CN104903549B - 用于涡轮机的排出外壳毂部 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮机的排出(1)外壳(1)的毂部(2)，所述毂部包括连接壁(22)和内部通道壁(20)，所述连接壁(22)将所述内部通道壁(20)连接到内部附接凸缘(24)，其中，所述连接壁(22)的径向部分是弯曲的并且能够根据需要与所述内部通道壁(20)形成为单一部件，所述毂部还包括在所述连接壁(22)与所述内部通道壁(20)之间径向延伸的一系列肋部(28)。

Description

用于涡轮机的排出外壳毂部

技术领域

本发明总体上涉及涡轮机领域，更具体地涉及用于涡轮机的排出外壳。

背景技术

涡轮机具有沿着纵向轴线延伸的主方向，并且沿气体流动方向从上游到下游通常包括风扇、低压压缩机、高压压缩机、燃烧室、高压涡轮和具体地包括排出外壳的低压涡轮。排出外壳有助于界定流经涡轮机的流体(或气体流)的主通道并且通过轴承支座确保涡轮机的转子与定子之间的同心性以及发动机的下游端部与发动机短舱的连接。因此，排出外壳是经受非常高的热等级的主要结构部件中的一个，并且在排出外壳中会通过极端不平衡负载。

这种排出外壳通常包括：

-以涡轮机的轴线为中心的毂部，

-与毂部同轴的外部框架，以及

-将毂部和外部框架连接的一组臂或套管。

毂部通常包括凸缘(具有各种不同形状)，凸缘在内部部分处连接到一个(或一些)旨在将转子对中在涡轮机的轴线上的轴承支座，并且在外部部分处经由附接支柱连接到出口锥管(或排出锥管，或“塞盖”)。此外，所述凸缘在其下部部分中覆有界定通道的片状金属部分，并且具有适于接纳臂的开口。

所述毂部通常具有不会变形或仅能够略微变形的形状(其中包括称作Y或H的结构)，并且这种类型的结构包括外壳的其余部分中(例如，在臂的前缘与凸缘之间的相交部分处)的强力。此外，当涡轮机运行时，排出外壳经受高温和非常高的热过渡梯度。对于毂部而言，在毂部的下部(也就是在毂部的轴承支座附接支柱处)与毂部的上部(也就是在毂部的管道板处)之间特别如此。最后，就极限强度而言，毂部必须能够支撑由叶片的缺失引起的力和力矩。

因此毂部足够刚性是有必要的。然而，毂部还必须能够机械地接收大量的内部变形(或者，如果毂部与切向臂相关联，必须能够机械地接收绕外壳的轴线的自由旋转)，以便能够确保排出外壳的总寿命。

鉴于毂部的刚性，由强过渡热梯度造成的负载(平均和/或局部温度偏移)朝向外部框架移位并且具体地移位到臂的前缘和后缘。然而，使排出外壳毂部更具可变形性以使变形分布并限制施加到构成毂部的不同部分的力会使毂部对其在涡轮机中的外部环境更为敏感，特别是在振动中和在极端负载下。因此有必要保持最小刚度，使得即使在机械和振动约束条件改变的情况下、即使在涡轮机经受的机械和振动力的改变的情况下(热场的改变、极端负载的改变等)毂部仍保持稳定和坚固。

因此寻求提供一种毂部，该毂部能够同时补偿热膨胀和在内部通道壁与臂的前缘的相交部分处在360°的范围内均化径向变形，但不阻碍排出外壳的其余部分的变形，以便防止其过早衰变。

目前提出的方案无法普遍地适用于所有类型的涡轮机，因为涡轮机通常需要添加部件，代表着额外的成本和不可忽略的质量的这些部件实施起来太过复杂或非常笨重。

例如，为了补偿外壳的不同部分的相对膨胀，已经提出的是切向地而不是径向地将臂结合在毂部与外部框架之间。在这种方式中，在由于排出外壳中的热梯度导致的部件的相对膨胀期间，毂部相对于外部框架回转，这使得毂部能够避免被臂冲压并且避免由两个或数个相邻部件之间的不同的相对变形导致的外部框架穿孔的风险。然而，在特定排出外壳中，毂部与外部框架之间的距离非常短，这限制了实施这种切向臂的可能性。因此这种方案不能够针对所有类型的涡轮机使用。

还提出的是使管道板和凸缘形成为两个独立部件，以便在运行部件的热膨胀期间允许管道板和凸缘的相对运动并由此减小施加到管道板和凸缘的力以及管道板和凸缘与臂的相交部分处的力。然而，管道板与毂部的分离涉及附加固定器件(比如凸缘和螺母)的使用，这增大了毂部的尺寸，并由此增大了外壳的总质量和成本。相交部分中的流体的严重泄漏会进一步由这种实施方式导致。因此，对一些排出外壳而言，仍然需要一体地形成凸缘和管道板，也就是说形成整体。

在文献JP 09 324699中还提出的是一种涡轮机的外壳的毂部，该毂部包括内部通道壁和具有弯曲形状的连接壁，叶片从内部通道壁延伸，连接壁旨在将内部通道壁连接到内部附接支柱。然而，该文献所提出的弯曲形状形成了对气流的障碍而很可能会引起局部空气动力学扰动。此外，连接壁的中心部分中的凹度形成了可能产生寄生性热梯度的空腔，寄生性热梯度在这些温度等级下是非常有害的。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种能够适于更多数量的涡轮机的毂部和外壳，使得能够改善外壳的寿命，同时仍然能够耐受外部振动负载(例如包括由叶片的缺失导致的负载)，即产生于外壳界面(比如轴承、出口锥管以及相邻于排出外壳的所有部件)的负载，以及可以在这种类型的外壳的操作过程中产生的非常大的热梯度，并且使得能够对笨重性、质量目的以及可变形性目的做出响应，同时仍然易于以适度的成本实现。

为此，本发明提供了一种涡轮机的排出外壳毂部，该毂部包括适于附接到轴承支座的内部附接凸缘、壁、环状连接壁和环状内部通道壁，连接壁将内部通道壁连接到内部附接凸缘，其中，连接壁的径向部分呈圆拱状(rounded)，该毂部进一步包括在连接壁与内部通道壁之间径向延伸的一系列肋部。

于是，毂部呈现充分的可变形性，以使其能够支撑排出外壳中的非常大的热梯度并且允许排出外壳总体上“可伸缩”，以便不过度限制外部框架的膨胀。此外，用于局部优化强度的肋部使得能够在可能的风扇叶片缺失导致的毂部的边界处产生的极端力和力矩的情况下承受持久负载。最后，由此形成的毂部在尺寸上适于排出外壳所受到的动负载，同时顾及质量要求，并且能够通过一次铸造操作获得，不需要其它机械或焊接操作。

外壳毂部的特定优选但非限制性特征如下：

-所述连接壁、所述内部通道壁和所述内部附接凸缘一体地形成，

-所述连接壁的径向部分的弯曲不具有拐点，

-所述连接壁具有朝向所述外壳的上游定向的凹度，

-所述连接壁的径向部分包括：靠近所述内部通道壁的内部附接凸缘；大致直线形的第一部分，沿所述毂部的下游的方向径向延伸；以及具有弯曲形状的第二部分，其凹度朝向所述毂部的上游定向，

-所述连接壁的位于所述连接壁与所述内部通道壁之间的结合部处的上游端部(相对于气流方向)具有大致平行于所述内部通道壁的切线，

-所述毂部进一步包括所述内部通道壁与所述连接壁之间的相交部分处的过剩厚度部，

-所述毂部进一步包括第一臂部分，所述第一臂部分从所述内部通道壁延伸并且与所述内部通道壁一体地形成，并且适于附接到所述外壳的第二互补臂部分，

-所述过剩厚度部与所述第一臂部分的前缘对齐地延伸，

-所述毂部进一步包括在所述一系列肋部的下游从所述内部通道壁径向延伸的环状凸脊。

根据第二方面，本发明还提供了一种用于涡轮机的排出外壳，所述排出外壳具有沿着纵向轴线延伸的主方向并且包括：

-如上所述的毂部，所述毂部以所述纵向轴线为中心，

-与所述毂部同轴的外部框架，以及

-将所述内部通道壁连接到所述外部框架的一组臂。

根据第三方面，本发明提供了一种包括这样的外壳的涡轮机。

附图说明

本发明的其它特征、目的和优点将从下文中参照以非限制性示例的方式给出的附图进行的详细描述中变得明显，在附图中：

图1为与本发明相符的涡轮机的排出外壳的示例的局部截面图，

图2为与本发明相符的毂部2的实施例的立体图，

图3为图1的排出外壳的示例的局部立体图，以及

图4为图1的细节视图。

具体实施方式

下文中，将通过将本发明应用于涡轮机的排出外壳对其进行描述。然而，在这个意义上本发明不限于此，而是能够应用于经受热梯度并且需要能够支撑大的负载的任意环状外壳。

与本发明相符的涡轮机的排出外壳1具有沿着纵向轴线X延伸的主方向，并且包括：

-毂部2，以排出外壳1的轴线X为中心,

-外部框架3，与毂部2同轴，以及

-一组臂4，将毂部2与外部框架3连接。

毂部2呈大致环形，并且适于经由内部附接凸缘24在内部连接到轴承支座5并且在下游的外部处通过外部附接凸缘26连接到排出出口锥管。

毂部2包括环状内部通道壁20，环状内部通道壁20定位成面对外部框架3并且适于界定内部气体流动通道，环状连接壁22从环状内部通道壁20开始径向向内延伸。如图1中所示，连接壁22与内部通道壁20之间的相交部分可以与排出外壳1的臂4的前缘BA对齐，并且包括设置成在该区域在360°的范围内均化径向位移并且限制过负载的产生的过剩厚度部。

内部附接凸缘24与连接壁22形成一体并且从连接壁22的自由端部23延伸，而外部附接凸缘26与内部通道壁20一体地形成并且从内部通道壁20的自由端部21延伸。

连接壁22的径向部分(即在垂直于纵向轴线X的平面中)是弯曲的并且呈七弦琴或逗号的形状，这允许使毂部2能够充分变形以顺应臂4和外部框架3的膨胀，但在内部通道壁20与臂4的前缘之间的相交部分处从热和机械的观点考虑足够刚性，以在360°的范围内均化内部通道壁20的径向变形。连接壁22的径向部分的凹度(concavity)朝向上游定向并且没有拐点，以便能够产生变形(通过张开和合拢)并且补偿排出外壳1中的由热梯度引起的毂部2相对于外部框架3的相对膨胀。事实上，连接壁22由于其更具可变形性的形状而能够在各种不同变形的影响下弯曲地变形。

例如，如例如在图4中示出的，连接壁22的径向部分从内部附接凸缘24到内部通道壁20可以包括：

-沿外部附接凸缘26的方向径向延伸的大致直线形的第一部分22a。因而，该第一部分具有以介于20°到60°之间、优选地大约40°的角度α大致朝向下游(沿气体在排出外壳中的运动的方向)倾斜的径向部分。这里，角度α在轴线Xa(连接壁的第一部分22a沿着轴线Xa延伸)与轴线Y(轴线Y大致垂直于排出外壳并且经过臂4的前缘BA)之间测得；

-具有弯曲形状的第二部分22b，其中第二部分22b的凹度朝向毂部2的上游定向。例如，第二部分22b的径向部分可以具有介于15mm至30mm之间、优选地介于15mm至20mm之间、例如大约18.5mm的半径R2；以及

-具有弯曲形状的第三部分22c，其中第三部分22c的凹度朝向毂部的上游定向并且第三部分22c的上游端部位于连接壁22与内部通道壁20之间的结合部处。在该第二上游端部处，第三部分22c具有大致平行于内部通道壁20的切线，以便形成不干扰排出外壳中的流动的柔和结合部。因此，第三部分22c和内部通道壁20具有切点。例如，第三部分的部分具有介于5mm至20mm之间、优选地介于10mm至15mm之间、例如大约12mm的半径R1。

第二部分22b和第三部分22c一起形成了连接壁22的凹入部分。

一方面第一部分22a以及另一方面第二部分22b和第三部分22c具有大致相等的弯曲长度。此外，连接壁22与内部通道壁20之间的相交部分在竖向上(也就是说，在穿过外壳1的轴线X的同一径向平面中)大致位于连接壁22的自由端部23上方。

连接壁22可以相对较薄。例如，连接壁的厚度可以近似于内部通道壁的厚度，也就是说介于1mm至3mm之间。

在毂部2经受的不同负载期间，毂部2因此可以使其自身在连接壁22附近产生变形，其中连接壁22张开并且弯曲(于是连接壁22的曲率比静止状态时大)或扩张并且趋于将内部通道壁20与内部附接凸缘24分离，因而避免破坏毂部2的剩余部分或排出外壳1。

内部通道壁20可以与连接壁22一体地形成，也就是说作为整体，以便消除泄漏的风险并且降低毂部2的笨重性和总质量。此外，内部通道壁20除了在前缘BA处以外是相对较薄的，以便优化毂部2的总质量，如将在下文中看到的，内部通道壁20可以具有环状过剩厚度部29，以便在360°的范围内均化径向变形。

内部通道壁20和连接壁22优选地通过以用于毂部2的常规材料铸造获得，也就是说能够在长期使用过程中耐受毂部2所经受的非常高的温度(大约650℃到700℃)、同时还容忍低周期和振动性疲劳并且呈现良好的耐负载性的材料。例如，壁20和22可以由镍-铬合金制成。

排出外壳1的臂4在毂部2的内部通道壁20与外部框架3之间延伸。对于可行性的问题，臂4优选地以两部分实现，即，形成臂4的基部并且从内部通道壁20径向延伸的第一部分42和形成臂4的主体并且从外部框架3径向延伸的第二部分44。

基部42优选地与毂部2的内部通道壁20一体地获得，而主体44可以例如通过铸造与框架3一体地形成。然后，壁的这两个部分42、44被定位成彼此面对以便例如通过沿着焊接平面43焊接而附接到一起，以便将毂部2和外部框架3连接。

根据一种实现形式，基座42在小于或等于臂4的总高度的四分之一的高度上延伸。于是，由内部附接凸缘24、外部附接凸缘26、连接壁22、内部通部壁20和基部42的部分形成的毂部2的脱模可以比在焊接平面43更为远离内部通道壁20的情况下更容易地实现。然而，基部42具有非零高度，以便不与臂4和内部通道壁20的连接半径发生干涉(鉴于焊接平面43)。

为了改善负载下的、特别是在极端负载(叶片缺失，等)下的性能或轴承的性能，毂部2的内部通道壁20可以另外包括肋部28。肋部28优选地在内部通道壁20与连接壁22之间以面对排出外壳1的壁4的方式延伸。这改善了毂部2对热约束条件和极端负载引起的变形的耐受性。

例如，毂部2可以包括面对着排出外壳1的每个臂4的两个肋部28。

肋部28可以与内部通道壁20和连接壁22一体地形成。如在图2和图3中示出的，肋部可以各自包括两个径向凸脊28a、28b，所述两个径向凸脊28a、28b定位在上壁和下壁的相应延伸部分中并且平行于连接壁22的轴线X朝向内部通道壁20的下游端部21延伸，直到与臂4的后缘BF对齐。因此，肋部的径向凸脊28a、28b在开始呈沿气体流动方向从上游到下游收敛的形状然后结合到一起，因而能够更好地支撑由臂4和毂部2的轴承支座施加的变化。

此外，肋部28的高度(沿相对于轴线X沿径向方向)可以在连接壁20处的上游端部以及其与臂4的后缘BF成直角的下游端部之间变化。这里，肋部28的高度在连接壁22处最大，然后沿下游方向降低直到凸脊28a和28b彼此结合，结合部处的高度变得稳定直到肋部28的下游端部，如图2和图3中所示，以便优化毂部2的总质量同时仍然通过肋部28确保其在负载下的性能。

此外，毂部2可以另外包括加强件28c，以便使得能够在内部通道壁20的下游(臂4的后缘BF附近)在360°的范围内均匀分布径向变形并且在经过肋部的负载下支撑这些肋部。加强件28c可以具体地为与毂部2同轴的环状凸脊，其中环状凸脊在肋部28的下游端部处从内部通道壁20径向延伸或与臂4的后缘BF成直角。这里，加强件28c在与肋部28的凸脊28a、28b的下游端部的高度相等的高度上延伸。

最后，毂部2也可以在其连接边缘22与其内部通道壁20之间的相交部分处包括与臂4的前缘BA成直角的环状过剩厚度部29。事实上，该过剩厚度部29(在图1和图3中可见)即使在排出外壳1所经受的热限制或负载的情况下也使得能够在360°的范围内均化内部通道壁20的径向变形。该过剩厚度部29还使得能够局部加强毂部2并且在由可能的风扇叶片缺失导致的在毂部2的边界处产生的极端力和力矩的情况下改善毂部2的耐负载性。

过剩厚度部29优选地是局部的并且不在整个内部通道壁20上延伸，并且保持较薄以减小毂部2的总质量。例如，过剩厚度部可以具有径向部分，径向部分具有介于4mm至8mm之间、通常为大约5mm的厚度。如在附图中所看到的，过剩厚度部29可以定位在连接壁22与内部通道壁20之间的结合部处，其中结合部总体上沿着连接壁22的第三部分22c延伸。

Claims (10)

1.一种涡轮机的排出外壳(1)的毂部(2)，包括旨在附接到轴承支座(5)的内部附接凸缘(24)、环状连接壁(22)和环状内部通道壁(20)，所述连接壁(22)将所述内部通道壁(20)连接到所述内部附接凸缘(24)，

所述毂部(2)的特征在于，所述连接壁(22)的径向部分是弯曲的，其中所述径向部分的弯曲不具有拐点，并且所述毂部(2)进一步包括在所述连接壁(22)与所述内部通道壁(20)之间径向延伸的一系列肋部(28)，所述毂部进一步包括第一臂部分(42)，所述第一臂部分(42)从所述内部通道壁(20)延伸并且与所述内部通道壁(20)一体地形成，并且旨在附接到互补的第二臂部分(44)，所述第二臂部分(44)从所述排出外壳的外部框架(3)径向延伸以连接所述毂部(2)与所述外部框架(3)。

2.根据权利要求1所述的毂部(2)，其中，所述连接壁(22)、所述内部通道壁(20)和所述内部附接凸缘(24)一体地形成。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的毂部(2)，其中，所述连接壁(22)具有朝向所述外壳(1)的上游定向的凹度。

4.根据权利要求1或2所述的毂部(2)，其中，所述连接壁(22)的径向部分从所述内部附接凸缘(24)到所述内部通道壁(20)包括：

大致直线形的第一部分(22a)，沿所述毂部(2)的下游的方向径向延伸；以及

具有弯曲形状的第二部分(22b，22c)，其凹度朝向所述毂部(2)的上游定向。

5.根据权利要求1或2所述的毂部(2)，其中，所述连接壁(22)的位于所述连接壁(22)与所述内部通道壁(20)之间的结合部处的上游端部具有大致平行于所述内部通道壁(20)的切线。

6.根据权利要求1或2所述的毂部(2)，进一步包括所述内部通道壁(20)与所述连接壁(22)之间的相交部分处的过剩厚度部(29)。

7.根据权利要求6所述的毂部(2)，其中，所述过剩厚度部(29)与所述第一臂部分(42)的前缘成直角地延伸。

8.根据权利要求1或2所述的毂部(2)，进一步包括在所述一系列肋部(28)的下游从所述内部通道壁(20)径向延伸的环状凸脊(28c)。

9.一种用于涡轮机的排出外壳(1)，具有沿着纵向轴线延伸的主方向并且包括：

根据权利要求1至8中任一项所述的毂部(2)，所述毂部(2)以所述纵向轴线为中心，

与所述毂部(2)同轴的外部框架(3)，以及

将所述内部通道壁(20)连接到所述外部框架(3)的一组臂(4)。

10.一种涡轮机，其特征在于，所述涡轮机包括根据权利要求9所述的排出外壳(1)。