CN103717841A - 联接有可调整的磨损垫的涡轮燃烧系统及相应的组装方式 - Google Patents

Abstract

一种涡轮燃烧系统，包括附接至传导冲击套筒前部环（50）的螺母，该传导冲击套筒前部环（50）包围并固定至管状的传递冲击套筒（45）的前端（44）。该螺母具有螺纹孔（63），该螺纹孔（63）与冲击套筒前部环中的孔（66）成直线对齐。螺栓（68）旋入螺母中并延伸穿过该孔（66），该螺栓包括具有磨损垫（70）的内部端以及具有转动工具接合元件（72）的外部端。该磨损垫接触由传导冲击套筒前部环（50）环绕的传导件前部外环（52）的后部部分的外部表面。该机械螺栓（68）的旋转位置在传导冲击套筒前部环与传导件前部外环之间设定径向间隙（76）。还提供一种组装这样的涡轮燃烧系统的相应方法。

Description

联接有可调整的磨损垫的涡轮燃烧系统及相应的组装方式

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年5月20日提交的美国专利申请No.61/488,243的优先权，上述申请作为引用并入本申请。

技术领域

本发明涉及一种联接，该联接允许燃烧室结构与燃气轮机的传导（transition）管道组件之间的轴向相对运动（包括热增长），具体地说，本发明涉及由该联接所设定并维持的在两个结构之间的径向间隙的建立。

背景技术

燃气轮机的燃烧系统容纳在燃烧过程中产生的热气体以及火焰，将该热气体输送至发动机的涡轮部分。工业的燃气轮机通常具有多个单独的燃烧装置组件，这些燃烧装置组件绕发动机轴布置成环形阵列的。传导管（也称为传导件）的对应的环形阵列将每个燃烧室的流出物连接至涡轮部分的入口处。每个传导件可以是管状的结构，其在燃烧室与涡轮部分的第一排静叶片之间引导燃烧的气体。

传导件可以包括：为燃烧气体提供流动通道的管状内衬或主体，该燃烧气体的温度可以达到大约1500℃。该内衬可以由从涡轮压气机转移的压缩空气冷却。冲击套筒可以环绕传导件的内衬。这为燃烧气体的通道提供了双壁的外壳体。冲击套筒可以包括用于接纳冷却剂并将冷却剂导向内衬的外表面以冷却该内衬的孔。

附图说明

在随后的说明中将参考附图解释本发明，附图中：

图1是根据本发明的燃气轮机的示意性视图。

图2是根据本发明的燃烧系统传导件的侧视图。

图3是调整件沿图2的线3-3的剖面图。

图4是该调整件的可替代实施例的剖面图。

图5是根据本发明的调整件的透视图。

图6是调整件沿图2的线6-6的剖面图。

图7是调整件沿图2的线7-7的剖面图，示出安装在冲击套筒前部环的磨损垫调整件（wear pad adjusters）的环状阵列。

图8说明了根据本发明的装配方法。

具体实施方式

图1是燃气轮机20的示意性视图，其包括压气机22、燃料注射器24（通常也称为盖组件（cap assemblies））、燃烧室26、传导件28、涡轮部分30以及发动机轴32，涡轮借助发动机轴32驱动压气机。几个燃烧器组件24、26、28可以在环管式设计（can-annular design）中布置成环状阵列。在操作过程中，压气机22吸入空气33，并经由分流器34和燃烧器充气室36将压缩空气流37提供至燃烧器入口23。燃料注射器24将燃料与压缩空气混合。混合物在燃烧室26中燃烧并产生热燃烧气体38（也称为工作气体），该气体38经由传导件28的出口框架48与涡轮机入口构件29之间的密封联接而穿过传导件28至涡轮30。分流器34和充气室36可以绕发动机轴32环状地延伸。燃烧器充气室36中的压缩空气流37的压力高于燃烧室26和传导件28中的工作气体38的压力。

图2是图1的传导件28的侧视图，该传导件是限制工作气体流38的双壁外壳。外壁或冲击套筒45可以形成两个可例如沿着垂直轴向平面分开的半体（后面示出），这两个半体还可包括一联接的中心线82。这些半体可以沿相对的缝用对应的金属带47A、47B焊接起来。出口框架48可以通过焊接或者其它方式而附接至传导件28的下游端，接着可以通过螺栓或者其它装置附接至涡轮入口构件29，从而支撑传导件28的下游端。传导冲击套管45的上游端或前端45可以是环形的，而下游端46可以是具有曲率的大致矩形以匹配涡轮入口构件29。

根据本发明的至少一个实施例，冲击套筒前部环50可以包围并固定至传导冲击套筒45的前端44。前部环50可以是两个被例如沿垂直轴向的平面分割的半柱形部分（后面示出）。这两个部分可以在相对的缝处用相应的密封板51A、51B焊接在一起。传导件前部外环52可经由后面所示的磨损垫（wear pad）在冲击套筒前部环50滑动地接合。如图2和图7所示，多个磨损垫调整件54可以在诸如空间分开的环形阵列中附接至冲击套筒前部环50。在示例性实施方式中，两个磨损垫调整件54可以通过定位在二者之间对应的密封片51A、51B而依次邻接，如图7所示。可选的实施例允许磨损垫调整件54的数量及它们在前部环50上的对应位置根据传导件28的机械和热负荷特性而改变。这种布置提供了可在轴向运动的耦合组件53，该组件53将冲击套筒45的前端44连接至传导件前部外环52，从而连接至燃烧室的外壁的下游端56。可以考虑让耦合组件53包括冲击套筒前部环50、在前部环50上的多个径向间隙调整件54、以及传导件前部外环52。于此，“轴向”一词通常指平行于冲击套筒前部环50的轴或中心线82、平行于耦合件的中心线、或者平行于燃烧气体的路径（该路径在示例性实施方式中大体上为柱形）。本发明的实施例可以实施成传导件28在前端具有多种交叉部分几何形状，包括例如大体上柱形或大体上矩形的形状。

图3是可在轴向滑动的耦合组件53的截面图，该组件53根据本发明包括磨损垫调整件54。前部外环52可接合燃烧室25的外壁的下游端56。该传导件的传导件主体或者内衬58可环绕燃烧室26的内衬62并可在位于内衬62上的环形弹性密封件60上滑动。螺母64可以固定至冲击套筒前部环50的外表面。该螺母64有螺纹孔63，该螺纹孔63与冲击套筒前部环50的前部部分67上的孔66成直线对齐。螺栓68还有径向内部端和径向外部端，该内部端包括与其一体地形成或者附接至其上的磨损垫70，该外部端具有转动工具接合元件72，例如狭槽、平台、或用于六角扳手74的六边形孔或六角扳手外部六边形几何形状。

转动螺栓68可以调整冲击套筒前部环50与传导件前部外环52之间的径向间隙76。“径向”一词指垂直于冲击套筒前部环50的中心线82。通过将螺栓68焊接80至螺母64，或者通过其它例如设定螺栓或锁定螺母的装置，可以锁定径向间隙调整机构。在冲击套筒45的前端44和传导件前部外环52的后端之间设置轴向间隙78，以允许二者之间的相对轴向运动。

图4示出本发明的一个实施例，其中，垫70位于传导件前部外环52的凹陷55中。通过磨损垫70与凹陷55的后壁55A的接触，该后壁55A可限制前部外环52相对于冲击套筒45的向前运动。这可以将前部外环52保持在耦合组件53中。通过磨损垫70与凹陷55的前壁55F的接触，该前壁55F可限制前部外环52相对于冲击套筒45的向后运动。该凹陷55可以是环状的凹槽，但不限于此。本领域技术人员应该理解，本发明的其它实施方式包括其它允许间隙76在环绕前部外环52的周边的位置被设定成想要的距离的结构。当说明的实施例使用螺母64和螺栓68的组合以设定磨损垫70的径向位置时，其它实施例开使用楔形装置、填隙片或其它用户可以调整的机构以建立在两个环50/52之间的径向方向限制可控的间隙连接的位移，同时仍允许轴向位移以容纳部件之间的热增长。

图5是磨损垫调整件54的透视图，包括螺母64和机械螺栓68。该螺母64可具有凸缘65以便于焊接至冲击套筒前部环50。磨损垫70作为螺栓68的整体部分示出。应该理解，磨损垫70提供想要的接触面积尺寸，以便将两个环50/52之间产生的力分散以避免局部变形。在其它实施例中，在两个环50/52之间产生接触的径向调整装置提供这样的接触区域而不需要清楚限定的磨损垫。磨损垫70的结构和/或表面处理的材料可以从那些已知的材料中选择，以在发动机运行过程中避免任何有问题的磨损特性。

图6是沿图2的线6-6的剖面图，示出了冲击套筒的第一和第二半体45A、45B，该半体沿垂直轴向平面83分开。第一和第二密封片51A、51B可在周向间隙84上连接冲击套筒前部环50的第一和第二部分50A、50B。

图7是沿图2的线7-7的剖面图，示出了安装在冲击套筒前部环50上的空间分开的磨损垫调整件54的环状阵列。示出了冲击套筒前部环50的中心线82。示出了包括中心线82的垂直轴向平面83。冲击套筒前部环50可以形成为两个半圆部分50A、50B，如图所示在每个的端部具有磨损垫调整件54。密封片51A、51B可焊接在所述部分50A、50B的邻接相对端上方，以结合所述部分从而形成大体上柱状的传导件前部环50。

图8示出示例性的组装方法（参考数字如所阐述的），包括以下步骤：

101用两个半体45A、45B形成传导冲击套筒，两个半体可以例如沿轴向平面分开。

102通过例如焊接的方式，将冲击套筒前部环部分50A、50B附接至对应的冲击套筒半体50A、50B（45A、45B）的外表面，以便前部环部分50A、50B在冲击套筒半体45A、45B的前边缘向前延伸。

103通过例如焊接的方式，将调整螺母64附接至前部环部分50A、50B的外表面，以便使螺母中的螺纹孔63与冲击套筒前部环部分50A、50B中的相应的孔66成直线对齐。可供选择的是，这个步骤可以在步骤102之前进行。

104使调整螺栓68向螺母64回退，直到磨损垫70与冲击套筒前部环部分50A、50B的内表面接触。

105将前部环部分50A、50B绕传导件前部外环52定位，同时，在前部环部分50A、50B的端部之间，例如在轴向平面83的顶部和底部，保持预定的周向间隙84。在组装过程中要一直保持该间隙84。

106沿顺时针方向推动调整螺栓68直到对应的磨损垫70在凹陷55处与前部外环52接触。

107必要时转动调整螺栓68，以在前部环50与前部外环52之间设定预定的径向间隙76。

108固定该组件以在完成焊接过程时保持部件的关系。

109定位和焊接密封片51A、51B与密封带47A、47B。

110去除焊接固定。

111确认径向间隙76已被保持且每个调整件磨损垫70仍与凹陷55的底部接触。

112如果要求焊后热处理，那么可在热处理113完成之后重复步骤111（此为步骤114）。

115在检查和确认完成之后，将调整螺栓68焊接或以其它方式锁定至螺母64。

调整的磨损垫的实施例允许在传导件45组装过程中在可滑动的耦合组件53中调整径向间隙76，这允许去除在现有技术中完工的最终间隙的不确定性。这减少了燃烧系统的变化性和系统从动态响应的退化。本发明的实施例提供的良好调整方式允许了部件的壁之间在平面内的热增长而将平面外的变形最小化。

由调整件54所促进的良好调整方式在磨损垫70与传导件前部外环52之间提供均匀的接触压力。这减少了传导件前部外环52与冲击套筒45由于之间的非均匀接触压力而产生的变形。应该精确地设定该调整件以排除会引起这样的变形的多余压力，并且去除在操作温度下磨损垫与前部外环52之间的间隙。对间隙的去除排除了振动，这种振动会加速接触表面的磨损并对该组件的其它元件（例如焊接件）产生动态应力。在共同焊接前部环50A、50B与传导冲击套筒的半体45A、45B之前，在固定装置中进行良好的调整，排除了在最终组件中由在制造和组装过程中积累的误差而引起的变化性与过分误差。

应理解，本发明的方面可以合并到新制造的燃气轮机，也可以在使用中的燃气轮机的修理或维护过程中作为改进使用。现有发动机的现有成分部件，例如冲击套筒前部环和/或传导件前部外环，可以在这样的改进过程中被替换或或被更改和重新使用。

此处示出并描述了本发明的多个实施例，应容易理解这些实施例的提供仅出于示例目的。在本发明的范围内可以进行很多的变化、改变和替代。因此，本发明旨在仅受权利要求书的精神和范围的限制。

Claims (18)

1.一种涡轮燃烧系统，包括：

具有前端的传导件冲击套筒；

冲击套筒前部环，附接至且围绕所述冲击套筒的前端；

传导件前部外环，具有由冲击套筒前部环围绕的后端和与燃烧室外壁的下游端接合的前端；以及

选择性地调整径向位移的装置，所述装置限制所述传导件前部外环与所述冲击套筒外环之间的相互连接，可以选择性地调整所述相互连接，以在所述传导件前部外环与所述冲击套筒外环之间建立被控制的径向间隙。

2.如权利要求1所述的涡轮燃烧系统，其中，所述相互连接进一步包括：

多个附接至冲击套筒前部环的径向外表面的螺母，每个螺母包括径向定位的螺纹孔，所述螺纹孔与冲击套筒前部环中对应的孔成直线对齐；

旋入每个螺母的相应的机械螺栓，每个机械螺栓包括具有磨损垫的径向内端以及具有转动工具接合元件的径向外端；以及

传导件前部外环，包括与每个磨损垫的径向内表面接触的表面；

其中，机械螺栓的旋转位置确定所述被控制的径向间隙。

3.如权利要求2所述的涡轮燃烧系统，其中，所述冲击套筒前部环的前部从所述冲击套筒向前延伸，所述对应的孔定位在所述冲击套筒前部环的前部上。

4.如权利要求2所述的涡轮燃烧系统，其中，所述冲击套筒前部环由焊接至冲击套筒的前端的两个半圆部分形成。

5.如权利要求2所述的涡轮燃烧系统，其中，在所述冲击套筒的前端与所述传导件前部外环的后端之间，设置有轴向的间隙。

6.如权利要求2所述的涡轮燃烧系统，其中，每个机械螺栓在对应的螺母中锁定在给定的旋转位置。

7.如权利要求2所述的涡轮燃烧系统，其中，每个机械螺栓被焊接至对应的螺母。

8.如权利要求2所述的涡轮燃烧系统，其中，所述磨损垫的径向内表面接触位于所述传导件前部外环的径向外表面中的凹陷的底部表面；以及

所述凹陷通过所述磨损垫与所述凹陷的后壁的接触而限制传导件前部外环相对于所述冲击套筒的向前运动。

9.如权利要求2所述的涡轮燃烧系统，其中，所述磨损垫的径向内表面接触位于所述传导件前部外环的径向外表面中的凹陷的底部表面；

所述凹陷通过所述磨损垫与所述凹陷的前壁的接触而限制传导件前部外环相对于所述冲击套筒的向后运动。

10.一种涡轮燃烧系统，其包括：

冲击套筒前部环；

传导件前部外环，包括后部部分，由传导冲击套筒前部环环绕并且在所述前部环处被径向间隙分隔；

附接至所述冲击套筒前部环的外表面的螺母，其中，所述螺母包括与所述冲击套筒前部环的孔成直线对齐的螺纹孔；

旋入所述螺纹孔中的螺栓；以及

固定至螺栓的径向内端的磨损垫，所述磨损垫与传导件前部外环的外表面接触；

其中，所述螺栓的旋转位置设定并控制在所述冲击套筒前部环与传导件前部外环之间的所述径向间隙。

11.如权利要求10所述的涡轮燃烧系统，其中，所述螺栓被锁定在所述螺母中的特定旋转位置。

12.如权利要求10所述的涡轮燃烧系统，其中，所述螺栓焊接至所述螺母。

13.如权利要求10所述的涡轮燃烧系统，进一步包括在传导件前部外环的外表面上的环状凹陷，所述凹陷用于接收所述磨损垫，使得该磨损垫接触所述凹陷的底部表面。

14.如权利要求13所述的涡轮燃烧系统，其中，所述凹陷包括限制所述磨损垫的轴向相对运动的前壁和后壁。

15.如权利要求10所述的涡轮燃烧系统，还包括在所述螺栓的径向外端上形成的转动工具接合元件。

16.一种装配涡轮燃烧系统的方法，包括：

围绕冲击套筒前部环设置多个大体上轴向定位的调整螺栓，所述冲击套筒前部环围绕冲击套筒的前端附接并从所述前端向前延伸；以及

转动调整螺栓，以便在冲击套筒前部环与传导件前部外环之间设定径向间隙，所述传导件前部外环由所述冲击套筒前部环环绕。

其中，在每个调整螺栓的径向内端上的磨损垫接触所述传导件前部外环，以设定所述径向间隙。

17.如权利要求16所述的方法，进一步包括：

用两个半体形成所述冲击套筒；

用两个部分形成所述冲击套筒前部环；

将所述冲击套筒前部环的所述部分附接至所述冲击套筒的所述半体的外表面上，其中，所述冲击套筒前部环的所述部分从所述冲击套筒的所述半体的前边缘向前延伸；

将多个螺母附接至所述前部环的所述部分的外表面，所述前部环的所述部分位于所述冲击套筒半体的前边缘的前面，其中，在所述螺母中的螺纹孔与所述冲击套筒前部环的所述部分中相应的孔成直线对齐；

使调整螺栓向所述螺母回退，直到所述磨损垫接触所述冲击套筒前部环的所述部分的内表面；

绕所述传导件前部外环定位所述冲击套筒前部环部分，同时在所述冲击套筒前部环的所述部分的相对端之间保持预定的周向间隙；

转动调整螺栓使其径向向内行进，直到每个磨损垫接触所述传导件前部外环；

有效地转动调整螺栓，以在所述冲击套筒前部环与传导件前部外环之间设定预定的径向间隙；

在进行焊接的过程中，固定住所述冲击套筒的所述半体、所述冲击套筒前部环的所述部分、以及所述传导件前部外环；

在所述冲击套筒前部环的所述部分的相对端焊接密封片；

沿所述冲击套筒的所述半体的相对边缘焊接密封带；以及

去除焊接固定；以及

将调整螺栓锁定至螺母。

18.如权利要求17所述的方法，进一步包括：

在焊接密封带与密封片之后，确认预定的径向间隙被保持，以及确认每个调整件磨损垫仍与传导件前部外环接触；

至少对密封带和密封片进行热处理；

再次确认所述预定的径向间隙被保持，以及再次确认每个调整件磨损垫仍与传导件前部外环接触；以及

将所述调整螺栓焊接至所述螺母。

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