热涡轮机的导向叶片段、相应的制造方法及热涡轮机

摘要

本发明涉及一种热涡轮机、尤其是燃气轮机的导向叶片段(2)，其具有一定数量的布设在叶片平台(8)上的成型的叶身(6)，其中在叶片平台(8)的背对叶身(6)的一侧设有多个固定元件(14)用于将该叶片段(2)固定在对应的导向叶片支架上。该导向叶片段(2)应该在保持制造简单和成本低廉的情况下避免铸造技术上的问题区域以达到特别可靠且安全地固定在对应的导向叶片支架上。为此按照本发明规定，所述固定元件(14)中的至少一个的至少一个分段是一个与叶片平台(8)的背对叶身(6)的一侧固定连接的、独立制造的构件。

说明书

技术领域

本发明涉及一种热涡轮机、尤其是燃气轮机的导向叶片段，具有至少一个布设在叶片平台上的成型的叶身，其中在叶片平台的基本上平的、背对叶身的一侧设有一定数量的固定元件用于将叶片段固定在对应的导向叶片支架上。

背景技术

燃气轮机在很多领域中用于驱动发电机或作功机械。在这种情况下燃料的能焓用于造成涡轮轴的旋转运动。为此燃料在燃烧室内燃烧，在此由空气压缩机供入压缩空气。在燃烧室内通过燃料燃烧产生的工作介质通过连接在燃烧室之后的涡轮单元，并在那里膨胀作功。

为了造成涡轮轴的旋转运动在该涡轮轴上布设一定数量的通常组合成叶片组或叶片圈的导向叶片，这些导向叶片通过流动介质的冲量传递来驱动涡轮轴。此外，为了在涡轮单元中导引流动介质通常在相邻的工作叶片圈之间设置与涡轮外壳连接的导向叶片圈。为了适当地导引工作介质涡轮叶片、尤其是导向叶片通常具有成型的、沿叶片轴线延伸的叶身，为了将涡轮叶片在端侧固定在各自的支架体上在叶身上成形有横向于叶片轴线延伸的叶片平台。叶片平台的面对叶身的上表面构成燃气轮机的导引热燃气的流动通道的外界面。

为了简便而可靠地安装和固定在与涡轮机外壳相连的导向叶片支架上，各导向叶片的叶片平台通常在其背对叶身的下侧或后侧具有一定数量的钩状固定元件。搭接相邻涡轮级的两个导向叶片的轴向间隙的导向环的同样形式的钩状固定例如已由EP1505259A1公开。为了装配而将导向叶片的固定元件或固定钩对准插入到导向叶片支架的对应安装槽内并且随后以适当的方式例如借助于凿孔板固定。在上述导向环的情况下按照EP1505259A1还采用附加的固定器，借助于该固定器进一步将导向环的钩子夹紧在导向叶片支架内。

为了降低制造或装配成本也可以在一个共同的叶片平台上布设一个导向叶片圈的多个沿燃气轮机周向相互临近的导向叶片叶身，使得整个的以下称为导向叶片段的叶片单元可以借助于平台侧的固定钩沿轴向或沿周向插入到所属的导向叶片支架中。为了简化表达方式，在下文中、尤其还有在权利要求书中“导向叶片段”的概念始终也包括仅具有一个叶身的一个单独的导向叶片的情况，如果这一点未被明确排除的话。

通常导向叶片或完整的导向叶片段以铸造方法制造，从而使叶片平台和叶片平台侧的固定钩是导向叶片或导向叶片段的整体一同铸造出的组成部分。为此在第一个步骤中制造叶片或叶片段的所谓蜡模，随后通过将该蜡模重复浸入到陶瓷材料中来敷设陶瓷敷层。只要该陶瓷敷层达到足够的厚度，就将设有该陶瓷敷层的蜡模烧尽，在这种情况下使陶瓷固化并将液化或气化的蜡除掉。最后用金属的叶片材料浇注以这种方式获得的陶瓷的铸型母模。在熔液固化以及去除壳状外铸模之后需要的话将还保留在叶片体内的陶瓷的芯件利用苛性钠溶液等的浸析去除，该芯件可以事先置入以形成集成在叶片体内的空腔或冷却通道。

从叶片平台突伸出的钩状固定元件在制造工序上存在多方面的困难。制造蜡模已相当费事，因为为了形成固定钩需要具有大量的所谓的掩模元件或滑块的复杂蜡工具。从铸造技术方面看固定钩也是问题区域，因为仅能给模具壳结构中的侧凹较差地上砂并且在接下来的铸造过程由于其暴露的位置而总是导致气孔缺陷，亦即由于冷却钩件内的热收缩引起的材料缺陷。

此外通常也难以保持固定钩配合精确地处于所属安装槽内所要求的公差，尤其对于具有小比例曲率半径的设计方案而言。因此在随后涡轮机运行的过程在这些位置也可能会出现密封问题。最后，业已证明，固定钩在有关工作负荷下的磨损状况以及有关所允许的最大承受载荷方面都是涡轮叶片的薄弱环节。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种本文开头所述类型的导向叶片段，其在保持制造简单和成本低廉的情况下避免了铸造技术上的问题区域以达到特别可靠且安全地固定在对应的导向叶片支架上。此外还要提供一种适用于制造该导向叶片段的方法。

有关导向叶片段的技术问题是这样得以解决的，即，所述固定元件中的至少一个的至少一个分段是一个与叶片平台的背对叶身的一侧固定连接的、独立制造的构件。

本发明基于以下思考：导向叶片段的铸造材料通常应该在高的耐高温强度方面优化，以便确保较高的运行安全性和结构稳定性以及确保直接经受热工作介质的部分区域、尤其是使伸入到燃气轮机的流动通道内的叶身和叶片平台面对流动通道的表面具有尽可能长的寿命。但是这种设计，如目前业已证实的那样，对于在功能上还有在结构上与其余叶片段脱耦的固定元件包括固定钩在内可能不是最佳的，这些固定钩一方面通过前置的叶片平台仅遭受较小的热负荷，而另一方面必须承受相当高的机械负荷和支承及固持力。为了避免迄今存在的缺点，按照在此所介绍的方案建议，在功能上与其余导向叶片段脱耦的固定元件、亦即固定钩采用与相应技术功能相适配的一致材料制造并在此后才借助于适当的接合方法与其余固定元件或与例如以适当的铸造技术制造的、亦即整体式设计的其余导向叶片段的叶片平台连接。

为了达到与导向叶片或导向叶片段的叶片平台的持久连接，所述各固定元件优选包括以支承面贴靠在叶片平台的背侧的、背对热燃气的一侧上的连接元件。为了使支承力或固定力特别均匀地分布以及为了使固定元件相对叶片平台精确对准，所述连接元件相宜地设计为具有平的支承面的扁平连接板。为了实现较小的内装高度可以将该连接元件或连接板下沉地安置到叶片平台的对应凹槽中，在这种情况下尤其可以获得一种制造简单的导向叶片段，因为排除了导向叶片段钩的在铸件制造时难以达到的几何形状。

优选地，仅各固定元件的外侧的、背对叶片平台的分段是独立制造的以及例如借助于“补偿”接合、尤其通过钎焊将该外侧分段与成形于叶片平台上的内测分段连接。由此可以按相对粗略选择的公差制造出包括叶片平台和固定元件的成形分段的铸件。但是尤其优选的是，全部固定元件制造成独立的构件。

在导向叶片段的这种至少两个组成部分的设计中，不仅要根据“钩挂”地固定在导向叶片支架上的要求对固定元件进行材料选择方面的优化，例如针对承载能力、磨损和/或密封等方面优化材料的选择；此外例如还取消了本文开头所述的在制造蜡模或铸造过程中的疑难问题。尽管伴随着接合过程增加了工序，但由此使制造导向叶片段明显更简便。

在一项特别相宜的扩展设计中，各固定元件具有从叶片平台突伸出的成角形弯曲成的固定钩，固定钩的造型和轮廓与导向叶片支架的对应容槽相适配。对此一种可能的方案是一种基本上直的附壁型元件，其可插入到涡轮机外壳中的多边形支座中。

优选，所述连接元件形状闭合地固定在叶片平台的与该连接元件的形状相适配的凹槽内。这种形状闭合的连接例如通过下述方式实现，即，所述叶片平台在所述凹槽的边缘区域内具有多个分别在连接元件的背对所述支承面的一侧围夹所述连接元件的凸部。然后为了将固定元件安装在叶片平台上例如将连接元件从侧面插入到叶片平台的凹槽或容槽中，并且随后以适当的方式例如形状闭合地、传力地和/或材料相连地固定以防止侧向滑移。因为连接力主要由形状闭合地围夹连接元件的凸部承受，所以只需针对较小的负荷设计附加的固定装置。

作为连接元件与叶片平台之间的形状闭合连接的替代或补充方式，也可以采用优选通过钎焊或电焊实现的材料相连的连接方式。

各固定元件为了具有高的机械承载能力优选整体由一个单件式工件制成。在这种情况下例如可以将固定钩铣削或挤压成直的附壁型元件以及在第二个工序中按要求的半径弯曲。所述固定元件优选用比其余导向叶片段耐高温性低、但更坚固的材料制成。

相宜地，导向叶片或导向叶片段为了可靠地固定在导向叶片支架上而具有多个固定元件，在此每个固定元件都是一个按上述方式独立制造和设计的构件。

通常燃气轮机具有多个涡轮级，其中每个涡轮级包括多个沿周向围绕流动通道布设在涡轮机外壳上的导向叶片，这些导向叶片整体构成一个导向叶片圈。如开头所述的那样，在此多个相邻的导向叶片分别组合成一个导向叶片段或“多胎中的一个”。所述每个导向叶片或每个导向叶片段相宜地都具有一个带有钩状固定元件的叶片平台，其中钩结构轮廓有关弯曲角和/或弯曲半径的规定值通常随安装位置变化，也就是说，尤其与涡轮级或导向叶片圈有关。与之相关地，规格化或标准化地设计连接元件和对应的在叶片平台上的容槽或凹槽是特别有利的，借助于这些凹槽将固定元件与各自的叶片平台连接起来。用于通过弯曲形成固定钩的各附壁型元件在最初的“原始状态”对于所有的固定元件而言外表看起来都是一样。因此同一个固定元件原则上可以用于涡轮机的所有涡轮级。只是固定钩的弯曲半径和/或弯曲角必须根据当时的安装位置或当时的用途进行调整。相宜地还要在将连接元件与导向叶片段的叶片平台连接之前弯曲附壁型元件，因为这使弯曲过程操作和实施起来更容易。但是原则上也可以在将连接元件与叶片平台连接之后再将固定钩弯曲成所希望或所需要的形状。

利用本发明达到的优点尤其在于以下几点：

-可以根据钩挂要求对固定元件进行材料选择方面的优化，尤其是针对承载能力、磨损和/或密封等方面优化材料的选择；

-制造导向叶片或导向叶片段总体上变得明显更简便；

-可以更简单地调整或保持公差；

-钩结构外形可以标准地应用于基本上所有涡轮级/功率等级并且通过不同的弯曲半径可以适应于各种用途；

-避免了在铸件中铸造技术上的问题区域；

-用于导向叶片段的蜡模变得更简单以及具有更少的嵌入件或滑块。

这些优点在具有处于一个共同的叶片平台上的多个叶身的导向叶片段中比在单叶片中更为突出。

附图说明

下面借助附图对本发明具体实施实施方式予以详细说明。其中：

图1示出了按照第一种实施方式的具有固定元件的导向叶片；

图2示出了按照第二种实施方式的具有固定元件的导向叶片；

图3示出了按照第三种实施方式的具有固定元件的导向叶片。

在所有附图中相同的构件以相同的附图标记标注。

具体实施方式

在图1中按简略侧视图截取局部示出的导向叶片2包括沿叶片轴线4延伸成型的叶身6，在该叶身6上在叶根区域内成形有基本上横向于叶片轴线4定向的叶片平台8。在导向叶片已装入的状态下叶片平台8的面朝叶身6方向的“上表面10”构成(未示出的)燃气轮机内的导引热燃气的流动通道的外界面。在叶片平台8的背对叶身6的基本上平的“下表面”12或背面上具有一定数量的钩状固定元件14，借助于这些固定元件将导向叶片2悬挂在或固定在涡轮机外壳上的(未示出的)对应导向叶片支架中。在此所示出的截取局部的视图中仅能看到其中一个固定元件14，其安装成相对于所述轴向而言靠近叶身6的流出边；另外的固定元件布设在在此未详细示出的流入边附近。

固定元件14在保持制造简单及成本低廉的情况下特别能适应于与导向叶片支架中的钩挂结构相关的机械负荷。为此将固定元件14设计为独立的、与其余导向叶片无关地制造且事后才与导向叶片连接的构件，在这种情况下，固定元件14所采用的材料的耐高温性比叶身6和叶片平台8的材料低，但更坚固。

除了从叶片平台8的后侧12突伸出的近似直角弯折的固定钩18外，固定元件14还包括成形于其上的具有矩形基础面的连接板20。连接板20形状闭合地固定在叶片平台8的对应凹槽21内。连接板20以其支承面22平面地贴合在凹槽21的基础面上。凹槽21的深度相当于连接板20的厚度，使得在朝向叶片平台表面的边缘区域内达到无错差的过渡。

为了实现形状闭合的连接在按照图1的实施例中连接板20的两个相对置的纵边24斜切成，它们被在叶片平台侧凹槽21的边缘处平行于纵边24延伸的与其互补的凸部26围夹或围住。因此凸部26构成垂直于图纸平面延伸的导轨和固定轨，连接板20插入其中以达到安装固定元件14的目的。为了避免在此方向上发生不希望的滑动或移动，可以设置附加的在此未示出的固定器件。沿另外两个空间方向上的位移、即其一平行于叶片轴线4的方向以及其二沿轴向16的位移通过形状闭合地安装得以排除。相应的支承及固持力首先由连接板20的斜切纵边24和对应的叶片平台侧的凸部26承受。在连接板20的边长选择得较大时，每个长度段的有效力相对较小并因此可以较好地控制。当然，专业技术人员在不偏离图1所示的形状闭合的原则的情况下可以对固定元件14与叶片平台20之间的诸多细节进行改动。

图2所示的固定元件14与图1所示的以其连接板20下沉地安置在叶片平台8的对应凹槽21内的固定元件14类似，但区别在于不是形状闭合地固定。确切地说，连接板20通过在支承面22之间一定数量的钎焊点28与叶片平台材料相连地连接。对于所需要的高温钎焊市面上提供了多种钎焊/热处理，在这种情况下钎焊点的几何布局应该全面积地实施。钎焊方法的选择主要受对钎焊、材料接合和可接合性以及其他热处理方面的要求等工作条件的影响。

最后，图3表示这样一种方案，其中仅固定元件14的外侧分段30是一个独立制造的构件，而其余部分还是成形于叶片平台8之上的或者与叶片平台一起铸造而成。在一定程度上作为“适配器”有效作用的外侧分段30与瓶子的封闭盖类似为管件或镶框32，利用它包围固定元件14的叶片平台侧部分的外端部。将设计尺寸选择为，在置入填料之前形成松动的有间隙的可以与相应的安装位置处存在的几何指标相适配的支座，并且该支座同时补偿制造引起的误差和波动。在完成这种位置适配后固定元件14的两个部分通过在间隙34内施加的以及随后硬化的钎料36相互连接在一起。