CN1573053A - 涡轮机框架结构 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮机框架件(10)，其包括：a)环形内中心体(14)和b)与该内中心体(14)径向向外间隔开的环形外壳体(16)，以便限定在其间的环形流动通道(20)。多个大致径向延伸的且周向间隔的支杆(38)使内中心体(14)和外壳体(16)互连。该支杆(38)通过相应成对的连接螺栓(52)从而与该外壳体(16)连接，该连接螺栓延伸穿过该外壳体(16)并延伸到该支杆(38)内以便与柱螺母(54)接合。

Description

涡轮机框架结构
技术领域
本发明涉及一种用于旋转地支承涡轮机轴的涡轮机框架件。本发明尤其涉及一种包括内环中心体、外壳体、和多个在内环中心体和外壳体之间延伸的支杆的涡轮机框架件，其中该支杆通过螺栓连接到外壳体上，以便提供更轻质且具有足够刚度的框架结构。
背景技术
涡轮机例如为具有承载压缩机和涡轮的转轴的燃气涡轮发动机，该涡轮机的轴支承在轴承上，该轴承容纳在支承框架中。该支承框架包括轴承位于其中的内环中心体和限定该发动机的外表面的外环壳体。该中心体和壳体是同心的并且沿径向彼此间隔，以便限定环形的流动通道。
在内中心体和外壳体之间设置有多个大致径向延伸且周向间隔的部件，该部件使得该中心体和该壳体互连。当各部件固定地连接在一起时，各部件提供刚性的支承框架以便可旋转地支承驱动轴并且还可限定环形的流动通道。径向件具有截面为大致翼型的外表面，其中翼型形状的翼弦沿支承框架的大致轴向延伸，以便使得流动干扰最小化。
当用于燃气涡轮发动机的相对较冷部段(例如压缩机部段)时，支承框架可铸造成整体结构，或者由可焊接或以其它方式连接到一起的铸造件或金属薄板件制成，以便提供刚性框架。然而，在燃气涡轮发动机的较热部段中，例如在燃烧器的下游，其中支承框架支承涡轮驱动轴，通常向该径向件的内部提供冷却空气以便使热膨胀减小到最低程度。在涡轮部件的框架中该径向件通常由细长的结构支杆来限定，该支杆通过螺栓连接到一个或两个内中心体和外壳体上，并且支杆具有贯穿通道，以便允许冷却空气流动穿过支杆或围绕支杆流动。当使用这种结构支杆时，可围绕结构支杆设置翼型的外封壳或整流罩。
在一些涡轮框架结构中当结构支杆通过螺栓连接到外壳体或内中心体或连接到外壳体和内中心体上时，支杆端部可通过螺栓连接到U形件结构上。该U形件结构可通过螺栓或焊接固定到外壳体上或固定到内中心体上。在这种螺栓连接的框架结构中，使用四个连接螺栓将U形件连接到内中心体上或外壳体上是通常的，并且支杆端部可使用两个另外的连接螺栓连接到U形件上，以便获得支杆与U形件连接的刚度。在其它的结构布置中，支杆包括通过螺栓连接到支杆端部上的端盖，并且该端盖又通过螺栓连接到内中心体或外壳体上，这些结构布置涉及使用多达八个的连接螺栓。使用大量的连接螺栓来组装涡轮机框架件的部件将导致框架组装和拆卸时间的增加，并且这还使得总的框架结构增加相当多的重量。因此，需要提供一种涡轮机支承框架结构，其在框架承受的运行环境中提供所需的强度和刚度，同时使得框架结构的总重量减至最小。
发明内容
依据本发明的一个方面，提供了一种涡轮机框架件，其包括：用于容纳和支承耐摩擦的轴承以便可旋转地支承轴的环形内中心体；围绕该内中心体并且与该内中心体径向向外间隔开的环形外壳体，以便限定在其间的环形流动通道，其中该外壳体是锥形形式的；多个大致径向延伸的且周向间隔的支杆，其定位在该内中心体和该外壳体之间并使其互连，以便提供大致刚性的涡轮机框架。该支杆具有外端表面并通过多个连接螺栓与该外壳体连接，该连接螺栓向内延伸穿过该外壳体并延伸到形成在该支杆内的螺栓接收开口中。柱螺母承载在该支杆内，以便与相应的连接螺栓配合接合，使得在该支杆的径向外端与该外壳体的内表面之间形成紧密的互连。
附图说明
以下将结合详细描述并参照附图将更好地理解本发明的结构、操作、和优点，在附图中：
图1是典型的涡轮机框架结构的四分之一的侧视图；
图2是沿流动方向向下游观察的涡轮机框架的实施例的分解透视图，其示出了通过螺栓连接到壳体和中心体上的支杆；
图3是沿上游方向观察的图2所示的涡轮机框架的分解透视图；
图4是图2所示的涡轮机框架的轴向截面的分解截面图；
图5是图2所示的U形件结构的顶视分解透视图；以及
图6是沿图2的线6-6截取的截面图。
具体实施方式
参照附图，特别是参照图1，其总体上示出了典型的涡轮机框架结构10的四分之一。该结构是具有中心轴线12和内环中心体14的环形结构，该内环中心体容纳(未示出的)耐摩擦轴承，该轴承可以是滚珠轴承或滚柱轴承，以便可旋转地支承(未示出的)驱动轴，该驱动轴在压缩机和轴流式涡轮之间延伸。环形外壳体16定位在内中心体14的径向外侧，该外壳体与内中心体同心并且其直径大于内中心体14的直径。多个大致径向延伸且周向间隔开的支杆18在内中心体14与外壳体16之间延伸并且使它们互连，以便限定框架结构10。支杆18的截面通常具有流线型的翼型形状，并且该支杆的翼弦大致沿该涡轮发动机的纵向轴线方向延伸，以便将对于流经在内中心体14与外壳体16之间限定的环形流动通道20的气体的自由流动的干扰减至最小。依据用于支承驱动轴的轴承的数量，涡轮发动机可具有三个或多个沿发动机纵向轴线彼此间隔开的框架件。
在本文中所使用的术语“轴向”指的是与该涡轮发动机的纵向轴线和框架件的中心轴线平行或大致平行的方向。相似地，术语“径向”指的是相对于该发动机的纵向轴线成大致径向的方向，并且术语“切向”指的是相对于该发动机的纵向轴线大致横截定向的方向。
改进的涡轮机框架结构的实施例在图2和3中示出，该框架结构将使得多个结构元件互连所需的连接螺栓的数量减至最小。环形内中心体22包括轴向延伸的内环24、与内环24径向向外间隔开的轴向延伸的同心外环26、以及一对轴向间隔的径向延伸侧壁28，以便形成封闭的中空环。连接件30包括一对轴向间隔开的径向延伸的U形件32、34，该连接件承载在外环26的最外表面上。连接件30可与外环26的最外轴向延伸表面通过例如铸造整体地形成，或者其可以是分开的元件，且焊接到外环26的最外轴向延伸表面上。可替换的是，连接件30可以是分开的元件，且通过螺栓连接到外环26的最外轴向延伸表面上。U形件32、34均包括一对对准的通孔，该通孔相对于该框架中心轴线沿切向延伸，以便接收相应的连接螺栓36，从而将结构支承支杆38连接到内中心体22上。有利的是，连接螺栓36是膨胀螺栓，以便正确地与支杆38中的径向最内的连接螺栓对准，其中对应的贯穿螺栓设置在U形件32和34上。
在图4的截面图中，支杆38是细长的中空管状件，其具有大致矩形的截面并且包括内轴向通道40，该通道完全地沿支杆38且穿过支杆在支杆的纵向上延伸。通道40允许冷却空气流经支杆38，并且其还允许管状导管穿过其中，这种导管例如为图6所示的导管42，其用于输送用于(未示出的)与内中心体22相关的轴承的润滑油。支杆38从与内中心体22连接的连接件30径向向外延伸，以便与外壳体44的内表面接触并与外壳体互连。如图所示，外壳体44是相对于内中心体22的中心轴线沿轴向倾斜的环形件。或者，支杆38的最外端部表面46可相似地沿框架的轴向倾斜，以便符合外壳体44的内表面的倾斜度，使得支杆38与外壳体的内表面直接地无间隙地接触。
一对轴向间隔的横截延伸的通孔48靠近支杆38的径向最外端部，每一通孔在支杆38的径向最外表面内间隔开。一对孔50从支杆端部表面46向内延伸，以便与相应的通孔48连通。通过穿过形成在外壳体44内的相应的螺栓开口的连接螺栓52来实现支杆38与外壳体44的连接。螺栓52延伸穿过孔50并延伸到相应的通孔48中。在外壳体中的螺栓开口与孔50在支杆38的上端对准，以便连接螺栓52的杆延伸穿过外壳体螺栓开口并延伸到通孔48中。
如图3所示，柱螺母54定位在每一通孔48中，该柱螺母具有曲率大致对应于通孔48的曲率的表面。在这一点上，通孔48具有足够大的直径，以便接收连接螺栓52的外端部。为了本发明的应用，术语“柱螺母”指的是具有半圆柱体形式的带有半固截面的螺母，如图3的端视图所示。柱螺母54包括螺纹孔，该螺纹孔从大致柱形的外表面穿过半圆的柱体向内延伸以便终止在平的大致直径方向的内表面上。
如图2和3所示，外壳体44在其朝外的表面上可包括一个或多个朝外延伸的凸台56，其具有螺纹开口，以便将另外的或辅助的部件装接到外壳体44的外侧上。例如，通过延伸到凸台56中的螺纹开口内的螺栓，冷却空气集管可装接到外壳体44上，以便冷却空气引入到支杆38的内部。
图5示出了连接件30的放大分解图，该连接件具有一对并排的U形件32、34，以便接收支杆38的径向内端。连接件30包括成对的对准开口60、62，连接螺栓36延伸穿过该开口，以便固定地将支杆38连接到连接件30上。通孔58设置在连接件30的底部中，以便使得支杆内通道40与内中心体22的内部连通，从而可提供冷却空气流动通路。
图6示出了图2和3所示的框架件的截面图，其组装到环绕结构上以便提供燃气涡轮发动机的涡轮框架。气动形状的外壳体或整流罩64在内中心体22和外壳体44之间围绕支杆38设置，以便限定平滑的平缓的曲线形的气动外表面，使得对于来自环形上游通道66的流经整流罩64的热空气的流动干扰和紊流程度减至最小。另外，如图6所示，润滑油导管42延伸穿过外壳体44、支杆38的内通道40、并延伸到且穿过内中心体22。
冷却空气集管68安装在外壳体44的外表面上，该集管与冷却空气源连通，例如与上游压缩机级连通。如图2、3所示，外壳体44包括与支杆38内的内通道40对准的开口70。冷却空气可引入到集管68中，以便流入并流经支杆内通道40，从而流到由内中心体22限定的环形空间内，以冷却轴承。
尽管仅示出了单个支杆，但是本领域的普通技术人员应当理解，多个这种支杆可沿周向定位，以便提供如图1所示的具有总结构的整个框架结构。
所描述的框架结构可使得由独立部件形成坚固的刚性框架。与先前的结构相比，其还提供了具有最少数量的连接螺栓的框架结构，以便获得更轻质的框架总重量。另外，因为外壳体相对于发动机纵向轴线是倾斜的，所以，尽管其作为支承支杆的径向外表面，但是支杆与外壳体的螺栓连接可以形成无间隙的互连。在这一点上，当连接支杆的径向外表面和外壳体的内表面的螺栓紧固时，螺栓抵靠外壳体拉紧支杆的端部。如果外壳体是柱形形式的并且相对于发动机纵向轴向不倾斜，则难以在外壳体上实现紧密的无间隙的互连，这是因为在径向上的制造公差将导致部件不能精确配合以提供无间隙的互连。
尽管在以上的详细描述中参照优选实施例描述了本发明，但是本领域的普通技术人员应当理解，本发明不限于所示的实施例，并且在不脱离由后附的权利要求限定的本发明的范围内的情况下，可进行许多附加和变型。因此，本发明仅由后附的权利要求及其等效形式来限定。
部件表
10    框架件
12    中心轴线
14    内中心体
16    外壳体
18    支杆
20    流动通道
22    内中心体
24    内环
26    外环
28    侧壁
30    连接件
32    U形件
34    U形件
36    连接螺栓
38    支杆
40    支杆通道
42    导管
44    外壳体
46    支杆端部表面
48    支杆顶部通孔
50    朝内孔
52    连接螺栓
54    柱螺母
56    凸台
58    通孔
60    开口
62    开口
64    整流罩
66    环形通道
68    冷却空气集管
70    开口

Claims (10)

1.一种涡轮机框架件(10)，其包括：
a)用于容纳和支承耐摩擦的轴承以便可旋转地支承轴的环形内中心体(14)；
b)围绕该内中心体(14)并且与该内中心体(14)径向向外间隔开的环形外壳体(16)，以便限定在其间的环形流动通道(20)，其中该外壳体(16)是锥形形式的；以及
c)多个大致径向延伸的且周向间隔的支杆(38)，其定位在该内中心体(14)和该外壳体(16)之间并使其互连，以便提供大致刚性的涡轮机框架，其中该支杆(38)具有倾斜的径向外端表面并通过多个连接螺栓(52)从而与该外壳体(16)连接，该连接螺栓向内延伸穿过该外壳体(16)并延伸到形成在该支杆(38)内的螺栓接收开口(48)中，并且柱螺母(54)承载在该支杆(38)内，以便与相应的连接螺栓(52)配合接合，使得在该支杆(38)的径向外端与该外壳体(16)的内表面之间形成紧密的互连。
2.如权利要求1所述的涡轮机框架件(10)，其特征在于，该支杆(38)是中空的并且包括穿过其中的纵向延伸的流动通道(40)。
3.如权利要求1所述的涡轮机框架件(10)，其特征在于，该支杆(38)通过螺栓连接到该内中心体(14)上。
4.如权利要求3所述的涡轮机框架件(10)，其特征在于，内中心体螺栓(36)是膨胀螺栓。
5.如权利要求1所述的涡轮机框架件(10)，其特征在于，该支杆(38)与该内中心体(14)通过与该中心体成一体的连接件(34)从而连接。
6.如权利要求1所述的涡轮机框架件(10)，其特征在于，连接螺栓(52)大致垂直于该外壳体(16)的外表面延伸。
7.如权利要求1所述的涡轮机框架件(10)，其特征在于，其包括围绕并封装该支杆(38)的气动形状的外整流罩(64)。
8.如权利要求1所述的涡轮机框架件(10)，其特征在于，该柱螺母(54)具有大致半圆的截面。
9.如权利要求1所述的涡轮机框架件(10)，其特征在于，该柱螺母(54)具有与该螺栓接收开口(48)接触的曲线形表面。
10.如权利要求9所述的涡轮机框架件(10)，其特征在于，该螺栓接收开口(48)具有的曲率对应于该柱螺母(54)的曲线形表面的曲率。
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