专利名称：用于涡轮发动机的可压缩式支承件的制作方法
技术领域：
本文所公开的主题涉及涡轮发动机，并且更具体地涉及涡轮发动机构件的组装、 支承和对准。
背景技术：
在有些应用中，涡轮可包括设计成用以在安装期间组装的各种区段。各涡轮可由涡轮壳体包封，且其轴承由"基台"(也称为"基座")或排气构架支承。涡轮壳体可包括臂或其它延伸部，这些臂或其它延伸部例如可通过基台自身上的直立支承件由基台支承。 涡轮壳体还可由附接到地面上的支腿竖向地支承。轴承壳座大体上覆盖和保护涡轮的轴承。在安装期间，轴承壳座定位成使得转子与涡轮壳体同心，以避免干涉其它构件。排气构架上的支承件可接合轴承壳座上的支承部分，以便竖向地和/或水平地对准和支承轴承壳座。在操作期间，间隙可取决于排气构架的支承件和轴承壳座支承部分而增大或减小。间隙的这些变化可引入轴承相对于静止构件的位置不确定性，且可导致这些构件之间的摩擦或干涉。涡轮壳体大体上覆盖和保护涡轮的旋转构件。在安装期间，涡轮壳体与旋转构件大致对准以避免与构件相干涉。地面上的支承件可接合涡轮壳体上的支承部分，以便竖向地和/或水平地对准和支承涡轮壳体。由于支承部分和/或基台支承件的热膨胀，可能难以实现所期望的间隙。例如，在操作期间，间隙可取决于基台支承件和支承部分的构造而增大或减小。这些变化的间隙可引入涡轮壳体相对于旋转构件的位置不确定性，且最终可导致这些构件之间的摩擦或干涉。
发明内容
在范围上与原本主张的发明相匹配的一些实施例在下文进行了概述。这些实施例并非意图限制所主张发明的范围，而是这些实施例仅意图提供对本发明可能形式的简要概括。实际上，本发明可包含与下文阐述的实施例相似或不同的多种形式。在第一实施例中，一种系统包括具有涡轮壳体的涡轮发动机、构造成用以支承涡轮发动机的支承组件，其中，支承组件包括由至少第一凸起和第二凸起所限定的键槽、从涡轮壳体延伸且构造成用以与键槽相匹配的楔块(gib)，以及设置在楔块与一个第一凸起之间的第一垫片(shim)，其中，第一垫片包括金属泡沫(或泡沫材料，foam)。在第二实施例中，一种系统包括用于涡轮发动机的第一涡轮对准构件和包括金属泡沫的垫片，其中，垫片安装在第一涡轮对准构件的第一表面与第二涡轮对准构件的第二表面之间。在第三实施例中，一种系统包括用于涡轮发动机的支承器件，该支承器件具有键槽，其具有底部、第一侧和与第一侧相反的第二侧；键，其构造成用以插入键槽且提供对涡轮发动机涡轮壳体的横向对准；以及设置在键槽中位于键与第一侧之间的第一垫片和设置在键与第二侧之间的第二垫片，其中，第一垫片和第二垫片包括金属泡沫。
当参照附图阅读如下详细描述时，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得更容易理解，所有附图中的相似标号表示相似的零件，在附图中图1为具有燃气轮机、蒸汽轮机和热回收蒸汽发生(HRSG)系统的联合循环动力生成系统的实施例的示意性流程图；图2为根据本发明实施例的涡轮基台和涡轮壳体的透视图；图3为根据本发明实施例的涡轮支承器件的示意性前视图；图4为根据本发明实施例的金属泡沫的应力/应变曲线；图5为根据本发明实施例的图3中的涡轮支承器件的键槽凸起的透视图；以及图6为根据本发明实施例的图3中的涡轮支承器件的键槽凸起的透视图。零件清单10 动力生成系统12 燃气轮机22 蒸汽轮机32 HRSG 系统14 第一负载16 涡轮18 燃烧室20 压缩机24 第二负载26 低压区段28 中压区段30 高压区段29 中间基台31 端部基台34 加热的排出气体36 冷凝器38 冷凝泵40 低压节省器42 低压蒸发器44 中压节省器46 中压蒸发器48 高压节省器50 高压蒸发器52 高压过热器54 高压过热器56 级间调温器(attemperator)58 初级再热器
60次级再热器
62级间调温器
70润轮基台
72涡轮壳体
74上半部
76下半部
78上半部涡轮壳体
80下半部涡轮壳体
79箭头
81箭头
82涡轮支承器件
83空间
84键槽
86楔块
88凸起
90金属泡沫垫片
94应力/应变曲线
96线性区域
98台: ! (plateau region)
99密化区域(densification region)
100耐磨衬垫
102保持板
104箭头
106紧固件
108紧固件
110凹部
具体实施例方式下文将描述本发明的一个或多个特定实施例。为了提供对这些实施例的简要描述，在说明书中可能未描述实际实施方式的所有特征。应当认识到的是，在任何此种实际实施方式的开发中，如在任何工程或设计项目中那样，必须作出许多特定实施方式的决定，以实现开发者的特定目标，如遵循关于系统和有关商业的约束，这可能由一种实施方式到另一种实施方式而有所不同。此外，应当认识到，此种开发工作可能很复杂和耗时，但对于受益于本公开内容的普通技术人员来说，仍为设计、制作和生产的常规事项。在介绍本发明各种实施例的元件时，用词〃 一〃、‘‘一个〃、‘‘该〃和〃所述〃 意在表示存在一个或多个元件。用语"包括"、“包含"和"具有"表示包括性的，且意为可存在除所列元件以外的附加元件。本发明的实施例包括用于对准支承在涡轮支承件(例如，基台)上的蒸汽轮机或燃气轮机的涡轮构件(例如，涡轮壳体)的顺应性垫片(例如，金属泡沫垫片)。金属泡沫垫片可安装为处在涡轮构件键槽与涡轮支承件楔块之间的垫片。在操作期间，金属泡沫垫片可响应于热涡轮构件的热膨胀而压缩，以确保在键槽与楔块之间保持所期望的间隙。在一些实施例中，耐磨衬垫(例如，钨铬钴合金耐磨衬垫)可提供在金属泡沫垫片与键槽之间来支承由楔块和/或键槽所施加的任何剪切负载。在一些实施例中，金属泡沫垫片的厚度、 相对密度和材料可选择为用以确保金属泡沫垫片提供所期望的线性弹性和长期的操作寿命。图1为具有燃气轮机12、蒸汽轮机22和热回收蒸汽发生(HRSG)系统32的联合循环动力生成系统10的实施例的示意性流程图。系统10可使用一个或多个支承器件来对准燃气轮机12、蒸汽轮机22和/或HRSG 32中的各种构件。如下文所述，支承器件包括一个或多个顺应性垫片(例如，金属泡沫垫片)，以便保持适合的间隙而不论热涡轮构件的热膨胀如何。系统10可包括用于驱动第一负载14的燃气轮机12。例如，第一负载14可为用于产生电功率的发电机。燃气轮机12可包括涡轮16、燃烧器或燃烧室18，以及压缩机20。 系统10还可包括用于驱动第二负载M的蒸汽轮机22。第二负载M也可为用于产生电功率的发电机。然而，第一负载14和第二负载M两者均可为能够由燃气轮机12和蒸汽轮机 22驱动的其它类型的负载。此外，如所述实施例中所示，尽管燃气轮机12和蒸汽轮机22可驱动单独的负载14和M，但燃气轮机12和蒸汽轮机22也可串接使用，以便通过单个轴来驱动单个负载。在所述的实施例中，蒸汽轮机22可包括一个低压区段^(LP ST)、一个中压区段^(IP ST)以及一个高压区段30 (HP ST)。然而，蒸汽轮机22和燃气轮机12的特定构造可具体地实现，且可包括任何的区段组合。蒸汽轮机22的各区段，例如低压区段26、中压区段观和高压区段30，均可大体上由中间基台29(例如，基座)支承和隔开。类似的是，端部基台31(例如，基座)可大体上支承高压区段30和低压区段沈的端部。基台四和31可沿轮机22的轴线设置，且可包括各种构件，如支承件、捡拾器(pickup)以及涡轮区段26，观和30之间的管路。如下文详细描述的那样，基台四和31还可通过楔块和键槽的接合来提供区段沈，28和30的涡轮壳体的横向(即，水平)对准。楔块与键槽之间的接合可通过使用本文所述的金属泡沫垫片来调整。应当认识到的是，燃气轮机12还可包括一个或多个区段和基台的类似布置，且燃气轮机12还可使用楔块、键槽和金属泡沫垫片来用于横向对准，如下文所述。系统10还可包括多级HRSG 32。所述实施例中的HRSG 32的构件为对HRSG 32的简化描述，且并非意图进行限制。确切而言，所述的HRSG 32示出为用以传达对此类HRSG 系统的总体操作。来自于燃气轮机12的加热排出气体34可传送至HRSG 32中，且用于加热用来为蒸汽轮机22供能的蒸汽。来自于蒸汽轮机22的低压区段沈的排气可引入冷凝器36中。来自于冷凝器36的冷凝物继而可借助于冷凝泵38来引入HRSG 32的低压区段中。冷凝物然后可流过低压节省器40(LPEC0N)、构造成用以利用气体加热供水的装置，该装置可用于加热冷凝物。自低压节省器40，部分冷凝物可引导至低压蒸发器 42(LPEVAP)，而其余的则可朝中压节省器44(IPEC0N)泵送。来自于低压蒸发器42的蒸汽可回到蒸汽轮机22的低压区段26。类似的是，部分冷凝物可从中压节省器44引导到中压蒸发器46 (IPEVAP)中，而其余的则可朝高压节省器48 (HPECON)泵送。来自于中压蒸发器46的蒸汽可传送至蒸汽轮机22的中压区段观。此外，节省器、蒸发器和蒸汽轮机22之间的连接可在整个实施过程中变化，因为所述实施例仅示范了可采用本实施例独特方面的HRSG 系统的总体操作。最终，来自于高压节省器48的冷凝物可引导到高压蒸发器50 (HPEVAP)中。离开高压蒸发器50的蒸汽可引导到初级高压过热器52和终级(finishing)高压过热器M中， 在该处，蒸汽过热且最终将传送至蒸汽轮机22的高压区段30。来自于蒸汽轮机22的高压区段30的蒸汽继而可引导到蒸汽轮机22的中压区段观中。来自于蒸汽轮机22的中压区段观的排气可引导到蒸汽轮机22的低压区段沈中。级间调温器56可定位在初级高压过热器52与终级高压过热器M之间。级间调温器56可容许更为稳健地控制来自于终级高压过热器M的蒸汽的排气温度。具体而言， 级间调温器56可构造成用以每当在离开终级高压过热器M的蒸汽的排气温度超过预定值时，则通过将冷却剂供水喷雾喷射到终级高压过热器M上游的过热蒸汽中来控制离开终级高压过热器M的蒸汽的温度。此外，来自于蒸汽轮机22的高压区段30的排气可引导到初级再热器58和次级再热器60中，在其中，排气可在引导到蒸汽轮机22的中压区段观中之前再加热。初级再热器58和次级再热器60还可与级间调温器62相关联以便控制来自于再热器的排出蒸汽温度。具体而言，级间调温器62可构造成用以每当在离开次级再热器60的蒸汽的排气温度超过预定值时，则通过将冷却剂供水喷雾喷射到次级再热器60上游的过热蒸汽中来控制离开次级再热器60的蒸汽的温度。在诸如系统10的联合循环系统中，热排出气体34可从燃气轮机12流出并穿过 HRSG 32，且可用于产生高压高温蒸汽。由HRSG 32产生的蒸汽然后可穿过蒸汽轮机22来生成动力。此外，所产生的蒸汽还可供送给可使用过热蒸汽的任何其它过程。燃气轮机12 循环通常称为"至顶循环"，而蒸汽轮机22的生成循环通常称为"及底循环"。通过结合图1中所示的这两个循环，联合循环动力生成系统10可在两个循环中产生更高的效率。具体而言，来自于至顶循环的排气热量可被俘获并用于产生在及底循环中使用的蒸汽。图2为支承涡轮壳体72 (例如，低压区段26、中压区段观或高压区段30的壳体) 的涡轮基台70(例如，中间基台四或端部基台31)的透视图。基台70可包括上半部74和下半部76，以及涡轮壳体72可包括上半部涡轮壳体78或下半部涡轮壳体80。涡轮壳体72 可大体上由设置在基台70上的支承器件支承和对准，如在由箭头79所示的区域中。支承器件可通过接合楔块和键槽并调整一个或多个金属泡沫垫片而沿χ轴线如沿箭头81所示的方向横向地对准和支承涡轮壳体72。如上文所述，燃气轮机12还可使用支承器件来以类似的方式使燃气轮机的一个或多个壳体与基台横向地对准。图3为根据本发明一个实施例的涡轮支承器件82的简图。如图3中所示，涡轮支承器件82可包括基台70上的键槽84和从涡轮壳体下半部80延伸的凸起，例如楔块86 (也称为"键")。该键槽84可由从基台70延伸的凸起88限定。凸起88之间的空间83可限定键槽84。在一些实施例中，凸起可在基台70上加工而成、焊接到基台70上，或由任何适合的技术制成。楔块86构造成用以与键槽84匹配并沿χ轴线提供对涡轮壳体72的对准和支承。键槽84与楔块86之间的间隙可在"冷"状态期间设定，例如，在涡轮区段未操作且低于操作温度时。例如，一定的横向间隙可提供在键槽84的凸起与楔块86之间以防止对楔块86的破坏。在操作期间，当涡轮区段和涡轮壳体72加热时，楔块86可在键槽84内热膨胀。为了确保楔块86与键槽84之间所期望的配合，一个或多个顺应性垫片(例如，金属泡沫垫片)90可设置在楔块86与限定键槽84的各凸起88之间。例如，如图3中所示， 第一金属泡沫垫片90A可插在楔块86的一侧与凸起88之间，以及第二金属泡沫垫片90B 可插在楔块86的第二侧与凸起88之间。当涡轮壳体70加热且楔块86在键槽84内增长时，金属泡沫垫片90可经压缩以在楔块86与键槽84的侧面之间保持所期望的间隙。如下文进一步描述的那样，金属泡沫垫片90可包括!^eCrAlY泡沫、不锈钢泡沫、铜泡沫、铬镍铁合金泡沫、镍泡沫、铝泡沫或任何适合的泡沫，以及金属泡沫的厚度、相对密度和材料可选定为用以确保金属泡沫响应于膨胀楔块86所施加的力而保持线性弹性。此外， 金属泡沫垫片90可有足够的顺应性，以便防止在楔块86的热膨胀期间对楔块86和/或键槽84的破坏，但保持足够的刚度来保持楔块86与键槽84之间所期望的横向对准，且因此保持涡轮壳体70的对准。有利的是，在冷态而提供较容易的组装时，金属泡沫能够实现对支承器件的调整。此外，支承器件中的金属泡沫垫片90消除或最大限度地减小了任何冷或热的横向位置不确定性，且能够实现涡轮静止部分和旋转部分之间的更紧间隙。如上文所述，金属泡沫可选择为用以提供所期望的线性弹性，如通过选择具有所期望的屈服强度或杨氏模量的金属泡沫。如将会认识到的是，屈服强度和杨氏模量两者都可为相对密度的函数。图4绘出了对于一种示例性金属泡沫的应力/应变曲线94，例如具有15%相对密度的!^eCrAlY金属泡沫。如图4中所示，y轴线对应于金属泡沫对于χ轴线上的给定应变(in/in)的应力(lbf/in2)。线性区域96对应于显示出线性弹性的!^eCrAlY 金属泡沫的应力/应变曲线的那部分。例如，在图4中所绘的线性区域中，FeCrAlY金属泡沫的杨氏模量可为大约61259psi。其它区域可包括金属泡沫的应力不会相对于应变而变化的台地区域98，以及金属泡沫响应于应变而增大密度且快速增大应力的密化区域99。因此，当选择金属泡沫以上文所述的方式用作垫片时，金属泡沫可选择为用以在涡轮操作和涡轮壳体70的膨胀期间，确保该金属泡沫提供达到预计在金属泡沫垫片中引起的应变的线性弹性。如上文所述，金属泡沫可包括!^CrAlY泡沫、不锈钢泡沫、铜泡沫、 铬镍铁合金泡沫、镍泡沫、铝泡沫或任何适合的金属泡沫。此外，金属泡沫可包括开孔金属泡沫或闭孔金属泡沫。此外，所用的金属泡沫可具有大于大约5%的相对密度，如至少大约 5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40% 或更大。例如，参看上文在图3中所述的楔块86和键槽84，对于具有大约6英寸宽度、大约8英寸高度和大约20英寸长度的楔块86且对于600下和300 T的稳态楔块温度而言， 在15%相对密度的!^eCrAlY金属泡沫中产生的应力为大约860psi，且在图4中所绘的线性弹性区域96内。此外，对于此种实施例，在金属泡沫上产生的总横向力为137，6001bf。在一些实施例中，金属泡沫垫片90可结合附加构件使用。图5绘出了具有耐磨衬垫100和保持板102的键槽凸起88的实施例的透视图，而图6绘出了没有保持板102的键槽凸起88的透视图。如图5中所示，耐磨衬垫100可吸收如箭头104所示的由楔块86施加在键槽凸起88上的一部分或所有剪切负载。如图6中所示，耐磨衬垫100可设置在金属泡沫垫片90与楔块86之间。在一些实施例中，耐磨衬垫100可为钨铬钴合金、钢或任何其它适合的材料或它们的组合。保持板102可用于保持金属泡沫垫片90和耐磨衬垫100与键槽凸起88对准。例如，保持板102可克服沿箭头104所示的方向施加到耐磨衬垫100上的任何剪切负载而保持该衬垫。另外，如图5和图6中所示，耐磨衬垫100可通过一个或多个紧固件106机械地固定到金属泡沫垫片90上，该紧固件106例如为钉子、螺钉、螺栓、铆钉或任何其它适合的紧固件。在其它实施例中，耐磨衬垫100可通过铜焊、焊接、粘合剂或任何其它适合的工艺而连结到金属泡沫垫片90上。因此，在一些实施例中，耐磨衬垫100 和金属泡沫垫片90可连结在一起来形成单个构件，而在其它实施例中，耐磨衬垫100可为与金属泡沫垫片90分离的构件。在其它实施例中，耐磨衬垫100可省略，且金属泡沫垫片 90可为设置在楔块86与键槽凸起88之间的唯一构件。类似的是，保持板102可通过一个或多个紧固件108机械地固定到键槽凸起88上，该紧固件108例如为钉子、螺钉或任何其它适合的紧固件。另外，如图6中所示，凸起88可包括构造成用以将垫片90定位和/或收容在凸起88的特定区域中的凹部110。该凹部110可由凸起88内表面的一个或多个凹口或延伸部而限定。在一些实施例中，限定键槽84的一个或多个凸起88包括凹部。应当认识到的是，在其它实施例中，键槽可定位在涡轮壳体70上，且楔块86可定位在涡轮基台上。在此种实施例中，金属泡沫垫片90可用于以上文所述的方式在楔块与键槽之间提供所期望的间隙。此外，应当认识到的是，上文所述的顺应性垫片(例如，金属泡沫垫片)可在其它的支承器件中使用，例如，这些支承器件具有第一对准器件和第二对准器件、凸出对准器件和凹入对准器件等。本书面说明使用了包括最佳模式的实例来公开本发明，且还使本领域的普通技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何所结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域的普通技术人员所构思出的其它实例。如果这些其它实例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无实质差异的同等结构元件，则认为这些实例落在权利要求的范围之内。
权利要求
1.一种系统(10)，包括包括涡轮壳体(72)的涡轮发动机(12)；构造成用以支承所述涡轮发动机(1 的支承组件(70)，其中，所述支承组件(70)包括由至少第一凸起和第二凸起(88)所限定的键槽(84)；从所述涡轮壳体延伸且构造成用以与所述键槽(84)相匹配的楔块(86)；以及设置在所述楔块(86)与所述第一凸起(88)之间的第一垫片(90A)，其中，所述第一垫片(90A)包括金属泡沫。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述金属泡沫包括i^eCrAlY、不锈钢、铜、 镍或铝中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述金属泡沫包括至少等于或大于大约 5%的相对密度。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述支承组件(70)降低或阻挡所述涡轮壳体(72)的横向运动。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括设置在所述楔块(86)与所述第二凸起(88)之间的第二垫片(90B)，其中，所述第二垫片(90B)包括所述金属泡沫。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述支承组件(70)在所述涡轮发动机 (12)的涡轮级06二8，30)的端部(31)处包括轴承、润滑系统和转子中的至少一个。
7.一种系统(10)，包括用于涡轮发动机(1 的支承器件(82)，其包括具有底部、第一侧和与所述第一侧相反的第二侧的键槽(84)；构造成用以插在所述键槽(84)中且提供对所述涡轮发动机(1 的涡轮壳体(72)的横向对准的键(86)；以及设置在所述键槽(84)中位于所述键(86)与所述第一侧之间的第一垫片(90A)，以及设置在所述键槽(84)中位于所述键(86)与所述第二侧之间的第二垫片(90B)，其中，所述第一垫片(90A)和所述第二垫片(90B)包括金属泡沫。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一侧包括构造成用以收容所述第一垫片(90A)的第一凹部(110)，以及所述第二侧包括构造成用以收容所述第二垫片(90B) 的第二凹部(110)。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述系统包括构造成用以将所述第一垫片(90A)保持在所述第一凹部(110)中的第一保持板(10 ，以及构造成用以将所述第二垫片(90B)保持在所述第二凹部(110)中的第二保持板(102)。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述系统包括设置在所述第一垫片 (90A)与所述键(86)之间的第一耐磨衬垫(100)，以及设置在所述第二垫片(90B)与所述键(86)之间的第二耐磨衬垫(100)。
11.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述第一衬垫(100)和所述第二衬垫 (100)构造成用以接收由所述键(86)在所述键槽(84)中所施加的剪切力。
12.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述第一衬垫(100)联接到所述第一垫片(90A)上，以及所述第二衬垫(100)联接到所述第二垫片(90B)上。
13.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述金属泡沫包括i^eCrAlY、不锈钢、铜、镍或招。
全文摘要
本发明涉及用于涡轮发动机的可压缩式支承件。具体而言，提供了一种系统(10)，其包括用于涡轮发动机(12)的第一涡轮对准构件(88)，以及包括金属泡沫的垫片(90)。垫片(90)安装在第一涡轮对准构件(88)的第一表面与第二涡轮对准构件(86)的第二表面之间。
文档编号F01D25/28GK102312685SQ20111019713
公开日2012年1月11日 申请日期2011年7月8日 优先权日2010年7月9日
发明者D·E·弗洛伊德二世, K·D·布莱克 申请人:通用电气公司