用于渦輪機的排出外殼轂部的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明總體上涉及渦輪機領域，更具體地涉及用于渦輪機的排出外殼。
【背景技術】
[0002]渦輪機具有沿著縱向軸線延伸的主方向，并且沿氣體流動方向從上游到下游通常包括風扇、低壓壓縮機、高壓壓縮機、燃燒室、高壓渦輪和具體地包括排出外殼的低壓渦輪。排出外殼有助于界定流經渦輪機的流體(或氣體流)的主通道并且通過軸承支座確保渦輪機的轉子與定子之間的同心性以及發動機的下游端部與發動機短艙的連接。因此，排出外殼是經受非常高的熱等級的主要結構部件中的一個，并且在排出外殼中會通過極端不平衡負載。
[0003]這種排出外殼通常包括:
[0004]-以渦輪機的軸線為中心的轂部，
[0005]-與轂部同軸的外部框架，以及
[0006]-將轂部和外部框架連接的一組臂或套管。
[0007]轂部通常包括凸緣(具有各種不同形狀)，凸緣在內部部分處連接到一個(或一些)旨在將轉子對中在渦輪機的軸線上的軸承支座，并且在外部部分處經由附接支柱連接到出口錐管(或排出錐管，或“塞蓋”)。此外，所述凸緣在其下部部分中覆有界定通道的片狀金屬部分，并且具有適于接納臂的開口。
[0008]所述轂部通常具有不會變形或僅能夠略微變形的形狀(其中包括稱作Y或H的結構)，并且這種類型的結構包括外殼的其余部分中(例如，在臂的前緣與凸緣之間的相交部分處)的強力。此外，當渦輪機運行時，排出外殼經受高溫和非常高的熱過渡梯度。對于轂部而言，在轂部的下部(也就是在轂部的軸承支座附接支柱處)與轂部的上部(也就是在轂部的管道板處)之間特別如此。最后，就極限強度而言，轂部必須能夠支撐由葉片的缺失引起的力和力矩。
[0009]因此轂部足夠剛性是有必要的。然而，轂部還必須能夠機械地接收大量的內部變形(或者，如果轂部與切向臂相關聯，必須能夠機械地接收繞外殼的軸線的自由旋轉)，以便能夠確保排出外殼的總壽命。
[0010]鑒于轂部的剛性，由強過渡熱梯度造成的負載(平均和/或局部溫度偏移)朝向外部框架移位并且具體地移位到臂的前緣和后緣。然而，使排出外殼轂部更具可變形性以使變形分布并限制施加到構成轂部的不同部分的力會使轂部對其在渦輪機中的外部環境更為敏感，特別是在振動中和在極端負載下。因此有必要保持最小剛度，使得即使在機械和振動約束條件改變的情況下、即使在渦輪機經受的機械和振動力的改變的情況下(熱場的改變、極端負載的改變等)轂部仍保持穩定和堅固。
[0011]因此尋求提供一種轂部，該轂部能夠同時補償熱膨脹和在內部通道壁與臂的前緣的相交部分處在360°的范圍內均化徑向變形，但不阻礙排出外殼的其余部分的變形，以便防止其過早衰變。
[0012]目前提出的方案無法普遍地適用于所有類型的渦輪機，因為渦輪機通常需要添加部件，代表著額外的成本和不可忽略的質量的這些部件實施起來太過復雜或非常笨重。
[0013]例如，為了補償外殼的不同部分的相對膨脹，已經提出的是切向地而不是徑向地將臂結合在轂部與外部框架之間。在這種方式中，在由于排出外殼中的熱梯度導致的部件的相對膨脹期間，轂部相對于外部框架回轉，這使得轂部能夠避免被臂沖壓并且避免由兩個或數個相鄰部件之間的不同的相對變形導致的外部框架穿孔的風險。然而，在特定排出外殼中，轂部與外部框架之間的距離非常短，這限制了實施這種切向臂的可能性。因此這種方案不能夠針對所有類型的渦輪機使用。
[0014]還提出的是使管道板和凸緣形成為兩個獨立部件，以便在運行部件的熱膨脹期間允許管道板和凸緣的相對運動并由此減小施加到管道板和凸緣的力以及管道板和凸緣與臂的相交部分處的力。然而，管道板與轂部的分離涉及附加固定器件(比如凸緣和螺母)的使用，這增大了轂部的尺寸，并由此增大了外殼的總質量和成本。相交部分中的流體的嚴重泄漏會進一步由這種實施方式導致。因此，對一些排出外殼而言，仍然需要一體地形成凸緣和管道板，也就是說形成整體。
[0015]在文獻JP 09 324699中還提出的是一種渦輪機的外殼的轂部，該轂部包括內部通道壁和具有彎曲形狀的連接壁，葉片從內部通道壁延伸，連接壁旨在將內部通道壁連接到內部附接支柱。然而，該文獻所提出的彎曲形狀形成了對氣流的障礙而很可能會引起局部空氣動力學擾動。此外，連接壁的中心部分中的凹度形成了可能產生寄生性熱梯度的空腔，寄生性熱梯度在這些溫度等級下是非常有害的。
【發明內容】
[0016]因此，本發明的一個目的是提供一種能夠適于更多數量的渦輪機的轂部和外殼，使得能夠改善外殼的壽命，同時仍然能夠耐受外部振動負載(例如包括由葉片的缺失導致的負載)，即產生于外殼界面(比如軸承、出口錐管以及相鄰于排出外殼的所有部件)的負載，以及可以在這種類型的外殼的操作過程中產生的非常大的熱梯度，并且使得能夠對笨重性、質量目的以及可變形性目的做出響應，同時仍然易于以適度的成本實現。
[0017]為此，本發明提供了一種渦輪機的排出外殼轂部，該轂部包括適于附接到軸承支座的內部附接凸緣、壁、環狀連接壁和環狀內部通道壁，連接壁將內部通道壁連接到內部附接凸緣，其中，連接壁的徑向部分呈圓拱狀(rounded)，該轂部進一步包括在連接壁與內部通道壁之間徑向延伸的一系列肋部。
[0018]于是，轂部呈現充分的可變形性，以使其能夠支撐排出外殼中的非常大的熱梯度并且允許排出外殼總體上“可伸縮”，以便不過度限制外部框架的膨脹。此外，用于局部優化強度的肋部使得能夠在可能的風扇葉片缺失導致的轂部的邊界處產生的極端力和力矩的情況下承受持久負載。最后，由此形成的轂部在尺寸上適于排出外殼所受到的動負載，同時顧及質量要求，并且能夠通過一次鑄造操作獲得，不需要其它機械或焊接操作。
[0019]外殼轂部的特定優選但非限制性特征如下:
[0020]-所述連接壁、所述內部通道壁和所述內部附接凸緣一體地形成，
[0021]-所述連接壁的徑向部分的彎曲不具有拐點，
[0022]-所述連接壁具有朝向所述外殼的上游定向的凹度，
[0023]-所述連接壁的徑向部分包括:靠近所述內部通道壁的內部附接凸緣；大致直線形的第一部分，沿所述轂部的下游的方向徑向延伸；以及具有彎曲形狀的第二部分，其凹度朝向所述轂部的上游定向，
[0024]-所述連接壁的位于所述連接壁與所述內部通道壁之間的結合部處的上游端部(相對于氣流方向)具有大致平行于所述內部通道壁的切線，
[0025]-所述轂部進一步包括所述內部通道壁與所述連接壁之間的相交部分處的過剩厚度部，
[0026]-所述轂部進一步包括第一臂部分，所述第一臂部分從所述內部通道壁延伸并且與所述內部通道壁一體地形成，并且適于附接到所述外殼的第二互補臂部分，
[0027]-所述過剩厚度部與所述第一臂部分的前緣對齊地延伸，
[0028]-所述轂部進一步包括在所述一系列肋部的下游從所述內部通道壁徑向延伸的環狀凸脊。
[0029]根據第二方面，本發明還提供了一種用于渦輪機的排出外殼，所述排出外殼具有沿著縱向軸線延伸的主方向并且包括:
[0030]-如上所述的轂部，所述轂部以所述縱向軸線為中心，
[0031]-與所述轂部同軸的外部框架，以及
[0032]-將所述內部通道壁連接到所述外部框架的一組臂。
[0033]根據第三方面，本發明提供了一種包括這樣的外殼的渦輪機。
【附圖說明】
[0034]本發明的其它特征、目的和優點將從下文中參照以非限制性示例的方式給出的附圖進行的詳細描述中變得明顯，在附圖中:
[0035]圖1為與本發明相符的渦輪機的排出外殼的示例的局部截面圖，
[0036]圖2為與本發明相符的轂部2的實施例的立體圖，
[0037]圖3為圖1的排出外殼的示例的局部立體圖，以及
[0038]圖4為圖1的細節視圖。
【具體實施方式】
[0039]下文中，將通過將本發明應用于渦輪機的排出外殼對其進行描述。然而，在這個意義上本發明不限于此，而是能夠應用于經受熱梯度并且需要能夠支撐大的負載的任意環狀外殼。
[0040]與本發明相符的渦輪機的排出外殼I具有沿著縱向軸線X延伸的主方向，并且包括:
[0041]-轂部2，以排出外殼I的軸線X為中心，
[0042]-外部框架3，與轂部2同軸，以及
[0043]-一組臂4，將轂部2與外部框架3連接。
[0044]轂部2呈大致環形，并且適于經由內部附接凸緣24在內部連接到軸承支座5并且在下游的外部處通過外部附接凸緣26連接到排出出口錐管。
[0045]轂部2包括環狀內部通道壁20，環狀內部通道壁20定位成面對外部框架3并且適于界定內部氣體流動通道，環狀連接壁22從環狀內部通道壁20開始徑向向內延伸。如圖1中所示，連接壁22與內部通道壁20之間的相交部分可以與排出外殼I的臂4的前緣BA對齊，并且包括設置成在該區域在360°的范圍內均化徑向位移并且限制過負載的產生的過剩厚度部。
[0046]內部附接凸緣24與連接壁22形成一體并且從連接壁22的自由端部23延伸，而外部附接凸緣26與內部通道壁20 —體地形成并且從內部通道壁20的自由端部21延伸。
[0047]連接壁22的徑向部分(即在垂直于縱向軸線X的平面中)是彎曲的并且呈七弦琴或逗號的形狀，這允許使轂部2能夠充分變形以順應臂4和外部框架3的膨脹，但在內部通道壁20與臂4的前緣之間的相交部分處從熱和機械的觀點考慮足夠剛性，以在360°的范圍內均化內部通道壁20的徑向變形。連接壁22的徑向部分的凹度(concavity)朝向上游定向并且沒有拐點，以便能夠產生變形(通過張開和合攏)并且補償排出外殼I中的由熱梯度引起的轂部2相對于外部框架3的相對膨脹。事實上，連接壁22由于其更具可變形性的形狀而能夠在各種不同變形的影響下彎曲地變形。
[0048]例如，如例如在圖4中示出的，連接壁22的徑向部分從內部附接凸緣24到內部通道壁20可以包括:
[0049]-沿外部附接凸緣26的方向徑向延伸的