專利名稱：具有優化的結合部法蘭的分體式渦輪機殼體的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有結合部的渦輪機殼體，其中該渦輪機殼體在結合部處具有較 小的結合部泄漏。
背景技術：
渦輪機，例如燃氣輪機，具有殼體，它出于燃氣輪機的可裝配性的原因設計成水平 和/或垂直分體的。該分體式的燃氣輪機殼體例如具有上部件和下部件，它們在形成結合 部的情況下組裝在一起。在圖8中示出了一種已知的渦輪機殼體101的結合部的區域的橫截面。該渦輪機 殼體101具有上部件102和下部件103，它們一起形成結合部104。在渦輪機工作時，渦輪 機殼體101 —般是承受壓力的，這樣在渦輪機殼體101的內側105上出現相比外側106更 高的燃氣壓力。在結合部104處，在上部件102上構成上部件法蘭107并且類似地在結合部104 處，在下部件103上構成下部件法蘭108，其中這兩個法蘭107、108在它們互相正對的面上 形成結合部104。通過上部件法蘭107和通過下部件法蘭108設有法蘭孔109，通過該法蘭 孔穿入結合部螺栓110。結合部螺栓110分別伸出上部件法蘭107和下部件法蘭108，其中 該結合部螺栓110在它的位于外側的區域中分別具有螺紋段111。結合部螺栓110在螺紋 段111之間設有膨脹桿112。在螺紋段111上分別擰上帶有墊片114的螺母113，這樣利用 由此產生的螺紋連接將上部件法蘭107和下部件法蘭108互相壓緊。在上部件102、下部件 103、結合部螺栓110、螺母113和墊片114中出現的力流利用箭頭115示意示出。通過由結合部螺栓110在上部件法蘭107和下部件法蘭108上產生的螺紋連接， 兩個法蘭107、108在水平方向116互相傳力連接地固定。期望的是，結合部104氣體泄漏盡可能小，這樣在渦輪機工作時通過結合部104產 生的從內側105到外側106的氣體泄漏盡可能小。氣體泄漏的原因特別是法蘭107、108連同結合部螺栓110、螺母113和墊片114在 渦輪機的不穩定的工作中的時間上延遲的且不均勻的加熱。特別是結合部螺栓110涉及延 遲的加熱，因為它結構上決定一般遠離熱量入口的區域定位并且只能夠通過較小的在螺紋 段111上的接觸面加熱。特別是在其內側利用壓縮機出口條件加載的殼體區域，在冷啟動時在上部件法蘭 107或者下部件法蘭108和膨脹桿112之間出現特別大的溫度差。這個溫度差導致相應的在 涉及的構件的熱膨脹中的大的差別。由此結果在首次渦輪機起動時出現結合部螺栓110的 一次性的過度拉伸，這導致結合部螺栓110的預緊的永久降低并且由此導致在結合部104 上的表面壓力的減小。附加地，上部件法蘭107和下部件法蘭108由于它們的不均勻的加 熱而互相變形，這接合降低的結合部螺栓110的預緊導致在結合部104處的張開。由此在 結合部104處上出現氣體泄漏。在渦輪機殼體101的多個結合部104交叉的區域中的氣體泄漏特別大。在交叉區域中，由于為每個結合部104設置上部件法蘭107和下部件法蘭108，渦輪機殼體101的壁 厚特別大，這樣在交叉區域中在渦輪機起動時在它的材料中出現特別大的溫度差。此外還 有，由于幾何上狹小的環境，由于螺紋連接的干涉不能設置結合部螺栓110的最優的螺紋 連接密封。因此交叉區域的特征是特別高的氣體泄漏率。特別是現代的燃氣輪機的開發往這個方向走，即壓縮比相對目前通常的系數要明 顯提高1. 5到2。由此產生的還要更高的法蘭力以及還要更高的壓縮機出口溫度造成，對 于現代的具有傳統設計方案的渦輪機殼體，在具有上部件法蘭107、下部件法蘭108和結合 部螺栓110的結合部104處要計算較高的氣體泄漏率。此外上部件法蘭107和下部件法蘭 108必須更大地確定尺寸并且由更高質量的材料生產，以克制預計較高的壓縮機出口溫度 和提高的壓力。這兩種措施都導致成本上升并且導致傳統的法蘭設計的邊界條件的惡化， 因為還要更長的熱傳輸路程和由此產生的還要不均勻的加熱伴隨著結合部螺栓的還要更 大的預緊損失。此外渦輪機殼體101在結合部104的區域中具有不對稱的力流115。由此結合部 螺栓Iio在冷起動時除了承受純的拉力還承受彎曲應力，它強化了在結合部104的區域中 的不均勻的熱膨脹。為了考慮結合部螺栓110的彎曲應力，設置了相應的牢固的螺紋連接 的布置以及相應厚的上部件法蘭107和下部件法蘭108的設計方案。不過這導致，進一步 惡化了在結合部區域中的不均勻的溫度分布。此外例如由EP 1 707 759 A2公開了一種具有兩個互相貼靠的殼體套的渦輪機殼 體。為了在機器的工作中避免殼體的不對稱的變形，設有借助于將兩個套互相夾緊的橋的 形狀配合連接。此外在設計文獻DE 1 160 701中公開了一種高壓容器的殼體部分的連接，它除 了通常的外部的法蘭螺紋連接外還具有在殼體的內側的利用楔的斜面的夾緊。
發明內容
本發明的任務是，提供一種具有結合部的渦輪機殼體，其中該渦輪機殼體在結合 部處具有較小的氣體泄漏。根據本發明的具有結合部的渦輪機殼體，包括帶有構造在結合部處的第一結合部 凸緣的第一殼體部分、帶有構造在結合部處的第二結合部凸緣的第二殼體部分以及多個結 合部夾子，其中第一結合部凸緣和第二結合部凸緣一起被結合部夾子包圍，這樣第一和第 二殼體部分被結合部夾子借助于形狀配合連接固定在結合部凸緣上。對于根據本發明對稱地設計的渦輪機殼體的結合部區域，阻止了在結合部區域中 設置大的壁厚。由此渦輪機殼體的壁厚分布是均勻的，由此特別是在渦輪機起動時不穩定 的渦輪機殼體的加熱可以進展為均勻地并且快速的。由此在渦輪機殼體的材料中只出現弱 的溫度梯度，這特別是導致在渦輪機殼體的結合部的區域中的小的或者弱的扭曲。因為大 的扭曲可能導致渦輪機殼體的氣體泄漏，根據本發明實現，渦輪機殼體在結合部的區域中 具有小的泄漏率。此外根據本發明的渦輪機殼體具有小的重量，由此在生產時占據小的材 料成本。此外可以利用該渦輪機快速以起動斜率起動，而在根據本發明的渦輪機殼體處不 出現在結合部區域中的泄漏。優選每個結合部凸緣既向渦輪機殼體內部、又向渦輪機殼體外部伸出，并且每個
5結合部夾子具有內部件和外部件，其中內部件作用在結合部凸緣的位于內部的區段上，并 且外部件作用在結合部凸緣的位于外部的區段上。由此根據本發明設計決定地實現了，在渦輪機殼體的壁中的力流在結合部的區域 中的對稱地分布。由此阻止，結合部凸緣遭受彎曲應力并且結合部夾子只承受小的彎曲應 力。此外優選結合部夾子具有唯一的內部件和唯一的外部件，或者具有唯一的內部件 和多個外部件，或者具有多個內部件和唯一的外部件。由此可以相應地按照渦輪機殼體內部的壓力環境進行結合部夾子在內部件和外 部件中的分配，這樣結合部夾子的使用是最優的并且渦輪機殼體的生產成本是最小的。此外優選在結合部的每個布置有結合部夾子的位置上，渦輪機殼體都具有至少一 個結合部孔并且結合部夾子具有至少一個固定機構，該固定機構穿過結合部孔并且既與內 部件、又與外部件固定，這樣由固定機構將內部件和外部件固定在結合部凸緣上，并且與它 們這樣形狀配合連接地共同作用，即殼體部分在結合部處被結合部夾子壓合。此外優選在結合部凸緣的位于內部的區段和位于外部的區段上分別設置凸緣側 面，以及內部件具有與位于內部的凸緣側面共同作用的夾子側面，并且外部件具有與位于 外部的凸緣側面共同作用的夾子側面，其中凸緣側面和夾子側面這樣合適地布置，即在內 部件和外部件被固定機構固定在一起時，結合部凸緣被結合部夾子壓合。優選固定機構具有固定螺栓，它穿過結合部孔布置并且與內部件和外部件分別構 成螺紋連接。由此有利地利用固定螺栓將內部件從內側壓緊在渦輪機殼體上，并且外部件從外 側壓緊在渦輪機殼體上，其中內部件利用它的夾子側面壓在結合部凸緣的位于內部的區段 的凸緣側面上，并且外部件利用它的夾子側面壓在結合部凸緣的位于外部的區段的凸緣側 面上。在分別互相貼靠的側面上，內部件和外部件可以在結合部凸緣上來回滑動，這樣在固 定螺栓擰緊時，內部件和外部件都在結合部凸緣上這樣楔入，即互相夾緊的殼體部分在結 合部處平地互相壓緊。優選固定機構具有螺母，其中固定螺栓擰入內部件的螺紋孔中并且穿過外部件的 貫穿孔，并且借助于螺母從渦輪機殼體的外部擰緊。由此螺母是容易從渦輪機殼體的外部接近的，此時結合部夾子的裝配是簡單的并 且可快速完成的。此外優選在螺母和外部件之間布置墊片。然后優選螺母的擰緊力均勻地分布在外部件上。此外優選，在內部件和結合部凸緣的位于內部的區段之間設置密封件，這樣渦輪 機殼體的內部向外密封。由此此外阻止，渦輪機殼體在結合部處具有泄漏。優選結合部是水平結合部，并且設置所述結合部夾子將水平結合部固定在一起。替代地，優選結合部是垂直結合部，并且設置所述結合部夾子將垂直結合部固定 在一起。此外優選水平結合部和垂直結合部交叉并且在交叉點處設置交叉結合部夾子，它 由兩個為水平結合部設置的在內外彼此對置地布置在交叉點處的結合部夾子和兩個為垂直結合部設置的在內外彼此對置地布置在交叉點處的結合部夾子一體地構成。由此有利地實現，垂直結合部和水平結合部在交叉點處被交叉結合部夾子有效地 且密封地固定在一起。此外特別是渦輪機殼體的壁厚在交叉點的區域中不設計的過分強， 這樣渦輪機殼體特別在交叉點的區域中可以快速熱透。此外由于根據本發明的交叉結合部夾子的設計在交叉點的區域中不出現螺栓連 接干涉。原則上有利地可以，輪機殼體在水平結合部處和垂直結合部處例如設置傳統的結 合部連接，其中在交叉點的區域中設置根據本發明的交叉結合部夾子。由此可以在渦輪機 殼體上既應用傳統的結合部連接，又應用根據本發明的結合部夾子。
接下來借助附圖示意說明根據本發明的渦輪機殼體的優選的實施例。圖中示出圖1示出了通過在結合部的區域中的渦輪機殼體的橫截面，圖2至7是渦輪機殼體在水平結合部、垂直結合部的區域和結合部交叉的區域中 的透視的示意圖，圖8示出了通過在結合部的區域中的傳統的渦輪機殼體的橫截面。
具體實施例方式如由圖1至7看出，渦輪機殼體1具有第一殼體部分2、第二殼體部分3、第三殼體 部分4和第四殼體部分5。第一殼體部分2和第三殼體部分4，如在圖2至5看出，構成渦 輪機殼體1的上部的半殼體并且第二殼體部分3和第四殼體部分5，如在圖2至5看出，構 成渦輪機殼體1的下部的半殼體，其中第一殼體部分2和第二殼體部分3與第三殼體部分 4和第四殼體部分5 —起構成水平結合部7。此外渦輪機殼體1具有垂直結合部6，它由第 一殼體部分2和第三殼體部分4與第二殼體部分3和第四殼體部分5 —起構成。垂直結合 部6和水平結合部7交叉。此外渦輪機殼體1在第一殼體部分2和第二殼體部分3中具有 殼體臺階37，它們被垂直結合部6分開。垂直結合部6被多個垂直結合部夾子8固定在一起并且水平結合部7被多個水平 結合部夾子9固定在一起。垂直結合部夾子8并排沿著垂直結合部6布置成一行，并且水 平結合部夾子9并排沿著水平結合部7布置成一行。在垂直結合部6和水平結合部7的交叉區域中設有交叉結合部夾子10。第一殼體部分2在垂直結合部6處具有第一結合部凸緣11并且在水平結合部7 的區域中具有第三結合部凸緣13。在第二殼體部分3上以類似的方式在垂直結合部6處構 成第二結合部凸緣12并且在水平結合部7處構成第五結合部凸緣15。第三殼體部分4和 第四殼體部分5同樣設有結合部凸緣，其中第三殼體部分4在水平結合部7處具有第四結 合部凸緣14并且在水平結合部6處具有第七結合部凸緣17，并且第四殼體部分5在垂直 結合部6處具有第八結合部凸緣18并且在水平結合部7處具有第六結合部凸緣16。每個 結合部凸緣11至18在此具有從相應的殼體部分的外表面突出的區域和從內表面突出的區 域。結合部夾子8、9、10分別具有內部件19和外部件20，其中內部件形狀配合連接地
7包圍結合部凸緣的位于渦輪機殼體1內部的區段，并且外部件20形狀配合連接地包圍結合 部凸緣的位于渦輪機殼體1外部的區域。對每個結合部夾子8、9、10，每個結合部6、7具有 結合部孔23，它中心地設置在結合部6、7上。與結合部孔23對齊地面對渦輪機殼體1在內 部件19中設有螺紋孔21。此外與螺紋孔21和結合部孔23對齊地在外部件20中設有貫穿 孔22。附加地在水平結合部7和垂直結合部6的交叉點上設有在渦輪機殼體1中的交叉 孔24，它的縱軸位于水平結合部7和垂直結合部6的交叉點上。如以對結合部孔23類似的 方式，對交叉孔24在交叉結合部夾子10的內部件19中設有螺紋孔21，并且在交叉結合部 夾子10的外部件20中設有貫穿孔22，其中螺紋孔21、貫穿孔22和交叉孔24互相對齊。固定螺栓25穿過貫穿孔22、結合部孔23或者交叉孔24并且插入螺紋孔21中。 固定螺栓25具有第一螺紋段26和第二螺紋段27，其中可以在第一螺紋段26和第二螺紋段 27之間設置膨脹桿28。固定螺栓25這樣插入孔21至23中，即第一螺紋段26嵌入螺紋孔 21中構成螺紋連接，第二螺紋段27從外部件20向外突出渦輪機殼體1，并且膨脹桿28布 置在結合部凸緣11至18之間。在第二螺紋段27上擰上帶有墊片30的螺母29，這樣在螺母29緊固時，內部件19 和外部件20被螺母29壓緊在結合部凸緣11至18上。當然也可以每個結合部夾子設置兩 個或多個固定螺栓25，它們或許可以偏心地，也就是說布置在結合部之外。渦輪機殼體1在結合部凸緣11至18處在橫截面中設計成T形，其中結合部凸緣 11至18在它們的遠離結合部孔23的面上具有凸緣側面31。內側的凸緣側面基本上平行 于結合部孔23的縱軸構造，其中凸緣側面31從渦輪機殼體1離開朝結合部孔23向下傾斜 地布置。內部件19和外部件20設計成C形的并且在凸緣側面31上包圍結合部凸緣11至 18。內部件19和外部件20分別具有與凸緣側面31共同作用的夾子側面32，它們設計成平 行于凸緣側面31。在渦輪機殼體1利用它的殼體部分2至5裝配時，如下規定首先將內部件19這 樣安放在結合部凸緣11至18的位于內部的區段上，即內部件19利用它的夾子側面32貼 靠在凸緣側面31上。然后固定螺栓25穿過結合部孔23或者交叉孔24插入，并且利用第 一螺紋段26在螺紋孔21中擰緊在內部件19上。下一步是外部件20利用貫穿孔22穿在 固定螺栓23的第二螺紋段27上，這樣外部件20利用它的夾子側面32貼靠在結合部凸緣 11至18的位于外部的區段的凸緣側面31上，并且第二螺紋段27的一部分伸出外部件20。 然后在第二螺紋段27上連同墊片30將螺母29擰上。螺母29緊固這么多，即由此內部件 19和外部件20壓緊在結合部凸緣11至18上，此時通過凸緣側面31和夾子側面32的互相 導向以及帶來的通過側面31、32相對于固定螺栓25的縱軸的合適的布置將殼體部分2至 5在結合部6、7處互相壓緊。由此可以，在渦輪機殼體1上在結合部6、7處施加高的拉力35，而不在結合部6、7 處出現間隙。此外例如在垂直結合部6處在水平方向36上形狀配合連接地固定垂直結合 部6。在渦輪機殼體1的結合部6、7的區域中形成的力流34對稱地構成，這樣在結合部 6、7的區域中渦輪機殼體1和固定螺栓25沒有彎曲應力。
此外在內部件19和結合部凸緣11至18的位于內部的區段之間設有密封件33，由 此渦輪機殼體1的內部向外氣密地封閉。
權利要求
具有結合部(6)的渦輪機殼體，包括帶有構造在結合部(6)處的第一結合部凸緣(11)的第一殼體部分(2)、帶有構造在結合部(6)處的第二結合部凸緣(12)的第二殼體部分(3)以及多個結合部夾子(8)，其中第一結合部凸緣(11)與第二結合部凸緣(12)一起被結合部夾子(8)包圍，這樣第一和第二殼體部分(2、3)被結合部夾子(8)借助于形狀配合連接在結合部凸緣(11、12)處固定在一起，其特征在于，每個結合部凸緣(11、12)既向渦輪機殼體(1)的內部、又向它的外部延伸，并且每個結合部夾子(8)具有內部件(19)和外部件(20)，其中所述內部件(19)作用在結合部凸緣(11、12)的位于內部的區段上，并且外部件(20)作用在結合部凸緣(11、12)的位于外部的區段上。
2.根據權利要求1所述的渦輪機殼體，其中所述結合部夾子(8)具有唯一的內部件(19)和唯一的外部件(20)，或者具有唯一的內部件(19)和多個外部件(20)，或者具有多個 內部件(19)和唯一的外部件(20)。
3.根據權利要求1或2所述的渦輪機殼體，其中在結合部(6)的每個布置有其中一個 結合部夾子(8)的位置上，渦輪機殼體(1)具有結合部孔(23)，并且結合部夾子(8)具有 固定機構(25、29)，該固定機構穿過結合部孔(23)，并且既與內部件(19)、又與外部件(20) 固定，這樣由所述固定機構(25、29)將內部件(19)和外部件(20)固定在結合部凸緣(11、 12)上，并且與它們這樣形狀配合連接地共同作用，即所述殼體部分(2、3)在結合部(6)處 被結合部夾子(8)壓合。
4.根據權利要求1、2或3所述的渦輪機殼體，其中在所述結合部凸緣(11、12)的位于 內部的區段和位于外部的區段上分別設有凸緣側面(31)，以及所述內部件(19)具有與位 于內部的凸緣側面(31)共同作用的夾子側面(32)，并且所述外部件(20)具有與位于外部 的凸緣側面(31)共同作用的夾子側面(32)，其中所述凸緣側面(31)和夾子側面(32)這樣合適地布置，即在內部件(19)和外部件(20)夾緊時，所述結合部凸緣(11、12)被結合部夾子⑶壓合。
5.根據權利要求3或4所述的渦輪機殼體，其中所述固定機構具有固定螺栓(25)，它 穿過所述結合部孔(23)布置并且與所述內部件(19)分別構成螺紋連接。
6.根據權利要求5所述的渦輪機殼體，其中所述固定機構具有螺母(29)，其中所述固 定螺栓(25)擰入內部件(19)的螺紋孔(21)中并且穿過外部件(20)的貫穿孔(22)，以及 借助于螺母(29)從渦輪機殼體(1)的外部擰緊。
7.根據權利要求6所述的渦輪機殼體，其中在所述螺母(29)和外部件(20)之間布置 墊片(30)。
8.根據權利要求1至7中任意一項所述的渦輪機殼體，其中在所述內部件(19)和結合 部凸緣(11、12)的位于內部的區段之間設有密封件(33)，這樣渦輪機殼體(1)的內部向外 氣密地密封。
9.根據權利要求1至8中任意一項所述的渦輪機殼體，其中所述結合部是垂直結合部 (6)，并且設置所述結合部夾子(8)將垂直結合部(6)固定在一起。
10.根據權利要求1至8中任意一項所述的渦輪機殼體，其中所述結合部是水平結合部(7)，并且設置所述結合部夾子(9)將水平結合部(7)固定在一起。
11.根據權利要求9和10所述的渦輪機殼體，其中所述垂直結合部(6)和水平結合部 (7)交叉并且在交叉點處設置交叉結合部夾子(10)，它由兩個設置用于垂直結合部(6)的 彼此對置地布置在交叉點處的結合部夾子和兩個設置用于水平結合部(7)的彼此對置地 布置在交叉點處的結合部夾子構成。
12.根據權利要求11所述的渦輪機殼體，其中在所述交叉點處設有附加的固定機構 (25、29)，用于將內部件(19)和外部件(20)固定。
全文摘要
根據本發明的具有結合部的渦輪機殼體，具有帶有構造在結合部處的第一結合部凸緣的第一殼體部分、帶有構造在結合部處的第二結合部凸緣的第二殼體部分以及多個結合部夾子，其中第一結合部凸緣與第二結合部凸緣一起被結合部夾子包圍，這樣第一和第二殼體部分被結合部夾子借助于形狀配合連接固定在結合部凸緣上。
文檔編號F01D25/24GK101960100SQ200980106660
公開日2011年1月26日 申請日期2009年1月14日 優先權日2008年2月27日
發明者O·戈斯曼 申請人:西門子公司