CN104114819A - 用于工业燃气涡轮发动机的中间框架的全环式壳体 - Google Patents

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Abstract

一种环管式工业燃气涡轮发动机，包括：跨越压缩机部段(82)、燃烧部段(84)、以及涡轮机部段(86)的单件式转子轴；以及具有构造为全环式的部段(28)的燃烧部段壳体(10)。当燃烧部段壳体从发动机脱开并且移动至维修位置以允许接近发动机的内部时，使用定位夹具(98)来支撑压缩机部段壳体(83)和涡轮机部段壳体(87)。

Description

用于工业燃气涡轮发动机的中间框架的全环式壳体
关于联邦政府资助的研发的声明
本发明的研发部分地由美国能源部授予的合同No.DE-FC26-05NT42644支持。因此，美国政府可拥有本发明的一定权利。
技术领域
本发明涉及一种工业燃气涡轮发动机外壳体。更为具体地，本发明涉及一种用于工业燃气涡轮发动机的燃烧部段的全环式外壳体。
背景技术
传统的环管式工业燃气涡轮发动机具有跨越压缩机部段、燃烧部段、以及涡轮机部段并且构造为单件式的转子轴。工业燃气涡轮发动机外壳体包含的高压和高温提供使外壳体保持尽可能小的动机。这导致依照发动机的内部部件的形状的外壳体设计。工业燃气涡轮发动机的总体形状和外壳体仿照此总体形状的事实使得能够形成封闭整个发动机的单个壳体。因此，外壳体通常为环绕发动机的内部部件组装的不同壳体部段的组件。
在单件式转子轴跨越不同发动机部段的工业燃气涡轮发动机中，壳体部段通常分开成上半部和下半部以有利于发动机的组装和拆卸。保持壳体底部半部组装而移除顶部半部还使得能够接近发动机的内部并且同时在维修期间提供将发动机的部件保持在适当位置的结构支柱，诸如当仅移除和更换一些内部部件时。结果，传统的工业燃气涡轮发动机通常具有可与发动机的压缩机部段大致对应的上壳体和下壳体、可与燃烧部段大致对应的上壳体和下壳体、以及可与涡轮机部段大致对应的上壳体和下壳体。
该构型产生水平联接，其中上壳体和下壳体在该水平联接处相会合，且该水平联接沿着工业燃气涡轮发动机的每一侧延伸。此外，还围绕发动机形成周向联接，轴向相邻的壳体在周向联接处发生抵接。所有联接均会存在泄漏的可能性，从而导致较低效的发动机性能。此外，具有联接处的壳体厚度较大，而没有联接处的壳体厚度较薄，这导致不同的热膨胀的可能性。为了缓解不同热膨胀的作用，可使用较长的起动和关闭时间。此外，任何瞬时温度改变期间发生的不同热膨胀可能造成壳体椭圆化。这种椭圆化对内部部件来说可能是有害的，这些内部部件依靠壳体的圆形形状以便具有合适的性能从而保持期望的叶片间隙或者以便具有合适的密封性能。此外，在水平联接与周向联接相会合处形成四向联接。四向联接在关于机械设计考虑方面特别地有挑战性。
现今工业燃气涡轮发动机技术提供的最大的压力比为大约22:1。即，在空气被传递至燃烧室之前，压缩机最大将空气压缩至环境空气压力的大致22倍。仅仅机械压缩将使压缩空气的温度增加至大致440℃。而由钢制成且位于发生最高压力和最高温度的燃烧部段内的传统的分体式壳体在处于22倍大气压和大致440℃时可能接近其最大机械能力。然而，工业燃气涡轮发动机使用的压力比越大，操作效率越高。因此，传统的工业燃气涡轮发动机的壳体设计可能抑制了工业燃气涡轮发动机开发的进展。
附图说明
考虑附图在下面的描述中对本发明进行解释，这些附图示出了：
图1示出了燃烧部段外壳体的实施方式的局部纵向截面的示意性表示。
图2示出了包含燃烧部段外壳体的实施方式的工业燃气涡轮发动机的示意性表示。
具体实施方式
本发明的发明人已经设计了用于环管式工业燃气涡轮发动机的创新性改进的外壳体；即，具有如下单件式转子轴的发动机：该转子轴跨越压缩机部段、包括多个管式燃烧室的燃烧部段、以及涡轮机部段。燃烧部段壳体包括构造为全环式的至少第一部段。可以具有也可构造为全环式或者可构造为分体式壳体的第二部段。全环式燃烧部段外壳体提供多个优点。全环式壳体没有水平联接，从而减小发生泄露及相关联的工业燃气涡轮发动机操作效率减低的可能性。消除了传统的工业燃气涡轮发动机壳体构型的四向联接，保持最多三向联接。产生的三向联接可比四向联接拥有明显更大的结构弹性，并且因此与四向联接相比具有机械改进。此外，构造为单件、全环式的壳体能够应对更大的环向(周向)应力。这允许在燃烧部段外壳体的尺寸和形状方面具有更大的设计灵活度，并且还允许具有大于22:1的压力比的工业燃气涡轮发动机设计，该压力比值大致为传统工业燃气涡轮发动机外壳体的设计极限。此外，全环式壳体防止如下问题：将水平联接放置在利用某些改进的燃烧系统设计的工业燃气涡轮发动机中时，燃烧室可能放置为过于靠近在一起，使得可能几乎没有用于传统设计的水平联接的空间。
根据创新性的设计，可保持分体式压缩机壳体和涡轮机壳体，并且燃烧部段壳体可构造为使得可以传统的方式移除压缩机和涡轮机壳体部段，从而允许接近压缩机和涡轮机以进行维修操作。在实施方式中，压缩机部段环式壳体可为能够轴向定位的。例如，整个燃烧部段壳体或者燃烧部段壳体的一个部段可以构造为使得可以移动该壳体或壳体的一个部段以允许接近燃烧部段。运动可以从操作位置重新轴向定位至前方(相对于通过工业燃气涡轮发动机的工作流体的总体流动位于上游)的维修位置，在操作位置处燃烧部段壳体附接至涡轮机部段壳体。在维修位置中，能够接近燃烧部段。
在一些情况中，传统的工业燃气涡轮发动机经由支撑压缩机外壳体的压缩机底座和支撑涡轮机外壳体的涡轮机底座被支撑。在传统的工业燃气涡轮发动机的维修期间，燃烧部段壳体的下半部保持在适当位置，并且因而用作使工业燃气涡轮发动机的部件相对于彼此保持在相关位置的外壳体下半部支柱的一部分。当燃烧部段全环式外壳体从操作位置移动至维修位置时，燃烧部段壳体和涡轮机部段壳体必须彼此分开。因此，压缩机部段下壳体、涡轮机部段下壳体、以及相关联的部件将不能相对于彼此保持在适当位置。本发明人还已设计出用以在压缩机部段壳体与涡轮机部段壳体之间提供暂时连接的定位夹具。定位夹具可在上部段被移除时连接至壳体下部段中现存的附接点，或者可连接至壳体部段的任一半部中的专用附接点、或者两个半部中的附接点、或者连接至能够传递所需的机械载荷的任何其他位置处。
除了定位夹具外，还可以使用附加的支撑件来提供附加支撑。这种附加的支撑可以例如防止压缩机部段或者涡轮机部段中的任一者绕其相应的底座发生旋转。这些附加的支撑件可以为适于承载期望的机械载荷的任何形式，包括例如简单的千斤顶。
回到附图，图1示出了处于操作位置的燃烧部段外壳体10以及与压缩机部段相关联的外壳体上半部12和与涡轮机部段相关联的外壳体上半部14的部分的局部纵向截面的示意性表示。燃烧部段外壳体10可以在前界面16处固定至压缩机部段外壳体上半部12。前界面16可以包括固定至燃烧部段外壳体前凸缘20的压缩机部段外壳体上半部后凸缘18，然而可以采用其他紧固装置。相似地，燃烧部段外壳体10可以在后界面22处固定至涡轮机部段外壳体上半部14。后界面22可以包括固定至涡轮机部段外壳体上半部前凸缘26的燃烧部段外壳体后凸缘24。示出的实施方式允许以传统的方式移除压缩机部段外壳体上半部12和/或涡轮机部段外壳体上半部14并且同时将燃烧部段外壳体10保持在适当位置。
在一实施方式中，燃烧部段外壳体10包括第一部段28和第二部段30。第一部段28可以关于工业燃气涡轮发动机的纵向轴线32设置在燃烧室(未示出)和过渡管道(未示出)附近，该纵向轴线32为发动机轴(未示出)的旋转轴线。第一部段28可以整体地封闭燃烧室和过渡管道，或者第一部段28可以包括在工业燃气涡轮发动机壳体被完全组装时燃烧室可以延伸通过其中的燃烧室开口34。这些燃烧室开口34可以关于纵向轴线32成一定角度和/或与从纵向轴线32径向延伸的线(未示出)成一定角度。在一实施方式中，燃烧室可以固定至燃烧部段外壳体10。
在一实施方式中，过渡管道可以完全位于径向间隙线36的径向内侧。在过渡管道定位在径向间隙线36内的实施方式中，第一部段28关于发动机从所示的操作位置自由地向前轴向移动至维修位置。由于第一部段的径向极限部分38能够径向地远离过渡管道，因此这是可能的，其中该径向极限部分38包括从燃烧室开口34向下游至燃烧部段外壳体10的下游端40。
可以在采用改进的过渡部39的现存的环管式工业燃气涡轮发动机技术中使用这样的实施方式，其中改进的过渡部构造成使从相应的燃烧室接收的燃烧气体适当地定向并加速且将这些燃烧气体直接传递至第一排涡轮机叶片。在这些设计中，改进的过渡部可以将燃烧气体切向地传递至涡轮机进气环部(未示出)。因此，不再需要通常用于使燃烧气体定向和加速的传统的第一排涡轮机引导叶片。则改进的过渡管道可以由涡轮机叶片支架41(示意性地示出)支撑，该叶片支架41不再需要支撑第一排涡轮机叶片。由于改进的过渡部由与燃烧部段外壳体10不相关的结构支撑，因此燃烧部段外壳体10自由地移动至维修位置而无需移除改进的过渡部。在必须移动燃烧部段外壳体10以接近燃烧部段的其他部分时这代表维修成本方面的降低。然而，燃烧室开口34可以构造(例如，足够大)成允许改进的过渡部通过燃烧室开口34而移除，而无需将第一部段28移动至维修位置。
在包括第二部段30的实施方式中，第二部段30可以设置在第一部段28与压缩机部段壳体上半部12以及压缩机部段壳体下半部(未示出)之间。第二部段30可以构造为开环式或全环式。在第二部段30构造为开环式的情况中，可以以与其他开环相似的方式移除第二部段30，或者可以仅将第二部段30保持在适当位置。在第二部段30构造为全环式的情况中，除非也移除转子轴否则不能移除该第二部段30。在图1中示出的构型中，燃烧部段外壳体10包括一体式界面42。在一体式界面42处，第二部段30的后端44与第一部段28的前端46相接合。具体地，在示出的实施方式中，在第一部段28处于操作位置时径向定向的环形形状的第一部段表面48抵接径向定向的环形形状的第二部段表面50。该抵接形成环形的密封部51并且与后界面22处的抵接部一起为第一部段28限定操作位置。为了使第一部段28从操作位置(在附图中左侧)移动，明显的是第二部段30的径向最内侧表面52必须与压缩机部段外壳体上半部12和压缩机部段外壳体下半部(未示出)的径向最外侧表面54离开一间隙量54，此间隙量至少为在处于维修位置时燃烧部段外壳体10和压缩机部段外壳体半部发生轴向重叠的部分的程度。相似地，后端44的径向最外侧表面56必须设置为在第一部段28从维修位置移动时远离第一部段28。
还可以看出的是，在示出的实施方式中，第二部段30包括轴向延伸部58。轴向延伸部58从燃烧部段外壳体大致平行于工业燃气涡轮发动机的纵向轴线32延伸。这样做以使第二部段30的内表面62和第一部段28的内表面64的半径60的纵向轮廓线最小化，这随之减小第一部段28和第二部段30经受发动机内的压缩空气压力的面积的量。通过使经受升高的压力的表面积的量最小化，使由压缩空气施加至第一部段28和第二部段30上的力最小化，并且这允许使这些部段的结构体积最小化。为了远离第二部段30的后端44的目的，存在具有较大的半径60的第一部段28的部分，并且因此，此部分被结合并且设计成适应由增加的半径60引起的增大的力。
图2示意性地描绘了工业燃气涡轮发动机80，其包括结合有压缩机部段外壳体83的压缩机部段82、燃烧部段84、以及结合有涡轮机部段外壳体87的涡轮机部段86。压缩机部段外壳体83包括压缩机部段外壳体上半部12和压缩机部段外壳体下半部88。燃烧部段84包括燃烧部段外壳体10，示出的外壳体10处于维修位置。涡轮机部段外壳体87包括涡轮机部段外壳体上半部14和涡轮机部段外壳体下半部90。图2的实施方式示出了单件式燃烧部段外壳体10。在诸如图1的多件式实施方式中，第二部段30将保持在适当的位置，并且仅第一部段28将如图2中所描绘的向前移动。
还示出了构造成支撑压缩机部段82的压缩机部段底座92和构造成支撑涡轮机部段86的涡轮机部段底座94。在传统的工业燃气涡轮发动机80中，可以没有其他的支撑件，并且因此传统的燃烧部段外壳体下半部(未示出)必须固定在压缩机部段外壳体下半部88与涡轮机部段外壳体下半部90之间并且固定至压缩机部段外壳体下半部88与涡轮机部段外壳体下半部90，以将组件保持在适当位置。然而，根据本发明，当燃烧部段外壳体10处于维修位置时，压缩机部段外壳体下半部88与涡轮机部段外壳体下半部90之间形成间隙96。因此，当燃烧部段外壳体10处于维修位置时，为了将组件保持在适当位置可以实施定位夹具98。定位夹具98可以跨越工业燃气涡轮发动机80的长度以将压缩机部段82相对于涡轮机部段86固定至适当的位置。定位夹具98可以通过本领域的普通技术人员已知的任何装置连接，包括通过紧固至现存的凸缘连接点中等。则定位夹具98防止压缩机部段82和/或涡轮机部段86沿着工业燃气涡轮发动机纵向轴线32发生相对运动。
除了定位夹具98之外，可以利用附加的支撑件以防止其他的相对运动。例如，压缩机部段附加支撑件100可以为压缩机部段82提供附加的支撑，并且涡轮机部段附加支撑件102可以相似地为涡轮机部段86提供附加的支撑。在没有压缩机部段附加支撑件100的情况下，重力可能驱使压缩机部段82围绕压缩机部段底座连接点104或者围绕压缩机部段底座接地点106或者围绕两者旋转，其中压缩机部段底座92在压缩机部段底座连接点104处连接至压缩机部段82，压缩机部段底座92在压缩机部段底座接地点106处连接至地面。这种旋转可以对压缩机部段82相对于涡轮机部段86的定位的干扰最小。支撑件可以采取本领域的普通技术人员已知的任何形式，包括但不限于千斤顶等。
相似地，在没有涡轮机部段附加支撑件102的情况下，重力可能驱使涡轮机部段86围绕涡轮机部段底座连接点108旋转或者围绕涡轮机部段底座接地点110旋转或者围绕两者旋转，其中涡轮机部段底座94在涡轮机部段底座连接点108处连接至涡轮机部段86，涡轮机部段底座94在涡轮机部段底座接地点110处连接至地面。这种旋转可以对涡轮机部段86相对于压缩机部段82的定位的干扰最小。安装压缩机部段附加支撑件100和涡轮机部段附加支撑件102可以针对要旋转的部段防止这种倾向，并且因此除了由定位夹具98提供的轴向稳定性之外还提供旋转稳定性。当燃烧部段外壳体10未连接至操作位置而是相反地位于维修位置时，轴向稳定性与旋转稳定性一起将足以将压缩机部段82和涡轮机部段86相对于彼此保持在适当的位置。因此使用最小的附加作用使得维修操作更加可靠。
已经示出创新性的环式结构的燃烧部段壳体10提供可以允许更高压力的压缩空气的更坚固的壳体，这相应地可以允许效率更高的工业燃气涡轮发动机。此外，此设计可以减小泄露并且由于增加的结构强度可以允许燃烧部段壳体的更轻的设计。燃烧部段壳体设计还允许易于维修处于操作位置的燃烧部段部件并且可以包括附加的定位部件，该定位部件能够使燃烧部段壳体移动至维修位置同时仍然保持压缩机和涡轮机部段处于固定的相对位置，其中在维修位置实现到达燃烧系统部件的甚至更大的通道。因此，本文公开的设计表示本领域中的改进。
尽管已经在本文中示出并描述了本发明的各个实施方式，但是明显的是，这种实施方式仅通过示例提供。在不背离本文中发明的情况下，可做出多种变型、改变以及替代。因此，意图是本发明仅由所附权利要求的精神和范围限制。

Claims (19)

1.一种环管式工业燃气涡轮发动机，包括：
单件式转子轴，所述单件式转子轴跨越压缩机部段、燃烧部段、以及涡轮机部段；以及
燃烧部段外壳体，所述燃烧部段外壳体包括构造为全环式的第一部段。
2.根据权利要求1所述的环管式工业燃气涡轮发动机，其中，所述燃烧部段外壳体包括第一部段和第二部段，其中，所述第二部段设置在所述第一部段与压缩机部段壳体之间，其中，所述第一部段构造成在所述第一部段从涡轮机部段壳体脱开时沿着所述环管式工业燃气涡轮发动机的纵向轴线从操作位置移动至所述操作位置前方的维修位置，在所述操作位置所述第一部段固定至所述涡轮机部段壳体。
3.根据权利要求2所述的环管式工业燃气涡轮发动机，其中，所述第二部段构造为全环式。
4.根据权利要求2所述的环管式工业燃气涡轮发动机，其中，所述第一部段包括多个燃烧室开口，在位于所述操作位置时相应的燃烧室延伸通过所述燃烧室开口。
5.根据权利要求4所述的环管式工业燃气涡轮发动机，还包括改进的过渡管道，所述改进的过渡管道构造成使来自相应的燃烧室的燃烧气体定向并且加速为直接到达第一排涡轮机叶片，其中，所述改进的过渡管道由涡轮机叶片支架支撑，并且其中，所述燃烧室开口构造成能够使得相应的改进的过渡管道通过所述燃烧室开口而移除。
6.根据权利要求4所述的环管式工业燃气涡轮发动机，还包括改进的过渡管道，所述改进的过渡管道构造成使来自相应的燃烧室的燃烧气体定向并且加速为直接到达第一排涡轮机叶片，其中，所述改进的过渡管道由涡轮机叶片支架支撑，
其中，所述第一部段的包括所述燃烧室开口及所述燃烧室开口下游的所有部件的一部分设置在所述改进的过渡管道的径向外侧。
7.根据权利要求2所述的环管式工业燃气涡轮发动机，其中，所述第一部段整体设置在所述压缩机部段壳体的径向外侧。
8.根据权利要求2所述的环管式工业燃气涡轮发动机，还包括定位夹具，所述定位夹具构造成在所述第一部段未处于所述操作位置时使所述压缩机部段壳体和所述涡轮机部段壳体相对于彼此保持在适当位置。
9.根据权利要求8所述的环管式工业燃气涡轮发动机，还包括压缩机部段壳体支撑件和涡轮机部段壳体支撑件，所述压缩机部段壳体支撑件构造成在所述第一部段未处于所述操作位置时将所述压缩机部段壳体保持在适当位置，所述涡轮机部段壳体支撑件构造成在所述第一部段未处于所述操作位置时将所述涡轮机部段壳体保持在适当位置。
10.一种环管式工业燃气涡轮发动机燃烧部段壳体，包括：
第一部段，所述第一部段构造为全环式的并且包括构造成固定至涡轮机壳体凸缘的涡轮机端部凸缘；以及
第二部段，所述第二部段包括构造成固定至压缩机壳体凸缘的压缩机端部凸缘，
其中，当处于操作位置时，所述第一部段和所述第二部段共享共用的纵向轴线并且在所述第一部段与所述第二部段之间形成环形密封部，所述第一部段的径向定向的环形表面与所述第二部段的径向定向的环形表面在所述环形密封部处抵接，并且
其中，通过所述第一部段的径向定向的环形表面防止所述第一部段从所述操作位置沿着所述共用的纵向轴线运动。
11.根据权利要求10所述的环管式工业燃气涡轮发动机燃烧部段壳体，还包括在所述第一部段中形成的多个燃烧室开口。
12.一种包括根据权利要求10所述的燃烧部段壳体的环管式工业燃气涡轮发动机。
13.一种环管式工业燃气涡轮发动机，包括
单件式转子轴，所述单件式转子轴跨越压缩机部段、燃烧部段、以及涡轮机部段；
改进的过渡管道的阵列，所述改进的过渡管道的阵列构造成使来自相应的燃烧室的燃烧气体定向并且加速为直接到达第一排涡轮机叶片；
压缩机部段壳体；
涡轮机部段壳体；以及
燃烧部段壳体，包括构造成连接至所述涡轮机部段壳体的第一部段和构造成连接至所述第一部段和所述压缩机部段壳体的第二部段，其中，所述第一部段的位置能够在沿着所述工业燃气涡轮发动机的纵向轴线的位置范围内进行调节，并且其中，所述位置范围包括所述第一部段固定至所述涡轮机部段壳体的操作位置和所述第一部段从所述涡轮机部段壳体脱开的维修位置。
14.根据权利要求13所述的环管式工业燃气涡轮发动机，其中，所述第一部段包括多个孔口，当所述第一部段处于所述操作位置时相应的燃烧室延伸通过所述孔口。
15.根据权利要求14所述的环管式工业燃气涡轮发动机，其中，当处于所述操作位置时，所述第一部段和所述第二部段之间形成环形密封部，所述第一部段的径向定向的环形表面与所述第二部段的径向定向的环形表面在所述环形密封部处抵接。
16.根据权利要求14所述的环管式工业燃气涡轮发动机，其中，位于所述改进的过渡管道附近或者下游的所述第一部段的整体设置在所述改进的过渡管道的径向外侧，这有效地允许在所述改进的过渡管道安装在所述环管式工业燃气涡轮发动机中时沿着所述位置范围调节所述第一部段。
17.根据权利要求14所述的环管式工业燃气涡轮发动机，其中，所述第一部段的整体设置在所述压缩机部段壳体的径向外侧，这有效地允许沿着所述位置范围调节所述第一部段。
18.根据权利要求13所述的环管式工业燃气涡轮发动机，还包括定位夹具，所述定位夹具构造成在所述第一部段未处于所述操作位置时使所述压缩机部段壳体和所述涡轮机部段壳体相对于彼此保持在适当位置。
19.根据权利要求13所述的环管式工业燃气涡轮发动机，还包括压缩机部段壳体支撑件和涡轮机部段壳体支撑件，所述压缩机部段壳体支撑件在所述第一部段未处于所述操作位置时将所述压缩机部段壳体保持在适当位置，所述涡轮机部段壳体支撑件在所述第一部段未处于所述操作位置时将所述涡轮机部段壳体保持在适当位置。
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