專利名稱：渦輪覆環(huán)的彈簧質(zhì)量阻尼器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于衰減包圍渦輪的熱氣體通道中回轉(zhuǎn)零件的覆環(huán)的振動的一種阻尼系統(tǒng)，尤其涉及一種彈簧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)，當(dāng)每一個渦輪葉片通過該單獨的覆環(huán)時，該系統(tǒng)與一個陶瓷覆環(huán)接合，并調(diào)節(jié)該覆環(huán)，以最大限度地減少由熱氣體通道中的壓力脈沖產(chǎn)生的振動響應(yīng)。
背景技術(shù)：
陶瓷基體復(fù)合材料作為在渦輪中，與該熱氣體通道連接的覆環(huán)材料有其優(yōu)點。該陶瓷復(fù)合材料的溫度容量大。當(dāng)每一個葉片通過該覆環(huán)時，該覆環(huán)受到由熱氣體的壓力脈沖引起的振動。另外，因為該葉片接近于高速回轉(zhuǎn)，振動可能在或接近共振頻率處產(chǎn)生，因此需要阻尼，以保持在該渦輪長期的商業(yè)運轉(zhuǎn)過程中的壽命。然而，陶瓷復(fù)合材料很難連接，并容易損壞。例如磨損，由于離子向金屬轉(zhuǎn)移造成的氧化，應(yīng)力集中和當(dāng)將該復(fù)合材料成形與金屬零件連接時，該陶瓷復(fù)合材料損壞。因此，需要對與動態(tài)有關(guān)的問題作出響應(yīng)，即考慮將陶瓷復(fù)合材料的覆環(huán)與渦輪的金屬零件連接，以減少不利的模態(tài)響應(yīng)。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種陶瓷復(fù)合材料覆環(huán)和一個金屬支承結(jié)構(gòu)之間的連接機構(gòu)。該機構(gòu)利用加在該覆環(huán)上的壓力分布，與該覆環(huán)上的負載結(jié)合，調(diào)節(jié)該覆環(huán)，將葉片通過該覆環(huán)時，由熱氣體的壓力脈沖產(chǎn)生的損壞性振動響應(yīng)減至最小。為了達到上述目的，在本發(fā)明的一個方面中，提供了一個彈簧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一個陶瓷復(fù)合材料覆環(huán)/阻尼塊體，一個阻尼器負載轉(zhuǎn)移機構(gòu)和一個阻尼機構(gòu)。該阻尼器塊體包括至少三個突起部分，用于與該覆環(huán)的背面接合，從而將該阻尼器塊體表面與該覆環(huán)的背面隔開，形成一個對流隔熱層和減小在該阻尼器塊體上的熱負荷。該三個突起部分沿著該阻尼器塊體放置，以衰減該系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。該負載轉(zhuǎn)移機構(gòu)包括一個具有帶有該阻尼器塊體的一個球窩對的活塞，可與在外覆環(huán)塊體的凹窩區(qū)域中的一個彈簧阻尼機構(gòu)共同工作。該球窩對使用一個銷固定系統(tǒng)，可允許該活塞和阻尼器塊體之間有相對運動。還設(shè)有局部薄膜冷卻，以增強該連接的抗長期磨損能力。該活塞通過該隔熱墊圈和該金屬墊圈與該彈簧接合，該二個墊圈則密封在裝有冷卻介質(zhì)的一個杯形件內(nèi)。該冷卻介質(zhì)將該彈簧的溫度保持在一個溫度極限以下，以便保持在該覆環(huán)上的確定的預(yù)加負荷。從下面的說明中可以了解本發(fā)明的各個其他方面。
在根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，提供了一種渦輪級的阻尼器系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一個覆環(huán)，它具有部分地形成通過該渦輪的熱氣體通道的第一個表面；一個支承該覆環(huán)的覆環(huán)體；具有至少三個從一個表面突起的突起部分，與該覆環(huán)的與該第一個表面相對的背面表面接合的阻尼器塊體；和一個阻尼機構(gòu)。該阻尼機構(gòu)安裝在該覆環(huán)體上，并與該阻尼器塊體連接，用于通過該突起部分與該覆環(huán)的背部表面接合，將負載加在該阻尼器塊體和該覆環(huán)上，從而衰減該覆環(huán)的振動運動。
在根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例中，提供了渦輪級的一個阻尼器系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括由陶瓷材料制成的，具有部分地形成通過該渦輪的熱氣體通道的第一個表面的一個覆環(huán)；一個支承該覆環(huán)的覆環(huán)體；一個安裝在該覆環(huán)體上，并與該覆環(huán)接合的阻尼器塊體；和一個阻尼機構(gòu)。該阻尼器塊體由金屬材料制成，該阻尼機構(gòu)安裝在該覆環(huán)體上，并與該阻尼器塊體連接，用于將負載加在該阻尼器塊體和該覆環(huán)上，以衰減該覆環(huán)的振動運動。該阻尼機構(gòu)包括一個彈簧，用于將負載加在該阻尼器塊體上。
附圖的簡要說明

圖1為在圍繞著渦輪軸線的圓周方向看的，通過一個外覆環(huán)塊體的橫截面圖，它表示根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選的阻尼器系統(tǒng)；圖2為在相對于渦輪的熱氣體通道的向前軸向方向看的阻尼器系統(tǒng)的橫截面圖；圖3為表示帶有與覆環(huán)的背面接合的突出部分的阻尼器塊體的內(nèi)表面的透視圖；和圖4為表示該阻尼器的負載轉(zhuǎn)移機構(gòu)和阻尼機構(gòu)的一部分的放大的橫截面圖。
發(fā)明的詳細說明圖1和圖2表示安裝多個覆環(huán)12的一個外覆環(huán)塊體或體10。圖1為圓周方向的視圖，圖2為在與通過該渦輪的熱氣體流流動方向相反的向前軸向方向看的視圖。從圖2中可看出，該覆環(huán)塊體10上裝有三個單獨的覆環(huán)12。多個覆環(huán)塊體10放置成圍繞該渦輪軸線的圓周組形式；并且安裝多個圍繞和形成流過該渦輪的熱氣體通道的一部分的覆環(huán)12。該覆環(huán)12由陶瓷復(fù)合材料制成，并利用沒有示出的螺釘固定在該覆環(huán)塊體10上。該覆環(huán)12還具有與該熱氣體通道中的熱氣體接觸的第一個內(nèi)表面11(圖2)。
本發(fā)明的阻尼器系統(tǒng)包括一個阻尼器塊體/覆環(huán)界面，一個阻尼器負載轉(zhuǎn)移機構(gòu)和一個阻尼機構(gòu)。該阻尼器塊體/覆環(huán)界面包括一個由金屬材料(例如PM2000)制成的阻尼器塊體16。該材料為具有高達2200°F的高溫使用極限的一種超級合金材料。如圖1和圖3所示，該阻尼器塊體16的徑向向內(nèi)表面18(圖3)包括至少三個與該覆環(huán)12的背離表面22(圖1)接合的突起部分20。突起部分20的尺寸可將足夠大的負載在該覆環(huán)12上分配，同時減小對磨損和在該覆環(huán)12和阻尼器塊體16之間的粘接的敏感性。該突起部分20的位置取決于所希望的系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。該動態(tài)響應(yīng)由系統(tǒng)自然頻率振動響應(yīng)試驗和模態(tài)分析確定。結(jié)果可預(yù)先確定該突起部分20的位置。
二個突起部分20a和20b沿著該阻尼器塊體16的前邊緣設(shè)置，并靠近該阻尼器塊體的相對的側(cè)面。結(jié)果，該突起部分20a和20b相對該阻尼器塊體16的側(cè)面，沿著其前邊緣對稱設(shè)置。剩下的突起部分20c靠近該阻尼器塊體16的后邊緣，并向著該阻尼器塊體的一個側(cè)面。這樣，該后部突起部分20c沿著該塊體16的后邊緣設(shè)置，并相對于該阻尼器塊體16的側(cè)面不對稱。采用這種結(jié)構(gòu)，該突起部分20在該阻尼器塊體16和該覆環(huán)12的背面之間形成一個很大的隔熱空間(即對流隔熱層)。這樣可減少作用在該阻尼器塊體上的熱負荷。該突起部分20還可補償通常陶瓷復(fù)合材料覆環(huán)表面所具有的表面粗糙度變化。
該阻尼器負載轉(zhuǎn)移機構(gòu)30包括一個活塞組件。該組件具有通過在該覆環(huán)塊體16上作出的孔34的一個活塞32。該活塞32的徑向內(nèi)端或遠端為一個球36，它放置在該阻尼器塊體16中作出的一個互補的凹窩38內(nèi)，從而形成球窩對39。從圖2中可清楚地看出，與該球36隔開一定距離的該活塞的側(cè)面直徑比該球和銷子40小。該銷子40沿著該活塞的相對的側(cè)面，用焊接固定在該阻尼器塊體16上，以保持該阻尼器塊體16和該活塞32之間的連接。該連接允許在該活塞32和該塊體16之間有相對運動。
在軸向沿著該活塞作出一個中心冷卻通路42，其終端為二個薄膜冷卻孔44，用于將冷卻介質(zhì)(例如，壓縮機的排出空氣)送入該球窩對，該冷卻介質(zhì)(例如壓縮機排出的空氣)從該阻尼器塊體10的徑向外側(cè)的一個冷卻介質(zhì)源，通過下述的阻尼機構(gòu)供給。如圖4所示，該活塞的側(cè)面帶有至少二個沿徑向向外突出，軸向隔開的活塞環(huán)槽脊48。該活塞環(huán)槽脊48可減少由于氧化和/或在長期連續(xù)工作過程中產(chǎn)生的磨損造成的軸與該阻尼器塊體10的孔粘接的危險。
該阻尼器負載轉(zhuǎn)移機構(gòu)還分別包括放置在上面的金屬制的墊圈和隔熱的墊圈50和52。該墊圈放置上該活塞32所帶的一個杯形件54中。該金屬墊圈50為該隔熱墊圈52提供支承，而該隔熱墊圈則由整塊的陶瓷氮化硅樹脂制成。該隔熱墊圈52通過與該阻尼器塊體12接觸，阻斷該活塞的傳熱通道。
該阻尼機構(gòu)包括一個彈簧60。作為保證結(jié)構(gòu)柔順性一致的裝置，該彈簧要在裝配之前，在一定的溫度和負載下進行預(yù)處理。該彈簧60安裝在沿著該覆環(huán)塊體10的背面作出的一個杯形殼體62內(nèi)。該彈簧的一端預(yù)先加載，與該隔熱墊圈52接合，以沿徑向向內(nèi)使活塞32偏移。彈簧60的相反一端與用螺紋固定在該殼體62上的一個蓋64接合。該蓋64有一個中心孔或通道67?？墒箟嚎s機排出空氣的冷卻流可在該殼體內(nèi)流動，以將該彈簧的溫度保持在預(yù)先確定的溫度以下。該彈簧由低溫金屬合金制成，以便在該活塞上保持一個確定的預(yù)加負荷，并因此將該彈簧保持在預(yù)先確定的溫度范圍以下。冷卻介質(zhì)還送至冷卻通道42和薄膜冷卻孔44，以冷卻該球窩對。通道65用于排出廢的冷卻介質(zhì)。由該杯形件54保持的該金屬墊圈50，在該隔熱墊圈52斷裂的情況下，可保證彈簧固定和預(yù)加負荷。
在工作中，該阻尼機構(gòu)的彈簧60保持作用在該活塞32和該阻尼器塊體16上的經(jīng)向向內(nèi)的力。該阻尼器塊體16靠緊該覆環(huán)12的背部表面22，以衰減振動和避免在共振頻率處或其附近的振動響應(yīng)。
雖然已結(jié)合目前認為是最實際和優(yōu)選的實施例說明了本發(fā)明，但應(yīng)理解，本發(fā)明不是僅局限于所述的實施例。相反，在所附權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)，它涵蓋各種改進和等同的結(jié)構(gòu)變化。
零件清單10-外覆環(huán)塊體，11-內(nèi)表面，12-覆環(huán)，16-阻尼器塊體，18-向內(nèi)的表面，20，20a，20b，20c-突起部分，22-背部表面，30-轉(zhuǎn)移機構(gòu)，32-活塞，34-孔，36-球，38-凹窩，39-球窩對，40-銷，42-冷卻通道44-薄膜冷卻孔，48-活塞環(huán)槽脊，50，52-墊圈，54-杯形件，60-彈簧，62-殼體，64-蓋，67-通道，65-通道。
權(quán)利要求
1.一種渦輪級的阻尼器系統(tǒng)，它包括一個覆環(huán)(12)；它具有部分地限定通過該渦輪的熱氣體通道的第一個表面(11)；支承所述覆環(huán)的一個覆環(huán)體(10)；一個阻尼器塊體(16)；它具有至少三個從其表面(18)突起的突起部分(20)，并與在所述第一個表面對面的所述覆環(huán)的背部表面(22)接合；和一個阻尼機構(gòu)(30)；它安裝在所述覆環(huán)體上，并與所述阻尼器塊體連接，以便通過該突起部分與該覆環(huán)的背部表面的接合，而將負載加在所述阻尼器塊體和所述覆環(huán)上，從而衰減所述覆環(huán)的振動運動。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征為，所述突起部分中的二個突起部分(20a，20b)沿相對于流過該渦輪的熱氣體流動方向的上游方向靠近所述阻尼器塊體表面(18)的前邊緣；而所述至少三個突起部分中的第三個突起部分(20c)靠近所述阻尼器塊體的所述阻尼器塊體表面中間側(cè)的邊緣。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征為，該阻尼器塊體表面(18)與該覆環(huán)的背部表面(22)由所述突起部分(20)隔開，以便在所述覆環(huán)和所述阻尼器塊體之間形成一個隔熱層。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征為，所述覆環(huán)由陶瓷材料制成，而所述阻尼器塊體由金屬材料制成。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征為，所述阻尼機構(gòu)包括一個彈簧(60)和被所述彈簧偏壓的一個活塞(32)，以便將負荷加在所述阻尼器塊體上。
6.一種渦輪級的阻尼器系統(tǒng)，它包括一個覆環(huán)(12)；它由陶瓷材料制成，具有部分地限定通過該渦輪的熱氣體通道的第一個表面(11)；支承所述覆環(huán)的一個覆環(huán)體(10)；安裝在所述覆環(huán)體上并與所述覆環(huán)接合的一個阻尼器塊體(16)；所述阻尼器塊體由金屬材料制成；和一個阻尼機構(gòu)(30)；它安裝在所述覆環(huán)體上，并與所述阻尼器塊體連接，以便將負荷加在所述阻尼器塊體和所述覆環(huán)上，以衰減所述覆環(huán)的振動運動；所述阻尼機構(gòu)包括一個將負載加在該阻尼器塊體上的彈簧(60)。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征為，包括一個所述彈簧的殼體(62)，與冷卻介質(zhì)連通，以冷卻該彈簧。
8.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征為，所述阻尼機構(gòu)包括一個活塞(32)，所述阻尼器塊體由一個球窩對(39)固定在所述活塞上，并且沿著所述活塞至少有一個冷卻通道(42)，用于將冷卻介質(zhì)輸入該球窩對中。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征為，所述活塞通過在所述覆環(huán)體中的一個孔(38)，并包括沿著通過該孔的活塞表面被此隔開的至少一對活塞環(huán)槽脊(48)，用于減小由于氧化和/或磨損造成的活塞和覆環(huán)塊體的粘接。
10.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征為，它包括該彈簧的一個杯形殼體(62)；一個蓋(64)，在該彈簧的相反一端和所述活塞之間的一個環(huán)形隔熱墊圈(52)，和一個通入所述殼體中用于冷卻該彈簧的冷卻通道(67)；該蓋(64)處在所述殼體的一端，所述彈簧的一端支靠在所述蓋上。
全文摘要
該阻尼器系統(tǒng)包括一個部分地形成渦輪的熱氣體通道的一個陶瓷復(fù)合材料的覆環(huán)(12)，一個由彈簧偏移的活塞(32)和一個阻尼器塊體(16)。該阻尼器塊件支承在該覆環(huán)的背部表面(22)上，以衰減相對于熱氣體通道的壓力脈沖的該覆環(huán)的振動響應(yīng)，從而可避免在共振頻率附近或在其上的響應(yīng)。該阻尼器塊體具有突起部分(20)，它支承在該覆環(huán)上，用于衰減該覆環(huán)的頻率響應(yīng)和在該覆環(huán)與該阻尼器塊體之間形成一個隔熱層。
文檔編號F01D25/24GK1614199SQ20041009037
公開日2005年5月11日 申請日期2004年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月4日
發(fā)明者M·S·施羅德爾, R·R·凱羅, C·格雷西, T·G·維策爾, K·L·布魯斯, A·W·米勒, R·P·尼默 申請人:通用電氣公司