CN1840956B - 机器壳体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器壳体(1)，特别是涡轮机器的壳体，其具有第一壳体部分(2)，该第一壳体部分沿着分界平面(4)与第二壳体部分(3)相接。为了在机器运行时避免壳体(1)的非对称变形，在分界平面(4)的区域内形成至少一个桥状突起(6)，借助该桥状突起，两个壳体部分(2、3)相互固定。至少一个桥状突起(6)垂直于分界平面(4)。该桥状突起(6)在分界平面(4)的一侧以第一桥状突起部分(7)与第一壳体部分(2)固定连接，而在该分界平面(4)的另一侧以第二桥状突起部分(8)与一个第二壳体部分(3)固定连接。

Description

机器壳体

技术领域

本发明涉及一种机器壳体，特别是一种几乎旋转对称的壳体，例如用于涡轮机，该壳体具有一个第一壳体部分，其沿着一个通常穿过机器轴的分界平面与一个第二壳体部分连接。

背景技术

在这种壳体的分界平面的区域内，至少形成一个凸缘，两个壳体部分借助该凸缘彼此固定。该凸缘通常在所述分界平面上延伸，并在那里构成壳体的一个壳体扩宽部分，该扩宽部分关于壳体纵向在径向上延伸，并通常到达壳体的整个轴向长度或壳体的外周。两个壳体部分在凸缘区域直接彼此螺栓连接，每个螺栓连接都垂直地穿过分界平面。

因此，两个壳体部分通常具有在分界平面内延伸的接触面，两个接触面沿分界平面彼此相邻并在各凸缘内通过螺纹连接而紧压在一起。

此外，这样的壳体还可以具有旋转对称的或几乎旋转对称的形状，至少对于涡轮机械是这样的，例如涡轮机或者压缩机。这种径向上突起的凸缘在两方面干扰着壳体，第一，盖凸缘部分的抵抗周向弯曲力矩(例如由于壁上的径向温度梯度而引起的热力矩)的刚性在局部上明显不同于周边的其余部分，第二，凸缘的附加质量和径向上的延伸导致壳体在凸缘区域的温度性能的改变。这两种干扰都会对壳体的变形特性产生不利的影响，使得在周向的压力和/或温度负荷恒定的情况下出现局部不同的弯曲和扭曲。因此，旋转对称的壳体在工作中不再具有圆形的横截面。

为了保持周边刚性不变，必须使凸缘的宽度为壁厚的约2至3倍。与此相反，由于要使热性能尽可能均匀并减小结构尺寸，凸缘又不该从壳体的其余(旋转)轮廓上突出。一方面，在周向上要有足够的抗弯刚度，另一方面，径向延伸又要小，对于这两个彼此矛盾的要求，在迄今公知的结构原理中很难找到有效的折中方案。

在这方面，在现有技术的各种公知的方案中也没有可以克服上述缺陷的壳体凸缘的替代连接方案，因为设置凸缘的主要目的是加大连接力，这使得局部付出周边刚性小和无法考虑所需的结构空间的代价。

在DE853451中描述了一种卡接结构，其通过楔型机构或曲柄机构由较小的水平卡紧栓销力产生了明显提高了的连接力。为了使连接力不会由于周边的壁拉伸和卡紧部位与壁中线之间的距离而施加过大的周边力矩，必须使凸缘特别窄，这进一步减小了周边刚性，但却使所需的径向结构空间足够大。

目的类似的一种替换建议是瑞士专利文献CH319355的主题，其中的连接力通过一个杠杆机构由较小的栓销卡紧力产生。与上述提议方案不同的是，由于凸缘的径向宽度很大，所以周边刚性也提高了，但却付出了空间要求大和因而不利于热性能的代价。

US2457073描述了上述两种原理的结合：用一个具有杠杆机构的卡子作用在一个厚度几乎不变的圆柱形壁上的一个狭窄的突出部上。在这一方案中，瞬时的热过程需要能引起均匀的温度分布，但分界平面上的抗弯刚度却很小。

US2276603也建议了一种具有用于提高连接力的楔型机构的卡具，其与上述DE853451中的相似。由于卡具与半壳体之间的剩余的竖直接触面很小，所以周边刚性很小，其目的显然仅仅是增大连接力。

最后，US2169092中建议用双T形的收缩拉杆来代替栓销。

总之，这里介绍的方案主要都是为了将两个壳体部分密封并形成较大的连接力，然而没有注意到周边刚性和质量分布问题以及非对称变形的危险。

这必然导致如下的结果，在为了在高机械负荷和热负荷时仍能保证尽可能高的旋转对称性而使凸缘区域质量分布尽可能均匀的情况下，按照这些方案，不可能使周向上的抗弯刚度很高。

然而，恰恰是在涡轮机械的情况下，壳体的非对称变形是一个麻烦的问题，因为壳体通常用于支撑静叶片以及在密封区域支撑动叶片。壳体的非对称变形会干扰流体流过涡轮机。特别是会形成或者扩大在动叶片与壳体侧密封区域之间的以及在静叶片与转子侧密封区域之间的径向间隙，这会导致叶片叶尖部处的绕流。当很大能量的流体围绕叶片绕流时，流体机械功率将会显著下降，从而没有功传递到叶片上。

发明内容

正如各权利要求的特征部分所述，本发明要解决的问题是提供开头所述的壳体的改进的实施形式，其尤其在壳体稳定性方面得到了显著的改善，其在分界平面处的周边刚性几乎恒定地等于其余部分壳体的周边刚性，同时，在分界平面区域的径向延伸充分适应其余部分的旋转轮廓。

按照本发明，这些问题通过独立权利要求的主题来解决。各种有利的实施形式是各从属权利要求的主题。

本发明基于如下的总体构想，设置至少一个桥状突起来取代尤其是水平的凸缘，该桥状突起垂直于分界平面延伸，在分界平面的两侧各有桥状突起的一部分，不仅其中的一部分与一个壳体部分固定连接并在周向上具有抗弯刚度，而且其中的另一部分也与另一壳体部分固定连接并在周向上具有抗弯刚度。这样的桥状突起构成了一种垂直于分界平面的锚固结构，通过这种锚固结构，两个壳体部分在分界平面上相接触地彼此固定连接。这样，可借助于桥状突起获得的分界平面处的局部抗弯刚度几乎理想地等于其余周边部分。此外，如果必要的话，通过相应的尺寸和/或附加结构件，桥状突起的抗拉强度比通常的垂直于分界平面穿过凸缘的螺栓连接大若干倍。但最重要的特征还是能抵抗弯力矩的周向连接，同时又能减小在分界平面上的径向延伸。

所述桥状突起可以在一个桥状突起部分上或者在两个桥状突起部分上分别与相应的壳体部分螺栓连接或者以其它方式连接。借助于这样的螺栓连接，可以通过调节螺栓连接的位置和/或数量和/或大小，得到在壳体部分与相应的桥状突起部分之间的连接的特别高的抗弯刚度，必要时，也得到在壳体部分与相应的桥状突起部分之间的连接的强度。

原则上，还可以将两个桥状突起部分中的每一个一体地集成在相应的壳体部分中。这就是说，所述桥状突起构成了各壳体部分的一个整体部分。通过这种方法，可以特别简单地得到壳体部分与集成在其上的或者与其一体的或者一体形成的桥状突起之间的固定连接，这样，桥状突起只有一侧与另一壳体部分可拆卸地连接。

一种附加的或替换的方案是，两个桥状突起部分中的至少一个形状吻合地与相应的壳体部分连接。适合的形状吻合连接例如为燕尾槽式连接、锤头式连接、或者卡紧式连接。通过形状配合，可以直接在桥状突起与相应的壳体部分之间传递特别大的力。这样，就可以省去用于在桥状突起和相应的壳体部分之间传递周边力矩的力偶和/或剪切力的螺栓。

本发明的壳体的其它的重要特征和优点将从下面的权利要求书、附图及结合这些附图所做的附图说明中得出。

附图说明

在附图中示出了本发明的优选实施例。下面对其进行详细的描述。图中具有相同或相似功能的部件用相同的标记表示。

图1至图9分别示出了本发明壳体在两个壳体部分的分界平面处的不同实施形式的横截面。

具体实施方式

参见图1至图9，本发明的壳体1包括第一壳体部分2和第二壳体部分3。两个壳体部分2、3沿着分界平面4相互邻接。在此，壳体1是机器壳体，优选是涡轮机械的壳体，例如涡轮机、燃气轮机、蒸汽轮机、压缩机或气体压缩机。在图示的各实施例中，壳体1是旋转对称的，但这不是必要的。本发明也可以采用其它的壳体形状并用于其它的机器类型。在机器运转时，壳体1的内部或外部可以承受过压。壳体1在内部或外部也可以承受热负荷。因此，壳体部分2、3受到很强的变形力。

为了将壳体部分2、3彼此固定，在分界平面4的区域内设有至少一个桥状突起6。由于壳体1如上所述受到很大负荷，所以桥状突起6也承受很大的负荷。在轴向上，桥状突起6基本上在壳体1的整个长度上延伸。也可以在壳体1的轴向上一个挨一个地设置多个这样的桥状突起6。显然，在壳体1的径向相对的分界平面4上也可以具有至少一个所述桥状突起6。

由于设置了桥状突起6，负荷不会导致壳体1的非对称变形，所以桥状突起基本上与壳体部分2、3的其余区域的强度和刚度值以及热性能(质量、壁厚、径向延伸)相同。

桥状突起6垂直于分界平面4延伸并贯穿整个分界平面4。因此，桥状突起6具有第一桥状突起部分7，其与第一壳体部分2位于分界平面4的同一侧。桥状突起6还具有第二桥状突起部分8，其与第二壳体部分3一样，位于分界平面4的另一侧。第一桥状突起部分7与第一壳体部分2固定连接。第二桥状突起部分8与第二壳体部分3固定连接。

在图1所示的实施形式中，桥状突起部分7和8与相应的壳体部分2、3螺栓连接。相应的螺栓连接9在图1中以虚线表示。螺栓连接9的数量和/或位置和/或尺寸根据所传递的力和力矩来选择。

为了能够在桥状突起6与壳体部分2、3之间传递特别大的力矩和力，在各桥状突起部分7、8上设置一接触面，即，在第一桥状突起7上设置第一接触面10，在第二桥状突起8上设置第二接触面11。与此互补，在第一壳体部分2上设置第一对应接触面12，而在第二壳体部分3上设置第二对应接触面13。在安装状态下，接触面10、11与各自的对应接触面12、13相互面接触。桥状突起6在壳体部分2、3上的连接适于这样完成，即，使各接触面10、11抵压在各相应的对应接触面12、13上。在图1所示的方案中，这通过桥状突起6与壳体部分2、3之间的、垂直于接触面10、11或对应接触面12、13的压紧来实现，这种压紧借助螺栓连接9形成。通过宽的接触面，更通过螺栓连接的多排设置，实现了良好的周边力矩传递，即使在螺栓力较小的情况下。通过这种压紧，还得到接触面10、11与对应接触面12、13之间的力传递，确切的说，通过桥状突起6在壳体部分2、3之间传递剪切力。为了提高所传递的剪切力，使接触面10、11的表面和/或对应接触面12、13的表面具有较大的摩擦系数。例如可以通过使各表面具有较大的粗糙度来提高摩擦系数。

在所示出的实施形式中，接触面10、11和对应接触面12、13在一个平面14上延伸，该平面与分界平面4相交。在所示的实施形式中，平面14垂直于分界平面4。本发明也包括接触面略微倾斜的实施形式，特别是接触面与壳体的对称平面呈镜像地倾斜的实施方式，倾斜的程度尤其便于装卸(图2a和4a)。

此外，在图1所示的实施形式中，壳体部分2、3在分界平面4的区域内也通过螺栓彼此连接。这在加工、安装和工作时具有优点，尤其是在壳体连接的密封方面。螺栓连接在图中以虚线示出并以标记15表示。在此，以通常方式使螺栓连接15穿过分界平面4，优选垂直地穿过。为了节省径向上的结构空间，特别是当附加的螺栓连接只用于加工或安装时，可以使普通螺栓与桥状突起在轴向上一个接一个地交替设置。

因此，在图1所示的实施形式中，可以以很低的成本在基本上以通常的方式构成凸缘的区域设置桥状突起6，以便通过这种方式显著改善凸缘5的刚性。

可以通过特别简单的方法为桥状突起6确定尺寸，使得可传递的拉伸力比用通常的螺栓连接能够传递的拉伸力大很多。此外，力矩刚性得到了提高。同时，这种桥状突起6比较紧凑，从而使壳体1的外轮廓不会或只会很小地影响其对称性。

桥状突起6例如可以为板状。桥状突起6也可以成杆状。如果为板状的桥状突起6，则桥状突起6在分界平面4上沿壳体1的纵向测得的纵向尺寸大于桥状突起6在垂直于分界平面4(即沿平面14测得的)的横向尺寸。可以通过相应数量的螺栓连接9，以足够的强度将一个板状的桥状突起6固定在壳体部分2、3上。与此不同，如果是杆状的桥状突起6，则桥状突起6的纵向尺寸小于桥状突起6的横向尺寸。当桥状突起6为杆状时，桥状突起6的纵向尺寸最好在一个厚度的区域内，该厚度在分界平面4和垂直于壳体1的纵向的方向上测得。

图2示出了另一种有利的实施形式，其中的平面14的位置这样选择，使得桥状起6完全或几乎完全位于壳体1的旋转对称的外轮廓16内。为了使桥状突起6具有形状的整体性，在两个壳体部分2、3上形成一个凹入部分20，桥状突起6以其桥状突起部分7、8插入该凹入部分。在图2中，接触及对应接触面10、11和12、13都位于一个平面内，该平面可以有利于加工，然而，大的壳体半径就意味着较大的桥状突起6。在这种情况下，一种替换方案是将桥状突起6缩小到传递力矩和力所需的尺寸，这时，如图2a所示，接触面或对应接触面10、11或12、13不再位于一个平面内。可以使接触面仍然是平面的，但按照钝角楔形方式布置两个接触面，还可以使其为任意的常见或不常见的数学曲线形状，例如呈一段圆弧。

优选使桥状突起6的设计能够达到如下效果，即在壳体1的横截面上，在壳体1的周向上，在分界平面4的区域内得到基本上不变的质量分布。通过这种方式，壳体1可以得到充分恒定的抗弯刚度。此外，在整个周边上得到基本上相同的热性能。这样，当机器在工作中承受负荷的情况下，就可以很容易使壳体1得到对称的变形。

尽管图1所示的本发明实施形式是这样的，即桥状突起6被连接在一个具有基本上按常规设计的凸缘区域5的壳体上，但在图2和图2a所示的变型方案以及后面的本发明的变型方案中，壳体的结构与现有技术偏差很大。

图3示出了一个与图2非常相似的实施形式，但是其中的桥状突起6不完全集成在壳体1的外部轮廓16中，而是沿径向略微从壳体轮廓16上突出。这样，对于最佳的螺栓连接分布来说，可以得到更大的径向空间，还可以使相对于较大的结构空间的成本的抗弯刚度曲线进一步优化，而热性能略微降低。

在如图4所示的实施形式中，桥状突起6的第二桥状突起部分8构成第二壳体部分3的一个整体的部件。就是说，在此实施形式中，桥状突起6不是单独的部件，而是在壳体部分2或3上一体成形出来的，在此是在壳体部分3上一体成形出来的。

与图2a相似，按照图4 a，在桥状突起6与壳体部分2或3一体的情况下，也可以使接触平面倾斜，或者呈曲线形状。

在图5至图8所示的实施形式中，采用形状吻合连接17，借此，各桥状突起部分7、8与相应的壳体部分2、3固定连接。这些形状吻合连接17都使两壳体部分2、3沿着分界平面4相互接触地固定。这就是说，形状吻合连接17阻碍了两壳体部分2、3之间的垂直于分界平面4的相对运动。

当除了周边力矩之外还需要传递很大的力时，这种附加的形状吻合连接17是有利的。特别是，它使螺栓连接可以只根据力矩传递来确定尺寸——这样，由于接触面比较高，从而螺栓间距较大，通常只需要较小的螺栓——不必由于附加的剪切负荷而添加螺栓。

具体地说，图5示出的变化形式涉及的形状吻合连接是一种卡合连接。这种卡合连接的优点是其关于壳体1的纵向可以在径向上安装。其中桥状突起6的端部18与壳体部分2、3的端部19重叠。

在图6所示的变化形式中，所述形状吻合连接17按照燕尾槽的形式设计，在此，桥状突起6的端部也与壳体部分2、3的端部互补地咬合。图6所示的桥状突起6关于壳体1的纵向必须在轴向上安装。

在图7所述的实施形式中，所述形状吻合连接17为一种锤头式的连接。与图6所示的变化形式相似，壳体部分2、3的端部19也构成与桥状突起6的端部18咬合的咬合部。这里的桥状突起6也是可以轴向安装的。

在这种形状吻合连接17中，如果将这种形状吻合连接设置在大致各接触面的中间，从而使力矩可以通过这种表面的支撑向两侧传递，或者将第二排这种连接设置在分界平面4附近，从而也通过适当的形状吻合连接在径向上经接触面传递周边力矩的力偶，螺栓连接9基本上都不要了，或者进一步减少(图7a)。

在按照图8的实施形式中，所述形状吻合连接17构成了接触面10、11和对应接触面12、13上的传递剪切力的形状吻合轮廓。细节图A示出了一种形状吻合轮廓构成齿啮合的变化形式，各接触面10带有轴向上的齿排，其与对应接触面12上形成的互补的齿排啮合。与此不同，细节图B示出了另一种实施形式，其中的形状吻合轮廓为波浪状的。接触面11上有若干波浪，它们基本上沿轴向延伸，并与在对应接触面13上形成的与其互补的波浪啮合。在这种实施形式中需要螺栓连接9来将接触面10、11压紧在对应接触面12、13上。

显然，在图8所示的实施形式中的形状吻合轮廓纯粹是一个例子，因此，从原理上讲，也可以采用其它适合的形状吻合轮廓。

在图1至图8所示的实施形式中，接触面10、11和对应接触面12、13都是位于平面14中，而在图9所示的实施形式中，接触面10、11及对应接触面12、13则具有弯曲的形状，因此沿着一段曲线延伸。所述弯曲朝向壳体1的内部。优选的是，该弯曲与壳体部分2、3上的一段弯曲同轴，即，与分界平面4区域内的壳体1的弯曲同轴。正如在图2所示的变化形式，在按照图9的实施形式中，在壳体部分2、3上也设置一个凹入部分20，桥状突起6插入该凹入部分中。在这种情况下，桥状突起6和凹入部分20相互以如下的方式相互匹配，即，桥状突起6埋入凹入部分中，特别是在壳体1的外轮廓16内延伸。

这里示出的实施形式纯粹都是例子，不构成对整体方案的限制。因此，除了旋转对称的壳体结构之外的壳体也属于本发明。也可以具有水平的分界平面，以及与此垂直的，即在竖直方向上的桥状突起，任何其它空间取向也是常见的实施形式，例如竖直的分界平面和水平的桥状突起。

此外，当然可以理解，一种实施形式的各特征都可以与另一实施形式的特征组合，这种组合没有偏离本发明的框架。特别是结合图1描述的附加特征，例如附加螺栓连接15、提高接触面10、11与对应接触面12、13的摩擦系数、桥状突起6的形状、螺栓连接9的定位、定尺寸和数量，这些都很容易转移到其它实施形式中。

特别是可以将不同的形状吻合连接17与螺栓连接9结合。例如，两桥状突起部分7、8中的一个可以通过第一形状吻合连接17，而两桥状突起部分8或7中的另一个通过第二形状吻合连接17，或只以螺栓连接9，固定在相应的壳体部分2、3上。

附图标记一览表

1.壳体

2.第一壳体部分

3.第二壳体部分

4.分界平面

5.凸缘

6.桥状突起

7.第一桥状突起部分

8.第二桥状突起部分

9.螺栓连接

10.第一接触面

11.第二接触面

12.第一对应接触面

13.第二对应接触面

14.平面

15.螺栓连接

16.外轮廓

17.形状吻合连接

18.6的端部

19.2或3的端部

20.凹入部分

Claims (10)

1.机器壳体，特别是涡轮式机器的壳体，具有第一壳体部分(2)，所述第一壳体部分沿分界平面(4)与第二壳体部分(3)相接，所述两个壳体部分(2、3)在所述分界平面(4)的区域内彼此固定，其特征在于：在所述分界平面(4)的区域内，取代尤其是水平的凸缘而设有至少一个桥状突起(6)，所述桥状凸起垂直于所述分界平面(4)延伸，在所述分界平面(4)的一侧，所述桥状突起的第一桥状突起部分(7)与所述第一壳体部分(2)固定连接，而在所述分界平面(4)的另一侧，所述桥状突起的第二桥状突起部分(8)与所述第二壳体部分(3)固定连接，所述桥状突起(6)这样与壳体部分(2、3)连接，使相应的接触面(10、11)压在相应的对应接触面(12、13)上。

2.如权利要求1所述的壳体，其特征在于：

- 所述桥状突起部分(7、8)中的至少一个与相应的壳体部分(2、3)螺栓连接，和/或，

- 这种螺栓连接或其它的连接特别适合于在周向上传递弯曲力矩，和/或，

- 所述桥状突起部分(7、8)中的一个为相应的壳体部分(2、3)的一个整体部分，和/或，

- 所述桥状突起部分(7、8)中的至少一个通过形状吻合连接(17)与相应的壳体部分(2、3)连接，和/或，

- 所述桥状突起部分(7、8)中的至少一个在所述壳体(1)的圆柱形外轮廓(16)中延伸，和/或，

- 所述桥状突起部分(7、8)中的至少一个在一个在相应的壳体部分(2、3)上形成的凹入部分(20)中延伸。

3.如权利要求1或2所述的壳体，其特征在于：至少在所述桥状突起部分(7、8)中的一个上形成一个接触面(10、11)，通过该接触面，所述桥状突起部分(7、8)面接触在相应的壳体部分(2、3)上形成的对应接触面(12、13)。

4.如权利要求3所述的壳体，其特征在于：

-各接触面(10、11)和/或相应的对应接触面(12、13)具有大摩擦系数的表面，和/或，

-各接触面(10、11)及相应的对应接触面(12、13)具有传递剪切力的互补的形状吻合轮廓，和/或，

-各接触面(10、11)及相应的对应接触面(12、13)沿着平面(14)延伸，该平面特别是与所述分界平面(4)垂直相交，和/或，

-各接触面(10、11)及相应的对应接触面(12、13)沿着一段朝向壳体

(1)内部的凹状弯曲延伸，该弯曲特别是与所述壳体部分(2、3)在所述分界平面(4)区域内的弯曲同轴地延伸。

5.如权利要求1至4中任一项所述的壳体，其特征在于：所述两个壳体部分(2、3)在所述分界平面(4)的区域内仅通过相应的桥状突起(6)彼此固定。

6.如权利要求1至4中任一项所述的壳体，其特征在于：所述壳体部分(2、3)在所述分界平面(4)的区域内附加以直接的相互螺栓连接。

7.如权利要求6所述的壳体，其特征在于：各螺栓连接(15)穿过所述分界平面(4)。

8.如权利要求1至7中任一项所述的壳体，其特征在于：

- 所述壳体(1)为轴对称的和/或圆筒状的和/或旋转对称的，和/或

- 所述壳体(1)在机器运行时受到内部或外部过压和/或热负荷。

9.如权利要求1至8中任一项所述的壳体，其特征在于：

- 至少一个所述桥状突起(6)为板状，其在所述分界平面(4)及所述壳体(1)的纵向上测量出的长度尺寸大于垂直于所述分界平面(4)测量出的横向尺寸，或

- 至少一个所述桥状突起(6)为杆状，其在所述分界平面(4)及所述壳体(1)的纵向上测出的长度尺寸小于垂直于所述分界平面(4)测出的横向尺寸。

10.如权利要求1至9中任一项所述的壳体，其特征在于：所述壳体部分

(2、3)在所述分界平面(4)的区域内以及各桥状突起(6)这样设计，使得在整个壳体周边上具有至少几乎不变的质量分布。

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