包括设置在系轴和转子之间的壳的燃气涡轮机系轴装置

摘要

公开了一种通常用于涡轮发动机10的转子组件和组装转子组件的方法。所述转子组件36具有旋转轴线26，至少一个转子30，具有轴向延伸孔44的轴24，轴向延伸通过所述转子30并进入所述孔44以用于跨所述转子30和/或所述轴24施加轴向负荷的张力螺栓38。所述转子组件36还具有套筒50，其至少部分位于所述孔44内，并通过第一附接件52连接到所述轴24，并且通过第二附接件54连接到所述张力螺栓38，所述第一附接件52位于所述转子30和所述第二附接件54之间。

说明书

发明领域

本发明涉及特别但不排他地用于涡轮发动机和涡轮机械的轴装置，所述涡轮发动机和涡轮机械具有压缩机、涡轮机或安装在轴向轴上的动力涡轮机。

发明背景

在涡轮发动机中，压缩机和涡轮机通常具有轴向设置的转子组，其每一组都包括安装到转子盘的叶片的阵列。各转子组由张力螺栓保持，所述张力螺栓延伸穿过所有或部分转子组，并且例如通过轴被保持在一端。螺母被用于将预加载施加到张力螺栓并进而施加到整个转子组上以确保压缩机或涡轮机的安全操作。张力螺栓的长度，以及因此其延伸对张力螺栓的寿命和固定螺纹是至关重要的，以及对正确预加载的应用是至关重要的。正确的拉伸负荷对实现转矩的最佳传输和涡轮发动机的期望性能也是必须的。如果不正确的拉伸负荷被施加，在操作期间，转子的平衡状态可能改变，引起不期望的振动。

螺纹的疲劳寿命对可施加到张力螺栓的负荷预加载是一个限制因素。为了克服这个问题，已知的是使用几个较小的螺栓代替一个中心螺栓；然而，这种结构需要显著的空间，复杂并引起高部件计数。另一个解决方法是使用延伸通过轴的螺栓，其然后经由螺母被螺栓固定在张力螺栓的两个轴向端部。虽然这种结构避免了对所述轴孔内部的螺纹的需求，但是它增加了结构的轴向长度并增加了设计的复杂性。

又一解决方案涉及到较短的张力螺栓长度，其通过埋于轴的轴向孔中的内螺纹接合轴。然而，这样的设计是有问题的，因为由于其在轴内的位置，在轴的孔中的内螺纹难以制造和检查。较短的孔然后将意味着该张力螺栓也较短并具有更小的拉伸延伸，随后的设计拉伸负荷难以应用，并且在发动机操作过程中，它的性能受到危害。另一个问题是，在实现必要的拉伸伸长的过程中，所施加负荷负载限制了部件，尤其是连接螺纹的寿命。

US5961247A公开了一种用于将装有叶片的叶轮可拆卸地附接到涡轮机的轴的转矩传递机构。装有叶片的叶轮具有面对轴的套筒状延伸。紧固单元被设置在套筒状延伸内，该后者被轴的圆筒形凹槽的较厚壁套管外切。锁定螺钉压靠在具有倾斜侧面的夹紧元件上并且其通过摩擦给予径向向外的力以将装有叶片的叶轮固定到轴，使得转矩可被传递。

发明内容

本发明的一个目的是消除对在轴的孔中深入的螺纹进行攻丝、检查和维护的需求。另一个目的是施加预定拉伸负荷。

本发明的一个优点是较短的张力螺栓(stud)装置。另一个优点是到轴的连接更容易形成、检查和维护。本发明的另一个优点是维持所期望的螺栓长度，以确保准确的拉伸负荷跨相关联的转子组件被施加和维持。另一个优点是防止转子组件和/或张力螺栓和轴的过应力。另一个优点是能够改善轴装置和转子组件的部件的低循环疲劳。

由于这些与其他目的和优点，提供了一种用于涡轮发动机的转子组件，该转子组件具有旋转轴线，至少一个转子，具有轴向延伸孔的轴，轴向延伸通过转子并进入孔内以跨转子和/或轴施加压缩轴向负荷的张力螺栓，转子组件还具有套筒，其至少部分位于孔内，并且通过第一附接件连接到轴并通过第二附接件连接到张力螺栓，使得套筒承受压缩轴向负荷，第一附接件位于转子和第二附接件之间。

孔可以具有孔径和入口平面，并且第一附接件的至少一部分位于距入口平面两倍孔径的距离内。

第一附接件的至少一部分可位于入口平面处。

套筒可具有端部，并且第二附接件的至少一部分可以位于距所述端部三倍套筒直径的距离内。

套筒可具有端部，并且第二附接件的至少一部分可以位于距所述端部等于套筒直径的距离内。

第一附接件可以被设置成防止套筒和轴之间的相对轴向运动，并且第二附接件可以被设置成防止套筒和张力螺栓之间的相对轴向运动。第一和第二附接件的任一个或两个可以是螺纹。可替代地，第一和第二附接件可以是卡扣式接合。一个重要的方面是，套筒被牢固地附接到轴以防止套筒被迫离开轴的孔。一个重要的方面是，套筒被牢固地附接到张力螺栓。以这种方式，压缩力可以通过张力螺栓被施加在第一和第二附接件之间的套筒上。因此，第一和第二附接件必须能够在其间施加压缩负荷。继而，张力螺栓承受拉伸负荷，并且从而压缩力可以被跨转子组件施加。

套筒具有横截面面积，并且张力螺栓具有横截面面积，套筒和张力螺栓由具有相同弹性模量的材料制成，并且它们的横截面面积可以大致相同。

套筒具有横截面面积，并且张力螺栓具有横截面面积，套筒和张力螺栓可以由具有彼此不同的弹性模量的材料制成，并且它们的横截面面积不同。

转子可以包括至少一个转子盘并且可以包括多个轴向堆叠的转子。每个转子盘均可以具有安装在其上的径向延伸叶片的环形阵列。可替代地，轴向相邻的转子盘可以在其间捕获径向延伸叶片的环形阵列。

转子可抵接轴。

在本发明的另一个方面，提供了一种组装上述转子组件的方法。该方法包括将套筒插入和连接到轴的孔并且将张力螺栓插入和连接到套筒的步骤。

将套筒插入和连接到轴的孔的步骤，可以在将张力螺栓插入和连接到套筒的步骤之前完成。

可替代地，将张力螺栓插入和连接到套筒的步骤，可以在将套筒插入和连接到轴的孔的步骤之前完成。

转子组件可以包括螺母，其被应用到张力螺栓的自由端并在第一端部接合转子；该方法包括在张力螺栓上并且抵靠第一端部拧紧螺母以跨转子和轴施加拉伸负荷。

张力螺栓可具有一体的或以其他方式固定的并且在第一端部接合涡轮机的头部，该方法包括旋转头部并由此相对于套筒旋转张力螺栓以跨转子和轴施加拉伸负荷的步骤。

附图说明

通过参照本发明的实施例的以下描述，并结合附图，本发明的上述属性和其它特征和优点以及实现它们的方式将变得更加显而易见，并且本发明本身将可以被更好地理解，其中

图1以剖视图示出了涡轮发动机的一部分，并且其中结合有本发明，

图2示出了涡轮发动机的低压涡轮的部分剖面的放大视图，并且其更详细地示出了本发明，

图3是图2所示的剖面A-A，以及

图4示出了涡轮发动机的低压涡轮的部分剖面的放大视图，并且其进一步详细地示出了本发明。

具体实施方式

图1是涡轮发动机10的总体布置的示意图，其具有入口12，压缩机14，燃烧器系统16，涡轮机系统18，排气管20和双轴装置22、24。涡轮发动机10通常围绕轴线26布置，用于旋转部件的轴线26是它们的旋转轴线。装置22、24可以具有相同或相反的旋转方向。燃烧系统16包括燃烧器单元24的环形阵列，其中只有一个被示出。涡轮机系统18包括高压涡轮机28，其由双轴装置的第一轴22驱动地连接到压缩机14。涡轮机系统18还包括低压涡轮机30，其通过双轴装置的第二轴24驱动地连接到负载(如图2中29所示)。

术语径向、周向和轴向是相对于轴线26。术语上游和下游是相对于流过发动机的气流的大致方向并且如在图1中看到的，通常是从左到右。

压缩机14包括以传统方式安装的定子导叶和转子叶片的轴向系列。定子或压缩机导叶可以是固定的或具有可变几何形状以改善到下游转子或压缩机叶片的气流。每个涡轮机28、30均包括通过以常规方式布置和操作的盘30a-c安装的定子导叶和转子叶片的轴向系列。

在运行中，空气32通过入口12被吸入发动机10并进入压缩机14，其中在将压缩空气输送进入燃烧系统16之前，连续级的导叶和叶片压缩空气。在燃烧系统16的燃烧器内，压缩空气和燃料的混合物被点燃。所得到的热工作气体流被引导到并驱动高压涡轮机28，该高压涡轮机继而通过第一轴22驱动压缩机14。在通过高压涡轮机28之后，热工作气体流被引导到低压涡轮机30内，该低压涡轮机经由第二轴24驱动负载29。

低压涡轮机30也可以被称为动力涡轮机，并且第二轴24也可以被称为动力轴。负载29典型地是用于发电的电机或机械机器，诸如泵或过程压缩机。其他已知负载可以经由低压涡轮机被驱动。燃料可以是气态或液体形式。

参照图1示出和描述的涡轮发动机10只是本发明可以被结合其中的多个涡轮发动机的一个例子。这样的发动机包括海运、工业和航空航天部门应用的单、双和三轴发动机。本发明也可应用于蒸汽涡轮机。事实上，目前的轴装置的配置可以具有在其他情况，诸如船舶螺旋桨轴、陆运轴中发现的轴的效用。

图2示出了涡轮发动机10的转子组件36的部分的放大图，并且根据本发明示例性实施例。在本实例中，转子组件36包括如参照图1介绍的低压涡轮机30和第二轴24。转子组件36包括张力螺栓38，其被设置成跨涡轮机30和第二轴24施加轴向负荷以将转子组件36的部件固定在一起。

低压涡轮机30在此被显示，其具有三个转子盘30a，30b，30c；然而，涡轮机可以具有一个、两个或多个转子盘或级。转子盘30a，30b，30c在轴向系列中彼此抵接或经由从它们的轮毂区域40轴向延伸的凸缘42抵接转子组。

轴24具有圆锥部46，其在涡轮机30的下游或第二端48抵接或接合盘凸缘42。轴24具有轴向延伸孔44。张力螺栓38轴向延伸通过涡轮转子组(30a-c)并进入孔44。在本实例中，孔44在轴24内延伸最小距离并终止于端部56处；然而，孔44可以在轴24内延伸到任何长度，并且可以通过轴24，如由虚线所示完全延伸到端部56'。

转子组件36还包括套筒50，它至少部分地位于轴向孔44内并且在径向意义上位于张力螺栓38和轴的孔44之间。因此，张力螺栓38部分地被套筒50的至少一部分包围，并且其本身径向向外被轴24包围。

套筒50通过第一附接件52被连接到轴24，并且通过第二附接件54被连接到张力螺栓38。在这个实施例中，第一附接件52位于转子30a-b的至少一个与第二附接件54之间。附接件的相对位置可以被限定为第一附接件52位于转子30的下游或第二端部48和孔44的端部56之间。

螺母60被应用到张力螺栓38的自由端37或前端部，并在上游或第一端部47处接合涡轮机30。螺母60和张力螺栓38具有协作的螺纹，并且当螺母60被拧紧抵靠涡轮机30的第一端部47时，在张力螺栓38内产生拉伸负荷。以这种方式，轴24和涡轮机30被牢固地紧固在一起，用于发动机的安全运行。

如图2所示，对于螺母60可替代地，张力螺栓38可以设置有一体头部60，其例如可被浇铸或焊接到张力螺栓。一体头部60的旋转或拧紧使张力螺栓38旋转，其在第二附接件54处相对于套筒旋转，从而施加所需的拉伸负荷。

抗磨损或抗摩擦涂层、垫圈或套管可以被设置在头部60和涡轮机之间，以防止组装、拆卸和发动机运行过程中损坏。

孔44具有入口平面58，并且第一附接件52靠近入口平面58定位，而第二附接件54靠近孔44的端部56定位。在该示例性实施例中，第一附接件52紧邻或者在入口平面58处，尽管在其它实施例中，第一附接件52可凹入到孔44内一定距离。在某些情况下，该距离可高达距入口平面58的孔的直径44D的两倍。类似地，在此示例性实施例中，第二附接件54靠近套筒50的端部57定位，并且附接件54的至少一部分距端部57，在套筒50的一个直径50D的距离内，但可以高达套筒50的三个直径50D。可能的是，第二附接件54靠近孔44的端部56定位，并且优选地附接件54的至少一部分距端部56，在高达孔44的三个直径的距离内。第一附接件52和第二附接件54的相对位置可以被限定为第一附接件52位于入口平面58和第二附接件54之间。

在本实施例中，第一附接件52和第二附接件54在轴/套筒及套筒/张力螺栓上分别是互补螺纹形式。螺纹的方向与正常的发动机运行期间当驱动负载时，涡轮机30和轴24之间的扭矩传递方向相反。这是优选的，因为在本实施例中，螺纹传递转矩，并且因此组件不会试图拧松螺纹。然而，对于其中扭矩传递是经由例如本领域已知的锁定销、弯曲联接器或希尔德联轴器的情况，螺纹与涡轮机30和轴24之间的扭矩传递方向相反是没有必要的。

在本实例中，第一和第二附接件52，54具有用于其相应螺纹的螺旋角的不同螺距。因此，如果螺纹试图在一个方向上松开，张力增加以防止轴24、张力螺栓38和套筒50脱开。在这种情况下，端部止动件可被安装，以防止该组件的松弛。

参考图4，套筒50包括止动件62，在本实例中其是包围或部分包围套筒的圆周的凸缘，并且位于套筒50的轴向前端部72。止动件62抵接轴24的表面64，其通常与平面58对齐或在所述平面58内。张力螺栓38可以具有沿其长度定位于任何地方的止动特征，并且其接合套筒或盘或者甚至抵接孔44的端部。

止动件62和表面64准确地定位套筒50和轴24的相对轴向位置。这对于确保协作的螺纹完全彼此接合以最大化螺纹长度的重叠和在螺纹部件之间传递扭矩和拉伸负荷是有利的。此外，防旋转特征，例如锁片垫圈、桩或销，可被用于将套筒50和轴24锁定在一起，并防止移除张力螺栓38时松开。

图4进一步示出了张力螺栓38，其具有止动件66以在两个部件组装期间，在期望位置将张力螺栓38轴向定位在套筒50内。止动件66是周向延伸的凸缘，并且其接合或抵接套筒50的前表面68。在张力螺栓和套筒组件被插入并组装到轴24之后，轴向负荷被施加到张力螺栓38，因此，间隙70，如所示，通常出现在止动件66和前表面68之间。应该理解的是，止动特征可相对于所述组件的任何适当特征定位在例如孔的端部或盘面中并给予相同的功能。

代替协作的螺纹连接，第一和第二附接件的一个或两个被焊接、铜焊或以其它方式接合是可能的。具体地，螺纹连接54不是先决条件，并且其可以通过铜焊或焊接连接来代替。在空间允许的地方，螺纹连接52可以通过螺栓法兰代替。更进一步地，张力螺栓在其后端或下游端可具有头部或凸缘，并且抵靠套筒50的下游端或后端或表面57定位。

转子组件36的一个优点在于，借助于套筒50的轴向长度以及第一和第二附接件52，54的位置的轴向分离增加了张力螺栓38的有效轴向长度。因此这种构造是有利的，因为张力螺栓可以轴向比以前的设计更短。具有本轴向较短张力螺栓38允许孔44轴向更短大约为第一和第二附接件52，54之间的距离。张力螺栓和套筒组合在跨涡轮机和/或跨涡轮机和轴接口施加期望的轴向负荷方面，实现改进的性能。因此，转子组件或轴装置在轴向长度上比以前的设计更紧凑。此外，因为实现了部件的正确负荷和转矩响应，部件的疲劳寿命被提高。

本文所描述的转子组件的另一个优点是，连接轴24和套筒50的第一附接件52处于或接近孔44的入口平面58。第一附接件52的这种位置允许更容易地访问以制造第一附接件，尤其是当在孔中形成螺纹时。

对螺纹的组装、检查和修改相应地是相对容易的。在以前的设计中，附接螺纹已被定位在张力螺栓38接合轴24的孔44的端部56处。因此对于以前的设计，用于制造的通路以及用于磨损和疲劳的检查受到损害。

图3是图2所示的截面A-A，并且是通过轴24、套筒50和张力螺栓38的轴向横截面。轴24、套筒50和张力螺栓38分别具有横截面面积24A，50A和38A。在跨涡轮机和/或跨涡轮机和轴接口施加所期望的轴向负荷方面，改进性能的优点通过张力螺栓38和跨运行条件范围具有相似的弹性性能的套筒50来实现。这是由具有互补的横截面面积的张力螺栓38和套筒50实现的。具有互补横截面面积26A和50A允许当负载被施加到张力螺栓时，张力螺栓38延长或拉伸并且套筒50压缩或缩短相对相等。在本实例中，张力螺栓38和套筒50由相同的材料制成并且它们的横截面面积近似相等并且优选相等。因此，张力螺栓延伸和套筒压缩相对相等，并且取决于它们相应的有效长度。张力螺栓的有效长度是螺母或头部60和第一附接件52之间，并且套筒的有效长度是第一附接件52和第二附接件54之间。

术语“互补的”已被用于描述张力螺栓38和套筒50的相对横截面面积。理想的是两种部件的弹性变形相对相等地发生，使得张力螺栓38和套筒组件的全部潜在“有效延伸”被实现。在张力螺栓38和套筒50由具有不同的弹性模量的不同的材料制成的情况下，张力螺栓和套筒的横截面面积将需要是不同的，以适应弹性模量的差异。一般地，在张力螺栓或套筒中的一个具有较低的弹性模量的情况下，则它的横截面面积相应更大，反之亦然。

附接点52，54的布置和互补的横截面面积具有有效地加长张力螺栓的整体效果。从而与不具有套筒的先前设计相比，较浅的孔是可能的，并且本轴装置36消除了在相对较深的孔的底部攻制螺纹的需求。

尽管本发明的各应用将具有变化的尺寸，在一个实例中，套筒50具有约为张力螺栓38的外径50D的4.5倍的长度。通常，在较低并实用的长度上，套筒50具有比张力螺栓直径50D大三倍的长度，以获得至少一些本文提及的优点。典型地，套筒50将在张力螺栓直径50D的4至5倍的范围内。

应当理解的是，转子组件36可应用于涡轮发动机或轴装置的许多配置，而不脱离本发明的精神。例如，负载29可定位在涡轮机30的轴向前方，而不是如图2所示的轴向后方。在另一实例中，转子组件可以包括高压涡轮机28。在这个例子中，轴22可构成两个部件或张力螺栓，(在图1中示出的)轴承27的任一侧。

组装上述转子组件36的方法包括将套筒50插入和连接到轴的孔内，和将张力螺栓38插入和连接到套筒50。在使用螺纹将套筒50连接到轴的情况下，套筒50在孔的入口沿着螺纹旋转，直到套筒50处于其期望的轴向位置。张力螺栓38也被旋转或拧紧以形成张力螺栓和套筒50之间的第二连接54。转子30然后被组装并带到与张力螺栓和轴24的同轴位置。转子30被轴向地移动，直到转子30的第二端部48和轴24的圆锥体46彼此抵接。螺母60被应用到张力螺栓38的自由端37，并被拧紧或旋转以在其第一端部47接合转子30。螺母60被进一步旋转或拧紧在张紧螺栓36上并抵靠第一端部47以跨转子30和轴24施加拉伸负荷。拉伸负荷确保转子级或盘30a-c被正确定位并绕轴线26一起旋转。拉伸负荷也确保转子和轴的适当接合，用于到负载29的驱动转矩的传递。

代替螺母60，张力螺栓38可具有一体头部60，并且其在第一端部47接合涡轮机30。头部60可以一体或通过其他方式固定到张力螺栓。在该替代布置中，组件包括旋转头部60并从而旋转张力螺栓36的步骤。张力螺栓36相对于套筒50旋转并朝向彼此拉动套筒和张力螺栓，从而如以上所讨论跨转子和轴24施加拉伸负荷。

组装转子组件的方法，可以通过在将套筒插入和连接到轴的孔的步骤之前，将张力螺栓插入和连接到套筒来实现。在张力螺栓具有一体头部60或在其后端或下游端具有凸缘，并且在被组装时，抵靠套筒50的下游或后端或表面57定位的情况下，这种组装方法是可能的。

虽然本发明已经被示出并详细描述了优选的实施方案，本发明并不限于这些公开的实施例，本领域技术人员在实践所要求保护的发明中，可以演绎出其它变型。