CN110905604A - 使用具有外螺纹螺柱的凸榫和螺母的翼型件护罩组件 - Google Patents

Abstract

本发明题为“使用具有外螺纹螺柱的凸榫和螺母的翼型件护罩组件”。提供了一种翼型件和护罩(120)组件，该翼型件和护罩组件包括翼型件，该翼型件包括根端(118)、自由端(128)以及从该自由端(128)延伸的凸榫(150)，该凸榫(150)包括基部(124)以及从该基部(124)延伸的外螺纹螺柱(154)。护罩(120)包括被配置成接收凸榫(150)的基部(124)的开口(156)。螺母(170)被配置成可螺纹联接到翼型件上的凸榫(150)上的外螺纹螺柱(154)，以将护罩(120)联接到翼型件。

Description

使用具有外螺纹螺柱的凸榫和螺母的翼型件护罩组件

背景技术

本公开整体涉及涡轮机，并且更具体地讲，涉及翼型件护罩组件，该翼型件护罩组件包括具有外螺纹螺柱的凸榫以用于将翼型件护罩联接到涡轮机中的翼型件。

涡轮机包括一排或多排翼型件，其包括包含固定翼型件的定子叶片以及包含旋转翼型件的转子桨叶或轮叶。涡轮机可以采用各种形式，诸如燃气涡轮、喷气发动机、蒸汽涡轮和压缩机。例如，燃气涡轮系统可以包括位于前部的轴流式压缩机、位于中部附近的一个或多个燃烧器、以及位于后部的涡轮。例如，轴流式压缩机具有一系列级，其中每级包括一排转子桨叶，其后面是一排固定定子叶片。因此，每个级通常包括一组转子桨叶和定子叶片。在轴流式压缩机中，转子桨叶增加通过入口进入的流体的动能，并且定子叶片通过扩散将流体的增加的动能转换成静压。因此，两组翼型件在增加流体压力方面起着至关重要的作用。在其他形式的涡轮机中观察到类似的动力学，其中当定子叶片将工作流体的动能引导到转子桨叶中时，通过入口进入涡轮机的工作流体的动能被转子桨叶转换成旋转能量。在任何系统中，工作流体的类型可以取决于涡轮机的类型而变化，例如，压缩机中的空气、燃气涡轮中的燃烧气体、蒸汽涡轮中的蒸汽等。

在定子叶片的情况下，该组翼型件连接在翼型件的基部处以形成区段，并且可还通过内护罩连接到区段中的相邻翼型件。在许多应用中，制造一体的基部、定子叶片和叶片护罩是不实际的。因此，区段中的每个定子叶片可以独立地制造，通常包括一体的基部部分，并且组装成整套。护罩可以被制造为附接到定子叶片的面向内端部的一个或多个单独部件。在一些实施方案中，为每个定子叶片提供单个叶片护罩。在其他实施方案中，多个相邻定子叶片可以附接到多叶片护罩。多个相邻定子叶片的联接可以帮助解决涡流爆裂或破坏，这是旋流工作流体的流动结构在工作流体移动通过涡轮机时的突然变化，其可能导致机器中的不期望振动。在一些涡轮机(诸如轴流式压缩机)中，涡流爆裂可能对悬臂式固定叶片提出挑战，因为它会妨碍在某些寒冷环境温度和/或零件负载状况下的操作。

定子叶片、叶片护罩和一个或多个附加的附接部件(诸如螺栓、衬套、垫圈、螺母和其他部件)可以被称为叶片护罩组件。叶片和护罩可以各自包括用于彼此接合和附接的特征结构。在一些布置中，叶片包括凸榫或从翼型件端部延伸的延伸部，其延伸到护罩中的兼容开口中和/或延伸通过该兼容开口，并且衬套也插入护罩的开口中并且通过联接到凸榫的外螺纹螺栓固定以将护罩附接到叶片。通过这种类型的布置在固定叶片上组装护罩可能对较小涡轮机构成挑战，因为空间限制妨碍了容易接近。一种当前方法采用小的外螺纹螺栓，其拧入固定叶片上的内螺纹凸榫以将护罩保持到叶片。这种方法难以在较小涡轮机内的小空间中实现，并且存在关于耐久性的担忧。

发明内容

本公开的第一方面提供了翼型件和护罩组件，包括：翼型件，该翼型件包括根端、自由端和从自由端延伸的凸榫，该凸榫包括基部和从基部延伸的外螺纹螺柱；护罩，该护罩包括被配置成接收凸榫的基部的开口；以及螺母，该螺母被配置成可螺纹联接到翼型件上的凸榫上的外螺纹螺柱，以将护罩联接到翼型件。

本公开的第二方面提供了用于涡轮机的叶片，该叶片包括：翼型件主体，该翼型件主体包括自由端和根端，该根端被配置成安装到涡轮机的外部壳体；以及凸榫，该凸榫从翼型件主体的自由端延伸，该凸榫包括：被配置成接收在护罩中的开口中的基部以及从基部延伸的外螺纹螺柱。

本公开的第三方面提供涡轮机，包括：外部壳体，该外部壳体围绕转子；多个叶片，每个叶片包括：具有联接到外部壳体的径向外端并且朝向转子向内延伸到径向内端的翼型件主体，以及从径向内端延伸的凸榫，该凸榫包括基部和从基部延伸的外螺纹螺柱；护罩，该护罩包括用于接收一组多个叶片中的每一个的凸榫的基部的多个开口；以及螺母，该螺母可螺纹联接到凸榫上的外螺纹螺柱中的每一个以将护罩联接到该组多个叶片。

本公开的第四方面涉及叶片和护罩组件，包括：叶片，该叶片包括翼型件主体，该翼型件主体包括根端、自由端和从自由端延伸的凸榫，其中根端被配置成联接到涡轮机的外部壳体，并且自由端朝向涡轮机的转子径向向内延伸，并且其中凸榫包括基部和从基部延伸的外螺纹螺柱；护罩，该护罩包括开口；衬套，该衬套具有用于接收凸榫的基部的第一内部开口、允许外螺纹螺柱穿过其中的第二内部开口、以及被配置成接合护罩中的开口的内表面的外表面；以及螺母，该螺母被配置成可螺纹联接到翼型件主体上的凸榫上的外螺纹螺柱，以将护罩联接到翼型件。

本公开的示例性方面被设计成解决本文描述的问题和/或未讨论的其他问题。

附图说明

从结合描绘本公开的各种实施方案的附图的对本公开的各个方面的以下详细描述，将更容易理解本公开的这些和其他特征，其中：

图1是以燃气涡轮系统形式的示例性涡轮机的示意图。

图2是可与图1中的燃气涡轮一起使用的示例性压缩机组件的横截面图示。

图3是根据本公开的实施方案的用于单个翼型件主体的翼型件护罩组件的前视图。

图4是根据本公开的实施方案的用于多个翼型件主体的翼型件护罩组件的前视图。

图5是根据本公开的实施方案的翼型件护罩组件的放大横截面图。

图6是根据本公开的另一个实施方案的翼型件护罩组件的放大横截面图。

图7是根据本公开的另一个实施方案的翼型件护罩组件的放大横截面图。

图8是根据本公开的实施方案的用于多个翼型件主体的翼型件护罩组件的分解透视图。

应当注意，本公开的附图未按比例绘制。附图旨在仅描绘本公开的典型方面，并且因此不应当被视为限制本公开的范围。在附图中，类似的编号表示附图之间的类似的元件。

具体实施方式

作为初始事项，为了清楚地描述当前公开，当引用和描述涡轮机内的相关机器部件时，将有必要选择某些术语。在这样做时，如果可能的话，通用的行业术语将以与其接受含义一致的方式进行使用和采用。除非另有说明，否则应当对此类术语给出与本申请的上下文和所附权利要求书的范围一致的广义解释。本领域的普通技术人员将理解，通常可以使用若干不同或重叠的术语来引用特定部件。本文中可描述为单个部分的物体可以包括多个部件并且在另一个上下文中被引用为由多个部件组成。可替代地，本文中可描述为包括多个部件的物体可在别处称为单个部分。

此外，本文中可能会定期使用若干描述性术语，并且在本节开始时定义这些术语应当证明是有帮助的。除非另有说明，否则这些术语以及其定义如下。如本文所用，“下游”和“上游”是指示相对于流体流动的方向的术语，诸如通过涡轮发动机的工作流体，或者例如通过压缩机的空气流。术语“下游”对应于流体流动方向，并且术语“上游”是指与流动相反的方向。在没有任何进一步的特殊性的情况下，术语“前”和“后”是指方向，其中“前”是指发动机的前端或压缩机端，并且“后”是指发动机的后端或涡轮机端。通常需要描述相对于中心轴线处于不同径向位置的零件。术语“径向”是指垂直于轴线的移动或位置。在诸如此类的情况下，如果第一部件比第二部件更靠近轴线驻留，则本文将说明第一部件是第二部件的“径向向内”或“内侧”。另一方面，如果第一部件比第二部件更远离轴线驻留，则本文可以说明第一部件是第二部件的“径向向外”或“外侧”。术语“轴向”是指平行于轴线的移动或位置。最后，术语“圆周”是指围绕轴线的移动或位置。应当理解，此类术语可以相对于涡轮的中心轴线应用。

在元件或层被称为“开启”、“接合”、“脱离”、“连接到”或“耦接到”另一个元件或层的情况下，它可直接位于其上、接合到、连接到或耦接到其他元件或层，或者可存在居间元件或层。相比之下，当元件被称为“直接位于其上”、“直接接合到”、“直接连接到”或“直接联接到”另一个元件或层时，可不存在居间元件或层。用于描述元件之间关系的其他词语应以类似的方式解释(例如，“在……之间”与“直接在……之间”，“相邻”与“直接相邻”等)。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。

如上所述，本公开提供了翼型件和护罩组件，该翼型件和护罩组件包括翼型件，该翼型件包括根端、自由端和从自由端延伸的凸榫。与常规组件相比，凸榫包括基部和从基部延伸的外螺纹螺柱。护罩包括被配置到凸榫底部的开口。螺母被配置成可螺纹联接到翼型件上的凸榫上的外螺纹螺柱，以将护罩联接到翼型件。翼型件和护罩组件提供更强和更耐用的联接。此外，翼型件护罩组件减小涡流爆裂并且抑制对二次流振动的响应，并且减小寒冷环境或零件负载操作对某些涡轮机(诸如轴流式压缩机)的影响。

图1是以燃气涡轮系统100的形式的示例性涡轮机的示意图。系统100包括压缩机102和燃烧器104。燃烧器104包括燃烧区域105和燃料喷嘴组件106。系统100还包括涡轮108和普通压缩机/涡轮轴110(有时称为转子110)。在一个实施方案中，发动机100是MS7001FB发动机(有时称为9FB发动机)，其可商购自南卡罗来纳州格林维尔的通用电气公司(General Electric Company,Greenville,S.C.)。本公开不限于任一个特定的发动机并且可以与其他燃气涡轮和涡轮机一起植入。

在操作中，空气流动通过压缩机102并且压缩空气被供应到燃烧器104。具体地，压缩空气被供应到燃料喷嘴组件106，该燃料喷嘴组件与燃烧器104成一整体。组件106与燃烧区域105流体连通。燃料喷嘴组件106还与燃料源(图1中未示出)流体连通，并且将燃料和空气引导到燃烧区域105。点燃燃烧器104并且燃烧燃料。燃烧器104与涡轮108流体连通，以便气体热能被转换成机械旋转能量。涡轮108可旋转地联接到转子110并且驱动该转子。压缩机102也可旋转地联接到轴110。

图2示出了可以与图1中的燃气涡轮系统100一起使用的示例性压缩机组件102的横截面图示。压缩机组件102包括叶片112和转子桨叶114。每个叶片112保持在压缩机组件108中，通过径向外部根端118固定到外部壳体116，并且包括在径向内部自由端122上的护罩120。转子桨叶114包括固定到转子110的径向内部根端或基部124，以及自由径向外端126。将相对于叶片112形式的翼型件自由端122描述本公开的教导。在这种情况下，根端118被配置成联接到涡轮机的外部壳体116，并且自由端128朝向涡轮机的转子110径向向内延伸。然而，要强调的是，本公开的教导也可以适用于转子桨叶114的翼型件。另外，虽然将相对于压缩机组件108描述本公开的教导，但根据本公开的实施方案的翼型件护罩组件130可以应用于各种涡轮机，包括例如燃气涡轮组件、蒸汽涡轮、喷气发动机等。

图3和图4以各种视图示出了示例性翼型件护罩组件130。翼型件护罩组件130包括被组装和附接以将翼型件联接到护罩并且形成已安装的翼型件护罩组件130的各种部件。图3示出了用于单个翼型件主体132的翼型件护罩组件130，并且图4示出了用于多个翼型件主体132的翼型件护罩组件130。每个翼型件主体132包括用于固定联接到例如外部壳体116(图2)的一体根端或基部134。为简单起见，在大多数图中仅示出了单个翼型件护罩组件130，该翼型件护罩组件包括具有一体根端或基部134的单个翼型件主体132，而没有示出该组件将在实际安装中与其一起组装的环、相邻翼型件和其他涡轮机部件。

如图5的放大横截面图所示，翼型件护罩组件130包括翼型件主体132，该翼型件主体包括根端134(图3)、自由端142和从自由端142延伸的凸榫150。凸榫150包括基部152，并且与常规布置相比，具有从基部152延伸的外螺纹螺柱154。在一个实施方案中，如图5所示，护罩140包括开口156，该开口被配置成接收凸榫150的基部152，即基部152和/或外螺纹螺柱154穿过其中。在该实施方案中，基部152可以接合开口156的内表面158。可替代地，如图6所示，翼型件护罩组件130可以包括衬套160，该衬套具有用于接收凸榫150的基部152的第一内部开口162，以及被配置成接合护罩140中的开口156的内表面158的外表面164。衬套160可还包括允许外螺纹螺柱154穿过其中的第二内部开口166。衬套160提供其他部件之间的横向间隔，并且可以包括相邻部件之间的横向接触和非接触表面的各种配置。如图8中最佳所示，通过将开口156放置在翼型件主体132的凸榫150的基部152上方，将护罩140安装在自由端142上。在已提供的情况下，衬套160可以定位在凸榫150上方以围绕衬套160和基部152横向(例如，同心地)定位开口156。

翼型件护罩组件130还包括螺母170，该螺母被配置成可螺纹联接到翼型件主体132上的凸榫150上的外螺纹螺柱154以将护罩140联接到翼型件主体(或多个主体)132。螺母170可以包括具有内螺纹开口174的任何构件，该内螺纹开口被配置成与外螺纹螺柱154配合。在一个实施方案中，螺母170包括一体垫圈172；然而，如图7所示，在螺母170具有足够的直径以压靠衬套160或护罩140的情况下不需要一体垫圈。

开口156和基部152或衬套160的相互作用的尺寸被设计成允许通过表面接合的应力传递。在一个实施方案中，如图6所示，衬套160具有径向外表面168(相对于衬套的中心)，其直径D与一体垫圈172的直径相同以提供均匀力分布；然而这不是在所有情况下都必需的。

参考图8，如所指示的，护罩140可包括多个开口156，每个开口156被配置成接收相应翼型件主体132的凸榫150。虽然在护罩140中示出了五个开口156，但可以采用任何数量。如本领域应当理解的，多个护罩140可以被配置成围绕转子110形成完整环(图2)，并且将任何期望数量的单独翼型件主体132联接成任意数量组的翼型件主体132。

根据本公开的实施方案的涡轮机100可以包括围绕转子110的外部壳体116，以及多个叶片112(图2)，该多个叶片在其径向外端134处联接到外部壳体116(图1)并且朝向转子110向内延伸到其径向内部自由端142。每个叶片112包括：翼型件主体132，该翼型件主体具有联接到外部壳体116的径向外部根端134并且朝向转子向内延伸到径向内部自由端142；以及凸榫150，该凸榫从径向内端142延伸。如上所述，凸榫150包括基部152和从基部延伸的外螺纹螺柱154。护罩140包括多个开口156以接收一组多个叶片112中的每一个的凸榫150的基部152。例如图6中所示，翼型件护罩组件130可还包括衬套160，该衬套具有用于接收凸榫150的基部152的内部开口162，以及被配置成接合护罩140中的开口156的内表面158的外表面164。如图8所示，通过将开口156放置在翼型件主体132的凸榫150的基部152上方，将护罩140安装在自由端142上。在已提供的情况下，衬套160可以定位在凸榫150上方以围绕衬套160和基部152横向(例如，同心地)定位开口156。螺母170螺纹联接到凸榫150上的每个外螺纹螺柱154以用于将护罩140联接到该组多个叶片112。螺母170可以包括一体垫圈172。

应当理解，诸如护罩140、包括基部152和螺柱154的凸榫150的零件的表面可以在任何期望方向上成角度，以便于通过配合表面的安装和/或应力传递。翼型件护罩组件130的零件可以由适合其功能的任何材料制成，例如，超合金、合金等。虽然凸榫150、衬套160和护罩140中的开口156已经被示为大致圆形，但应当理解，任何两个部件之间的配合表面可以具有不同的配合形状，例如，多边形：正方形、矩形、六边形等；卵形或其他椭圆形；等等。另外，基部152和衬套160的配合第一内部开口162可以是如图所示的六边形，或者可以具有不同的配合形状，例如，多边形：正方形、矩形、六边形等；卵形或其他椭圆形；等等。

本公开的实施方案提供了翼型件护罩组件，其可以用于小尺寸系统并且具有足够的耐用性和强度，并且仍减小涡流破裂并且抑制由于二次流振动而引起的响应。

本文使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的并且不旨在限制本公开。如本文所使用，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确说明。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定存在该特征结构、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或者添加一个或多个其他特征结构、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组。“任选的”或“任选地”意指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，并且该描述包括事件发生的实例和事件不发生的实例。

如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可以允许变化的任何定量表示，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(诸如“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，范围限制可以组合和/或互换，此类范围被识别并且包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另有说明。应用于范围的特定值的“大约”适用于两个值，除非另外依赖于测量值的仪器的精度，否则可以指示一个或多个该值的+/-10％。

以下权利要求书中的所有装置或步骤加功能元件的对应结构、材料、动作和等同物旨在包括用于结合具体要求保护的其他要求保护的元件执行功能的任何结构、材料或动作。已经出于说明和描述的目的给出了对本公开的描述，但其并不旨在穷举或将本公开限制于所公开的形式。在不脱离本公开的范围和实质的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员将是显而易见的。选择和描述了实施方案以便最好地解释本公开的原理和实际应用，并且使得本领域的其他技术人员能够理解具有适合于预期的特定用途的各种修改的本公开的各种实施方案。

Claims (10)

1.一种翼型件和护罩(120)组件(102)，包括：

翼型件主体(132)，所述翼型件主体包括根端(118)、自由端(128)以及从所述自由端(128)延伸的凸榫(150)，所述凸榫(150)包括基部(124)以及从所述基部(124)延伸的外螺纹螺柱(154)；

护罩(120)，所述护罩包括被配置成接收所述凸榫(150)的所述基部(124)的开口(156)；和

螺母(170)，所述螺母被配置成可螺纹联接到所述翼型件主体(132)上的所述凸榫(150)上的所述外螺纹螺柱(154)，以将所述护罩(120)联接到所述翼型件。

2.根据权利要求1所述的组件(102)，还包括衬套(160)，所述衬套具有用于接收所述凸榫(150)的所述基部(124)的第一内部开口(162)、允许所述外螺纹螺柱(154)穿过其中的第二内部开口(166)、以及被配置成接合所述护罩(120)中的所述开口(156)的内表面(158)的外表面(164)。

3.根据权利要求2所述的组件(102)，其中所述螺母(170)包括一体垫圈(172)。

4.根据权利要求3所述的组件(102)，其中所述衬套(160)具有径向外表面(168)，所述径向外表面的直径与所述一体垫圈(172)的直径相同。

5.根据权利要求1所述的组件(102)，其中所述根端(118)被配置成联接到涡轮机(100)的外部壳体(116)，并且所述自由端(128)朝向所述涡轮机(100)的转子(110)径向向内延伸。

6.根据权利要求1所述的组件(102)，其中所述护罩(120)包括多个开口(156)，每个开口(156)被配置成接收相应翼型件主体(132)的所述凸榫(150)的所述基部(124)。

7.一种用于涡轮机(100)的叶片(112)，所述叶片(112)包括：

翼型件主体(132)，所述翼型件主体包括自由端(128)和根端(118)，所述根端(118)被配置成安装到所述涡轮机(100)的外部壳体(116)；和

凸榫(150)，所述凸榫从所述翼型件主体(132)的自由端(128)延伸，所述凸榫(150)包括：被配置成接收在护罩(120)中的开口(156)中的基部(124)以及从所述基部(124)延伸的外螺纹螺柱(154)。

8.根据权利要求7所述的叶片(112)，其中所述保持器包括所述涡轮机(100)的外部壳体(116)。

9.一种叶片(112)和护罩(120)组件(102)，包括：

叶片(112)，所述叶片包括翼型件主体(132)，所述翼型件主体包括根端(118)、自由端(128)以及从所述自由端(128)延伸的凸榫(150)，其中所述根端(118)被配置成联接到涡轮机(100)的外部壳体(116)，并且所述自由端(128)朝向所述涡轮机(100)的转子(110)径向向内延伸，并且其中所述凸榫(150)包括基部(124)以及从所述基部(124)延伸的外螺纹螺柱(154)；

护罩(120)，所述护罩包括开口(156)；

衬套(160)，所述衬套具有用于接收所述凸榫(150)的所述基部(124)的第一内部开口(162)、允许所述外螺纹螺柱(154)穿过其中的第二内部开口(166)、以及被配置成接合所述护罩(120)中的所述开口(156)的内表面(158)的外表面(164)；和

螺母(170)，所述螺母被配置成可螺纹联接到所述翼型件主体(132)上的所述凸榫(150)上的所述外螺纹螺柱(154)，以将所述护罩(120)联接到所述翼型件。

10.根据权利要求9所述的组件(102)，其中所述螺母(170)包括一体垫圈(172)。

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