CN110226027B - 用于安装可旋转机器的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种安装系统，包括可旋转机器，限制可旋转机器的框架，以及多个安装元件。多个安装元件中的每个安装元件包括销构件和接合构件。接合构件包括能够具有三个旋转自由度的可旋转接头，并且接合构件可滑动地联接到销构件，使得每个安装元件能够具有四个运动自由度。多个安装元件进一步联接在框架和可旋转机器之间并围绕可旋转机器周向间隔开，使得可旋转机器能够在框架内径向膨胀和收缩。该安装系统在横向竖直发动机平面内从发动机中心线在任何径向方向上提供均匀的刚度。

Description

用于安装可旋转机器的系统和方法

技术领域

本公开的领域一般涉及可旋转机械，并且更具体地，涉及用于在启动和操作期间保持可旋转机器的共线对准的方法和系统。

背景技术

用于例如燃气涡轮发动机的可旋转机器的至少一些安装系统包括单个固定销安装元件和单个滑动销安装元件。这些安装元件被设计成将可旋转机器固定到隔板或甲板，例如海船的甲板，使得围绕机器的旋转轴线旋转的可旋转机器的输出轴能够机械地联接到船舶的驱动轴，例如发电机轴或螺旋桨轴。

许多常规的安装系统被设计成，使得可旋转机器的旋转轴线最初从驱动轴偏离，直到当旋转轴线转换成与中心线对准时，可旋转机器已达到一组特定的操作参数。因此，当可旋转机器冷或上升到标称操作温度时，可旋转机器的旋转轴线以及因此输出轴可能不与驱动轴对准。

发明内容

在一个方面中，提供了一种安装系统。该安装系统包括可旋转机器，限制可旋转机器的框架，以及多个安装元件。多个安装元件中的每个安装元件包括销构件和接合构件。接合构件包括能够具有三个旋转自由度的可旋转接头，并且接合构件可滑动地联接到销构件，使得每个安装元件能够具有一个运动自由度和三个旋转自由度。多个安装元件进一步联接在框架和可旋转机器之间，并围绕可旋转机器周向均匀地间隔开，使得可旋转机器能够在框架内径向膨胀和收缩。

在另一个方面中，提供了一种安装系统。该安装系统包括框架和多个安装元件，多个安装元件联接到框架并围绕框架周向均匀地间隔开。每个安装元件包括销构件和接合构件。接合构件包括能够具有三个旋转自由度的可旋转接头，并且接合构件可滑动地联接到销构件，使得每个安装元件能够具有一个运动自由度和三个旋转自由度。

在又一个方面中，提供了一种方法。该方法包括将多个安装元件联接在可旋转机器和限制可旋转机器的框架之间，其中可旋转机器具有旋转轴线，并且框架限定中心线。该方法进一步包括允许可旋转机器在框架内径向膨胀和收缩，并保持可旋转机器的旋转轴线与中心线共线对准。

附图说明

当参考附图阅读下面的详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在整个附图中，类似的字符表示类似的部分，其中：

图1是示例性可旋转机器的截面图，其中可旋转机器是燃气涡轮发动机；

图2是图1中所示的安装系统的示例性安装元件的立体图；

图3是图2所示的安装元件的示例性接合组件的截面图；

图4是示例性安装系统的截面图，该安装系统包括联接到图1中所示的可旋转机器的三个安装元件；和

图5是示例性安装系统的截面图，该安装系统包括联接到图1中所示的可旋转机器的四个安装元件。

图6是示例性安装系统的前视图，该安装系统包括联接到图1中所示的可旋转机器的前部安装元件。

除非另有说明，本文中所提供的附图是为了说明本公开的实施例的特征。相信这些特征适用于包括本公开的一个或多个实施例的各种系统。因此，附图并不意味着包括本领域普通技术人员已知的用于实践本文中所公开的实施例的所有常规特征。

具体实施方式

在下面的说明书和权利要求书中，将参考许多术语，这些术语应被定义为具有以下含义。

除非上下文另有明确规定，单数形式“一”，“一种”和“该”包括复数引用。

“任选的”或“任选地”是指随后描述的事件或情形可以发生或可以不发生，并且该描述包括事件发生的情况和事件不发生的情况。

在整个说明书和权利要求书中使用的近似语言可以用于修改任何能够允许变化的定量表示，而不会导致与其相关的基本功能的变化。因此，由一个或多个术语，例如“约”、“大约”和“基本上”修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度。这里和整个说明书和权利要求书中，范围限制可以被组合和/或互换，除非上下文或语言另有说明，这种范围被确定并包括其中包含的所有子范围。

本公开的实施例涉及用于安装可旋转机器的系统。更具体地，本公开涉及可旋转机器通过多个安装元件被安装在框架内的系统。每个安装元件具有一个运动自由度和三个旋转自由度，并且安装元件围绕框架在周向上均匀地等距间隔开。

在操作中，允许可旋转机器在框架内径向扩张和收缩，同时可旋转机器的旋转轴线保持与中心线对准。由可旋转机器推动的船舶的驱动轴也与中心线对准。因此，可旋转机器的旋转轴线保持与船舶的驱动轴对准。

图1是示例性可旋转机器100的截面图。在所示实施例中，可旋转机器100是燃气涡轮发动机。然而，在替代实施例中，可旋转机器100可以是任何其他可旋转机器，例如任何非涡轮发动机、任何船用发动机、任何飞行器发动机等。

可旋转机器100包括前部安装位置102和后部安装位置104。如下所述，可旋转机器100通过一个或多个安装元件在前部安装位置102和后部安装位置104处被安装到框架。可旋转机器100还包括燃烧室106，例如喷气燃料的碳氢化合物燃料在燃烧室106内燃烧，从而产生热量和推力。另外，可旋转机器100具有旋转轴线108，在可旋转机器100的操作期间，例如叶片110,112和114的一个或多个涡轮或叶片围绕旋转轴线108旋转。

图2是示例性安装元件202的立体图。在示例性实施例中，安装元件202包括可塑性盒(compliance box)201，接合构件或接合组件204，以及销构件206。接合组件204安装在可塑性盒201中并由可塑性盒201支撑。此外，如下面更详细描述的，销构件206可滑动地联接到接合组件204。在一些实施例中，安装元件202可以包括多个销构件。

在示例性实施例中，可塑性盒201是凸起的大致矩形的凸缘并且包括第一脚302和第二脚304，第一脚302和第二脚304中的每一个通过一个或多个螺栓(未示出)联接到框架(如本文别处所描述的)。可塑性盒201还包括第一壁306和第二壁308，第一壁306和第二壁308中的每一个远离脚302或304正交地延伸，壁306或308中的至少一个分别联接到脚302或304。板310联接到第一壁306的端部312和第二壁308的端部318。因此，板310在第一壁306和第二壁308之间延伸。在示例性实施例中，如图所示，可塑性盒201是由例如单块铝或钢的单块材料构成的整体结构。此外，接合组件204与板310成一体或联接在板310内，并且整体上由可塑性盒201支撑。

可塑性盒201的尺寸是可变的。例如，第一壁306和第二壁308具有高度H和厚度T1。可以通过改变T1、H和/或L中的任何一个来调节可塑性盒201的刚度。更特别地，可塑性盒201的刚度可以通过增加T1和/或L来增加。类似地，可塑性盒201的刚度可以通过增加H来减小。在示例性实施例中，通过减小H来增加可塑性盒201的刚度，并且通过增加H来减小可塑性盒201的刚度。

因此，可塑性盒201能够用作任何尺寸的可旋转机器100的可调节刚度安装系统。例如，为了支撑更重或更大的可旋转机器100，可以增加可塑性盒201的尺寸，以增加可塑性盒201的刚度。同样，可以为更轻或更小的可旋转机器100减小可塑性盒201的尺寸。

此外，可塑性盒201在周向方向和轴向方向两者上足够坚硬(如参照可旋转机器100所描述的)，以适应任何尺寸可旋转机器100。安装系统相对于可旋转机器100在横向竖直发动机平面内从发动机中心线在任何径向方向上提供均匀的刚度，使得可旋转机器100通过三个以上的可塑性盒201在横向竖直发动机平面内从发动机中心线在任何径向方向上被支撑，而不管可旋转机器100的重量或质量。因此，可塑性盒201可定制用于不同尺寸的可旋转机器100，并且可以为任何尺寸的可旋转机器100实现刚度优化，包括基于与其相关联的发动机动力学。

图3是安装在可塑性盒201内的接合组件204的截面图。接合组件204是可旋转接头，并且在示例性实施例中，接合组件204是可旋转球窝接头。具体地，接合组件204包括座圈402和由座圈402接收的截头球404。在一些实施例中，座圈402被分成两半并且截头球404安装在座圈402的两半之间。在其他实施例中，座圈402是整体元件并且被加热，使得截头球404能够在安装期间适配在座圈402内。保持板406安装在可塑性盒201上以将座圈402固定在可塑性盒201内。

在该示例性实施例中，销构件206可滑动地联接到接合组件204。更具体地，销构件206被可滑动地接收在截头球404的孔或柱形通道408内。因此，如图所示，接合组件204能够具有三个旋转自由度和一个平移自由度。具体地，围绕轴线A-A'、B-B'和C-C'给予三个旋转自由度，并且沿销A-A'的轴线给予第四滑动运动自由度。换句话说，截头球404能够在座圈402内围绕轴线A-A'、围绕轴线B-B'以及围绕轴线C-C'旋转。销构件206还能够在柱形通道408内沿轴线A-A'轴向滑动。因此，接合组件204包括座圈402，座圈402允许在第一方向、第二方向和第三方向上(例如，围绕轴线A-A'、B-B'和C-C')的旋转自由。

虽然以下描述了具有不同数目的安装元件的安装系统，但是将理解的是，任何合适数量的安装元件(例如，三个以上的安装元件，每个安装元件与各自的可塑性盒相关联)可以配合特定的安装系统来使用。另外，虽然安装元件在本文中一般被描述为围绕框架均匀地周向间隔开，但是将理解的是，安装元件可以围绕框架不均匀地周向间隔开。在安装元件围绕框架不均匀地周向间隔开的情况下，与每个安装元件相关联的可塑性盒的刚度可以如上所述被独立地调节，并且不同于一个或多个其他可塑性盒的刚度。此外，例如取决于特定实施方式，本文中描述的各种安装系统可以被安装在可旋转机器100的前部位置102或后部位置104。

图4是示例性安装系统600的截面图，该安装系统600包括框架602和多个安装元件，例如第一安装元件604、第二安装元件606和第三安装元件608。安装系统600被安装在可旋转机器100的后部上，例如被安装在后部安装位置104(如图1所示)。在示例性实施例中，框架602限定中心线E-E'，如下所述，可旋转机器100的旋转轴线108保持与中心线E-E'对准。在一些实施例中，安装系统600安装在可旋转机器100的前部上，例如前部安装位置102。

在示例性实施例中，安装元件604、606和608与安装元件202相同。在一些实施例中，框架602包括基部构件601，并且与基部构件601结合在一起完全限制(circumscribe)可旋转机器100。在其它实施例中，框架602不包括基座构件601，而是作为独立部件完全限制可旋转机器100。

进一步地，每个安装元件604、606和608联接在框架602和可旋转机器100之间。更特别地，每个安装元件604、606和608例如通过多个螺栓(未示出)联接到框架602，并且通过例如销构件610、612和613的销构件联接到可旋转机器100，销构件610、612和613又与销构件206相同。安装元件604、606和608进一步围绕可旋转机器100周向间隔开。例如，安装元件604在第一位置614联接到可旋转机器100，安装元件606在第二位置616联接到可旋转机器100，以及安装元件608在第三位置618联接到可旋转机器100。第一位置614、第二位置616和第三位置618例如以120度的增量，围绕可旋转机器100均匀地周向间隔开。因此，可旋转机器100通过安装元件604、606和608安装在框架602内。

图5是示例性安装系统700的截面图，安装系统700包括框架702和多个安装元件，例如第一安装元件704、第二安装元件706、第三安装元件708和第四安装元件710。安装系统700安装在可旋转机器100的后部上，例如安装在后部安装位置104处(图1中所示)。在一些实施例中，安装系统700安装在可旋转机器100的前部，例如前部安装位置102。在示例性实施例中，框架702限定中心线F-F'，如下所述，可旋转机器100的旋转轴线108保持与中心线F-F'对准。

在示例性实施例中，安装元件704、706、708和710与安装元件202相同。在一些实施例中，框架702包括基部构件701，并与基部构件701结合在一起限制可旋转机器100。在其它实施例中，框架702不包括基座构件701，而是作为独立部件完全限制可旋转机器100。

此外，每个安装元件704、706、708和710联接在框架702和可旋转机器100之间。更特别地，每个安装元件704、706、708和710例如通过多个螺栓(未示出)联接到框架702，并通过例如销构件712、713、714和715的销构件联接到可旋转机器100，销构件712、713、714和715又与销构件206相同。安装元件704、706、708和710进一步围绕可旋转机器100均匀地周向间隔开。例如，安装元件704在第一位置716联接到可旋转机器100，安装元件706在第二位置718联接到可旋转机器100，安装元件708在第三位置720联接到可旋转机器100，以及安装元件710在第四位置722联接到可旋转机器100。第一位置716、第二位置718、第三位置720和第四位置722例如以90度的增量，围绕可旋转机器100均匀地周向间隔开。因此，可旋转机器100通过安装元件704、706、708和710安装在框架702内。因此，安装系统在横向竖直发动机平面内从发动机中心线在任何径向方向上提供均匀的刚度。

图6是示例性安装系统的前视图，该安装系统包括联接到可旋转机器100(图1中示出)的安装元件800。在示例性实施例中，安装元件800安装在可旋转机器100的前部，例如安装在前部安装位置102处。在另一个实施例中，安装元件800安装在可旋转机器100的后部，例如安装在后部安装位置104。安装元件包括基部802、第一支柱804和第二支柱806。第一支柱804和第二支柱806联接到基部802和可旋转机器100中的每一个，并且在基部802和可旋转机器100之间延伸。在操作中，并且在示例性实施例中，安装元件800在前部安装位置102联接到可旋转机器100，并且与位于后部的安装系统配合，以支撑可旋转机器100，位于后部的安装系统例如是安装系统600和700中的任何一个。

因而，可旋转机器100通过多个安装元件202安装在框架内。例如，在一个实施例中，可旋转机器100通过第一安装元件604、第二安装元件606和第三安装元件608安装在框架602内(如图4所示)。在另一个实施例中，可旋转机器100通过第一安装元件704、第二安装元件706、第三安装元件708和第四安装元件710安装在框架702内(如图5所示)。此外，如上所述，每个安装元件202能够具有三个旋转自由度和一个轴向运动自由度。

又进一步地，可以改变或调节如由可塑性盒201限定的每个安装元件202的刚度，以适应可旋转机器100的特定尺寸。例如，较大尺寸的可旋转机器100可以由具有例如尺寸H(如上所述)的增加尺寸的多个可塑性盒201支撑。类似地，较小尺寸的可旋转机器100可由具有减小尺寸的多个可塑性盒201支撑。可塑性盒201进一步如关于可旋转机器100所限定的在横向竖直发动机平面内从发动机中心线在任何径向方向上提供均匀的刚度。

在操作中，可旋转机器100产生热量。例如，在可旋转机器100是例如燃气涡轮发动机的燃料燃烧发动机的情况下，可旋转机器100的温度随着燃料在可旋转机器100的燃烧室106内燃烧而增加。随着可旋转机器100的温度增加，可旋转机器100径向膨胀。类似地，随着可旋转机器100的温度降低，可旋转机器100径向收缩。此外，随着可旋转机器100径向膨胀和收缩，可旋转机器100的周长C可以增大和减小。

因此，可旋转机器100安装在框架内，例如安装在框架602和702中的任何框架内，以适应可旋转机器100的半径，以及因此周长(circumference)的变化。此外，虽然框架602和702允许可旋转机器100的径向膨胀和收缩，但是框架602和702同时固定可旋转机器100，使得可旋转机器100的旋转轴线108保持与中心线对准，例如分别与框架602和702的中心线E-E'和F-F'中的任何中心线对准。

例如，包括诸如接合组件204的接合组件的安装元件604、606和608配合，以允许围绕轴线A-A'、B-B'和C-C'的一些旋转自由度，以及沿轴线A-A'的运动滑动自由度。随着可旋转机器100的工作温度变化(例如，随着可旋转机器100加热或达到标称操作温度，和/或随着可旋转机器100冷却或者关闭)，可旋转机器100转而允许在框架602内在任何方向上径向膨胀和收缩。然而，可旋转机器100的旋转轴线108保持与框架602的中心线E-E'对准。换句话说，框架602与安装元件604、606和608配合，并且一起足够柔韧以允许可旋转机器100的周长C的改变，但足够坚硬以保持旋转轴线108与中心线E-E'对准。

因此，在可旋转机器100联接并驱动例如海船的螺旋桨轴的驱动轴(未示出)的情况下，可旋转机器100的周长C的变化以不允许旋转轴线108从驱动轴的旋转轴线(其还与中心线E-E'对准)变化的方式被补偿。安装系统700以基本类似的方式操作，除了安装系统700包括不同数量的安装元件。

如上所述，系统的实施例有助于在框架内安装可旋转机器。更特别地，在示例性实施例中，可旋转机器通过多个安装元件被安装在框架内。在框架内，允许可旋转机器径向膨胀和收缩，同时可旋转机器的旋转轴线保持与中心线对准。由可旋转机器推动的船舶的驱动轴也与中心线对准。因此，可旋转机器的旋转轴线保持与船舶的驱动轴对准。

本文中描述的系统的示例性技术效果包括，例如：(a)通过多个安装元件将可旋转机器安装在框架内；(b)随着可旋转机器的温度变化，允许可旋转机器径向膨胀和收缩；(c)保持可旋转机器的旋转轴线与由框架限定的中心线对准，使得可旋转机器的驱动轴保持与由可旋转机器提供动力的船舶的驱动轴对准；(d)通过基于要联接的可旋转机器的质量、尺寸和/或发动机动力学改变每个可塑性盒的尺寸，在多个安装元件中的每一个安装元件的可塑性盒中保持均匀的刚度。

上面详细描述了用于安装可旋转机器和相关部件的系统的示例性实施例。该系统不限于本文中描述的具体实施例，而是可以独立于本文中描述的其他部件或步骤，分开利用系统的部件和方法的步骤。例如，本文中描述的部件的构造还可以与其他处理组合使用，并且不限于用如本文中描述的系统和相关方法来实践。确切地说，可以结合许多需要安装可旋转机器的应用来实施和利用示例性实施例。

虽然本公开的各种实施例的具体特征可以在一些附图中显示，而不在其他附图中显示，但是这仅仅是为了方便起见。根据本公开的原理，可以结合任何其他附图的任何特征来参考和/或要求保护附图的任何特征。

本书面描述使用实例来公开包括最佳模式的实施例，并且还使任何本领域技术人员能够实践这些实施例，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本文中描述的实施例的可专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他实例。如果这些其他实例具有与权利要求书的字面语言相同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差别的等效结构元件，则这些其他实例意指在权利要求书的范围内。

Claims (18)

1.一种安装系统，其特征在于，包括：

可旋转机器；

限制所述可旋转机器的框架；和

多个安装元件，所述多个安装元件中的每一个安装元件包括：

可塑性盒，所述可塑性盒通过两个或更多个螺栓联接到所述框架，并且所述可塑性盒的尺寸是可变的，

销构件，和

接合构件，所述接合构件安装在所述可塑性盒中并由所述可塑性盒支撑，并且所述接合构件包括能够具有三个旋转自由度的可旋转接头，所述销构件可滑动地联接到所述接合构件，使得所述多个安装元件中的每一个安装元件能够具有四个运动自由度，其中：

所述多个安装元件联接在所述框架和所述可旋转机器之间，并围绕所述可旋转机器周向间隔开，使得所述可旋转机器能够在所述框架内径向膨胀和收缩。

2.如权利要求1所述的安装系统，其特征在于，其中所述框架包括基部构件。

3.如权利要求1所述的安装系统，其特征在于，其中所述多个安装元件包括第一安装元件、第二安装元件和第三安装元件。

4.如权利要求1所述的安装系统，其特征在于，其中所述多个安装元件包括第一安装元件、第二安装元件、第三安装元件和第四安装元件。

5.如权利要求1所述的安装系统，其特征在于，其中相对于所述框架限定中心线，并且其中所述可旋转机器具有旋转轴线，并且其中所述多个安装元件联接在所述框架和所述可旋转机器之间，使得在多个操作条件期间，所述旋转轴线保持与所述中心线共线对准。

6.如权利要求5所述的安装系统，其特征在于，其中所述多个操作条件包括所述可旋转机器的径向膨胀和所述可旋转机器的径向收缩中的至少一个。

7.如权利要求1所述的安装系统，其特征在于，其中所述可旋转机器包括后端和远端，所述多个安装元件中的每一个安装元件联接到所述可旋转机器的所述后端。

8.如权利要求1所述的安装系统，其特征在于，其中所述接合构件包括可旋转球窝接头。

9.如权利要求8所述的安装系统，其特征在于，其中所述可旋转球窝接头促进所述三个旋转自由度。

10.如权利要求1所述的安装系统，其特征在于，其中所述可旋转机器限定径向方向和轴向方向，其中所述多个安装元件中的每一个安装元件在所述径向方向上提供均匀的刚度。

11.一种安装系统，其特征在于，包括：

框架；和

多个安装元件，所述多个安装元件联接到所述框架，并围绕所述框架周向间隔开，所述多个安装元件中的每一个安装元件包括：

可塑性盒，所述可塑性盒通过两个或更多个螺栓联接到所述框架，并且所述可塑性盒的尺寸是可变的，

销构件，和

接合构件，所述接合构件安装在所述可塑性盒中并由所述可塑性盒支撑，并且所述接合构件包括能够具有三个旋转自由度的可旋转接头，所述销构件可滑动地联接到所述接合构件，使得所述多个安装元件中的每一个安装元件能够具有四个运动自由度。

12.如权利要求11所述的安装系统，其特征在于，其中所述框架包括基部构件。

13.如权利要求11所述的安装系统，其特征在于，其中所述多个安装元件包括第一安装元件、第二安装元件和第三安装元件。

14.如权利要求11所述的安装系统，其特征在于，其中所述多个安装元件包括第一安装元件、第二安装元件、第三安装元件和第四安装元件。

15.如权利要求11所述的安装系统，其特征在于，其中所述接合构件包括可旋转球窝接头。

16.一种用于保持多个可旋转机器的对准的方法，其特征在于，所述方法包括：

在可旋转机器和限制所述可旋转机器的框架之间联接多个安装元件，所述可旋转机器具有旋转轴线，所述框架限定中心线；

所述多个安装元件中的每一个安装元件包括可塑性盒，销构件和接合构件，所述可塑性盒通过两个或更多个螺栓联接到所述框架，并且所述可塑性盒的尺寸是可变的，所述接合构件安装在所述可塑性盒中并由所述可塑性盒支撑，并且所述接合构件包括能够具有三个旋转自由度的可旋转接头，所述销构件可滑动地联接到所述接合构件，使得所述多个安装元件中的每一个安装元件能够具有四个运动自由度;

允许所述可旋转机器在所述框架内径向膨胀和收缩；和

保持所述可旋转机器的所述旋转轴线与所述中心线共线对准。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，进一步包括在冷状态或关闭状态中的至少一个期间，使所述旋转轴线和所述中心线对准。

18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，进一步包括在所述可旋转机器的加热和操作中的至少一个期间，保持所述旋转轴线和所述中心线共线对准。

Images