CN101230800B

CN101230800B - 涡轮机转子支撑设备和系统

Info

Publication number: CN101230800B
Application number: CN2008100037782A
Authority: CN
Inventors: K·D·布莱克; G·A·克拉姆; S·M·伊拉姆
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-01-22
Filing date: 2008-01-22
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2028-01-22
Also published as: JP2008175206A; US20100272558A1; CN101230800A; JP5225695B2; KR101437172B1; US8083471B2; KR20080069131A

Abstract

本发明涉及涡轮机转子支撑设备和系统。披露了一种支撑布置在支撑表面(55)上的涡轮发动机(100)的转子的设备。该设备包括壳体(220)、布置在该壳体(220)内的转子支撑轴承、和与该壳体(220)可操作连通且与支撑表面(55)直接结构连接的支撑腿(245)。

Description

涡轮机转子支撑设备和系统

技术领域

本披露一般地涉及涡轮机，且特定地涉及涡轮机转子支撑件。

背景技术

当前的燃气涡轮发动机采用轴承以支撑其中的转子。轴承布置在附接到排气框的内部结构的轴承壳体内。排气框的内部结构位于排气气体的环形流动区域内部且通过多个支柱被连接到位于燃气涡轮机的环形流动区域外部的外部结构。排气框，包括内部和外部结构和支柱，从结构钢制成且支撑转子并给轴承壳体提供刚度。每个从内部结构突出到外部结构的支柱生成排气流动的空气动力学障碍，以及附随的对效率损失的影响。因此，在转子支撑刚度和操作效率之间存在工程折中。另外，由于结构钢不能够承受涡轮机排气温度，一般需要冷却空气。冷却空气通常通过辅助鼓风机提供，鼓风机由发动机供给动力且因此导致进一步的发动机效率损失。

因此，本领域中需要克服这些限制的涡轮机转子轴承支撑件布置。

发明内容

本发明的实施例包括支撑布置在支撑表面上的涡轮发动机的转子的设备。该设备包括壳体、布置在壳体内的转子支撑轴承、和与壳体可操作连通且与支撑表面直接结构连接的支撑腿。

本发明的另一实施例包括布置在支撑表面上的涡轮发动机系统。该涡轮发动机系统包括定子、布置在定子内的转子、与转子可操作连通的转子支撑轴承、环绕转子支撑轴承的壳体、和与壳体可操作连通且与支撑表面直接结构连接的支撑腿。

从结合附图提供的本发明优选实施例的以下详细描述，这些和其他优势和特征将更容易理解。

附图说明

参见附图，其中在附图中相同元件类似地标记：

图1描绘根据本发明实施例的涡轮发动机的下游段；

图2描绘根据本发明实施例的轴承支撑结构的端透视图；

图3描绘根据本发明实施例的轴承支撑腿的顶透视图；

图4描绘根据本发明实施例的轴承支撑腿的顶透视图；

图5描绘根据本发明实施例的轴承支撑结构的下部截面图；

图6描绘根据本发明实施例的轴承支撑结构的端视图；和

图7描绘根据本发明实施例的轴承支撑结构的侧截面图。

具体实施方式

本发明的实施例提供一种轴承支撑系统以保持转子的下游或后端，其从支撑系统分离，在此也称为排气框，用于定子机壳组的下游或后端。如在此所使用的，由术语“后”指示的相对位置指的是所关心的位置布置在相对于涡轮发动机的排气气体流动的下游，或向出口。在一个实施例中，一个或更多支撑腿用在每个腿的内端处的大环支撑轴承壳体。轴承壳体的外侧被加工为使得环(其具有拼接)能够以滑配合连接方式围绕壳体的外径固定。在一个实施例中，没有延伸到排气框以保持紧邻轴承壳体布置的内筒的支柱或其他机械装置。内筒通过以下方法至少之一支撑：固定到轴承壳体，以及固定到轴承支撑腿。在另一实施例中，内筒是轴承壳体的整体部件。

现在参见图1，描绘涡轮发动机100的后段105的实施例。为了说明目的，涡轮发动机100的进口已经移除。后段105包括涡轮机外壳110、排气框115、和外部扩散器120。方向线99指示排气气体从涡轮发动机100流动的方向且限定发动机100的轴向方向。涡轮发动机100被安装到支撑表面55。如在此所使用的，术语“支撑表面”包括涡轮发动机100可以安装到其上的任何合适的表面。支撑表面55包括能够例如定位在地面上，例如地基上的静止表面，并且也包括移动表面或例如布置在飞机、船或直升机内的结构。排气框115通过支撑件125支撑外部扩散器120，以及涡轮发动机100的定子(前端未示出)。尽管由能够提供适当的强度和刚度的诸如结构钢的材料制成，排气框115不能够承受来自涡轮发动机100的排气气体的温度。然而，外部扩散器120由诸如不锈钢的材料制成，其能够承受来自涡轮发动机100的排气气体的温度，且从而将排气框115屏蔽以免暴露到排气气体的温度。排气框115构造为具有终止于外部扩散器120上游的轴向长度，以减少从外部扩散器120传递到排气框的热的量。如图1所示，这种构造允许消除冷却空气在排气框115和外部扩散器120之间输送。这因此减少上文提到的无效率。在一个实施例中，排气框115被附接到涡轮机外壳110。在另一实施例中，涡轮机外壳110包括排气框115。

在一个实施例中，外部扩散器120是包括水平接头121的两件式外部扩散器120。构造为具有终止于外部扩散器120上游的轴向长度的排气框115的使用允许通达两件式外部扩散器120的水平接头121，从而水平接头121可以包括紧固件，例如螺栓，以稳固地将两件式外部扩散器120的水平接头121夹紧在一起。稳固地夹紧两件式外部扩散器120的水平接头121减少周围空气泄漏到排气气体中，这种泄漏具有减少随后的组合循环(其中来自涡轮发动机100的排气气体被用作媒介以增加水或蒸汽的热能)的效率的作用。

外部扩散器120包括一组翼片123，以提供对内部扩散器740的结构支撑(参见图7最佳地看出)。如以下进一步所述的，翼片123的至少两个包括轴承支撑腿。

现在参见图2，描绘涡轮发动机100的后段105的图。应当理解的是，方向线99指示排气气体流动的方向。轴承支撑结构210包括轴承壳体220、内筒230、和轴承支撑腿245、255，在此也称为“第一支撑腿”和“第二支撑腿”。为了清楚起见，外部扩散器120和内部扩散器740从图2的视图中移除。轴承支撑结构210通过布置在轴承壳体220内的转子的后端处的轴承支撑涡轮发动机100的转子(未示出)。支撑腿245、255的第一位置201与轴承壳体220可操作连通且支撑轴承壳体220。支撑腿245、255的第一位置201包括结构接口以支撑轴承壳体220。支撑腿245、255的第二位置202被安装到支撑表面55，或与支撑表面55直接结构连接。在一个实施例中，支撑腿245、255独立于排气框115与支撑表面55直接结构连接。在一个实施例中，轴承支撑腿245、255的至少一个的第二位置202包括枢轴支撑件246、256，其允许各自的轴承支撑腿245、255围绕枢轴支撑件246、256旋转的自由。

尽管实施例已经描述为具有两个支撑腿245、255，应当理解的是，本发明的范围并不如此限制，且本发明也应用于具有其他数量支撑腿的轴承支撑结构210，例如一个、三个、四个、或更多。

现在参见图3，描绘支撑腿245。在一个实施例中，支撑腿245结合结构接口247生成环243以保持轴承壳体220，结构接口247在此也称为“第一结构接口”，例如紧固到支撑腿245的夹子。环243限定具有中心线252的圆形钻孔250，在此也称为“钻孔”，钻孔250定尺度为匹配轴承壳体220的外径。在一个实施例中，环243的钻孔250表面包括防摩擦材料251。防摩擦材料251将减少引起环243相对于轴承壳体220旋转需要的力的量。在一个实施例中，环243的从钻孔250径向向外延伸或突出的至少一个凸缘表面249或侧面包括防摩擦材料251。在一个实施例中，防摩擦材料251包括衬套材料，例如铝青铜。支撑腿245提供多个枢轴，例如钻孔250和枢轴支撑件246。

现在参见图4，描绘了轴承支撑腿255。轴承支撑腿255结合结构接口257生成环253以保持轴承壳体220，结构接口257在此也称为“第二结构接口”，例如夹子。环253限定具有中心线262的圆形钻孔260，在此也称为“钻孔”，钻孔260定尺度为匹配且从而保持轴承壳体220的外径。环253包括从钻孔260径向向外延伸的至少一个凸缘表面259，或侧面。支撑腿255的实施例将包括布置在环253的钻孔260表面上的防摩擦材料251。在一个实施例中，至少一个凸缘259包括防摩擦材料251。防摩擦材料251减少引起环253相对于轴承壳体220旋转需要的力的量。支撑腿255提供多个枢轴，例如钻孔260和枢轴支撑件256。

现在参见图3结合图4，应当理解的是，结构接口247、257和相应的支撑腿245、255的至少一个包括分离空间，例如支撑腿245的环243之间的分离空间244。应当进一步理解的是，分离空间244的宽度定尺度为使得结构接口243、253和相应的支撑腿245、255的另一个的部分，例如支撑腿255的环253，能够被布置在分离空间244中。应当进一步理解的是，在至少一个凸缘表面249、259上的防摩擦材料251的布置将减少克服环243、253的凸缘表面249、259之间的摩擦需要的力的量。

尽管实施例已经描述为具有布置在另一支撑腿245的环243之间的一个支撑腿255的一个环253，应当理解的是，本发明实施例的范围并不如此限制，且也应用于包括具有替换定位布置的支撑腿245、255的轴承支撑结构210，例如一个结构接口在另一旁边，且每个支撑腿245、255的每个结构接口的部分布置在另一结构接口和相应的支撑腿的分离空间中。进一步，尽管实施例已经描述为具有圆形环，应当理解的是，本发明的实施例范围并不如此限制，且也应用于包括可替换几何形状的结构接口。

现在参见图5，描绘了轴承支撑结构210的下部截面图，包括支撑腿245、255、轴承壳体220、和布置在相对于轴承壳体220的排气气体流动的前面或上游的内筒230。应当理解的是，在一个实施例中，轴承壳体220的中心，由中心线221表示，与环243、253的钻孔250、260的中心线252、262一致。在一个实施例中，包括相应结构接口247、257的支撑腿245、255的至少一个包括枢轴，且能够相对于轴承壳体220旋转。

现在参见图6，描绘轴承支撑结构210的端视图。在一个实施例中，轴承支撑结构210包括布置在枢轴支撑件246、256的相应中心处的两个枢轴点610、615和布置在轴承壳体220的中心处的第三枢轴点605。本领域中技术人员应当理解的是，轴承支撑腿245、255的三个枢轴点605、610、615结合支撑表面55，提供称为三杆联接。任何一个枢轴点605、610、615的运动能够影响其他两个枢轴点605、610、615的运动。例如，假设枢轴点615附接到支撑表面55且不响应于任何外部影响而自由平移，且枢轴支撑件246的枢轴点610制造为以如方向线611所示的垂直方向平移到位置612。响应于枢轴点610以垂直方向611的平移，枢轴点605将以由方向线606指示的圆弧围绕枢轴点615旋转到位置607。枢轴点615不会平移，但将显示如方向线616所示的旋转。因此，通过适当改变相应枢轴支撑件246、256的枢轴点610、615的至少一个的位置，相应于轴承壳体220的中心的枢轴点605且因此涡轮机100的转子的中心的位置能够被限定。

尽管实施例已经描述为具有形成三杆联接的三个枢轴点，应当理解的是，本发明实施例的范围并不如此限制，且它也应用于包括不同数量枢轴点的轴承支撑结构，例如一个枢轴点以形成一杆联接，两个枢轴点以形成二杆联接，以及四个枢轴点以形成四杆联接。

由于支撑腿245、255的材料属性，响应于排气气体的温度，预期支撑腿245、255的温度改变将导致轴承支撑腿245的枢轴点605、610之间的距离的改变以及轴承支撑腿255的枢轴点605、615之间的距离的改变。因此，响应于附接到支撑表面55的枢轴点610、615，支撑腿245、255的温度的改变将导致枢轴点605相对于支撑表面55的位置的改变。可以预期的是，在环243、253的至少一个和轴承壳体220之间的防摩擦材料的使用以减少引起环243、253和轴承壳体220之间的旋转需要的力的量将从而减少由温度改变引起的支撑腿245、255内的应力大小。

一般地，由其操作引起的涡轮发动机100的部件温度的改变将导致环绕涡轮发动机100的转子的间隙的改变。支撑腿245、255的材料和中心610、615的位置的合适选择提供热响应的轴承支撑结构210，其为热匹配的，以维持环绕涡轮发动机100的转子的优选间隙和对准。如在此使用的，术语“热匹配”指的是一种轴承支撑结构210，其以使得环绕转子的间隙维持在希望的界限内的方式响应于温度而改变。在一个实施例中，转子和定子之间的同心通过冷却和加热定子外壳支撑件125和轴承支撑腿245、255的至少一个之一维持，使得瞬态和稳态热生长导致在希望的间隙界限内。在另一实施例中，转子和定子之间的同心通过改变枢轴支撑件246、256的至少一个位置维持，以实现轴承壳体220的中心的位置的改变。在一个实施例中，枢轴支撑件246、256的位置的改变由至少一个定位装置650完成，例如液压或气动活塞。在一个实施例中，定位装置650响应于表示发动机温度、发动机振动、和测量的发动机间隙的至少一个的信号，以维持环绕转子希望的间隙。如本领域中技术人员理解的，该信号通过涡轮发动机100数据测量系统和方法提供。

现在参见图7，描绘了轴承支撑结构210的侧视截面图。方向线99指示排气气体从涡轮发动机100流动的方向。内筒230包括双壁轴承锥形部730，以将轴承从排气气体屏蔽且提供对转子的冷却，内部扩散器740由上述的外部扩散器120的翼片123支撑，且通过密封件745与内筒230接口。内部扩散器740从轴承壳体220的中心221径向向外布置，从而以类似于通过外部扩散器120将排气框115从排气气体温度屏蔽的方式将轴承壳体220从排气气体温度屏蔽。绝缘包装件710环绕轴承壳体220，且定尺度为减少绝缘包装件710和轴承壳体220之间空间的体积。因此，减少轴承壳体220冷却需要的诸如空气的冷却媒介的流量，由空气流动线720描绘。在一个实施例中，内筒230附接到轴承壳体220。在另一实施例中，内筒230直接附接到支撑腿245、255的至少一个。在另一实施例中，内筒230是轴承壳体220的整体部件。由于用于内筒230的支撑件不需要附接到排气框115的支柱，能够减少翼片123的尺寸和数量，从而减少与翼片123相关的空气动力学效率损失。

如上文所述，转子和定子之间的间隙通过调节位于涡轮发动机100外部的枢轴支撑件246、256的位置而改变。此外，在此所披露的轴承支撑结构210的使用将允许涡轮发动机100组装后进行这种调节。预期组装后的间隙的外部调节将减少涡轮机组装时间、现场修复时间、以及机器到机器的间隙变化，且允许更紧的设计间隙和效率改进。在一个实施例中，轴承支撑结构210的刚度能够通过修改支撑腿245、255几何形状调整，以提高转子的动态响应，且允许该动态响应满足设计意图。轴承支撑结构210的使用分离在涡轮发动机100的后段105处转子和定子之间的相互作用，且提供转子到系统的支撑表面55的更直接的载荷路径。本领域中技术人员应当理解的是，突发载荷事件的影响，例如地震事件或损失旋转硬件，通常导致凸缘，例如凸缘111的增加的载荷，凸缘的滑移，和附加的结构损害。将转子从定子分离能够减少导致该效果的动态响应。

轴承支撑结构210通过消除结构钢支柱来将内筒230连接到排气框115，减少需要冷却空气的排气框115内侧空间的体积、以及构造为具有终止于外部扩散器120上游的轴向长度的排气框115的使用的至少一个来减少涡轮发动机100的冷却需求。冷却需求的减少提供在涡轮发动机100上的辅助鼓风机载荷的减少。

支撑内筒230的支柱以及流动在支柱和翼片123之间的冷却空气的消除，减少外部扩散器120和排气框115内的热应力。作为热应力减少的结果，扩散器120的破裂和排气框115的低循环疲劳将改进。

由于前述内容，轴承支撑结构210的使用利于调节附接到支撑表面55的涡轮发动机100的转子间隙的方法。在一个实施例中，该方法包括调节与轴承壳体220可操作连通且与支撑表面55直接结构连接的支撑腿245、255的至少一个的位置。在一个实施例中，该调节在涡轮发动机100组装后进行。在一个实施例中，该调节在现场由技术人员手工进行。在另一实施例中，依靠支撑腿245、255的热属性，轴承支撑结构210与涡轮发动机100热匹配且该调节响应于涡轮发动机100的温度。

在另一实施例中，该方法进一步包括获得代表涉及如下的至少一个的信息的信号：涡轮发动机100温度、涡轮发动机100振动，如与即将发生的或初始转子干涉条件有关，以及测量的和导出的涡轮发动机间隙100信息的至少一个。该方法进一步包括通过定位装置650响应于该信号调节支撑腿245、255的至少一个的第二位置202的位置，以调节涡轮发动机100的转子间隙。

如已披露的，本发明的一些实施例包括以下优势的一些：将排气框机壳壁和支柱的热响应从转子轴承壳体分开，减少瞬态和稳态应力且提高排气框的低循环疲劳性能的能力；减少排气框的冷却需要且消除至少一组鼓风机的能力，从而增加涡轮机的可靠性；通过提供外部对准能力在初始建造和现场减少机器到机器间隙变化的能力；通过消除支柱且减少翼片尺寸和数量改进扩散器空气动力学性能的能力；通过减少需要的对内筒的冷却而减少冷却管道通过其走向的人工走道的数量的能力；分离转子和定子之间的机械相互作用且在突发载荷条件期间减少对涡轮机的损害的能力；更换外部扩散器而不移除排气框，且从而减少响应于外部扩散器更换的需要的停机时期的能力；减少管道系统数量的能力，从而减少初始现场安装和响应于涡轮机上半部分移除的需要的修复时间；减少与排气框和相关系统有关的制造成本的能力；通达外部扩散器的水平接头以包括带螺栓的凸缘的能力；以及减少翼片内侧冷却的能力，以减少在外部扩散器上可能导致外部扩散器破裂的热应力。

尽管本发明已经关于示范性实施例描述，本领域中技术人员应当理解的是，可以进行不同的改变且等价物可以替代其元件而不偏离本发明的范围。此外，可以进行许多修改以使特定情况或材料适于本发明的教导而不偏移其基本范围。因此，本发明并不限于作为预期实施本发明的最佳或仅有模式披露的特定实施例，而本发明将包括落入到所附权利要求书的范围内的所有实施例。同样，在附图和说明书中，已经披露的本发明的示范性实施例，尽管已经采用具体的术语，除非另有声明，它们仅以一般的和说明性的意思使用，而不是限制的目的，因此本发明的范围并不如此限制。另外，术语第一、第二等的使用并不代表任何顺序或重要性，而是术语第一、第二等用于将一个元件从另一元件区分。此外，术语一、一个等的使用并不代表数量的限制，而是代表有所引用项目的至少一个。

零件列表

支撑表面55

方向线99

涡轮发动机100

后段105

涡轮机外壳110

排气框115

外部扩散器120

水平接头121

翼片123

支撑件125

第一位置201

第二位置202

轴承支撑结构210

轴承壳体220

中心线221

内筒230

环243

分离空间244

第一支撑腿245

枢轴支撑件246

结构接口247

凸缘表面249

钻孔250

防摩擦材料251

中心线252

环253

第二支撑腿255

枢轴支撑件256

第二结构接口257

凸缘259

钻孔260

中心线262

枢轴点605

枢轴点610

方向线611

位置612

枢轴点615

方向线616

绝缘包装件710

空气流动线720

轴承锥形部730

内部扩散器740

密封件745

Claims

1. 一种支撑布置在支撑表面上的涡轮发动机的转子的设备，该设备包括：

壳体；

布置在该壳体内的转子支撑轴承；和

与该壳体能够操作连通且与支撑表面（55）直接结构连接的第一支撑腿和第二支撑腿；其中：

第一支撑腿包括与该壳体能够操作连通的第一结构接口；

第二支撑腿包括与该壳体能够操作连通的第二结构接口；其中

第一结构接口包括分离空间并且第二结构接口的部分布置在该分离空间中；或者第二结构接口包括分离空间并且第一结构接口的部分布置在该分离空间中；或者

第一结构接口和第二结构接口中的每一个包括分离空间；并且第一结构接口的部分和第二结构接口的部分分别布置在第二结构接口的分离空间和第一结构接口的分离空间中。

2. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一支撑腿包括用于所述第一支撑腿的枢轴和所述第二支撑腿包括用于所述第二支撑腿的枢轴；

所述第一结构接口和所述第二结构接口布置在第一位置处；并且

用于所述第一支撑腿的所述枢轴和用于所述第二支撑腿的所述枢轴布置在第二位置处。

3. 根据权利要求1或2所述的设备，其中：

所述第一结构接口和所述第二结构接口各包括以下的至少一个：

圆形钻孔；和

枢轴。

4. 根据权利要求3所述的设备，其中：

圆形钻孔包括布置在其上的防摩擦材料。

5. 根据权利要求3所述的设备，其中：

所述第一结构接口和所述第二结构接口各包括从圆形钻孔径向向外突出的至少一个凸缘表面；以及

所述第一结构接口的所述至少一个凸缘表面和所述第二结构接口的所述至少一个凸缘表面包括布置在其上的防摩擦材料。

6. 根据权利要求1所述的设备，其中：

第一结构接口和第二结构接口各包括圆形钻孔。

7. 根据权利要求1所述的设备，其中：

第一支撑腿包括多个枢轴；

第二支撑腿包括多个枢轴；以及

第一支撑腿、第二支撑腿、和支撑表面限定三杆联接。

8. 根据权利要求1所述的设备，还包括：布置在壳体上游的内筒，该内筒与壳体、第一支撑腿和第二支撑腿中的至少一个结构连接。

9. 一种用于布置在支撑表面上的涡轮发动机系统，该涡轮发动机系统包括：

定子；

布置在定子内的转子；

与转子能够操作连通的转子支撑轴承；

环绕转子支撑轴承的壳体；和

与该壳体能够操作连通且与支撑表面直接结构连接的第一支撑腿和第二支撑腿；

第一支撑腿包括与该壳体能够操作连通的第一结构接口；

10. 根据权利要求9所述的系统，其中，所述第一支撑腿包括用于所述第一支撑腿的枢轴和所述第二支撑腿包括用于所述第二支撑腿的枢轴；

11. 根据权利要求9或10所述的系统，其中：

圆形钻孔；和

枢轴。

12. 根据权利要求11所述的系统，其中：

圆形钻孔包括布置在其上的防摩擦材料。

13. 根据权利要求11所述的系统，其中：

14. 根据权利要求9所述的系统，其中：

第一结构接口和第二结构接口各包括圆形钻孔。

15. 根据权利要求9所述的系统，其中：

第一支撑腿包括多个枢轴；

第二支撑腿包括多个枢轴；以及

第一支撑腿、第二支撑腿、和支撑表面限定三杆联接。

16. 根据权利要求9所述的系统，还包括：布置在壳体上游的内筒，该内筒与壳体、第一支撑腿和第二支撑腿中的至少一个结构连接。