CN111102074B - 用于燃气涡轮发动机的油底壳壳体 - Google Patents

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Abstract

一种用于燃气涡轮发动机的油底壳壳体设备包括：环形本体；以及围绕本体排列的多个保养管，各个保养管均具有与本体交叉的近端和相对的远端，各个保养管均具有与本体的内部连通的内端口；其中本体和保养管中的至少一个为整体全部的一部分。

Description

用于燃气涡轮发动机的油底壳壳体
本申请是申请日为2017年2月23日的发明专利申请“用于燃气涡轮发动机的油底壳壳体”(申请号：201710099545.6，申请人：通用电气公司)的分案申请。
技术领域
本发明涉及燃气涡轮发动机，更具体地涉及用于此类发动机的油底壳设备。
背景技术
燃气涡轮发动机包括一个或更多个轴，其安装成用于在通常滚动元件类型的若干轴承中旋转。轴承被包围在称为"油底壳(sump)"的封壳中，封壳加压且供有油流来用于润滑和冷却。
油底壳必须提供多个功能，包括轴承圈的物理安装、油和空气密封件的定位、润滑油至轴承的供应、清除用过的油、油底壳的加压、以及通风。
现有技术的油底壳壳体的一个问题在于，它们由独立构件(诸如壳体和用于不同功能的单独的管)构成。这需要以多种连结方法的较高的部件数目(或特征减少)，导致了高成本和重量，以及持久性和包装挑战。
发明内容
该问题由将多个功能整合到一件式结构中的油底壳壳体来解决。
根据本文所述的技术的一个方面，一种用于燃气涡轮发动机的油底壳壳体设备包括：环形本体；以及围绕本体排列的多个保养管(service tube)，各个保养管均具有与本体交叉的近端和相对的远端，各个保养管均具有与本体的内部连通的内端口；其中本体和保养管中的至少一个为整体全部的一部分。
根据本文所述的技术的另一个方面，一种涡轮发动机设备包括：成穿流关系设置的压缩机、燃烧器和涡轮；使转子和涡轮互连的轴；沿轴向位于压缩机与涡轮之间且沿径向位于燃烧器与轴之间的油底壳；以及油底壳壳体，其部分地限定油底壳的外边界，且包括：环形本体；以及围绕本体排列的多个保养管，各个保养管均具有与本体交叉的近端和相对的远端，各个保养管均具有与油底壳连通的内端口；其中本体和保养管中的至少一个为整体全部的一部分。
实施方案1. 一种用于燃气涡轮发动机的油底壳壳体设备，包括：
环形本体；以及
围绕所述本体排列的多个保养管，各个保养管均具有与所述本体交叉的近端和相对的远端，各个保养管均具有与所述本体的内部连通的内端口；
其中所述本体和所述保养管中的至少一个为整体全部的一部分。
实施方案2. 根据实施方案1所述的设备，其特征在于，所述保养管中的两个或更多个的所述远端在公共轴向位置处与所述本体交叉，以及所述两个或更多个保养管的相应内端口在不同轴向位置处与所述内部连通。
实施方案3. 根据实施方案1所述的设备，其特征在于，还包括从所述本体延伸的环形轴承支承臂。
实施方案4. 根据实施方案1所述的设备，其特征在于，还包括从所述本体延伸的至少一个环形密封支承臂。
实施方案5. 根据实施方案1所述的设备，其特征在于，所述本体限定从所述本体的前安装凸缘延伸至所述本体的环形清洁空气放出歧管的至少一个清洁空气放出通道。
实施方案6. 根据实施方案1所述的设备，其特征在于，所述保养管中的至少一个具有从所述至少一个保养管的所述近端沿周向转移的内端口。
实施方案7. 根据实施方案1所述的设备，其特征在于，所述本体包括连结至圆柱形后区段的圆锥形前区段。
实施方案8. 根据实施方案7所述的设备，其特征在于，所述保养管的所述远端与所述前区段交叉。
实施方案9. 根据实施方案1所述的设备，其特征在于，各个保养管均包括由空间分开的内管和外管。
实施方案10. 根据实施方案9所述的设备，其特征在于，各个保养管的所述内管均限定该保养管的所述内端口。
实施方案11. 一种涡轮发动机设备，包括：
成串流关系设置的压缩机、燃烧器和涡轮；
使转子和所述涡轮互连的轴；
沿轴向位于所述压缩机与所述涡轮之间且沿径向位于所述燃烧器与所述轴之间的油底壳；以及
油底壳壳体，其部分地限定所述油底壳的外边界，且包括：
环形本体；以及
围绕所述本体排列的多个保养管，各个保养管均具有与所述本体交叉的近端和相对的远端，各个保养管均具有与所述油底壳连通的内端口；
其中所述本体和所述保养管中的至少一个为整体全部的一部分。
实施方案12. 根据实施方案11所述的设备，其特征在于，所述油底壳壳体限定从所述压缩机经由所述本体传至所述涡轮的清洁空气放出流动路径。
实施方案13. 根据实施方案12所述的设备，其特征在于，所述本体限定从所述本体的前安装凸缘延伸至所述本体的环形清洁空气放出歧管的至少一个清洁空气放出通道。
实施方案14. 根据实施方案13所述的设备，其特征在于，还包括设置成与所述清洁空气放出歧管和所述涡轮流体连通的冷却空气传递结构。
实施方案15. 根据实施方案11所述的设备，其特征在于，所述保养管中的两个或更多个的所述远端在公共轴向位置处与所述本体交叉，以及所述两个或更多个保养管的相应内端口在不同轴向位置处与所述本体交叉。
实施方案16. 根据实施方案11所述的设备，其特征在于，还包括：
从所述本体延伸的环形轴承支承臂；以及
设置在所述轴承支承臂与所述轴之间的轴承。
实施方案17. 根据实施方案11所述的设备，其特征在于，还包括从所述本体延伸的至少一个环形密封支承臂。
实施方案18. 根据实施方案11所述的设备，其特征在于，所述保养管中的至少一个具有从所述至少一个保养管的所述远端沿周向转移的内端口。
实施方案19. 根据实施方案11所述的设备，其特征在于，所述本体包括连结至圆柱形后区段的圆锥形前区段。
实施方案20. 根据实施方案19所述的设备，其特征在于，所述保养管的所述远端与所述前区段交叉。
实施方案21. 根据实施方案11所述的设备，其特征在于，各个保养管均包括由空间分开的内管和外管。
实施方案22. 根据实施方案21所述的设备，其特征在于，各个保养管的所述内管限定该保养管的所述内端口。
附图说明
本发明可连同附图参照以下描述来最佳地理解，在附图中：
图1为示例性燃气涡轮发动机的示意性半截面视图；
图2为图1的燃气涡轮发动机的一部分的示意性半截面视图；
图3为图2中所示的油底壳的放大视图；
图4为油底壳壳体的前立面视图；
图5为图4的油底壳壳体的后立面视图；
图6为沿图5的线6-6截取的截面视图；
图7为沿图5的线7-7截取的截面视图；
图8为沿图5的线8-8截取的截面视图；
图9为沿图5的线9-9截取的截面视图；
图10为参照图5的油底壳壳体的部分截面的后立面视图；
图11为沿图5的线11-11截取的截面视图；以及
图12为沿图5的线12-12截取的截面视图。
零件列表
10 燃气涡轮发动机
11 环形壳
12 压缩机
14 燃烧器
16 气体发生器涡轮
18 喷嘴
20 叶片
22 轴
24 叶轮
26 扩散器
28 集合的内和外环形衬套
32 圆顶组件
34 盘
36 油底壳
38 轴承
40 密封组件
42 密封组件
42A 密封件
42B 密封件
43 空气流路径
44 壳体
45 本体
46 区段
48 区段
50 凸缘
52 凸缘
54 臂
54 臂
56 环
58 圈
60 圈
62 臂
64A 臂
64B 臂
66 通道
68 入口
70 歧管
72 导流件
76 导叶腔
78 孔
80 密封件
82 孔
200 管
202 管
203 端口
204 管
206 空间
208 端部
210 端部
300 管
302 管
303 端口
304 管
306 空间
308 端部
310 端部
400 管
402 管
404 管
406 空间
408 端部
410 通路
412 通路
500 管
502 管
503 端口
504 管
506 空间
508 端部
510 端部
600 管
602 管
603 端口
604 管
606 空间
608 端部
610 端部。
具体实施方式
参看附图，其中相同的参考标号表示各种图各处的相同元件，图1绘出了示例性燃气涡轮发动机10。所示实例为涡轮轴发动机。然而，本文所述的原理同样适用于涡轮螺旋桨、涡轮喷气和涡扇发动机，以及用于其它车辆或静止应用中的涡轮发动机。发动机10具有纵向中心线或轴线A，以及围绕轴线A沿周向且沿轴线A同轴地设置的外静止环形壳11。
如本文所使用的，用语"轴向"和"纵向"两者是指平行于轴线A的方向，而"径向"是指垂直于轴向方向的方向，且"切向"或"周向"是指相互垂直于轴向和切向方向的方向。如本文所使用的，用语"前方"或"前"是指经过或围绕构件的空气流中的相对上游的位置，且用语"后方"或"后"是指经过或围绕构件的空气流中的相对下游的位置。该流动方向由图1中的箭头"F"示出。这些方向用语仅用于便于描述，且不需要由此描述的结构的特定定向。
发动机10具有成串流关系布置的压缩机12、燃烧器14和气体发生器涡轮16。在操作中，压缩机12提供压缩的空气，其传入燃烧器14中，在该处，燃料被引入且焚烧来生成热燃烧气体。燃烧气体排放至气体发生器涡轮16，其包括成排的静止导叶或喷嘴18，后接成排的旋转叶片或轮叶20。燃烧气体在其中膨胀，且获得能量来经由轴22驱动压缩机12。
上文所述的构件构成工作的燃气涡轮发送机核心，其可与其它元件或模块组合来用于特定应用。例如，在涡轮轴应用中，工作涡轮(未示出)将设置在气体发生器涡轮16下游。工作涡轮将用于使燃烧气体进一步膨胀，且获得能量来驱动外部负载(诸如螺旋桨或变速箱)。
图2和3更详细示出了发动机10的核心区段。压缩机12构造成用于混合的轴向离心流体流。它包括安装成用于与轴22一起旋转的叶轮24。扩散器26收集从叶轮24排放的空气，且将其朝燃烧器14再引导。
燃烧器14分别包括内环形衬套28和外环形衬套30。衬套28,30在其上游端处由圆顶组件32且在其下游端处由涡轮喷嘴18连结。
环形涡轮盘34设置在燃烧器14下游。涡轮盘34承载旋转的涡轮叶片20。
沿轴向位于压缩机12与涡轮盘34之间且沿径向位于燃烧器14与轴22之间的环形容积称为"油底壳"36。轴22经过油底壳36，且使压缩机12和涡轮盘34互连。在油底壳36内，轴22安装在滚动元件轴承38中。轴承38由前密封组件40和后密封组件42界定。
油底壳壳体44设置在压缩机14与外轴22之间。油底壳壳体44执行许多功能，特别地它限定油底壳36的外边界，且提供轴承38和前密封组件40和后密封组件42的物理安装。后密封组件42包括密封件42A,42B。
如图2-5中所见，油底壳壳体44包括环形本体45(见图7)，其包括大体上截头圆锥形的前区段46和大体上圆柱形的后区段48。前安装凸缘50设置在前区段46的前端处，且例如使用机械紧固件来装固到扩散器26上。后安装凸缘52设置在后区段48的后端处，且例如使用机械紧固件来装固到涡轮喷嘴18上。
油底壳壳体44包括许多管、内部通路和结构元件，这将在下文中详细描述。
环形轴承支承臂54从本体沿径向向内延伸，且限定在其内侧端处的轴承安装环56。轴承安装环56收纳轴承38的外圈58。轴承38的内圈60安装到轴22上。
环形前密封支承臂62从轴承支承臂54沿轴向向前且沿径向向内延伸。前密封支承臂62承载前密封组件40的静止部分。前密封组件40的旋转部分安装到轴22上。在所示实例中，前密封组件40是非接触式密封件，诸如迷宫式密封件。
环形后密封支承臂64组件具有从轴承支承臂54沿轴向向后且沿径向向内延伸的两个间隔开的臂64A和64B。臂64A承载密封件42A的静止部分。密封件42A的旋转部分安装到轴22上。臂64B承载密封件42B的静止部分。密封件42B的旋转部分安装到轴22上。空气流路径43限定在臂64A和64B之间。在所示实例中，密封件42A和42B两者都是非接触式密封件，诸如迷宫式密封件。
如图4-6中所见，油底壳壳体44结合多个清洁空气放出通道66。这些围绕前区段46的外周排列，与下文所述的保养管交错。各个清洁空气放出通道66的前端具有与前安装凸缘50连通的入口68，前安装凸缘50继而又与扩散器26连通。各个清洁空气放出通道66的后端与围绕后区段48的外周延伸的清洁空气放出歧管70连通。
参看图3，包括导流件导叶74的环的环形导流件72连接到后区段48的后端上。两个构件协作地限定导流件腔76。清洁空气放出歧管70包括与导流件腔76连通的放气孔78的环。
环形前外密封件80安装到涡轮盘34的前面上，且包括入口孔82的环。流动路径被限定为从前外密封件80与涡轮盘34之间的入口孔82且因此进入涡轮叶片20。入口孔82与导流件72对准。在操作中，压缩机排放空气从扩散器26放出，行进穿过清洁空气放出通道66，进入清洁空气放出歧管，穿过导流件72，穿过前外密封件80后方的入口孔82，且最终进入其用于冷却的涡轮叶片20中。清洁空气放出歧管70、导流件72和前外密封件80仅为可用于将冷却空气从清洁空气放出通道66输送至涡轮或其它下游结构的冷却空气传递结构的实例。
油底壳壳体44结合保养管的径向阵列。这些保养管用于不同的功能目的，且因此具有不同的内部流动路径，这将在下文中详细阐释。将理解的是，保养管的数目、位置和功能仅为一个示例性构造。本发明的原理可应用于具有不同数目和类型的保养管的油底壳壳体。
本文所述的所有保养管的一个共同的特征在于其内部流动路径不是由其外部路线管理。在观察图7-12中所示的保养管中，可看到的是，所有保养管都在相同的轴向位置处与本体45的外部交叉，同时那些保养管的内端口在不同轴向位置处且以不同构造与本体45的内部交叉。
在所示实例中，如图5中所见，存在位于大致1点钟和11点钟位置处的标为200的两个油底壳通风管。图7示出了代表性的油底壳通风管200的截面视图。油底壳通风管200具有由空间206分开的内管202和外管204。油底壳通风管200的近端208与本体45交叉。由内管202限定的内端口203与油底壳36连通，且提供用于流出油底壳36的空气的流动路径，这大体上由标为"SV"的箭头示出。油底壳通风管200的远端210可联接到用于抽出通风空气的常规结构(未示出)。
在所示实例中，如图5中所见，存在大致位于三点钟和九点钟位置处的标为300的两个油底壳加压管。图8中示出了代表性的油底壳加压管300的截面视图。油底壳加压管300具有由空间306分开的内管302和外管304。油底壳加压管300的近端308与本体45交叉。由内管302限定的内端口303与油底壳36连通，且提供用于进入油底壳36的空气的流动路径，这大体上由标为"SP"的箭头示出。油底壳加压管300的远端310可联接到用于提供加压空气的常规结构(未示出)。
在所示实例中，如图5中所见，存在标为400且位于大致七点钟位置的油清除管。图9中示出了代表性的油清除管400的截面视图。油清除管400具有由空间406分开的内管402和外管404。油清除管400的近端408与本体45交叉。由内管402限定的内端口403与油底壳36连通，且提供用于油或油/空气混合物从油底壳36清除的流动路径，这大体上由标为"SC"的箭头示出。如图10中所见，油底壳壳体44可结合一个或更多个周向通路410，其形成油清除管400的近端408与内部油通路412之间的内部流动路径的一部分，内部油通路412从油清除管400沿周向偏移。油清除管400的远端410可联接到用于提供清除流的常规结构(未示出)。
在所示实例中，如图5中所见，存在标为500且位于大致六点钟位置处的油排出管。图11中示出了代表性的油排出管500的截面视图。油排出管500具有由空间506分开的内管502和外管504。油排出管500的近端508与本体45交叉。由内管502限定的内端口503与油底壳36连通，且提供用于油排离油底壳36的流动路径，这大体上由标为"OD"的箭头示出。油排出管500的远端510可联接到用于排出油的常规结构(未示出)。
在所示实例中，如图5中所见，存在标为600且位于大致四点钟位置处的一个供油管。图12中示出了代表性供油管600的截面视图。供油管600具有由空间606分开的内管602和外管604。供油管600的近端608与本体45交叉。由内管602限定的内端口603与油底壳36连通，且提供用于加压油供应至油底壳36的流动路径，这大体上由标为"OD"的箭头示出。供油管600的远端610可联接到常规供油结构(未示出)。
油底壳壳体10或其部分的全部或一部分可为单体、一件式或整体构件的一部分。适用于构成本文所述的设备的方法的非限制性实例被包含在授予Schick等人的美国专利申请公开案2015/0224743中，其在此通过引用并入。
上文所述的油底壳壳体具有相比于现有技术设计的若干利益。它将由于缺少焊接接头和相关联的应力集中而具有较低重量和稳健的疲劳寿命。它提供了与由多个构件构成的现有技术设计相比多个特征的更紧凑包装。它还结合了现有技术设计中未发现的放出空气冷却回路。
前文描述了用于燃气涡轮发动机的油底壳壳体。本说明书 (包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征和/或如此公开的任何方法或工艺的所有步骤可以以除此类特征和/或步骤中的至少一些互斥的组合外的任何组合来组合。
本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的各个特征可由用于相同、等同或类似目的的备选特征替换，除非明确另外指出。因此，除非明确另外指出，则公开的各个特征仅为普通的一系列等同或类似特征的一个实例。
本发明不限于前述(多个)实施例的细节。本发明延伸至本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的特征中新颖的一个、或任何新颖的组合，或延伸至如此公开的任何方法或工艺的步骤中的任何新颖的一个或任何新颖的组合。

Claims (21)

1.一种用于燃气涡轮发动机的油底壳壳体设备，包括：
环形本体，其包括连结至圆柱形后区段的圆锥形前区段；以及
围绕所述环形本体排列的多个保养管，各个保养管均具有与所述环形本体交叉的近端和相对的远端，各个保养管均具有与所述环形本体的内部连通的内端口，其中，各个保养管的所述近端与所述圆锥形前区段交叉；
其中所述保养管中的至少一个和所述环形本体为整体全部的一部分。
2.根据权利要求1所述的油底壳壳体设备，其特征在于，所述环形本体限定从所述环形本体的前安装凸缘延伸至所述环形本体的环形清洁空气放出歧管的至少一个清洁空气放出通道。
3.根据权利要求2所述的油底壳壳体设备，其特征在于，所述至少一个清洁空气放出通道直接流体联接至靠近所述前安装凸缘的扩散器。
4.根据权利要求2所述的油底壳壳体设备，其特征在于，所述至少一个清洁空气放出通道还直接流体联接至靠近所述清洁空气放出歧管的涡轮叶片的第一级。
5.根据权利要求1所述的油底壳壳体设备，其特征在于，所述保养管中的两个或更多个保养管的所述近端在公共轴向位置处与所述环形本体交叉，以及所述两个或更多个保养管的相应内端口在不同轴向位置处与所述内部连通。
6.根据权利要求1所述的油底壳壳体设备，其特征在于，还包括从所述环形本体延伸的环形轴承支承臂。
7.根据权利要求1所述的油底壳壳体设备，其特征在于，还包括从所述环形本体延伸的至少一个环形密封支承臂。
8.根据权利要求1所述的油底壳壳体设备，其特征在于，所述保养管中的至少一个具有从所述至少一个保养管的所述近端沿周向转移的内端口。
9.根据权利要求1所述的油底壳壳体设备，其特征在于，各个保养管均包括由空间分开的内管和外管。
10.根据权利要求9所述的油底壳壳体设备，其特征在于，各个保养管的所述内管均限定该保养管的所述内端口。
11.一种涡轮发动机设备，包括：
成串流关系设置的压缩机、燃烧器和涡轮；
使所述压缩机和所述涡轮互连的轴；
沿轴向位于所述压缩机与所述涡轮之间且沿径向位于所述燃烧器与所述轴之间的油底壳；以及
油底壳壳体，其部分地限定所述油底壳的外边界，且包括：
环形本体，其包括连结至圆柱形后区段的圆锥形前区段；以及
围绕所述环形本体排列的多个保养管，各个保养管均具有与所述环形本体交叉的近端和相对的远端，各个保养管均具有与所述油底壳连通的内端口，其中，所述保养管中的每一个的所述近端与所述圆锥形前区段交叉；
其中所述保养管中的至少一个和所述环形本体为整体全部的一部分。
12.根据权利要求11所述的涡轮发动机设备，其特征在于，所述油底壳壳体限定从所述压缩机经由所述环形本体传至所述涡轮的清洁空气放出流动路径。
13.根据权利要求11所述的涡轮发动机设备，其特征在于，所述环形本体限定从所述环形本体的前安装凸缘延伸至所述环形本体的环形清洁空气放出歧管的至少一个清洁空气放出通道。
14.根据权利要求13所述的涡轮发动机设备，其特征在于，还包括设置成与所述清洁空气放出歧管和所述涡轮流体连通的冷却空气传递结构。
15.根据权利要求13所述的涡轮发动机设备，其特征在于，所述至少一个清洁空气放出通道直接流体联接至靠近所述前安装凸缘的扩散器。
16.根据权利要求13所述的涡轮发动机设备，其特征在于，所述至少一个清洁空气放出通道还直接流体联接至靠近所述清洁空气放出歧管的涡轮叶片的第一级。
17.根据权利要求11所述的涡轮发动机设备，其特征在于，还包括：
从所述环形本体延伸的环形轴承支承臂；以及
设置在所述轴承支承臂与所述轴之间的轴承。
18.根据权利要求11所述的涡轮发动机设备，其特征在于，还包括从所述环形本体延伸的至少一个环形密封支承臂。
19.根据权利要求11所述的涡轮发动机设备，其特征在于，所述保养管中的至少一个具有从所述至少一个保养管的所述近端沿周向转移的内端口。
20.根据权利要求11所述的涡轮发动机设备，其特征在于，各个保养管均包括由空间分开的内管和外管。
21.根据权利要求20所述的涡轮发动机设备，其特征在于，各个保养管的所述内管限定该保养管的所述内端口。
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