CN106468189A - 涡轮机护罩组件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种涡轮机护罩组件。该涡轮机护罩组件包括：内部护罩，该内部护罩具有邻近热气体路径的表面；外部护罩；阻尼块，该阻尼块被布置在内部护罩和外部护罩之间；第一偏置装置；和第二偏置装置。该第一偏置装置向内部护罩提供第一偏置力，从而使内部护罩沿朝向热气体路径并且离开外部护罩的方向偏置第一偏移距离。第二偏置装置向阻尼块提供第二偏置力，从而使阻尼块沿朝向热气体路径并且离开外部护罩的方向偏置第二偏移距离。第二偏移距离大于第一偏移距离。

Description

涡轮机护罩组件
技术领域
本发明涉及涡轮机部件。更具体地，本发明涉及具有加载于外部护罩(outershroud)的内部护罩(inner shroud)的涡轮机护罩组件。
背景技术
在燃气涡轮机中，某些部件(例如在燃烧器的热气体路径中包绕旋转部件的护罩)经受极端的温度、化学环境和物理条件。内部护罩还经受为了将该内部护罩加载于外部护罩而施加的压力所造成的机械应力，相对热气体路径的压力推动。对内部护罩与外部护罩之间的空间加压使高压流体泄漏到热气体路径中，从而降低涡轮机的效率。此外，诸如弹簧之类的用于相对于外部护罩机械加载内部护罩的机构在高温下展示出降低的有效性，并且弹簧本身可能随着时间过去而蠕变，从而导致加载压力不足。例如由于加载压力不足而造成的内部护罩未充分朝向热气体偏置使斗叶/轮叶尖端与内部护罩之间的间隙增大，从而降低燃气涡轮机效率。
发明内容
在示例性实施例中，一种涡轮机护罩组件包括：内部护罩，该内部护罩具有邻近热气体路径的表面；外部护罩；阻尼块(damper block)，该阻尼块被布置在内部护罩和外部护罩之间；第一偏置装置(a first biasing apparatus)；和第二偏置装置。第一偏置装置向内部护罩提供第一偏置力，从而使内部护罩沿朝向热气体路径并且离开外部护罩的方向偏置第一偏移距离(a first deflection distance)。第二偏置装置向阻尼块提供第二偏置力，从而使阻尼块沿朝向热气体路径并且离开外部护罩的方向偏置第二偏移距离。第二偏移距离大于第一偏移距离，从而将阻尼块加载于内部护罩。
较佳地，所述第一偏置装置包括至少一个弹簧(spring)，所述弹簧连接到或接触所述内部护罩并且被配置成在所述内部护罩上施加第一偏置力。
较佳地，所述第一偏置装置是无弹簧(springless)偏置装置。
更佳地，所述偏置装置由加压流体驱动。
较佳地，所述第一偏置装置包括连接到或接触所述内部护罩的至少一个波纹管(bellows)，所述至少一个波纹管被配置成响应于所述至少一个波纹管内增大的内部压力朝向所述热气体路径膨胀并且在所述内部护罩上施加第一偏置力。
更佳地，所述至少一个波纹管密封地(hermetically)覆盖(caps)加压流体供给线路。
较佳地，所述第一偏置装置包括至少一个推力活塞(thrust piston)，所述至少一个推力活塞连接到或接触所述内部护罩并且被配置成在所述内部护罩上施加第一偏置力。
较佳地，所述第一偏置装置包括偏移限制器(deflection limiter)，所述偏移限制器被布置和设置成使得所述第一偏移距离不超过预定偏移(predetermineddeflection)。
更佳地，所述偏移限制器是可调节的(adjustable)，从而改变所述预定偏移。
较佳地，所述第二偏置装置包括至少一个弹簧，所述弹簧连接到或接触所述阻尼块并且被配置成在所述阻尼块上施加第二偏置力。
较佳地，所述第二偏置装置是无弹簧偏置装置。
更佳地，所述第二偏置装置由加压流体驱动。
较佳地，所述第二偏置装置包括连接到或接触所述阻尼块的至少一个波纹管，所述至少一个波纹管被配置成响应于所述至少一个波纹管内增大的内部压力朝向所述热气体路径膨胀并且在所述阻尼块上施加第二偏置力。
更佳地，所述至少一个波纹管密封地覆盖加压流体供给线路。
较佳地，所述第二偏置装置包括至少一个推力活塞，所述至少一个推力活塞连接到或接触所述阻尼块并且被配置成在所述阻尼块上施加第二偏置力。
较佳地，所述涡轮机护罩组件还包括第三偏置装置，所述第三偏置装置向所述阻尼块提供第三偏置力，使所述阻尼块沿朝向所述热气体路径并且离开所述外部护罩的方向偏置第三偏移距离，其中所述第三偏移距离大于所述第一偏移距离，从而将所述阻尼块加载到所述内部护罩。
较佳地，所述阻尼块包括热障涂层。
在另一个示例性实施例中，一种涡轮机护罩组件包括：内部护罩，该内部护罩具有邻近热气体路径的表面；外部护罩；阻尼块，该阻尼块被布置在内部护罩和外部护罩之间；由加压流体驱动的第一无弹簧偏置装置；由加压流体驱动的第二无弹簧偏置装置；和可调节的偏移限制器。第一无弹簧偏置装置向内部护罩提供第一偏置力，从而使内部护罩沿朝向热气体路径并且离开外部护罩的方向偏置第一偏移距离。第一无弹簧偏置装置包括至少一个波纹管、至少一个推力活塞、或者至少一个波纹管和至少一个推力活塞的组合。第二无弹簧偏置装置向阻尼块提供第二偏置力，从而使阻尼块沿朝向热气体路径并且离开外部护罩的方向偏置第二偏移距离。第二无弹簧偏置装置包括至少一个波纹管、至少一个推力活塞、或者至少一个波纹管和至少一个推力活塞的组合。可调节的偏移限制器被布置和设置成使得第一偏移距离不超过预定偏移。预定偏移能够通过调节偏移限制器来改变。第二偏移距离大于第一偏移距离，从而将阻尼块加载于内部护罩。
较佳地，所述涡轮机护罩组件还包括由加压流体驱动的第三无弹簧偏置装置，从而向所述阻尼块提供第三偏置力，使所述阻尼块沿朝向所述热气体路径并且离开所述外部护罩的方向偏置第三偏移距离，所述第三无弹簧偏置装置包括至少一个波纹管、至少一个推力活塞、或者至少一个波纹管和至少一个推力活塞的组合。
较佳地，所述阻尼块包括热障涂层。
在另一个示例性实施例中，一种加载涡轮机护罩组件的方法包括：将第一偏置装置产生的第一偏置力施加于内部护罩，从而使内部护罩沿朝向热气体路径并且离开外部护罩的方向偏置第一偏移距离；和将第二偏置装置产生的第二偏置力施加于被布置在内部护罩和外部护罩之间的阻尼块，从容使阻尼块沿朝向热气体路径并且离开外部护罩的方向偏置第二偏移距离。第二偏移距离大于第一偏移距离，从而将阻尼块加载于内部护罩。
通过下文结合附图更加详细的描述，本发明的其它的特征和优点将显而易见，附图通过举例的方式说明了本发明的原理。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的涡轮机护罩组件的剖视图，该涡轮机护罩组件包括至少一个波纹管。
图2是根据本发明的实施例的涡轮机护罩组件的剖视图，该涡轮机护罩组件包括至少一个推力活塞。
图3是根据本发明的实施例的涡轮机护罩组件的剖视图，该涡轮机护罩组件包括至少一个弹簧。
图4是根据本发明的实施例的涡轮机护罩组件的剖视图，该涡轮机护罩组件包括至少两个不同的偏置装置。
图5是根据本发明的实施例的图1至图4的内部护罩的透视图。
在尽可能的情况下，相同的附图标记将在全部附图中用于表示相同的部件。
具体实施方式
提供一种涡轮机护罩组件。例如，相比未能包括本发明中所公开的特征中的一个或多个的理念，本发明的实施例减小轮叶/斗叶尖端间隙、提高效率、增大耐久性、增大温度容限、降低负载损耗的可能性、降低总体成本、消除对护罩进行加压的需要、产生其它的优点、或其组合。
参照图1，涡轮机护罩组件100包括内部护罩102、外部护罩104、阻尼块106、第一偏置装置108和第二偏置装置110。内部护罩102包括表面112，该表面邻近热气体路径114。阻尼块106被布置在内部护罩102和外部护罩104之间。第一偏置装置108向内部护罩102提供第一偏置力116。第一偏置力116使内部护罩102沿朝向热气体路径114并且离开外部护罩104的方向120偏置第一偏移距离118。第二偏置装置110向阻尼块106提供第二偏置力122。第二偏置力122使阻尼块106沿朝向热气体路径114并且离开外部护罩104的方向120偏置第二偏移距离124。第二偏移距离124大于第一偏移距离118，从而将阻尼块106加载到内部护罩102。
在一个实施例中，第一偏置装置108包括偏移限制器126。偏移限制器126被布置和设置成使得第一偏移距离118不超过预定偏移128。在进一步的实施例中，偏移限制器126是可调节的。对偏移限制器126的调节改变了预定偏移128。偏移限制器126可以旋入外部护罩104中，使得偏移限制器126的旋转将增大或减小预定偏移128。
在一个实施例中，涡轮机护罩组件100包括第三偏置装置130。第三偏置装置130向阻尼块106提供第三偏置力132。第三偏置力132使阻尼块106沿朝向热气体路径114并且离开外部护罩104的方向120偏置第三偏移距离134。第三偏移距离134大于第一偏移距离118，从而将阻尼块106加载于内部护罩102。涡轮机护罩组件100可以包括任何合适数量的偏置装置，其中包括但不限于超过三个偏置装置。
第一偏置装置108可以通过任何合适的附连装置连接到内部护罩102，其中包括但不限于销136、钩、燕尾榫、t形槽、或其组合。
在一个实施例中，阻尼块106在内部护罩102上施加足以在操作条件下阻尼内部护罩102的振动的阻尼压力。阻尼块106可以由任何合适的材料(其中包括但不限于钢合金、不锈钢合金、镍合金、或其组合)形成。阻尼块106还可以包括热障涂层，该热障涂层保护阻尼块106不暴露于热气体路径114气体。阻尼块106可以通过由于阻尼块106与外部护罩104的接口而仅沿方向120移动来保持涡轮机护罩组件100的对准。不受理论的限制，普遍认为内部护罩102的振动部分地由斗叶/轮叶接近内部护罩102旋转而造成的压力场的变化而造成。在另一个实施例中，内部护罩102与阻尼块106之间的接触使从热气体路径114吸入涡轮机护罩组件100中的热气体减少。
在一个实施例中，内部护罩102、外部护罩104、和阻尼块106中的一个、两个、或全部都包括陶瓷基复合材料、金属、单片材料、或其组合。当在本发明中使用时，术语“陶瓷基复合材料”包括但不限于碳纤维增强碳(Carbon-Fiber-Reinforced Carbon；简称C/C)、碳纤维增强碳化硅(Carbon-Fiber-Reinforced Silicon Carbide；简称C/SiC)、和碳化硅纤维增强碳化硅(Silicon-Carbide-Fiber-Reinforced Silicon Carbide；简称SiC/SiC)。
在一个实施例中，表面112包括环境屏障涂层(Environmental Barrier Coating；简称EBC)，该环境屏障涂层保护表面112不受水蒸汽、热、和其它燃烧气体的影响。在另一个实施例中，表面112包括热障涂层(Thermal Barrier Coating；简称TBC)，该热障涂层保护表面112不受热的影响。在又一个实施例中，EBC和TBC中的至少一个涂覆内部护罩102的外部138，其中包括表面112以及远侧表面140。
在一个实施例中，涡轮机护罩组件100包括无弹簧第一偏置装置108。在另一个实施例中，涡轮机护罩组件100包括无弹簧第二偏置装置110。当在本发明中使用时，“无弹簧”表示偏置力(例如施加于内部护罩102的第一偏置力116或施加于阻尼块106的第二偏置力122)并非由弹簧产生。在特定实施例中，无弹簧第一偏置装置108或无弹簧第二偏置装置110可以包括弹簧，前提是任何所包括的弹簧并不产生施加于内部护罩102或阻尼块106的偏置力。
在一个实施例中，第一偏置装置108由加压流体142驱动。在另一个实施例中，第二偏置装置110由加压流体142驱动。加压流体142可以是任何流体，其中包括但不限于空气。加压空气的合适来源包括来自燃气涡轮压缩机的空气。第一偏置力116和第二偏置力122与加压流体142的压力、第一偏置装置108和第二偏置装置110的截面积成比例。在进一步的实施例中，加压流体142来源于燃气涡轮压缩机中的固定位置，并且第一偏置力116和第二偏置力122随着燃气涡轮压缩机所产生的压力发生变化。在另一个实施例中，可以通过调节加压流体142的压力来控制第一偏置力116和第二偏置力122。
在一个实施例中，第一偏置装置108包括至少一个波纹管144，该至少一个波纹管144连接到或接触内部护罩102。在进一步的实施例中，至少一个波纹管144包括附接到外部护罩104的第一端146和第二端148，该第二端148被配置成响应于该至少一个波纹管144内升高的内部压力朝向热气体路径114膨胀。该至少一个波纹管144的膨胀在内部护罩102上施加第一偏置力116。该至少一个波纹管144的第二端148可以附接到至少一个销136，该至少一个销136连接到内部护罩102的至少一个突出部150。在一个实施例中，第二端148通过支柱152附接到至少一个销136。
在一个实施例中，第二偏置装置110包括至少一个波纹管144，该至少一个波纹管144连接到或接触阻尼块106。在进一步的实施例中，至少一个波纹管144包括附接到外部护罩104的第一端146和第二端148，该第二端被配置成响应于至少一个波纹管144内升高的内部压力朝向热气体路径114膨胀。该至少一个波纹管144的膨胀在阻尼块106上施加第二偏置力122。该至少一个波纹管144的第二端148可以直接或间接地接触阻尼块106。
在一个实施例中，至少一个波纹管144密封地覆盖加压流体供给线路154。当在本发明中使用时，“密封地覆盖”表示加压流体142几乎不或完全不从该至少一个波纹管144与加压流体供给线路154相联结的区域处泄漏，并且加压流体142也几乎不或完全不从该至少一个波纹管144泄漏。
参照图2，在一个实施例中，第一偏置装置108包括至少一个推力活塞200，该至少一个推力活塞200连接到或接触内部护罩102。该至少一个推力活塞200可以包括活塞头202和至少一个活塞密封件204。在进一步的实施例中，至少一个推力活塞200被配置成响应于来自加压流体142的增大的压力沿朝向热气体路径114的方向120推动支柱152。该至少一个推力活塞200的移动在内部护罩102上施加第一偏置力116。活塞头202可以附接到至少一个销136，该至少一个销136连接到内部护罩102的至少一个突出部150。在一个实施例中，活塞头202通过支柱152附接到至少一个销136。
在另一个实施例中，第二偏置装置110包括至少一个推力活塞200，该至少一个推力活塞200连接到或接触阻尼块106。该至少一个推力活塞200可以包括活塞头202和至少一个活塞密封件204。在进一步的实施例中，至少一个推力活塞200被配置成响应于来自加压流体142的增大的压力沿朝向热气体路径114的方向120推动类似的支柱。该至少一个推力活塞200的移动在阻尼块106上施加第二偏置力122。类似的支柱可以直接或间接地接触阻尼块106。
参照图3，在一个实施例中，第一偏置装置108包括至少一个弹簧300，该至少一个弹簧300连接到或接触内部护罩102。该至少一个弹簧300可以包括压力螺钉302。压力螺钉302可以被拧紧以增加该至少一个弹簧300的压缩或者被拧松以减少该至少一个弹簧300的压缩。在进一步的实施例中，该至少一个弹簧300被配置成沿朝向热气体路径114的方向120推动支柱152。该至少一个弹簧300的压缩在内部护罩102上施加第一偏置力116。该至少一个弹簧300可以附接到至少一个销136，该至少一个销136连接到内部护罩102的至少一个突出部150。在一个实施例中，至少一个弹簧300通过支柱152附接到至少一个销136。
在另一个实施例中，第二偏置装置110包括至少一个弹簧300，该至少一个弹簧连接到或接触阻尼块106。该至少一个弹簧300可以包括压力螺钉302。压力螺钉302可以被拧紧以增加该至少一个弹簧300的压缩或者被拧松以减少该至少一个弹簧300的压缩。在进一步的实施例中，至少一个弹簧300被配置成沿朝向热气体路径114的方向120推动阻尼块106。弹簧300的压缩在阻尼块106上施加第二偏置力122。该至少一个弹簧300可以直接或间接地接触阻尼块106。
参照图4，涡轮机护罩组件100可以包括波纹管144、推力活塞200和弹簧300的组合或其子集。通过举例的方式(图示)，第一偏置装置108可以包括至少一个波纹管144，第二偏置装置110可以包括至少一个推力活塞200，并且第三偏置装置130可以包括至少一个弹簧300。这些元件可以以任何合适的方式组合，其中包括在具有任何数量的偏置装置的涡轮机护罩组件100中组合。
参照图5，在一个实施例中，内部护罩102的至少一个突出部150包括插入开孔500。插入开孔500被布置和设置成使得至少一个销136可以被插入穿过插入开孔500，以将内部护罩102可撤销地(reversibly)附接到第一偏置装置108。
参照图1至图4，用于加载涡轮机护罩组件100的方法包括：将第一偏置装置108产生的第一偏置力116施加于内部护罩102，从而使内部护罩102沿朝向热气体路径114并且离开外部护罩104的方向120偏置第一偏移距离118；和将第二偏置装置110产生的第二偏置力122施加于被布置在内部护罩102和外部护罩104之间的阻尼块106，从而使阻尼块106沿朝向热气体路径114并且离开外部护罩104的方向120偏置第二偏移距离124。第二偏移距离124大于第一偏移距离118，从而将阻尼块106加载于内部护罩102。在一个实施例中，第一偏置装置108可以是任何合适的机构，其中包括但不限于至少一个弹簧300、至少一个波纹管144、至少一个推力活塞200、或其组合。在另一个实施例中，第二偏置装置110可以是任何合适的机构，其中包括但不限于至少一个弹簧300、至少一个波纹管144、至少一个推力活塞200、或其组合。
在一个实施例中，通过使内部护罩102沿朝向热气体路径114并且离开外部护罩104的方向120偏置、以及使阻尼块106沿朝向热气体路径114并且离开外部护罩104的方向120偏置(其中第二偏移距离124大于第一偏移距离118)、将阻尼块106加载于内部护罩102来加载涡轮机护罩组件100，相比缺少阻尼块106的涡轮机护罩组件100减少内部护罩102中具有破坏性的振动。不受理论的限制，普遍认为该等破坏性的振动可能在内部护罩102和外部护罩104之间的空间未被诸如加压流体142(仅仅是举例)之类的流体加压的涡轮机护罩组件100中加剧。
涡轮机中的每个涡轮机护罩组件100都可以被单独调节以解决涡轮机定子组件的失圆(out of roundness)以及个体化轮叶/斗叶尖端间隙，从而优化涡轮机效率。此外，第一偏置装置108和第三偏置装置130可以在涡轮机护罩组件100内单独调节，以调节第一偏置力116和第三偏置力132，以便在热气体路径114的压力跨过内部护罩102的表面112发生变化的条件下优化加载。不受理论的限制，普遍认为热气体路径114跨过内部护罩102的表面112变化的该等变化可能是由轮叶/斗叶接近内部护罩102操作而造成的，从而可能造成内部护罩102前缘的压力相比后缘更高。调节第一偏置装置108和第三偏置装置130还可以解决内部护罩102的固有频率(natural frequencies)。
尽管已参照一个或多个实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，在不偏离本发明的范围的情况下，可以进行多种改变并且可以用等同形式代替其元件。此外，可以进行多种改型以使特定的情况或材料适应本发明的教导而不偏离其基本范围。因此，期望本发明不限于被公开为为了实施本发明而构想的最佳模式的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种涡轮机护罩组件，包括：
内部护罩，所述内部护罩具有邻近热气体路径的表面；
外部护罩；
阻尼块，所述阻尼块被布置在所述内部护罩和所述外部护罩之间；
第一偏置装置，所述第一偏置装置向所述内部护罩提供第一偏置力，从而使所述内部护罩沿朝向所述热气体路径并且离开所述外部护罩的方向偏置第一偏移距离；和
第二偏置装置，所述第二偏置装置向所述阻尼块提供第二偏置力，从而使所述阻尼块沿朝向所述热气体路径并且离开所述外部护罩的方向偏置第二偏移距离，
其中所述第二偏移距离大于所述第一偏移距离，从而将所述阻尼块加载于所述内部护罩。
2.根据权利要求1所述的涡轮机护罩组件，其特征在于，所述第一偏置装置包括至少一个弹簧或者至少一个推力活塞，所述至少一个弹簧或者至少一个推力活塞连接到或接触所述内部护罩并且被配置成在所述内部护罩上施加第一偏置力。
3.根据权利要求1所述的涡轮机护罩组件，其特征在于，所述第一偏置装置包括连接到或接触所述内部护罩的至少一个波纹管，所述至少一个波纹管被配置成响应于所述至少一个波纹管内增大的内部压力朝向所述热气体路径膨胀并且在所述内部护罩上施加第一偏置力。
4.根据权利要求1所述的涡轮机护罩组件，其特征在于，所述第一偏置装置包括偏移限制器，所述偏移限制器被布置和设置成使得所述第一偏移距离不超过预定偏移，所述偏移限制器是可调节的，从而改变所述预定偏移。
5.根据权利要求1所述的涡轮机护罩组件，其特征在于，所述第二偏置装置包括至少一个弹簧或者至少一个推力活塞，所述至少一个弹簧或者至少一个推力活塞连接到或接触所述阻尼块并且被配置成在所述阻尼块上施加第二偏置力。
6.根据权利要求1所述的涡轮机护罩组件，其特征在于，所述第二偏置装置包括连接到或接触所述阻尼块的至少一个波纹管，所述至少一个波纹管被配置成响应于所述至少一个波纹管内增大的内部压力朝向所述热气体路径膨胀并且在所述阻尼块上施加第二偏置力。
7.根据权利要求1所述的涡轮机护罩组件，其特征在于，所述涡轮机护罩组件还包括第三偏置装置，所述第三偏置装置向所述阻尼块提供第三偏置力，使所述阻尼块沿朝向所述热气体路径并且离开所述外部护罩的方向偏置第三偏移距离，其中所述第三偏移距离大于所述第一偏移距离，从而将所述阻尼块加载到所述内部护罩。
8.一种涡轮机护罩组件，包括：
内部护罩，所述内部护罩具有邻近热气体路径的表面；
外部护罩；
阻尼块，所述阻尼块被布置在所述内部护罩和所述外部护罩之间；
第一无弹簧偏置装置，所述第一无弹簧偏置装置由加压流体驱动，从而向所述内部护罩提供第一偏置力，使所述内部护罩沿朝向所述热气体路径并且离开所述外部护罩的方向偏置第一偏移距离，所述第一无弹簧偏置装置包括至少一个波纹管、至少一个推力活塞、或者至少一个波纹管和至少一个推力活塞的组合；
第二无弹簧偏置装置，所述第二无弹簧偏置装置由加压流体驱动，从而向所述阻尼块提供第二偏置力，使所述阻尼块沿朝向所述热气体路径并且离开所述外部护罩的方向偏置第二偏移距离，所述第二无弹簧偏置装置包括至少一个波纹管、至少一个推力活塞、或者至少一个波纹管和至少一个推力活塞的组合；和
可调节偏移限制器，所述偏移限制器被布置和设置成使得所述第一偏移距离不超过预定偏移，所述预定偏移能够通过调节所述偏移限制器来改变，
其中所述第二偏移距离大于所述第一偏移距离，从而将所述阻尼块加载于所述内部护罩。
9.根据权利要求8所述的涡轮机护罩组件，其特征在于，所述涡轮机护罩组件还包括由加压流体驱动的第三无弹簧偏置装置，从而向所述阻尼块提供第三偏置力，使所述阻尼块沿朝向所述热气体路径并且离开所述外部护罩的方向偏置第三偏移距离，所述第三无弹簧偏置装置包括至少一个波纹管、至少一个推力活塞、或者至少一个波纹管和至少一个推力活塞的组合。
10.根据权利要求1或8所述的涡轮机护罩组件，其特征在于，所述阻尼块包括热障涂层。
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