CN104822919B - 燃气轮机压缩机底切间隔件 - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract
一种燃气轮机压缩机间隔件(230)包括具有空心圆柱形的主体(229)。该主体(229)包括外表面(232)，该外表面(232)具有轴向前端。该主体(229)还包括从轴向前端径向向内延伸的前面(233)。前唇缘(237)从主体(229)轴向延伸。前唇缘(237)包括从前面(233)径向向内设置的前唇缘表面(239)。前唇缘表面(239)是前唇缘(237)的径向外圆周表面。间隔件(230)还包括前底切部(235)。前底切部(235)设置在前面(233)和前唇缘表面(239)之间。
Description
技术领域
本发明总体涉及燃气轮机，并更具体涉及燃气轮机的压缩机底切间隔件。
背景技术
燃气轮机包括压缩机、燃烧室和涡轮部分。燃气轮机部分的部件经受高温和高压。这些温度和压力可在燃气轮机瞬变期间尤其是在燃气轮机起动和关机期间变化。部件可以不同速率热膨胀，在部件内生成热应力和应变。
授予S.Augustine的美国专利申请公开号2009/0297350公开了一种在两个旋转燃气轮机部件之间的底座接口，其包括刚性圈以提供径向偏转约束。根据Augustine，箍扣间隔件或刚性圈可用作在接近轮缘的转子级之间提供连接的间隔件，叶片支撑在该轮缘中。刚性圈经由摩擦而不是螺栓将转子级联结在一起。
本发明针对解决由本发明人发现的一个或多个问题。
发明内容
经配置用于装设在压缩机转子轮盘之间的燃气轮机压缩机间隔环具有空心圆柱形的主体。该主体包括外表面。该外表面是主体的径向最外侧的圆周表面。外表面包括轴向前端和轴向后端。该主体还包括从外表面的轴向前端径向向内延伸的前面。前唇缘从主体轴向延伸。前唇缘包括从前面径向向内设置的前唇缘表面。前唇缘表面是前唇缘的径向外圆周表面。间隔件还包括前底切部。前底切部设置在前面和前唇缘表面之间。
附图说明
图1是示例性燃气轮机的示意图解。
图2是示例性燃气轮机的压缩机转子组件的后部的透视图。
图3是示例性燃气轮机的压缩机的一部分的剖面图。
图4是示例性燃气轮机的压缩机的间隔件的一部分的剖面图。
具体实施方式
图1是示例性燃气轮机的示意图解。燃气轮机100通常包括压缩机200、燃烧室300、涡轮400和轴120。燃气轮机100可具有单轴或双轴配置。为方便起见，在本发明中，除非另外指出，否则对径向、轴向和圆周方向与测量的所有参考指代中心轴线95。中心轴线95可一般由轴120的纵向轴线限定。中心轴线95可以是其他燃气轮机同轴部件共用的或与其他燃气轮机同轴部件共享。
空气10进入入口15作为“工作流体”并由压缩机200压缩。燃料35在燃烧室300中添加到压缩空气，然后点火以产生高能燃气。能量经由涡轮400从燃烧的燃料/空气混合物提取，并通常经由动力输出耦合5使该能量可用。动力输出耦合5示为在燃气轮机100的前侧上，但在其他配置中其可在燃气轮机100的后端提供。废气90可离开系统或被进一步处理(例如，以减少有害排放物或从废气回收热)。
压缩机200包括机械耦合到轴120的压缩机转子组件210。如图解，压缩机转子组件210是轴流转子组件。压缩机转子组件210包括一个或多个压缩机轮盘组件220。间隔件230跨越邻近的压缩机轮盘组件220之间。压缩机固定叶片(“定子”)250轴向上在每个压缩机轮盘组件220或该压缩机轮盘组件220之前。
涡轮400包括机械耦合到轴120的涡轮转子组件410。如图解，涡轮转子组件410是轴流转子组件。涡轮转子组件410包括一个或多个涡轮盘组件420。每个涡轮盘组件420包括以涡轮转子叶片周向地构成的涡轮转子轮盘。涡轮喷嘴450轴向上在涡轮转子组件420中的每一者之前。涡轮喷嘴450具有周向地分布的涡轮喷嘴叶片。涡轮喷嘴叶片使输送到涡轮转子叶片的燃气螺旋地重定向，其中燃气中的能量转换成机械能并使轴120旋转。
压缩机200的各种部件容纳在可以大体是圆柱形的压缩机壳201中。燃烧室300和涡轮400的各种部件分别容纳在燃烧室壳301和涡轮壳401中。
图2是可用于图1的燃气轮机100的示例性燃气轮机的压缩机转子组件的后部的透视图。压缩机转子组件210包括压缩机轮盘组件220、间隔件230和后轮毂245。每个压缩机轮盘组件220包括压缩机转子轮盘(“轮盘”)221与一个或多个压缩机转子叶片(“翼面”)227。当形成压缩机转子组件210时轮盘221耦合或焊接在一起。在所示实施例中，轮盘221与弯曲齿形件219耦合在一起。每个轮盘221以翼面227周向地构成。每个轮盘221可由材料诸如耐热镍铬铁合金901或410不锈钢形成。
后轮毂245可设置在轮盘221后面并且一般是压缩机转子组件210的最后部件。后轮毂245可具有盘形。轴接口248以圆柱形从后轮毂245的盘形向后延伸。轴接口248可以是锥形的，以耦合到轴120的一部分。
图3是可用于图1的燃气轮机100的燃气轮机的压缩机200的一部分的剖面图。每个压缩机轮盘组件220的轮盘221包括轮缘222、前臂形件225和后臂形件226。轮缘222设置在轮盘221的径向最外部分，并可设置在轮盘221的径向外圆周。在一个实施例中，轮缘222完全绕轮盘221周向地延伸。通常，每个轮缘222包括轴向向前延伸的前延伸段223和轴向向后延伸的后延伸段224。在一个实施例中，前延伸段223和后延伸段224都完全绕轮盘221周向地延伸。
前延伸段223包括前延伸面215和前延伸表面217，并且后延伸段224包括后延伸面216和后延伸表面218。前延伸面215是前延伸段223的轴向上最向前的表面。前延伸面215大体正交于轮盘221的轴线。后延伸面216是后延伸段224的轴向上最向后的表面。后延伸面216大体平行于前延伸面215。前延伸表面217是前延伸段223的径向内圆周表面。后延伸表面218是后延伸段224的径向内圆周表面。
前臂形件225和后臂形件226从轮缘222径向向内并从轮盘221的轴线径向向外定位。前臂形件225和后臂形件226可用来将邻近的轮盘221耦合在一起。在一个实施例中，前臂形件225和后臂形件226完全绕轮盘221周向地延伸。前臂形件225轴向向前延伸并且后臂形件226轴向向后延伸。为了便于解释，图3所示的轮盘221、前臂形件225和后臂形件226基于它们在压缩机中的相对位置以a、b、c或d标记，其中所示的最前轮盘221表示为221a，并且所示的最后轮盘221表示为221d。
每个轮盘221耦合到邻近轮盘221。例如，轮盘221b设置成邻近于轮盘221c并且轴向上设置在轮盘221c之前。轮盘221b耦合到轮盘221c。轮盘221c的前臂形件225c与轮盘221b的后臂形件226b径向对齐。前臂形件225c耦合到后臂形件226b。在一个实施例中，每个前臂形件225和每个后臂形件226可包括弯曲齿形件219。
翼面227在轮缘222耦合到轮盘221。每个翼面227包括底部(未示出)，该底部具有保持特征，诸如枞树形榫或鸠尾榫。轮缘222中的狭槽(未示出)具有将每个翼面227固定到轮盘221的对应保持特征。
后轮毂245包括轮毂臂形件246。轮毂臂形件246从后轮毂245轴向向前延伸并绕后轮毂245周向地延伸。轮毂臂形件246与轮盘221d的后臂形件226d径向对齐并且经配置耦合到该后臂形件226d。在一个实施例中，轮毂臂形件246包括弯曲齿形件219，以在后轮毂245和轮盘221d之间形成耦合。后轮毂245经配置形成轴腔247。轴腔247是在后轮毂245的轴线处的经配置接收轴120的圆柱形腔。
每个间隔件230大体成形为空心圆柱体或环形圈。间隔件230跨越邻近轮盘221之间并用压配合、滑动配合或过盈配合来耦合到邻近轮缘222。在一个实施例中，间隔件230的前端用滑动配合来耦合到邻近轮盘221，而间隔件的后端用压配合来耦合到邻近轮盘221。在另一实施例中，间隔件230的前端用压配合来耦合到邻近轮盘221，而间隔件的后端用滑动配合来耦合到邻近轮盘221。间隔件230从定子250径向向内设置。在图3中，其中一个间隔件230示为底切间隔件231。然而，其他间隔件230也可以是底切间隔件231。
图4是底切间隔件231的一部分的剖面图。现在参考图3和图4，对限定底切间隔件231的要素的径向、轴向和圆周方向和测量的所有参考都指代底切间隔件231的轴线，该轴线与中心轴线95是同心的。底切间隔件231大体成形为空心圆柱体或环形圈。底切间隔件231跨越邻近轮盘221之间，并用压配合或过盈配合来耦合到邻近轮缘222。底切间隔件231从定子250径向向内设置。在一个实施例中，下述的底切间隔件231的特征中的每一者都完全绕底切间隔件231周向地延伸。
底切间隔件231包括圆柱形主体229、外表面232、前面233、后面234和内表面243。主体229可以是空心圆柱体或环形圈。外表面232是主体229的径向最外侧的圆周表面。前面233是从外表面232的轴向前缘朝向底切间隔件231的轴线径向向内延伸的类圈表面。前面233可垂直于底切间隔件231的轴线。后面234是从外表面232的轴向后缘径向向内延伸的类圈表面。后面234在前面233的远侧。后面234可垂直于底切间隔件231的轴线。内表面243从外表面232径向向内设置。内表面243也可从前面233的径向最内边缘和后面234的径向最内边缘径向向内设置。内表面243可以是主体229的径向最内的圆周表面。
底切间隔件231也可包括增厚部分241、前唇缘237和后唇缘238。增厚部分241可从主体229的前部径向向内突出。在一个实施例中，增厚部分241从主体229的前半部延伸。增厚部分241可以轴向上在内表面243之前，并且径向向内延伸超过内表面243。在图3和图4所示的实施例中，在增厚部分241和内表面243之间的接口包括在增厚部分241的轴向后端处的圆角242。在另一实施例中，内表面243跨越整个底切间隔件231，其中整个底切间隔件231增厚。
前唇缘237从主体229轴向向前延伸。前唇缘237的一部分可从增厚部分241延伸。前唇缘237可包括前唇缘表面239，即前唇缘237的径向外圆周表面。前唇缘237和前唇缘表面239可以是径向向内的并可以轴向上在前面233之前。
底切间隔件231经配置包括前底切部235，即圆周凹口。圆周凹口可具有弯曲的或弧形的轮廓。前底切部235从前面233后退进入主体229。在一个实施例中，前底切部235从前面233的径向内缘和前唇缘表面239的轴向后缘后退。在另一实施例中，前底切部235还从前唇缘表面239径向向内后退。在图3和图4所示的实施例中，前唇缘表面239正切于前底切部235的弧。
前底切部235可具有各种高度、深度和半径。前底切部235的高度可等于从前面233的径向内缘到前唇缘表面239的径向距离。在一个实施例中，前底切部235的高度在0.2英寸和0.3英寸之间。在另一实施例中，前底切部235的高度是0.24445英寸。在又一实施例中，在前底切部的高度和间隔件前端的厚度之间的比率在百分之四十和百分之五十之间。
前底切部235的轮廓可包括多个半径。在一个实施例中，前底切部235包括第一半径和第二半径。第一半径可以是0.050英寸并且第二半径可以是0.225英寸。前唇缘237可正切于第二半径。
后唇缘238从主体229轴向向后延伸。后唇缘表面240是后唇缘238的径向外圆周表面。后唇缘238和后唇缘表面240从后面234径向向内设置。
底切间隔件231经配置包括后底切部236，即圆周凹口。圆周凹口可具有弯曲的或弧形的轮廓。后底切部236从后面234后退进入主体229。在一个实施例中，后底切部236从后面234的径向内缘和后唇缘表面240的轴向前缘后退。在另一实施例中，后底切部236还从后唇缘表面240径向向内后退。在图3和图4所示的实施例中，后唇缘表面240正切于后底切部236的弧，并且后底切部236小于前底切部235。在一个实施例中，后底切部236在前底切部235的大小的百分之十和百分之二十之间。在另一实施例中，后底切部236在前底切部235的大小的百分之十六和百分之十七之间。
后底切部236可具有各种高度、深度和半径。后底切部236的高度可等于从后面234的径向内缘到后唇缘表面240的径向距离。在一个实施例中，后底切部236的高度在0.02英寸和0.06英寸之间。在另一实施例中，后底切部236的高度是0.040英寸。后底切部236的轮廓也可包括多个半径。在又一实施例中，在后底切部236的高度和间隔件后端的厚度之间的比率在百分之五和百分之十五之间。
在图3和图4所示的实施例中，前唇缘237、后唇缘238和增厚部分241的拐角可以是倒角的。在沿外表面232从前面233轴向移动到后面234时，外表面232可随着外表面232的直径逐渐增加而呈锥形。
当底切间隔件231安装到压缩机200时，外表面232邻近定子250。在一个实施例中，底切间隔件231的前端用滑动配合来安装，并且底切间隔件231的后端用径向压配合或过盈配合来安装。前面233邻近后延伸面216，并且前唇缘表面239邻近轴向上向前的邻近的轮盘221的后延伸表面218。前面233大体平行于后延伸面216，其间具有小轴向间隙。当发动机处于低温时，前唇缘表面239可以不接触后延伸表面218。后面234接触前延伸面215，并且后唇缘表面240接触轴向上向后的邻近的轮盘221的前延伸表面217。后面234大体平行于前延伸面215。
在另一实施例中，底切间隔件231的前端用径向压配合或过盈配合来安装，并且底切间隔件231的后端用滑动配合来安装。前面233接触后延伸面216，并且前唇缘表面239接触轴向上向前的邻近的轮盘221的后延伸表面218。前面233大体平行于后延伸面216。后面234邻近前延伸面215，并且后唇缘表面240邻近轴向上向后的邻近的轮盘221的前延伸表面217。后面234大体平行于前延伸面215，其间具有小轴向间隙。当发动机处于低温时，后唇缘表面240可以不接触前延伸表面217。
在燃气轮机操作期间，底切间隔件231的前端和后端的径向配合可在滑动配合和过盈配合之间变化。在燃气轮机操作期间，底切间隔件231和邻近轮盘221热膨胀。在热膨胀期间，径向过盈配合可增大，其中最大径向过盈配合在0.010”到0.014”之间。在另一实施例中，底切间隔件231经配置与邻近轮盘221具有最大径向过盈配合0.012”。
防转销(未示出)可安装在间隔件230和轮盘221之间。每个防转销轴向突出到轮缘222和间隔件230中。在一个实施例中，每个防转销穿过前延伸面215突出到前延伸段223并突出到邻近间隔件230中。突出到底切间隔件231中的防转销可穿过后面234突出。
在图3所示的实施例中，底切间隔件2321是轴向向前的并邻近压缩机200的倒数第二个轮盘221，其中底切间隔件231的后端紧靠倒数第二个轮盘221安装。这可以是压缩机200的第十二级。然而，底切间隔件231可安装在压缩机200内任两个轮盘221之间，尤其是在压缩机200的较后级中，并且底切间隔件231的前端或底切间隔件231的后端可紧靠邻近的后轮盘221或前轮盘221安装。
以上部件(或它们的子部件)中的一个或多个可由不锈钢和/或称为“超合金”的耐用高温材料制成。超合金或高性能合金是在高温下表现出优异机械强度和蠕变阻力、良好表面稳定性以及抗腐蚀性和抗氧化性的合金。超合金可包括材料诸如HASTELLOY、INCONEL、WASPALOY、RENE合金、HAYNES合金、INCOLOY、MP98T、TMS合金和CMSX单晶合金。
工业实用性
燃气轮机可适用于任何数目的工业应用，诸如油气工业(包括油和天然气的运送、采集、存储、回收和提升)、发电工业、热电联产和运输工业的各方面。
燃气轮机在高温和高压下操作。在燃气轮机操作期间，燃气轮机的部件热膨胀并且经受由热膨胀引起的应力和应变。该应力和应变在燃气轮机瞬变期间是最高的。更具体地，峰值应力和应变可在燃气轮机起动期间发生。
在起动期间，燃气轮机迅速升温。由于部件的几何形状、部件材料的热膨胀系数和部件在燃气轮机内的位置，因此每个部件可以不同速率热膨胀。邻近部件的不同热膨胀速率可导致高应力和应变。变化的离心力负载也可促成高应力和应变。
一个此类实例可在压缩机200内发生。间隔件230可以比轮盘221更快热膨胀。通过研究和测试，确定由于在间隔件230和邻近轮盘221之间的增大的接触和过盈，因此应力集中可在间隔件230内发生。应力可导致间隔件230变形。在起动时，应力可超过间隔件230的屈服强度，这可导致间隔件230寿命缩短、破裂或发生故障。这些应力更可能在压缩机200的较后级中发生，在该较后级中温度和压力可以是更高的。
通过研究和测试，确定添加前底切部235和后底切部236可减小应力集中。当底切间隔件231在邻近轮盘221之间热膨胀时，应力可在前底切部235和后底切部236周围更均匀分布。这可减小底切间隔件231中的应变，并可将应力集中减小至底切间隔件231的屈服强度以下，且可将应力集中减小至足够低以防止低循环疲劳。还确定底切间隔件231可以径向上增厚，这可在底切间隔件231内提供结构支撑。
由于燃气轮机部件的变化的热收缩，因此燃气轮机从较高温度移动到较低温度的瞬态可呈现不同问题。这可能在燃气轮机停机时尤其如此。如先前提到，间隔件230可用过盈配合来安装到轮盘221。间隔件230可以比轮盘221更快冷却和热收缩。这可导致间隔件230和轮盘221之间失去导向配合或过盈配合。安装在间隔件230和轮盘221之间的防转销可以切断，并且间隔件230可紧靠轮盘221摩擦，从而损坏间隔件230或轮盘221。失去导向也可允许间隔件230移位。移位可导致间隔件230紧靠定子250摩擦，从而损坏间隔件230或定子250。移位也可导致压缩机200中的不平衡。
确定由于前底切部235和后底切部236的可能的应力减小，因此在底切间隔件231和邻近轮盘221之间的过盈配合可增大。当底切间隔件230热收缩时，过盈配合的增大可降低失去导向的可能性。径向上增厚的底切间隔件231可减缓热收缩，并且由于底切间隔件231的热收缩速率可以更接近于邻近轮盘221的热收缩速率，因此该底切间隔件231可进一步降低失去导向的可能性。
前面详述实质上仅是示例性的，并且不旨在限制本发明或本发明的应用和使用。所描述实施例不限于与特定类型的燃气轮机结合使用。因此，为便于解释，虽然本发明描绘并描述了特定的间隔件和相关联过程，但应认识到，根据本发明的其他间隔件和过程可在各种其他涡轮级、机器配置和类型中实施。此外，无意受到在先前背景或详述中提出的任何理论的限制。还应理解，图解可包括放大的尺寸以更好地示出所引用的项目，并且不认为具有限制性，除非就其本身明确说明。
Claims (9)
1.一种燃气轮机(100)的压缩机(200)的间隔件(230)，其配置用于装设在压缩机转子轮盘(221)之间并包括：
具有空心圆柱形的主体(229)，所述主体(229)具有外表面(232)，所述外表面(232)是所述主体(229)的径向最外侧的圆周表面，所述外表面(232)包括轴向前端，以及
轴向后端，
从所述外表面(232)的所述轴向前端径向向内延伸的前面(233)，以及
从所述外表面(232)的所述轴向后端径向向内延伸的后面(234)，所述后面(234)在所述前面(233)的远侧；
从所述主体(229)轴向延伸的前唇缘(237)，所述前唇缘(237)具有
从所述前面(233)径向向内设置的前唇缘表面(239)，其中所述前唇缘表面(239)是所述前唇缘(237)的径向外圆周表面；
从所述主体(229)轴向延伸的后唇缘(238)，所述后唇缘(238)在所述前唇缘(237)的远侧，所述后唇缘(238)具有
从所述后面(234)径向向内设置的后唇缘表面(240)，其中所述后唇缘表面(240)是所述后唇缘(238)的径向外圆周表面；
前底切部(235)，所述前底切部(235)是设置在所述前面(233)和所述前唇缘表面(239)之间的圆周凹口；以及
后底切部(236)，所述后底切部(236)是设置在所述后面(234)和所述后唇缘表面(240)之间的圆周凹口；和
增厚部分(241)，所述增厚部分(241)从所述主体(229)的轴向前部径向向内延伸，并完全绕所述间隔件(230)周向地延伸，其中所述前唇缘(237)的一部分从所述增厚部分(241)延伸。
2.根据权利要求1所述的间隔件(230)，其中所述前底切部(235)和所述后底切部(236)具有弧形轮廓。
3.根据权利要求2所述的间隔件(230)，其中限定所述前底切部(235)的弧的半径大于限定所述后底切部(236)的弧的半径。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的间隔件(230)，其中所述前面(233)、所述后面(234)、所述前唇缘(237)、所述后唇缘(238)、所述前底切部(235)和所述后底切部(236)完全绕所述间隔件(230)周向地延伸。
5.根据权利要求1所述的间隔件(230)，进一步包括内表面(243)，所述内表面(243)是所述间隔件(230)的内圆周表面，所述内圆周表面轴向上设置在所述增厚部分(241)之后，并从所述外表面(232)、所述前面(233)和所述后面(234)径向向内设置，其中圆角(242)限定所述增厚部分(241)的轴向后端和所述内表面(243)之间的交叉部。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的间隔件(230)，其中所述间隔件(230)包括耐热镍铬铁合金901。
7.一种包括根据前述权利要求中任一项所述的间隔件(230)的燃气轮机(100)的压缩机(200)，包括：
第一压缩机转子轮盘(221b)和第二压缩机转子轮盘(221c)，各具有设置在压缩机转子轮盘的径向外圆周处的轮缘(222)，所述轮缘具有轴向向前延伸的前延伸段(223)，以及
轴向向后延伸的后延伸段(224)，
轴向向前延伸的前臂形件(225)，其中所述前臂形件(225)从所述轮缘(222)径向向内设置，以及
轴向向后延伸的后臂形件(226)，其中所述后臂形件(226)从所述轮缘(222)径向向内设置，
其中所述第一压缩机转子轮盘(221b)的前臂形件(225)与所述第二压缩机转子轮盘(221c)的后臂形件(226)径向对齐并耦合，所述第二压缩机转子轮盘(221c)轴向上设置在所述第一压缩机转子轮盘(221b)之前，并且邻近于所述第一压缩机转子轮盘(221b)设置；
根据前述权利要求中任一项所述的间隔件(230)，所述间隔件(230)安装在所述第一压缩机转子轮盘(221b)的轮缘(222)和所述第二压缩机转子轮盘(221c)的轮缘(222)之间；以及
具有轴向向前延伸的轮毂臂形件(246)的后轮毂(245)，其中所述轮毂臂形件(246)与所述第二压缩机转子轮盘(221c)的后臂形件(226)径向对齐并耦合。
8.根据权利要求7所述的压缩机(200)，其中所述间隔件(230)通过过盈配合安装在所述第一压缩机转子轮盘(221b)的轮缘(222)和所述第二压缩机转子轮盘(221c)的轮缘(222)之间，其中在所述间隔件(230)、所述第一压缩机转子轮盘(221b)和所述第二压缩机转子轮盘(221c)之间的轴向过盈在0.010英寸到0.014英寸之间。
9.根据权利要求7或8所述的压缩机(200)，其中所述前臂形件(225)包括弯曲齿形件，所述后臂形件(226)包括弯曲齿形件，并且所述轮毂臂形件(246)包括弯曲齿形件以将所述第二压缩机转子轮盘(221c)与所述后轮毂(245)耦合。
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