具有可拆卸支柱的涡轮机组件的制作方法

本发明涉及燃气涡轮发动机，并且更具体而言，涉及相对于发动机的径向外部壳体支撑径向内环结构的结构。

背景技术：

在燃气涡轮发动机中，可以通过径向延伸的支柱来相对于发动机的外部壳体支撑例如轴承壳体之类的径向内部结构。支柱可以被焊接到外部壳体并且径向延伸通过为热工作气体流路限定外边界的外管道结构，穿过流路并且延伸通过为流路限定边界的内管道结构，到处于轴承壳体上的焊接附接位置。由于这样的结构形成为焊接结构，因此修理通常需要切除部分的结构并且焊入新的结构。

替代性地，可以通过从外部壳体径向延伸到轴承壳体以径向定位轴承壳体的拉杆来相对于外部壳体支撑轴承壳体。虽然这样的径向杆支撑结构可以在径向方向上提供良好的载荷传递，但这样的结构通常必须被维持在径向张力下，并且不提供对施加于轴承壳体的轴向载荷的实质性支撑。

技术实现要素：

根据本发明的一个方面，在涡轮发动机中提供了一种涡轮机组件，所述涡轮机组件具有外部壳体、内部结构环以及限定在外流路壁和内流路壁之间的环形气体路径，所述环形气体路径用于沿轴向方向引导气流通过所述涡轮机组件，并且所述涡轮机组件还包括：沿周向方向隔开的多个结构支柱，每个支柱包括支柱主体，所述支柱主体在所述内部结构环到所述外部壳体之间沿径向方向延伸并且将所述内部结构环支撑到所述外部壳体；整流装置，其在于所述外流路壁和所述内流路壁之间延伸的区域中围绕所述支柱中的每一个；第一支柱端，其处于所述支柱主体的径向外端处，并且利用接合所述外部壳体的第一紧固件结构来可拆卸地附接到所述外部壳体；以及第二支柱端，其处于所述支柱主体的径向内端处，并且利用接合所述内部结构环的第二紧固件结构来可拆卸地附接到所述内部结构环。

所述外部壳体可包括通过孔口表面限定的支柱孔口，并且所述第一支柱端可包括凸起部，所述凸起部包括抵靠所述孔口表面接合的外凸起表面，并且所述第一支柱端还能够包括外凸缘，所述外凸缘垂直于所述径向方向延伸，并且在所述外部壳体的一部分之上延伸并定位成与之接触。

第一紧固件结构能够包括螺栓，所述螺栓穿过所述外凸缘并接合在所述外部壳体中的孔中。

所述支柱主体能够限定直径尺寸，所述直径尺寸小于所述外凸起表面的平行于所述支柱主体的所述直径尺寸的直径尺寸，使得所述支柱主体在所述支柱主体与所述孔口表面径向相邻的位置处与所述孔口表面隔开。

第二支柱端能够包括内凸缘，所述内凸缘从所述支柱主体向外并垂直于所述支柱的径向方向延伸，所述内凸缘能够包括径向向内并且接合内环结构的径向向外的平面表面的平面表面。

第二紧固件结构能够包括螺栓，所述螺栓穿过所述内凸缘并接合在所述内部结构环中的孔中。

能够提供一种插口，所述插口从向内的所述平面表面突出，并且接合在处于向外的所述平面表面中的凹部内，以相对垂直于径向方向的方向将第二支柱端定位在预定位置处。

所述内凸缘能够位于形成在所述内部结构环中的T形槽中。

所述内部结构环能够包括第一环部分和第二环部分，所述第一环部分和所述第二环部分耦接在一起，以将所述内凸缘夹在所述第一环部分和所述第二环部分之间。

所述第一环部分和所述第二环部分能够在与所述内凸缘重叠的接合部处耦接。

第二紧固件结构能够包括紧固件，所述紧固件延伸穿过所述第一环部分和所述第二环部分，并且保持二者彼此接合。

所述T形槽能够包括径向向外延伸、向内成一定角度倾斜的侧面，并且所述内凸缘能够具有鸠尾状的截面，以抵靠所述成一定角度倾斜的侧面接合。

向内的所述表面能够被限定在所述内凸缘的突出区域上，所述突出区域在周向方向上具有小于所述内凸缘在周向方向上的宽度的尺寸。

所述支柱主体能够具有翼型截面，所述翼型截面包括平行于通过所述环形气体路径的气流方向的相对侧。

根据本发明的另一方面，在涡轮发动机中提供了一种涡轮机组件，所述涡轮机组件具有外部壳体、内部结构环以及限定在外流路壁和内流路壁之间的环形气体路径，所述环形气体路径用于沿轴向方向引导气流通过所述涡轮机组件，并且所述涡轮机组件还包括：沿周向方向隔开的多个结构支柱，每个支柱包括支柱主体，所述支柱主体在所述内部结构环到所述外部壳体之间沿径向方向延伸并且将所述内部结构环支撑到所述外部壳体；整流装置，其在于所述外流路壁和所述内流路壁之间延伸的区域中围绕所述支柱中的每一个；第一支柱端，其处于所述支柱主体的径向外端处，并且利用接合所述外部壳体的第一紧固件结构来可拆卸地附接到所述外部壳体，所述第一紧固件结构包括用于将所述第一支柱端保持到所述外部壳体的多个螺栓；以及第二支柱端，其处于所述支柱主体的径向内端处，并且利用第二紧固件结构来可拆卸地附接到所述内部结构环，所述第二紧固件结构包括接合在所述内部结构环中的多个螺栓。

第一支柱端可包括垂直于径向方向延伸的外凸缘，并且第一紧固件结构的螺栓能够穿过所述外凸缘并接合在所述外部壳体中的孔中。

第二支柱端能够包括内凸缘，所述内凸缘从所述支柱主体向外并垂直于所述支柱的径向方向延伸，所述内凸缘能够包括径向向内并且接合内环结构的径向向外的表面的表面。

第二紧固件结构的螺栓能够穿过所述内凸缘并接合在所述内部结构环中的孔中。

所述内部结构环能够包括第一环部分和第二环部分，二者彼此协作以将所述内凸缘夹持到内环结构。

第二紧固件结构的螺栓能够穿过所述第一环部分和所述第二环部分，以保持所述第二支柱端与所述内环结构接合。

附图说明

虽然说明书以具体指出并且明确地要求保护本发明的权利要求结束，但相信通过以下描述结合附图将更好地理解本发明，在附图中，相同的附图标记标示相同的元件，并且在附图中：

图1是可结合根据本发明的方面的航改式（aero derivative industrial）燃气涡轮发动机的示意图；

图2是图示了本发明的各方面的发动机的涡轮机排气壳体部段的剖视图；

图3是沿图2中的线A-A所取的剖视图；

图4是图示了本发明的其他方面的发动机的涡轮机排气壳体部段的剖视图；

图4A是沿图4中的线B-B所取的剖视图；

图4B是类似于图4A的剖视图，其示出了根据本发明的多个方面的替代性构造；以及

图5是沿轴向所取并示出了涡轮机排气壳体中的多个支柱组件的示意性剖视图。

具体实施方式

在下面对优选实施例的详细描述中，参考了形成本文的一部分的附图，并且在附图中，作为图示而非作为限制示出了其中可以实践本发明的特定的优选实施例。应当理解的是，可以利用其他实施例，并且可以作出改变，而不脱离本发明的精神和范围。

图1示意性地图示了可结合本发明的燃气涡轮发动机10。应当注意的是，图1中所描绘的特定发动机包括航改式燃气涡轮发动机；然而，本发明并不限于本文所述的特定发动机。燃气涡轮发动机10包括高压压缩机12、低压压缩机14、燃烧室16、包括高压涡轮机18、低压涡轮机20和动力涡轮机22的涡轮机部段17以及发电机24。中间壳体21在低压涡轮机20和动力涡轮机22之间延伸，并且包括涡轮机排气壳体25（图2）。低压压缩机14通过连续的级来压缩环境空气以产生低压空气，并且高压压缩机12通过连续的压缩机级来压缩来自低压压缩机出口的部分压缩的空气，以产生高压空气。高压压缩机12和低压压缩机14在本文中统称为“压缩机装置”。

燃烧室16将来自压缩机装置的压缩空气的一部分与燃料结合，并点燃混合物，从而产生限定热工作气体的燃烧产物。工作气体从燃烧室16行进到涡轮机部段17。在涡轮机部段17中的每个涡轮机18、20和22内是成排的静止叶片（未示出）和旋转叶片（未示出）。为每排叶片设置单独的盘（未示出）。形成高压涡轮机18的一部分的盘被耦接到第一可旋转轴26（参见图1），该第一可旋转轴26被耦接到高压压缩机12以驱动高压压缩机12。形成低压涡轮机20的一部分的盘被耦接到第二可旋转轴28（在图1中示意性地示出），该第二可旋转轴28被耦接到低压压缩机14以驱动低压压缩机14。第二可旋转轴28位于第一可旋转轴26内并且与之同轴，如图1中所描绘。形成动力涡轮机22的一部分的盘被耦接到第三可旋转轴30（参见图1），该第三可旋转轴30被耦接到发电机24以驱动发电机24。当工作气体膨胀通过涡轮机18、20、22时，工作气体使涡轮机18、20、22内的成排的可旋转叶片旋转，并且因此，使相对应的盘以及第一、第二和第三轴26、28、30旋转。通过涡轮盘和轴26、28、30形成的结构一般称为涡轮机转子。

图2图示了位于低压涡轮机20的最后级的出口或排气处的涡轮机排气壳体25，所述涡轮机排气壳体25包括最后级的一排静叶（未示出）和最后级的一排动叶34。涡轮机排气壳体25包括外部结构环或壳体36和内部结构环或壳体38，从而在它们之间限定了涡轮机排气壳体腔40。

环形排气路径42被限定在外流路壁44和内流路壁46之间。气体路径42沿轴向方向将热气体从低压涡轮机20引导至动力涡轮机22，并且将排气壳体腔分成外壳体腔或腔部分40a和内排气壳体腔或腔部分40b。外排气壳体腔40a一般限定在排气壳体25的外环36和外流路壁44之间，并且内壳体腔40b一般限定在内流路壁46和锥体49之间，该锥体49在内环38和动力涡轮机22的前端或上游端之间延伸。

参照图2和图5，多个支柱组件48绕涡轮机排气壳体25周向隔开，从而从外环36径向向内延伸到内环38以便支撑内环38。轴承壳体50被支撑到内环38的径向内侧，并且被设置用于封闭用于支撑涡轮机转子的后轴承，该后轴承示意性地图示为51。每个支柱组件48包括固定到外环36和内环38的结构支柱52以及围绕支柱52并在外流路壁44和内流路壁46之间延伸的整流装置54，该整流装置54用于隔离和保护支柱52免受通过气体路径42的热气体影响，也参见图3。

可以注意到，尽管本文图示了六个支柱52（图5），但在本发明的范围内，可以设置其他数量的支柱52。例如，可以设置八个支柱52或任何其他数量的支柱。

如在图3中看到的，每个支柱52包括在发动机的轴向方向上细长的支柱主体52a，该支柱主体52a限定了平行于气流的轴向方向延伸的外侧壁56、58。支柱52形成为大致实心的结构构件，即，抗弯曲，以提供用于沿径向、轴向和周向方向来定位内环38的实质性结构支撑。在这方面，可以注意到，在壳体腔40内可存在相当大的压力，从而沿后部方向产生“吹离（blow-off）”负载。此外，每个支柱52可形成有径向延伸的腔60，该腔60可为供油管线61或其他服务管线提供通道。

参照图2，根据本发明的一个方面，支柱52被可拆卸地安装到外环36和内环38，例如非焊接或非整体地附接到二者。在图示实施例中，支柱52邻接抵靠外环36和内环38，并且通过可拆卸的紧固件连接来附接到外环36和内环38。特别地，每个支柱52的支柱主体52a在径向外部的第一支柱端64和径向内部的第二支柱端66之间沿径向方向延伸。第一支柱端64被可拆卸地附接到外部壳体36，其中，第一紧固件结构68接合外部壳体36，并且第二支柱端66被可拆卸地附接到内环38，其中，第二紧固件结构70接合内环38。

根据图2中所示的本发明的一个方面，外部壳体36包括通过孔口表面72a限定的支柱孔口72。第一支柱端64包括凸起部74，该凸起部74包括抵靠孔口表面72a接合的外凸起表面74a，并且具有对应于支柱孔口72的截面形状的截面形状。支柱主体52a限定了直径尺寸d₂，其小于外凸起表面74a的平行于支柱主体52a的直径尺寸d₂的直径尺寸d₁，使得支柱主体52a在支柱主体52a与孔口表面72a径向对准或相邻的位置处与孔口表面72a隔开。在孔口表面72a和外凸起表面74a之间提供紧密配合，使得侧向载荷、即周向和/或轴向载荷可以直接从支柱52传递到外部壳体36，并且不通过第一紧固件结构68处的紧固件连接来承载，如下文中更详细地描述的。

第一支柱端64形成有外凸缘76，其限定了第一紧固件结构68的一部分并且垂直于支柱52的径向方向延伸，所述径向方向如可通过支柱52的径向轴线A_R来限定的。外凸缘76在外部壳体36的一部分之上延伸并且定位成与之接触。例如，外部壳体36可形成有端口结构78，该端口结构78限定了支柱孔口72的至少一部分，并且提供了平面向外表面78a，用于与外凸缘76的平面向内表面76a协作。第一紧固件结构68还可包括绕第一支柱端64的周缘定位的螺栓80，该螺栓80穿过外凸缘76中的孔并接合在外部壳体36中的孔82中，该孔82例如为螺纹孔。外凸缘76在端口结构78的协作表面78a上的定位可以操作来将支柱52的第二端66定位在预定的径向内部位置处。可以理解的是，螺栓80可以可选地包括位于外部壳体36中的螺纹孔82中的螺柱，以及接合在螺柱上以保持外凸缘46接合在外部壳体36的端口结构78上的螺母。

根据图2中所示的本发明的另一方面，第二支柱端66可包括内凸缘84，该内凸缘84限定了第二紧固件结构70的一部分，并且从支柱主体52a向外且垂直于径向方向延伸，所述径向方向即支柱52的径向轴线A_R。内凸缘84可包括接合内环结构38的向外平面表面38_S的向内平面表面84_S。第二紧固件结构70还可以包括绕第二支柱端66的周缘定位的螺栓86，该螺栓86穿过内凸缘84中的孔87并且穿过内环38中的孔88。内凸缘84可以通过接合在螺栓86上的螺母90来保持与内环38接合，从而提供内环38和相关联的轴承51到预定径向位置的精确定位。可以理解的是，螺栓86可以可选地包括例如位于内环38中的螺纹孔88中的螺柱，以及接合在螺柱上以保持内环38接合在第二支柱端66上的螺母。

参照图2和图3，第二支柱端66包括插口（spigot）92，其从内向表面84_S突出并接合在延伸到向外表面38_S中的凹部94内。插口92可以是紧密配合在凹部94内延伸的圆形或环形突起。将插口92定位在凹部94内提供了第二支柱端66与内环38的形状接合（或形状配合，positive engagement）。也就是说，插口92可以提供第二支柱端66相对于内环38在预定位置处相对垂直于径向方向的方向的对准，并且提供径向延伸的接合表面，以便在支柱52和内环38之间沿轴向和周向方向传递力。因此，将内环38保持到支柱52的螺栓86不需要承载在支柱52和内环38之间传递的所有载荷。

根据图4中所示的本发明的另一方面，第二支柱端166可包括用于将支柱52连接到内环138的替代性的第二紧固件结构170。在图示构造中的支柱52可具有向内渐缩部分153，其从与气体路径42相邻的位置延伸到第二支柱端166。第二紧固件结构170包括内凸耳结构或内凸缘184，其从支柱主体52a的最小或减小的截面部分向外并垂直于支柱52的径向方向、即径向轴线A_R延伸。内凸缘184可包括接合内环138的向外平面表面138_S的向内平面表面184_S。

内凸缘184位于形成在内环138中的T形槽196中，如在轴向截面处沿周向观察到的。该“T”通过平行于径向轴线A_R的竖直腿和平行于向外表面138_S并沿轴向方向延伸的水平腿来限定。内环138包括第一和第二环部分138a、138b，它们耦接在一起以将内凸缘夹在第一和第二环部分之间，并且限定了形成在内环138中的第二紧固件结构170的一部分。特别地，环部分138a、138b具有形成在它们中的T形槽196的水平腿的相应的前部和后部，以接收内凸缘184的相对应的前部184a和后部184b。内凸缘184的前部184a和后部184b以及支柱52的第二端166形成对应于T形槽196的T形内端。支柱主体52a的减小截面部分延伸穿过限定在T形槽196的径向外端处的通道198，并且在支柱主体52a和通道198的边缘之间可设置间隙，以适应支柱主体52a相对于通道198的边缘的有限量的轴向移动，同时径向地保持第二端166与内环138接合。

第一环部分138a和第二环部分138b在接合部200处联接在一起，该接合部200在轴向方向上与内凸缘184重叠以包围内凸缘184。另外参照图4A，第二环部分138b通过多个周向隔开的紧固件来保持与第一环部分138a接合，这些紧固件可包括螺栓202，所述螺栓202轴向延伸穿过环部分138a、138b，以与相关联的螺母203完成第二紧固件结构170。此外，内凸缘184可包括周向延伸的凸缘段184c、184d，其成紧密配合地配合在槽196的相对应的轴向延伸的槽段内，以使支柱52与内环138对准。可以在支柱主体52a和处于槽196的径向外端处的通道199的边缘之间设置间隙，以适应支柱主体52a相对于通道199的边缘的有限量的周向移动。

周向延伸的凸缘段184c、184d限定了T形截面，如在周向截面处沿轴向方向观察到的。通过周向延伸的凸缘段184c、184形成的T形截面可被称为内凸缘184的周向T形截面，并且通过前凸缘部分184a和后凸缘部分184b形成的内凸缘184的前述T形截面可以被称为内凸缘184的轴向T形截面。可以理解的是，支柱52的第二端166可以被组装到第一环部分138a，这是通过如下相对轴向移动，即：所述相对轴向移动使前凸缘部分184a接合在槽196内，并且随后，将第二环部分138b接合在后凸缘部分184b上并与第一环部分138a接合。

参照图4B，其图示了图4A中所示的构造的一种替代性构造。根据图4B中所示的本发明的方面，内凸缘184'被描绘为具有周向延伸的凸缘段184c'、184d'，该凸缘段184c'、184d'形成有侧部204、206，该侧部204、206沿径向向外的方向朝向支柱52的周向侧成一定角度倾斜，以限定用于内凸缘184'的鸠尾形状。可以理解的是，凸缘184'可以具有大致类似于图4中所示的轴向截面。

T形槽196形成有类似地径向向外成一定角度倾斜的侧面，所述侧面朝向彼此周向成一定角度倾斜，用于与侧部204、206接合地协作。内凸缘184'的鸠尾构造为凸缘提供了更大的结构截面，并且可以为内凸缘184'和T形槽196之间的接触提供更大的表面积。

此外，图4B还图示了针对内凸缘184'的向内表面的一种替代性构造，如通过向内表面184_S'所描绘的。具体而言，向内表面184_S'被限定在内凸缘184的在周向方向上具有宽度尺寸W₁的径向突出区域185上，该宽度尺寸W₁小于内凸缘184'在周向方向上的最大宽度尺寸W₂。向内表面184_S'在支柱52上提供径向参考表面，用于接合向外表面138_S以及用于在径向方向上定位内环138，同时减小第二支柱端166和内环138之间的接触面积。接触面积的减小部分可有利于将支柱52组装到内环138，并且允许在具有来自向外和向内表面138_S、184_S'的最小或减小的干涉的情况下，使鸠尾状的凸缘段184c'、184d'在它们与相邻的协作槽表面接合的情况下对准。应当理解的是，可以按照与参照图4和图4A的构造所描述的相同的方式来执行针对图4B所描述的构造的组装。

还可以理解的是，尽管图4中所描绘的支柱52的构造包括锥形部分153，但支柱的其他构造可以设有第二紧固件结构170。例如，第二紧固件结构170可以设置有直的支柱构造，例如图2中所示的。

所描述的构造提供了可移除或可拆卸的支柱52，其可以被容易地组装到涡轮机排气壳体25并且从之移除。如上所述，支柱52被构造为刚性结构构件，其在例如壳体25内的高吹离负载之类的负载下抵抗运动，而没有附加的框架或支撑结构，以便为涡轮机的后轴承51提供静止的刚性支撑。此外，支柱52与外部壳体36和内环38（138）之间的外部和内部连接被构造成将内环38（138）精确地对准到预定的轴向和径向位置，并且由此，在组装期间提供轴承51的精确定位。除了提供所述对准之外，例如包括径向外部的凸起部74和径向内部的插口92的支柱52的端部结构可以承受剪切负载，否则所述剪切负载将进入到与第一和第二紧固件结构68、70相关联的螺栓中。

虽然已图示和描述了本发明的特定实施例，但对于本领域技术人员而言将明显的是，能够作出各种其他改变和修改，而不脱离本发明的精神和范围。因此，意在于所附权利要求中覆盖属于本发明的范围内的所有这样的改变和修改。