CN101881188B - 具有销支承件的涡轮壳 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有销支承件的涡轮壳。提供了一种涡轮(100)，该涡轮包括：涡轮壳(10)、(120)，该涡轮壳(10)、(120)在其多个级处包括护罩；以及至少设置在涡轮壳(10)、(120)周围的第一至第四基本规则地隔开的周边位置处的约束元件(40)、(140)，约束元件(40)、(140)构造成以便同心地约束涡轮壳(10)、(120)的护罩。

Description

具有销支承件的涡轮壳

技术领域

本文公开的主题涉及具有销支承件的涡轮壳。

背景技术

在燃气涡轮中，内涡轮壳相对于涡轮转子径向地和轴向地支承喷嘴和护罩。喷嘴、护罩和转子之间的同心支承结构从转子轴承延伸到排气框架，延伸到外涡轮壳，延伸到内涡轮壳，且延伸到喷嘴和护罩本身。转子轴承由排气框架支承，排气框架继而连接到具有支承腿和提供发动机支承和稳定性的导板的接地支承件上。另外，由于定子和转子之间的相对热响应以及内涡轮壳和外涡轮壳之间的结构隔离，包括内涡轮壳与外涡轮壳的组合的构造提供了额外的间隙。

大体上，采用主动间隙控制来在涡轮操作期间使内涡轮壳和外涡轮壳相对于彼此径向地移置。这具有控制轮叶和护罩之间的尖端间隙的作用，这可能是有用的，因为减小尖端间隙通过降低尖端泄漏而提高了涡轮性能，只要防止轮叶尖端接触护罩以及由此损害护罩即可。

但是，即使在主动间隙控制的情况下，在一些构造中，由于内涡轮壳和外涡轮壳的相应的构件的热增长差异，内涡轮壳和外涡轮壳之间会发生相对运动。为了降低相对运动引起的偏心，可用附连到外涡轮壳上的径向销支承内涡轮壳，或者通过在外涡轮壳和内涡轮壳之间使用互补的径向表面来支承内涡轮壳。在这样的构造中，径向支承件之间存在组件间隙缺口，以防止在发动机操作期间结合。

无论如何，当内涡轮壳和外涡轮壳之间发生相对运动时，就形成了泄漏路径，且产生了摩擦力。这些摩擦力可导致损害，例如在内涡轮壳和外涡轮壳中的任何一个的热膨胀和收缩期间发生的匹配表面上的接触表面磨损。也就是说，在膨胀和收缩期间，构件会经受静态和动态摩擦接触。同时，构件的摩擦系数显著地且不可预测地变化。因此，阻止内涡轮壳相对于外涡轮壳径向移置的摩擦力也会改变。此变化会导致内涡轮壳的位置朝高摩擦位置移动，且停留到高摩擦位置上。与组件间隙结合的这个摩擦作用会导致壳偏心，壳偏心在可允许的间隙内通常是不确定的。

另外，定子管壳体大体在水平的中间平面处分开，且在此水平接头处结合栓接法兰。热梯度和瞬时边界条件产生了整个壳体的内在不圆度。当像在发动机启动期间发现的那样，内部部分比外部部分更热时，这种壳体就呈现足球形状。相反，在发动机停机期间，外部部分比内部部分更暖，从而导致壳体呈现花生形状。这种不圆度通过定子管传递到护罩，从而在护罩和轮叶尖端之间产生缺口，从而降低发动机性能。

壳不圆度在蒸汽涡轮中也是个问题。在这些情况下，壳不圆度的出现可能是由于涡轮壳中的水平接头引起的，水平接头起散热器的作用，且产生壳温度的周边变化。温度变化使壳扭曲或成椭圆形。也就是说，壳沿竖直方向比沿水平方向展现更大的尺寸。相反，转子保持圆形。壳的成椭圆形的形状会导致增大的间隙，并且因此比定子保持圆形的情况下导致更多泄漏。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种涡轮壳，且该涡轮壳包括：内壳组件，内壳组件包括形成于其上的法兰和用于与该法兰匹配的匹配表面中的一个；外壳组件，其构造成以便经历径向移置，内壳组件设置在该外壳组件中，该外壳组件包括形成于其上的法兰和匹配表面中的另一个；以及使法兰在外壳组件的挠曲节点位置处与匹配表面联接的紧固元件，可根据外壳组件的径向移置来标识挠曲节点位置，以减小内壳组件中的径向移置。

根据本发明的又一个方面，提供了一种涡轮，且该涡轮包括：至少在第一至第四基本规则地隔开的周边位置处具有限定在其中的槽口的涡轮壳；设置在涡轮壳内且构造成以便在可旋转的涡轮轮叶周围沿径向膨胀或收缩的护罩环件；以及键，其在对应于槽口的那些位置的位置处形成于护罩环件上，以与槽口匹配，且在轴向上及在周向上将沿径向可膨胀和可收缩的护罩环件定位在涡轮壳内。

根据本发明的又一个方面，提供了一种涡轮，且该涡轮包括：涡轮壳，该涡轮壳在其多个级处包括护罩；以及至少设置在涡轮壳周围的第一至第四基本规则地隔开的周边位置处的约束元件，约束元件构造成以便同心地约束涡轮壳的护罩。

附图说明

在说明书的结论部分处的权利要求书中特别指出和清楚地要求保护了被视为本发明的主题。根据结合附图得到的以下详细描述，本发明的前述和其它特征与优点显而易见，附图中：

图1是涡轮壳的一个实施例的透视图；

图2是图1的涡轮壳的剖面透视图；

图3是图1的涡轮壳的一部分的放大透视图；

图4是涡轮壳的示意性轴向视图；

图5是经历热膨胀和收缩的图4的涡轮壳的示意性轴向视图；

图6是包围涡轮的轮叶尖端的护罩环件的截面图；

图7是包围涡轮的轮叶尖端的护罩环件的截面图；

图8是图6的护罩环件的纵向视图；以及

图9A-E是图6的护罩环件的第一部件和第二部件之间的连接件的示意图。

部件列表

10涡轮壳

11区段

12中心线

20内壳组件

21上部内壳部分

22下部内壳部分

23法兰

25机械接头

30外壳组件

31上部外壳部分

32下部外壳部分

33匹配表面

35机械连接件

40紧固元件(约束元件)

50匹配表面通孔

51法兰通孔

52对准套管

53带螺纹的螺母

100涡轮

105转子

110涡轮轮叶

111涡轮轮叶尖端

115喷嘴

120涡轮壳

130护罩环件

140键(约束元件)

141槽口

150、151部件

具体实施方式

参照图1-3，提供了用于在燃气涡轮或蒸汽涡轮的涡轮区段中使用的涡轮壳10的区段11。涡轮壳10包括内壳组件20、外壳组件30和紧固元件40。内壳组件20包括下部内壳部分22和上部内壳部分21，下部内壳部分22和上部内壳部分21在机械接头25处联结，且可设置在涡轮10的中心线12周围。内壳组件20还包括法兰23。外壳组件30包括下部外壳部分32和上部外壳部分31，且在其内部中限定空间，内壳组件20设置在该空间中。匹配表面33，诸如外壳组件30的形成腔口(法兰23可接收在该腔口中)的一部分，形成于外壳组件30的一部分处或该部分中。匹配表面33具有与法兰23互补的大小和形状，从而使得当内壳组件20安装在外壳组件30内时，法兰23可匹配到匹配表面33上。

如图所示，法兰23和匹配表面33可并入相对连续的相应的特征中，或者可提供为多个特征。在法兰23和匹配表面33提供为相对连续的相应的特征的情况下，法兰23可并入在内壳组件20周围延伸的相对连续的周边法兰中。类似地，匹配表面33可并入在外壳组件30周围延伸的相对连续的周边表面中。另外，法兰23和匹配表面33可沿径向方向延伸超过外壳组件30的周边。

虽然法兰23和匹配表面33在上面被描述为以及在图1-3中被显示为分别设置在内壳组件20和外壳组件30上，但是，此布置仅是示例性的，且将理解的是内壳组件20可包括匹配表面33形成于其上的部分，且外壳组件30可类似地包括法兰23。

如图3所示，紧固元件40与匹配表面通孔50和法兰通孔51协作，以使法兰23至少在基本规则地隔开的周边位置处与匹配表面33联接。紧固元件40可在轴向上位于第一级护罩的下游，在这种情况下，第一级护罩包括内壳组件20和外壳组件30。紧固元件40可包括销，或者更具体地包括具有各自与内壳组件20和外壳组件30的纵向轴线平行的中心线的预紧螺栓。可通过对准套管52(紧固元件40可延伸通过该对准套管52)和带螺纹的螺母53(紧固元件40可固定地插入该带螺纹的螺母53中)来至少部分地实现紧固元件40的对准。

参照图4，注意到若干个载荷大体施加到外壳组件30上，且包括但不限于由机械连接件35施加的载荷，可在外壳组件30的两侧上提供机械连接件35，且该机械连接件35在水平接头处联结下部外壳部分32和上部外壳部分31。由于正常操作期间的热收缩和膨胀，联合载荷趋向于使外壳组件30经受径向移置。紧固元件40减小了内壳组件20的径向移置，否则将会由外壳组件30的径向移置导致内壳组件20的该径向移置。

如以上描述的那样加载的外壳组件30趋向于经受傅立叶N＝2形状的形式的径向移置。也就是说，在启动操作期间，外壳组件30的内部将比其外部更热，且因此外壳组件30将趋向于呈现足球的形状。相反，在停机操作期间，内部将比外部更冷，且因此外壳组件30将趋向于呈现花生的形状。因此，在外壳组件30的保持基本在径向上固定的那些部分处建立了外壳组件30的挠曲节点位置。如图5所示，这些挠曲节点位置接近外壳组件的1∶30、4∶30、7∶30和10∶30周边位置。

紧固元件40可设置在外壳组件30的挠曲节点位置处，以具有傅立叶N＝4形状。在这种布置的情况下，外壳组件30的径向移置可沿着中心线12在内壳组件20中减小。因此，内壳组件20的多个级处的护罩可与外壳组件30的不圆度特性分离，其中外壳组件30的偏心和不圆度特性不会传递到内壳组件20。

因此，涡轮10的性能得到提高，因为可在有和没有主动间隙控制两种情况下越来越均匀地保持涡轮轮叶尖端及其互补护罩之间的缺口。这样，就可降低和/或基本消除对用于保持主动间隙控制的相对复杂的硬件和控制算法的需要。

另外，当如上所述在挠曲节点位置处采用了紧固元件40时，还可减小由内壳组件20和外壳组件30的构件中的摩擦变化导致的偏心。也就是说，在紧固元件40定位在挠曲节点位置处的情况下，在那些挠曲节点位置中的各个处存在内壳组件20和外壳组件30之间的相对径向移置的显著减少。因此，基本确定地保持了同心度。

参照图6-9A-E，且根据另一个方面，提供了涡轮100，且该涡轮包括涡轮壳120、护罩环件130和键140。涡轮壳120至少在第一至第四基本规则地隔开的周边位置处具有限定在其中的槽口141。护罩环件130设置在涡轮壳120内，且由与涡轮壳120的构件和可旋转的涡轮轮叶110的那些(热质量)相比具有比较小的热质量的材料形成。因此，护罩环件130构造成以便响应于涡轮100的操作条件，在可旋转的涡轮轮叶110周围沿径向膨胀或收缩。

键140在对应于槽口141的那些的位置处形成于护罩环件130的外周边上。这样，键140就与槽口141匹配，且在轴向上及在周向上将护罩环件130定位在涡轮壳120内。

护罩环件130可包括第一180°部件150和第二180°部件151。如图9A-E所示，这些部件150和151可在鸠尾榫接头处紧固在一起，这些部件150和151可通过接头或螺栓彼此联接，或者它们可彼此交迭或开槽(连接)。当然，将理解的是图9A-E的构造仅是示例性的，且其它结构和构造是可行的。无论如何，在护罩环件130由第一部件150和第二部件151形成的情况下，护罩环件130可以比较低的关联成本且以比较短的时间组装在涡轮壳120内。

涡轮轮叶110可连结到转子105上，涡轮轮叶110可围绕转子105旋转。在这种情况下，涡轮壳130可形成为与转子105大体同轴。

在护罩环件130设置在涡轮壳120内的情况下，如上所述，护罩环件130以及与涡轮轮叶110的远端或尖端111相关联的流径与涡轮壳120热隔离。因此，流径基本与涡轮壳120的由于热引起的膨胀或收缩脱离耦联。

护罩环件130可设置在单个喷嘴级处或设置在多个喷嘴级处。在任何一种情况下，护罩环件130可进一步设置在涡轮壳120与涡轮轮叶110之间，以及设置在涡轮壳120与定位在涡轮轮叶110的前面及后面的喷嘴115之间。这里，护罩环件130以及与涡轮轮叶110的远端或尖端111相关联的流径与涡轮壳120热隔离，而且另外，喷嘴115与涡轮壳120热隔离。

根据又一个方面，提供了一种涡轮，诸如涡轮100，且其包括涡轮壳10、120和约束元件40、140。约束元件40、140至少设置在涡轮壳10、120周围的第一至第四基本规则地隔开的周边位置处，且构造成以便约束涡轮壳10、120的偏心。涡轮壳10可包括内壳20和外壳30。这里，约束元件包括以上描述的紧固元件40。或者，涡轮壳120可至少在第一至第四基本规则地隔开的周边位置处具有限定在其中的槽口141。在这种情况下，约束元件包括形成于上述护罩环件130上的前述键140。键140与槽口141匹配，在轴向上及周向上将护罩环件130定位在涡轮壳120内。

虽然已经结合仅仅有限数量的实施例对本发明进行了详细描述，但是应当容易地理解，本发明不限于这种公开的实施例。相反，可修改本发明，以便结合此前未描述过但与本发明的精神和范围相称的任何数量的变化、备选方案、替换或等效布置。另外，虽然已经对本发明的各种实施例进了描述，但将理解，本发明的各方面可仅仅包括所描述的实施例中的一些。因此，本发明不应被视为受前述描述的限制，而是仅由所附的权利要求书的范围限制。

Claims (9)

1.一种涡轮壳，包括：

内壳组件，所述内壳组件包括形成于该内壳组件上的法兰和用于与所述法兰匹配的匹配表面中的一个；

外壳组件，所述外壳组件构造成以便经历径向移置，所述内壳组件设置在该外壳组件中，所述外壳组件包括形成于该外壳组件上的所述法兰和所述匹配表面中的另一个；以及

用以使所述法兰在所述外壳组件的挠曲节点位置处与所述匹配表面联接的紧固元件，可根据所述外壳组件的所述径向移置来标识所述挠曲节点位置，以减小所述内壳组件中的径向移置。

2.根据权利要求1所述的涡轮壳，其特征在于，所述紧固元件包括销。

3.根据权利要求1所述的涡轮壳，其特征在于，所述紧固元件包括预紧螺栓。

4.根据权利要求3所述的涡轮壳，其特征在于，所述紧固元件各自具有与所述内壳和外壳的中心线平行的中心线。

5.根据权利要求1所述的涡轮壳，其特征在于，所述外壳组件包括在水平接头处联结的上部壳部分和下部壳部分。

6.根据权利要求5所述的涡轮壳，其特征在于，所述外壳组件呈现傅立叶N=2构造，所述紧固元件布置成傅立叶N=4布置。

7.根据权利要求1所述的涡轮壳，其特征在于，所述挠曲节点位置处的所述紧固元件在所述内壳组件和所述外壳组件之间保持被动间隙。

8.根据权利要求1所述的涡轮壳，其特征在于，所述挠曲节点位置能够标识在所述外壳组件的基本在径向上固定的部分处。

9.根据权利要求1所述的涡轮壳，其特征在于，所述挠曲节点位置是所述外壳组件的1:30、4:30、7:30和10:30周边位置。