专利名称:用于涡轮发动机的壳体及其温度控制流体导管的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种用于涡轮发动机的壳体及其温度控制流体导管，包括一个或多个安装沟槽，每个安装沟槽容纳流体导管。温度控制流体通过流体导管循环以选择性地加热或冷却涡轮机内壳的周围部分，由此控制所述涡轮机内壳的那些部分的热生长。这使得选择性地控制转动的涡轮机叶片的尖端和涡轮机的周围护罩之间的间隙成为可能。
【专利说明】用于涡轮发动机的壳体及其温度控制流体导管
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及涡轮发动机相关技术，尤其涉及具有冷却单元(温度控制流体导管)的涡轮发动机的壳体技术。
[0002]工业涡轮发动机包括压缩机部段、燃烧室部段以及涡轮机部段。在涡轮机部段中，安装在转子上的多列涡轮机叶片(或戽斗)在相应列固定喷嘴之间转动。对于每一列涡轮机叶片，周向护罩安装到涡轮机壳体上，该护罩刚好沿径向方向定位在涡轮机叶片的尖端外侧。
[0003]在涡轮机叶片的尖端和护罩之间必须保持留有间隙以防止在涡轮机叶片转动时涡轮机叶片的尖端摩擦护罩。然而，人们期望保持该间隙尽可能小以防止原动气体从叶片的尖端周围泄漏。通常说来，间隙越小，涡轮机越有效。
[0004]在过渡期内，诸如当涡轮机启动时，或是当涡轮机增加或降低负载或转速时，涡轮机部段内的各种元件的温度可能升高或降低。不幸的是，各种元件的温度并不趋向于以同样的速率升高和降低。例如，在启动操作期间，涡轮机叶片的温度趋向于比涡轮机壳体更加快速地升高，该涡轮机壳体容纳围绕涡轮机叶片的尖端的护罩。该涡轮机叶片安装在圆盘上，该圆盘也变热并沿径向方向朝外膨胀。
[0005]当涡轮机的一部分的温度升高快于另一部分时，加热较快的那部分可比温度升高较慢的那部分经受更快的热膨胀/热生长。在启动操作期间，如果涡轮机叶片的温度升高快于容纳护罩的涡轮机壳体，该涡轮机叶片可比涡轮机壳体在径向方向上经受更快的热扩展。
[0006]而且，涡轮机的不同部分是由具有不同的热膨胀系数的不同材料制成的。即使所有元件的温度以相同速率升高，不同材料的热膨胀系数的差异仍将导致不同元件相对于彼此生长不同的数量。
[0007]另一因素是施加于不同元件的负载。涡轮机叶片以及在其上安装有这些涡轮机叶片的圆盘，由于叶片和圆盘转动而经受机械向心力。这也能够导致圆盘和涡轮机叶片沿径向方向生长。在相对较低的转速下，由于该机械负载而产生相对较小的生长。然而，随着转速的增加，叶片和圆盘趋向于变得更长。相反，围绕涡轮机叶片的护罩并不转动并且不会经受由于向心力引起的生长。
[0008]当确定涡轮机的元件的尺寸时，设计者必须将所有这些因素都考虑进去以确保在任意给定的时间点涡轮机叶片不会在其开始摩擦护罩的径向方向上生长得太长。然而，当涡轮机的元件被设计成用于确保总是在涡轮机叶片的尖端和护罩之间保留一定的间隙的时候，这可导致该间隙大于在稳态操作期间所需的间隙，这可对涡轮发动机的效率产生负面影响。
[0009]为了解决这一问题，涡轮机壳体的所选部分可在过渡期间或在稳态操作期间被加热和/或冷却，以控制护罩在径向方向上的位置。相应地，这控制了涡轮机叶片和护罩之间的间隙。涡轮机壳体的部分在过渡期间的选择性的加热或冷却可确保在过渡期间在涡轮机叶片的尖端和护罩之间保留一定的间隙。涡轮机壳体在稳态操作期间的选择性的加热和/或冷却可将涡轮机叶片的尖端和护罩之间的间隙减小到最小所需尺寸，由此使涡轮发动机的效率最大。
[0010]现有技术的选择性地加热和/或冷却涡轮机壳体的尝试要求在涡轮机壳体中的选定位置处，诸如在径向方向上刚好在护罩外侧，形成冷却剂通道。以这种方式制造涡轮机壳体可能昂贵且困难。并且，将这种设计加装到现有的涡轮发动机中是不可能的。涡轮机壳体必须制造成从一开始就包括冷却剂通道。
实用新型内容
[0011]在第一方面中，本实用新型可体现为在涡轮发动机的涡轮机部段的包括多个弓形壳体部分的内壳，所述多个弓形壳体部分构造为彼此附接以形成大体圆柱形的内壳。每个弓形壳体部分包括至少一个沿弓形壳体部分的内侧在周向方向上延伸的护罩钩部，以及至少一个沿弓形壳体部分在周向方向上延伸的安装沟槽。所述每一至少一个安装沟槽定位成与所述至少一个护罩钩部中的一个相邻。具有用于温度控制流体的至少一个内部通道的导管安装在所述至少一个安装沟槽内。所述至少一个导管构造为在周向方向上滑入安装沟槽内。
[0012]在另一个方面中，本实用新型可体现为温度控制流体导管，所述温度控制流体导管构造为安装在涡轮发动机的涡轮机部段的内壳的弓形部分上。所述流体导管包括具有用于温度控制流体的内部通道的细长的、弓形主体，以及至少一个构造为允许温度控制流体流进入内部通道内的进入孔隙。
【附图说明】
[0013]图1是示出了涡轮发动机的涡轮机部段的转动的涡轮机叶片与涡轮机壳体的周围部分之间的接口的示意图；
[0014]图2是示出了部分滑入到涡轮机内壳的安装沟槽内的流体导管的示意图；
[0015]图3是示出了完全安装到涡轮机内壳的安装沟槽中的流体导管的示意图；
[0016]图4是安装在涡轮机内壳的安装沟槽中的流体导管的第一种实施例的剖视图；
[0017]图5是安装在涡轮机内壳的安装沟槽中的流体导管的第二种实施例的剖视图；
[0018]图6是在外表面上具有突起的温度控制流体导管的第一种实施例的一部分的局部透视图；
[0019]图7是在外表面上具有突起的温度控制流体导管的第二种实施例的一部分的局部透视图；和
[0020]图8是安装在涡轮机内壳的安装沟槽中的流体导管的第三种实施例的剖视图。
【具体实施方式】
[0021]图1是示出了涡轮发动机的涡轮机部段的一部分的示意图。图1示出了涡轮机外壳100和涡轮机内壳110。图中示出了两列涡轮机叶片122和124的尖端。涡轮机叶片122、124列安装到涡轮机的转子上，并且该涡轮机叶片相对于涡轮机内壳110的内表面转动。固定喷嘴列130安装到两个涡轮机叶片122、124列之间的涡轮机内壳110上。
[0022]周向延伸的护罩142、144在与转动的涡轮机叶片122、124的尖端相对的位置处安装到涡轮机内壳110上。护罩142、144安装到涡轮机内壳110的护罩钩上。如在【背景技术】部分中说明的那样，在转动的涡轮机叶片122、124的尖端和固定护罩142、144之间保留一定的间隙是必要的。然而，人们还期望使该间隙最小以使涡轮发动机的效率最大。
[0023]图1示出了温度控制流体通道150、152形成于涡轮机内壳110中。已加热的流体可在该温度控制流体通道150、152中循环以使涡轮机内壳的温度升高，这将导致内壳110径向向外膨胀，从而增加护罩142、144与涡轮机叶片122、124的尖端之间的间隙。同时，护罩的温度升高趋向于引起护罩的热生长，这趋向于缩小该间隙。这些因素必须被平衡以确保适当的温度流体被用于以适当的方式对间隙进行调整。
[0024]结果，冷却流体可通过温度控制流体通道150、152进行循环以降低涡轮机内壳110的温度，这将导致涡轮机内壳110径向向内收缩，从而缩小护罩142、144与涡轮机叶片122、124的尖端之间的间隙。同时，使护罩冷却导致护罩收缩，这趋向于增大该间隙。这里，必须小心地控制流体的温度以确保保留适当的间隙。
[0025]在不同的时间，使用合适的温度流体增大或缩小间隙可以是有利的。然而，图1中所示的设计需要流体通道形成于在涡轮机内壳中，这可能是昂贵的。
[0026]图2示出了将本实用新型具体化为用于涡轮发动机的涡轮机内壳110的设计，涡轮机内壳I1包括能够输送温度控制流体流的流体导管200。涡轮发动机的涡轮机内壳通常包括两个或多个弓形部段，这些弓形部段被螺栓连接在一起以形成大体圆柱形的涡轮机内壳。图2示出了涡轮机内壳110的一个弓形部段的一部分。图2还示出了形成于该涡轮机内壳110的径向内表面上的若干护罩钩114。将会面对转动的涡轮机叶片的尖端的护罩安装到护罩钩114上。
[0027]安装沟槽120形成于涡轮机内壳110中，并位于与多个护罩安装钩114组中的一组直接相邻并且在径向外侧的位置处。细长的、弓形导管200安装于安装沟槽120中。图2示出了流体导管200部分插入到安装沟槽120内。图3示出了流体导管200完全插入到安装沟槽120内。图2和图3还示出了当流体导管200完全插入到涡轮机内壳110内时流体导管上的安装块部240与涡轮机内壳110的安装块部112对准。
[0028]图4示出了安装在涡轮机内壳110的安装沟槽120中的流体导管200的第一种实施例的剖视图。该流体导管200具有下表面部210，该下表面部210与壁116抵接，该壁116将安装沟槽120与护罩安装到护罩钩114上的位置分开。
[0029]流体导管200呈台阶形，其包括具有较小截面积并包围第一内部通道232的上部230、和具有较大截面积并包围第二内部通道220的下部。具有多个孔隙234的隔离壁222将第一内部通道232与第二内部通道220分开。
[0030]上部230还为该结构提供了硬度和刚度，这有助于下部保持其形状。相应地，这有助于防止下部的任意变形影响下层护罩的形状和位置。
[0031]供给管路250附接到流体管路200的上部230。该供给管路250将温度控制流体流输送到第一内部通道232内。该温度控制流体可沿第一内部通道232在周向方向上流动。该温度控制流体还可通过隔离壁222中的孔隙234进入第二内部通道220。带有孔隙234的隔离壁222有助于在温度控制流体经由孔隙234进入第二内部通道220之前使输送到第一内部通道232内的温度控制流体流在涡轮机内壳110周围沿周向均匀分布。
[0032]进入第二内部通道220的温度控制流体流经由穿过流体导管200的下壁210的多个孔隙212从流体导管200中流出。如将在下文中更加详细地说明的那样，流体导管200的外壁与安装沟槽120的内壁分隔开。结果，温度控制流体可沿流体导管200的外壁和安装沟槽120的内壁之间的空隙通过，并最终流出至位于涡轮机内壳110的径向外侧处的位置。图4中的箭头示出了温度控制流体流从供给管路250流到第一内部通道232内，从第一内部通道232流至第二内部通道220，通过孔隙212，在流体导管200的外侧周围流动，并流出到位于涡轮机内壳110的径向外侧处的位置。
[0033]在替代性的实施例中，穿过第一和第二内部通道循环的流体不必流至位于内壳110的径向外侧处的位置。相反，该流体可在涡轮机内壳110内被收集起来并用于其他目的。
[0034]图4中所示的构造导致温度控制流体冲击与护罩安装钩114相邻的壁116。结果，该温度控制流体可加热或冷却涡轮机内壳和护罩的与转动的涡轮机叶片的尖端直接相对的部分。这提供了对涡轮机的这些部分的热生长、因而对涡轮机叶片和护罩之间的间隙的快速且有效的控制。
[0035]安装沟槽120的台阶形状以及流体导管200的相应的台阶形状使得流体导管200能够容易地安装到涡轮机内壳110上。径向外部具有比径向内部小的截面形状的台阶形状，确保在不使用安装硬件的情况下使流体导管陷在涡轮机内壳110上。安装沟槽120和流体导管200的其他形状能够实现类似的功能。例如，安装沟槽120和流体导管200可呈梯形或三角形，其中，径向外部具有比径向内部小的尺寸。并且，在一些实施例中，安装沟槽的形状不必匹配流体导管的形状。
[0036]图5示出了流体导管200的替代性的构型。在该实施例中，在第一流体通道232和第二流体通道220之间没有设置隔离壁。在多种实施例中，这种实施例的有利之处在于确保温度控制流体沿周向分布并不那么重要。没有隔离壁将降低流动限制。
[0037]图6示出了多个突起242、244、246可形成于实施本实用新型的流体导管200的外壁上。突起242、244、246用于在涡轮机内壳110中将流体导管200的外壁与安装沟槽120的内壁隔开。保留一定的间隔使得温度控制流体能够沿流体导管200的外壁和安装沟槽120的内壁之间的空间穿过，如在图4和图5中所示的那样。虽然在图6中未示出，类似的突起可形成于流体导管200的底壁上。
[0038]在图6所示的实施例中，突起242、244、246在流体导管200的长度方向上为细长状。并且，突起的前缘和后缘呈逐渐变小。突起242、244、246的逐渐变形的细长状被设计成用于方便流体导管200滑动到涡轮机内壳110的安装沟槽120内。
[0039]图7示出了流体导管200的替代性实施例。在这种实施例中，突起形成为围绕在流体导管200的外壁延伸的脊部248。虽然在图7中仅示出了单个脊部248，但多个脊部248将会沿流体导管200的长度定位。脊部248沿与温度控制流体沿流体导管200的外侧流动的方向基本相同的方向延伸。因此，脊部248将不会妨碍该流体流，并且可用于引导该温度控制流体流。
[0040]图8示出了安装在涡轮机内壳110的安装沟槽320中的流体导管300的另一实施例。在这一实施例中，没有在流体导管300的外壁上形成突起。结果，流体导管300的底壁310和侧面外壁可与安装沟槽320的内壁直接接触。
[0041]当图8所示的流体导管的实施例被用于涡轮机内壳110中时，联接到流体导管300的内部通道320的一个或多个管路将被用于将温度控制流体的进入流输送至内部通道320内，并且联接到内部通道320的一个或多个管路将移除温度控制流体流。用于输送进入流的管路和用于收回输出流的管路将被定位在流体导管周围以使预定的流型穿过流体导管300的内部通道320。
[0042]如上所述的流体导管能够容易地安装到涡轮机内壳以帮助控制涡轮机叶片的尖端和周围护罩之间的间隙。当涡轮机内壳的各个部段被分离以便进行维护和修理时，该流体导管能够容易地插入到相应的安装沟槽内并从该安装沟槽中移除。并且，上述用于流体导管的安装沟槽可被加工到现有的涡轮机内壳上，从而使得将这种流体导管加装到没有任何方式能够实现主动控制涡轮机叶片的尖端和周围护罩之间的间隙的现有的涡轮机上成为可能。
[0043]虽然已经结合目前被认为是最实用且最优选的实施例描述了本实用新型，应当理解，本实用新型不限于所公开的实施例，相反，其意在覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种变型和等效装置。
【权利要求】
1.一种用于涡轮发动机的壳体，所述壳体包括: 多个弓形壳体部分，所述多个弓形壳体部构造为彼此附接以形成大体圆柱形的内壳，其中，每个弓形壳体部包括: 至少一个护罩钩部，所述至少一个护罩钩部沿所述弓形壳体部的内侧在周向方向上延伸，以及 至少一个安装沟槽，所述至少一个安装沟槽沿所述弓形壳体部在周向方向上延伸，其中，每个至少一个安装沟槽定位为与所述至少一个护罩钩部中的一个相邻；以及 至少一个导管，所述导管具有至少一个用于温度控制流体的内部通道，每个导管安装在所述至少一个安装沟槽中的一个内，其中，所述至少一个导管构造为插入到安装沟槽内。2.根据权利要求1所述的壳体，其特征在于，所述至少一个安装沟槽的径向内侧具有比所述至少一个安装沟槽的径向外侧大的宽度。3.根据权利要求1所述的壳体，其特征在于，所述每个至少一个安装沟槽定位在所述至少一个护罩钩部中的一个的径向外侧上。4.根据权利要求1所述的壳体，其特征在于，每个至少一个导管的所述内部通道沿所述导管的长度方向延伸。5.根据权利要求4所述的壳体，其特征在于，每个至少一个导管包括从所述内部通道延伸到所述导管的外部的多个孔隙。6.根据权利要求5所述的壳体，其特征在于，所述多个孔隙形成于所述导管的面向所述至少一个护罩钩部的侧面上。7.根据权利要求5所述的壳体，其特征在于，每个至少一个导管包括形成于所述导管的外表面上的多个突起。8.根据权利要求7所述的壳体，其特征在于，所述多个突起构造为将所述导管的外表面与所述至少一个安装沟槽的内表面分隔开。9.根据权利要求1所述的壳体，其特征在于，每个至少一个导管包括: 第一内部通道，所述第一内部通道沿所述导管的长度方向延伸； 第二内部通道，所述第二内部通道沿所述导管的长度方向延伸，并且，所述第一内部通道定位在所述第二内部通道的径向外侧上；和 径向延伸的多个孔隙，所述孔隙在所述第一内部通道和所述第二内部通道之间延伸。10.根据权利要求1所述的壳体，其特征在于，每个至少一个导管还包括至少一个进入孔隙，所述进入孔隙构造为允许温度控制流体流流至所述内部通道内。11.根据权利要求1所述的壳体，其特征在于，所述至少一个导管构造为沿周向方向滑入安装沟槽内。12.一种温度控制流体导管，所述温度控制流体导管构造为安装到涡轮发动机的涡轮机部段的内壳的弓形部分上，所述温度控制流体导管包括: 细长弓形主体，所述细长弓形主体具有用于温度控制流体的内部通道；以及 至少一个进入孔隙，所述至少一个进入孔隙构造为允许温度控制流体流进入到所述内部通道内。13.根据权利要求12所述的温度控制流体导管，其特征在于，所述细长主体的径向内侧具有比所述细长主体的径向外侧大的宽度。14.根据权利要求12所述的温度控制流体导管，其特征在于，所述至少一个进入孔隙定位在所述细长弓形主体的径向外侧上。15.根据权利要求12所述的温度控制流体导管，其特征在于，所述内部通道沿所述细长的弓形主体的长度方向延伸。16.根据权利要求15所述的温度控制流体导管，其特征在于，所述多个孔隙通过所述细长弓形主体从内部通道延伸到所述主体的外部。17.根据权利要求16所述的温度控制流体导管，其特征在于，所述多个孔隙形成于所述细长弓形主体的径向内侧。18.根据权利要求16所述的温度控制流体导管，其特征在于，所述多个突起形成于所述细长弓形主体的至少一个外表面上。19.根据权利要求12所述的温度控制流体导管，其特征在于，所述内部通道包括: 第一内部通道，所述第一内部通道沿所述细长弓形主体的长度方向延伸； 第二内部通道，所述第二内部通道沿所述细长弓形主体的长度方向延伸，并且，所述第一内部通道定位在所述第二内部通道的径向外侧上；以及 径向延伸的多个孔隙，所述孔隙在所述第一内部通道和所述第二内部通道之间延伸。
【文档编号】F01D25-12GK204283516SQ201420119083
【发明者】E. 弗洛伊德 D., 布莱克 K. [申请人]通用电气公司