CN107035443B - 支承涡轮扩散器的系统 - Google Patents

Abstract

一种系统包括扩散器区段，其包括外筒、外后板、内筒、内后板、以及多个柱，其中外后板设置在外筒的下游端处，内后板设置在内筒的下游端处，外筒和内筒围绕涡轮轴线设置，扩散器区段接收来自燃气涡轮的排气，多个柱围绕涡轮轴线沿周向间隔开，并且多个柱中的各个柱将外后板的下游端联接至内后板的下游端。

Description

支承涡轮扩散器的系统

技术领域

本文公开的主题涉及燃气涡轮发动机，诸如改进的扩散器区段。

背景技术

燃气涡轮系统大体包括压缩机、燃烧器和涡轮。压缩机压缩来自空气进口的空气，且后续将压缩空气引导到燃烧器。燃烧器燃烧压缩空气和燃料的混合物，以产生热燃烧气体，热燃烧气体被引导到涡轮，以做功，诸如驱动发电机。

因为扩散器区段的构造和与排气相关联的高温的原因，涡轮的传统扩散器区段经历高应力。因此，传统扩散器区段经历高应力，因此增加扩散器区段上的磨损。

发明内容

在一个实施例中，一种系统包括扩散器区段，其包括外筒、外后板、内筒、内后板、以及多个柱，其中外后板设置在外筒的下游端处。内后板设置在内筒的下游端处，并且外筒和内筒围绕涡轮轴线设置。扩散器区段接收来自燃气涡轮的排气，并且多个柱围绕涡轮轴线沿周向间隔开。多个柱中的各个柱将外后板的下游端联接至内后板的下游端。

在一个实施例中，一种系统包括扩散器区段，其接收来自燃气涡轮的排气。扩散器区段包括围绕涡轮轴线设置的外筒、围绕涡轮轴线设置的内筒、设置在外筒的下游端处的外后板、设置在内筒的下游端处的内后板、以及多个柱。多个柱围绕涡轮轴线沿周向间隔开，并且多个柱中的各个柱包括直径。各个柱的直径至少部分地基于扩散器区段内的相应的柱的周向位置，并且多个柱中的各个柱将外后板的下游端联接至内后板的下游端。排气气室接收来自扩散器区段的排气，其中外后板、内后板、以及多个柱设置在排气气室内。

在一个实施例中，一种安装的方法包括：将升降组件联接至最靠近扩散器区段的顶部部分设置的多个柱的第一子组；经由多个柱的第一子组升降扩散器区段；以及将扩散器区段联接至涡轮出口。

本发明的第一技术方案提供了一种系统，包括：扩散器区段，其包括外筒、外后板、内筒、内后板、以及多个柱，其中所述外后板设置在所述外筒的下游端处，所述内后板设置在所述内筒的下游端处，所述外筒和所述内筒围绕涡轮轴线设置，所述扩散器区段构造成接收来自燃气涡轮的排气，所述多个柱围绕所述涡轮轴线沿周向间隔开，并且所述多个柱中的各个柱将所述外后板的下游端联接至所述内后板的下游端。

本发明的第二技术方案是在第一技术方案中，所述多个柱中的各个柱包括直径，并且各个柱的直径至少部分地基于所述扩散器区段内的相应的柱的周向位置。

本发明的第三技术方案是在第二技术方案中，所述多个柱中的设置在所述扩散器区段的顶部部分内的周向位置处的柱的直径大于所述多个柱中的设置在所述扩散器区段的底部部分内的周向位置处的柱的直径。

本发明的第四技术方案是在第一技术方案中，所述多个柱中的设置在所述扩散器区段的底部部分内的周向位置处的第一组柱在所述外后板和所述内后板之间包括不均匀的轴向横截面。

本发明的第五技术方案是在第一技术方案中，所述多个柱中的设置在所述扩散器区段的顶部部分内的周向位置处的第一组柱构造成在安装所述扩散器区段时支承所述扩散器区段的重量。

本发明的第六技术方案是在第一技术方案中，所述多个柱中的各个柱沿柱轴线延伸，且各个柱轴线平行于公共轴线。

本发明的第七技术方案是在第六技术方案中，所述涡轮轴线包括所述公共轴线。

本发明的第八技术方案是在第一技术方案中，所述多个柱中的柱不支承转动导叶。

本发明的第九技术方案是在第一技术方案中，包括多个角撑板支承件，其中多个柱经由所述多个角撑板支承件联接至所述外后板且至所述内后板。

本发明的第十技术方案是在第九技术方案中，所述多个角撑板支承件设置在所述外后板和所述内后板的外部表面上。

本发明的第十一技术方案是在第九技术方案中，所述多个角撑板支承件包括设置在所述内后板的内部表面上的内部角撑板支承件，以及设置在所述外后板和所述内后板的外部表面上的外部角撑板支承件。

本发明的第十二技术方案提供了一种系统，包括：扩散器区段，其构造成接收来自燃气涡轮的排气，所述扩散器区段包括：外筒，其围绕涡轮轴线设置；内筒，其围绕所述涡轮轴线设置；外后板，其设置在所述外筒的下游端处；内后板，其设置在所述内筒的下游端处；以及多个柱，其中所述多个柱围绕所述涡轮轴线沿周向间隔开，所述多个柱中的各个柱包括直径，各个柱的直径至少部分地基于所述扩散器区段内的相应的柱的周向位置，并且所述多个柱中的各个柱将所述外后板的下游端联接至所述内后板的下游端；以及排气气室，其构造成接收来自所述扩散器区段的排气，其中所述外后板、所述内后板、以及所述多个柱设置在所述排气气室内。

本发明的第十三技术方案是在第十二技术方案中，所述多个柱平行于所述涡轮轴线。

本发明的第十四技术方案是在第十二技术方案中，最靠近所述扩散器区段的顶部部分设置的所述多个柱的第一子组构造成在安装期间支承所述燃气涡轮的重量。

本发明的第十五技术方案是在第十二技术方案中，最靠近所述扩散器区段的底部部分设置的所述多个柱的第二子组包括不均匀的轴向横截面。

本发明的第十六技术方案是在第十五技术方案中，所述不均匀的轴向横截面包括成卵形的中心部分。

本发明的第十七技术方案是在第十二技术方案中，包括多个角撑板支承件，其中多个柱经由所述多个角撑板支承件联接至所述外后板且至所述内后板。

本发明的第十八技术方案是在第十二技术方案中，所述多个柱中的柱不支承转动导叶。

本发明的第十九技术方案提供了一种安装的方法，包括：将升降组件联接至最靠近扩散器区段的顶部部分设置的多个柱的第一子组；经由所述多个柱的第一子组升降所述扩散器区段；以及将所述扩散器区段联接至涡轮出口。

本发明的第二十技术方案是在第十九技术方案中，包括围绕后板和所述多个柱来组装排气气室。

附图说明

在参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它结构、方面和优点将变得更好理解，其中，相同符号在图中表示相同部件，其中：

图1为涡轮系统的实施例的框图，其具有包括改良的扩散器区段的涡轮；

图2为设置在排气气室内的涡轮的扩散器区段的详细图；

图3描绘扩散器的改良的上部部分；

图4描绘通过支架沿着图2的线4-4获得的扩散器的横截面图；

图5描绘互搭接头和分立支架沿着图4的线5-5的透视图；

图6描绘互搭接头和分立支架沿着图4的线5-5的透视图；

图7描绘扩散器的后板内的周向凹槽的轴向横截面图；

图8描绘内筒的后板沿着扩散器的线8-8得到的横截面图；

图9描述形成根据本公开的实施例的后板的方法；

图10描绘扩散器区段的外筒的透视图；

图11描绘扩散器区段的内筒的透视图；

图12示出用来机加工内筒和外筒的示例性设备；以及

图13示出通过旋转工艺形成内筒和外筒的方法。

具体实施方式

下面详细描述用于通过使用扩散器区段上的机械改进来改进传统扩散器区段的系统和方法。对扩散器区段的机械改进通过减小与传统扩散器设计相关联的应力而有助于改进扩散器的机械完整性。如下面详细论述，机械改进的实施例包括制造期望曲率的扩散器区段，将多个柱设置在扩散器的前板和后板之间，将周向凹槽设置在内筒中以接收后板，设置外筒的周向互搭接头，将沿着扩散器的内筒和/或外筒设置的多个分立支架构造成将扩散器联接到涡轮出口，或进行其任何其组合。扩散器区段的曲率通过机加工工艺实现，诸如旋转工艺。旋转工艺涉及通过将材料置于模具上而将对于内筒和外筒适当的材料(例如，不锈钢、金属)模制成期望形状(例如，弯曲)。然后通过使用辊子来将材料挤压到模具中，因此逐渐形成期望模具形状，而将材料模制成期望形状。为减小旋转工艺经历的任何残余应力，内和外筒可由多个轴向节段(例如，第一多个轴向节段、第二多个轴向节段)形成。使用轴向节段来产生内筒和外筒可能需要使材料较少地变形，以产生内筒和外筒的期望形状，因此有助于减小出现的残余应力的量。

一旦形成内筒和外筒的轴向节段(例如，第一多个轴向节段、第二多个轴向节段)，各个相应的筒的轴向节段可连结在一起。轴向节段可切割，以确保轴向节段(例如，第一多个轴向节段、第二多个轴向节段)具有多余材料，使得节段可足够地连结在一起。轴向节段可连结在一起，通过焊接、钎焊、熔接、栓接、紧固或任何其组合。

柱设置在内筒和外筒之间，内筒和外筒又围绕涡轮轴线设置。柱用来通过多个柱将后板的下游端联接到上前板的下游端，并且围绕涡轮轴线沿周向间隔开。在一些实施例中，柱具有不同的柱直径。柱直径部分地基于柱位置沿着扩散器的周向位置(例如，外后板、内后板)。例如，最靠近扩散器的顶部部分的柱的直径(例如，外后板、内后板)可具有比最靠近扩散器的底部部分的柱更大的直径。在一些实施例中，柱直径由于其靠近排气流而更小。因而，较小柱直径可为有益的，因为减小了直径较小而引起的排气流路径的阻滞。设置在扩散器区段的顶部部分内的柱可构造成诸如在安装期间支承扩散器区段的负载(例如重量)。例如，设置在扩散器区段的顶部部分内的柱可用来提升扩散器区段。在一些实施例中，设置在扩散器区段的顶部部分内的柱可联接到吊车、升降机、起重机或其它适当的升降机器上，以将扩散器区段平移到适当的位置(例如，平移是为了安装、移除、维护、修理)。柱可减小内筒和外筒之间的振动。柱的布置部分地取决于柱的直径。最接近扩散器的顶部部分的柱具有较大直径，以绕过泄涡(vortex shedding)频率，其中，排气的速度更均匀。

周向凹槽位于内筒的端部处。后板可插入到周向凹槽中，使得后板与周向凹槽的根部的部分对接。周向凹槽可通过使得后板能够在周向凹槽内移动来减小应力。可通过使得在区段(例如，后板和周向凹槽)之间能够有略微移动来减小环向应力。相对于无周向凹槽的扩散器，实现周向凹槽所导致的应力减小可使环向应力减小一半。

周向互搭接头设置在涡轮出口的外壁的下游端和扩散器区段的外筒的上游端之间。周向互搭接头构造成有利于外筒相对于外壁沿轴向移动，因此释放外筒中的应力。外筒的上游唇缘(例如，外唇缘)可沿径向设置在外壁的下游唇缘(例如，唇缘)内，以有利于互搭接头轻易地沿轴向移动。通过使用周向互搭连结的上游唇缘和下游唇缘获得的应力减小可通过使用分立支架而得到进一步加强。分立支架可联接到外筒和框架组件(例如，排气框架)上。分立支架(例如，外筒分立支架)构造成沿轴向方向支承外筒。分立支架子组(例如，分立内支架)可沿周向围绕扩散器的内筒设置。分立内支架(例如，内筒支承支架)可将扩散器(例如，内筒)保持就位，并且减小轴向方向上的移动。扩散器(例如，内筒和外筒)相对于涡轮出口的移动可减小和/或受到约束，这取决于互搭接头和分立支架沿着外筒设置在哪里。

现在转到附图且首先参照图1，示出了燃气涡轮系统10的实施例的框图。框图包括燃料喷嘴12、燃料14和燃烧器16。如所描绘的那样，燃料14(例如，液体燃料以及/或者气体燃料，诸如天然气)发送到涡轮系统10，通过燃料喷嘴12进入到燃烧器16中。燃烧器16点燃且燃烧空气-燃料混合物34，然后将热加压排气36传送到涡轮18中。排气36传送通过涡轮18中的涡轮转子的涡轮叶片，因此驱动涡轮18，使其围绕轴28旋转。在实施例中，经改良的扩散器38联接到涡轮18上。涡轮18联接到涡轮出口上，其中，涡轮出口和扩散器38构造成在运行期间接收来自涡轮18的排气36。如下面详细论述，涡轮系统10的实施例包括扩散器38内的改进与制造扩散器38相关联的可靠性(例如，通过减小应力)的某些结构和构件。涡轮系统10的实施例可包括扩散器38的用以改进扩散器38的制造时间的某些结构和构件。燃烧过程的排气36可通过扩散器38和排气出口20离开涡轮系统10。在一些实施例中，扩散器38可包括周向凹槽40、一个或多个互搭接头42、一个或多个分立支架44、设置在扩散器38的后板62和前板64之间的一个或多个柱46，或者任何其组合。涡轮18的旋转叶片使得轴28旋转，轴28联接到涡轮系统10中的若干个其它构件(例如，压缩机22、负载26)上。

在涡轮系统10的实施例中，包括压缩机导叶或叶片作为压缩机22的构件。压缩机22内的叶片可通过压缩机转子联接到轴28上，并且将随着轴28被涡轮18驱动而旋转。压缩机22可通过空气进口24将氧化剂(例如空气)30吸入到涡轮系统10。另外，轴28可联接到负载26上，负载26可通过轴28的旋转而得到动力。如所理解的那样，负载26可为可通过涡轮系统10的旋转输出来产生功率的任何适当的装置，诸如功率发生装置或外部机械负载。例如，负载26可包括外部机械负载，诸如发电机。空气进口24通过适当的机构(诸如空气进口)将氧化剂(例如空气)30吸到涡轮系统10中，以在后面通过燃料喷嘴12混合空气30与燃料14。涡轮系统10得到的氧化剂(例如空气)30可通过使压缩机22内的叶片旋转而馈送和压缩成加压空气32。然后加压空气32可馈送到一个或多个燃料喷嘴12中。然后燃料喷嘴12可混合加压空气32和燃料14，以产生适当的空气-燃烧混合物34供燃烧。

图2示出涡轮18的扩散器38区段的详细示意图。如所描绘的那样，扩散器区段38可包括上部部分52和下部部分54，显示了它们被通气的承载管道56隔开。通气的承载管道56可供应冷却流通过涡轮出口20和扩散器区段38。可理解的是，扩散器38具有基本环形，它包围承载管道56的一部分。扩散器38的上部部分52联接到排气框架58上，并且沿径向设置在排气气室60内。排气36通过扩散器38的上部区段52和下部区段54离开，进入到排气气室60中。扩散器区段38的后板62也设置在气室60中。内筒48可比外筒50更冷，特别是沿着内筒48的更远离涡轮出口20的一部分，部分原因是对内筒48应用了隔离。因而，后板62可比内筒48更快速地吸收热，从而在扩散器38上导致热梯度。此热梯度可在扩散器38中产生应力，因此影响扩散器38的机械完整性。

扩散器38的机械完整性还可受到与离设置在扩散器38内的翼型件82和排气框架58的竖向接头74的衰减长度有关的应力的影响。热排气36的流径可进一步降低扩散器38的机械完整性，因为有振动力和温度作用，这可使扩散器38疲劳。因此，如图3的论述中更详细地描述的那样，对扩散器38区段的改良可减小对扩散器38的作用。这样的改良可包括制造具有期望曲率的扩散器38区段，将多个柱46设置在扩散器38的前板64和后板62之间，将周向凹槽40设置在内筒48中以接收后板62、设置一个或多个周向互搭接头42、将沿着扩散器38的内筒48和外筒50设置的多个分立支架44构造成将扩散器38联接到排气框架58上，或者任何其组合。周向互搭接头42和分立支架44构造成减小在某些方向上的移动(例如，沿周向66、沿轴向76、沿竖向78、沿侧向80)或者，有利于移动(例如，沿周向66、沿轴向76、沿竖向78、沿侧向80、沿径向84)，这取决于周向互搭接头42和分立支架44如何定位。

图3描绘了根据本公开的扩散器38的经改良的上部部分52。扩散器38区段可制造成使得扩散器38开始沿着扩散器38的内筒48和外筒50在最接近涡轮出口20的端部处弯曲。扩散器38的弯曲部88可提供优于其它扩散器形状(例如，形状更笔直的扩散器)的结构优点。例如，与用直板逼近期望曲率相比，扩散器38的连续弯曲部88可通过改进扩散器38的空气动力学属性来减小结构性产生的应力。如下面详细论述，扩散器38的曲率可由适当的工艺形成，诸如旋转工艺。在一些实施例中，扩散器38的各个内筒48和外筒50由不止一个锥体形成。锥体可为由适当的材料形成的环形片材，如关于图11所描述的那样。例如，内筒48可包括2个、3个或更多个锥体件。外筒50可包括2个、3个、4个、5个或更多个锥体件。 然后可锥体件经历旋转工艺，使得锥体件形成期望曲面。然后相应的锥体件一体地联接在一起(例如，通过焊接)，以形成整体扩散器38区段，如关于图11进一步描述的那样。内筒48和外筒50的锥体件两者可由旋转工艺形成。内筒48和外筒50可为可通过柱46联接在一起的单独的零件。

其它涡轮改进设置在扩散器38的曲面部分的下游104。例如，多个柱46可沿周向66设置在扩散器38的前板64和后板62之间。柱46可通过多个角撑板68联接到前板64和后板62上，以将柱46固定到前板64和后板62上。柱46沿周向66设置在前板64和后板62之间。柱46可用来减小前板64和后板62之间的振动行为。柱46可通过加固前板64和后板62来减小不合需要的振动倾向，因此减小燃气涡轮18的运行期间的共振。柱46可具有不同的直径70，以适应排气流36。例如，扩散器出口中的最接近扩散器出口的底部内部部分的区域配备有具有较小的直径70的柱46，以最大程度地减小排气36的阻滞。

而且，在扩散器38的曲面部分的下游104有周向凹槽40。周向凹槽40设置在内筒48内。在一些实施例中，周向凹槽40可设置在内筒48上，以接收后板62。周向凹槽40可减小区域中的可由于温度变化大而形成的应力(例如，环向应力)。如上面描述的那样，后板62设置在排气气室60内，使得后板62与前板64暴露于大约相同的运行温度。内筒48毂可被隔离，使得内筒48的一部分比后板62暴露于更低的运行温度，因此在内筒48和后板62上产生大的热梯度。因而，产生的热梯度可通过内筒48的热膨胀在区域中产生应力。周向凹槽40可通过使得后板62的圆锥形板72能够在周向凹槽40内移动来减小应力。由于使得能够沿径向方向84在区段(例如，圆锥形板72和周向凹槽40)之间有移动，该区域中的环向应力可减小。如下面详细描述的那样，由于实现周向凹槽40而得得的应力减小可使环向应力减小高达无周向凹槽40的传统扩散器所经受的应力的一半。

互搭接头42和分立支架44的布置可部分地由衰减长度100限定。衰减长度100部分地由设置在涡轮出口20内的多个翼型件82限定。翼型件82设置在涡轮出口20的外壁106和涡轮出口20的内壁112之间，邻近涡轮出口20的下游104端部。与衰减长度100可能更长的其它构造相比，从翼型件82到竖向接头74的衰减长度100较短可提高竖向接头74中的应力。衰减长度100可帮助限定周向互搭接头42所设置的位置。例如，互搭接头42可设置在翼型件82下游的大约等于衰减长度100的距离处。在一些实施例中，衰减长度100小于大约12英寸。分立支架44可减少扩散器38的移动，使得取决于分立支架44设置在扩散器38上的哪个位置，来限制在轴向方向76、竖向方向78和侧向方向80上的移动。如下面详细描述的那样，沿着内筒48和外筒50设置的分立支架44可不同地定向，以将扩散器38的后板62和前板64保持就位。

现在转到内筒48，扩散器38区段的内筒48的上游端102可通过内周向接头114联接到涡轮出口20的内壁112的下游端104上。内周向接头114可包括多个分立支架(例如，支架47)。分立支架构造成将涡轮出口20的内壁112的下游端104联接到内筒48的上游端102上。内分立支架47构造成沿轴向76支承内筒48。

在内筒48上，辅助柔性密封件101(例如，第二周向密封件)可设置在辅助柔性密封件凹槽102内的开口中。辅助柔性密封件101可阻止热排气36进入通气的承载管道56。辅助柔性密封件101可包括一个或多个板节段，它们沿周向分段，以形成360度结构，360度结构可在第一端部103处栓接。类似于外筒50的柔性密封件92，辅助柔性密封件101可在与第一端部103相反的位置脱开，使得辅助柔性密封件101可在辅助柔性密封件凹槽102的开口内自由移动。

图4描绘通过分立支架44沿着图2的线4-4得到的扩散器38的横截面图。扩散器38的弯曲部可在扩散器38的设置有互搭接头42和分立支架44的部分的后面(例如，下游)开始。如上面描述的那样，互搭接头42和分立支架44可沿周向66围绕扩散器38的外筒50设置。分立支架44可联接到外筒50和框架组件(例如，排气框架58)上。分立支架44(例如，外分立支架45)构造成在轴向方向76和周向方向66上支承外筒50。

另一组分立支架44可沿周向66设置在扩散器38的内筒48内。例如，成子组的分立支架44可包括多个支承支架(例如，内分立支架47)。内分立支架47可相对于涡轮出口20对内筒48提供竖向78以及/或者侧向80支承。外分立支架45和内分立支架47可围绕外筒50以旋转对称布置设置。

内筒48暴露于流过通气的承载管道56的冷却流。因而，设置在内筒48内的内分立支架47可由在较低的温度下(例如，与外筒50的较高温度相比)保持屈服强度的材料制成。分立支架44(例如，内分立支架47)可使扩散器(例如，内筒48)保持就位，并且减少轴向方向76以及/或者侧向方向80上的移动。内筒48可包括在一个端部49处栓接的接头，以将扩散器38区段(例如，扩散器的后板62和扩散器的前板64)固定到涡轮出口20上。分立支架44和成对的支承性中继块(relaying block)(参见图6)使得在径向方向84上能够有热生长。

分立支架44可在多种位置上联接到外筒50和内筒48上。在一些实施例中，分立支架44可设置在12点钟位置118、3点钟位置120、6点钟位置122、9点钟位置124或任何其组合。在一些实施例中，分立支架44可定位在其它位置(例如，4点钟、7点钟)，使得分立支架44的位置保持分立(例如，不连续)。此外，分立支架44的位置可根据外筒50和内筒48的期望约束来布置。换句话说，多个外分立支架45和多个内分立支架47可沿周向66围绕涡轮轴线76间隔开。外分立支架45构造成相对于涡轮出口20的外壁106来定位外筒50，以在涡轮出口20的外壁106和扩散器区段38的外筒50之间形成周向互搭接头42。周向互搭接头42是连续的。取决于互搭接头42和分立支架44沿着外筒50设置在哪里，扩散器38(例如，内筒48和外筒50)相对于涡轮出口20的移动可减小以及/或者受到约束。例如，当分立支架44设置在3点钟位置120以及/或者9点钟位置124时，扩散器38(例如，内筒48和外筒50)在轴向方向76和竖向方向78上受到约束。当分立支架44设置在12点钟位置118以及/或者6点钟位置122时，扩散器38(例如，内筒48和外筒50)在轴向方向76和侧向方向80上受到约束。分立支架44可由支承构件(例如，销)支承，如图6中进一步描述的那样。支承构件可限制周向方向66上的移动。

图5描绘互搭接头42和分立支架44的沿着图4的线5-5的透视图。如上面描述的那样，分立支架44可联接到外筒50和框架组件58(例如，扩散器框架116)上。分立支架44构造成在轴向方向76上支承外筒50，并且至少一些分立支架44在周向方向66上支承外筒。

周向互搭接头42设置在涡轮出口20的外壁106的下游端104和扩散器38区段的外筒50的上游端102之间。周向互搭接头42构造成有利于外筒50相对于涡轮出口20的外壁106沿轴向76移动，因此释放外筒50中的应力。外筒50的上游唇缘(例如，外唇缘96)沿径向84设置在外壁106的下游唇缘(例如，唇缘128)内，以有利于互搭接头42移动。使用上游唇缘和下游唇缘得到的应力减小量会因为使用分立支架44而进一步得到提高。外分立支架45限制热从排气框架58传递到外筒50。因而，热膨胀和收缩很可能比连续支架接口在更少的地方出现，并且将热应力控制成主要在外分立支架45处。例如，扩散器38区段可包括多个分立支架44，它们沿着扩散器38的外筒50(例如，外分立支架45)设置，以减小排气框架58的竖向接头74中的应力。

在一些实施例中，柔性密封件92可在互搭接头42和分立支架44组件中使用。柔性密封件92可设置在外筒50的上游唇缘96附近。柔性密封件92可定位在围绕分立支架44设置的隔离件126和涡轮出口20的外壁106的柔性密封件凹槽94之间。柔性密封件92可包括一个或多个板节段，它们沿周向分段，以形成360度结构，360度结构可在第一端部93处栓接或紧固。柔性密封件92可在与第一端部93相反的位置保持脱开(例如，未栓接)，使得柔性密封件92可在柔性密封件凹槽94内自由移动，以密封柔性密封件92和与栓接端部相反的端部(例如，柔性密封件92的第一端部93)之间的间隙空间95。柔性密封件92可阻碍冷却流沿着涡轮出口20的外表面(例如，为了控制间隙)进入到扩散器38中。在涡轮出口20的外壁106和外筒50的外唇缘96之间的槽口98可有利于互搭接头42有一些轴向76移动。唇缘96可与互搭接头42的外唇缘128沿径向84对接。

如上面描述的那样，流过涡轮18和扩散器38的热排气36接收在排气气室60中。柔性密封件92可隔离冷却流(例如，在排气框架中)与柔性密封件92下游104的热排气36。主流路径130可通过扩散器38的内部区域134从涡轮出口20延伸到扩散器38区段的扩散器出口。内部区域134沿径向84在外壁106和外筒50内，在外筒50和内筒48之间。扩散器出口构造成将排气流36引导到排气气室60。辅助流路径136可通过外壁106的下游唇缘128和外筒50的上游唇缘96之间的槽口98，从排气气室60延伸到内部区域134。辅助流路径136可延伸通过周向互搭接头42。在一些实施例中，辅助流路径136可包括内部区域134的排气流36的非零部分。

图6描绘互搭接头42和分立支架44的沿着图4的线5-5的透视图。在一些实施例中，分立支架44可由销86支承，销86沿轴向76延伸通过外筒50的凸缘116、凸缘116和成对的中继块90。销86可设置成通过凸缘116和中继块90，以支承分立支架44。销86构造成使得能够沿外筒50的径向方向84相对于相应的分立支架44移动(例如，通过滑动)。如上面描述的那样，多个外分立支架45包括多个周向支承支架(例如，多个分立支架子组)。多个分立外支架45中的各个支承支架使用销86，以使得能够沿外筒50的径向方向84相对于相应的支承支架移动。中继块90和支承支架限制周向方向66上的移动。

类似于外分立支架45，多个内分立支架47可包括多个内周向支承支架，它们各自使用相应的销86，以沿轴向76延伸通过内壁112和内筒48的相应的凸缘。销86构造成使得内筒48能够相对于相应的内支承支架沿径向84移动，同时限制周向66移动。

图7描绘图2和3的扩散器38的内筒48内的周向凹槽40的轴向横截面图。后板62与扩散器38的内筒48在周向凹槽40处对接。如上面描述的那样，内筒48和外筒50围绕涡轮轴线76设置。后板62至少部分地设置在排气气室60内且设置在内筒48的下游104。

周向凹槽40可减小区域中可由于热梯度大而形成的应力(例如，环向应力)。后板62和前板64至少部分地设置在排气气室60内。内筒48的毂被隔离，使得内筒48毂比后板62暴露于更低的运行温度，因此在后板62和内筒48毂处得到不同的温度。后板62和内筒48毂之间的温差在内筒48的毂和后板62上产生大的热梯度。产生的热梯度由于热膨胀/收缩而在区域中产生应力。周向凹槽40可通过使得后板62的圆锥形板72能够在周向凹槽40内移动来减小应力。可通过使得能够在区段(例如，圆锥形板72和周向凹槽40)之间有略微移动(即，向上游移动、向下游移动)而减小该区域中的环向应力。由于实现周向凹槽40而得到的应力减小可使环向应力减小一半。例如，后板62区域中的应力可从大约413 MPa(当周向凹槽40在内筒48中不存在时)减小到大约207Mpa(当周向凹槽40在内筒48中存在时)。

设置在内筒48和后板62的下游104端部处的密封接口140包括周向凹槽40。在一些实施例中，密封接口140机械地联接(例如，焊接、融合、钎焊、栓接、紧固)到内筒48的下游端104上。在一些实施例中，密封接口140形成于内筒48的下游端处。密封接口140可包括第一周向凹槽142和第二周向凹槽144。第一周向凹槽142构造成接收后板62。因而，第一周向凹槽142在第一方向146(例如，下游104)上远离涡轮轴线76而开口。第二周向凹槽144构造成接收辅助柔性密封件101。辅助柔性密封件101构造成隔离排气气室60与通气的承载管道56。第二周向凹槽144在第二方向150(例如，上游)上朝向涡轮轴线76而开口。

第一周向凹槽142和第二周向凹槽144使得内筒48能够相对于后板62有一些上游和下游移动，从而减小区域中的应力。在示出的实施例中，后板62构造成与第一周向凹槽142的根部160在密封接口140的12点钟位置118处对接。密封接口140在12点钟位置118处减小间隙，并且对外筒50提供额外的支承。密封接口140还有助于通过使得内筒48的密封接口能够支承后板62的一些竖向负载来减小柱70中的应力。后板62可在密封接口140的6点钟位置122(例如，与12点钟位置118相对)处从第一周向凹槽142的根部160偏移。

后板62可由多个周向节段152(例如，后板节段、圆锥形板72)组成。多个周向节段152中的一个或多个可包括多个应力释放结构154，它们沿着多个接头156设置在后板62的周向节段152之间，如关于图8和9描述的那样。在一些实施例中，应力释放结构154可朝周向节段152(例如，后板节段)的在密封接口140附近的端部部分集中。

图8描绘内筒48的后板62的沿着扩散器38的线8-8的横截面图。在示出的实施例中，后板62的下游端104通过多个柱46联接到前板64的下游端104上。如上面描述的那样，内筒48和外筒50围绕涡轮轴线76设置。因而，多个柱46可沿周向66围绕涡轮轴线76间隔开。

如上面描述的那样，后板62可由多个周向节段152(例如，后板节段、圆锥形板72)组成。多个周向节段152可包括多个应力释放结构154，它们沿着多个接头156设置在后板62的周向节段152之间。多个应力释放结构154可为任何适合实现应力释放的形状，包括圆形、心形、豆形或任何其组合。

在一些实施例中，柱46具有不同的柱直径70。柱直径70部分地基于柱46位置的周向66位置，沿着扩散器38。例如，最接近后板62和前板64的顶部部分172的柱46的直径70大于最接近后板62和前板64的底部部分174的柱46的直径70。因此，多个孔口176对应于设置在扩散器38内的多个柱46。孔口176可部分地基于孔口176的周向66位置而改变，以通过多个柱联接到外后板62和内后板63上。

在示出的实施例中，设置在扩散器38区段的底部部分174内的周向66位置处的第一组178(参见图2)柱46可具有不均匀的轴向横截面。例如，第一组178柱46可具有卵形、椭圆形、球形或其它不均匀部分的轴向横截面。柱46的在扩散器38区段的底部部分174内的不均匀部分可使得柱46能够比圆形柱46展现更好的弹性(例如，在径向方向84上)，这可减小底部部分174中的应力。在一些实施例中，柱直径70较小，以减小对排气流36的空气动力学作用。因而，较小的柱直径70可为有益的，因为可减小气流径36的阻滞。

图9描述形成根据本公开的实施例的后板62的方法。后板62可由方法190形成。方法190可包括沿径向方向84朝涡轮轴线76将多个后板节段(例如，周向节段152、圆锥形板72)插入到(框192)燃气涡轮17的扩散器38区段的内筒48上的第一密封接口162的第一周向凹槽142中。方法190可包括在连结后板62之前，使多个后板62与第一密封接口162的根部160在12点钟位置118处对接(框194)。在一些实施例中，后板62的6点钟位置122从根部160偏移(例如，沿径向间隔开)。方法190可包括使多个后板节段62彼此连结(框196)(例如，焊接、熔接、钎焊、栓接、紧固)。方法190可进一步包括将柔性密封件158插入到第二密封接口164的第二周向凹槽144中(框198)。

现在回到图8，设置在扩散器38的顶部部分172内的柱46可构造成支承扩散器38的负载(例如，重量)。例如，设置在扩散器38的顶部部分172内的柱46可用来提升扩散器38。在一些实施例中，设置在扩散器38区段的顶部部分172内的柱46可联接到吊车、升降机、起重机或其它适当的提升机上，以将组装好的扩散器38与后板62移动到适当位置(例如，移动是为了安装、移除、维护、修理)。

多个柱46中的各个包括柱轴线。在一些实施例中，多个柱46可基本上平行于公共柱轴线(例如，涡轮轴线76)。应理解的是，多个柱46不支承多个转动导叶。此外，在一些实施例中，没有转动导叶设置在扩散器38中。柱定位在扩散器38的下游端处或其附近，以减小振动和促进安装。

图10和11描绘扩散器38的内筒48和外筒50的侧视图。如实线内示出的那样，内筒48和外筒50弯曲，以减小扩散器38中的应力。内筒48和外筒50的弯曲部88在涡轮区段18的下游开始。内筒48和外筒50的一部分设置在排气气室60内。图10描绘外筒50的实施例的侧视图。外筒50包括设置在外筒50下游的第一多个轴向节段180。在示出的实施例中，外筒50包括两个节段(例如，轴向节段)。虽然显示了两个轴向节段，但将理解的是，外筒可包括三个、四个或更多个轴向节段。第一多个外筒节段180沿轴向方向连结在一起，并且在各个外筒节段180之间形成外筒接口188。如上面描述的那样，连结可包括焊接、钎焊、熔接、紧固或任何其组合。第一多个外筒节段180包括第一连续曲面182，其弯曲远离涡轮轴线76(例如，从外筒50的上游端到外后板62)。

图11描绘内筒48的侧视图。在示出的实施例中，内筒48包括四个节段(例如，轴向节段)。内筒48包括第二多个轴向节段184，其设置在内筒48的上游端和密封接口140之间。虽然显示了四个轴向节段，但将理解的是，内筒48可包括三个、四个、五个、六个或更多个轴向节段184。第二多个轴向节段184沿轴向方向连结在一起，并且在各个内筒节段184之间形成内筒接口208。如上面描述的那样，连结可包括焊接、钎焊、熔接、紧固或任何其组合。第二多个轴向节段184(例如，内筒节段)包括第二连续曲面186，其弯曲远离涡轮轴线76(例如，从内筒48的上游端到密封接口140)。如将理解的那样，由于内筒48和外筒50的布置的原因，(例如，内筒48的)第二多个轴向节段184大于外筒50的第一多个轴向节段。可关于图12中描述的旋转工艺的论述来进一步理解内筒48和外筒50两者的曲率。

图12示出用来将内筒48和外筒50机加工成期望连续曲率的示例性设备，如图10-11中描述。(例如，外筒、内筒的)第一和第二连续曲面182，186可通过适当的冷机加工工艺产生，诸如旋转工艺。旋转工艺涉及通过将材料置于模具206上而将对于内筒48和外筒50适当的材料204(例如，不锈钢)模制成期望形状。然后通过使用辊子202来将材料挤压到模具206中，因此逐渐形成期望模具形状，来将材料204模制成期望形状。

上面描述的旋转工艺使得期望曲率的扩散器38能够提供所需要的涡轮发动机性能(例如，通过减小应力)。为了减小旋转工艺经历的残余应力，内和外筒48，50可由多个轴向节段(例如，第一多个轴向节段180、第二多个轴向节段184)形成。使用更多的轴向节段来产生内筒48和外筒50可能需要各个节段较小变形，以产生内筒48和外筒50的期望形状，因此减小保留在完成的扩散器38中的残余应力的量。

一旦形成轴向节段(例如，第一多个轴向节段180、第二多个轴向节段184)，轴向节段可连结在一起。轴向节段可由适当的材料切割而成，以确保轴向节段(例如，第一多个轴向节段180，第二多个轴向节段184)具有多余材料，使得节段可充分地连结在一起。轴向节段可通过焊接、钎焊、熔接、栓接、紧固或任何其组合沿轴向连结在一起。

图13示出通过旋转工艺形成内筒48和外筒50的方法300。如本文描述，旋转工艺可使用辊子来围绕模具轴线旋转或模具可围绕轴线在辊子下旋转。如上面描述，方法300包括通过使适当的材料在模具上旋转，而形成(框302)外筒50的第一多个轴向前板节段。如上面描述，各个节段的旋转工艺涉及通过将材料置于模具上而将适当的材料(例如，不锈钢、金属)模制成期望形状。然后通过使用辊子来将材料挤压到模具中，因此使材料逐渐变形成期望模具形状，来将材料模制成期望形状。方法300还包括通过使适当的材料在模具上旋转，而形成(框304)内筒48的第二多个轴向后板节段。在形成轴向节段之后，方法300包括使第一多个轴向前板节段彼此连结(框306)，以形成外筒50，以及使第二多个轴向后板节段彼此连结(框308)，以形成内筒48。内筒48和外筒50联接到燃气涡轮发动机18。如上面关于图7所描述，周向凹槽可机加工到内筒48中。

本发明的技术效果包括通过在扩散器区段上使用机械改进而改进传统扩散器。扩散器的机械改进有助于通过减小与传统扩散器设计相关联的应力而改进扩散器的机械完整性。机械改进的实施例包括制造期望曲率的扩散器，将多个柱设置在扩散器的前板和后板之间，将周向凹槽设置在内筒中以接收后板，设置周向互搭接头，将沿着扩散器的内筒和外筒设置的多个分立支架构造成将扩散器联接到涡轮出口，或进行任何其组合。

本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及实行任何结合的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例具有不异于权利要求的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构要素，则它们意于处在权利要求的范围之内。

Claims (15)

1.一种支承涡轮扩散器的系统，包括：

扩散器区段，其包括外筒、外后板、内筒、内后板、以及多个柱，其中所述外后板设置在所述外筒的下游端处，所述内后板设置在所述内筒的下游端处，所述外筒和所述内筒围绕涡轮轴线设置，所述扩散器区段构造成接收来自燃气涡轮的排气，所述多个柱围绕所述涡轮轴线沿周向间隔开，并且所述多个柱中的各个柱将所述外后板的下游端联接至所述内后板的下游端；

其中所述多个柱中的各个柱包括直径，并且各个柱的直径至少部分地基于所述扩散器区段内的相应的柱的周向位置；且

其中所述多个柱中的设置在所述扩散器区段的顶部部分内的周向位置处的柱的直径大于所述多个柱中的设置在所述扩散器区段的底部部分内的周向位置处的柱的直径。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个柱中的设置在所述扩散器区段的顶部部分内的周向位置处的第一组柱构造成在安装所述扩散器区段时支承所述扩散器区段的重量。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个柱中的各个柱沿柱轴线延伸，且各个柱的轴线平行于公共轴线。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述涡轮轴线包括所述公共轴线。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个柱中的柱不支承转动导叶。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，包括多个角撑板支承件，其中所述多个柱经由所述多个角撑板支承件联接至所述外后板且联接至所述内后板。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述多个角撑板支承件设置在所述外后板和所述内后板的外部表面上。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述多个角撑板支承件包括设置在所述内后板的内部表面上的内部角撑板支承件，以及设置在所述外后板和所述内后板的外部表面上的外部角撑板支承件。

9.一种支承涡轮扩散器的系统，包括：

扩散器区段，其构造成接收来自燃气涡轮的排气，所述扩散器区段包括：

外筒，其围绕涡轮轴线设置；

内筒，其围绕所述涡轮轴线设置；

外后板，其设置在所述外筒的下游端处；

内后板，其设置在所述内筒的下游端处；以及

多个柱，其中所述多个柱围绕所述涡轮轴线沿周向间隔开，所述多个柱中的各个柱包括直径，各个柱的直径至少部分地基于所述扩散器区段内的相应的柱的周向位置，并且所述多个柱中的各个柱将所述外后板的下游端联接至所述内后板的下游端；以及

排气气室，其构造成接收来自所述扩散器区段的排气，其中所述外后板、所述内后板、以及所述多个柱设置在所述排气气室内，且其中所述多个柱中的设置在所述扩散器区段的顶部部分内的周向位置处的柱的直径大于所述多个柱中的设置在所述扩散器区段的底部部分内的周向位置处的柱的直径。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述多个柱平行于所述涡轮轴线。

11.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，最靠近所述扩散器区段的顶部部分设置的所述多个柱的第一子组构造成在安装期间支承所述燃气涡轮的重量。

12.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，包括多个角撑板支承件，其中所述多个柱经由所述多个角撑板支承件联接至所述外后板且联接至所述内后板。

13.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述多个柱中的柱不支承转动导叶。

14.一种权利要求1-13中任一项所限定的支承涡轮扩散器的系统的安装方法，包括：

将升降组件联接至设置在所述扩散器区段的顶部部分内的周向位置处的所述多个柱中的第一组柱；

经由所述第一组柱提升所述扩散器区段；以及

将所述扩散器区段联接至涡轮出口。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，包括围绕所述外后板和所述内后板以及所述多个柱来组装排气气室。

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