專利名稱：渦輪發(fā)動機外殼徑向間隙的優(yōu)化方法和裝置的制作方法
技術領域：
本申請總的涉及渦輪發(fā)動機，尤其涉及在軸流式燃氣渦輪發(fā)動機系統中所使用的結構外殼。
背景技術：
軸流式燃氣渦輪發(fā)動機通常包括多個次級零件，例如風扇轉子組件、增壓器組件、壓縮機和渦輪。該風扇轉子組件包括一個風扇，該風扇又包括一組從一個轉子軸沿徑向向外伸出的風扇葉片。該轉子軸將動力和回轉運動從該渦輪傳遞至該壓縮機和該風扇，并且在縱向被多個軸承組件支承。軸承組件支承該轉子軸，并且一般包括放置在一個內滾道和一個外滾道內的滾動件。
結構殼體圍繞著該渦輪機組延伸，在它們之間形成徑向間隙。在渦輪發(fā)動機內形成的不合適間隙—例如(但不是限于)回轉密封和靜止零件之間，軸承元件和軸承滾道之間，軸承滾道和阻尼殼體之間，和/或轉子葉片與周圍殼體之間的間隙—可能對相應的渦輪機組的性能有不利的影響。然而，在發(fā)動機工作過程中，保持這種間隙的控制可能比較困難，因為該次級零件會受到可以改變該殼體和次級零件之間形成的間隙的扭曲。例如，在風扇組件的情況下，由發(fā)動機產生的軸向推力可以受到連接在該風扇組件和發(fā)動機框架之間的推力連桿的反作用。該推力連桿可使該框架變成橢圓，變成波瓣圖形。這不會削弱該發(fā)動機的結構，而是可以影響到該風扇框架前面和后面的連接結構。
為了便于在發(fā)動機工作過程中，保持間隙基本上固定不變，至少一些已知的高壓壓縮機殼體和軸承殼體(例如在GE90-115發(fā)動機中使用的)，通過在裝配過程中，在非圓條件下(稱為預制波瓣條件)，直接偏心磨削該殼體或關鍵的孔來適應這種推力負載的偏移。由于推力負荷造成的扭曲基本上可抵消制造的橢圓形狀，并使得在一個預先確定的工作推力點，該殼體孔基本上為圓形，這樣，可以在徑向保持相應的轉子對定子和/或軸承的間隙。然而，直接加工這種零件是費時間的過程，在得到關鍵孔形狀之前可能要重復幾次加工。
本發(fā)明概述按照本發(fā)明的一個方面中，提供了一種裝配一個渦輪發(fā)動機的定子組件的方法。該方法包括提供一個包括第一末端和第二末端的懸臂外殼；將一個次級零件在該渦輪發(fā)動機內連接；和將該外殼與一個框架連接，使得該外殼在圓周方向圍繞該次有零件的至少一部分延伸，以便不需直接加工該外殼的一個內表面，可在該次級零件和該懸臂外殼之間的徑向，形成一個不均勻的徑向圓周間隙；并且其特征為，在裝配過程中，該圓周方面的徑向間隙保持基本上為不均勻的。
按照本發(fā)明的另一個方面提供了一種燃氣渦輪發(fā)動機的裝配方法。該方法包括在該燃氣渦輪發(fā)動機內連接一個次級零件，和在該發(fā)動機內，將一個具有第一末端和第二末端的懸臂外殼與一個框架連接，使得該外殼在圓周方向圍繞該次級零件延伸，以便不需直接加工在該次級零件和該外殼之間形成一個不均勻的徑向圓周間隙。其特征為，在裝配過程中，該徑向圓周間隙保持為不均勻的。
附圖簡述

圖1為燃氣渦輪發(fā)動機的示意圖；圖2為可以在圖1所示的發(fā)動機內使用的一個懸臂外殼的示例性示意圖；圖3為圖1所示的，并包括至少一個外殼的燃氣渦輪發(fā)動機的一部分的橫截面圖；圖4為圖3所示的，并沿著區(qū)域4所取的一個軸承組件的一部分的放大圖；圖5為圖3所示的，并沿著區(qū)域5所取的該燃氣渦輪發(fā)動機的一部分的放大圖；和圖6為圖3所示的外殼的前端圖。
本發(fā)明詳述圖1為燃氣渦輪發(fā)動機10的示意圖，它包括一個風扇組件12和一臺核心發(fā)動機13。該核心發(fā)動機又包括一個高壓壓縮機14和一個燃燒室16。發(fā)動機10還包括一個高壓渦輪18，一個低壓渦輪20和一個增壓器22。風扇組件12包括沿徑向從一個轉子圓盤26向外伸出的一組風扇葉片24。發(fā)動機10具有一個進氣側28和一個排氣側30。在一個實施例中，該燃氣渦輪發(fā)動機為Cincinnatio，Ohio的通用電氣公司銷售的GE90。風扇組件12和渦輪20由第一根轉子軸31連接，壓縮機14和渦輪18由第二根轉子軸32連接。
在工作過程中，空氣在基本上與穿過發(fā)動機10的中心軸線34平行的方向上，沿軸向通過風扇組件12活動，并且壓縮空氣供給至高壓壓縮機14。高度壓縮的空氣輸送至燃燒室16。從燃燒室16出來的氣流(圖1中沒有表示)驅動渦輪18和20，而渦輪20又利用軸31驅動風扇組件12。
圖2為可以在發(fā)動機10內使用的一個環(huán)形懸臂外殼46的示例性示意圖。外殼40包括一個不支承端42，一個連接端44和一個在它們之間延伸的整體的體46。連接端44包括一個沿徑向從該體46伸出的一個法蘭48。更具體地說，在該示例性實施例中，法蘭48基本上與該體46垂直，并包括一個法蘭面50，一個連接面52和多個在它們之間延伸的，圓周上隔開的孔54。每一個孔54的尺寸作成可以容納穿過的一個緊固件(圖2中沒有示出)，用于將外殼40與一個結構支承(圖2中沒有示出)連接。
法蘭48沿徑向在一個內表面60和一個徑向外邊緣62之間延伸。在該示例性實施例中，法蘭內表面60與一個法蘭槽口或徑向定位器64作成一個整體。該徑向定位器可使外殼40和法蘭48相對于該結構支承對準。在另一個實施例中，法蘭徑向邊緣62上作出一個法蘭槽口64。
體46包括一個外表面70和一個相對的內表面72。該外表面70上作出多個軸向平面ΦA、ΦB和ΦC。當外殼40連接在發(fā)動機10內和圍繞一個次級零件時，該每一個軸向平面至少部分地形成一個外殼徑向間隙。在一個實施例中，該次級零件為在轉子組件內的一個零件。在另一個實施例中，該次級零件為在一個靜止結構內的一個零件。
圖3為燃氣渦輪發(fā)動機10的一部分的橫截面圖。該發(fā)動機包括一個懸臂外殼100，增壓器外殼101和風扇轉子組件12。圖4為在發(fā)動機10中使用的、沿著區(qū)域4所取的一個軸承組件102的一部分的放大圖。圖5為沿著區(qū)域5所取的燃氣渦輪發(fā)動機10的一部分的放大圖。圖6為外殼100的前端圖。
這里所用的術語“外殼”可以包括長度和直徑比其厚度大得多的任何結構零件。例如，該外殼可以為(但不局限于)一個軸承殼體，一個增壓器殼體，一個外增壓器外殼，一個靜止的密封支承或如這里所述起作用，并連接在發(fā)動機10內，使得在該外殼和一個次級零件之間形成一個徑向間隙的任何結構零件。軸承殼體只是為了示例，不是限制術語“外殼”的定義和/或意義。另外，雖然本發(fā)明是結合燃氣渦輪發(fā)動機說明的，更具體地說，是在燃氣渦輪發(fā)動機的一個軸承組件中使用的。應當理解，本發(fā)明可以應用于其他燃氣渦輪發(fā)動機零件，以及其他渦輪發(fā)動機。因此，本發(fā)明的實踐不是僅限于燃氣渦輪發(fā)動機的軸承殼體。
轉子軸31可轉動地與風扇轉子圓盤26連接，并且利用多個支承轉子軸31的軸承組件102，固定在一個結構框架104上。在該示例性實施例中，軸承組件102包括成對的滾道110和滾動件112。每一個軸承組件都放置在由框架104形成的一個軸承殼體的孔138內。
軸承殼體或外殼100包括一個上游端120，一下游端122和在它們之間延伸的一個外殼體124。該外殼體124包括一個外表面128和一個相對的內表面130。當該外殼100在發(fā)動機10內連接時，該內表面130至少部分地形成一個外殼徑向間隙134。具體地說，當外殼100在發(fā)動機10內連接時，在軸承殼體孔138內，在外殼內表面130和軸承組件102的軸承外滾道114之間，在圓周方向形成徑向間隙134。
外殼下游端122包括一個從該體124沿徑向向外伸出的法蘭140。更具體地說，在該示例性實施例中，法蘭140基本上與體124垂直，并包括一個法蘭面142，一個連接面144和在它們之間延伸的，在圓周上隔開的多個孔146。每一個孔146的尺寸作成可容納穿過的一個緊固件150，用于使外殼100與風扇支承框架104連接。更具體地說，在該示例性實施例中，當外殼100與風扇支承框架104連接時，密封墊片152在法蘭面142和框架104之間延伸。
在該外殼的下游端122，在一個法蘭接頭160內，利用緊固件150將外殼100與框架104連接。在該示例性實施例中，法蘭接頭160包括一個槽口162，它可使外殼100相對于風扇框架104位于徑向，使該外殼100基本上與框架104同心地對準。孔164在圓周上隔開，其尺寸作成可容納穿過的緊固件150。在一個實施例中，槽口162可與法蘭槽口匹配，這樣，槽口64(如圖2所示)可使外殼100與框架104對準。
在將軸承殼體或外殼100與風扇框架104連接后，將非圓形的一個預先制的波瓣孔形狀(例如圖6所示的徑向雙波瓣形狀180)—也稱為“非圓形狀態(tài)”—產生在孔138內的外殼體124中。在另一些實施例中，可以將其他的預定的瓣形(例如三個波瓣孔形狀)產生在孔138內的外殼體124中。因此，在裝配過程中，當將軸承殼體或外殼100固定在風扇框架104上時，在外殼體124和軸承外滾道114之間形成不均勻的徑向圓周間隙。相反，如下面更詳細地所述那樣，在發(fā)動機10工作過程中，該徑向圓周間隙基本上是均勻的。在該示例性實施例中，該不均勻的徑向圓周間隙基本上在孔138內的外殼體124的整個軸向長度上形成。在另一些實施例中，在孔138內的外殼體124的不同的軸向位置上，該徑向圓周間隙是變化的。
該預定的瓣形186和/或所形成的不同的徑向間隙不是直接加工外殼的殼體內表面130形成的，而是如下面更詳細地所述那樣，不是直接加工孔138內的內表面130形成的。在一個實施例中，將框架對準槽口162加工成所希望的徑向的預定的瓣形，使得當將外殼100與風扇框架104連接時，在裝配過程中，在外殼體124和軸承外滾道114之間形成該所希望的不均勻的徑向圓周間隙。在另一個實施例中，將一個法蘭槽口(例如槽口64和/或在法蘭的徑向外邊緣上作出的槽口)加工成所希望的徑向預定的瓣形使得當外殼100與風扇框架104連接時，該非圓形的法蘭槽口和風扇框架104之間的界面在外殼體124和軸承外滾道114之間形成在裝配過程中保持不均勻的圓周方向內徑向間隙。
在又一個實施例中，加工法蘭面142，使該面142基本上不再與外殼體124垂直，而是在法蘭面142的軸向方向上，基本上為非平面形的。因此，當利用緊固件150將法蘭面142與風扇框架104連接時，加扭矩的緊固件迫使外殼100基本上平地壓緊在風扇框架104上，使得變形形狀通過外殼體124傳遞，并且在發(fā)動機10裝配過程中，使在外殼體124和軸承外滾道114之間產生的徑向圓周間隙保持不均勻。
在再一個實施例中，加工在該法蘭接頭160上形成的法蘭面183，使得面160基本上不再與外殼體124垂直，而是在法蘭面160的軸向方向，基本上為非平面形的。因此，當利用緊固件150將法蘭面160與外殼體124連接時，加扭矩的緊固件迫使外殼100基本上平地壓緊在風扇框架104上，使得變形形狀通過該外殼體124傳遞，并且在發(fā)動機10裝配過程中，在該外殼體124和軸承外滾道114之間形成的徑向圓周間隙保持不均勻。
同樣，在又一個實施例中，雖然法蘭面142保持基本上與外殼體124垂直，但在該法蘭面142和匹配的法蘭接頭160之間插入一個密封墊片(例如在該密封墊片軸向方向上延伸的厚度變化的密封墊片152)。因此，當通過該密封墊片152，利用緊固件150，將法蘭面142與風扇框架104連接時，加扭矩的緊固件迫使外殼100壓緊密封墊片152，使得變形形狀通過外殼體124傳遞，并且在該外殼體124和軸承外滾道114之間形成在發(fā)動機10裝配過程中不均勻的徑向圓周間隙。
在再一個實施例中，使用一個已知的改裝的加工夾具來制造外殼100。更具體地說，至少一些已知的用于制造外殼100的加工夾具，基本上與框架對準槽口162匹配。這種加工夾具經過改裝，使得在該外殼與制造用的夾具連接之前，使與該槽口匹配的該夾具的一部分變形為所希望的預定的瓣形。然后，加工外殼100，使得靠近末端120和外殼體124處的內表面132基本上為圓形。因此，當從該加工夾具上取出外殼100時，外殼100和基本上為圓形的框架對準槽口162之間的界面，在裝配過程中形成在該外殼體124和軸承外滾道114之間的所希望的不均勻的徑向圓周間隙。
應當指出，該所希望的不均勻的徑向圓周間隙不是僅限于只利用這里所述的制造方法制造，而可以利用其他的制造裝配時該預先制的波瓣外殼孔形狀的、該關鍵孔138不是直接加工的方法制造。還應指出，這里所述的制造方法不是僅限于軸承殼體外殼100，它只是外殼100的制造方法的一個例子。
在發(fā)動機10工作過程中，外殼100也會產生可以改變徑向間隙134的發(fā)動機10內的扭曲。更具體地說，雖然在裝配和發(fā)動機10不工作過程中，第二間隙保持不均勻，但在發(fā)動機預先確定的工作條件下工作的過程中，該外殼的預定的瓣形補償由發(fā)動機10產生的推力偏移，并且在殼體孔138內變成基本上為圓形。因此，在發(fā)動機的這種工作過程中，在外殼體124和軸承外滾道114之間形成基本上均勻的徑向間隙。
在該示例性實施例中，該外殼的預定的瓣形的偏移有利于在軸承外滾道114的圓周周圍，在該外滾道114和外殼100之間形成容積固定的阻尼器軸承油膜，這樣可提高加阻尼器的性能和軸承的使用壽命。在其他實施例中，當外殼100為增壓器殼體和/或壓縮機殼體時，外殼100的偏移可以減小葉片至殼體的流動通道的間隙和/或摩擦。也可改善相應的增壓器和/或壓縮機的性能。在另外一些實施例中，根據外殼100的應用情況，外殼100的偏移可以減小葉片至轉子的密封間隙和摩擦，因此可改善整個發(fā)動機的性能。另外，根據外殼100的應用情況，外殼100的偏移可以形成軸承外滾道和殼體孔壓配合(沒有徑向間隙)的基本上為圓形的軸承殼體。在這個實施例內，在一個特定的工作點，該軸承外滾道保持基本上為圓形，這樣可增加軸承的使用壽命。
上述的外殼的成本不高，并且可靠性高。每一個外殼都與一個結構框架連接，使得在發(fā)動機不工作期間，在一個特定的軸向位置上，在該外殼內部形成的預定的瓣形可以形成保持不均勻的間隙。更具體地說，該外殼的內表面不是直接加工形成該不均勻的徑向圓周間隙的，而是在裝配時，通過使遠離所監(jiān)視的關鍵孔的該外殼形成預定的瓣形而形成預定的瓣形的外殼孔的形狀。在發(fā)動機工作過程中，由于推力偏移，熱偏移和/或由發(fā)動機或飛機工作引起的其他偏移，該外殼可能扭曲，造成必要在發(fā)動機工作過程中，使該間隙為最優(yōu)。結果，該預定的瓣形可以在發(fā)動機工作時，延長該結構組件的使用壽命和提高其性能。
上面詳細地說明了一個外殼的示例性實施例和在該外殼上形成預定的瓣形，以形成的不均勻的徑向圓周間隙的方法。所述的外殼不是僅限于這里所述的具體實施例，而是該外殼可以與這里所述的燃氣渦輪發(fā)動機零件獨立地和分開地使用，例如，該外殼可以與其他渦輪發(fā)動機系統組分使用。
雖然已就各種具體的實施例說明了本發(fā)明，但業(yè)內人士知道，在權利要求書的精神和范圍內可對本發(fā)明進行改造。
零件清單10—發(fā)動機12—風扇組件13—核心發(fā)動機14—壓縮機16—燃燒室18—高壓渦輪20—低壓渦輪22—增壓器24—葉片26—圓盤28—進氣側30—排氣側31—轉子軸32—轉子軸40—外殼44—連接端46—體48—法蘭50—法蘭面52—連接面54—孔60—內表面64—法蘭槽口/徑向定位器70—體外表面72—體內表面ΦA—軸向平面ΦB—軸向平面ΦC—軸向平面100—外殼101—增壓器外殼
102—軸承組件104—結構框架110—成對的滾道112—滾動件120—外殼上游端122—外殼下游端124—外殼體128—外表面134—徑向間隙138—軸承殼體孔140—法蘭142—外殼法蘭面144—連接面146—孔150—緊固件152—密封墊片160—法蘭接頭162—槽口164—孔180—波瓣形狀
權利要求
1.一種裝配渦輪發(fā)動機(10)的定子組件的方法，所述方法包括提供一個包括一第一末端(120)和一第二末端(122)的懸臂外殼(100)；與該渦輪發(fā)動機內部的一次級零件(102)連接；和將該外殼與一個框架(104)連接，使得該外殼沿圓周方向圍繞該次級零件的至少一部分延伸，不需直接加工該外殼的內表面(130)，而在該次級零件和該懸臂外殼之間沿徑向限定一個不均勻的徑向圓周間隙(134)；當該發(fā)動機不工作時，該徑向圓周間隙保持基本上不均勻。
2.如權利要求1所述的方法，其特征為，將該外殼(100)與一個框架(104)連接，使該外殼沿圓周方向圍繞該次級零件(102)的至少一部分延伸還包括將該外殼與該框架連接，使得在預定的轉子工作過程中，該不均勻的徑向間隙(134)在該外殼和該次級零件之間基本上沿圓周方向變得均勻。
3.如權利要求1所述的方法，其特征為，該懸臂外殼(100)的至少一端(120和122)包括用于使該外殼與該發(fā)動機框架(104)方便對準的一個槽口(162)，所述該外殼與一個框架的連接，使得該外殼沿圓周方向圍繞該次級零件(102)的至少一部分延伸，還包括形成該外殼的槽口，使得由該槽口形成一個基本上為非圓形的匹配表面。
4.如權利要求3所述的方法，其特征為，形成該外殼槽口(162)，使得由該槽口限定一個基本上為非圓形的匹配表面，還包括形成該槽口的具有一徑向預制的瓣形的匹配表面。
5.如權利要求1所述的方法，其特征為，將該外殼(100)與一個框架(104)連接，使得該外殼沿圓周方向圍繞該次級零件(102)的至少一部分延伸，還包括加工在該發(fā)動機框架上限定的一個法蘭面(144)，使處當該外殼貼靠該發(fā)動機框架法蘭面連接時，形成不均勻的圓周徑向間隙(134)。
6.如權利要求1所述的方法，其特征為，該發(fā)動機框架(104)包括一個用于使該外殼與該發(fā)動機框架容易對準的槽口(162)，所述將該外殼與一個框架連接，使得該外殼沿圓周方向圍繞該次級零件的至少一部分延伸，還包括加工該框架槽口，使得由該框架槽口限定一個基本上為非圓形的匹配表面。
7.如權利要求1所述的方法，其特征為，它還包括將該外殼(100)與一個加工夾具連接，該夾具具有所希望的、基本上與該框架槽口(162)一致的預定的瓣形；和加工該外殼，使該外殼的內表面(130)基本上為圓形。
8.如權利要求1所述的方法，其特征為，該外殼的第一末端(120)和該外殼的第二末端(122)中至少一個末端包括一個法蘭面(142)，所述將該外殼(100)與一個框架(104)連接，使得該外殼沿圓周方向圍繞該次級零件(102)的至少一部分延伸，還包括加工該法蘭面，使得當該外殼與該發(fā)動機框架連接時，形成該不均勻的圓周徑向間隙(134)。
9.如權利要求1所述的方法，其特征為，所述將該外殼(100)與一個框架(104)連接，使得該外殼沿圓周方向圍繞該次級零件(102)的至少一部分延伸，還包括使該外殼與該發(fā)動機的框架連接，以便在發(fā)動機工作過程中，減少在該外殼和該次級零件之間的徑向間隙(134)。
10.如權利要求1所述的方法，其特征為，該外殼的第一末端(120)和該外殼的第二末端(122)中的至少一個末端包括一個法蘭面(142)，所述該外殼(100)與一個框架(104)的連接，使得該外殼沿圓周方向圍繞該次級零件(102)的至少一部分延伸，還包括在該外殼的法蘭面和該框架之間放置一個厚度變化的零件(152)，使得當將該外殼與該發(fā)動機框架連接時，形成該不均勻的圓周徑向間隙(134)。
全文摘要
一種渦輪發(fā)動機(10)的定子組件的裝配方法。該方法包括提供一個包括第一末端(120)和第二末端(122)的懸臂外殼(100)；和將一個次級零件(102)在該渦輪發(fā)動機內連接。該方法還包括將該外殼與一個框架(104)連接，使得該外殼在圓周方向圍繞該次級零件的至少一部分延伸，使得使用不直接加工該外殼的內表面(130)的方法、可以在該次級零件和該外殼之間的徑向，形成一個不均勻的徑向圓周間隙(134)。其特征為，在該發(fā)動機工作過程中，該不均勻的徑向圓周間隙變成基本上均勻的。
文檔編號F01D25/24GK1648419SQ20041010484
公開日2005年8月3日 申請日期2004年12月24日 優(yōu)先權日2003年12月24日
發(fā)明者J·C·施林, D·E·莫爾曼, B·L·阿爾蒙, A·杜爾奇霍爾茲 申請人:通用電氣公司