[发明专利]匹配螺栓连接的开口环的热质量和刚度的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及燃气轮机，且更具体而言，涉及用于控制燃气轮机壳体变形的方法和装置。

背景技术

在燃气轮机工业中，结构性的涡轮机壳体的常见问题是在涡轮操作期间壳体对各种温度和压力条件响应而造成的壳体变形，例如，不圆。在正常操作期间，燃气轮机经历快速的热瞬态荷载，这会在壳体结构中产生大的热梯度。如果在壳体周围的热质量分配不均匀，将会导致从预期圆形的变形。

典型的涡轮机和压缩机外壳形成为上半件和下半件，上半件和下半件在外壳分模线处用竖直螺栓沿着水平面彼此连接，竖直螺栓延伸穿过径向向外导向并扩大的凸缘。这些带有沿着分模线接头向下伸展的较大凸缘的分壁壳体会导致热质量集中，在热瞬态事件期间，热质量集中可能会导致壳体变形。壳体变形的一个原因是分模线凸缘的质量较大，使得它以比涡轮机外壳平衡的响应时间更低的速率做出热响应。在凸缘上较大的热梯度与这个较大质量结合，由于热诱导的轴向应变，这会造成凸缘向内收缩。

变形是设置1级和2级涡轮机间隙的较大组成部分，其可能是机器中最敏感的，且通常在最大程度上影响效率和输出。当前的燃气轮机在瞬态操作期间具有较大变形，这在热重启的情况下通常是最糟的，且间隙通常变大，在一对一的基础上来应对变形，直接影响到稳态间隙。这种类型的变形是设置1级涡轮转子的稳态间隙的重要组成部分，且更紧密的间隙导致燃气轮机操作性和性能的改善。

额外的变形可由于多件式壳体(multi-piece casing)分模线处的环向负荷不连续性造成。所导致的从理想圆形的总的变形是确定旋转部件与固定部件之间最小间隙的一个因素，因为旋转部件不能膨胀超过壳体的最小半径，即使这个最小间隙存在于壳体很小部分上。为了提供更紧密的间隙，每当间隙较小时，壳体应尽可能为圆形。最小的顶端间隙导致工作流体在桨叶/叶片顶端较少泄露，这得到燃气轮机最高效率的操作。

变形的另一个原因是内部壳体压力的结果。另外，应了解在分模线凸缘处螺栓孔的中心线与涡轮机壳体的主要部分之间存在偏移。由于这种偏移，由通过螺栓传递的环向场应力引入力矩，造成分模线径向向内偏转。

为了减轻变形，有时使用“伪”凸缘在壳体上其它周向部位提供额外热质量。美国专利第5,605,438号(“438专利”)公开了用于诸如涡轮机和压缩机这样的旋转机械的壳体，其通过使用“伪”凸缘而显著地减小了变形和不圆。438专利公开了一种涡轮机壳体，其设有策略地定位的周向的肋和多个轴向延伸的凸缘。438专利还公开了一种压缩机壳体，其仅设有多个轴向延伸的凸缘。438专利的全部公开内容以引用的方式结合到本文中。

图1对应于438专利的图3，图示了大体上半圆柱形的涡轮机壳体半件40，其利用在径向分开的螺栓孔(未图示)中的螺栓在水平分模线凸缘42处与类似的半圆柱形壳体半件(未图示)相配。为了减小由内部压力所造成的涡轮机壳体的变形和在启动和停机期间控制涡轮机的热响应，相配的壳体半件40中的每一个设有周向延伸的肋44。肋44绕圆柱形涡轮机壳体的每个半件在其相对端部之间延伸，止于分模线凸缘42附近的端部。通过将肋44在周向定位于半圆柱形半件周围，由内部压力所造成的壳体半件的变形显著减小。此外，一个或多个轴向延伸的凸缘46设于半圆柱形壳体半件40的每一个中。如在图1所示，壳体半件40设有三个轴向延伸的肋46，其绕壳体半件40在周向彼此间隔开。这些肋46基本上匹配水平分模线凸缘42的刚度和大部分热质量。由于凸缘42具有从螺栓孔到凸缘外表面的槽，凸缘42中的应变减少，这使得轴向延伸的肋46可被设计成小于水平凸缘42，即，轴向肋46不如分模线凸缘42大或重。由于分模线凸缘42具有槽，径向刚度减小。438专利教导了仅需匹配分模线凸缘42的径向刚度。

图2对应于438专利的图4，示出了半圆柱形半件50形式的压缩机壳体的一个半件，其在水平分模线凸缘54处与类似的半圆柱形压缩机壳体半件(未图示)相配。压缩机壳体半件50不包括周向延伸的肋，因为在压缩机壳体中没有显著热诱导应力。但一个或多个轴向延伸的凸缘52绕外壳半件设于周向间隔开的位置，类似于上文所讨论的涡轮机壳体半件40。关于轴向延伸的凸缘52的刚度以及大小或质量的减小，上文关于涡轮机壳体40的轴向凸缘所讨论的相同的考虑是适用的。