形成了朝向渦輪軸向內延伸的徑向陣列。各噴嘴陣列均為設置在旋轉渦葉輪片行列之間的固定行列。熱燃氣流經噴嘴和葉片的這些行列以驅動葉片旋轉。噴嘴行列使熱燃氣改變方向，使其對準緊接於該噴嘴行列的下遊葉片行列的前緣。
熱燃氣流經橫穿過噴嘴和葉片的環形流動路徑。通過密封件來防止氣體流到流動路徑之外而進入葉輪的空腔中。這些密封件包括寄生翼，其為從葉片上朝向噴嘴向外延伸的臂。一排葉片上的寄生翼形成了重疊在相鄰前後排噴嘴中的各噴嘴蓋板邊緣上的環。噴嘴蓋板具有寄生翼密封焊接區，其與葉片上的寄生翼重疊。寄生翼和密封焊接區之間的間隙相對較小，以減少熱燃氣從流動路逕到葉輪空腔的流動洩漏。
在各噴嘴的製造過程中，蓋板被焊接到噴嘴鑄件的內帶和外帶上，以形成閉環式冷卻的噴嘴。該噴嘴鑄件由噴嘴葉片以及內帶和外帶組成。蓋板通常通過焊接連接到噴嘴鑄件上。通常使用垂直焊來將蓋板連接在噴嘴鑄件上。通過將焊接接頭布置在低熱梯度的區域中，將蓋板連接至噴嘴鑄件上的垂直焊就可提高噴嘴鑄件-蓋板焊接接頭的低循環疲勞(LCF)壽命。
將蓋板焊接到渦輪噴嘴鑄件上的困難之一在於寄生翼密封焊接區，其通常是跨過蓋板一端的徑向凸出部。寄生翼密封焊接區的表面是光滑的且處於徑向上，這是因為其非常靠近葉片的旋轉寄生翼。
連續的寄生翼密封焊接區有助於減少進入葉輪空腔的熱流動空氣。為了具有跨過噴嘴側壁的連續密封，寄生翼焊接區應跨過蓋板與噴嘴鑄件的焊接接頭，並且與蓋板的焊接接頭接觸。
為了避免寄生翼密封焊接區並為垂直焊作準備，必須在寄生翼密封焊接區的幾何形狀和機加工出的蓋板與鑄造噴嘴之間的焊接接頭的幾何形狀之間進行折衷。另外，為了能夠適當地接觸到焊頭的焊接接頭，必須將寄生翼密封焊接區的長度縮短，然後在蓋板上添加焊接區擴展部分(land extender)。因此，一直需要提供適當的焊接接頭幾何形狀，以及將帶有寄生翼密封焊接區的蓋板焊接到噴嘴鑄件上的技術。

發明內容
本發明針對於在噴嘴上提供連續的寄生翼密封焊接區，同時允許存在用於將噴嘴鑄件焊接到蓋板上的垂直焊的間隙。在一個實施例中，本發明涉及一種渦輪噴嘴，其具有帶內帶的噴嘴葉片，其中內帶具有容納可噴嘴蓋板的區域，以及至少一個靠近凹腔側壁的凸起的寄生翼密封焊接區部分；噴嘴蓋板安放在內帶的該區域上，並且蓋板具有與內帶上的至少一個凸起的寄生翼密封焊接區部分對齊的凸起的寄生翼密封焊接區部分，其中噴嘴蓋板的周邊焊接在內帶上，寄生翼密封焊接區中的凹槽處於蓋板周邊的附近，並且在將蓋板焊接到噴嘴內帶上之後在凹槽中填充了插入物。
在第二實施例中，本發明涉及一種用於渦輪機的噴嘴，其包括具有內帶的噴嘴葉片，其中所述內帶具有可容納噴嘴蓋板的凹腔，以及處於該凹腔的相對側附近的一對凸起的寄生翼密封焊接區部分；安放在內帶凹腔內的噴嘴蓋板，所述蓋板還包括與內帶上的一對寄生翼密封焊接區部分對齊的凸起的寄生翼密封焊接區部分，噴嘴蓋板的周邊焊接在內帶凹腔的側壁上；位於蓋板上的寄生翼密封焊接區部分內的一對凹槽，該凹槽鄰近蓋板的周邊；以及處於各凹槽內的插入物，所述插入物與蓋板上的寄生翼密封焊接區部分的密封面基本上平齊。


圖1是具有葉片、蓋板和寄生翼密封焊接區的渦輪噴嘴的透視圖。
圖2是噴嘴內帶的上表面的透視圖。
圖3是蓋板的透視圖。
圖4是蓋板、寄生翼密封焊接區和插入物的特寫分解圖。
圖5是裝配在一起的噴嘴鑄件、蓋板和插入物的特寫圖。
圖中各標號的含義如下10渦輪噴嘴；12噴嘴外帶；14葉片前緣；16噴嘴葉片；18後緣；20內帶；22噴嘴蓋板；24內帶凹腔；26矩形的蓋板部分；28密封凸出部；30蓋板上的寄生翼密封焊接區部分；32蓋板周邊；34內帶凹腔的側壁；36焊接接頭；38位於內帶之上的蓋板上的寄生翼密封焊接區；40寄生翼密封焊接區的上表面；44用於間隙的插入物；46密封焊接區的表面上的凹槽。
具體實施例方式
圖1是渦輪噴嘴10的透視圖。噴嘴通常布置在安裝在渦輪機匣上的固定噴嘴陣列中。噴嘴外帶12安裝在機匣的內圓柱形表面上。噴嘴在軸向上與渦葉輪片的環形級(未示出)對齊。噴嘴沿著噴嘴葉片16的前緣14接受熱的燃氣。這些熱燃氣可從渦輪機燃燒室直接流出，或者從旋轉渦葉輪片的上遊級中流出。每排噴嘴葉片16都使熱的燃氣流改變方向，使得燃氣從噴嘴後緣18流到緊鄰於該噴嘴後緣18下遊的另一排渦葉輪片中。
噴嘴葉片16從機匣中徑向向內延伸，並在葉片的徑向內端點處連接到內帶20上。噴嘴內帶形成了燃氣穿過噴嘴的流動路徑的內邊界。外帶12形成了流動路徑的外邊界。噴嘴葉片16跨過流動路徑而延伸。葉片16、內帶20和外帶12通常通過鑄造形成單件的金屬或陶瓷部件。
如圖2所示，內帶20的外表面上的凹腔24可容納蓋板22。該蓋板22可以是單件的機加工出的金屬部件或多個部件。蓋板包括矩形板部分26、徑向的密封凸出部28以及寄生翼密封焊接區的部分30。
如圖3和4所示，噴嘴內帶20具有大致平坦的表面，其帶有用於容納噴嘴蓋板22的凹腔24。凹腔24是噴嘴內帶上的表面，其具有與蓋板22的外周邊32相匹配的側壁34。一旦將蓋板22安放在內帶中，就可沿蓋板的整個周邊進行焊接。焊接接頭36將蓋板的周邊32和噴嘴內帶上的凹腔側壁34連接起來。焊接接頭36在蓋板的整個周邊的周圍延伸，並將蓋板與內帶20牢固地連接起來。焊接接頭36滿足了蓋板和噴嘴內帶之間的連接的LCF要求。
蓋板22的寄生翼密封焊接區30與內帶20上的密封焊接區部分38對齊。由蓋板和內帶上的密封焊接區部分30，38所形成的寄生翼密封焊接區延伸跨過噴嘴的寬度。密封焊接區具有平坦上表面40，其與渦葉輪片上的寄生翼並列。
除了凹槽46在蓋板兩側切入到焊接區中的位置之外，密封焊接區的上表面40是光滑且平坦的。凹槽46位於蓋板22上的密封焊接區部分30的兩端。或者，噴嘴內帶上的密封焊接區部分38中的凹槽鄰近蓋板的凹腔24。寄生翼密封焊接區被開槽，以允許蓋板的邊緣焊接到內帶上。
凹槽46允許焊頭接觸到蓋板的周邊32，即使是密封焊接區30附近的周邊區域也能接觸到。焊頭被操縱成沿著蓋板的周邊來將蓋板焊接到噴嘴內帶上。焊接接頭36不會破壞密封焊接區的表面40，這是因為焊接接頭並不向上延伸到密封焊接區的表面上。相反，焊接接頭36位於凹槽46中，且焊接接頭低於密封焊接區的表面40。
在蓋板22和噴嘴內帶20之間形成的焊接接頭36整個地處於氣體流動路徑之外，不會暴露於腐蝕性氣體中。此外，密封焊接區的表面40在蓋板的寬度上是連續的，可為葉片的寄生翼提供良好的密封。通過保證密封焊接區在渦輪噴嘴的寬度上是連續的，就可以提高噴嘴和相鄰渦葉輪片之間的密封，從而防止氣體洩漏。
在將蓋板焊接至內帶上之後，用插入物44來填充密封焊接區中的凹槽46。在蓋板22已經被焊接到噴嘴內帶20的凹腔24中時，就將矩形插入物44插入到密封焊接區的凹槽46中。這些金屬插入物填充了凹槽46，並與密封焊接區的上表面40平齊。插入物被焊接就位。可在插入物焊接好之後將密封焊接區的上表面40加工至光滑且平坦。
雖然已經結合目前被認為是最實用且最優選的實施例來介紹了本發明，然而應當理解，本發明並不局限於所公開的實施例，而是相反，本發明力圖覆蓋包含在所附權利要求的精神和範圍內的各種修改和等同裝置。
權利要求
1.一種用於渦輪機的噴嘴(10)，包括具有內帶(20)的噴嘴葉片(16)，其中所述內帶具有用於容納噴嘴蓋板(22)的區域(24)，以及至少一個凸起的靠近凹腔側壁(34)的寄生翼密封焊接區部分(38)；安放在所述內帶的所述區域內的噴嘴蓋板，所述蓋板還包括與所述內帶上的所述至少一個凸起的寄生翼密封焊接區部分對齊的凸起的寄生翼密封焊接區部分(30)，所述噴嘴蓋板的周邊(32)焊接(36)在所述內帶上；位於所述蓋板或內帶上的寄生翼密封焊接區部分中的至少一個凹槽(46)，所述凹槽鄰近所述蓋板的周邊；和處於所述凹槽中的插入物(44)，其與所述寄生翼密封焊接區部分的密封面(40)基本上平齊。
2.根據權利要求1所述的噴嘴，其特徵在於，所述蓋板的整個周邊(32)被焊接到所述區域(24)的側壁(34)上。
3.根據權利要求1所述的噴嘴，其特徵在於，所述至少一個凹槽是一對鄰近於所述噴嘴蓋板的相對側的凹槽(46)。
4.根據權利要求1所述的噴嘴，其特徵在於，所述插入物是大小適合填充所述凹槽(46)的矩形金屬插入物(44)。
5.根據權利要求1所述的噴嘴，其特徵在於，所述臂和凹槽(46)之間的焊接接頭(36)位於所述插入物之下。
6.根據權利要求1所述的噴嘴，其特徵在於，所述凹槽位於所述蓋板上。
7.根據權利要求1所述的噴嘴，其特徵在於，所述凹槽位於所述內帶上。
8.一種用於渦輪機的噴嘴(10)，包括具有內帶(20)的噴嘴葉片(16)，其中所述內帶具有可容納噴嘴蓋板(22)的凹腔(24)，以及處於所述凹腔的相對側附近的一對凸起的寄生翼密封焊接區部分(38)；安放在所述內帶的凹腔內的噴嘴蓋板，所述蓋板還包括與所述內帶上的一對寄生翼密封焊接區部分對齊的凸起的寄生翼密封焊接區部分(30)，所述噴嘴蓋板的周邊(32)焊接(36)到所述內帶凹腔的側壁(34)上；位於所述蓋板上的寄生翼密封焊接區部分內的一對凹槽(46)，所述凹槽鄰近所述蓋板的周邊；和處於各所述凹槽內的插入物(44)，所述插入物與所述蓋板上的寄生翼密封焊接區部分的密封面(40)基本上平齊。
全文摘要
公開了一種渦輪噴嘴(10)，其包括具有內帶(20)的噴嘴葉片(16)，該內帶具有可容納噴嘴蓋板(22)的區域(24)，以及處於凹腔側壁(34)附近的至少一個凸起的寄生翼密封焊接區部分(38)；噴嘴蓋板安放在內帶的所述區域內，該蓋板還包括與內帶上的至少一個凸起的寄生翼密封焊接區部分對齊的凸起的寄生翼密封焊接區部分(30)，噴嘴蓋板的周邊(32)焊接(36)到內帶上；寄生翼密封焊接區內的凹槽(46)與蓋板的周邊相鄰，在將蓋板焊接到噴嘴內帶上之後用插入物(44)填充該凹槽。
文檔編號F01D9/04GK1530520SQ20041003996
公開日2004年9月22日 申請日期2004年3月12日 優先權日2003年3月14日
發明者G·M·伊策爾, R·H·迪瓦恩二世, J·A·伊斯特曼, C·L·達維斯三世, G M 伊策爾, 伊斯特曼, 達維斯三世, 迪瓦恩二世 申請人:通用電氣公司