熱交換器安裝組件的制作方法

專利名稱：熱交換器安裝組件的制作方法
技術領域：
本公開內容的領域主要涉及用于在燃氣渦輪發動機組件中安裝熱交換器的安裝 組件，并且更具體地涉及一種安裝組件，其包括滑移接頭(joint)用以容許在熱交換器與 燃氣渦輪發動機結構本體之間的相對運動。
背景技術：
一些公知的燃氣渦輪發動機具有發動機子系統，該子系統應當冷卻以有助于改善 發動機的使用壽命和/或可靠性。為了有助于冷卻發動機子系統，至少一些公知的燃氣渦 輪發動機組件包括散熱器，該散熱器暴露于流經發動機組件的空氣，以有助于冷卻流經該 散熱器的工作流體(例如，油和/或燃料)。然而，已知的是許多燃氣渦輪發動機的散熱器 會阻礙經過發動機組件的空氣流，在發動機組件內造成湍流和/或壓降，這會不利地影響 發動機性能。此外，接頭組件遮斷散熱器減小了可用于冷卻的面積。然而，至少一些公知 的燃氣渦輪發動機散熱器易遭受高循環疲勞(例如，由轉子不平衡引起的振動所造成的疲 勞)和/或低循環疲勞(例如，由散熱器與支承結構之間的溫差引起的散熱器熱增長所造 成的疲勞)。因此，有利的是將提供一種熱交換器安裝系統，其有助于提高燃氣渦輪發動機的 效率，同時解決高循環疲勞和低循環疲勞的問題。

發明內容
本文所公開的示例性實施例提供了一種用于熱交換器的安裝系統，其提供足夠的 剛度用于干預振動的高循環疲勞，同時減輕由熱膨脹造成的低循環疲勞應力。在示例性實施例中，熱交換器組件包括具有弓形本體的第一部件，該弓形本體具 有從徑向內表面延伸的多個翼片(fin)，以及限定在徑向外表面上的多個沿周向延伸的間 隔開的附接部位(site)。支架組件通過附接部位中的至少一個以支承式連接與第一部件附 接，其中，支架組件其尺寸和構造形成為用于與滑移接頭組件可操作地相關，以便將熱交換 器組件支承式附接到燃氣渦輪組件的結構本體上。在示例性實施例中，熱交換器組件包括具有弓形本體的第一部件，該弓形本體具 有從徑向內表面延伸的多個翼片，以及限定在徑向外表面上的多個沿周向延伸的焊接凸片 (tab)。支架組件包括支架，該支架具有基座部分以及從基座部分延伸的第一臂部和第二臂 部，以提供具有c形截面的支架。第一臂部和第二臂部中的各個均牢固地固定到相關的焊 接凸片上，以便基座部分與徑向外表面布置成間隔關系。支架包括限定在基座部分中的開 口，該開口其尺寸和構造形成為用于收容附接部件。支架組件包括在基座部分與鄰近開口
4的徑向外表面之間的空間中延伸的緊固件部件。在示例性實施例中，熱交換器支承件包括具有支架的支架組件，該支架具有基座 部分以及從基座部分延伸的第一臂部和第二臂部，以提供具有c形截面的支架和限定內部 區域。支架包括限定在基座部分中的開口，該開口其尺寸和構造形成為用于收容附接部件。 支架組件包括緊固件部件，該緊固件部件在內部區域內鄰近開口有選擇地固定到支架上。


圖1為燃氣渦輪發動機組件的簡圖；圖2為具有安裝于其上的熱交換器組件的發動機組件的側面視圖；圖3為沿圖2中的3-3截取的截面視圖，示出了用于熱交換器組件的安裝系統；圖4為沿圖3中的4-4截取的截面視圖；以及圖5為沿圖4中的5-5截取的截面視圖。圖6為熱交換器組件的示意性側視圖；圖7為熱交換器組件的簡圖；圖8為用于熱交換器組件的安裝系統的簡圖。
具體實施例方式以下詳細說明通過舉例而非通過限制的方式示出了示例性的安裝系統及其組裝 方法。本說明將清楚地使本領域的普通技術人員能夠制作和使用本公開內容，以及該說明 描述了本公開內容的若干實施例、修改、變型、備選方案以及用途，包括當前認作是實施本 公開內容的最佳模式的內容。本公開內容在文中描述為適用于應用到燃氣渦輪發動機組件 的優選實施例。然而，可構思出的是，本公開內容具有在寬泛范圍的系統和/或各種其它商 業、工業和/或消費者應用方面的通用應用。總的來說，本文公開了一種用于燃氣渦輪發動機的熱交換器組件和安裝系統。該 熱交換器組件包括多個弓形歧管，各弓形歧管分別支承從徑向內表面延伸的翼片陣列。多 個沿周向延伸的間隔開的焊接凸片一體地形成在徑向外表面上。支架組件用于將熱交換器 附接到燃氣渦輪機發動機組件的結構部件上，例如，風扇殼體上，以此種方式以便最大限度 地增大可用于翼片安置的表面面積且不會干擾歧管內的冷卻回路。安裝系統對于高循環疲 勞負載(即，振動)提供了足夠的剛度，以及容許在熱交換器與風扇殼體之間的相對滑移以 適應熱膨脹和熱收縮而解決了低循環疲勞負載。圖1為示例性燃氣渦輪發動機組件500的簡圖。燃氣渦輪發動機組件500具有中 心線軸線502和半徑R(圖2中所示)，且包括進入側504、排出側506、風扇組件508以及核 心燃氣渦輪發動機510。風扇組件508包括風扇葉片512陣列，該風扇葉片512從轉子盤 514沿徑向向外延伸，且定位在限定于第一管路表面518與第二管路表面522之間的旁通管 路516的軸向前方。在示例性實施例中，熱交換器組件600在風扇組件508的軸向后方聯 接到風扇殼體520上，使得熱交換器組件600暴露于穿過旁通管路516的空氣流AF。在其 它實施例中，熱交換器組件600可安裝在燃氣渦輪發動機組件500上的任何適合位置處。圖2為示例性熱交換器組件600的側面視圖，所示熱交換器組件600安裝成與風 扇殼體520在操作上接合。在示例性實施例中，熱交換器組件600包括多個大致相似的沿周向延伸的熱交換器602。各熱交換器602均具有第一端604、第二端606以及在第一端604 與第二端606之間延伸的大致弓形本體608，使得熱交換器602大致符合(或依從)旁通管 路516(圖1中所示)的輪廓。熱交換器組件600可具有任何適合數目的熱交換器602，該 熱交換器602具有任何適合的輪廓，使得熱交換器組件600能夠起到如本文所述的作用。在示例性實施例中，第一端604可固定地聯接(例如，螺接)到風扇殼體520和本 體608上，而第二端606經由多個安裝系統700可滑動地聯接到風扇殼體520上，如下文所 述。各熱交換器602均可經由任何適合數目的安裝系統700聯接到風扇殼體520上。在示 例性實施例中，對于各個熱交換器602可采用大約20個安裝系統700。在示例性實施例中， 第一端604包括入口端口(未示出)和出口端口(未示出)，以有助于將熱交換器602聯接 到至少一條流體傳輸管線(未示出)上以及引導加熱流體流穿過熱交換器602進行冷卻。在示例性實施例中，熱交換器組件600聯接到風扇殼體520上，使得熱交換器602 彼此沿周向間隔開(舉例來說，例如間隔開至少0.25英寸)。在一個實施例中，較長的距 離(未示出)大體跨置在相鄰熱交換器602之間的間隔，以便于空氣較為平滑地流過熱交 換器組件600。作為備選，熱交換器組件600可使用任何適合的緊固件安裝在燃氣渦輪發動 機組件500上的任何適合位置處，使得熱交換器602相對于彼此具有任何適合的定向。具體參看圖3至圖8，在示例性實施例中，熱交換器602包括歧管610和從歧管610 沿徑向延伸的多個冷卻翼片612。歧管610包括徑向內表面614、徑向外表面616、上游壁 618以及相對的下游壁620，使得歧管610具有大致矩形的截面輪廓。歧管610限定至少一 個通路622，該通路622沿縱向貫穿延伸，且其尺寸有選擇地形成為便于引導待冷卻的加熱 流體(例如，油)的流動。在示例性實施例中，各通路622均具有大致矩形的截面輪廓。在 其它實施例中，歧管610和/或各通路622均可具有任何適合的截面輪廓(例如，圓形)。熱交換器602可包括通過鋁擠壓工藝而形成在一起的一體式歧管610和冷卻翼片 612。在其它實施例中，各冷卻翼片612可通過連結工藝(例如，焊接工藝或釬焊工藝)聯 接到歧管610上，和/或形成為不分段的單元式本體。作為備選，熱交換器602可通過任何 適合的制造工藝和/或由任何適合的材料制成。如下文更為詳細描述的那樣，歧管610可 具有多個周向的一體形成的焊接凸片615，以便于將熱交換器安裝到風扇殼體上。在示例性實施例中，各安裝系統700有助于在槽口 5 處將熱交換器602聯接到 風扇殼體520上，該槽口 5M大致沿徑向延伸穿過風扇殼體520的壁560。具體而言，槽口 524具有限定在壁560的徑向內側第一表面544上的第一端526、限定在壁560的徑向外側 第二表面546上的第二端528，以及從第一端5 延伸至第二端528的長度SL (見圖4)，使 得槽口 5M具有長形的截面輪廓(即，長軸線530和短軸線532;圖5)。在其它實施例中， 槽口 5M可具有任何適合的形狀和/或截面輪廓，使得安裝系統700能夠起到如本文所述 的作用。示例性實施例使表面能夠在滑移接頭的滑移操作期間受到保護而免受磨損。例 如，可使用抗磨損部件或涂層。為了便于圖示，抗磨損部件或涂層稱為抗磨損元件534。在 示例性實施例中，抗磨損元件534適于聯接到鄰近槽口 5M的壁560上。具體而言，抗磨損 元件534包括聯接到沿周向圍繞槽口 5M的壁560的第一表面544上的第一部分536、聯 接到沿周向圍繞槽口 5M的壁560的第二表面546上的第二部分538，以及聯接到槽口 5M 的內表面542上的第三部分M0。在一個實施例中，第二部分538和第三部分540可一體地形成在一起，且與第一部分536間隔開。在其它實施例中，抗磨損元件534可具有一體地形 成在一起或彼此間隔開地形成的任何適合數目的部分。在示例性實施例中，多個安裝系統700用于將熱交換器組件600安裝到燃氣渦輪 發動機中的結構上，例如，風扇殼體上。安裝系統700提供充分的剛度用以解決振動問題， 同時容許熱交換器沿軸向和沿周向二者的熱膨脹。在示例性實施例中，各安裝系統700均可包括支架702和滑移接頭704，以便于將 熱交換器602聯接到風扇殼體520或其它發動機結構上。支架702包括用于收容滑移接頭 704的螺栓738的緊固件組件735。在示例性實施例中，緊固件組件735包括固定螺母板 736，由此通過旋轉螺栓738而非通過上緊螺母實現將滑移接頭704附接到支架702上，這 可從風扇殼體520的外徑上實現，如下文更為詳細地闡述。在示例性實施例中，支架702包括第一臂706、第二臂708，以及在第一臂706與第 二臂708之間延伸的基座710。在示例性實施例中，如圖3中所示，支架702的長度小于歧 管610的寬度。第一臂706具有第一長度AL1，而第二臂708具有第二長度AL2。在示例性 實施例中，如果具體應用許可，第二長度AL2可大于第一長度ALp在示例性實施例中，支架 702在第一臂706和第二臂708處牢固地固定到間隔開的焊接凸片615上。在示例性實施 例中，歧管610包括至少三個連續的焊接凸片615，以便適應支架702的長度。連續的焊接 凸片容許將支架702安置在沿歧管610的各個位置上。在示例性實施例中，支架702沿歧 管610長度不均勻地間隔開，以便最大限度地減小或防止熱交換器中的正弦模式。在示例 性實施例中，支架容許沿支架702的軸向長度變化緊固件組件735的位置。在示例性實施 例中，歧管610可容納周向的兩列支架702，該兩列支架702可相對于彼此偏移。在其它示 例性實施例中，歧管706包括四個連續的焊接凸片615。支架和焊接凸片的其它布置可在 本公開內容的范圍內構思出，且先前的說明僅以舉例的方式給出。在示例性實施例中，隔離 件716(例如，鋼隔離件)可通過至少一個緊固件(例如，鉚釘720)聯接到基座710的底面 718 上。在示例性實施例中，滑移底座(mount) 704包括保持板或墊圈722、支座 (standoff) 724以及偏壓元件726 (例如，波狀彈簧)。支座7 包括具有長度CL的中空長 形部件或套管728，以及從長形部件728向外延伸的凸緣730。在示例性實施例中，長形部 件7 用來限制螺栓738相對于支架702的運動，且因此限制或預先加載對偏壓元件(波 狀彈簧)7 的壓縮。偏壓元件(波狀彈簧)7 的壓縮量影響由滑移接頭施加到風扇殼體 520上的偏壓力。該偏壓力足以抵抗振動力，但小于文中稱為"滑動力"的熱力。因此，接 頭將由于振動力較小而不會移動，但其將在源自熱增長趨勢的滑動力超過預先加載的偏壓 力時滑動。在一個實施例中，凸緣730包括唇部760，以便于圍繞長形部件7 支承偏壓元件 726。在另一實施例中，凸緣730與長形部件7 —體地形成，且從長形部件7 沿周向向 外延伸。如下文所述，墊圈722和偏壓元件7 為大致環形，使得長形部件7 可插入穿過 偏壓元件7 和/或墊圈722。在其它實施例中，支座724、墊圈722和/或偏壓元件7 可包括任何適合的結構，且可一起一體地形成或彼此分開地形成，以便使安裝系統700能 夠起到如本文所述的作用。在示例性實施例中，安裝系統700還包括鎖定裝置740，該鎖定裝置740包括抵靠
7凸緣730座置的帽蓋742、與墊圈722 —起形成或聯接到墊圈722上的底腳744，以及在底 腳744與帽蓋742之間延伸以便于在墊圈722與凸緣730之間保持偏壓元件726的聯結件 746 (例如，線纜)。在其它實施例中，鎖定裝置740可包括使鎖定裝置740能夠起到如本文 所述作用的任何適合的結構。為了組裝安裝系統700，支架702定位成鄰近風扇殼體520，使得隔離件716抵靠 抗磨損元件534的第一部分536座置，以及使得歧管610定向為關于基座710成角θ。以 此方式，歧管610的徑向內表面614與第一管路表面518的輪廓大致對齊，使得僅冷卻翼片 612延伸到旁通管路516中。在示例性實施例中，如下文所述，歧管610的上游壁618和下游壁620分別與第一 管路表面518間隔開第一間隙G1和第二間隙(；2，以便于容許歧管610在受熱時沿中心線軸 線502膨脹。在一個實施例中，第一密封件732大致覆蓋第一間隙G1,而第二密封件734大 致覆蓋第二間隙&，以有助于在燃氣渦輪發動機組件500操作期間阻擋空氣流穿過第一間 隙G1和/或第二間隙G20在支架702定位成鄰近風扇殼體520的情況下，支座7Μ經槽口 5Μ插入，且偏壓 元件7 和墊圈722外接長形部件728，使得偏壓元件7 通過鎖定裝置740而保持在凸 緣730與墊圈722之間。鎖定裝置740用于幫助在偏壓元件7 和墊圈722圍繞長形部件 728定位的情況下容易地操作滑移底座704。當長形部件7 接觸隔離件716時，螺栓738經長形部件7 插入，以便螺栓738 接合螺母736和/或支架702而便于將支架702緊固到風扇殼體520上。因此，在隔離件 716與抗磨損元件534的第一部分536之間以及墊圈722與抗磨損元件534的第二部分538 之間構成摩擦接合。在示例性實施例中，長形部件728的長度CL大于槽口 5 的長度SL，使得在使用 者對螺栓738施加轉矩時，有限的負載轉移至風扇殼體520上(S卩，第一預定負載經由凸緣 730、偏壓元件7 和/或墊圈722轉移至風扇殼體520，而第二預定負載經由長形部件7 轉移至支架702)。在安裝系統700與風扇殼體520之間的摩擦接合因此限制于預定大小， 該預定大小足以克服高循環疲勞如振動而使安裝系統700穩定。然而，當滑動力克服摩擦 接合時，支座7M和螺栓738能夠沿槽口 5M的長軸線530滑動，以減輕低循環疲勞的影響， 如熱交換器602的熱增長和收縮。在操作中，加熱的流體(例如，油)在第一端604處經由入口端口和出口端口引導 經過熱交換器602的通路622。當加熱的流體流過歧管610時，熱量從加熱流體經由歧管 610傳遞至冷卻翼片612，且從冷卻翼片612耗散到流過冷卻翼片612的空氣(S卩，流過旁 通管路516的空氣)中，以便于降低流過歧管610的加熱流體的溫度。當加熱流體流過歧管610時，歧管610的溫度升高，使得制造歧管610的材料(例 如，鋁)膨脹。由于熱交換器602在第一端604處固定到風扇殼體520上，故歧管610的膨 脹有助于歧管610的縱向延伸(即，第二端606的第一周向移位)。歧管610的縱向延伸有 助于導致支架702沿風扇殼體520的第一表面544在第一方向D‘上周向地滑動，使得支座 724和螺栓738沿槽口 5 的長軸線530滑動距離DD。當歧管610的溫度隨后降低時，歧管610的材料(例如，鋁)收縮，這有助于歧管 610的縱向收縮(即，第二端606的第二周向移位)。具體而言，歧管610的縱向收縮有助于導致支架702在與第一方向D'大致相反的第二方向D"上沿風扇殼體520的第一表面 544周向地滑動，使得支座7 和螺栓738沿長軸線530滑回第一距離DD。在一個實施例 中，槽口 524、長形部件7 和/或螺栓738其尺寸形成為便于歧管縱向延伸大約0. 3英寸 (即，尺寸形成為使得距離DD可高達0. 3英寸)。在其它實施例中，槽口 524、長形部件7 和/或螺栓738其尺寸形成為便于歧管610的任何適合的縱向延伸。本文所述的方法和系統有助于將裝置安裝到諸如風扇殼體壁的結構部件上，且容 許在其之間的相對滑動運動。在示例性實施例中，本文所述的方法和系統有助于在高循環 疲勞(HCF)和低循環疲勞(LCF)負載狀態(即，在HCF負載下向熱交換器提供足夠穩定的 支承，同時容許在因熱引起的LCF負載下熱交換器的充分周向滑移)下支承熱交換器。具體而言，本文所述的方法和系統有助于限制使用者所施加的轉移至風扇殼體的 轉矩負載，同時有助于確保足夠的負載轉移至風扇殼體而有助于在滑移底座與風扇殼體之 間產生摩擦接合，以使熱交換器在HCF負載下穩定。本文所述的方法和系統還有助于使熱 交換器能夠縱向膨脹，以便于最大限度地減小施加到熱交換器和/或風扇殼體上的因熱引 起的偏轉和/或LCF應力，同時有助于減少在因熱引起的滑移期間對風扇殼體的磨損破壞。此外，本文所述的方法和系統有助于提供一種安裝系統，該安裝系統其尺寸形成 為有助于在相對有限的空間內可靠地支承熱交換器，同時定向安裝系統以便于使維護人員 能夠充分接近該安裝系統。而且，本文所述的方法和系統還有助于提高燃氣渦輪發動機的 效率以及降低與制造用于燃氣渦輪發動機的熱交換器相關的制造成本，同時提高熱交換器 的可靠性和延長熱交換器的使用壽命。上文詳細描述了安裝系統及其組裝方法的示例性實施例。該方法和系統不限于本 文所述的特定實施例，而是該方法和系統的構件可與本文所述的其它構件獨立和分開地使 用。例如，本文所述的方法和系統可具有其它工業應用和/或消費者應用，且不限于僅結合 燃氣渦輪發動機予以實施。確切而言，本發明可結合許多其它行業予以實施和使用。盡管已根據各種特定實施例描述了本發明，但本領域技術人員將認識到，本發明 可利用在權利要求的精神和范圍內的修改而予以實施。
權利要求
1.一種組件(600)，其特征在于包括弓形本體(608)的第一部件(602)，所述弓形本體(608)具有從徑向內表面(614) 延伸的多個翼片(612)以及限定在徑向外表面(616)上的多個沿周向延伸的間隔開的附接 部位(615)；以及通過至少一個所述附接部位以支承式連接與所述第一部件附接的支架組件(700)，其 中，所述支架組件其尺寸和構造形成為用于與滑移接頭組件(704)可操作地相關，以便將 所述熱交換器組件支承式地附接到燃氣渦輪組件的結構本體(520)上。
2.根據權利要求1所述的組件，其特征在于，所述支架組件包括支架(702)，所述支架 (702)具有與所述徑向外表面(616)以間隔關系布置的基座部分(710)。
3.根據權利要求2所述的組件，其特征在于，具有限定在所述基座部分中的開口，所述 開口其尺寸和構造形成為用于收容附接部件。
4.根據權利要求1、權利要求2和權利要求3中任何一項所述的組件，其特征在于，所 述支架組件包括鄰近所述開口有選擇地固定到所述基座部分上的緊固件部件(738)，其中， 所述緊固件部件在所述基座部分(710)與所述徑向外表面(616)之間的空間中延伸。
5.根據權利要求2、權利要求3和權利要求4中任何一項所述的組件，其特征在于，所 述支架包括從所述基座部分(710)延伸的第一臂部(706)和第二臂部(708)，以提供具有c 形截面的所述支架。
6.根據權利要求1、權利要求2、權利要求3、權利要求4和權利要求5中任何一項所述 的組件，其特征在于，所述第一部件(602)的弓形本體包括一體式擠壓金屬本體。
7.根據權利要求1、權利要求2、權利要求3、權利要求4、權利要求5和權利要求6中任 何一項所述的組件，其特征在于，各附接部位均包括連續的焊接凸片(615)。
8.根據權利要求1、權利要求2、權利要求3、權利要求4、權利要求5、權利要求6和權 利要求7中任何一項所述的組件，其特征在于，還包括與所述支架組件可操作地相關的滑 移接頭組件(704)，其中，所述滑移接頭組件構造成用以在作用于所述滑移接頭組件上的滑 動力超過預定偏壓力時容許所述第一部件(602)、所述支架組件(700)和所述滑移接頭組 件(704)相對于燃氣渦輪組件的結構本體(520)的一致滑動運動，以及在所述滑動力不超 過預定粘滯力時阻止所述一致滑動運動。
9.根據權利要求8所述的組件，其特征在于，所述滑移接頭組件包括支座(7M)，其包括中空長形部件(728)和從所述長形部件向外延伸的凸緣(730)；可操作地圍繞所述長形部件定位的偏壓元件(7 )；以及設置成圍繞所述長形部件的保持部件(722)，其中，所述偏壓元件定位在所述凸緣與所 述保持部件之間。
10.根據權利要求8所述的組件，其特征在于，還包括所述燃氣渦輪發動機的結構本體(520)具有位于其中的至少一個開口(5M)，其中，所 述中空長形部件的至少一部分延伸穿過所述開口；至少一個防磨損元件(534)，其可操作地位于所述滑移接頭組件(704)與所述結構本 體(520)之間，使得所述結構本體的至少一個表面受到保護而免受因所述滑移接頭組件的 相對運動而引起的磨損；以及螺栓(738)，其與所述滑移接頭組件和所述支架組件可操作地相關，以便所述螺栓延伸穿過所述長形部件并且由所述緊固部件(738)有選擇地固定。
全文摘要
本發明涉及一種熱交換器安裝組件。具體而言，提供了一種用于燃氣渦輪發動機的熱交換器的安裝組件。該熱交換器組件包括多個弓形歧管，各弓形歧管分別支承從徑向內表面延伸的翼片陣列。多個沿周向延伸的間隔開的焊接凸片一體地形成在徑向外表面上。支架組件用于將熱交換器附接到燃氣渦輪機發動機組件的結構部件上，例如，風扇殼體上，以此種方式以便最大限度地增大可用于翼片安置的表面面積，且不會干擾歧管內的冷卻回路。安裝系統對于高循環疲勞負載(即，振動)提供了足夠的剛度，且容許在熱交換器與風扇殼體之間的相對滑移以適應熱膨脹和收縮而解決低循環疲勞負載。
文檔編號F02C7/20GK102135036SQ20101062087
公開日2011年7月27日 申請日期2010年12月21日 優先權日2009年12月22日
發明者B·A·盧謝克, D·A·麥奎恩, J·W·邁爾斯, J·漢德, L·R·斯圖爾特, M·J·吉盧恩, M·皮普爾斯, W·A·小亨利 申請人:和諧工業有限責任公司