CN101377134A - 燃气涡轮机的转子-定子支撑系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃气涡轮机的转子－定子支撑系统，具体而言，涉及一种为了支撑布置在支撑底座(13)上的旋转机器的转子(10)和定子(8)的系统，该系统包括与转子(10)的轴承和与支撑底座(13)成可操作连通的至少一条支撑腿；以及与至少一条支撑腿以及与定子(8)成可操作连通的至少一个支柱。

Description

燃气涡轮机的转子-定子支撑系统

技术领域

[0001]在本文中所公开的发明涉及涡轮机领域，并且具体地，涉及涡轮机支撑系统架构。

背景技术

[0002]燃气涡轮机包括需要支撑的许多厚重构件。使用支撑件来支撑燃气涡轮机的重量、容纳振动、以及使燃气涡轮机保持锚定就位。

[0003]燃气涡轮机包括在定子中旋转的转子。由轴承来支撑转子，该转子将载荷传递到轴承壳体上或相似的不旋转的支撑系统上。通常壳体或支撑结构位于排气环流的内部。在传统的支撑结构架构中，通常由支柱来支撑轴承壳体或相似的支撑结构，该支柱跨越排气的环流。在排气环流的外部，支柱被紧固到外部结构上，该外部结构连接到定子的剩余部分上。反过来，又将定子紧固到支撑结构上，该支撑结构在竖直面和水平面中提供支撑。

[0004]在这种类型的燃气涡轮机的支撑系统架构中，会存在几个缺点。一个缺点是传统的支撑结构必须容纳在转子和定子之间的振动相互作用。为容纳振动，会需要增加在一组涡轮机叶片和定子之间的空隙。通常，空隙的增加导致燃气涡轮机效率的下降。

[0005]另一个缺点是在应急负载(emergency loading)的情况期间，诸如地震事件或旋转硬件缺失，增加的载荷会被施加到定子壳凸缘上。该增加的载荷被传递到支撑件上。为了支撑增加的载荷，定子壳凸缘会需要更多的质量。定子壳凸缘质量的增加会引起定子的不均匀加热。定子的不均匀加热会导致不圆度，并且会引起涡轮机叶片的摩擦。此外，增加的载荷会引起定子凸缘滑脱，这导致需要再对准。

[0006]所以，所需要的是用于支撑燃气涡轮机的技术，该技术可容纳振动，并且减少定子壳凸缘的应急负载。在本文中公开了这种技术。

发明内容

[0007]所公开的是用来支撑布置在支撑底座上的旋转机器的转子和定子的一种系统的实施例，该系统包括与转子的轴承和与支撑底座成可操作连通的至少一条支撑腿；以及与该至少一条支撑腿以及与定子成可操作连通的至少一个支柱。

[0008]还公开了布置在支撑底座上的旋转机器的实施例，该机器包括定子；邻近定子布置的转子；与转子成可操作连通的转子轴承；与轴承以及与支撑底座成可操作连通的至少一条支撑腿；和与至少一条支撑腿以及与定子成可操作连通的至少一个支柱。

附图说明

[0009]在本说明书的结论处，在权利要求中特别指出并明确要求了被认为是本发明的主旨。结合附图，从下列详细的描述中，本发明上述及其它的特征和优点将是显而易见的，在附图中相似的元件用类似的方式编号，其中：

[0010]图1显示了燃气涡轮机的示范性实施例；

[0011]图2显示了燃气涡轮机的示范性实施例的端视图；

[0012]图3显示了燃气涡轮机的示范性实施例的三维视图；和

[0013]图4A和图4B，统称为图4，显示了带有一条支撑腿和横向支撑结构的燃气涡轮机的示范性实施例。

部件列表

1 燃气涡轮机

2 压缩机

3 燃烧室

4 涡轮

5 轴

6 发电机

7 涡轮级

8 壳或定子

10 转子

11 转子轴承

12 轴承壳体

15 内桶

13 支撑底座

14 支撑腿

13 支撑底座

17 径向方向

16 纵向轴线方向

20 支柱

28 凸缘

30 联接件

40 支撑结构

41 间隙

具体实施方式

[0014]教导提供了用于支撑燃气涡轮机的转子和定子的支撑系统的实施例。该支撑系统容纳振动，并且减少在定子壳凸缘上的应急负载。在一个实施例中，该支撑系统包括用于从地基上支撑转子的支撑腿。该支撑系统还使用支柱支撑定子。通过支柱把施加在定子上的静态力和动态力传递到支撑腿上。通过从转子支撑件支撑定子，可维持转子相对于定子的同心度。

[0015]为了方便，提供了某些释义。用语“旋转机器”指包括叶片的机械设备，该叶片围绕轴周向地布置。轴和叶片一起旋转，以实现压缩气体、抽吸流体、将流体流动转换成旋转运转、以及将气体流动转换成旋转运转中的至少一个。用语“燃气涡轮机”涉及连续燃烧发动机的旋转机器。燃气涡轮机通常包括压缩机、燃烧室和涡轮。压缩机压缩空气，用于在燃烧室中燃烧。燃烧室排出热气体，该热气体被引向涡轮。涡轮把热气体的能量转换成旋转运转。用语“转子”涉及诸如涡轮机的旋转结构。转子包括轴和围绕该轴周向地布置的一组叶片。用语“壳”涉及围绕转子的结构。也可将壳称为“定子”。用语“定子壳凸缘”涉及在壳上的凸缘，使用该凸缘将壳的部分紧固在一起。用语“涡轮级”涉及围绕涡轮轴的一部分周向地布置的多个涡轮机叶片。围绕轴以圆形的模式布置涡轮级的涡轮机叶片。用语“空隙”涉及在一个涡轮机叶片的外侧末梢和壳之间的距离量。用语“转子轴承”涉及用于支撑转子的轴承。用语“轴承壳体”涉及用于支撑轴承的壳体。用语“内桶”涉及在壳内部的通常为圆柱形的结构。可使用内桶来支撑轴承壳体。用语“支撑腿”涉及用于支撑转子的支撑件。可将支撑腿的一端连接到壳外部的支撑底座上。可将支撑腿的另一端连接到用于支撑轴承诸如轴承壳体的内桶或结构上。用语“支柱”涉及壳内部的支撑件。可将支柱的一端紧固到壳上。可将支柱的另一端紧固到内桶或轴承壳体上。支柱可用来从内桶、轴承壳体以及支撑腿中的至少一个支撑壳。用语“摩擦”涉及至少一个涡轮机叶片与壳接触。摩擦通常引起对燃气涡轮机的损坏。

[0016]图1显示了燃气涡轮机1的示范性实施例。燃气涡轮机1包括压缩机2、燃烧室3以及涡轮4。通过轴5把压缩机2联接到涡轮4上。在图1的实施例中，还把轴5联接到发电机6上。涡轮4包括涡轮级7和壳8(也称为定子8)。可将联接到压缩机2和涡轮级7上的轴5称为转子10。转子10由转子轴承11支撑。在图1的实施例中，转子轴承11由轴承壳体12支撑。通过内桶15来支撑轴承壳体12。反过来，内桶15经由支撑腿14由支撑底座13支撑。支撑底座13包括例如可被定位在地面比如地基上的固定底座，以及例如可被布置在飞机或船舶中的移动底座。图1还显示了代表与轴5垂直的所有径向方向的径向方向17和纵向轴线方向16。

[0017]图2显示了燃气涡轮机1的示范性实施例的端视图。视图是在纵向轴线方向16上，且为了清晰移去了涡轮级7的叶片。参考图2，内桶15描绘成支撑着轴承壳体12。在图2的实施例中，内桶15由两条支撑腿14支撑。还在图2的实施例中，壳8由四个支柱20支撑。从内桶15到壳8径向地布置四个支柱20。在图2中描绘的壳8包括由凸缘28结合在一起的两个180度的段。四个支柱20维持壳8相对于转子10的同心度。通过经由支柱20将施加在壳8上的力传递到支撑腿14上获得同心度。可直接地或通过中间结构比如内桶15或轴承壳体12把力传递到支撑腿14上。

[0018]尽管已被描述的实施例具有两条支撑腿14和四个支柱20，但是应该懂得本教导的范围并不如此有限。教导提供了具有任何个数的支撑腿14和支柱20的实施例。教导还适用于将支柱20布置在可包括居间结构的装置中。相似地，尽管把内桶15描绘为支撑着轴承壳体12，但是可将支撑腿14连接到转子轴承11、轴承壳体12中的至少一个上，或者连接到支撑着轴承壳体12的任何结构上。

[0019]上述实施例描绘了将支柱20联接到内桶15上。教导提供了可将支柱20联接到支撑腿14或居间结构上，该居间结构把力从支柱20传递到支撑腿14上。例如，该居间结构可以是内桶15和轴承壳体12中的至少一个。

[0020]尽管在图1和图2中所呈现的实施例显示了在燃气涡轮机1的涡轮4部分处的支撑腿14，但是在压缩机部分2处可使用相似的装置来支撑转子10。在压缩机2部分处还可使用支柱20来支撑壳8。当在涡轮部分4和压缩机部分2处使用支撑系统时，比起仅仅在一个部分处使用支撑系统，可改进转子10相对于定子8的同心度。

[0021]图3呈现了燃气涡轮机1的另一个示范性实施例的三维视图，其中壳8由五个支柱20支撑。参考图3，内桶15由两条支撑腿14支撑。在图3的实施例中，各支撑腿14均包括用于将各支撑腿14联接到支撑底座13上的联接件30。联接件30可以是刚性连接、枢轴连接、滑动连接、以及球面连接中的至少一种。刚性连接对支撑腿14相对于支撑底座13没有提供移动。枢轴连接对支撑腿14在一个平面中相对于支撑底座13提供旋转移动。滑动连接提供了考虑到支撑腿14、支撑底座13以及内桶15的热生长的最佳方向上的平面运动。球面连接对支撑腿14在多于一个的平面中提供相对于支撑底座13的旋转移动。

[0022]图4呈现了带有一条支撑腿14的燃气涡轮机1的示范性实施例。参考图4A，把支撑腿14联接到支撑底座13和内桶15上。在支撑腿14没有提供所需的横向支撑的实施例中，可使用横向支撑结构来提供所需的横向支撑。图4A描绘了横向支撑结构40。该横向支撑结构40限制燃气涡轮机1的横向移动。在图4的实施例中，横向支撑结构40包括两个部分，这两个部分通常布置在壳8的相对侧上。图4B描绘了横向支撑结构40的一个部分的更详细的视图。参考图4B，显示了间隙41。间隙41一般较小，并且允许燃气涡轮机1在纵向轴线方向16上的生长。在邻近间隙41的表面上可布置抗摩擦材料，以防止约束燃气涡轮机1的生长的摩擦。此外，横向支撑结构40可包括主动阻尼系统和被动阻尼系统中的至少一个，以减少横向支撑结构40的构件中的振动和相关的疲劳。

[0023]支撑系统提供了若干益处。如上面所讨论的，支撑系统提供转子10相对于定子8的同心度。同心度提供了转子10在定子8中的维持对准。维持对准降低了对燃气涡轮机1的摩擦和随后损坏的风险。此外，维持对准可提供在运行期间的较小的空隙要求，以及相关的效率增加。在带有支撑系统的燃气涡轮机1的运行期间，一般可不需要调节来维持对准。此外，不需要主动控制系统来调节支撑件以维持对准。使用支撑系统的另一个益处在于，可使用相对于如果从定子8支撑转子10所需要的支柱20更细的支柱20。较细的支柱20对于穿过燃气涡轮机1的气流有较少的限制。对气流较少的限制导致在燃气涡轮机1的效率上的改善。使用支撑系统的另一个益处是改进的转子动力学性能。

[0024]上面所呈现的支撑系统的实施例是关于支撑燃气涡轮机的。

[0025]上面所呈现的实施例和相关的附图提供了“直接”支撑转子10的实例。对转子10的直接支撑一般不包括由定子8所提供的任何支撑。

[0026]将会公认的是各种构件或技术均可提供某些必要的或有益的功能或特征。因此，可将这些功能和特征认可为固有地包括为在本文中的教导的一部分和所公开的发明的一部分，在对所附权利要求和它的变型的支持中会需要这些功能和特征。

[0027]尽管已参考了示范性实施例描述了本发明，但将理解不脱离本发明的范围便可做出各种变化并且可以用等同物来代替其中的元件。另外，为使得具体的情形或材料适合本发明的教导，可理解不脱离本发明的实质范围的多种修改。因此，其意图是本发明不限于被公开为设想用来实施本发明的最佳模式的具体实施例，而是本发明将包括所有落入所附权利要求范围内的实施例。

Claims (10)

1.一种用来支撑布置在支撑底座(13)上的旋转机器的转子(10)和定子(8)的系统，所述系统包括:

与所述转子(10)的轴承以及与所述支撑底座(13)成可操作连通的至少一条支撑腿；和

与所述至少一条支撑腿以及与所述定子(8)成可操作连通的至少一个支柱。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述旋转机器包括燃气涡轮机(1)。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，将所述至少一个支柱和所述至少一条支撑腿联接到支撑着所述机器的转子轴承(11)的壳体(12)上。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，将所述至少一个支柱和所述至少一条支撑腿联接到支撑着壳体(12)的内桶(15)上，所述壳体(12)支撑所述机器的转子轴承(11)。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一条支撑腿包括刚性联接件(30)、枢轴联接件(30)、滑动联接件(30)和球面联接件(30)中的至少一个联接件(30)。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个支柱包括刚性联接件(30)、枢轴联接件(30)和球面联接件(30)中的至少一个联接件(30)。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括与所述定子(8)以及所述支撑底座(13)成可操作连通的横向支撑结构(40)。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括布置在所述横向支撑结构(40)和所述定子(8)之间的抗摩擦装置和抗摩擦材料中的至少一个。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括主动阻尼系统和被动阻尼系统中的至少一个阻尼系统。

10.一种布置在支撑底座(13)上的旋转机器，所述机器包括:

定子(8)；

邻近所述定子(8)布置的转子(10)；

与所述转子(10)成可操作连通的转子轴承(11)；

与所述轴承以及与所述支撑底座(13)成可操作连通的至少一条支撑腿；以及

与所述至少一条支撑腿以及与所述定子(8)成可操作连通的至少一个支柱。

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