CN100458106C - 涡轮发动机外壳径向间隙的优化方法 - Google Patents

涡轮发动机外壳径向间隙的优化方法 Download PDF

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Abstract

一种涡轮发动机(10)的定子组件的装配方法。该方法包括提供一个包括第一末端(120)和第二末端(122)的悬臂外壳(100)；和将一个次级零件(102)在该涡轮发动机内连接。该方法还包括将该外壳与一个框架(104)连接，使得该外壳在圆周方向围绕该次级零件的至少一部分延伸，使得使用不直接加工该外壳的内表面(130)的方法、可以在该次级零件和该外壳之间的径向，形成一个不均匀的径向圆周间隙(134)。其特征为，在该发动机工作过程中，该不均匀的径向圆周间隙变成基本上均匀的。

Description

涡轮发动机外壳径向间隙的优化方法
技术领域
本申请总的涉及涡轮发动机，尤其涉及在轴流式燃气涡轮发动机系统中所使用的结构外壳。
背景技术
轴流式燃气涡轮发动机通常包括多个次级零件，例如：风扇转子组件、增压器组件、压缩机和涡轮。该风扇转子组件包括一个风扇，该风扇又包括一组从一个转子轴沿径向向外伸出的风扇叶片。该转子轴将动力和回转运动从该涡轮传递至该压缩机和该风扇，并且在纵向被多个轴承组件支承。轴承组件支承该转子轴，并且一般包括放置在一个内滚道和一个外滚道内的滚动件。
结构壳体围绕着该涡轮机组延伸，在它们之间形成径向间隙。在涡轮发动机内形成的不合适间隙一例如(但不是限于)回转密封和静止零件之间，轴承元件和轴承滚道之间，轴承滚道和阻尼壳体之间，和/或转子叶片与周围壳体之间的间隙一可能对相应的涡轮机组的性能有不利的影响。然而，在发动机工作过程中，保持这种间隙的控制可能比较困难，因为该次级零件会受到可以改变该壳体和次级零件之间形成的间隙的扭曲。例如，在风扇组件的情况下，由发动机产生的轴向推力可以受到连接在该风扇组件和发动机框架之间的推力连杆的反作用。该推力连杆可使该框架变成椭圆，变成波瓣图形。这不会削弱该发动机的结构，而是可以影响到该风扇框架前面和后面的连接结构。
为了便于在发动机工作过程中，保持间隙基本上固定不变，至少一些已知的高压压缩机壳体和轴承壳体(例如在GE90-115发动机中使用的)，通过在装配过程中，在非圆条件下(称为预制波瓣条件)，直接偏心磨削该壳体或关键的孔来适应这种推力负载的偏移。由于推力负荷造成的扭曲基本上可抵消制造的椭圆形状，并使得在一个预先确定的工作推力点，该壳体孔基本上为圆形，这样，可以在径向保持相应的转子对定子和/或轴承的间隙。然而，直接加工这种零件是费时间的过程，在得到关键孔形状之前可能要重复几次加工。
发明内容
按照本发明，提供了一种装配涡轮发动机的定子组件的方法，所述方法包括：提供一个包括一第一末端和一第二末端的悬臂外壳；连接一轴承组件在该涡轮发动机内部；和将该外壳与一个框架连接，使得该外壳沿圆周方向围绕该轴承组件的至少一部分延伸，不需直接加工该外壳的内表面，而在该轴承组件和该悬臂外壳之间沿径向限定一个不均匀的径向圆周间隙；当该发动机不工作时，该径向圆周间隙保持不均匀，在预定的转子工作过程中，该不均匀的径向间隙(134)在该外壳和该轴承组件之间沿圆周方向变得均匀。
附图说明
图1为燃气涡轮发动机的示意图；
图2为可以在图1所示的发动机内使用的一个悬臂外壳的示例性示意图；
图3为图1所示的，并包括至少一个外壳的燃气涡轮发动机的一部分的横截面图；
图4为图3所示的，并沿着区域4所取的一个该燃气涡轮发动机的一部分的放大图；
图5为图3所示的，并沿着区域5所取的轴承组件的一部分的放大图；和
图6为图3所示的外壳的前端图。
具体实施方式
图1为燃气涡轮发动机10的示意图，它包括一个风扇组件12和一台核心发动机13。该核心发动机又包括一个高压压缩机14和一个燃烧室16。发动机10还包括一个高压涡轮18，一个低压涡轮20和一个增压器22。风扇组件12包括沿径向从一个转子圆盘26向外伸出的一组风扇叶片24。发动机10具有一个进气侧28和一个排气侧30。在一个实施例中，该燃气涡轮发动机为Cincinnatio，Ohio的通用电气公司销售的GE90。风扇组件12和涡轮20由第一根转子轴31连接，压缩机14和涡轮18由第二根转子轴32连接。
在工作过程中，空气在基本上与穿过发动机10的中心轴线34平行的方向上，沿轴向通过风扇组件12活动，并且压缩空气供给至高压压缩机14。高度压缩的空气输送至燃烧室16。从燃烧室16出来的气流(图1中没有表示)驱动涡轮18和20，而涡轮20又利用轴31驱动风扇组件12。
图2为可以在发动机10内使用的一个环形悬臂外壳46的示例性示意图。外壳40包括一个不支承端42，一个连接端44和一个在它们之间延伸的整体的体46。连接端44包括一个沿径向从该体46伸出的一个法兰48。更具体地说，在该示例性实施例中，法兰48基本上与该体46垂直，并包括一个法兰面50，一个连接面52和多个在它们之间延伸的，圆周上隔开的孔54。每一个孔54的尺寸作成可以容纳穿过的一个紧固件(图2中没有示出)，用于将外壳40与一个结构支承(图2中没有示出)连接。
法兰48沿径向在一个内表面60和一个径向外边缘62之间延伸。在该示例性实施例中，法兰内表面60与一个法兰槽口或径向定位器64作成一个整体。该径向定位器可使外壳40和法兰48相对于该结构支承对准。在另一个实施例中，法兰径向边缘62上作出一个法兰槽口64。
体46包括一个外表面70和一个相对的内表面72。该外表面70上作出多个轴向平面ΦA、ΦB和ΦC。当外壳40连接在发动机10内和围绕一个次级零件时，该每一个轴向平面至少部分地形成一个外壳径向间隙。在一个实施例中，该次级零件为在转子组件内的一个零件。在另一个实施例中，该次级零件为在一个静止结构内的一个零件。
图3为燃气涡轮发动机10的一部分的横截面图。该发动机包括一个悬臂外壳100，增压器外壳101和风扇转子组件12。图4为在发动机10中使用的、沿着区域4所取的用于燃气涡轮发动机10的轴承组件102的一部分的放大图。图5为沿着区域5所取的与发动机10一起使用的一个轴承组件102的一部分的放大图。图6为外壳100的前端图。
这里所用的术语“外壳”可以包括长度和直径比其厚度大得多的任何结构零件。例如，该外壳可以为(但不局限于)一个轴承壳体，一个增压器壳体，一个外增压器外壳，一个静止的密封支承或如这里所述起作用，并连接在发动机10内，使得在该外壳和一个次级零件之间形成一个径向间隙的任何结构零件。轴承壳体只是为了示例，不是限制术语“外壳”的定义和/或意义。另外，虽然本发明是结合燃气涡轮发动机说明的，更具体地说，是在燃气涡轮发动机的一个轴承组件中使用的。应当理解，本发明可以应用于其他燃气涡轮发动机零件，以及其他涡轮发动机。因此，本发明的实践不是仅限于燃气涡轮发动机的轴承壳体。
转子轴31可转动地与风扇转子圆盘26连接，并且利用多个支承转子轴31的轴承组件102，固定在一个结构框架104上。在该示例性实施例中，轴承组件102包括成对的滚道110和滚动件112。每一个轴承组件都放置在由框架104形成的一个轴承壳体的孔138内。
轴承壳体或外壳100包括一个上游端120，一下游端122和在它们之间延伸的一个外壳体124。该外壳体124包括一个外表面128和一个相对的内表面130。当该外壳100在发动机10内连接时，该内表面130至少部分地形成一个外壳径向间隙134。具体地说，当外壳100在发动机10内连接时，在轴承壳体孔138内，在外壳内表面130和轴承组件102的轴承外滚道114之间，在圆周方向形成径向间隙134。
外壳下游端122包括一个从该体124沿径向向外伸出的法兰140。更具体地说，在该示例性实施例中，法兰140基本上与体124垂直，并包括一个法兰面142，一个连接面144和在它们之间延伸的，在圆周上隔开的多个孔146。每一个孔146的尺寸作成可容纳穿过的一个紧固件150，用于使外壳100与风扇支承框架104连接。更具体地说，在该示例性实施例中，当外壳100与风扇支承框架104连接时，密封垫片152在法兰面142和框架104之间延伸。
在该外壳的下游端122，在一个法兰接头160内，利用紧固件150将外壳100与框架104连接。在该示例性实施例中，法兰接头160包括一个槽口162，它可使外壳100相对于风扇框架104位于径向，使该外壳100基本上与框架104同心地对准。孔164在圆周上隔开，其尺寸作成可容纳穿过的紧固件150。在一个实施例中，槽口162可与法兰槽口匹配，这样，槽口64(如图2所示)可使外壳100与框架104对准。
在将轴承壳体或外壳100与风扇框架104连接后，将非圆形的一个预先制的波瓣孔形状(例如图6所示的径向双波瓣形状180)—也称为“非圆形状态”—产生在孔138内的外壳体124中。在另一些实施例中，可以将其他的预定的瓣形(例如三个波瓣孔形状)产生在孔138内的外壳体124中。因此，在装配过程中，当将轴承壳体或外壳100固定在风扇框架104上时，在外壳体124和轴承外滚道114之间形成不均匀的径向圆周间隙。相反，如下面更详细地所述那样，在发动机10工作过程中，该径向圆周间隙基本上是均匀的。在该示例性实施例中，该不均匀的径向圆周间隙基本上在孔138内的外壳体124的整个轴向长度上形成。在另一些实施例中，在孔138内的外壳体124的不同的轴向位置上，该径向圆周间隙是变化的。
该预定的瓣形180和/或所形成的不同的径向间隙不是直接加工外壳的壳体内表面130形成的，而是如下面更详细地所述那样，不是直接加工孔138内的内表面130形成的。在一个实施例中，将框架对准槽口162加工成所希望的径向的预定的瓣形，使得当将外壳100与风扇框架104连接时，在装配过程中，在外壳体124和轴承外滚道114之间形成该所希望的不均匀的径向圆周间隙。在另一个实施例中，将一个法兰槽口(例如槽口64和/或在法兰的径向外边缘上作出的槽口)加工成所希望的径向预定的瓣形使得当外壳100与风扇框架104连接时，该非圆形的法兰槽口和风扇框架104之间的界面在外壳体124和轴承外滚道114之间形成在装配过程中保持不均匀的圆周方向内径向间隙。
在又一个实施例中，加工法兰面142，使该面142基本上不再与外壳体124垂直，而是在法兰面142的轴向方向上，基本上为非平面形的。因此，当利用紧固件150将法兰面142与风扇框架104连接时，加扭矩的紧固件迫使外壳100基本上平地压紧在风扇框架104上，使得变形形状通过外壳体124传递，并且在发动机10装配过程中，使在外壳体124和轴承外滚道114之间产生的径向圆周间隙保持不均匀。
在再一个实施例中，加工在该法兰接头160上形成的法兰面183，使得面160基本上不再与外壳体124垂直，而是在法兰面160的轴向方向，基本上为非平面形的。因此，当利用紧固件150将法兰面160与外壳体124连接时，加扭矩的紧固件迫使外壳100基本上平地压紧在风扇框架104上，使得变形形状通过该外壳体124传递，并且在发动机10装配过程中，在该外壳体124和轴承外滚道114之间形成的径向圆周间隙保持不均匀。
同样，在又一个实施例中，虽然法兰面142保持基本上与外壳体124垂直，但在该法兰面142和匹配的法兰接头160之间插入一个密封垫片(例如在该密封垫片轴向方向上延伸的厚度变化的密封垫片152)。因此，当通过该密封垫片152，利用紧固件150，将法兰面142与风扇框架104连接时，加扭矩的紧固件迫使外壳100压紧密封垫片152，使得变形形状通过外壳体124传递，并且在该外壳体124和轴承外滚道114之间形成在发动机10装配过程中不均匀的径向圆周间隙。
在再一个实施例中，使用一个已知的改装的加工夹具来制造外壳100。更具体地说，至少一些已知的用于制造外壳100的加工夹具，基本上与框架对准槽口162匹配。这种加工夹具经过改装，使得在该外壳与制造用的夹具连接之前，使与该槽口匹配的该夹具的一部分变形为所希望的预定的瓣形。然后，加工外壳100，使得靠近末端120和外壳体124处的内表面132基本上为圆形。因此，当从该加工夹具上取出外壳100时，外壳100和基本上为圆形的框架对准槽口162之间的界面，在装配过程中形成在该外壳体124和轴承外滚道114之间的所希望的不均匀的径向圆周间隙。
应当指出，该所希望的不均匀的径向圆周间隙不是仅限于只利用这里所述的制造方法制造，而可以利用其他的制造装配时该预先制的波瓣外壳孔形状的、该关键孔138不是直接加工的方法制造。还应指出，这里所述的制造方法不是仅限于轴承壳体外壳100，它只是外壳100的制造方法的一个例子。
在发动机10工作过程中，外壳100也会产生可以改变径向间隙134的发动机10内的扭曲。更具体地说，虽然在装配和发动机10不工作过程中，第二间隙保持不均匀，但在发动机预先确定的工作条件下工作的过程中，该外壳的预定的瓣形补偿由发动机10产生的推力偏移，并且在壳体孔138内变成基本上为圆形。因此，在发动机的这种工作过程中，在外壳体124和轴承外滚道114之间形成基本上均匀的径向间隙。
在该示例性实施例中，该外壳的预定的瓣形的偏移有利于在轴承外滚道114的圆周周围，在该外滚道114和外壳100之间形成容积固定的阻尼器轴承油膜，这样可提高加阻尼器的性能和轴承的使用寿命。在其他实施例中，当外壳100为增压器壳体和/或压缩机壳体时，外壳100的偏移可以减小叶片至壳体的流动通道的间隙和/或摩擦。也可改善相应的增压器和/或压缩机的性能。在另外一些实施例中，根据外壳100的应用情况，外壳100的偏移可以减小叶片至转子的密封间隙和摩擦，因此可改善整个发动机的性能。另外，根据外壳100的应用情况，外壳100的偏移可以形成轴承外滚道和壳体孔压配合(没有径向间隙)的基本上为圆形的轴承壳体。在这个实施例内，在一个特定的工作点，该轴承外滚道保持基本上为圆形，这样可增加轴承的使用寿命。
上述的外壳的成本不高，并且可靠性高。每一个外壳都与一个结构框架连接，使得在发动机不工作期间，在一个特定的轴向位置上，在该外壳内部形成的预定的瓣形可以形成保持不均匀的间隙。更具体地说，该外壳的内表面不是直接加工形成该不均匀的径向圆周间隙的，而是在装配时，通过使远离所监视的关键孔的该外壳形成预定的瓣形而形成预定的瓣形的外壳孔的形状。在发动机工作过程中，由于推力偏移，热偏移和/或由发动机或飞机工作引起的其他偏移，该外壳可能扭曲，造成必要在发动机工作过程中，使该间隙为最优。结果，该预定的瓣形可以在发动机工作时，延长该结构组件的使用寿命和提高其性能。
上面详细地说明了一个外壳的示例性实施例和在该外壳上形成预定的瓣形，以形成的不均匀的径向圆周间隙的方法。所述的外壳不是仅限于这里所述的具体实施例，而是该外壳可以与这里所述的燃气涡轮发动机零件独立地和分开地使用，例如，该外壳可以与其他涡轮发动机系统组分使用。
虽然已就各种具体的实施例说明了本发明，但业内人士知道，在权利要求书的精神和范围内可对本发明进行改造。
零件清单
10-发动机
12-风扇组件
13-核心发动机
14-压缩机
16-燃烧室
18-高压涡轮
20-低压涡轮
22-增压器
24-叶片
26-圆盘
28-进气侧
30-排气侧
31-转子轴
32-转子轴
40-外壳
44-连接端
46-体
48-法兰
50-法兰面
52-连接面
54-孔
60-内表面
64-法兰槽口/径向定位器
70-体外表面
72-体内表面
ΦA-轴向平面
ΦB-轴向平面
ΦC-轴向平面
100-外壳
101-增压器外壳
102-轴承组件
104-结构框架
110-成对的滚道
112-滚动件
120-外壳上游端
122-外壳下游端
124-外壳体
128-外表面
134-径向间隙
138-轴承壳体孔
140-法兰
142-外壳法兰面
144-连接面
146-孔
150-紧固件
152-密封垫片
160-法兰接头
162-槽口
164-孔
180-波瓣形状

Claims (7)

1.一种装配涡轮发动机(10)的定子组件的方法，所述方法包括：
提供一个包括一第一末端(120)和一第二末端(122)的悬臂外壳(100)；
连接一轴承组件(102)在该涡轮发动机内部；和
将该外壳与一个框架(104)连接，使得该外壳沿圆周方向围绕该轴承组件的至少一部分延伸，不需直接加工该外壳的内表面(130)，而在该轴承组件和该悬臂外壳之间沿径向限定一个不均匀的径向圆周间隙(134)；当该发动机不工作时，该径向圆周间隙保持不均匀，在预定的转子工作过程中，该不均匀的径向间隙(134)在该外壳和该轴承组件之间沿圆周方向变得均匀。
2.如权利要求1所述的方法，其特征为，该悬臂外壳(100)的至少一端(120和122)包括用于使该外壳与该发动机框架(104)方便对准的一个槽口(162)，还包括形成该外壳的槽口，使得由该槽口形成一个非圆形的匹配表面。
3.如权利要求2所述的方法，其特征为，还包括形成该槽口的具有一径向预制的瓣形的匹配表面。
4.如权利要求1所述的方法，其特征为，还包括加工在该发动机框架上限定的一个法兰面(142)，使得当该外壳贴靠该发动机框架法兰面连接时，形成不均匀的圆周径向间隙(134)。
5.如权利要求1所述的方法，其特征为，该发动机框架(104)包括一个用于使该外壳与该发动机框架容易对准的槽口(162)，还包括加工该框架槽口，使得由该框架槽口限定一个非圆形的匹配表面。
6.如权利要求1所述的方法，其特征为，该外壳的第一末端(120)和该外壳的第二末端(122)中至少一个末端包括一个法兰面(142)，还包括加工该法兰面，使得当该外壳与该发动机框架连接时，形成该不均匀的圆周径向间隙(134)。
7.如权利要求1所述的方法，其特征为，该外壳与该发动机的框架连接有利于在发动机工作过程中减少在该外壳和该轴承组件之间的径向间隙(134)。
CNB2004101048466A 2003-12-24 2004-12-24 涡轮发动机外壳径向间隙的优化方法 Active CN100458106C (zh)

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