CN108326618A - 用于精密加工的便携式夹具和固定装置 - Google Patents

用于精密加工的便携式夹具和固定装置 Download PDF

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Abstract

一种便携式夹具和固定装置，具有：至少一个底板；立柱组合件，其以可拆卸方式连接到所述至少一个底板；滑动组合件，其以可拆卸方式连接到所述立柱组合件；动力进给头，其以可拆卸方式连接到所述滑动组合件；以及轴单元，其以可拆卸方式与所述滑动组合件连接，所述轴单元具有以可拆卸方式与其接合的电机。至少一个切割器组合件以可拆卸方式与所述轴单元接合，且至少一个钻模也以可拆卸方式与所述轴单元接合。另外，具有在压缩机排出壳体上互补结构的涡轮机可与所述便携式夹具和固定装置上的所述至少一个底板对准安装结构接合。

Description

用于精密加工的便携式夹具和固定装置
技术领域
本发明大体上涉及涡轮机，且更具体地说，涉及被配置成用于包括燃气涡轮的涡轮机械的精密加工的便携式夹具和固定装置。
背景技术
归因于工件的非标准大小设计(sizing)、低加工公差、高级构造材料以及很小的工具出入间隙，因此用于加工涡轮机的工装(tooling)需要高精度夹具和固定装置。在燃气涡轮等涡轮机的壳体生产和改装中，有必要加工开口，例如沿着传动系统的各种位置中的孔口、槽和其它形状的开口。加工过程繁重、耗时，且有时对于标准工装来说无法实现。在没有高精度工装和装夹的情况下，无法构造或修改涡轮机壳体以安装轴向燃料喷射系统所需的设备和其它燃烧设备。标准工装上的定位特征并不向涡轮机上的特定互补安装结构提供精确的配合能力，也不提供完成规格内的加工操作所需的刚性和位置准确度。
轴向燃料喷射系统(AFS)组合件，也称为延迟贫喷射(late lean injection)组合件，对于新的燃气涡轮单元和现有单元的改装件来说昂贵且代价高。这其中的一个原因是延迟贫喷射系统的复杂性，确切地说，与燃料递送相关联的那些系统的复杂性。与这些复杂系统相关联的许多零部件必须进行精密加工和安装以耐受涡轮环境的极端热负载和机械负载，这会显著增大制造和加工费用。在未精确安装的情况下，常规轴向燃料喷射组合件具有燃料泄漏到压缩机排出壳体的高风险，这可导致自动点火和其它安全问题。
发明内容
本发明的各方面和优势将部分在以下描述中阐述，或通过所述描述是显而易见的，或可通过本发明的实践而得知。
一个实施例是一种便携式夹具和固定装置，其具有：至少一个底板，其包括近侧和远侧；以及立柱组合件，其具有近部和远部，其中所述立柱组合件近部以可拆卸方式连接到所述至少一个底板的所述远侧。具有近端和远端的滑动组合件以可拆卸方式连接到所述立柱组合件。动力进给头以可拆卸方式连接到所述滑动组合件的所述远端。具有输入部分和输出部分的轴单元以可拆卸方式与所述滑动组合件连接，且具有以可拆卸方式与所述轴单元的所述输入部分接合的电机。至少一个切割器组合件以可拆卸方式与所述轴单元的所述输出部分接合，且至少一个钻模也以可拆卸方式与所述轴单元的所述输出部分接合。
基于上述一个实施例，本发明还提供涉及便携式夹具和固定装置的以下技术方案：
技术方案1：根据上述一个实施例的便携式夹具和固定装置，其中，所述滑动组合件包括从所述滑动组合件近端延伸到所述滑动组合件远端的滚珠螺杆。
技术方案2：根据技术方案1的便携式夹具和固定装置，其中，所述滚珠螺杆以可拆卸方式与所述动力进给头接合。
技术方案3：根据上述一个实施例的便携式夹具和固定装置，其中，所述动力进给头进一步包括锁定机构和驱动机构，所述锁定机构和驱动机构包括手轮、液压电机、电动机、气动电机以及其组合。
技术方案4：根据上述一个实施例的便携式夹具和固定装置，其中，所述轴单元包括传动皮带轮和传动带。
技术方案5：根据上述一个实施例的便携式夹具和固定装置，其中，所述轴单元包括轴定位器和固定器。
技术方案6：根据上述一个实施例的便携式夹具和固定装置，其中，所述电机包括液压电机、电动机、气动电机以及其组合。
技术方案7：根据上述一个实施例的便携式夹具和固定装置，其中，所述切割器包括扩孔切割器组合件、倒角切割器组合件、扩孔沉心轴组合件以及其组合。
另一实施例是一种涡轮机，其具有：压缩机区段，其向下游延伸到压缩机排出壳体；以及多个燃烧室，其具有至少一个轴向燃料喷射系统，所述多个燃烧室被配置在至少部分地由所述压缩机排出壳体包围的燃烧区段中。涡轮区段在所述燃烧区段下游定位。所述压缩机排出壳体以可拆卸方式与上文所描述的便携式夹具和固定装置接合。另外，夹具和固定装置上的所述至少一个底板中的每个具有与所述压缩机排出壳体上的互补结构接合的对准安装结构。
基于上述另一实施例，本发明还提供涉及涡轮机的以下技术方案：
技术方案8：根据上述另一实施例的涡轮机，其中，所述对准安装结构包括从所述底板的所述近侧延伸且在预定位置以可拆卸方式与安装于所述压缩机排出壳体上的互补盖板接合的多个突出部。
技术方案9：根据上述另一实施例的涡轮机，其中，所述对准安装结构包括经过对准以在预定位置接合于所述压缩机排出壳体上的多个连接件。
技术方案10：根据上述另一实施例的涡轮机，其中，所述滑动组合件包括从所述滑动组合件近端延伸到所述滑动组合件远端的滚珠螺杆。
技术方案11：根据技术方案10的涡轮机，其中，且所述滚珠螺杆以可拆卸方式与所述动力进给头接合。
技术方案12：根据上述另一实施例的涡轮机，其中，所述动力进给头包括锁定机构和驱动机构，所述锁定机构和驱动机构包括手轮、液压电机、电动机、气动电机以及其组合。
技术方案13：根据上述另一实施例的涡轮机，其中，所述轴单元包括传动皮带轮和传动带。
技术方案14：根据上述另一实施例的涡轮机，其中，所述轴单元包括轴定位器和固定器。
技术方案15：根据上述另一实施例的涡轮机，其中，所述电机包括液压电机、电动机、气动电机以及其组合。
技术方案16：根据上述另一实施例的涡轮机，其中，所述切割器包括扩孔切割器组合件、倒角切割器组合件、扩孔沉心轴组合件以及其组合。
参考以下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其它特征、方面和优势将变得更好理解。并入在本说明书中且构成本说明书的一部分的附图示出本发明的实施例，并且与所述描述一起用以解释本发明的原理。
附图说明
针对所属领域的普通技术人员，包括其最佳模式的全面和可让人实现的公开内容，阐述于本说明书中，本说明书参考了附图，其中：
图1是例如燃气涡轮的示范性涡轮机的示意图；
图2是根据示范性实施例的各方面的被定位以用于针对具有轴向燃料喷射系统的燃烧室来加工穿透部的夹具和固定装置实施例的侧视图；
图3示出被定位以用于使用本文公开的安装结构在压缩机排出壳体中加工孔口的夹具和固定装置实施例；
图4是示出本文公开的夹具和固定装置实施例的大部分元件的零件分散图(blow-up diagram)；
图5和6示出用于夹具和固定装置实施例的示范性底板和立柱组合件；
图7到9示出滑动组合件实施例的示范性元件；
图10到11示出示范性轴单元；
图12到14示出示范性切割器组合件；
图15到17示出示范性钻模；
图18示出示范性轴定位器和固定器；
图19示出通过本文公开的夹具和固定装置实施例实现的示范性孔口和安装的衬套。
在本说明书和图式中重复使用参考标号旨在表示本发明的相同或相似特征或元件。
具体实施方式
现将详细参考本发明的当前实施例，其中的一个或多个实例示于附图中。详细描述中使用数字和字母标示来指代图中的特征。图中和描述中使用相同或类似的标记来指代本发明的相同或类似部件。如本文中所使用，词语“第一”、“第二”和“第三”可互换使用以区分一个部件与另一部件，且并不在于表示个别部件的位置或重要性。词语“上游”和“下游”是指相对于流体路径中的流体流动的相对方向。举例来说，“上游”是指流体流出的方向，而“下游”是指流体流向的方向。词语“径向”是指大体上垂直于特定部件的轴向中心线的相对方向，且词语“轴向”是指大体上平行于特定部件的轴向中心线的相对方向。词语“远侧”和“近侧”在下文描述中相对于与涡轮机壳体有关的位置或方向而使用。“远侧”或“远侧地”是壳体远处或在远离壳体的方向上的位置。“近侧”和“近侧地”是靠近壳体或在朝向壳体的方向上的位置。
每个实例作为对本发明的解释而提供，而非限制本发明。实际上，对于所属领域的技术人员来说显而易见的是，可在不脱离本发明的范围或精神的情况下在本发明中进行修改和变化。举例来说，说明或描述为一个实施例的部分的特征可用在另一实施例上以产生又一实施例。因此，希望本发明涵盖属于所附权利要求书和其等同物的范围内的此类修改以及变化。虽然出于说明目的而将大体上在工业燃气涡轮的上下文中描述本发明的示范性实施例，但所属领域的普通技术人员应容易理解，除非在权利要求书中具体叙述，否则本发明的实施例可应用于任何涡轮机，包括但不限于航改涡轮、船用燃气涡轮以及航空发动机涡轮。
本文公开的便携式夹具和固定装置能够在不修改现有涡轮机的情况下准确和可靠地现场加工孔口和非标准大小设计的其它形状。匹配涡轮机上的现有螺栓孔样式和其它互补壳体结构允许夹具和固定装置精密安装和进行作业。使用限定的基准以及螺栓孔和盖板的已知位置提供准确的加工工具配置。夹具和固定装置的结构在强度和刚度方面均得到优化。夹具和固定装置提供与其配合的加工工具(钻孔、开孔、铣削等)，且在已验证工装位置的情况下，可按规格精确执行加工。夹具和固定装置还在执行对涡轮机的修改时提供最低的停机时间。
现参考图式，其中相同数字指代相同部件，图1示出可并入有本发明的各种实施例的涡轮机10的实例，例如燃气涡轮。在所有图中一致的方向定向被定义为周向方向90、下游轴向方向92、上游轴向方向93和径向方向94。如所示，涡轮机10大体上包括具有安置在涡轮机10的上游端处的入口14的压缩机区段12和至少部分地包围压缩机区段12的壳体16。涡轮机10进一步包括具有在压缩机区段12下游的至少一个燃烧室20的燃烧区段18、至少部分地围绕燃烧区段18的压缩机排出壳体21和定位在燃烧区段18下游的涡轮区段22。如所示，燃烧区段18可包括多个燃烧室20。轴24轴向延伸穿过涡轮机10。
在操作中，空气26被抽吸到压缩机区段12的入口14中，且经过逐渐压缩以提供压缩空气28到燃烧区段18。压缩空气28流入燃烧区段18中且在燃烧室20中与燃料混合以形成可燃混合物。可燃混合物在燃烧室20中燃烧，由此产生热气体30，所述热气体从燃烧室20流动跨越涡轮喷嘴34的第一级32且进入涡轮区段22。涡轮区段大体上包括轴向上由相邻一排涡轮喷嘴34分隔开的一排或多排转子叶片36。转子叶片36通过转子盘连接到转子轴24。涡轮壳体38至少部分地包住转子叶片36和涡轮喷嘴34。多排转子叶片36中的每排或一些排可在周向上由安置于涡轮壳体38内的防护罩块组合件40包围。热气体30在其流动通过涡轮区段22时快速膨胀。热能和/或动能从热气体30传递到转子叶片36的每一级，由此致使轴24旋转且产生机械功。轴24可连接到诸如发电机(未示出)等负载以产生电。此外或在替代方案中，轴24可用于驱动涡轮机的压缩机区段12。
图2是根据示范性实施例的各方面的被定位以用于在具有轴向燃料喷射系统(AFS)58的燃烧室20中加工穿透部的示范性夹具和固定装置80的侧视图。AFS使燃料燃烧能够在主燃烧室/主燃烧区的下游发生以改善氮氧化物排放性能。AFS还利用跨越常规预混合负载范围的进气抽气(bleed)加热实现下降到35％的基本负载，还可通过减小燃料燃烧速率增大2％的部分负载简单循环效率。AFS还可通过增大点火温度而递送额外输出。
如图2所示，轴向燃料喷射系统58可包括限定于插入穿过压缩机排出壳体(CDC)21中的燃烧室开口50的流动套管56内的燃料通道59。燃料通道59可起源于邻近燃料头部组合件52的燃料歧管60处，且可限定于定位在流动套管56的前端处的流动套管凸缘61内。燃料通道59可从燃料歧管60延伸到轴向燃料喷射器62。如所示，轴向燃料喷射器62可定位在流动套管56的后端处或其附近。根据某些实施例，轴向燃料喷射器62可包括喷嘴或轴向燃料喷嘴63和传输管64。轴向燃料喷嘴33和传输管64可将压缩空气从CDC 21运载到内衬54内部的燃烧区53。沿着此路线，压缩空气可与通过轴向燃料喷嘴63递送的燃料混合。围绕轴向燃料喷嘴63的内壁形成的小型开口或燃料出口可喷射通过燃料通道59递送的燃料。传输管64运载燃料/空气混合物跨越流动环道57，且将混合物喷射到内衬54内的热气体流中。燃料/空气混合物接着可在热气体流内燃烧，由此添加更多能量到所述流且改善氮氧化物排放。
燃料通道59需要压缩机排出壳体(compressor discharge casing，CDC)21穿透部，所述穿透部可使用本文公开的夹具和固定装置80钻孔或加工。所属领域的技术人员应了解，燃料通道59的入口的其它配置也是可能的，所述其它配置将需要待由夹具和固定装置80钻孔的其它CDC 21穿透位置。因此，在操作中，燃料流动通过加工的CDC 21开口进入燃料歧管60、通过在流动套管56中形成的燃料通道59且接着流到轴向燃料喷射器62。轴向燃料.喷嘴63可被配置成接受燃料流，且通过围绕轴向燃料喷嘴63的内壁排列的燃料出口63分配所述燃料流，使得燃料与从流动套管56的外部进入轴向燃料喷嘴63的CDC 21空气流混合。
图3示出被定位以用于使用暂时安装于燃烧室开口50上的互补盖板70在CDC 21中加工孔口的夹具和固定装置80。对准安装结构72可包含从底板82的近侧83延伸且在预定位置以可拆卸方式与互补盖板70接合的多个突出部74，所述互补盖板暂时安装于压缩机排出壳体21上，例如燃烧室开口50中。对准安装结构72还可包括托脚螺栓(stand-off bolt)76以及与CDC 21中的匹配钻孔对准的底板孔样式以供将夹具和固定装置80齐平栓接到CDC21。
图4是示出本文公开的且在后续附图中详解的夹具和固定装置80的大部分元件的零件分散图。在图5中也出现的至少一个底板82可具有近侧83和远侧84。近侧83可使用对准安装结构72以可拆卸方式与压缩机排出壳体21接合，所述对准安装结构用于在加工期间精确定位且固持夹具和固定装置80。对准安装结构72可以是从底板82的近侧83延伸的多个突出部74，所述多个突出部在预定位置以可拆卸方式与安装于压缩机排出壳体21上的互补盖板70接合。对准安装结构72也可以是经过对准以用于通过底板82在预定位置连接接合于压缩机排出壳体21上的多个连接件，例如螺栓、夹具等。
如图6所示的立柱组合件86，可具有近部87和远部88，立柱组合件近部87能以可拆卸方式连接到至少一个底板82的远侧84。如图7到9中所示的滑动组合件100可具有近端101和远端102。滑动组合件100能以可拆卸方式连接到立柱组合件86。滑动组合件100可具有从滑动组合件近端101延伸到滑动组合件远端102的滚珠螺杆103。载有滚珠(未示出)的滚珠螺母载体107可连接到滑动组合件100且还以可螺纹旋拧方式(threadably)与滚珠螺杆103接合。动力进给头104能以可拆卸方式连接到滑动组合件100的远端102且以可拆卸方式连接到滚珠螺杆103，使得当动力进给头104旋转滚珠螺杆103时，滚珠螺母载体107通过与滚珠螺杆103的螺纹接合路径沿着轨111在上游以及下游横穿滑动组合件100以与CDC 21上的工件接合和脱离。动力进给头104可具有锁定机构105和驱动机构106，所述锁定机构105和驱动机构106可以是手轮、液压电机、电动机、气动电机以及其混合。
如图10和11中所见的轴单元108可具有输入部分109和输出部分110，且能以可拆卸方式连接到滑动组合件100以供轴单元108由滑动组合件100控制的上游轴向移动93和下游轴向移动92，所述滑动组合件在加工操作期间由动力进给头104驱动。电机112能以可拆卸方式与轴单元108的输入部分109接合以通过内部传动皮带轮和传动带(未示出)驱动输出部分110。电机112可以是液压电机、电动机、气动电机以及其组合。如图18中所见，轴单元108还可具有轴定位器和固定器114，所述轴定位器和固定器114以可拆卸方式与立柱组合件86接合且延伸以与轴单元108位置接合。轴定位器和固定器114在轴单元108随着滑动组合件100横穿时提供所述轴单元的精确定位和固定。
如图12到14中所见，至少一个切割器组合件120能以可拆卸方式与轴单元108的输出部分110接合。所述至少一个切割器组合件120可以是扩孔切割器组合件122、倒角切割器组合件124、扩孔沉心轴组合件126以及其组合。切割器组合件120以可拆卸方式与CDC 21上的工件接合以精密加工例如图19中所示的开口。如图15到17中所见的至少一个钻模130能以可拆卸方式与轴单元108的输出部分110接合以在加工期间准确导引切割器组合件120。对于各种加工操作，需要不同大小的钻模130。
图19中所见是通过本文公开的夹具和固定装置80加工的典型孔口140，且速卸衬套142安装在孔口140中。AFS燃料供应管道可连接到速卸衬套142以向轴向燃料喷射器馈料。在使用夹具和固定装置80的预定安装位置和结构精确钻穿CDC 21进入燃料歧管60的通孔144之后，扩孔沉心轴组合件126在通孔144的内部环道上精密加工所需形状。倒角切割器组合件124接着在通孔144的外部环道上加工所需形状。速卸衬套142插入通孔144中且通过可拆卸锁紧螺母和扩孔套环146收紧在适当位置。可能需要围绕速卸衬套142进行后续焊合和密封以符合泄漏规范。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使所属领域的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执行任何并入的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求书界定，且可包括所属领域的技术人员想到的其它实例。如果此类其它实例包括并非不同于权利要求书的字面语言的结构要素，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构要素，那么它们既定在权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种便携式夹具和固定装置，包括：
至少一个底板，其包括近侧和远侧，
立柱组合件，其包括近部和远部，所述立柱组合件近部以可拆卸方式连接到所述至少一个底板的所述远侧，
滑动组合件，其包括近端和远端，所述滑动组合件以可拆卸方式连接到所述立柱组合件，
动力进给头，其以可拆卸方式连接到所述滑动组合件的所述远端，
轴单元，其包括输入部分和输出部分，所述轴单元以可拆卸方式与所述滑动组合件连接，
电机，其以可拆卸方式与所述轴单元的所述输入部分接合，
至少一个切割器组合件，其以可拆卸方式与所述轴单元的所述输出部分接合，
至少一个钻模，其以可拆卸方式与所述轴单元的所述输出部分接合。
2.根据权利要求1所述的便携式夹具和固定装置，其中，所述滑动组合件包括从所述滑动组合件近端延伸到所述滑动组合件远端的滚珠螺杆。
3.根据权利要求2所述的便携式夹具和固定装置，其中，所述滚珠螺杆以可拆卸方式与所述动力进给头接合。
4.根据权利要求1所述的便携式夹具和固定装置，其中，所述动力进给头进一步包括锁定机构和驱动机构，所述锁定机构和驱动机构包括手轮、液压电机、电动机、气动电机以及其组合。
5.根据权利要求1所述的便携式夹具和固定装置，其中，所述轴单元包括传动皮带轮和传动带。
6.根据权利要求1所述的便携式夹具和固定装置，其中，所述轴单元包括轴定位器和固定器。
7.根据权利要求1所述的便携式夹具和固定装置，其中，所述电机包括液压电机、电动机、气动电机以及其组合。
8.根据权利要求1所述的便携式夹具和固定装置，其中，所述切割器包括扩孔切割器组合件、倒角切割器组合件、扩孔沉心轴组合件以及其组合。
9.一种涡轮机，包括：
压缩机区段，其向下游延伸到压缩机排出壳体；
多个燃烧室，其包括至少一个轴向燃料喷射系统，所述多个燃烧室配置在至少部分地由所述压缩机排出壳体包围的燃烧区段中；
涡轮区段，其定位在所述燃烧区段下游；
其中所述压缩机排出壳体以可拆卸方式与便携式夹具和固定装置接合，所述便携式夹具和固定装置包括：
至少一个底板，其包括近侧和远侧，所述近侧以可拆卸方式与所述压缩机排出壳体接合，
立柱组合件，其包括近部和远部，所述立柱组合件近部以可拆卸方式连接到所述至少一个底板的所述远侧，
滑动组合件，其包括近端和远端，所述滑动组合件以可拆卸方式连接到所述立柱组合件，
动力进给头，其以可拆卸方式连接到所述滑动组合件的所述远端，
轴单元，其包括输入部分和输出部分，所述轴单元以可拆卸方式与所述滑动组合件连接，
电机，其以可拆卸方式与所述轴单元的所述输入部分接合，
至少一个切割器组合件，其以可拆卸方式与所述轴单元的所述输出部分接合，
至少一个钻模，其以可拆卸方式与所述轴单元的所述输出部分接合，
其中所述至少一个底板中的每个包括与所述压缩机排出壳体上的互补结构接合的对准安装结构。
10.根据权利要求9所述的涡轮机，其中，所述对准安装结构包括从所述底板的所述近侧延伸且在预定位置以可拆卸方式与安装于所述压缩机排出壳体上的互补盖板接合的多个突出部。
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