CN109519239A - 涡轮机基板、涡轮机系统及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮机基板、涡轮机系统及其制造方法。所述基板包括上金属板和下金属板。所述上金属板形成涡轮机支撑表面。所述基板还包括位于上金属板和下金属板之间并与其结合的中间层。框架围绕所述中间层周向地延伸。

Description

涡轮机基板、涡轮机系统及其制造方法

技术领域

本公开涉及用于支撑涡轮机的基板结构。本发明公开的实施例具体涉及用于支撑燃气涡轮发动机的基板。本公开还涉及包括至少一个燃气涡轮发动机和支撑所述燃气涡轮发动机的基板的单元或系统，以及用于制造该基板的方法。

背景技术

燃气涡轮发动机广泛用作若干工业应用中的原动机。在发电应用中，燃气涡轮发动机例如用于驱动发电机以用于产生电力。在机械驱动应用中，燃气涡轮发动机用于驱动旋转负载，例如气体压缩机或一系列(a train of)气体压缩机。

燃气涡轮发动机通常安装在基板(base plate)上，基板应提供足够的负载能力、弯曲效率和扭转强度。这种涡轮机(turbomachine)基板通常由格栅结构构成，格栅结构由彼此焊接的多个梁形成。需要劳动密集的焊接工艺来将梁彼此连接。焊珠位于顶部上、底部上以及基板的整个厚度上，也位于难以到达的位置中。所有这些使得焊接过程特别耗时且昂贵。

旋转机器支撑在格栅结构的中间梁的凸缘上。因此，栅格结构的设计对于机器在基板上的可能定位提出了限制和约束。相反地，形成栅格结构的梁的位置，以及由此其机械性能，取决于必须放置旋转机器的位置。

形成栅格结构的所有梁必须被涂漆(painted)用于保护以防大气介质。栅格结构复杂性，形成栅格结构的大量梁和进入基板结构的内部的有限通路使得涂漆操作劳动强度大且耗时，增加了最终基板结构的总成本。

基板的上侧必须设置有封闭板，以封闭由栅格结构形成的开口。板受到由燃气涡轮发动机的操作引起的振动和/或安装在基板上的可能的其他旋转机器的振动。这产生噪声。在基板和燃气涡轮发动机外壳周围需要噪声阻尼设备。

在基板的垂直延伸部分内布置有多件辅助设备，以利用基板的顶表面和底表面之间的可用空间。难以接近该设备。

为了提供足够的弯曲和扭转强度，栅格结构的高度必须很大。例如，功率高达50MW的燃气涡轮发动机通常需要具有约600mm-700mm的垂直尺寸(即厚度)的基板。这使得基板笨重、难以运输且昂贵。基板结构的弯曲和扭转强度很大程度上取决于结构的垂直延伸(高度)。

因此，需要提供一种更有效的基板，用于支撑旋转涡轮机，例如特别是燃气涡轮发动机，以及可能的辅助设备或与其连接的旋转负载，其减轻或克服现有技术的基板结构的上述限制和缺点中的至少一个或一些。

发明内容

根据一个方面，公开了一种涡轮机基板，包括形成涡轮机支撑表面的上金属板和下金属板。由填充材料制成的中间层布置在上金属板和下金属板之间，并且结合到上金属板和下金属板的内表面以及围绕中间层周向地延伸的框架。

根据一些实施例，中间层由硬化的可流动材料制成。如本发明所理解的“可流动材料”是例如可以是流体、半流体或粉末形式的材料，并且通常是可以浇注到形成于框架与上部金属板和下部金属板之间的封闭容积内的材料。然后，使可流动材料硬化并使其粘附到上金属板和下金属板的内表面上，以及粘附到框架的向内定向的表面上。可流动材料可以是可膨胀材料，例如聚合物泡沫、或金属泡沫或陶瓷泡沫。泡沫材料的膨胀可以有效地填充位于上、下金属板与周围框架之间的基板结构的整个内部容积。

涡轮机基板可设置有锚固点，用于将基板锚固到支撑结构。锚固点可以沿框架设置或由框架形成。

上金属板和/或下金属板可具有在大约1mm至大约50mm范围内的厚度。

在一些实施方案中，中间层的厚度在大约100mm至大约1500mm的范围内。

根据另一方面，公开了一种涡轮机系统，包括安装在如上所述的涡轮机基板上的燃气涡轮发动机。

本发明还公开了一种用于制造涡轮机系统的方法，包括将可流动材料引入基板结构中的中空体积中的步骤，中空体积形成在上金属板、下金属板和沿上金属板和下金属板的边缘周向地延伸的框架之间。该方法还可包括使可流动材料凝固(set)并粘附到上金属板、下金属板和框架的步骤。

技术方案1：一种涡轮机基板，包括：

上金属板，所述上金属板形成涡轮机支撑表面；

下金属板；

中间层，所述中间层由位于上金属板和下金属板之间并与其结合的填充材料制成；

框架，所述框架围绕所述中间层周向地延伸。

技术方案2：根据技术方案1所述的涡轮机基板，其中，所述中间层由硬化的可流动材料制成。

技术方案3：根据技术方案1或2所述的涡轮机基板，其中，所述中间层包括选自包括以下材料的组的材料：未发泡聚合物、聚合物泡沫、金属泡沫、陶瓷泡沫或其组合。

技术方案4：根据技术方案1、2或3所述的涡轮机基板，其中，所述框架形成锚固点，所述锚固点用于将所述基板锚固到支撑结构。

技术方案5：根据前述技术方案中任一个所述的涡轮机基板，还包括至少中间梁，所述中间梁设置在所述上金属板和所述下金属板之间并连接到所述框架。

技术方案6：根据前述技术方案中任一个所述的涡轮机基板，其中，所述框架包括向外延伸的凸缘，用于将所述基板联接到支撑结构的锚固构件连接到所述凸缘。

技术方案7：根据前述技术方案的任一个所述的涡轮机基板，其中，所述框架包括梁，所述梁具有腹板和至少一个向外突出的凸缘，所述凸缘形成用于将所述基板锚固到支撑结构的锚固点。

技术方案8：根据前述技术方案中任一个所述的涡轮机基板，还包括连接到上金属板的上表面的涡轮机支撑元件。

技术方案9：根据前述技术方案中任一个所述的涡轮机基板，其中，所述上金属板的厚度在大约1mm至大约50mm的范围内，和/或所述下金属板的厚度在大约1mm至大约50mm的范围内。

技术方案10：根据前述技术方案中任一个所述的涡轮机基板，其中，所述中间层的厚度在大约100mm至大约1500mm的范围内。

技术方案11：一种涡轮机系统，包括安装在根据前述技术方案中任一个所述的涡轮机基板上的燃气涡轮发动机。

技术方案12：根据技术方案11所述的涡轮机系统，还包括锚固到所述基板的框架的外壳，所述外壳在所述上金属板上方延伸并且包围所述燃气涡轮发动机。

技术方案13：一种用于制造涡轮机系统的方法，包括以下步骤：

在基板结构的中空体积中引入可流动材料，所述中空体积形成在上金属板、下金属板和沿所述上金属板和所述下金属板的边缘周向地延伸的框架之间；以及

使所述可流动材料凝固并粘附到所述上金属板、所述下金属板和所述框架上。

技术方案14：根据技术方案13所述的方法，还包括将涡轮支撑元件安装在所述上金属板的外表面上的步骤。

技术方案15：根据技术方案13所述的方法，还包括将燃气涡轮发动机安装在所述基板结构上的步骤。

技术方案16：根据技术方案14所述的方法，还包括将燃气涡轮发动机安装在所述涡轮支撑元件上的步骤。

技术方案17：根据技术方案13至16中任一个所述的方法，其中，所述上金属板包括累积地形成所述上金属板的第一多个金属板部件，所述下金属板包括累积地形成所述下金属板的第二多个金属板部件。

技术方案18：根据技术方案13至17中任一个所述的方法，其中，所述基板结构包括位于所述上金属板与所述下金属板之间的至少一个中间梁，所述中间梁的末端被约束到所述框架。

技术方案19：根据技术方案13至18中任一个所述的方法，其中，所述框架包括以四边形布置彼此焊接的多个梁。

下文公开并在形成本说明书的整体部分的所附权利要求中进一步阐述了特征和实施例。上文的简要说明阐述了本发明的各种实施例的特征，以便可以更好地理解以下详细描述，且便于更好地了解本发明对所属领域的贡献。当然，存在本发明的其它特征，这将在下文描述且在所附权利要求书中阐述。就此而言，在详细解释本发明的若干个实施例之前，应理解，本发明的各种实施例在其应用上不限于构造的细节，也不限于以下描述中阐述或图式中示出的部件的布置。本发明能够具有其它实施例且能够以各种方式实践或执行。此外，应理解，本发明中所采用的措词及术语是用于描述的目的，且不应被视为是限制性的。

由此，所属领域的技术人员应了解，本发明所基于的概念可易于用作设计用于实现本发明的若干个目的的其它结构、方法和/或系统的基础。因此，重要的是，在等效构造并不脱离本发明的精神及范围的情况下，权利要求书应被视为包括此类等效构造。

附图说明

通过在结合附图考虑时参考以下详细描述，将易于获得且更好理解对本发明的公开实施例及本发明的附带多个优点的更完整了解，其中：

图1示出根据本发明的包括燃气涡轮发动机和基板的系统的侧视图；

图2示出图1的系统的透视图，其中燃气涡轮发动机被移除；

图3示出基板的一部分的透视图；

图4示出基板的一部分的截面透视图；

图5示出用于将基板锚固到支撑结构的锚固构件的细节。

图6A、6B、6C、6D示出形成基板的框架的梁的替代形状的剖视图；以及

图7示出概述制造本发明的基板的方法的流程图。

具体实施方式

以下示范性实施例的详细描述参考附图。不同附图中的相同参考标号标识相同或类似的元件。另外，所述图式未必按比例绘制。另外，以下详细描述并不限制本发明。实际上，本发明的范围由所附权利要求书限定。

贯穿本说明书对“一个实施例”、“实施例”或“一些实施例”的提及意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在所公开主题的至少一个实施例中。因此，在贯穿本说明书的不同位置中出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”或“在一些实施例中”未必指代相同的实施例。另外，特定特征、结构或特性可以任何合适方式组合在一个或多个实施例中。

一般而言，为了提供具有改进特性的更好的基板，共同网格(lattice)结构由夹层结构(sandwich structure)代替，夹层结构包括顶部或上金属板和底部或下金属板。填充材料的中间层(intermediate layer)，优选地包括聚合物，布置在顶部金属板和底部金属板之间。填充材料粘附至上金属板和下金属板上，由此提供具有改进的弯曲和扭转强度的复合结构。中间填充材料可包括发泡或未发泡的聚合物。外围框架可以包围基板并且与上金属板和下金属板一起限制基板的内部容积(inner volume)。当仍处于可流动状态时，填充材料被注入内部容积中。一旦注入到基板的内部容积中，就可以使填充材料凝固并粘附到框架与上金属板和下金属板的内表面上，从而获得基本上整体的夹层结构。

由此获得的基板具有低重量和增强的机械强度，不需要焊接，因此更容易制造。喷涂仅限于框架和金属板的外表面，而内表面则通过凝固填充材料被保护以防环境因素。

现在参照附图，图1示出系统1的侧视图，系统1包括基板3和安装在基板3上的燃气涡轮发动机5。燃气涡轮发动机5可以是例如航改式燃气涡轮发动机，并且可以驱动地联接到发电机、气体压缩机或任何其他旋转负载(未示出)。在一些情况下，旋转负载可以安装在同一基板3上。在其他实施例中，负载可以布置在单独的基板上。

在一些实施例中，燃气涡轮发动机5可包括入口增压室7和排气扩散器9。

燃气涡轮发动机5可以包含在燃气涡轮机壳体中，部分地以11表示。

如果提供的话，燃气涡轮发动机5和外壳11安装在基板3上。中间燃气轮机支撑元件13、15可被约束到基板3并且从基板3向上突出。燃气轮机支撑元件13、15本身是已知的。其可以限定3点支撑布置，在燃气涡轮发动机5与基板3之间提供等静压链接(isostaticlink)。

基板3在图3中单独地以及以部分截面示出。基板3包括顶表面或上表面3T和底表面或下表面3B。如本发明所用，术语“顶部”和“底部”是指基板在其操作位置的布置。顶部表面3T可以由上金属板17形成，底部表面3B可以由下金属板19形成。每个金属板17、19可以是整体的(monolithic)，即可以由单片金属形成。在其他实施例中，所述金属板17、19中的一个或两个可以由多个单独的板部分或局部板形成，板部分或局部板沿着其邻接边缘彼此焊接，以形成单个金属板。

如图3和图4中最佳地看到的，框架21设置在上金属板17和下金属板19之间，框架21围绕基板3周向地延伸。框架21可以是四边形并且可以与上金属板17和下金属板19基本共同延伸。框架21可以由梁部分形成。如稍后将更详细地描述的，形成框架21的梁可以采用各种横截面形状。一般地，形成框架21的梁可以具有中央腹板(central web)和两个凸缘，分别为上凸缘和下凸缘。

上金属板17可以沿着框架21焊接在其上侧，下金属板19可以沿着框架21焊接在其下侧，由此获得包括框架21以及焊接其上的上金属板17和下金属板19的基本封闭的结构。

如本领域技术人员所理解的，上述所公开的结构中的焊接量基本小于制造具有根据现有技术的网格结构的基板所需的焊接量。

在一些实施例中，如通过图6A中的示例示出，框架21可以由具有H形横截面的梁23的区段或部分形成。梁23包括上凸缘23A、下凸缘23B和中央腹板23C。上金属板17沿着上凸缘23A的向内定向的边缘焊接。下金属板19沿着下凸缘23B的向内定向的边缘焊接。B1和B2指代焊珠。焊珠B1和B2可以是连续的。

在其他实施例中，如图6B所示，框架21可以由具有C形横截面的梁的区段或部分形成。相同的附图标记表示如图6A中的相同或相应的部分。在图6B的实施例中，梁23布置成使得其上凸缘23A和下凸缘23B从基板3向外突出。腹板23C面向基板3的内部，上金属板17和下金属板19沿着梁的上边缘和下边缘沿着焊珠B1和B2在其腹板23C处焊接。

图6C示出框架21的另一实施例的剖视图，其中，形成框架21的梁23再次具有C形横截面，但其凸缘23A、23B面向内。上金属板17和下金属板19沿着凸缘23A、23B的自由边缘焊接到框架21。附图标记B1和B2再次表示焊珠。

图6D示出框架21的另一实施例的剖视图，其中，梁23具有C形横截面，通过焊接添加从框架向外突出的凸缘24。

金属板17、19和框架23包围内部空间28(图4)，内部空间28填充有填充材料，形成中间层27(图6A-图6D)，中间层27可以表面结合至上金属板17、下金属板19和框架21。在图4中，内部空间28在用填充材料填充之前显示为空容积。由填充材料形成的中间层27可以占据由上金属板17、下金属板19界定并由框架21围绕的整个空容积28(图4)。

在一些实施例中，中间层27可由聚合物或塑料构成或制成。在一些实施例中，聚合物可以是热固性聚合物(thermosetting polymer)。例如，中间层27可以由例如为未发泡弹性体(unfoamed elastomer)的弹性体构成或制成。根据本发明公开的示例性实施例，聚合物可以是未发泡聚氨酯(polyurethane)。

根据另外的实施例，中间层27可以由泡沫聚合物树脂构成或形成，例如热固性聚合物树脂。中间层可由其制成的材料的示例性实施例可选自：开放单元(open cell)聚氨酯、封闭单元(closed cell)聚氨酯、聚异氰脲酸酯(polyisocyanurate)、聚苯乙烯(polystyrene)。

在其他实施例中，形成中间层27的填充材料可以是非聚合物泡沫。在示例性实施例中，中间层27可由金属泡沫构成或制成，例如铝泡沫(aluminum foam)。在进一步的实施例中，中间层27可以由陶瓷泡沫构成或制成，例如氧化铝泡沫。

形成中间层27的填充材料可以在基板的内部容积28中以可流动的形式浇注(poured in a flowable form)，例如以液体、半液体或粉末形式，或以泡沫的形式，一旦金属板17、19和框架21彼此焊接在一起，由此形成封闭结构。合适的孔(未示出)可以设置在上金属板17和下金属板19中的一个中，优选地设置在上金属板17中，用于引入可流动的填充材料。

可流动填充材料可以是例如具有足够低粘度的未聚合的(uncured)聚合物树脂，使得聚合物树脂可以容易地分布于限定在上、下金属板17、19和框架21之间的基板的内部容积中。然后可以使聚合物树脂聚合并凝固。如果使用泡沫树脂，则非聚合树脂(non-polymerized resin)一旦浇注到基板的内部容积中就会膨胀，并且将膨胀直到整个内部体积填充有膨胀的聚合物树脂。

一般地，可流动形式的填充材料被引入基板3的空腔内并使其硬化。

固化或硬化过程将导致内层27粘附到上金属板17和下金属板19的内表面，以及周向地布置的框架21的向内定向的表面。

一旦可流动材料已经被引入基板3的内部容积28内，如果需要，则例如可以通过焊接封闭设置用于将可流动填充材料注入基板3的内部的孔。

一旦完成聚合或硬化过程，形成框架21的梁23的表面以及上金属板17的下表面和下金属板19的上表面与形成中间层27的填充材料紧密接触，中间层27为金属板17、19和框架21的金属表面提供涂层(coating)。由于硬化的填充材料提供针对大气试剂(agents)或任何其他潜在有害剂的充分保护，因此不需要框架21和金属板17、19的表面的内部涂漆。

图7示出概括上述制造方法的流程图。

另外，硬化的填充材料为基板3提供结构强度。由上金属板17和下金属板19、框架21以及中间层27形成的夹层结构提供具有高惯性矩(high moment of inertia)的横截面。当中间层27粘附到上金属板17和下金属板19时，获得高扭矩和弯曲强度，使得切向力通过中间层27传递到上金属板17和下金属板19。因此，基板3的横截面的惯性矩由横截面的整个实心区域提供，而不是如在现有技术的基板中那样仅由梁的上凸缘和下凸缘提供。与具有栅格结构的现有技术的基板相比，可以利用基板3的较低厚度(垂直尺寸)获得相同的扭矩和弯曲强度。根据本发明的基板3在弯曲和扭转强度方面可以实现与三倍厚度的现有技术基板相比的性能。

形成中间层27的基板的填充材料具有比金属低的比重(specific weight)，从而获得相对轻的结构。如果使用泡沫填充材料，例如，聚合物泡沫或金属泡沫，基板的总重量进一步减小。

中间层或内层(inner layer)27提供压缩和压碎的机械强度，使得涡轮机支撑元件13、15可以沿着顶部或上金属板17的上表面布置在任何位置中，而不需要在支撑元件13、15的下面布置梁。因此，在一些实施例中，基板3的内部容积可以完全填充有填充材料。

另外，根据一些实施例，中间层27提供减振(vibration dampening)。由于上金属板17和下金属板19结合到中间层27，因此由放置在其上的旋转机械产生的基板结构的振动被有效地阻尼，这有效地降低了噪音。根据本发明公开的实施例，如果填充材料是聚合材料，并且具体为泡沫聚合材料，则可以实现特别有效的振动阻尼。至少在一些情况下，可以省去额外的隔音屏障(noise barriers)。

在一些实施例中，一个或多个附加梁可以布置在基板3的内部容积28中。在图4中，例如，设置两个中间梁31。中间梁31可以具有与形成框架21的梁相同的横截面，或者具有不同的横截面。例如，在图4中，所有梁都具有H形横截面，但这不是强制性的。

中间梁31可以平行于四边形框架21的长边或短边布置。在图4的实施例中，中间梁31平行于框架21的长边，并且中间梁31的端部可以焊接到形成框架21的短边的梁上。

在一些实施例中，上金属板17和下金属板19可由单独的金属板部分制成，金属板部分可沿其边缘焊接到中间梁31的上凸缘和下凸缘。

中间梁31可以为基板3提供改进的机械强度。在一些实施例中，中间梁31可以增强可流动填充材料的分布，可流动填充材料被引入到基板3的内部空间28内。中间梁31还可以将内部容积28分成单独的隔间，如果需要或期望的话，隔间可以用相同或不同种类的填充材料填充。

参见图5，基板3还可以设置有用于连接到支撑结构33的锚固构件(anchoringmembers)。支撑结构33可以是例如由混凝土制成的基础块(foundation block)。如图3和图5所示，多个支脚35沿基板3的周边分布。在一些实施例中，支脚35可以部分地位于相应框架梁23的下凸缘23B下方。相应的螺柱(screw stud)37可用于将每个支脚35紧固到基架3。在图3和图5的示例性实施例中，螺柱37延伸穿过设置在框架梁23的下凸缘23B中的孔。

在其他实施例中，如图6D所示，外部凸缘24可以焊接到梁23上，并且每个支脚35可以紧固到外部凸缘24上。

每个支脚35可以设置有通孔39，通过该通孔39可以利用螺母等插入和阻挡从支脚35延伸的螺纹锚固螺栓。

根据一些实施例，基板3可以如下所述地锚定到支撑结构33。基板3放置在支撑结构33的顶部上，支脚35接触支撑结构33的上表面。使用支脚35及其通孔39作为模板(templates)在支撑结构中钻削盲孔。此后可以将螺纹锚固螺栓部分地引入并固定在由此形成在支撑结构33中的盲孔中。锚固可以通过化学锚固紧固件。一旦化学紧固件凝固，支脚35通过螺母固定到锚固螺栓上。垫板装置38可以设置在基板3的框架21和支脚35之间，用于调平基板3。

因此，获得以下结构：基板3布置于其上的支撑结构33，其中支脚35接触支撑结构33的上表面。螺纹锚固螺栓通过化学紧固件紧固在盲孔中，并且延伸到盲孔的外部以及穿过支脚35的通孔39。旋拧在螺纹锚固螺栓上的螺母将基板3的支脚35保持在支撑结构33上。位于基板3的框架21与支脚35之间的垫板装置38确保基板3是水平的。

虽然本发明所描述的主题的公开实施例已在图式中示出且在上文结合若干示范性实施例精确且详细地进行充分描述，但对于所属领域的技术人员来说将显而易见的是，在未实质脱离本发明所阐述的新颖教示、原理和概念以及所附权利要求书中叙述的主题的优点的情况下可能有许多修改、改变和省略。因此，所公开的创新的适当范围应仅由所附权利要求书的最广义解释确定，以便涵盖所有此类修改、改变及省略。另外，任何过程或方法步骤的次序或序列可根据替代实施例而变化或重新排序。

Claims (10)

1.一种涡轮机基板，包括：

上金属板，所述上金属板形成涡轮机支撑表面；

下金属板；

中间层，所述中间层由位于上金属板和下金属板之间并与其结合的填充材料制成；

框架，所述框架围绕所述中间层周向地延伸。

2.根据权利要求1所述的涡轮机基板，其中，所述中间层由硬化的可流动材料制成。

3.根据权利要求1或2所述的涡轮机基板，其中，所述中间层包括选自包括以下材料的组的材料：未发泡聚合物、聚合物泡沫、金属泡沫、陶瓷泡沫或其组合。

4.根据权利要求1、2或3所述的涡轮机基板，其中，所述框架形成锚固点，所述锚固点用于将所述基板锚固到支撑结构。

5.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机基板，还包括至少一中间梁，所述中间梁设置在所述上金属板和所述下金属板之间并连接到所述框架。

6.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机基板，其中，所述框架包括向外延伸的凸缘，用于将所述基板联接到支撑结构的锚固构件连接到所述凸缘。

7.根据前述权利要求的任一项所述的涡轮机基板，其中，所述框架包括梁，所述梁具有腹板和至少一个向外突出的凸缘，所述凸缘形成用于将所述基板锚固到支撑结构的锚固点。

8.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机基板，还包括连接到上金属板的上表面的涡轮机支撑元件。

9.一种涡轮机系统，包括安装在根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机基板上的燃气涡轮发动机。

10.一种用于制造涡轮机系统的方法，包括以下步骤：

在基板结构的中空体积中引入可流动材料，所述中空体积形成在上金属板、下金属板和沿所述上金属板和所述下金属板的边缘周向地延伸的框架之间；以及

使所述可流动材料凝固并粘附到所述上金属板、所述下金属板和所述框架上。