CN109154194B - 用于燃气涡轮机轮叶组件的修复构件以及用于修复燃气涡轮机轮叶组件的受损轮叶的方法 - Google Patents

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Abstract

一种修复构件(200)包括：内平台部分(201)，所述内平台部分设计成替换受损轮叶的内平台的一部分；外平台部分(202)，所述外平台部分设计成替换受损轮叶的外平台的一部分；以及翼型件部分(204)，所述翼型件部分连接所述内平台部分)和外平台部分(201,202)，并且设计成替换受损轮叶的前缘部分或后缘部分；所述内平台部分(201)配置成接触所述受损轮叶的轮叶组件的第一环或环扇区的边缘，并且所述外平台部分(202)配置成接触所述受损轮叶的轮叶组件的第二环或环扇区的边缘；其中所述内平台部分(201)、所述外平台部分(202)和所述翼型件部分(204)配置成允许所述修复构件(200)通过纯平移运动***到所述轮叶组件(100)中，所述纯平移运动沿***方向并具有平行于所述第一环或环扇区以及第二环或环扇区(150,160)的轴线(153)的运动分量。

Description

用于燃气涡轮机轮叶组件的修复构件以及用于修复燃气涡轮 机轮叶组件的受损轮叶的方法
技术领域
本发明中所公开主题的实施例对应于用于燃气涡轮机轮叶组件的修复构件以及用于修复燃气涡轮机轮叶组件的受损轮叶的方法。
背景技术
燃气涡轮机的轮叶(即，静止的空气动力学部件)在燃气涡轮机操作期间可能受损。损坏通常是由机械应力和/或热应力引起的。
在石油和天然气领域中尤其如此，因为此领域中使用的机器是重型的。
所述轮叶的后缘特别易于受损，因为它们很薄。
此外，当多个孔例如冷却孔位于这些区域中时，后缘特别易于受损。
专利号为4,305,697的美国专利公开了一种用于修复(repairing)燃气涡轮机轮叶(即涡轮机的静止部件)前缘的解决方案。
根据此解决方案，所述轮叶(vanes)包括在轮叶组件中，所述轮叶组件包括为第一环扇区的形式的内平台、为第二环扇区的形式的外平台以及多个轮叶。从图中可以显而易见地看出，根据此解决方案，修复构件可以仅沿径向方向***到轮叶组件中。
根据此解决方案，***修复构件需要使修复构件相对于轮叶组件进行非常精确的水平(“水平(horizontal)”鉴于(considering专利号为4,305,697的美国专利中的附图，而“切向”鉴于旋转机器的轴线)运动；实际上，所述修复构件应定位成与小型上孔完全地水平对准。
根据此解决方案，定位所述修复构件需要使修复构件相对于轮叶组件进行非常精确的垂直(“垂直”鉴于专利号为4,305,697的美国专利中的附图，而“径向”鉴于旋转机器的轴线)运动；实际上，所述修复构件应定位成与待修复轮叶的表面完全地水平对准。如果专利号为4,305,697的美国专利的解决方案将用于修复具有多个孔的轮叶的后缘(而不是前缘)，则垂直定位精确度将更加关键，因为任何孔都应与对应进料导管的端部完全地对准。
专利号为4,326,833的美国专利中公开一种用于修复燃气涡轮机的叶片(blades)的前缘或后缘的解决方案(即涡轮机的旋转部件)。
根据此解决方案，所述叶片据推测包括在叶片组件中(在图中未显示)；当所述叶片的尖端为松的(loose)时，所述叶片的基部用作固定所述叶片。从图中可以显而易见地看出，更具体地在图2中，所述修复构件在所述叶片的基部区域不包括所述叶片组件的任何平台部分，更不用说在所述叶片的尖端；所述修复构件简单地在翼型件部分中。此外，所述修复构件可以沿着任何方向移到待修复的所述叶片；因此，定位所述修复构件需要使所述修复构件相对于所述叶片进行非常精确的垂直运动和水平运动。
发明内容
因此，通常存在改进用于修复燃气涡轮机轮叶组件的方法的需求，更确切地说，用于使所述方法更容易。
当损坏位于轮叶后缘(trailing edges)的区域中时，存在特定的需求。
这些需求对于“石油和天然气(Oil&Gas)”领域中使用的燃气涡轮机，即用于石油和/或天然气勘探、生产、贮存、精炼和分配装置中的机器而言特别高。
本发明中所公开主题的第一实施例涉及用于燃气涡轮机的轮叶组件的修复构件。
根据所述第一实施例，在用于燃气涡轮机轮叶组件的修复构件中，所述轮叶组件包括为第一环或环扇区(sector of ring)的形式(in the form of)的内平台(innerplatform)、为第二环或环扇区的形式的外平台(outer platform)以及多个轮叶，所述多个轮叶中的每个轮叶由前缘部分、后缘部分和主体部分组成；所述修复构件(repair member)布置成修复所述多个轮叶中的受损轮叶(damaged vane)，并且包括：
-内平台部分，所述内平台部分设计成替换(replace)所述受损轮叶的所述内平台的一部分，
-外平台部分，所述外平台部分设计成替换所述受损轮叶的所述外平台的一部分，以及
-连接所述内平台部分和外平台部分的翼型件部分，所述翼型件部分设计成替换所述受损轮叶的前缘部分或后缘部分；
所述内平台部分配置成接触(reach)所述第一环或环扇区的边缘(edge)，
所述外平台部分配置成接触所述第二环或环扇区的边缘；并且
所述内平台部分、所述外平台部分以及所述翼型件部分配置成允许所述修复构件通过纯平移运动(pure translation movement)***到所述轮叶组件中，所述纯平移运动沿着***方向并且具有平行于(parallel to)所述第一环或环扇区以及第二环或环扇区的轴线的运动分量(movement component)。
本发明中所公开主题的第二实施例涉及用于修复燃气涡轮机的轮叶组件的受损轮叶的方法。
根据所述第二实施例，在用于修复燃气涡轮机轮叶组件的受损轮叶的方法中，所述轮叶组件包括为第一环或环扇区的形式的内平台、为第二环或环扇区的形式的外平台以及多个轮叶，所述多个轮叶中的每个轮叶由前缘部分、后缘部分和主体部分组成；所述方法包括以下步骤：
A)提供修复构件，所述修复构件包括内平台部分、外平台部分和连接所述内平台部分和外平台部分的翼型件部分，
B)从所述多个轮叶中的所述受损轮叶的轮叶区域移除对应于所述修复构件的形状的材料，从而形成用于所述修复构件的空间，
C)通过纯平移方向运动将所述修复构件***至所述空间中，所述纯平移运动沿着(优选地只有一个)***方向并具有平行于所述第一环或环扇区以及第二环或环扇区的轴线的运动分量，以及
D)将所述修复构件固定到所述轮叶组件；
其中在步骤B中，移除所述内平台的一部分并且产生内导向件(inner guide)，以及移除所述外平台的一部分并且产生外导向件，并且
其中在步骤C中，通过沿所述内导向件滑动所述内平台部分并且沿所述外导向件滑动所述外平台部分来***所述修复构件。
附图说明
附图包括在本发明内并构成本发明的一部分，其中图示了本发明的示例性实施例，并且与具体实施方式部分一起解释这些实施例。在附图中：
图1示出环形轮叶组件的前部的局部三维视图(即，示出轮叶的前缘)，
图2示出环扇形轮叶组件的后部的局部三维视图(即，示出轮叶的后缘)，
图3示出待修复轮叶组件的实施例，
图4示出图3所示的轮叶组件，其中待拆除的一个轮叶区域突出显示，
图5示出图3所示的轮叶组件，其中一个轮叶区域被移除，
图6示出图3所示的轮叶组件，其中一个轮叶区域被修复，
图7示出用于修复图3所示的轮叶组件的修复构件的实施例，
图8包括图8A、图8B和图8C并示出待修复轮叶组件的实施例的轮叶的截面图，以及轮叶组件实施例的已修复轮叶的实施例的两个截面图(处于两个不同高度)，
图9示出已修复轮叶的第一实施例的截面图，
图10示出已修复轮叶的第二实施例的截面图，以及
图11示出已修复轮叶的第三实施例的截面图。
具体实施方式
下文将参考附图对示例性实施例进行说明。
以下说明并非限制本发明。相反，本发明的范围由随附权利要求书限定。
整个发明中提及的“一个实施例”或“实施例”表示结合实施例所描述的特定特征、结构或者特性包括在所公开主题的至少一个实施例中。因此，发明全文中不同地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”并不一定是指相同的实施例。另外，具体特征、结构或者特性可以以任何适当方式组合在一个或多个实施例中。
在燃气涡轮机中，定子轮叶分为一组或多组(sets)。每一组的轮叶布置成一个环并且属于一个或多个轮叶组件。在只有一个轮叶组件的情况下，所述轮叶组件覆盖360°的角度。在有N个轮叶组件的情况下，每个轮叶组件覆盖360°/N的角度。
图1示出环形(ring-shaped)轮叶组件的前部，并且可以看出轮叶的前缘。图1是三维视图。
图2示出环形轮叶组件的后部，并且可以看出轮叶的后缘。图2是三维视图。
图3示出包括第一轮叶110和第二轮叶120的轮叶组件100的实施例。下文中假设轮叶110受损，即使没有出现在图3中。
轮叶组件100包括内平台101、外平台102以及轮叶110和120；词语“内(inner)”和“外(outer)”是相对于涡轮机的轴线而言(图3中未示出)并且分别表示“更靠近轴线”和“更远离轴线”。平台101是环扇区150，并且具有前缘(front edge)151和后缘(rear edge)152；平台102是环扇区160，并且具有前缘161和后缘162；术语“前”和“后”指的是涡轮机内工作流体的流动(图中未示出)，并且分别表示“更靠近涡轮机入口”和“更远离涡轮机入口”。
轮叶110和120中的每一者包括前缘部分111和121(图3中未示出)、后缘部分112和122，以及主体部分113和123。从例如图3和图8A中可以看出，轮叶110和120中的每一者均为中空的，并且具有位于其后缘部分处的一组(例如冷却)孔115。
图4示出图3所示的轮叶组件，其中待移除轮叶110的一个轮叶区域突出显示(参见虚线)；此区域将作为其内存在损坏的区域(图3或图4中未示出)移除。
图5示出在移除存在损坏的受损轮叶110的轮叶区域之后的图3所示轮叶组件100。所移除的轮叶区域位于轮叶110的后缘处，并且包括内平台区域、外平台区域和翼型件区域。附图中的参考数字130是指被内平台101的被移除区域、外平台102的被移除区域以及轮叶110的翼型件的被移除区域所占据的空间；从下文中将清楚地了解，由内平台101的被移除区域占据的空间限定内导向件131，并且被外平台102的被移除区域占据的空间限定外导向件132。
图6示出图3所示的轮叶组件，其中轮叶110的一个轮叶区域通过修复构件200修复，所述修复构件200包括三个部分201、202和204。
用于修复受损轮叶110的修复构件200在图7中示出，并且它的一些细节在图8中示出。修复构件200包括：内平台部分201，所述内平台部分201设计成替换受损轮叶110的内平台101的一部分；外平台部分202，所述外平台部分设计成替换受损轮叶110的外平台102的一部分；以及连接内平台部分201和外平台部分202的翼型件部分204，所述翼型件部分204设计成替换受损轮叶110的后缘部分112。根据替代实施例，所述修复构件的翼型件部分设计成替换受损轮叶的前缘部分。
内平台部分201配置成接触边缘，确切地说接触环扇区150的后缘152(当处于修复位置时)，并且外平台部分202配置成接触边缘，确切地说接触环扇区160的后缘162(当处于修复位置时)。这表示所述内平台部分201和所述外平台部分202包括叶片组件环或叶片组件环扇区的(前或后)边缘的部分。
从图7中可以看出，修复构件200的翼型件部分204在非常靠近其端部的一侧上具有多个孔205(参见图8C)。在内部，修复构件200包括位于孔205之间的多个水平隔板(partitions)209(参见图8B)。图8B是穿过隔板209的翼型件部分204的水平截面图，并且图8C是穿过(例如冷却)孔205的翼型件部分204的水平截面图。
图8A示出轮叶110的前缘部分111、后缘部分112和主体部分113的示例性实施例；无论如何，这三个部分不对应于轮叶110的分离部分或部件，而是仅对应于轮叶110的不同区域。此外，图8A示出与轮叶110的脊线(camber line)的端部部分几乎一致的直线116、对应于环扇区150的后缘152的垂直段以及对应于环扇区150的轴线的水平段。
图8B和图8C示出处于修复位置的修复构件200，即修复构件200的翼型件部分204与受损轮叶110的主体部分113完全相邻。
内平台部分201、外平台部分202和翼型件部分204配置成允许修复构件200通过沿***方向(优选地只有一个)并具有平行于环扇区150的轴线(参见图8A中的参考数字153)的方向(也平行于环扇区160的轴线)的运动分量的纯平移(pure translation)方向运动***轮叶组件100中；所述纯平移方向可以完全与所述轴线平行，或者可以相对于所述轴线成角度倾斜，所述角度可以在例如+20°到-20°的范围内或在例如+10°到-10°的范围内。应注意，通常，环150、环160和燃气涡轮机的轴线是平行的。
内平台部分201、外平台部分202和翼型件部分204配置成允许修复构件200通过沿***方向(优选地只有一个)并具有平行于受损轮叶110的脊线(参见图8A中的参考数字116)的运动分量的纯平移方向运动***轮叶组件100中；所述纯平移方向可以完全与所述脊线平行，或者可以相对于所述脊线成角度倾斜，所述角度可以在例如+20°到-20°的范围内或在例如+10°到-10°的范围内。
优选地，修复构件200的翼型件部分204的边缘207和208(参见图8C)与翼型件部分204中的冷却孔205至少相距一定距离。距冷却孔205的所述距离优选地使得边缘207和208距离隔板209的端部1-4mm，使得修复构件200完全包括所有隔板209。
优选地，内平台部分的一个边缘、一些边缘或所有边缘至少与翼型件部分和内平台部分之间的倒角(fillet)相距一定距离(例如1-4mm)，并且外平台部分的一个边缘、一些边缘或者所有边缘至少与翼型件部分和外平台部分之间的倒角相距一定距离(例如1-4mm)。通过这种方式，修复构件200完全包括整个倒角(内侧和外侧)。鉴于图9的实施例，所述倒角标记成206，并且远端边缘标记成内平台部分710的712、713和714。鉴于图10的实施例，所述倒角标记成206，并且远端边缘标记成内平台部分810的812、813、814和815。鉴于图11的实施例，所述倒角标记成206，并且远端边缘标记成内平台部分910的912、913、914和915。
应注意，图9中的参考数字711表示修复构件200与具有受损轮叶110的挖空(excavated)轮叶组件100之间的接触表面，图10中的参考数字811表示修复构件200与具有受损轮叶110的挖空轮叶组件100之间的接触表面，并且图11中的参考数字911表示修复构件200与具有受损轮叶110的挖空轮叶组件100之间的接触表面。
通常，用于修复轮叶组件的受损轮叶的方法包括以下步骤：
A)提供修复构件，所述修复构件包括内平台部分、外平台部分和连接所述内平台部分和外平台部分的翼型件部分，
B)从所述受损轮叶的轮叶区域移除对应于所述修复构件的形状的材料，从而形成用于所述修复构件的空间，
C)沿某个方向将所述修复构件***所述空间中，以及
D)将所述修复构件固定到所述轮叶组件。
确切地说：
-所述修复构件的所述内平台部分设计成替换所述轮叶组件的所述内平台的一部分，
-所述修复构件的所述外平台部分设计成替换所述轮叶组件的所述外平台的一部分，
-所述修复构件的翼型件部分设计成替换所述轮叶组件的受损轮叶的前缘部分或(优选地)后缘部分。
根据一些优势实施例：
-在步骤B中，移除所述内平台的一部分并且形成内导向件，以及移除所述外平台的一部分并且形成外导向件，并且
-在步骤C中，通过沿内导向件滑动所述内平台部分并且沿所述外导向件滑动所述外平台部分来***所述修复构件；
确切地说，所述轮叶组件的内平台中的内导向件具有与修复构件的内平台部分相同的形状，并且轮叶组件的外平台中的外导向件具有与修复构件的外平台部分相同的形状。
参见图3、图4和图7，所述轮叶组件标记成100，受损轮叶标记成110，修复构件标记成200，内平台部分标记成201，外平台部分标记成202，翼型件部分标记成204，被移除材料的空间标记成130，内导向件标记成131，并且外导向件标记成132。
通常，上述方向具有平行于轮叶组件的轴线的分量。所述轴线可以是轮叶组件的内环和/或外环扇区的轴线(这两个轴线通常彼此平行并且平行于燃气涡轮机的轴线)。所述方向可以完全与这些轴线平行，或者可以相对于所述轴线成角度倾斜；所述角度可以在例如+20°到-20°或在例如+10°到-10°的范围内。
根据图9所示的实施例，***方向720与受损轮叶110的脊线的端部部分116平行(特别是重合(coincident))。
替代地，所述***方向可以与受损轮叶的脊线垂直或平行。
根据图10的实施例，所述***方向820平行于第一环扇区150的轴线153。
根据图11的实施例，***方向920在受损轮叶110的脊线的端部部分116与第一环扇区150的轴线153之间成角度。
步骤A可以通过微铸造(micro-casting)或增材制造(additive manufacturing)来执行。
步骤B可以通过放电机加工(electrical discharge machining)或铣削(milling)来执行。
步骤D可以通过钎焊(brazing)或焊接来执行。

Claims (13)

1.一种用于燃气涡轮机的轮叶组件（100）的修复构件（200），其中所述轮叶组件（100）包括为第一环或环扇区（150）的形式的内平台（101）、为第二环或环扇区（160）的形式的外平台（102）以及多个轮叶（110, 120），每个轮叶由前缘部分（111, 121）、后缘部分（112,122）和主体部分（113, 123）组成，所述修复构件（200）布置成修复所述多个轮叶（110,120）的受损轮叶（110），并且包括：
-内平台部分（201），所述内平台部分设计成替换所述受损轮叶（110）的所述内平台（101）的一部分，
-外平台部分（202），所述外平台部分设计成替换所述受损轮叶（110）的所述外平台（102）的一部分，以及
-连接所述内平台部分和所述外平台部分（201, 202）的翼型件部分（204），所述翼型件部分设计成替换所述受损轮叶（110）的前缘部分（111）或后缘部分（112）；
其中所述内平台部分（201）配置成接触所述第一环或环扇区（150）的后缘（152），并且
其中所述外平台部分（202）配置成接触所述第二环或环扇区（160）的后缘（162）；
其中所述内平台部分（201）、所述外平台部分（202）和所述翼型件部分（204）配置成允许所述修复构件（200）通过纯平移运动***到所述轮叶组件（100）中，所述纯平移运动沿***方向并具有平行于所述第一环或环扇区（150）以及所述第二环或环扇区（160）的轴线（153）的运动分量。
2.根据权利要求1所述的修复构件（200），
其中所述翼型件部分（204）设计成替代所述受损轮叶（110）的后缘部分（112）；
其中所述内平台部分（201）配置成接触所述第一环或环扇区（150）的所述后缘（152），并且
其中所述外平台部分（202）配置成接触所述第二环或环扇区（160）的所述后缘（162）。
3.根据权利要求1或2所述的修复构件（200），其中所述内平台部分（201）、所述外平台部分（202）和所述翼型件部分（204）配置成允许所述修复构件（200）通过沿***方向并具有平行于所述受损轮叶（110）的脊线（116）的运动分量的纯平移运动***到所述轮叶组件（100）中。
4.根据权利要求1或2所述的修复构件（200），其中所述内平台部分（201）的边缘（712,713, 714; 812, 813, 814, 815; 912, 913, 914, 915）至少位于距所述翼型件部分（204）与所述内平台部分（201）之间的倒角（206）一定距离处，并且其中所述外平台部分的边缘至少位于距所述翼型件部分与所述外平台部分之间的倒角一定距离处。
5.根据权利要求1或2所述的修复构件（200），其中所述翼型件部分（204）的边缘（207,208）至少位于距所述翼型件部分（204）中的冷却孔（205）一定距离处。
6.一种用于修复燃气涡轮机的轮叶组件（100）的受损轮叶（110）的方法，其中所述轮叶组件（100）包括为第一环或环扇区（150）的形式的内平台（101）、为第二环或环扇区（160）的形式的外平台（102），以及多个轮叶（110, 120），每个轮叶由前缘部分（111，121）、后缘部分（112, 122）和主体部分（113, 123）组成，所述方法包括以下步骤：
A)提供修复构件（200），所述修复构件包括内平台部分（201）、外平台部分（202）和连接所述内平台部分和外平台部分（201, 202）的翼型件部分（204），
B)从所述多个轮叶（110,120）中的所述受损轮叶（110）的轮叶区域移除对应于所述修复构件（200）的形状的材料，从而形成用于所述修复构件（200）的空间（130），
C)通过纯平移运动将所述修复构件（200）***至所述空间（130）中，所述纯平移运动沿***方向并具有平行于所述第一环或环扇区（150）以及所述第二环或环扇区（160）的轴线（153）的运动分量，以及
D)将所述修复构件（200）固定到所述轮叶组件（100）；
其中在步骤B中，移除所述内平台（101）的一部分并且产生内导向件（131），以及移除所述外平台（102）的一部分并且产生外导向件（132），并且
其中在步骤C中，通过沿所述内导向件（131）滑动所述内平台部分（201）并且沿所述外导向件（132）滑动所述外平台部分（202）来***所述修复构件（200）。
7.根据权利要求6所述的方法，
-其中所述内平台部分（201）设计成替换所述内平台（101）的一部分，
-其中所述外平台部分（202）设计成替换所述外平台（102）的一部分，并且
-其中所述翼型件部分（204）设计成替换所述受损轮叶（110）的前缘部分（111）或后缘部分（112）。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中所述***方向（720）平行于所述受损轮叶（110）的脊线（116）。
9.根据权利要求6或7所述的方法，其中所述***方向垂直于所述受损轮叶的脊线。
10.根据权利要求6或7所述的方法，其中所述***方向（820, 920）平行于所述第一环或环扇区（150）和所述第二环或环扇区（160）的轴线（153）。
11.根据权利要求7所述的方法，其中步骤A通过微铸造或增材制造来执行。
12.根据权利要求7所述的方法，其中步骤B通过放电机加工或铣削来执行。
13.根据权利要求7所述的方法，其中步骤D通过钎焊或焊接来执行。
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