使用局部套环的涡轮排气件裂纹减轻

摘要

一种用于燃气涡轮机（1）的排气设备（10），其包括环形管道（12），该环形管道具有多个支柱（18），所述多个支柱至少从环形管道（12）的外管道壁（14）延伸到内管道壁（16）。每个支柱（18）被封装在相应的支柱护罩（20）中。支柱护罩（20）与相应的管道壁（14、16）的接口（22、24）包括至少一个套环（26），所述套环在相应的接口（22、24）处沿着支柱护罩（20）的周界的部分长度延伸。套环（26）包括：第一部段（32），其径向地延伸并与支柱护罩（26）对准；以及第二部段（34），其与第一部段（32）成角度定向并与相应的管道壁（14、16）对准。第一部段（32）沿着第一接头（42）附接到支柱护罩（20），并且第二部段（34）沿着第二接头（44）附接到相应的管道壁（14、16）。第一部段（32）和第二部段（34）的相交部（40）由通过半径限定的平滑曲形形成，该半径被构造成在相应的接口（22、24）处分布应力。

说明书

技术领域

本发明涉及燃气涡轮发动机，且特别地涉及燃气涡轮发动机的排气设备。

背景技术

轴流式涡轮机械（诸如，燃气涡轮发动机）通常包括：压缩机部段，其用于压缩空气；燃烧器部段，其用于将压缩空气与燃料混合并点燃混合物以形成热的工作介质流体；涡轮部段，其用于从工作介质流体中提取动力；以及排气设备，其位于最后一个涡轮级下游以用于引导涡轮排气流。涡轮排气设备通常包括沿环形流道周向地分布的支撑结构，诸如支柱。每个支柱延伸穿过外流道边界和内流道边界，并由保护性支柱护罩封装。支柱护罩可例如通过焊接而结合到外流道边界和内流道边界。

发明内容

简而言之，本发明的方面涉及一种用于减轻燃气涡轮发动机排气件中的开裂的设备和方法。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于燃气涡轮机的排气设备。排气设备包括环形管道，该环形管道沿着燃气涡轮机的机器轴线轴向地延伸。环形管道由外管道壁和内管道壁径向地定界。排气设备还包括多个支柱，所述多个支柱在环形管道内周向地分布。每个支柱至少从外管道壁延伸到内管道壁并被封装在相应的支柱护罩中。每个支柱护罩沿着第一接口与外管道壁接合并且沿着第二接口与内管道壁接合。第一接口和第二接口中的至少一者包括至少一个套环，所述套环在相应的接口处沿着支柱护罩的周界的部分长度延伸。套环包括：第一部段，其径向地延伸并与支柱护罩对准；以及第二部段，其与第一部段成角度定向并与相应的管道壁对准。第一部段沿着第一接头附接到支柱护罩，并且第二部段沿着第二接头附接到相应的管道壁。第一部段和第二部段的相交部由通过半径限定的平滑曲形形成，该半径被构造成在相应的接口处分布应力。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于维修燃气涡轮机以减轻燃气涡轮机的排气设备中的开裂的方法。排气设备包括环形管道，该环形管道沿着燃气涡轮机的机器轴线轴向地延伸。环形管道由外管道壁和内管道壁径向地定界。排气设备还包括多个支柱，所述多个支柱在环形管道内周向地分布。每个支柱至少从外管道壁延伸到内管道壁并被封装在相应的支柱护罩中。每个支柱护罩沿着第一接口与外管道壁接合并且沿着第二接口与内管道壁接合。该方法包括在第一接口处和/或在第二接口处附接至少一个套环。套环被附接成使得在附接之后，套环在相应的接口处沿着支柱护罩的周界的部分长度延伸。套环包括第一部段和第二部段，该第二部段与第一部段成角度定向。附接套环包括：将第一部段与支柱护罩对准以及将第二部段与相应的管道壁对准，且随后沿着第一接头将第一部段结合到支柱护罩以及沿着第二接头将第二部段结合到相应的管道壁。第一部段和第二部段的相交部由通过半径限定的平滑曲形形成，该半径被构造成在相应的接口处分布应力。

附图说明

借助附图来更详细地示出本发明。附图示出了优选的构型，并且不限制本发明的范围。

图1是本发明的实施例可并入其中的燃气涡轮发动机的示意图；

图2是已知类型的排气设备的轴向前视图；

图3是沿着图2的剖面III-III的横截面图；

图4是根据本发明的实施例的包括局部套环的排气设备的透视图；

图5是沿径向向外方向看的剖视平面图，其描绘了在支柱护罩与外管道壁的接口处的一对局部套环；

图6是沿径向向内方向看的剖视平面图，其描绘了在支柱护罩与内管道壁的接口处的一对局部套环；

图7是在附接局部套环之前的排气设备的透视图，该排气设备具有机械加工的切口；以及

图8-10是根据本发明的各种实施例的局部套环的透视图。

具体实施方式

在优选实施例的以下详细描述中，参考了形成其一部分的附图，并且在附图中通过图示而非限制的方式示出了其中可实践本发明的特定实施例。将理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可利用其他实施例且可作出改变。

参考图1，燃气涡轮发动机1通常包括压缩机部段2、燃烧器部段4、涡轮部段8和排气设备10。在操作中，压缩机部段2引导环境空气3并对其进行压缩。来自压缩机部段2的压缩空气进入燃烧器部段4中的一个或多个燃烧器。压缩空气与燃料5混合，并且空气燃料混合物在燃烧器中燃烧以形成热的工作介质流体6。热的工作介质流体6按路线行进到涡轮部段8，在该涡轮部段处，热的工作介质流体通过交替的多排静止翼型件和旋转翼型件而膨胀并且用于产生可以驱动转子7的动力。离开涡轮部段8的膨胀气体经由排气设备10从发动机1排出，该排气设备位于最后一个涡轮级下游。

在一个示例中，如图1和图2中所示，排气设备10可被构造为扩散器（diffuser），其可包括发散的环形管道12，该环形管道限定用于排气的流道并沿着燃气涡轮发动机1的机器轴线9轴向地延伸。环形管道12由形成外流道边界的外管道壁14和形成内流道边界的内管道壁16径向地定界。发散的环形管道12可用于减小排气流的速度，并因此增加跨越涡轮部段8的最后一级膨胀的排气的压力差。排气设备10进一步包括支撑结构（诸如，支柱18），所述支撑结构在环形管道12内周向地分布。每个支柱18至少从外管道壁14延伸到内管道壁16。在所示的示例中，支柱18进一步延伸穿过外管道壁14和内管道壁16。为了保护支柱18免受高排气流道温度的影响，每个支柱18通常由支柱护罩20围封。支柱护罩20可以是空气动力学形状的，其具有前缘28和后缘30，如在图3中的横截面图中所示的那样。参考图2，支柱护罩20将支柱18的径向范围封装在外管道壁14和内管道壁16之间。每个支柱护罩20沿着外接口22与外管道壁14接合，并且沿着内接口24与内管道壁16接合。接口22、24通常由焊接接头形成。

已观察到，涡轮排气件中的支柱护罩在现场长时间操作之后经常呈现出开裂。这些裂纹倾向于在高应力区域中形成，尤其是分别在外接口22和内接口24处的焊接接头处。特别地，本发明人已认识到，裂纹主要在接口22、24处的支柱护罩20的前缘28处和后缘30处起始。开裂可归因于在这些区域中热梯度高、焊接质量差以及振动大。以上因素可独立作用或组合作用以形成排气件开裂的条件。现场的排气件开裂通常通过现场焊接修复而得到解决。然而，该过程可以是既耗时又昂贵的，其中一旦发动机操作恢复，已修复的区域有时就会再开裂。

图4-10中所图示的本发明的实施例涉及负载分布套环26，其能够附接在接口22、24中的任一者处以减轻在这些区域中的开裂。套环26被设计成以便使接头（通常是焊接接头）远离高应力位置移动，并提供宽而平滑的半径以在这些区域中更好地分布应力。所提出的设计的鲜明特征是，套环26在相应的接口22、24处不沿着支柱护罩20的整个周界延伸，而是仅沿着其周界的部分长度设置。当与满负载套环设计（即，其中套环沿着支柱护罩的完整周界延伸的设计）相比时，局部套环设计可确保因材料移除、焊缝收缩和残余应力引起的排气件变形的可能性降低。当与满负载套环设计相比时，局部套环设计还可确保由于与相邻硬件的表面公差偏差所致的焊接接头失配风险是较低的。至少由于以上原因，在现场维修期间，如本文中所图示的局部套环26可容易地就地安装。

在一个实施例中，局部套环26可设置在具有最高应力的位置处，例如在接口22、24中的任一者或两者处的支柱护罩20的前缘28处和/或后缘30处。由此，前缘28和/或后缘30中的应力可被重新分布到支柱护罩20和相应的管道壁14、16的其他位置，由此直接解决和消除当前在这些区域中被目睹的开裂风险。此外，由于在前缘28和后缘30处焊接材料比例减小，所以可增加在这些位置处的流道横截面的等效强度。流道横截面的等效强度是指考虑非均匀性（强度弱化元素）的流道横截面的净强度，非均匀性例如是由于焊缝热影响区、孔隙率或其他缺陷所致。本发明的实施例试图限制非均匀性的程度，尤其是在接头处的支柱护罩的前缘和/或后缘处，这是由于相对于常规设计方法（其中支柱护罩通过前缘和后缘处的焊缝直接结合到管道壁）焊接区域的比例更小所致。

图4-6图示了采用所提出的局部套环设计的示例性实施例。在所图示的实施例中，每个支柱护罩20与四个套环26相关联，所述套环包括在与相应的管道壁14、16的每个接口22、24处的一对套环26。如特别地在图5和图6中所示，支柱护罩20和外管道壁14的外接口22包括：前缘套环26A

图8和图9描绘了根据本发明的方面的局部套环26的示例性实施例。特别地，图8描绘了能够在外接口22处附接到支柱护罩20的后缘30的后缘套环26B

参考图8和图9，每个套环26包括：第一部段32，其径向地延伸并且被构造成与支柱护罩20对准；以及第二部段34，其与第一部段32成角度定向并且被构造成与相应的管道壁14、16对准。第一部段32和第二部段34之间的角度可对应于在相应的接口22、24处支柱护罩20和管道壁14、16之间的角度。例如，由于管道壁14、16的锥形几何形状所致，第一部段32和部段34之间的角度可大约为90度，不过不必须等于90度。在套环26附接到外接口22的情况下，第一部段32从第二部段34径向向内延伸，如图8中所示的那样。在套环26附接到内接口24的情况下，第一部段32从第二部段34径向向外延伸，如图9中所示那样。每个套环26的第一部段32具有第一边缘62，该第一边缘可沿着第一接头42（见图4）结合到支柱护罩20。每个套环26的第二部段34具有第二边缘64，该第二边缘可沿着第二接头44（见图4）结合到相应的管道壁14、16。在一个实施例中，接头42和44包括焊接接头。

每个套环26的第一部段32和第二部段34在相交部40处相遇。相交部40由通过半径限定的平滑曲形形成，该半径被构造成在相应的接口22、24处分布应力。在示例性实施例中，第一接头42（沿着边缘62）沿着第一方向与相交部40间隔开，并且第二接头44（沿着边缘64）沿着不平行于第一方向的第二方向与相交部40间隔开。因此，所图示的套环设计使焊接接头远离先前的高应力区域移动到具有较低应力的区域，并提供宽而平滑的半径以在这些区域中更好地分布应力。如上文所陈述的，每个套环26在相应的接口22、24处仅沿着支柱护罩20的周界的部分长度延伸。参考图4-6，对于在相应的接口22、24处的支柱护罩20的周界的其余长度，支柱护罩20可例如通过焊接而直接附接到相应的管道壁14、16。

每个套环26部分地沿着支柱护罩20的周界从套环26的第一端52延伸到第二端54，如图8和图9中所示的那样。在一个实施例中，如本文中所图示的，相交部40的半径在第一端52和第二端54之间连续地变化。特别地，相交部40的最大半径可位于第一端52和第二端54之间的位置处。对于后缘套环26B

每个套环26的半径变化部（variation of radius）和最大半径可单独地被构造成从最高应力的区域来分布应力。例如，除其他因素外，单独的套环26的最大半径可取决于套环26的位置（例如，前缘或后缘、内接口或外接口）、支柱护罩20的翼展方向的高度以及支柱护罩20的材料厚度。在一个实施例中，套环26的最大半径可被构造成使得在最大半径的位置处支柱护罩20的翼展方向的高度与最大半径的比率在7-16的范围内。独立地或除此之外，套环26的最大半径可被构造成使得最大半径与支柱护罩的材料厚度的比率在4-10的范围内。可注意到，在发散的管道几何形状中，支柱护罩的翼展方向的高度通常从前缘到后缘是增加的。在大多数情况下，可将支柱护罩的材料厚度假定为基本上恒定。此外，每个套环26的半径可相对于现有的相邻硬件被期望地特制，以帮助进一步减小特定区域中的应力。因此，在一个实施例中，套环26的第一端52处的半径和第二端54处的半径被构造成分别匹配支柱护罩20和相应的管道壁14、16之间的与第一端52相邻的接头的半径以及支柱护罩20和相应的管道壁14、16之间的与套环26的第二端54相邻的接头的半径。

在本实施例中，如图8和图9中所示，形成相交部40的平滑曲形由面向流道的第一表面46上的内半径以及与第一表面46相对的第二表面48上的外半径限定。在这种情况下，如本说明书中所使用的术语“半径”在诸如“半径变化部”、“最大半径”等之类的短语中可指代内半径或外半径或两者。

在另外的实施例中，后缘套环（特别是位于外接口24处的后缘套环26B

本发明的另外的方面可涉及一种用以减轻涡轮排气设备中的开裂的方法。可将所提出的方法例如采用作为燃气涡轮发动机的驻场（on-site field）维修的一部分。

在第一步骤中，如图7中所示，一个或多个切口36可例如通过机械加工支柱护罩20和相应的管道壁14、16而形成。切口36可形成在套环26意图随后被附接的位置处。可对支柱护罩20和相应的管道壁14、16执行机械加工，使得切口36的周边轮廓作为一个整体对应于在切口36的位置处待附接的相应套环26的周边轮廓。在所图示的实施例中，切口36形成在每个支柱护罩20的外接口22以及内接口24处的前缘28处和后缘30处。在这种情况下，每个支柱护罩20与四个切口36相关联。随后的步骤包括：通过将每个套环26的第一部段32与支柱护罩20对准以及将套环26的第二部段34与相应的管道壁14、16对准，来将套环26定位在切口36内。然后，将套环26的第一部段32沿着第一接头42结合到支柱护罩20，并且将套环26的第二部段34沿着第二接头44结合到相应的管道壁14、16。在所图示的实施例中，可通过焊接实施所述结合。在图4中示出了排气设备10的所得构型。

上文描述的实施例涉及被定位成紧接在最后一个涡轮级下游的涡轮排气气缸。可了解，本发明的各方面可应用于涡轮排气设备中的涉及支撑支柱的其他区域，诸如在被定位在涡轮排气气缸下游的涡轮排气歧管中。

虽然已详细描述了特定实施例，但是本领域普通技术人员将了解，可根据本公开的整体教导来开发对那些细节的各种修改和替代方案。因此，所公开的特定布置结构仅意在举例说明而非限制本发明的范围，本发明的范围将被所附权利要求书及其任何和所有等同物的完整范围给出。