CN107002498A - 提供调节水平的支撑刚度的过渡管支撑件及方法 - Google Patents

Abstract

提供了支撑燃气涡轮发动机中的过渡管中的出口框架的过渡管支撑装置和方法。加强件（24）可被布置成给过渡管（14）中的出口框架（12）的外边缘（27）提供支撑。加强件（24）可构造成在过渡管的出口框架的相互对置的角部（30）之间周向延伸。支持件（26）可连接到居中设置的部段（20）并可延伸以支撑加强件的相应的端部（32）。支撑装置有效地相对于过渡管中的出口框架的一个或多个轴线提供相应调节水平的刚度支撑。所述装置和方法可有效用于分散过渡管的出口框架和/或过渡管中的相邻区域上的机械应力。

Description

提供调节水平的支撑刚度的过渡管支撑件及方法

技术领域

所公开的实施例总的涉及涡轮发动机，比如燃气涡轮发动机。更具体地，所公开的实施例涉及在涡轮发动机的燃烧室部段中的过渡管，并且，再更加具体地，涉及用于支撑涡轮发动机中的过渡管的出口框架的装置和方法。

背景技术

现有技术的发展，高效涡轮发动机，比如燃气涡轮发动机，要求日益增加的燃烧温度以降低操作的成本，如会涉及从所消耗的燃料中汲取最大量的有用动力，同时减少燃烧排放物，比如NOx排放物。在这类涡轮机中，燃烧系统的支撑和密封结构应能够适应这样的较高的燃烧温度，而不对相关部件过度加压。结合用于支撑过渡管的出口框架的一种已知系统参考美国专利7,584,620。

附图说明

图1是根据本发明的方面可被构造成给过渡管的出口框架提供调节水平的刚度支撑的过渡管支撑装置的第一非限制性实施例的透视图。

图2是实施本发明的多个方面的过渡管支撑装置的第二非限制性实施例的透视图。

图3是实施本发明的多个方面的过渡管支撑装置的第三非限制性实施例的透视图。

图4是实施本发明的多个方面的过渡管支撑装置的第四非限制性实施例的透视图。

图5是实施本发明的多个方面的过渡管支撑装置的第五非限制性实施例的透视图。

图6是实施本发明的多个方面的过渡管支撑装置的第六非限制性实施例的透视图。

图7到图10图示可构造成实现相应调节水平的刚度支撑的通孔的相应的非限制性示例构造。

图11是实施本发明的多个方面的过渡管支撑装置的第七非限制性实施例的透视图。

图12是实施本发明的多个方面的过渡管支撑装置的第八非限制性实施例的透视图。

图13到图18是相应的顶视图，图示了构造成实现相应调节水平的刚度支撑的变化的截面轮廓的相应的非限制性示例构造。

图19和图20图示了相应的透视图，其中实施本发明的多个方面的过渡管支撑装置的中心部段和加强件包含可固定到支持件的结构，其中图19是这类部段的分解视图，图20是这类部段的组装视图。

图21是比如燃气涡轮发动机的燃烧涡轮发动机的一个非限制性实施例的简化示意图，其可从本发明的公开实施例中受益。

图22和图23分别图示了如下的非限制性的对比绘图：模拟的在利用现有技术支撑件的过渡件的出口框架上的应力分布（图22）对比模拟的在包含实施本发明的多个方面的支撑装置的过渡件的出口框架上的应力分布（图23）。

图24是实施本发明的多个方面的过渡管支撑装置的非限制性实施例，其中能够可选地采用一个或多个铰链以提供绕出口框架的相应的轴线的期望量的弯曲柔度（例如，刚度降低）。

图25图示了能够可选地布置在图20中图示的过渡管支撑装置中的铰链的一个非限制性实施例。

图26示意性地图示了可在包含实施本发明的多个方面的支撑装置的出口框架中取得的位移减小的一个非限制性示例。

具体实施方式

本发明的发明人认识到在比如燃气涡轮发动机的涡轮发动机中的某些现有技术燃烧系统的背景下可能出现的一些问题。例如，在燃烧过程中通常出现的相对高的温度梯度和机械载荷的情况下，例如在过渡管的相应的出口框架的角部中和在邻近这类角部的过渡管的区域中观察到伴随的高应力。因此，会不利地影响这类现有技术的燃烧室系统中的过渡管的寿命。

至少基于这样的认识，本发明人提出用于支撑涡轮发动机中的过渡管的相应的出口框架的创新的装置和方法。所提出的装置和方法可有效增强出口框架的外边缘，并因此有效减小这类框架中的挠度，并可通过使这类应力恰当地重新分布（例如，散布）在不仅出口框架上而且在过渡管的区域上而进一步有效减小在过渡管的相应的出口框架的角部处另外观察到的相对高的应力。

除了减小过渡管上的应力之外，相关部件，比如过渡件密封件，也可从所提出的装置中受益。例如，由于所提出的装置减小出口框架上的挠度，因此所提出的装置有助于减小过渡件密封件上的机械载荷（例如，由于接触）。另外，减小的应力和挠度可进而有助于燃烧空气的改进利用，比如由于改进的泄漏减少，并且燃烧空气的该改进利用进而可有助于NOx排放物的减少。

所提出的装置构造成给出口框架提供刚度，该刚度可被恰当地调节以例如满足给定的燃烧室系统的期望的安装刚度要求。例如，由所提出的装置提供的安装支撑应足够地刚硬以例如衰减多余水平的振动，该多余水平的振动可导致到发动机的涡轮机部段的比如涡轮叶片载体（TVC）的固定结构的固定连接变松。相反地，由所提出的装置提供的安装支撑应足够柔软以例如适应热生长，并因此避免由热生长引起的裂隙形成。期望所提出的装置提供显著的通用性用于可靠且合算地调节（例如，调适）刚度，以恰当地满足在涡轮发动机中的任何给定的过渡管的出口框架处的安装需求。

在下列详细描述中，陈述了各种特定细节，以便提供这些实施例的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解：本发明的实施例可在没有这些特定细节的情况下被实施，本发明不限于所绘的实施例，以及本发明可以以多种替代实施例被实施。在其他情况下，没有详细描述本领域技术人员将会容易理解的方法、过程和部件，以避免不必要且繁琐的说明。

另外，可以以如下方式将不同操作描述为所执行的多个分离步骤，使得有助于理解本发明的实施例。然而，描述的顺序不应被解释为暗示这些操作需要按照它们出现的顺序来执行，也非暗示这些操作甚至依赖于顺序，除非另外表明。此外，短语“在一个实施例中”的重复使用不一定指相同实施例，尽管可以是。注意到，所公开的实施例不需要被解释为互斥实施例，因为本领域技术人员可根据给定的应用的需求来恰当地组合这类公开实施例的方面。

如本申请中使用的，术语“包含”、“包括”、“具有”及类似术语意图是同义的，除非另外表明。最后，如本文中使用的，短语“构造成”或“设置成”含有这样的概念，即：在短语“构造成”或“设置成”之前的特征是有意并特别地设计或制作成以指定的方式起作用或发挥功能，且不应被解释成表示特征只是具有以指定的方式起作用或发挥功能的能力或适用性，除非这样表明。

图1是根据本发明的方面可被构造成给过渡管14的出口框架12提供调节水平的刚度支撑的过渡管支撑装置10的第一非限制性实施例的透视图。在一个非限制性实施例中，过渡管14在其上游端处包括用于与燃烧炉（未示出）界面接合的入口环16，并且过渡管14在其下游端处包括用于与涡轮机部段（未示出）界面接合的出口框架12。

在一个非限制性实施例中，过渡管支撑装置10包括居中设置的部段20，其包括用于接收固定装置（例如，贯穿螺栓等）的一个或多个连接开口22以连接到发动机的涡轮机部段的固定结构（未示出），比如涡轮机叶片载体（TVC）。过渡管支撑装置10进一步包括相对于居中设置的部段20径向向内设置的加强件24。加强件24连接到居中设置的部段20并设置成给过渡管14中的出口框架12的外边缘27提供支撑。加强件24构造成在过渡管14中的出口框架12的相互对置的角部30之间周向延伸。

支持件26可连接到居中设置的部段20并可朝着相互对置的角部30延伸以支撑加强件24的相应的端部32。支撑装置10相对于过渡管14中的出口框架12的一个或多个轴线有效地提供相应调节水平的刚度支撑。如图1中所示，非限制性示例参考系可包含周向轴线34、径向轴线36和纵向轴线38。在一个非限制性实施例中，支撑装置10可包括用于允许接近的至少一个接近开口40以执行组装操作，比如可涉及与过渡件相关的元件，比如过渡件密封件等的固定/定位。

在一个非限制性实施例中，过渡管支撑装置10可包含变化的截面轮廓（例如，三维变化的截面轮廓），其构造成相对于过渡管中的出口框架的一个或多个轴线实现相应调节水平的刚度支撑。例如，在一个非限制性实施例中，支持件26的相应的翼尖42可包含与支撑装置10中的其他结构相比相对较薄的结构。

图13到图18是相应的顶视图（例如，沿径向轴线36，图1），图示了具有变化的截面轮廓的相应的非限制性示例构造，所述变化的截面轮廓可在支撑装置10上构造成实现相应的调节水平的刚度支撑。变化的截面轮廓可进一步构造成满足其他非限制性的实践考虑因素，比如以允许过渡件密封件的固定、为密封支撑提供界面接合结构、或提供密封表面。

在一个非限制性的实施例中，如可在图1中领会的，加强件24可构造成延伸到过渡管14的出口框架12的相互对置的角部30。然而，如可在图2中领会的，加强件24不需要周向延伸达到过渡管14的出口框架12的相互对置的角部30，如以双头箭头44的方式示意性表示的。将理解的是，支撑装置的截面轮廓不需要包含变化的截面轮廓，如以上在图1的上下文中论述的。

如本领域技术人员将理解的，例如可相对于径向轴线和纵向轴线36、38提供的加强支撑可进而相对于绕周向轴线34的弯曲提供加强效果。在一些非限制性的应用中，可能期望调节（例如，调整）这样的加强效果的水平。在一个非限制性实施例中，如可在图2中领会的，周向延伸的凹口46可设置在中心部段10中。在替代实施例中，可在支持件26中布置进一步周向延伸的凹口46，如图3中所示。

如图24图示的，代替这些凹口或与这些凹口组合地，能够可选地设置一个或多个铰链70以提供绕相应轴线的期望量的弯曲柔度（例如，刚度降低）。将理解的是，刚度程度、这类凹口和/或铰链的取向和位置可基于对于出口框架的目标刚度水平而选择。例如，基于给定应用的需求，另外的凹口和/或铰链可设置成沿着径向轴线36延伸，这将提供绕该轴线的弯曲柔性，如果这样期望。

在一个非限制性实施例中，如图4中图示的，加强件24可构造成基于相对于过渡管中的出口框架的一个或多个轴线要提供的相应调节水平的刚度支撑而向外延伸到预定的径向距离（由双头箭头48示意性表示）。将理解的是，受到刚度和其他的实践限制，可延伸加强件24的高度以实际上形成一体的板，如在图6、11和12分别图示的非限制性实施例中所图示的。将理解的是，本发明的方面不限于任何特定类型的结构和/或制造样式。例如，实施本发明的多个方面的过渡管支撑装置可根据给定应用的需求来形成为层式的或非层式的复合结构。

将理解的是，实施本发明的多个方面的支撑装置的几何形状可基于给定的安装应用的需求而被调适。例如，提供给出口框架12的外边缘27的周向支撑越大、以及/或者加强件24的径向高度越大，这类特征将给出口框架12提供相对越硬的刚性支撑，并因此在出口框架12上实现相对较高水平的应力减小。然而，在实际实施例中，任何人会需要注意其他的实践制约，比如与支撑装置自身的占用空间要求和/或组装操作有关的空间可利用性。如在图11和图12中可分别领会的，实施成板构造的支撑装置可相似地从恰当定位的凹口51和/或铰链中受益。例如，这类凹口和/或铰链将有效调节绕周向轴线34的刚度水平。

在一个非限制性实施例中，可包括一个或多个调节通孔49（图6、图11、图12），其可设置成相对于过渡管中的出口框架的一个或多个轴线实现相应水平的刚度支撑。图7到图10是相应的正视图，图示了可在支撑装置10中构造成实现相应调节水平的刚度支撑的调节通孔的相应的非限制性示例构造。将理解的是，任何这类构造可被应用在构造接近开口40（图1）的情境下。

图5是一个非限制性实施例的透视图，其中加强件24包含限定具有第一厚度和第一高度的第一加强件阶层52的凹部50，并且其中凹部50进一步限定第二加强件阶层54，该第二加强件阶层比如相对于第一加强件阶层54径向向外设置。第二加强件阶层54可具有第二厚度和第二高度。第一和第二加强件阶层52、54的相应的厚度和高度可构造成相对于过渡管中的出口框架的一个或多个轴线实现相应调节水平的刚度支撑。例如，相对较厚的第二加强件阶层54将有效增加绕纵向轴线和径向轴线36、38的刚度支撑，而相对较薄的第一加强件阶层52允许降低加强件24的质量总量。可选地，如以上论述地，凹口46或铰链可被用来减小绕周向轴线34的刚度。本领域技术人员将理解的是，在第一和第二加强件阶层的上下文中提供的前述描述应从示例的意义而不是从限制的意义上来解释，因为本发明的方面不限于任何特定数目的加强件阶层。

图19和图20图示了相应的透视图，其中实施本发明的多个方面的过渡管支撑装置的加强件24和中心部段20可以以一体化结构（例如，板或其他适合的结构）形成，该一体化结构通过恰当的连接55（例如，通过焊接、钎焊等）可固定到支持件26。图19是这类部段在固定到彼此之前的分解图，图20是这类部段的组装视图。该实施例对于改型应用会是有用的。将理解的是，该实施例不需要以板构造实施。例如，关于变化的截面轮廓在图1的上下文中在以上描述的特征可被应用于该实施例。

图25是铰链72的一个非限制性实施例的图示，如果例如在给定的应用中绕周向轴线的进一步的弯曲柔度是期望的，铰链能够可选地设置在支撑装置的中心部段中。将理解的是，图25中所示的铰链设置应从示例的意义而不是从限制的意义上来解释，这是因为也可有效地采用其他铰链布置结构。

在一个非限制性实施例中，刚度支撑的调节水平可在从足够高来减小在涡轮发动机的高振动环境中出口框架位移的水平到足够低来接受在涡轮发动机的高温环境中出口框架的热生长的水平的范围中选择。

在一个非限制性实施例中，加强件和/或支持件的构造可有效用于分散过渡管的出口框架和/或过渡管中的相邻区域上的机械应力，从而降低在过渡管的出口框架和/或过渡管中的相邻区域上的应力的相应峰值水平。在一个非限制性应用中，刚度支撑的相应的调节水平可基于过渡管的期望的振动模式。例如，刚度支撑的相应的调节水平可构造成避免过渡件的固有工作频率的动态激励。

图21是比如燃气涡轮发动机的燃烧涡轮发动机100的一个非限制性实施例的简化示意图，其可从本发明的公开实施例中受益。燃烧涡轮发动机100可包含压缩机102、燃烧室104、燃烧腔106和涡轮机108。在操作期间，压缩机102吸入周围空气并将压缩空气提供给扩散器110，扩散器将压缩空气传输给集气室112，压缩空气通过集气室传输到燃烧室104，燃烧室将压缩空气与燃料混合，并通过过渡件14将燃烧后的热的工作气体提供给涡轮机108，涡轮机可驱动发电设备（未示出）发电。轴114被示出将涡轮机108连接到传动压缩机102。本发明的公开实施例可被包括在燃气涡轮发动机的每个过渡件（如过渡件14）中，以有利地取得过渡件的出口框架的可靠且合算的安装刚度。安装刚度可被恰当调节以例如满足给定的燃烧室系统的安装刚度需求。在操作中，这被期望来改进过渡管和比如过渡件密封件等的相关部件的寿命。

图22和图23分别图示了以下非限制性的对比绘图：模拟的在利用现有技术的支撑件（图21）的出口框架上的应力分布对比模拟的在包含实施本发明的多个方面的支撑装置的出口框架上的应力分布。在这些非限制性的绘图中，可观察到：与现有技术相比，具有实施本发明的多个方面的支撑装置的出口框架上的峰值应力水平降低了30%。

图26图示了可在包含实施本发明的多个方面的出口框架中取得的位移减小的一个非限制性示例。前述出口框架和过渡件板上的峰值应力水平的降低与进一步的模拟数据是一致的，在一个非限制性示例中，该进一步的模拟数据表明：与具有现有技术支撑装置的出口框架经受的挠度相比，沿着框架的纵向轴线和周向轴线的出口框架的相应的挠度（由箭头76和78示意性表示）可经历减小为大约1/3。

尽管以示例的形式公开了本公开的实施例，但是本领域技术人员将显见的，在不偏离如在下列权利要求中陈述的本发明及其等同物的精神和范围的情况下，可在其中作出许多修改、添加和删除。

Claims (22)

1.一种过渡管支撑装置，包括：

居中设置的部段；

相对于所述居中设置的部段径向向内设置的加强件，所述加强件连接到所述居中设置的部段并且布置成给过渡管中的出口框架的外边缘提供支撑，所述加强件构造成在所述过渡管的出口框架的相互对置的角部之间周向延伸；以及

连接到所述居中设置的部段并延伸以支撑所述加强件的相应端部的支持件，所述支撑装置相对于所述过渡管中的出口框架的一个或多个轴线有效地提供相应调节水平的刚度支撑。

2.如权利要求1所述的过渡管支撑装置，其特征在于，所述加强件被构造成延伸到所述过渡管的出口框架的相互对置的角部。

3.如权利要求1或权利要求2所述的过渡管支撑装置，包括至少一个接近开口。

4.如前述权利要求中任一项所述的过渡管支撑装置，还包括相对于所述过渡管中的出口框架的所述一个或多个轴线有效地实现相应调节水平的刚度支撑的至少一个凹口和/或至少一个铰链。

5.如权利要求4所述的过渡管支撑装置，其特征在于，所述至少一个凹口和/或所述至少一个铰链被布置成提供绕周向轴线的弯曲柔度。

6.如权利要求5所述的过渡管支撑装置，还包括布置成提供绕垂直于所述周向轴线的径向轴线的弯曲柔度的至少一个另外的凹口和/或至少一个另外的铰链。

7.如前述权利要求中任一项所述的过渡管支撑装置，还包括相对于所述过渡管中的出口框架的所述一个或多个轴线有效地实现相应水平的刚度支撑的至少一个通孔。

8.如权利要求7所述的过渡管支撑装置，其特征在于，所述至少一个通孔的形状被构造成相对于所述过渡管中的出口框架的所述一个或多个轴线实现相应调节水平的刚度支撑。

9.如权利要求1所述的过渡管支撑装置，其特征在于，所述加强件被构造成基于相对于所述过渡管中的出口框架的所述一个或多个轴线要提供的相应调节水平的刚度支撑而向外延伸到预定的径向距离。

10.如权利要求1所述的过渡管支撑装置，其特征在于，所述加强件包括凹部，所述凹部限定了具有第一厚度和第一高度的第一加强件阶层，其中，所述凹部还限定了相对于所述第一加强件阶层径向向外设置的第二加强件阶层，所述第二加强件阶层具有第二厚度和第二高度，所述第一加强件阶层和所述第二加强件阶层的相应的厚度和高度构造成相对于所述过渡管中的出口框架的所述一个或多个轴线实现相应调节水平的刚度支撑。

11.如前述权利要求中任一项所述的过渡管支撑装置，其特征在于，中心部段、所述加强件和所述支持件包括一体化结构。

12.如权利要求11所述的过渡管支撑装置，其特征在于，所述一体化结构包括板或复合结构。

13.如权利要求1至10中任一项所述的过渡管支撑装置，其特征在于，所述中心部段和所述加强件包括能够固定到所述支持件的一体化结构。

14.如权利要求13所述的过渡管支撑装置，还包括布置在所述一体化结构与所述支持件之间的至少一个铰链。

15.如权利要求1至14中任一项所述的过渡管支撑装置，包括构造成相对于所述过渡管中的出口框架的所述一个或多个轴线实现相应调节水平的刚度支撑的三维轮廓。

16.一种包括前述权利要求中任一项所述的过渡管支撑装置的燃烧室系统。

17.一种包括如权利要求16所述的燃烧室系统的燃气涡轮发动机。

18.一种在燃气涡轮发动机的高振动和高温环境中支撑过渡管中的出口框架的方法，所述方法包括：

将加强件设置成在所述过渡管的出口框架的相互对置的角部之间周向延伸；

利用支持件来支撑所述加强件的相应的端部；以及

将所述加强件和/或所述支持件构造成相对于所述过渡管中的出口框架的一个或多个轴线提供相应调节水平的刚度支撑。

19.如权利要求18所述的方法，还包括将所述加强件布置成延伸到所述过渡管的出口框架的相互对置的角部。

20.如权利要求18或权利要求19所述的方法，还包括在如下范围中选择刚度支撑的调节水平，即：从足以减小在所述涡轮发动机的高振动环境中的出口框架位移的第一水平到足以接受在所述涡轮发动机的高温环境中的所述出口框架的热生长的第二水平。

21.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述加强件和/或所述支持件的构造有效用于分配所述过渡管的出口框架和/或所述过渡管中的相邻区域上的机械应力，从而降低所述过渡管的出口框架和/或所述过渡管中的相邻区域上的应力的相应峰值水平。

22.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，刚度支撑的所述相应调节水平是基于所述过渡管中的期望的振动模式。