专利名称：匹配螺栓连接的开口环的热质量和刚度的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃气轮机，且更具体而言，涉及用于控制燃气轮机壳体变形的方法和装置。
背景技术：
在燃气轮机工业中，结构性的涡轮机壳体的常见问题是在涡轮操作期间壳体对各种温度和压力条件响应而造成的壳体变形，例如，不圆。在正常操作期间，燃气轮机经历快速的热瞬态荷载，这会在壳体结构中产生大的热梯度。如果在壳体周围的热质量分配不均匀，将会导致从预期圆形的变形。 典型的涡轮机和压縮机外壳形成为上半件和下半件，上半件和下半件在外壳分模线处用竖直螺栓沿着水平面彼此连接，竖直螺栓延伸穿过径向向外导向并扩大的凸缘。这些带有沿着分模线接头向下伸展的较大凸缘的分壁壳体会导致热质量集中，在热瞬态事件期间，热质量集中可能会导致壳体变形。壳体变形的一个原因是分模线凸缘的质量较大，使得它以比涡轮机外壳平衡的响应时间更低的速率做出热响应。在凸缘上较大的热梯度与这个较大质量结合，由于热诱导的轴向应变，这会造成凸缘向内收縮。 变形是设置1级和2级涡轮机间隙的较大组成部分，其可能是机器中最敏感的，且通常在最大程度上影响效率和输出。当前的燃气轮机在瞬态操作期间具有较大变形，这在热重启的情况下通常是最糟的，且间隙通常变大，在一对一的基础上来应对变形，直接影响到稳态间隙。这种类型的变形是设置1级涡轮转子的稳态间隙的重要组成部分，且更紧密的间隙导致燃气轮机操作性和性能的改善。 额外的变形可由于多件式壳体(multi-piece casing)分模线处的环向负荷不连续性造成。所导致的从理想圆形的总的变形是确定旋转部件与固定部件之间最小间隙的一个因素，因为旋转部件不能膨胀超过壳体的最小半径，即使这个最小间隙存在于壳体很小部分上。为了提供更紧密的间隙，每当间隙较小时，壳体应尽可能为圆形。最小的顶端间隙导致工作流体在桨叶/叶片顶端较少泄露，这得到燃气轮机最高效率的操作。
变形的另一个原因是内部壳体压力的结果。另外，应了解在分模线凸缘处螺栓孔的中心线与涡轮机壳体的主要部分之间存在偏移。由于这种偏移，由通过螺栓传递的环向场应力引入力矩，造成分模线径向向内偏转。 为了减轻变形，有时使用"伪"凸缘在壳体上其它周向部位提供额外热质量。美国专利第5， 605， 438号("438专利")公开了用于诸如涡轮机和压縮机这样的旋转机械的壳体，其通过使用"伪"凸缘而显著地减小了变形和不圆。438专利公开了一种涡轮机壳体，其设有策略地定位的周向的肋和多个轴向延伸的凸缘。438专利还公开了一种压縮机壳体，其仅设有多个轴向延伸的凸缘。438专利的全部公开内容以引用的方式结合到本文中。
图1对应于438专利的图3，图示了大体上半圆柱形的涡轮机壳体半件40，其利用在径向分开的螺栓孔(未图示)中的螺栓在水平分模线凸缘42处与类似的半圆柱形壳体半件(未图示)相配。为了减小由内部压力所造成的涡轮机壳体的变形和在启动和停机期间控制涡轮机的热响应，相配的壳体半件40中的每一个设有周向延伸的肋44。肋44绕圆柱形涡轮机壳体的每个半件在其相对端部之间延伸，止于分模线凸缘42附近的端部。通过将肋44在周向定位于半圆柱形半件周围，由内部压力所造成的壳体半件的变形显著减小。此外， 一个或多个轴向延伸的凸缘46设于半圆柱形壳体半件40的每一个中。如在图1所示，壳体半件40设有三个轴向延伸的肋46，其绕壳体半件40在周向彼此间隔开。这些肋46基本上匹配水平分模线凸缘42的刚度和大部分热质量。由于凸缘42具有从螺栓孔到凸缘外表面的槽，凸缘42中的应变减少，这使得轴向延伸的肋46可被设计成小于水平凸缘42，即，轴向肋46不如分模线凸缘42大或重。由于分模线凸缘42具有槽，径向刚度减小。438专利教导了仅需匹配分模线凸缘42的径向刚度。 图2对应于438专利的图4，示出了半圆柱形半件50形式的压縮机壳体的一个半件，其在水平分模线凸缘54处与类似的半圆柱形压縮机壳体半件(未图示)相配。压縮机壳体半件50不包括周向延伸的肋，因为在压縮机壳体中没有显著热诱导应力。但一个或多个轴向延伸的凸缘52绕外壳半件设于周向间隔开的位置，类似于上文所讨论的涡轮机壳体半件40。关于轴向延伸的凸缘52的刚度以及大小或质量的减小，上文关于涡轮机壳体40的轴向凸缘所讨论的相同的考虑是适用的。 类似于图1和图2所示的凸缘46和52的"伪"凸缘被广泛地使用，但它们未能解决所有变形问题。它们仅解决了热质量效应。由于在例如图l所示的分模线凸缘42处的螺栓连接的接头强度不连续，使得各"伪凸缘"下的环向刚度与分模线处的不匹配。应当指出的是，诸如图1和图2所示的凸缘46和52这样的伪凸缘的数目可超过两个。
发明内容
在本发明的示范性实施例中，在涡轮机中所用的在其中要控制变形的圆柱形壳体包括半圆柱形上壳体半件和半圆柱形下壳体半件以及第一伪凸缘和第二伪凸缘，上壳体半件具有第一和第二上分模线凸缘，第一和第二上分模线凸缘大体上从上壳体半件的直径上相对的端部在径向并沿着上壳体半件的直径上相对的端部水平地延伸，下壳体半件具有第一和第二下分模线凸缘，第一和第二下分模线凸缘大体上从下壳体半件的直径上相对的端部在径向和沿着直径上相对的端部水平地延伸，第一和第二上分模线凸缘分别连接到第一和第二下分模线凸缘从而使上壳体半件和下壳体半件彼此连接形成外壳，第一伪凸缘大体上从上壳体半件的侧部在径向并沿着上壳体半件的侧部水平地延伸，且第二伪凸缘大体上从下壳体半件的侧部在径向并沿着下壳体半件的侧部水平地延伸，第一伪凸缘和第二伪凸缘中的每一个在凸缘内径中包括切口 (split)以便允许调整外壳的环向刚度来匹配分模线凸缘中螺栓连接的接头的环向刚度和分模线凸缘承受环向负荷或环向力的能力。 在本发明的另一示范性实施例中，其中要控制变形的涡轮外壳包括半圆柱形上壳体半件和半圆柱形下壳体半件以及第一伪凸缘和第二伪凸缘，上壳体半件具有第一和第二上分模线凸缘，第一和第二上分模线凸缘大体上从上壳体半件的直径上相对的端部在径向和沿着上壳体半件的直径上相对的端部水平地延伸，下壳体半件具有第一和第二下分模线凸缘，第一和第二下分模线凸缘大体上从下壳体半件的直径上相对的端部在径向和从下壳体半件的直径上相对的端部水平地延伸，第一和第二上分模线凸缘分别螺栓连接到第一和第二下分模线凸缘从而将上壳体半件和下壳体半件彼此连接形成外壳，第一伪凸缘与第二伪凸缘在外壳上彼此直径上相对地分隔开，第一伪凸缘大体上从上壳体半件的侧部在径向和沿上壳体半件的侧部水平地延伸，第二伪凸缘大体上从下壳体半件的侧部在径向并沿着下壳体半件的侧部水平地延伸，第一伪凸缘和第二伪凸缘中的每一个在凸缘内孔中包括切口以便允许调整外壳的环向刚度来匹配分模线凸缘中的螺栓连接的接头的环向刚度和分模线凸缘承受环向负荷或环向力的能力。 在本发明的又一示范性实施例中，控制在燃气轮机中所用的圆柱形壳体中变形的方法包括以下步骤提供半圆柱形上壳体半件，其具有第一和第二上分模线凸缘，第一和第二上分模线凸缘大体上从上壳体半件的直径上相对的端部在径向并沿着上壳体半件的直径上相对的端部水平地延伸；提供半圆柱形下壳体半件，其具有第一和第二下分模线凸缘，第一和第二下分模线凸缘大体上从下壳体半件的直径上相对的端部在径向并沿着下壳体半件的直径上相对的端部水平地延伸；使第一和第二上分模线凸缘分别连接到第一和第二下分模线凸缘，从而使上壳体半件和下壳体半件彼此连接形成圆柱形壳体；提供第一伪凸缘，第一伪凸缘大体上从上壳体半件的侧部在径向和沿着上壳体半件的侧部水平地延伸；提供第二伪凸缘，第二伪凸缘大体上从下壳体半件的侧部在径向和沿着下壳体半件的侧部水平地延伸；以及，在第一伪凸缘和第二伪凸缘中的每一个的凸缘内径中提供切口来调整外壳的环向强度以匹配分模线凸缘中螺栓连接接头的环向刚度和分模线凸缘承受环向负荷或环向力的能力。
图1是现有技术的大体上半圆柱形涡轮机壳体半件的透视图，其设有周向延伸的肋和周向上彼此间隔开的多个轴向延伸的凸缘以减轻壳体变形。 图2是现有技术的大体上半圆柱形压縮机壳体半件的透视图，其设有在周向彼此间隔开的多个轴向延伸的凸缘以减轻壳体变形。 图3是大体上圆柱形燃气轮机壳体的截面图，其例示了通过在涡轮机壳体上彼此在直径上相对的"伪"凸缘下的凸缘内径中提供切口来控制壳体中的变形的方法和装置。
具体实施例方式
在本发明的一个实施例中，通过在壳体上的伪凸缘下的凸缘内径中提供切口来控制涡轮机壳体中的变形。通过在伪凸缘下的凸缘内径中提供切口，可"调节"壳体的环向刚度来匹配半圆柱形上壳体半件与下壳体半件之间的分模线凸缘中螺栓连接的接头的环向刚度和因此伪凸缘承受相对应的环向负荷或环向力的能力。通过匹配分模线凸缘的环向刚度和环向负荷能力以及伪凸缘中这些凸缘的热质量效应，可将壳体中的变形引导到更高阶变形模式，其能均匀地分配偏转从而允许壳体接近更纯圆形的形式。 图3是燃气轮机壳体(或压縮机壳体)的截面图，示出为大体上圆柱形外壳10，其中合适地安装有用于各个涡轮机级(未图示)的罩，且其中诸如涡轮机叶片和转子这样的涡轮机的旋转部件(未图示)旋转。外壳10包括半圆柱形的上壳体半件12和下壳体半件14。上壳体半件12具有凸缘16A和18A，凸缘16A和18A大体上在径向从上壳体半件12的直径上相对的端部延伸。下壳体半件14也具有凸缘16B和18B，凸缘16B和18B大体上在径向从下壳体半件14的直径上相对的端部延伸。凸缘16A与18A和凸缘16B和18B也大体沿着圆柱形半件12和14的直径上相对的侧部水平地延伸。凸缘16A和18A分别连接到相对应的凸缘16B和18B，从而使壳体半件12和14彼此连接以形成外壳10。优选地，凸缘16A和18A使用螺栓20和螺母22螺栓连接到相对应的凸缘16B和18B，但应当指出的是也可使用不同于螺栓连接的将这种凸缘连接在一起的方法。例如，凸缘16A和18A与凸缘16B和18B可被夹持或焊接到外表面上，或者不提供与外壳壳体10的内径相同的半径的环向连续性的一些其它的连接形式。连接壳体半件12与14的实际方法与本发明无关，只要特定的连接方法得到在外壳壳体10周围的恒定半径负荷路径。 在图3中还示出两个"伪"凸缘24和26，伪凸缘24与26在外壳10上在直径上彼此相对地间隔开且分别大致从壳体半件12和14的侧部径向地且沿着壳体半件12和14的侧部水平地延伸。应当指出的是，也可使用沿着外壳10的周围彼此分开的如凸缘24和26这样的超过两个的凸缘。因此，伪凸缘24和26未必彼此在直径上彼此相对。对于一些几何形状而言，三个120°隔开的凸缘的实例仍将是有效的。 伪凸缘24和26的大小和/或尺寸被设计为基本上匹配分模线凸缘16A/B和18A/B的刚度和热质量。但应当指出的是，在具有从螺栓孔到分模线凸缘外表面的槽从而使分模线凸缘中的应变减小的各分模线凸缘中，伪凸缘24和26可被设计成在质量上小于分模线凸缘16A/B和18A/B。即，轴向伪凸缘24和26将不像分模线凸缘16A/B和18A/B —样地大或重。但还应当指出的是，在分模线凸缘16A/B和18A/B中的径向"锯痕"并不直接与本发明相关，因为它们可结合本发明使用，但不是必需的。在伪凸缘下的切口，诸如伪凸缘24和26下方的切口 28和30用于"调节"外壳10的环向刚度。伪凸缘24和26的大小和质量预计匹配外壳10的热响应速率，这是一个不同的问题。如果伪凸缘16A/B和18A/B具有与分模线凸缘24和26不同的大小和质量，这个切口仍将是有效的。 图3的截面图例示了用于控制诸如外壳10的涡轮机壳体中变形的本发明的方法。根据本方法，切口，诸如图3所示的切口 28和30，设于伪凸缘24和26下方的凸缘内径中。分别在伪凸缘24和26下方的凸缘内径中设有切口 28和30允许调整或"调节"外壳10的环向刚度以便匹配在分模线凸缘16A/B和18A/B中的螺栓连接的接头的环向刚度和这些分模线凸缘承受相对应的环向负荷或环向力的能力。"刚度"衡量物体对于所施加的负荷的弹性响应。"环向刚度"是弹性地改变如涡轮机壳体这样的圆柱形物体的直径所需的每单位长度的环向力。"环向力"或"环向负荷"是在周向作用于经受内部压力或外部压力的物体中的力。 凸缘16A/B和18A/B具有预定的环向刚度和负荷路径。通过在伪凸缘24和26中提供切口 28和30，使凸缘24和26具有与分模线凸缘16A/B和18A/B基本上相同的环向刚度和负荷路径。通过匹配分模线凸缘的环向刚度和负荷路径以及伪凸缘24和26中的这些凸缘的热质量效应，外壳10的变形可被引导到更高阶变形模式，其能均匀地分配偏转从而允许外壳10接近更纯圆的形式。 对伪凸缘24和26中的切口 28和30的形状并无限制。可使用如图3所示的直的通道，也可使用某种"键孔"形状的形式，但切口所需特征匹配伪凸缘24和26的环向刚度和负荷路径的半径。质量或尺寸匹配导致匹配的瞬态热响应速率，且与这种机械匹配没有关系。 虽然结合目前被认为是最实用且优选的实施例描述了本发明，但应了解本发明并
7不限于所公开的实施例，而是相反，它涵盖包括在权利要求书的精神和范畴内的各种修改和等效布置。
权利要求
一种要控制变形的壳体(10)，所述壳体包括上壳体半件(12)，具有从所述上壳体半件(12)延伸的第一和第二上分模线凸缘(16A，18A)，下壳体半件(14)，具有从所述下壳体半件(14)延伸的第一和第二下分模线凸缘(16B，18B)，所述第一和第二上分模线凸缘(16A，18A)分别连接到所述第一和第二下分模线凸缘(16B，18B)，从而使所述上壳体半件和下壳体半件(12，14)彼此连接以形成壳体(10)，以及多个伪凸缘(24，26)，从所述上壳体半件和下壳体半件(12，14)延伸，各所述多个伪凸缘(24，26)在所述伪凸缘(24，26)的内径中包括切口(28，30)，从而允许调整所述壳体(10)的环向刚度以匹配所述分模线凸缘(16A，16B，18A，18B)的环向刚度和所述分模线凸缘(16A，16B，18A，18B)的负荷路径的半径。
2. 根据权利要求l所述的壳体(IO)，其特征在于，在各所述伪凸缘(24，26)中的所述 切口 (28,30)具有的形状允许调整所述壳体(10)的环向刚度来匹配所述分模线凸缘(16A， 16B，18A，18B)的环向刚度和所述分模线凸缘(16A，16B，18A，18B)的负荷路径的半径。
3. 根据权利要求2所述的壳体(IO)，其特征在于，各所述伪凸缘(24，26)中的所述切 口 (28,30)的形状是直通道或键孔形状。
4. 根据权利要求l所述的壳体(IO)，其特征在于，各伪凸缘(24，26)在周向定位于所 述壳体(10)上，从而使所述伪凸缘(24,26)和所述分模线凸缘(16A，16B，18A，18B)围绕所 述壳体(10)等距地间隔开。
5. 根据权利要求l所述的壳体(IO)，其特征在于，各伪凸缘(24，26)的大小和/或尺 寸设计为基本上匹配所述第一上分模线凸缘和下分模线凸缘(16A，16B) —起和/或所述第 二上分模线凸缘和下分模线凸缘(18A，18B) —起的刚度和热质量。
6. 根据权利要求l所述的壳体(IO)，其特征在于，所述多个伪凸缘(24,26)对称地定 位于所述壳体(10)周围。
7. 根据权利要求l所述的壳体(IO)，其特征在于，所述多个伪凸缘(24,26)不对称地 定位于所述壳体(10)周围。
8. —种控制圆柱形壳体(10)中变形的方法，所述方法包括以下步骤 提供上壳体半件(12)，所述上壳体半件(12)具有从所述上壳体半件(12)的相对端部延伸的第一和第二上分模线凸缘(16A，18A)，提供下壳体半件(14)，所述下壳体半件(14)具有从所述下壳体半件(14)的相对端部 延伸的第一和第二下分模线凸缘(16B，18B)，分别使所述第一和第二上分模线凸缘(16A，18A)连接到所述第一和第二下分模线凸 缘(16B，18B)，从而使所述上壳体半件和下壳体半件(12,14)彼此连接，以形成所述圆柱形 壳体(10)，提供多个伪凸缘(24，26)，所述多个伪凸缘(24,26)从所述上壳体半件和下壳体半件 (12， 14)延伸，以及在各所述伪凸缘(24,26)中提供在所述伪凸缘内径中的切口 (28，30)，从而调整所述 壳体(10)的环向刚度来匹配所述分模线凸缘(16A，16B，18A，18B)的环向刚度和所述分模 线凸缘(16A，16B，18A，18B)的负荷路径的半径。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在各所述伪凸缘(24，26)中的所述切口 (28， 30)具有的形状允许调整所述壳体(10)的环向刚度以匹配所述分模线凸缘(16A，16B， 18A，18B)的环向刚度和所述分模线凸缘(16A，16B，18A，18B)的负荷路径的半径。
10. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，各所述伪凸缘(24，26)的大小和/或尺 寸设计为基本上匹配所述第一上分模线凸缘和下分模线凸缘(16A，16B) —起和/或所述第 二上分模线凸缘和下分模线凸缘(18A，18B) —起的刚度和热质量。
全文摘要
一种匹配螺栓连接的开口环的热质量和刚度的方法和装置。本发明公开了一种控制燃气轮机的壳体(10)中变形的方法和装置。该方法使用在“伪”凸缘(24，26)下的凸缘内径中的切口(28，30)来调节所述壳体(10)的环向刚度以匹配所述螺栓连接的接头的刚度和行为。通过匹配分模线凸缘(16A，16B，18A，18B)的环向承载能力和负荷路径以及热质量效应，变形可被引导到更高阶的变形模式，其可均匀地分配偏转并接近纯圆形式。
文档编号F01D25/26GK101713303SQ200910204800
公开日2010年5月26日 申请日期2009年9月30日 优先权日2008年9月30日
发明者C·P·科克斯, M·W·弗拉纳根 申请人:通用电气公司