燃气涡轮护罩的支承装置

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燃气涡轮护罩的支承装置 \n技术领域\n[0001] [0001]本发明涉及燃气涡轮，尤其涉及燃气涡轮护罩(shroud)的支承件。 背景技术\n[0002] [0002]在燃气涡轮中(诸如用于发电的燃气涡轮)，为了获得提高的发动机效率，希望叶片能够在涡轮壳体或“护罩”内以减小的间隙旋转，以提供相对于可从膨胀工作流体获得的能量而言提高的效率。通常，通过在护罩与叶片尖端之间保持减小的阈值间隙可获得提高的操作效率，该减小的阈值间隙防止热气经过叶片尖端的不希望的“泄漏”。间隙增加可导致泄漏问题，并致使涡轮的整体效率降低。 \n[0003] [0003]作为涡轮中用于与热气通道接触的护罩材料的选择，陶瓷基复合材料具有优势。陶瓷基复合材料可经受较高的操作温度，并且适合用于燃气涡轮的热气通道。近来，熔融-渗透(melt-infiltrated)(MI)碳化硅/碳化硅(SiC/SiC)陶瓷基复合材料已经制成高温的静止构件，诸如燃气涡轮的护罩。由于其热容量的原因，与金属构件相比，陶瓷基复合材料的涡轮构件(诸如由MI-SiC/SiC复合材料制成的构件)通常便于降低冷却流量。 [0004] [0004]可以认识到，当各叶片经过护罩时，由于热气的压力脉冲，护罩要经受振动。此外，由于护罩接近高速旋转的叶片，故振动可能处于或接近共振频率，并因此需要减震来延长涡轮在长期的工业操作期间的预期寿命。陶瓷复合材料需要独特的附连并具有多种失效机制，诸如磨损、氧化、应力集中，以及当构造用于联接至金属构件的复合材料时对陶瓷复合材料的破坏。相应地，需要解决涉及陶瓷复合 材料的护罩与涡轮的金属构件的附连的动力学相关的问题，以将不利的模态响应(modal response)降低到最低程度。 发明内容\n[0005] [0005]本发明的实施例包括用于燃气涡轮护罩的支承装置。该装置包括具有可连接到燃气涡轮的壳体上的联接件的外护罩块，以及具有前凸缘和后凸缘的护罩构件。护罩构件通过前凸缘和后凸缘附连到外护罩块上。该装置还包括布置在外护罩块与护罩构件之间的减震器，以及布置在外护罩块中的偏压元件。减震器与外护罩块之间的移动自由度限定了减震器的移动方向。偏压元件通过减震器而可操作地连接在外护罩块与护罩构件之间，偏压元件的偏压力沿着减震器的移动方向。 \n[0006] [0006]本发明的另一实施例包括用于燃气涡轮护罩的支承装置，燃气涡轮具有旋转轴，旋转轴限定了与其垂直的径向方向。该装置包括具有可连接到燃气涡轮的外壳上的联接件的外护罩块，以及具有前凸缘和后凸缘的熔融-渗透陶瓷基复合材料的内护罩构件。熔融-渗透陶瓷基复合材料的内护罩构件通过前凸缘和后凸缘附连到外护罩块上。该装置还包括布置在外护罩块与熔融-渗透陶瓷基复合材料的内护罩构件之间的减震器。减震器与外护罩块之间的移动自由度限定了减震器的移动方向，该减震器的移动方向相对于燃气涡轮的径向方向形成大于零度的角度。该装置还包括偏压元件，其布置在外护罩块内并且通过减震器而可操作地连接在外护罩块与熔融-渗透陶瓷基复合材料的内护罩构件之间。偏压元件的偏压力沿着移动方向。 \n[0007] [0007]从以下结合附图提供的本发明优选实施例的详细描述，可以很容易地理解这些及其它优点和特征。 \n附图说明\n[0008] [0008]参照示范图，其中相同的构件在附图中使用相同的编号：\n[0009] [0009]图1显示根据本发明实施例的涡轮发动机的实施例的示意图； [0010] [0010]图2显示根据本发明实施例的护罩组件的等角分解组装图； \n[0011] [0011]图3显示根据本发明实施例的当从绕着涡轮轴线的周向方向观察时穿过图2的护罩组件的截面图； \n[0012] [0012]图4显示根据本发明实施例的当从轴向向前方向观察时穿过图2的护罩组件的截面图； \n[0013] [0013]图5显示根据本发明实施例的护罩表面的顶部透视图； \n[0014] [0014]图6显示根据本发明实施例的护罩组件的另一个等角分解组装图； [0015] [0015]图7显示根据本发明实施例的护罩的前凸缘部分和连接销的放大的截面图；以及 \n[0016] [0016]图8显示根据本发明实施例的图7的护罩的前凸缘部分和连接销的放大的端视图。 \n[0017] 零件列表： \n[0018] 序号部件 \n[0019] 20 涡轮发动机 \n[0020] 25 燃烧器 \n[0021] 30 燃气 \n[0022] 35 涡轮 \n[0023] 40 轴 \n[0024] 45 压缩机 \n[0025] 50 功率输出 \n[0026] 55 氧化剂气流 \n[0027] 60 压缩的氧化剂气流 \n[0028] 65 燃料流 \n[0029] 70 燃料供应系统\n[0030] 75 护罩组件 \n[0031] 80 护罩块 \n[0032] 85 护罩 \n[0033] 90 轴线 \n[0034] 95 前端 \n[0035] 100 后端 \n[0036] 103 逆时针旋转 \n[0037] 105 销 \n[0038] 110 销 \n[0039] 115 内表面 \n[0040] 120 突起图案 \n[0041] 125 壳体 \n[0042] 130 内壁 \n[0043] 135 T形钩 \n[0044] 140 沟槽 \n[0045] 145 稳压腔 \n[0046] 150 减震系统 \n[0047] 155 减震块/护罩界面(interface) \n[0048] 160 减震器载荷传递机构 \n[0049] 165 减震机构 \n[0050] 170 减震块 \n[0051] 175 向内朝向的表面 \n[0052] 180 向外朝向的表面 \n[0053] 183 周边 \n[0054] 185 上引导件 \n[0055] 190 引导表面 \n[0056] 195 引导表面 \n[0057] 200 导引表面 \n[0058] 205 导引表面 \n[0059] 207 侧面 \n[0060] 208 侧面 \n[0061] 210 杯形衬垫 \n[0062] 215 隔热衬垫 \n[0063] 220 偏压元件 \n[0064] 222 护罩块的第一部分 \n[0065] 225 杯状块 \n[0066] 230 冷却通道 \n[0067] 235 内部空腔 \n[0068] 240 开口 \n[0069] 250 排出塞 \n[0070] 255 埋头孔 \n[0071] 260 表面 \n[0072] 265 移动 \n[0073] 270 轴向分量 \n[0074] 275 径向分量 \n[0075] 280 密封表面 \n[0076] 283 后端 \n[0077] 285 密封件 \n[0078] 290 密封件保持界面 \n[0079] 295 间隙 \n[0080] 300 间隙 \n[0081] 305 曲折的流动通道 \n[0082] 310 凸缘部分 \n[0083] 315 孔 \n[0084] 310 前凸缘 \n[0085] 320 孔 \n[0086] 325 凹部 \n[0087] 330 头部 \n[0088] 335 间隙 \n[0089] 340 细长侧面 \n[0090] 345 界面 \n[0091] 350 后凸缘 \n[0092] 355 孔 \n[0093] 360 销孔 \n[0094] 365 保持孔 \n[0095] 370 保持销 \n[0096] 375 保持孔 \n[0097] 380 端部 \n[0098] 385 界面 \n具体实施方式\n[0099] [0017]本发明的实施例提供了一种护罩组件，其具有倾斜的减震块，以增强密封性和振动容限。本文所描述的附加特征可增强组件内的密封性并减小旋转叶片的操作间隙，以降低在旋转叶片之外产生的泄漏，由此提高发动机的操作效率。 \n[0100] [0018]图1显示涡轮发动机20(诸如燃气涡轮发动机20)的实施例的示意图。燃气涡轮发动机20包括燃烧器25。燃烧器25燃烧燃料-氧化剂的混合物，以产生高温高能燃气流30。然后，来自燃烧器25的燃气流30行进到涡轮35中。涡轮35包括涡轮叶片组件(未示出)。燃气流30将能量传递给叶片组件，从而使叶片组件旋转。叶片组件联接到轴40上。轴40响应叶片组件的旋转而旋转。然后轴40用来为压缩机45提供能量。轴40可以可选地给不同的输出装置(未示出)(诸如发电机)提供功率输出50。压缩机45吸入并压缩氧化剂流55。在氧化剂流55的压缩之后，压缩的氧化剂流60供入燃烧器25。来自 压缩机45的压缩的氧化剂流60与来自燃料供应系统70的燃料流65混合，以在燃烧器\n25内形成燃料-氧化剂的混合物。然后，燃料-氧化剂的混合物在燃烧器25中经历燃烧过程。 \n[0101] [0019]图2显示护罩组件75的等角分解组装图，该护罩组件75将参照图3和4以其截面图进一步进行说明。 \n[0102] [0020]图3和4显示护罩组件75，其包括外护罩块80或用于安装多个护罩85(诸如邻近涡轮叶片列(未示出)布置的静止护罩85)的主体。图3是沿周向方向的视图，其中高温高能燃气流30从左侧指向右侧地穿过发动机20，并且叶片(未示出)绕着轴40的轴线90旋转，轴40的轴线90限定了涡轮35和外护罩块80的轴线方向。相应地，高温高能燃气30的压力在外护罩块80的前端95(在从高温高能燃气30施加能量至叶片组件之前)大于后端100(在传递一些能量至叶片之后)。 \n[0103] [0021]图4是沿轴向向前的方向的视图，该轴向向前的方向与高温高能燃气流30穿过涡轮35的方向相反。例如，高温高能燃气流30从图4的页面中向外导出，这导致涡轮叶片绕着轴线90逆时针旋转103。叶片尖端(未示出)布置成紧密地邻近护罩85。叶片与护罩85之间的高温高能燃气30的任何泄漏均导致发动机20的操作效率的损失。例如，当叶片尖端与护罩85之间的间隙增加时，发动机20的效率降低。 \n[0104] [0022]参照图4，护罩块80优选地携带有三个单独的护罩85。可以认识到，多个护罩块80绕着轴线90以周向阵列的方式布置，并且安装有多个护罩85，它们包围并形成流过涡轮35的热气通道的一部分。护罩85由陶瓷复合材料制成，并由销105，110(参照图3可清楚地看到)固定到护罩块80上，而且具有与热气通道的高温高能燃气30接触的内表面115。 \n[0105] [0023]图5显示具有三个护罩85的图4的护罩组件75底部照片的形象再现。在实施例中，护罩85包括提供增强的高温性能的陶瓷 基复合材料(CMC)。CMC材料的实施例构思成包括环境隔离涂层(EBC)连同多向分层构造，诸如熔融-渗透碳化硅纤维增强型碳化硅陶瓷基复合材料(SiC/SiC CMC)。在实施例中，包括CMC材料的护罩85的内表面115还包括突起图案(raised pattern)120。已经发现，在护罩85的内表面115中结合突起图案120将增加内表面115的表面面积，并以类似于减小旋转叶片与护罩85之间的间隙的方式减少旋转叶片与护罩85之间的气流，由此提高了操作效率。在另一个实施例中，突起图案120包括可磨损的CMC材料，使得叶片尖端与可磨损的突起的CMC材料图案120发生干涉，或者通过磨损而从护罩85的内表面115上去除少量可磨损的突起的CMC材料图案120，由此在护罩85的内表面115中可提供减小间隙的曲率，该曲率紧密地匹配由于叶片尖端的旋转而形成的曲率。另外，使用可磨损的材料允许减小的间隙紧密地匹配由于叶片尖端旋转而形成的曲率，而不产生与在护罩85的内表面115中制造该曲率相关的复杂性和成本。 [0106] [0024]重新参照图3和4，外护罩块80装配到燃气涡轮35的壳体125(本文也称作“外壳”)中。护罩块80例如安装到壳体125上，其中壳体125从壳体125的内壁130朝向轴线90进一步径向向内延伸。T形钩135可布置成环形齿排，其接合沟槽140在外护罩块80的长度上延伸的相对侧，使得沟槽140提供与壳体125的T形钩135的联接。外护罩块80可以是在T形钩135上滑动的整体块，或者是在T形钩135上夹紧的一对左半块和右半块。各护罩块80装配到壳体125内的稳压腔(plenum cavity)145中，并邻近涡轮35的旋转部分。 \n[0107] [0025]外护罩块80可由足够耐高温的金属合金制成，以耐受燃烧排气的温度。金属外护罩块80中的一小部分(例如邻近护罩85的部分)可暴露于来自涡轮35流动通道中的高温高能燃气30。 \n[0108] [0026]布置在外护罩块80中的是减震系统150。减震系统150包括减震块/护罩界面155、减震器载荷传递机构160和减震机构165。减震块/护罩界面155包括与护罩\n85接触的减震块170。在实施例中，减震块170由金属材料(诸如PM2000，一种具有高达\n2200°F高温使用容限的优质合金材料)制成。如图3和4所示，减震块170的径向向内朝向的表面175与护罩85的径向向外朝向的表面180平行、邻近，并基本上面对面地接触。\n在实施例中，径向向内朝向的表面175的基本上所有的区域(诸如限定在减震块170的周边183(参照图6可清楚地看到)内的表面区域)与护罩85的径向向外朝向的表面180接触。增加这种面对面的接触面积将降低响应于护罩85与减震块170之间的载荷(诸如响应于由旋转叶片产生的压力脉冲)而产生在护罩85中的应力量。减震块170中降低的接触应力将减少磨损，由此可延长减震块170的使用寿命。另外，面对面的接触将密封表面175，\n180，由此减少了高温高能燃气30在护罩85与减震块170之间从护罩组件75的前端95朝向后端100的流量。例如，在实施例中，各个径向向内朝向的表面175和径向向外朝向的表面180均为平坦的表面175，180，并且面对面地接触。 \n[0109] 图6显示护罩组件75的等角分解组装图。现在参照图4和6，显示了减震块170的上引导件185。上引导件185包括与外护罩块80接触的棱柱形几何形状(清楚地显示在图4中)。上引导件185与外护罩块80之间的紧公差接触将减少冷却空气在上引导件185与外护罩块80之间的泄漏。上引导件185包括具有引导表面190，195的几何形状，该引导表面190，195与外护罩块80的相应的导引表面200，205相配合或接触。导引表面200，205连同引导表面190，195限定了减震块170相对于外护罩块80的移动自由度，该移动自由度限定了减震块170的移动方向265。在实施例中，表面190-205为平坦的表面190-205，使得平坦的表面190-205之间的紧公差接触提供了侧面对侧面的定位，并防止减震块170在外护罩块80内相对于外护罩块80旋转。在一个实施例中，上引导件185包括限定矩形的几何形状的四个侧面190，195，207，208。 \n[0110] 重新参照图3和4，减震器载荷传递构件160还包括杯形衬垫(washer cup)210和隔热衬垫215。衬垫215布置在与减震块170直接机械连接的杯形衬垫210中。杯形衬垫210为隔热衬垫215提供支承，该隔热衬垫215阻断了从减震块170的上引导件185通往偏压元件220(诸如布置在外护罩块80的第一部分222附近的弹簧)的导热路径。在实施例中，隔热衬垫215包括诸如整体式的陶瓷氮化硅和可加工的玻璃陶瓷的材料，诸如MACOR(可在市场上从Corning Inc.，Corning New York获得)。 \n[0111] [0029]减震机构165包括弹簧220。弹簧220在组装之前在温度和载荷下进行预处理，以便增强结构顺应性的适应性。弹簧220安装到杯状块225中，该杯状块225诸如通过螺纹而机械地保持在护罩块80中。弹簧220预加载，以在一端与隔热衬垫215接合，以通过杯形衬垫210径向向内地偏压减震块170。弹簧220的相对端通过杯状块225操作地连接到外护罩块80上。 \n[0112] [0030]图3显示与压缩机45流体连通的冷却通道230，以通过内部空腔235给弹簧220提供排出空气的冷却流。杯状块225包括开口240，该开口240使冷却流能够通过冷却通道230将弹簧220的温度保持为低于预定温度，并由此通过强制对流控制应力-释放速率。因此，弹簧可由低温金属合金制成，并沿移动方向265在减震块170上保持正的预载荷，这将在下面进一步介绍。已使用的冷却介质通过通道245排出。杯形衬垫210可在隔热衬垫215破裂的情况下保证弹簧220的保持和预载荷。 \n[0113] [0031]排出塞(bleed plug)250布置在冷却通道230的埋头孔255中。排出塞\n250包括表面260，该表面260限定了控制流向弹簧220的冷却流的量和速率的孔。例如，在模拟测试或仪器测试之后，可确定保持弹簧220所需最高温度的冷却流的特定速率。不希望存在大于特定速率的冷却流，这是因为它提高了对压缩机45容量的要求，并导致发动机20效率的损失。另外，这种冷却剂的减少可增进瞬态(预热)热速率的提高。相应地，通过计算可确定表面260的适当的几何形 状，以提供所需的流速，并防止产生不必要的冷却流，该冷却流大于为提供弹簧220所需的温度而确定的冷却流。在发动机20的操作参数或所需的冷却流发生变化的情况下，可对具有适当表面260的几何形状的排出塞250进行改变。 \n[0114] [0032]涡轮35的径向方向R垂直于轴线90。由在块180与减震块170之间的弹簧220所提供的偏压力与减震块170的移动方向265相对准，而移动方向265相对于径向方向R倾斜。例如，移动方向265和径向方向R包括在其间的偏移角θ。相应地，施加到减震块170上的弹簧220的偏压力沿着移动方向265，并且可分解成与轴线90对准并指向外护罩块80的后端100的轴向分量270以及与径向方向R对准并径向向内指向的径向分量\n275。 \n[0115] [0033]在操作中，弹簧220的偏压力的径向分量275在减震块170上保持径向向内指向的力。减震块170又靠在护罩85的径向向外朝向的表面180上，以抑制振动并尤其避免护罩85在共振频率处或接近共振频率处的振动响应。弹簧220的偏压力的轴向分量\n270给减震块170提供指向布置在护罩85附近的外护罩块80的第二部分278的后端100的轴向力。因此，处于减震块170的后端283上的密封面280布置成与外护罩块80的第二部分278的后端100接触，并朝向外护罩块80的第二部分278的后端100偏压。密封面\n280为减震块170提供轴向支承，从而降低减震块170的振动响应，并对减震块170与外护罩块80进行密封。密封该减震块170与外护罩块80减少高温高能燃气30从前端95到后端100在叶片周围的旁通，由此提高了发动机20的效率。 \n[0116] [0034]图4显示布置在相邻减震块170的相邻密封保持界面290(诸如密封件保持沟槽)中的密封件285。密封件285和保持界面290与轴线90对准。相应地，密封件285为轴向密封件285，并在减震块170之间进行密封，以减少高温高能燃气30在涡轮叶片周围的旁通。轴向密封件285由适当的材料制成，以耐受高温高能燃气30的温度， 并且轴向密封件285可称作“狗骨式密封件”(dog-bone seals)。通过将护罩85布置成使得相邻护罩\n85之间的间隙295相对于相邻减震块170之间的间隙300周向偏移，进一步减少高温高能燃气30在叶片周围的旁通。护罩85的布置使得间隙295相对于间隙300的周向偏移形成曲折的流动通道305，该流动通道305对高温高能燃气30在叶片周围的流动进行限制。 [0117] [0035]图7是护罩85的前凸缘部分310和销105(诸如前凸缘的连接销105)的放大视图。销105经由护罩85的前凸缘310的孔315插入。销105将护罩85保持在支承块80的适当位置，并对抗经由减震块170施加的弹簧220的径向向内指向的力。销105装配到支承块80中的销孔320中，该销孔320包括用于销105的头部330的凹部325。销孔\n320延伸经过外护罩块80中的间隙335，以容纳前凸缘310。 \n[0118] [0036]图8显示插入到外护罩块80中的图7的销105的端视图。销105的头部\n330和块80的凹部325包括互补的几何形状，诸如可与块80接合的细长侧面340，以防止销105在插入块80之后旋转。销105的头部330和块80的凹部325之间的界面345将销\n105保持在块80中。界面345的实施例构思成包括通过诸如压凹接合和轨道铆接(orbital riveting)的工艺形成的变形界面345。界面345的其它实施例构思成包括通过诸如焊接、硬焊或软焊等工艺产生的头部330的材料转换(material transformation)。界面345的使用免除在销105上或在块80的孔320中结合螺纹，并由此简化并降低了制造销105和块\n80的成本，以及降低了在发动机20操作之后在移开销105期间因磨损而咬住的可能性。 [0119] [0037]重新参照图3，其显示了后凸缘350和销110，诸如后凸缘连接销110。因为销110与护罩85直接接触，所以不适合使用界面，诸如保持前凸缘连接销105的界面345，这是因为制造护罩85的陶瓷材料不能提供这种界面保持方法。 \n[0120] [0038]销110经由护罩85的后凸缘350的孔355插入。销110将 护罩85保持在支承块80中的适当位置，并对抗经由减震块170所施加的弹簧220的径向向内指向的力。销110装配到块80中的销孔360中。销孔360还包括保持销370布置在其内的保持孔365。销110包括保持孔375，保持销370的端部380经由该保持孔375进行布置，由此保持并防止销110的旋转和移位。在保持销370布置在保持孔375中之后，界面385将保持销370保持在保持孔365中的适当位置。界面385的实施例构思成包括保持销370的变形(诸如压凹接合和轨道铆接)，以及保持销370的材料转换(诸如焊接、硬焊或软焊)。保持销370连同界面385的使用免除在销110上或在块80的销孔360中结合螺纹，并由此简化并降低了制造销110和块80的成本，以及降低了在移开该销110期间的因磨损而咬住的可能性。 \n[0121] [0039]尽管描述了在减震块170与护罩85之间具有平坦表面175，180的实施例，但是可以认识到的是，本发明的范围并非受限于此，并且本发明还将适用于如下护罩组件\n75的实施例，该护罩组件利用具有可选几何形状(例如弯曲的、卵形的、啮合齿或其它合适的几何形状)的相应的表面175，180，以提供密封并且传递弹簧220的力的径向分量。 [0122] [0040]尽管描述了具有平坦表面以提供侧面对侧面的定位并防止减震块170在外护罩块80中旋转的实施例，但是可以认识到的是，本发明的范围并非受限于此，并且本发明还将适用于如下护罩组件75的实施例，该护罩组件利用具有可选几何形状(诸如弯曲的、卵形的、椭圆形的、三角形的或其它合适的几何形状)的相应的表面190-205，以提供密封、侧面对侧面的定位并防止旋转。尽管描述了使用弹簧220作为偏压元件220的实施例，但是可以认识到的是，本发明的范围并非受限于此，并且本发明还将适用于如下护罩组件的实施例，该护罩组件利用可选偏压元件220(诸如与减震块170和外护罩块80中的至少一个构件成为整体的弹性特征)来径向向内地偏压减震块170。 \n[0123] [0041]如所公开的，本发明的一些实施例可包括以下优点中的一 些：通过以下方式提高了发动机的效率：增强了减震块与外护罩块之间的密封性；增强了相邻的减震块之间的密封性；通过护罩间隙相对于减震块间隙周向偏移而增强了密封性；增强了紧公差配合的上引导界面与外护罩块之间的密封性；增加了减震块与护罩之间区域与区域的接触；通过可磨损的护罩材料减小了叶片与护罩的间隙；通过无螺纹的护罩保持销降低了制造成本并提高了维护的便利性；以及通过可互换的冷却通道排出塞提高了操作灵活性。 [0124] [0042]尽管本发明参照示范性的实施例进行了描述，但是可以理解的是，本发明进行多种变化，并且等同物可取代其中的元件，而不背离本发明的范围。另外，可进行多种变更，以使具体的情况或材料适应本发明的教导容，而并不背离其基本范围。因此，本发明旨在不受限于特定的实施例，该特定的实施例作为预期用于实现本发明的最好或唯一的方式而公开，而是本发明将包括属于权利要求范围内的所有实施例。同样，在附图和描述中公开了本发明的示范性的实施例，虽然采用了具体的用语，但是除非另有说明，否则这些用语仅仅在一般性及描述性的意义上使用，而并非出于限制性的目的，所以本发明的范围不能因此而受到限制。另外，“第一”、“第二”等用语的使用并不表示任何顺序或重要性，而是“第一”、“第二”用来对元件进行区分。此外，“一”、“一个”等用语的使用并不表示数量上的限制，而是表示存在至少一个所引用的项目。