提供調節水平的支撐剛度的過渡管支撐件及方法與流程

2023-05-22 23:16:56 2

所公開的實施例總的涉及渦輪發動機，比如燃氣渦輪發動機。更具體地，所公開的實施例涉及在渦輪發動機的燃燒室部段中的過渡管，並且，再更加具體地，涉及用於支撐渦輪發動機中的過渡管的出口框架的裝置和方法。

背景技術：

現有技術的發展，高效渦輪發動機，比如燃氣渦輪發動機，要求日益增加的燃燒溫度以降低操作的成本，如會涉及從所消耗的燃料中汲取最大量的有用動力，同時減少燃燒排放物，比如nox排放物。在這類渦輪機中，燃燒系統的支撐和密封結構應能夠適應這樣的較高的燃燒溫度，而不對相關部件過度加壓。結合用於支撐過渡管的出口框架的一種已知系統參考美國專利7,584,620。

附圖說明

圖1是根據本發明的方面可被構造成給過渡管的出口框架提供調節水平的剛度支撐的過渡管支撐裝置的第一非限制性實施例的透視圖。

圖2是實施本發明的多個方面的過渡管支撐裝置的第二非限制性實施例的透視圖。

圖3是實施本發明的多個方面的過渡管支撐裝置的第三非限制性實施例的透視圖。

圖4是實施本發明的多個方面的過渡管支撐裝置的第四非限制性實施例的透視圖。

圖5是實施本發明的多個方面的過渡管支撐裝置的第五非限制性實施例的透視圖。

圖6是實施本發明的多個方面的過渡管支撐裝置的第六非限制性實施例的透視圖。

圖7到圖10圖示可構造成實現相應調節水平的剛度支撐的通孔的相應的非限制性示例構造。

圖11是實施本發明的多個方面的過渡管支撐裝置的第七非限制性實施例的透視圖。

圖12是實施本發明的多個方面的過渡管支撐裝置的第八非限制性實施例的透視圖。

圖13到圖18是相應的頂視圖，圖示了構造成實現相應調節水平的剛度支撐的變化的截面輪廓的相應的非限制性示例構造。

圖19和圖20圖示了相應的透視圖，其中實施本發明的多個方面的過渡管支撐裝置的中心部段和加強件包含可固定到支持件的結構，其中圖19是這類部段的分解視圖，圖20是這類部段的組裝視圖。

圖21是比如燃氣渦輪發動機的燃燒渦輪發動機的一個非限制性實施例的簡化示意圖，其可從本發明的公開實施例中受益。

圖22和圖23分別圖示了如下的非限制性的對比繪圖：模擬的在利用現有技術支撐件的過渡件的出口框架上的應力分布（圖22）對比模擬的在包含實施本發明的多個方面的支撐裝置的過渡件的出口框架上的應力分布（圖23）。

圖24是實施本發明的多個方面的過渡管支撐裝置的非限制性實施例，其中能夠可選地採用一個或多個鉸鏈以提供繞出口框架的相應的軸線的期望量的彎曲柔度（例如，剛度降低）。

圖25圖示了能夠可選地布置在圖20中圖示的過渡管支撐裝置中的鉸鏈的一個非限制性實施例。

圖26示意性地圖示了可在包含實施本發明的多個方面的支撐裝置的出口框架中取得的位移減小的一個非限制性示例。

具體實施方式

本發明的發明人認識到在比如燃氣渦輪發動機的渦輪發動機中的某些現有技術燃燒系統的背景下可能出現的一些問題。例如，在燃燒過程中通常出現的相對高的溫度梯度和機械載荷的情況下，例如在過渡管的相應的出口框架的角部中和在鄰近這類角部的過渡管的區域中觀察到伴隨的高應力。因此，會不利地影響這類現有技術的燃燒室系統中的過渡管的壽命。

至少基於這樣的認識，本發明人提出用於支撐渦輪發動機中的過渡管的相應的出口框架的創新的裝置和方法。所提出的裝置和方法可有效增強出口框架的外邊緣，並因此有效減小這類框架中的撓度，並可通過使這類應力恰當地重新分布（例如，散布）在不僅出口框架上而且在過渡管的區域上而進一步有效減小在過渡管的相應的出口框架的角部處另外觀察到的相對高的應力。

除了減小過渡管上的應力之外，相關部件，比如過渡件密封件，也可從所提出的裝置中受益。例如，由於所提出的裝置減小出口框架上的撓度，因此所提出的裝置有助於減小過渡件密封件上的機械載荷（例如，由於接觸）。另外，減小的應力和撓度可進而有助於燃燒空氣的改進利用，比如由於改進的洩漏減少，並且燃燒空氣的該改進利用進而可有助於nox排放物的減少。

所提出的裝置構造成給出口框架提供剛度，該剛度可被恰當地調節以例如滿足給定的燃燒室系統的期望的安裝剛度要求。例如，由所提出的裝置提供的安裝支撐應足夠地剛硬以例如衰減多餘水平的振動，該多餘水平的振動可導致到發動機的渦輪機部段的比如渦輪葉片載體（tvc）的固定結構的固定連接變松。相反地，由所提出的裝置提供的安裝支撐應足夠柔軟以例如適應熱生長，並因此避免由熱生長引起的裂隙形成。期望所提出的裝置提供顯著的通用性用於可靠且合算地調節（例如，調適）剛度，以恰當地滿足在渦輪發動機中的任何給定的過渡管的出口框架處的安裝需求。

在下列詳細描述中，陳述了各種特定細節，以便提供這些實施例的透徹理解。然而，本領域技術人員將理解：本發明的實施例可在沒有這些特定細節的情況下被實施，本發明不限於所繪的實施例，以及本發明可以以多種替代實施例被實施。在其他情況下，沒有詳細描述本領域技術人員將會容易理解的方法、過程和部件，以避免不必要且繁瑣的說明。

另外，可以以如下方式將不同操作描述為所執行的多個分離步驟，使得有助於理解本發明的實施例。然而，描述的順序不應被解釋為暗示這些操作需要按照它們出現的順序來執行，也非暗示這些操作甚至依賴於順序，除非另外表明。此外，短語「在一個實施例中」的重複使用不一定指相同實施例，儘管可以是。注意到，所公開的實施例不需要被解釋為互斥實施例，因為本領域技術人員可根據給定的應用的需求來恰當地組合這類公開實施例的方面。

如本申請中使用的，術語「包含」、「包括」、「具有」及類似術語意圖是同義的，除非另外表明。最後，如本文中使用的，短語「構造成」或「設置成」含有這樣的概念，即：在短語「構造成」或「設置成」之前的特徵是有意並特別地設計或製作成以指定的方式起作用或發揮功能，且不應被解釋成表示特徵只是具有以指定的方式起作用或發揮功能的能力或適用性，除非這樣表明。

圖1是根據本發明的方面可被構造成給過渡管14的出口框架12提供調節水平的剛度支撐的過渡管支撐裝置10的第一非限制性實施例的透視圖。在一個非限制性實施例中，過渡管14在其上遊端處包括用於與燃燒爐（未示出）界面接合的入口環16，並且過渡管14在其下遊端處包括用於與渦輪機部段（未示出）界面接合的出口框架12。

在一個非限制性實施例中，過渡管支撐裝置10包括居中設置的部段20，其包括用於接收固定裝置（例如，貫穿螺栓等）的一個或多個連接開口22以連接到發動機的渦輪機部段的固定結構（未示出），比如渦輪機葉片載體（tvc）。過渡管支撐裝置10進一步包括相對於居中設置的部段20徑向向內設置的加強件24。加強件24連接到居中設置的部段20並設置成給過渡管14中的出口框架12的外邊緣27提供支撐。加強件24構造成在過渡管14中的出口框架12的相互對置的角部30之間周向延伸。

支持件26可連接到居中設置的部段20並可朝著相互對置的角部30延伸以支撐加強件24的相應的端部32。支撐裝置10相對於過渡管14中的出口框架12的一個或多個軸線有效地提供相應調節水平的剛度支撐。如圖1中所示，非限制性示例參考系可包含周向軸線34、徑向軸線36和縱向軸線38。在一個非限制性實施例中，支撐裝置10可包括用於允許接近的至少一個接近開口40以執行組裝操作，比如可涉及與過渡件相關的元件，比如過渡件密封件等的固定/定位。

在一個非限制性實施例中，過渡管支撐裝置10可包含變化的截面輪廓（例如，三維變化的截面輪廓），其構造成相對於過渡管中的出口框架的一個或多個軸線實現相應調節水平的剛度支撐。例如，在一個非限制性實施例中，支持件26的相應的翼尖42可包含與支撐裝置10中的其他結構相比相對較薄的結構。

圖13到圖18是相應的頂視圖（例如，沿徑向軸線36，圖1），圖示了具有變化的截面輪廓的相應的非限制性示例構造，所述變化的截面輪廓可在支撐裝置10上構造成實現相應的調節水平的剛度支撐。變化的截面輪廓可進一步構造成滿足其他非限制性的實踐考慮因素，比如以允許過渡件密封件的固定、為密封支撐提供界面接合結構、或提供密封表面。

在一個非限制性的實施例中，如可在圖1中領會的，加強件24可構造成延伸到過渡管14的出口框架12的相互對置的角部30。然而，如可在圖2中領會的，加強件24不需要周向延伸達到過渡管14的出口框架12的相互對置的角部30，如以雙頭箭頭44的方式示意性表示的。將理解的是，支撐裝置的截面輪廓不需要包含變化的截面輪廓，如以上在圖1的上下文中論述的。

如本領域技術人員將理解的，例如可相對於徑向軸線和縱向軸線36、38提供的加強支撐可進而相對於繞周向軸線34的彎曲提供加強效果。在一些非限制性的應用中，可能期望調節（例如，調整）這樣的加強效果的水平。在一個非限制性實施例中，如可在圖2中領會的，周向延伸的凹口46可設置在中心部段10中。在替代實施例中，可在支持件26中布置進一步周向延伸的凹口46，如圖3中所示。

如圖24圖示的，代替這些凹口或與這些凹口組合地，能夠可選地設置一個或多個鉸鏈70以提供繞相應軸線的期望量的彎曲柔度（例如，剛度降低）。將理解的是，剛度程度、這類凹口和/或鉸鏈的取向和位置可基於對於出口框架的目標剛度水平而選擇。例如，基於給定應用的需求，另外的凹口和/或鉸鏈可設置成沿著徑向軸線36延伸，這將提供繞該軸線的彎曲柔性，如果這樣期望。

在一個非限制性實施例中，如圖4中圖示的，加強件24可構造成基於相對於過渡管中的出口框架的一個或多個軸線要提供的相應調節水平的剛度支撐而向外延伸到預定的徑向距離（由雙頭箭頭48示意性表示）。將理解的是，受到剛度和其他的實踐限制，可延伸加強件24的高度以實際上形成一體的板，如在圖6、11和12分別圖示的非限制性實施例中所圖示的。將理解的是，本發明的方面不限於任何特定類型的結構和/或製造樣式。例如，實施本發明的多個方面的過渡管支撐裝置可根據給定應用的需求來形成為層式的或非層式的複合結構。

將理解的是，實施本發明的多個方面的支撐裝置的幾何形狀可基於給定的安裝應用的需求而被調適。例如，提供給出口框架12的外邊緣27的周向支撐越大、以及/或者加強件24的徑向高度越大，這類特徵將給出口框架12提供相對越硬的剛性支撐，並因此在出口框架12上實現相對較高水平的應力減小。然而，在實際實施例中，任何人會需要注意其他的實踐制約，比如與支撐裝置自身的佔用空間要求和/或組裝操作有關的空間可利用性。如在圖11和圖12中可分別領會的，實施成板構造的支撐裝置可相似地從恰當定位的凹口51和/或鉸鏈中受益。例如，這類凹口和/或鉸鏈將有效調節繞周向軸線34的剛度水平。

在一個非限制性實施例中，可包括一個或多個調節通孔49（圖6、圖11、圖12），其可設置成相對於過渡管中的出口框架的一個或多個軸線實現相應水平的剛度支撐。圖7到圖10是相應的正視圖，圖示了可在支撐裝置10中構造成實現相應調節水平的剛度支撐的調節通孔的相應的非限制性示例構造。將理解的是，任何這類構造可被應用在構造接近開口40（圖1）的情境下。

圖5是一個非限制性實施例的透視圖，其中加強件24包含限定具有第一厚度和第一高度的第一加強件階層52的凹部50，並且其中凹部50進一步限定第二加強件階層54，該第二加強件階層比如相對於第一加強件階層54徑向向外設置。第二加強件階層54可具有第二厚度和第二高度。第一和第二加強件階層52、54的相應的厚度和高度可構造成相對於過渡管中的出口框架的一個或多個軸線實現相應調節水平的剛度支撐。例如，相對較厚的第二加強件階層54將有效增加繞縱向軸線和徑向軸線36、38的剛度支撐，而相對較薄的第一加強件階層52允許降低加強件24的質量總量。可選地，如以上論述地，凹口46或鉸鏈可被用來減小繞周向軸線34的剛度。本領域技術人員將理解的是，在第一和第二加強件階層的上下文中提供的前述描述應從示例的意義而不是從限制的意義上來解釋，因為本發明的方面不限於任何特定數目的加強件階層。

圖19和圖20圖示了相應的透視圖，其中實施本發明的多個方面的過渡管支撐裝置的加強件24和中心部段20可以以一體化結構（例如，板或其他適合的結構）形成，該一體化結構通過恰當的連接55（例如，通過焊接、釺焊等）可固定到支持件26。圖19是這類部段在固定到彼此之前的分解圖，圖20是這類部段的組裝視圖。該實施例對於改型應用會是有用的。將理解的是，該實施例不需要以板構造實施。例如，關於變化的截面輪廓在圖1的上下文中在以上描述的特徵可被應用於該實施例。

圖25是鉸鏈72的一個非限制性實施例的圖示，如果例如在給定的應用中繞周向軸線的進一步的彎曲柔度是期望的，鉸鏈能夠可選地設置在支撐裝置的中心部段中。將理解的是，圖25中所示的鉸鏈設置應從示例的意義而不是從限制的意義上來解釋，這是因為也可有效地採用其他鉸鏈布置結構。

在一個非限制性實施例中，剛度支撐的調節水平可在從足夠高來減小在渦輪發動機的高振動環境中出口框架位移的水平到足夠低來接受在渦輪發動機的高溫環境中出口框架的熱生長的水平的範圍中選擇。

在一個非限制性實施例中，加強件和/或支持件的構造可有效用於分散過渡管的出口框架和/或過渡管中的相鄰區域上的機械應力，從而降低在過渡管的出口框架和/或過渡管中的相鄰區域上的應力的相應峰值水平。在一個非限制性應用中，剛度支撐的相應的調節水平可基於過渡管的期望的振動模式。例如，剛度支撐的相應的調節水平可構造成避免過渡件的固有工作頻率的動態激勵。

圖21是比如燃氣渦輪發動機的燃燒渦輪發動機100的一個非限制性實施例的簡化示意圖，其可從本發明的公開實施例中受益。燃燒渦輪發動機100可包含壓縮機102、燃燒室104、燃燒腔106和渦輪機108。在操作期間，壓縮機102吸入周圍空氣並將壓縮空氣提供給擴散器110，擴散器將壓縮空氣傳輸給集氣室112，壓縮空氣通過集氣室傳輸到燃燒室104，燃燒室將壓縮空氣與燃料混合，並通過過渡件14將燃燒後的熱的工作氣體提供給渦輪機108，渦輪機可驅動發電設備（未示出）發電。軸114被示出將渦輪機108連接到傳動壓縮機102。本發明的公開實施例可被包括在燃氣渦輪發動機的每個過渡件（如過渡件14）中，以有利地取得過渡件的出口框架的可靠且合算的安裝剛度。安裝剛度可被恰當調節以例如滿足給定的燃燒室系統的安裝剛度需求。在操作中，這被期望來改進過渡管和比如過渡件密封件等的相關部件的壽命。

圖22和圖23分別圖示了以下非限制性的對比繪圖：模擬的在利用現有技術的支撐件（圖21）的出口框架上的應力分布對比模擬的在包含實施本發明的多個方面的支撐裝置的出口框架上的應力分布。在這些非限制性的繪圖中，可觀察到：與現有技術相比，具有實施本發明的多個方面的支撐裝置的出口框架上的峰值應力水平降低了30%。

圖26圖示了可在包含實施本發明的多個方面的出口框架中取得的位移減小的一個非限制性示例。前述出口框架和過渡件板上的峰值應力水平的降低與進一步的模擬數據是一致的，在一個非限制性示例中，該進一步的模擬數據表明：與具有現有技術支撐裝置的出口框架經受的撓度相比，沿著框架的縱向軸線和周向軸線的出口框架的相應的撓度（由箭頭76和78示意性表示）可經歷減小為大約1/3。

儘管以示例的形式公開了本公開的實施例，但是本領域技術人員將顯見的，在不偏離如在下列權利要求中陳述的本發明及其等同物的精神和範圍的情況下，可在其中作出許多修改、添加和刪除。