CN103696815A - 包括裂缝抑制系统和方法的涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及包括裂缝抑制系统和方法的涡轮机，具体而言，一种涡轮机包括由具有第一热膨胀系数的材料形成的构件。该构件包括裂缝。在该构件中提供了裂缝抑制系统。该裂缝抑制系统包括提供在裂缝处的至少一个裂缝抑制元件。该至少一个裂缝抑制元件具有不同于第一热膨胀系数的第二热膨胀系数。该至少一个裂缝抑制元件构造且设置成在裂缝处在构件上施加压缩力以充分地抑制裂缝扩展。

Description

包括裂缝抑制系统和方法的涡轮机
技术领域
本文公开的主题涉及涡轮机领域，且更具体地涉及具有裂缝抑制系统的涡轮机以及抑制形成于涡轮机构件中的裂缝的方法。
背景技术
许多涡轮机包括通过公共的压缩机/涡轮轴或转子连接至涡轮部分的压缩机部分及燃烧器组件。该压缩机部分引导压缩空气流穿过多个连续的级流向燃烧器组件。在燃烧器组件中，压缩空气流与燃料混合以形成可燃混合物。该可燃混合物在燃烧器组件中燃烧以形成热气体。该热气体穿过过渡件被引导至涡轮部分。该热气体通过涡轮部分膨胀，使涡轮叶片旋转以产生功，功被输出以例如驱动发电机、泵或为车辆提供动力。除了提供用于燃烧的压缩空气外，一部分压缩空气流为了冷却目的而经过涡轮部分。一般地，该压缩机部分包括压缩机壳，而涡轮部分包括涡轮壳。在正常使用期间，裂缝可产生于压缩机壳和涡轮壳中的一个、另一个或两者中。裂缝也可产生于涡轮机的其他部分中。
发明内容
根据示例性实施例的一个方面，一种涡轮机包括由具有第一热膨胀系数的材料形成的构件。该构件包括裂缝。在该构件中提供了裂缝抑制系统。该裂缝抑制系统包括提供在裂缝处的至少一个裂缝抑制元件。该至少一个裂缝抑制元件具有不同于第一热膨胀系数的第二热膨胀系数。该至少一个裂缝抑制元件构造且设置成在裂缝处在构件上施加压缩力以充分地抑制裂缝扩展。
根据一个方面，至少一个裂缝抑制元件包括定位在裂缝的一侧上的第一裂缝抑制元件和定位在裂缝的第二、相对侧上的第二裂缝抑制元件。
根据一个方面，第一裂缝抑制元件包括插入构件中的第一栓塞，而第二裂缝抑制元件包括插入构件中的第二栓塞。
根据一个方面，第一和第二栓塞的每一个均包括大致圆形的截面。
根据一个方面，至少一个裂缝抑制元件由形状记忆合金形成。
根据一个方面，形状记忆合金包括镍钛诺。 
根据一个方面，第二热膨胀系数大于第一热膨胀系数。
根据一个方面，构件包括涡轮机组件的部分。
根据一个方面，涡轮机组件的部分包括支柱构件。
根据示例性实施例的另一个方面，一种抑制在涡轮机构件中形成的裂缝的方法包括邻近裂缝将至少一个裂缝抑制元件固定至涡轮机构件，且邻近裂缝通过该至少一个裂缝抑制元件向该涡轮机构件施加压缩力，以充分地抑制裂缝扩展。
根据一个方面，将至少一个裂缝抑制元件固定至涡轮机构件包括，在裂缝的一侧上将第一栓塞安装到涡轮机构件中，且在第二相对侧上将第二栓塞安装到涡轮机构件中。
根据一个方面，将第一和第二栓塞安装到涡轮机构件中包括，邻近裂缝的前缘将第一和第二栓塞定位在涡轮机构件中。
根据一个方面，邻近裂缝的前缘将第一和第二栓塞定位在涡轮机构件中包括，超出裂缝的前缘将第一和第二栓塞安装在涡轮机构件中。
根据一个方面，将第一和第二栓塞安装到涡轮机构件中包括，将第一和第二栓塞安装到涡轮机组件的部分中。
根据一个方面，将第一和第二栓塞安装到涡轮机组件的部分中包括，将第一和第二栓塞安装到支柱构件中。
根据一个方面，向涡轮机构件施加压缩力包括，使第一和第二栓塞热学地膨胀。
根据一个方面，使第一和第二栓塞热学地膨胀包括，加热由形状记忆合金形成的第一和第二栓塞。
根据一个方面，加热由形状记忆合金形成的第一和第二栓塞包括，加热由镍钛诺形成的第一和第二栓塞。
结合附图，这些和其他优点和特征将由以下描述变得更显而易见。
附图说明
被认为是本发明的主题在说明书所附的权利要求中被具体地指出且明确地要求保护。结合附图，本发明的前述和其他的特征和优点由以下详细描述而显而易见，其中:
图1是包括根据示例性实施例的裂缝抑制系统的涡轮机的部分的局部透视图；
图2是图1的涡轮机的支柱部分的局部平面图，其包括由示例性实施例的裂缝抑制系统的裂缝抑制元件支撑的裂缝；以及
图3是图2的裂缝抑制元件的透视图。
通过参考附图的示例，该详细描述解释了本发明的实施例以及优点和特征。
部件列表：
2   涡轮机
4   壳组件
6   第一壳构件
8   第二壳构件
12  支柱构件
18  第一交界区
20  第二交界区
22  第三交界区
24  第四交界区
30  第一半径部分
32  第二半径部分
34  第三半径部分
36  第四半径部分
50  裂缝
53  第一端
55  第二端
70  裂缝抑制系统
80  第一裂缝抑制元件
84  第二裂缝抑制元件
90  第一栓塞
94  第二栓塞
100 主体
104 第一端部分
105 第二端部分
107 中间部分。
具体实施方式
根据示例性实施例的涡轮机在图1中总体以2标示。涡轮机2包括形成涡轮部分的一部分（未单独标注）的壳组件4。壳组件4包括通过支柱构件12可操作地连接至第二壳构件8的第一壳构件6。支柱构件12通过第一交界区18和第二交界区20连接至第一壳构件6。支柱构件12通过第三交界区22和第四交界区24连接至第二壳构件8。第一交界区18包括第一半径部分30。第二交界区20包括第二半径部分32。第三交界区22包括第三半径部分34，且第四交界区24包括第四半径部分36。壳组件4由具有第一热膨胀系数的第一材料形成。当然，应当理解，用于形成壳组件4的材料种类可以变化。
在运行期间，壳组件4受到热负荷循环的影响。偶尔，热负荷循环可导致裂隙或裂缝的产生。如图2中最佳所示，裂缝50被示出处于第二交界区20。裂缝50包括处于第二半径部分32处的第一端53，其横穿支柱构件12的一部分延伸至第二端55。涡轮机2的连续运行可导致裂缝扩展，或第二端55沿支柱构件12的移位。因此抑制裂缝扩展以避免用于壳组件4的大规模整修和/或替换的昂贵的故障时间是合乎所需的。根据示例性实施例，壳组件4配有裂缝抑制系统70，该裂缝抑制系统70构造成充分地限制支柱构件12上的裂缝扩展。
根据示例性实施例，裂缝抑制系统70包括第一裂缝抑制元件80和第二裂缝抑制元件84。第一裂缝抑制元件80呈嵌入在裂缝50旁边的支柱构件12中的第一栓塞90的形式。第二裂缝抑制元件84呈嵌入在裂缝50的相对侧面上的支柱构件12中的第二栓塞94的形式。第一和第二栓塞90和94邻近裂缝50的第二端55布置。如以下将更完整地论述的那样，第一和第二栓塞90和94有选择地在裂缝50上施加压缩力以防止或至少充分地限制第二端55在支柱构件12上的移动。
由于第一栓塞90和第二栓塞94被示出为大致相似，通过参考图3将继之以详细描述，且第一栓塞90具有这样的理解，即在该所示示例性实施例中，第二栓塞94包括对应的结构。第一栓塞90包括主体100，其具有通过中间部分107延伸至第二端部分105的第一端部分104。在所示的示例性实施例中，主体100包括大致圆形的截面。然而，应当理解主体100的具体几何形状可以变化。
第一栓塞90由具有不同于第一热膨胀系数的第二热膨胀系数的材料形成。更具体地，第一栓塞90由具有大于第一材料的第一热膨胀系数的热膨胀系数的第二或“高阿尔法”材料形成。通过此布置，第一和第二栓塞90和94安装在邻近裂缝50形成于支柱构件12中的开口（未单独标注）中。一旦安装好，涡轮机2的运行即导致支柱构件12受热。第一和第二栓塞90和94也受热且开始以大于支柱构件12的膨胀速率的速率膨胀。在涡轮机运行期间，当支柱构件12暴露于热负荷循环时，第一和第二栓塞90和94的膨胀在裂缝50上施加压缩力，这充分地限制了裂缝扩展。
根据示例性实施例的另一个方面，第一和第二栓塞90和94由设置成以大于第一材料的速率膨胀的形状记忆合金形成，以便在裂缝50上施加压缩力。根据示例性实施例的再另一个方面，形状记忆合金呈镍/钛合金或镍钛诺的形式。当使用形状记忆合金时，邻近裂缝50在支柱构件12中形成开口（未单独标注）。第一和第二栓塞90和94从大于开口尺寸的第一尺寸调节至允许安装入开口的第二尺寸。当受热时，栓塞90和94试图回到第一尺寸，导致了被施加至裂缝50的压缩力。
在这点上，应当理解示例性实施例提供了一种用于在涡轮机中抑制裂缝的系统。该裂缝抑制系统使用安装在形成于基材中的裂缝旁边的一个或更多栓塞。栓塞由设计成当暴露于加热时以大于基材的速率增长的材料形成。以这种方式，栓塞可在裂缝上施加压缩力以防止或至少充分地抑制裂缝扩展。还应当理解，虽然示出及描述为具有大致圆形的截面，但栓塞的几何形状可以变化。并且，虽然示出为使用两个栓塞以产生压缩力，但栓塞的数量可以变化。在某些情况下，单个栓塞可能是所有所需要的，在其他情况下，多于两个栓塞可能是合乎所需的。最后，虽然示出及描述为是形状记忆合金，但栓塞可能由各种各样的材料形成。
虽然仅结合有限数量的实施例详细地描述了本发明，但应轻易理解，本发明不受如此公开的实施例的限制。相反地，本发明可更改以结合迄今尚未描述但与本发明的精神和范围相称的许多变化、变更、替换或等同的装置。此外，虽然描述了本发明的不同的实施例，但可理解本发明的方面可仅包括其中一些描述的实施例。因此，本发明不视为由在前的描述限制，而仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (10)

1.一种涡轮机，包括：
由具有第一热膨胀系数的材料形成的构件，所述构件包括裂缝；和
提供在所述构件中的裂缝抑制系统，所述裂缝抑制系统包括提供在所述裂缝处的至少一个裂缝抑制元件，所述至少一个裂缝抑制元件具有不同于所述第一热膨胀系数的第二热膨胀系数，所述至少一个裂缝抑制元件构造且设置成在所述裂缝处在所述构件上施加压缩力以充分地抑制裂缝扩展。
2.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述至少一个裂缝抑制元件包括定位在所述裂缝的一侧上的第一裂缝抑制元件和定位在所述裂缝的第二、相对侧上的第二裂缝抑制元件。
3.根据权利要求2所述的涡轮机，其特征在于，所述第一裂缝抑制元件包括插入所述构件中的第一栓塞，而所述第二裂缝抑制元件包括插入所述构件中的第二栓塞。
4.根据权利要求3所述的涡轮机，其特征在于，所述第一和第二栓塞的每一个均包括大致圆形的截面。
5.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述至少一个裂缝抑制元件由形状记忆合金形成。
6.根据权利要求5所述的涡轮机，其特征在于，所述形状记忆合金包括镍钛诺。
7.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述第二热膨胀系数大于所述第一热膨胀系数。
8.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述构件包括涡轮机组件的部分。
9.根据权利要求8所述的涡轮机，其特征在于，所述涡轮机组件的所述部分包括支柱构件。
10.一种抑制在涡轮机构件中形成的裂缝的方法，所述方法包括：
邻近裂缝将至少一个裂缝抑制元件固定至所述涡轮机构件；且
邻近裂缝通过所述至少一个裂缝抑制元件向所述涡轮机构件施加压缩力，以充分地抑制裂缝扩展。
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