CN101205816B - 带有冠式法兰以改善外带低周疲劳的悬臂式喷嘴 - Google Patents

带有冠式法兰以改善外带低周疲劳的悬臂式喷嘴 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种带有冠式法兰以改善外带低周疲劳的悬臂式喷嘴，其中法兰(65)用于支撑包括至少一个弓形轨(66)的弓形部件，每个弓形轨具有内半径(141)、第一锥形位置(171)、第一锥形区域(168)、第二锥形位置(172)、第二锥形区域(169)，其中第一锥形区域的至少一部分的厚度逐渐减小，并且其中第二锥形区域的至少一部分的厚度逐渐减小。

Description

带有冠式法兰以改善外带低周疲劳的悬臂式喷嘴
技术领域
本发明总体上涉及对燃气轮机部件耐久性的改善，更具体地是，降低燃气轮机定子部件例如喷嘴段中的热应力。
背景技术
在一般的燃气轮机中，空气被压缩机压缩并在燃烧室中与燃料混合燃烧从而产生热燃气。该燃气通过具有一个或者多个级的高压涡轮(HPT)流向下游，其中一个或者多个级包括一个或者多个HPT涡轮喷嘴和多排HPT转子叶片。然后该燃气流向低压涡轮(LPT)，低压涡轮一般包括分别带有LPT涡轮喷嘴和LPT转子叶片的多级。HPT和LPT涡轮喷嘴包括多个径向位于外带和内带之间周向间隔开的固定喷嘴叶片。通常，每个喷嘴叶片是空心翼型，冷却空气通过其中。冷却空气通过沿外带喷嘴径向向外设置的单一管路提供给每个叶片。在一些经受较高温度的叶片中，例如HPT叶片，可以在每个空心翼型中插入一个缓冲挡板用于向翼型提供冷却空气。
涡轮转子级包括多个周向间隔开的从转子盘径向向外延伸的转子叶片，在工作期间转子盘输出转矩。沿涡轮转子级轴向向前布置的涡轮喷嘴通常成弓形段。每个喷嘴段具有两个或者多个连接在外带部分和内带部分之间的空心叶片。每个喷嘴段和护罩上悬架段通常在其径向外端由固定在环形外壳体上的法兰支撑。每个叶片具有一被冷却的空心翼型，空心翼型布置在形成内带和外带的内带板和外带板的径向之间。在一些设计中，内带和外带部分、法兰部分以及进气管都铸造在一起从而使叶片成单一铸件。在其它的一些设计中，叶片翼型插入到外带和内带中的相应开口中并沿交接面用铜焊接从而形成喷嘴段。
某些二级涡轮具有一从外带安装和伸出的悬臂第二级喷嘴。在第一和第二级转子盘之间有很少或者没有把该喷嘴段固定到内带上的通路。通常第二级喷嘴被构造成带有多个翼型或者叶片部分。称作双联体的两叶片设计是非常普遍的。称作三联体的三叶片设计在一些气轮机中也有应用。双联体和三联体在降低叶片之间分离线泄漏流动方面具有性能优势。但是，外带和安装结构的较长弦长会损害多叶片喷嘴的耐久性。较长的弦长会因通过该外带的温度梯度以及增加翼型和带应力的不一致性，导致弦应力的增大，例如，图6中所示的传统外带。热应力的增大可能会降低外带和涡轮叶片部分的耐久性。期望对用于支撑涡轮发动机部件例如涡轮喷嘴段的法兰进行设计，从而避免因外带和安装结构的较长弦长而损害多叶片部分的耐久性。还期望具有这样的涡轮喷嘴段，其避免因多叶片部分的较长弦长致使通过外带的温度梯度和增大翼型应力不一致性而导致弦应力增加。还期望具有这样的涡轮喷嘴段，避免在三联体或者其它多联体叶片部分的中间叶片附近应力增大，应力增大会限制该部分的寿命。
发明内容
一种法兰，用于支撑包括至少一个弓形轨的弓形部件，每个弓形轨具有内半径、第一锥形位置、第一锥形区域、第二锥形位置、第二锥形区域，其中第一锥形区域的至少一部分的厚度逐渐减小，并且其中第二锥形区域的至少一部分的厚度逐渐减小。
附图说明
在说明书的以上部分中具体指出并清楚地提出了本发明的主题。下面结合附图对本发明的优选实施例以及进一步的目的和优点进行详述，其中：
图1是涡轮喷嘴、护罩、护罩悬架和气轮机壳体装配后的纵向剖视图。
图2是图1中所示喷嘴段的透视图。
图3是图2中所示喷嘴段的外带以与一侧成一角度轴向向后看的透视图。
图4是图2中所示喷嘴段的外带以与另一侧成一角度轴向向后看的透视图。
图5是减小厚度的弧形法兰的实施例的示意图。
图6所示的透视图是常规设计的喷嘴段的常规设计的外带的一部分，其中示出了在一些设计中可能产生的应力分布。
图7所示的透视图是根据本发明实施例的外带的一部分，其中示出了降低的应力分布。
图8示出了在常规设计的外带和根据本发明实施例的外带中最大应力位置附近的相对应力梯度。
具体实施方式
参考附图，其中相同的参考标记在各种视图中表示相同的元件，图1示出的是包括第1级涡轮转子25，第2级涡轮转子95以及位于它们之间的第2级涡轮喷嘴40的涡轮级10的一部分。涡轮叶片20和90分别围绕第1级和第2级涡轮转子的边缘周向布置。
如图2所示，涡轮喷嘴段40包括内带80、外带50以及在内带和外带之间延伸的叶片45。涡轮喷嘴段40通常具有多种叶片结构，每个喷嘴段包括多个连在内带80和外带50上的叶片45。图2中所示的喷嘴段40每组中有三个叶片45。涡轮喷嘴叶片45往往是中空的，如图2所示，从而冷却空气能够穿过空心翼型进行循环。涡轮喷嘴段，当装配到发动机上时，形成一环形涡轮喷嘴段件，其中内和外带80、50形成环形流路表面，热气体穿过该流路表面并被翼型导向下面的涡轮转子级。
包括外带的喷嘴段可以用具有叶片翼型、外带和内带的单一铸件制成。作为替换，喷嘴段可以把单独的子部件例如叶片翼型、外带和内带通过连接，例如用铜焊接来形成。图4和5示出了这样一个子部件，具有翼型切口65的外带50，其中叶片翼型45能插入到切口65中并通过合适的方法例如用铜焊接结合在一起。
每个喷嘴段40的外带50和内带80具有弓形形状，从而当多个喷嘴段装配成一个完整的涡轮喷嘴段件时形成一环形的流路表面。如图1所示，外带50包括外带前板55，前法兰59和位于前法兰59轴向尾部的后法兰56，它们用于为喷嘴段40提供径向支撑。前法兰59包括一从第一端57延伸到第二端58的前弓形轨51，其中第二端58和第一端57离开一定的周向距离，如图3和4所示。类似地，后法兰56包括一从第一端57延伸到第二端58的后弓形轨53，其中第二端58和第一端57离开一定的周向距离。在装配时，前弓形轨51与从壳体70延伸出的前喷嘴支撑件52中的弓形凹槽间隙配合连接。后弓形轨53通过C形夹具连接到带有壳体后法兰的壳体上。
图5中示出了本发明的一个实施例，其用于降低由弓形法兰支撑的弓形部件中的弦应力。弓形部件具有弓形轨，例如图3和4所示的前弓形轨51，弓形轨在另一个部件例如图1中所示的前喷嘴支撑件中的相应弓形凹槽内提供支撑。如图5所示，弓形轨具有在第一端57和第二端58之间连续的恒定的内半径141。与传统弓形支撑轨的设计不同，在本发明的实施例中弓形轨的厚度在第一端57和第二端58之间是变化的，从而降低由弓形轨支撑的弓形部件中的弦应力。在图5所示的实施例中，在第一锥形区域168和第二锥形区域169中弓形轨的厚度逐渐减小。具体地，弓形轨的厚度从第一锥形位置171处的值“t”减小到第一端57处的值“t1”，从第二锥形位置172处的值“t”减小到第二端58处的值“t2”。通过在选定的区域锥形化来使弓形轨的厚度变化，这样使得弓形轨在热量变化期间在与之啮合的弓形凹槽内更适于膨胀，同时保持中间区域的厚度以防止热气体通过凹槽泄漏。
能够以各种方式在第一锥形区域168和第二锥形区域169中引入锥度。例如，可以通过在锥形区域168和169的外面部分上研磨一平面来引入锥度。另一种引入锥度的方法是在第一锥形位置171和第二锥形位置172之间使用第一锥形半径161、第二锥形半径162以及外半径153，如图5所示。通过在轨内中心140和轨外中心160之间选择一个合适的偏移量可以获得任何需要的厚度。
在喷嘴段的外带的优选设计中(图3，4)，在弓形轨外表面上的中点处第一锥形位置171和第二锥形位置172是重合的。第一锥形半径161和第二锥形半径162是相等的。对于喷嘴段的外带，前弓形轨51的内半径141是12.596英寸，外半径153是12.686英寸，第一锥形半径161是11.786英寸，第二锥形半径162是11.786英寸。弓形轨的厚度的减小量从中点处的大约0.0000英寸到第一端57和第二端58处的大约0.0135英寸变化。
图7中示出了涡轮喷嘴段的外带中的应力降低的一个示例，其中应力是在热梯度存在时通过所述优选实施例，即通过增大弓形轨的弯曲能力降低的。在外带中中间叶片前缘附近的峰值应力与图6中所示的常规设计的外带的结果相比降低了。本发明优选实施例的应用所导致的外带中应力降低也扩展到了外带上的其它区域，如图8中应力梯度曲线所示。优选的实施例的外带相对应力分布192明显低于常规设计的外带相对应力分布191。
根据本发明已经详述的各种具体实施例，本领域技术人员可以在权利要求的精神和范围内作出修改。

Claims (20)

1.一种法兰，用于支撑包括至少一个弓形轨的弓形部件，每个弓形轨具有内半径、第一端、与第一端离开周向距离定位的第二端、与第一端离开第一锥形距离定位的第一锥形位置、设置在第一端和第一锥形位置之间的第一锥形区域、与第二端离开第二锥形距离定位的第二锥形位置、设置在第二端和第二锥形位置之间的第二锥形区域，其中，第一锥形区域的至少一部分的厚度在第一锥形位置和第一端之间逐渐减小，第二锥形区域的至少一部分的厚度在第二锥形位置和第二端之间逐渐减小，同时保持中间区域的厚度。
2.如权利要求1所述的法兰，其特征在于，在第一锥形位置和第二锥形位置之间法兰的厚度基本上是恒定的。
3.如权利要求1所述的法兰，其特征在于，第一锥形距离和第二锥形距离基本上是相等的。
4.如权利要求3所述的法兰，其特征在于，第一锥形距离和第二锥形距离基本上等于第一端和第二端之间的周向距离的一半。
5.一种用于涡轮喷嘴的外带，包括：
前弓形轨、从前弓形轨轴向向后布置的后弓形轨，前弓形轨具有内半径、第一端、与第一端离开周向距离定位的第二端、与第一端离开第一锥形距离定位的第一锥形位置、设置在第一端和第一锥形位置之间的第一锥形区域、与第二端离开第二锥形距离定位的第二锥形位置、设置在第二端和第二锥形位置之间的第二锥形区域，其中，第一锥形区域的至少一部分的厚度在第一锥形位置和第一端之间逐渐减小，第二锥形区域的至少一部分的厚度在第二锥形位置和第二端之间逐渐减小，同时保持中间区域的厚度。
6.如权利要求5所述的外带，其特征在于，在第一锥形位置和第二锥形位置之间法兰的厚度基本上是恒定的。
7.如权利要求5所述的外带，其特征在于，第一锥形距离和第二锥形距离基本上是相等的。
8.如权利要求7所述的外带，其特征在于，第一锥形距离和第二锥形距离基本上等于第一端和第二端之间的周向距离的一半。
9.一种用于涡轮喷嘴的外带，包括：
前弓形轨、从前弓形轨轴向向后布置的后弓形轨，后弓形轨具有内半径、第一端、与第一端离开周向距离定位的第二端、与第一端离开第一锥形距离定位的第一锥形位置、设置在第一端和第一锥形位置之间的第一锥形区域、与第二端离开第二锥形距离定位的第二锥形位置、设置在第二端和第二锥形位置之间的第二锥形区域，其中，第一锥形区域的至少一部分的厚度在第一锥形位置和第一端之间逐渐减小，第二锥形区域的至少一部分的厚度在第二锥形位置和第二端之间逐渐减小，同时保持中间区域的厚度。
10.如权利要求9所述的外带，其特征在于，在第一锥形位置和第二锥形位置之间法兰的厚度基本上是恒定的。
11.如权利要求9所述的外带，其特征在于，第一锥形距离和第二锥形距离基本上是相等的。
12.如权利要求11所述的外带，其特征在于，第一锥形距离和第二锥形距离基本上等于第一端和第二端之间的周向距离的一半。
13.一种涡轮喷嘴段，包括：
至少一个在外带和内带之间径向延伸的翼型，外带具有前弓形轨、从前弓形轨轴向向后布置的后弓形轨，前弓形轨具有内半径、第一端、与第一端离开周向距离定位的第二端、与第一端离开第一锥形距离定位的第一锥形位置、设置在第一端和第一锥形位置之间的第一锥形区域、与第二端离开第二锥形距离定位的第二锥形位置、设置在第二端和第二锥形位置之间的第二锥形区域，其中，第一锥形区域的至少一部分的厚度在第一锥形位置和第一端之间逐渐减小，第二锥形区域的至少一部分的厚度在第二锥形位置和第二端之间逐渐减小，同时保持中间区域的厚度。
14.如权利要求13所述的涡轮喷嘴段，其特征在于，在第一锥形位置和第二锥形位置之间法兰的厚度基本上是恒定的。
15.如权利要求13所述的涡轮喷嘴段，其特征在于，第一锥形距离和第二锥形距离基本上是相等的。
16.如权利要求15所述的涡轮喷嘴段，其特征在于，第一锥形距离和第二锥形距离基本上等于第一端和第二端之间的周向距离的一半。
17.一种涡轮喷嘴段，包括：
至少一个在外带和内带之间径向延伸的翼型，外带具有前弓形轨、从前弓形轨轴向向后布置的后弓形轨，后弓形轨具有内半径、第一端、与第一端离开周向距离定位的第二端、与第一端离开第一锥形距离定位的第一锥形位置、设置在第一端和第一锥形位置之间的第一锥形区域、与第二端离开第二锥形距离定位的第二锥形位置、设置在第二端和第二锥形位置之间的第二锥形区域，其中，第一锥形区域的至少一部分的厚度在第一锥形位置和第一端之间逐渐减小，第二锥形区域的至少一部分的厚度在第二锥形位置和第二端之间逐渐减小，同时保持中间区域的厚度。
18.如权利要求17所述的涡轮喷嘴段，其特征在于，在第一锥形位置和第二锥形位置之间法兰的厚度基本上是恒定的。
19.如权利要求17所述的涡轮喷嘴段，其特征在于，第一锥形距离和第二锥形距离基本上是相等的。
20.如权利要求19所述的涡轮喷嘴段，其特征在于，第一锥形距离和第二锥形距离基本上等于第一端和第二端之间的周向距离的一半。
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