高温凸缘接头、排气扩散器和联接燃气涡轮发动机的两个部件的方法与流程

本公开大体上涉及燃气涡轮发动机的领域，并且具体地涉及燃气涡轮发动机壳体的邻接部分之间的高温凸缘接头连接。

背景技术

燃气涡轮发动机中的螺栓凸缘接头通常经受非常高的稳态温度以及高的热梯度。为了保持接头完整性，可能需要在整个瞬态和稳态操作期间保持螺栓夹紧载荷。在瞬态操作期间，凸缘倾向于比螺栓更快地加热和冷却，这分别导致螺栓预加载的增加或减小。当螺栓预加载增加时，例如在发动机起动期间，凸缘可能塑性变形。而且，由于高稳态温度，在凸缘处可能发生蠕变。发动机起动和稳态的塑性变形可以将螺栓的总预加载减小到在发动机关闭之后没有剩余螺栓预加载的程度。

技术实现要素：

简言之，本公开的各方面涉及燃气涡轮发动机中的高温凸缘接头，其能够在高稳态温度和瞬态发动机操作下维持螺栓预加载，同时使凸缘的变形最小化。

根据第一方面，提供了一种高温凸缘接头，用于将燃气涡轮发动机中的第一部件联接到第二部件。凸缘接头包括形成在第一部件上的第一凸缘，该第一凸缘邻接形成在第二部件上的第二凸缘。凸缘接头还包括多个相邻布置的螺栓连接件。每个螺栓连接件被形成为通过一对在第一和第二凸缘中的相互对准的螺栓孔。每个螺栓连接件包括支承抵靠第一凸缘的第一隔板和支承抵靠第二凸缘的第二隔板。每个螺栓连接件还包括分别支承抵靠第一隔板和第二隔板的第一锁紧垫圈和第二锁紧垫圈。每个螺栓连接件还包括插入穿过第一和第二凸缘、第一和第二隔板以及第一和第二锁紧垫圈的螺栓，该螺栓被预加载以将第一凸缘夹紧到第二凸缘。每个隔板具有相应的厚度，并且被定尺寸成增强与相应的凸缘接触的支承表面，由此在燃气涡轮发动机的操作期间保持螺栓预加载。

根据第二方面，提供了一种用于将燃气涡轮发动机中的第一部件联接到第二部件的方法。该方法包括形成多个相邻布置的螺栓连接件。每个螺栓连接件形成为分别通过在第一部件的第一凸缘和第二部件的第二凸缘中的一对相互对准的螺栓孔。形成每个螺栓连接件包括设置支承抵靠第一凸缘的第一隔板和支承抵靠第二凸缘的第二隔板。形成每个螺栓连接件还包括设置分别支承抵靠第一隔板和第二隔板的第一锁紧垫圈和第二锁紧垫圈。形成每个螺栓连接件还包括将螺栓插入穿过第一和第二凸缘、第一和第二隔板以及第一和第二锁紧垫圈。形成每个螺栓连接件还包括预加载螺栓以将第一凸缘夹紧到第二凸缘。每个隔板具有相应的厚度，并且被定尺寸成增强与相应的凸缘接触的支承表面，由此在燃气涡轮发动机的操作期间保持螺栓预加载。

附图说明

借助于附图更详细地示出了本发明。附图示出了优选的构造，并且不限制本发明的范围。

图l是燃气涡轮发动机的示意图；

图2是涡轮排气扩散器的一部分的透视截面图，其中可包含本公开的各方面；

图3是高温凸缘接头的截面图；

图4是根据一个实施例的具有带防旋转特征的隔板的高温凸缘接头的透视图；

图5示出了根据另一实施例的具有隔板的高温凸缘接头的端视图，该隔板具有包含倾斜界面的防旋转特征；

图6示出了根据又一实施例的具有隔板的高温凸缘接头的端视图，该隔板具有包含互锁界面的防旋转特征；以及

图7是根据另一实施例的具有包含抗旋转突块的隔板的高温凸缘接头的透视图。

具体实施方式

在以下对各种实施例的详细描述中，参考了形成本发明一部分的附图，并且在附图中，通过说明而非限制的方式示出了可以实践本发明的特定实施例。应该理解，可以使用其他实施例，并且可以在不背离本发明的精神和范围的情况下进行改变。

参考图1，燃气涡轮发动机1大体包括压缩机区段2、燃烧室区段4和涡轮区段8。在操作中，压缩机区段2吸入环境空气3并将其压缩。来自压缩机区段2的压缩空气进入燃烧室区段4中的一个或多个燃烧室。压缩空气与燃料5混合，并且空气-燃料混合物在燃烧室中燃烧，以形成热工作介质流体6。热工作介质流体6被引导至涡轮区段8，在此，热工作介质流体通过交替的静止涡轮导叶排和旋转涡轮叶片排而膨胀，并用来产生可驱动转子7的动力。膨胀的工作介质流体9经由涡轮区段8的排气扩散器10从发动机1排出，排气扩散器位于最后一排涡轮叶片的下游。

本公开的各方面可用于在燃气涡轮发动机1中的各种位置处形成高温凸缘接头。所公开的实施例的特别合适的实施方式是在排气扩散器10中。示例排气扩散器10的一部分在图2中示出，在所示实施例中，排气扩散器10具有轴线11，并包括位于最后一级涡轮叶片(未示出)下游的排气气缸12和轴向地联接到排气气缸12并在排气气缸下游的排气歧管14。排气气缸12和排气歧管14中的每一者包括相应的环形内径壁（ID壁，ID wall）12a、14a和相应的环形外径壁（OD壁，OD wall）12b、14b。ID壁12a、14a和OD壁12b、14b分别形成环形涡轮排气流动路径的ID边界和OD边界。多个载荷承载支柱16周向地布置在排气气缸12的排气流动路径中，延伸穿过ID壁12a和OD壁12b。多个载荷承载支柱18也可以周向地布置在排气歧管14的排气流动路径中，延伸穿过ID壁14a和OD壁14b。

排气气缸12和排气歧管14可以通过一个或多个环形凸缘接头联接。例如，第一环形凸缘接头30a可以形成在排气气缸12的ID壁12a和排气歧管14的ID壁14a之间。第二凸缘接头30b可形成在排气气缸12的OD壁12b和排气歧管14的OD壁14b之间。本公开的各方面可应用于环形凸缘接头30a和30b中的任一者或两者。本公开的各方面还可应用于线性凸缘接头，例如用于切向地联接轴承轴线面板22的相邻部段22a、22b的接头30c。不作为限制，排气扩散器中的接头可暴露于大约700-800摄氏度的局部温度。

凸缘接头包括多个螺栓连接件，所述螺栓连接件穿过形成在待联接的部件上的邻接凸缘。在环形凸缘接头的情况下，诸如本文的接头30a、30b，螺栓连接件沿着周向方向相邻布置。在线性凸缘接头的情况下，诸如本文的接头30c，凸缘在发动机1的轴向方向上纵向地延伸，其中螺栓连接件沿着轴向方向相邻地布置在直线中。

考虑到与燃气涡轮发动机中的高温凸缘接头相关联的挑战，如在本说明书的“背景技术”部分中指出的，用于减小垫圈面下方的接触压力的方法可以是使用具有较大外径的过大垫圈。然而，在这种应用中，过大的垫圈通常需要增大螺栓的节圆直径以相应地封装过大的垫圈。这将需要增加凸缘高度，这可能对凸缘疲劳寿命具有负面影响，因为较高的凸缘导致高温环境中的较大的热梯度，例如排气扩散器中的较大的热梯度。解决所述问题的另一种方法可包括在组装时使用低的螺栓预加载值。然而，这可能潜在地导致螺栓松动的现场问题，特别是在发动机关闭期间。该问题在具有较高斜升率（ramp rate）和排气温度的先进发动机中更加显著。

图3描绘了根据本公开的实施例的用于将燃气涡轮发动机中的第一部件32a联接到第二部件32b上的高温凸缘接头30。凸缘接头30可以例如并且但不限于实施为图2中所示的凸缘接头30a、30b、30c中的任何一个。第一部件32a可以例如表示部件12a、14a、22a中的任何一个，而部件32b可以相应地表示部件12b、14b、22b中的任何一个。在本说明书中，X、Y和Z轴分别表示凸缘接头的长度方向、厚度方向和高度方向。长度方向是指螺栓连接件布置所沿的方向。对于凸缘接头30a、30b，长度方向对应于燃气涡轮发动机的周向方向，而对于凸缘接头30c，长度方向对应于燃气涡轮发动机的轴向方向。厚度方向是指螺栓的延伸方向。高度方向垂直于长度方向和厚度方向。在凸缘接头30a、30b、30c的情况下，高度方向对应于燃气涡轮发动机的径向方向。

如图3中所示，第一部件32a具有形成在其上的相应凸缘34a，而第二部件32b具有形成在其上的相应凸缘34b。凸缘34a、34b每个都具有穿过其形成的螺栓孔阵列，所述螺栓孔分别表示为38a和38b。螺栓孔38a、38b的阵列沿着凸缘接头30的长度方向延伸，该长度方向垂直于图3的平面。在组装部件32a、32b时，凸缘34a、34b邻接，使得相应凸缘34a、34b上的螺栓孔38a、38b相互对准。凸缘接头30包括沿长度方向相邻布置的多个螺栓连接件40，每个螺栓连接件40形成为穿过第一凸缘34a和第二凸缘34b中的一对相互对准的螺栓孔38a、38b。每个螺栓连接件40包括支承抵靠第一凸缘34a的第一隔板42a和支承抵靠第二凸缘34b的第二隔板42b。每个螺栓连接件还包括分别支承抵靠第一隔板42a和第二隔板42b的第一锁紧垫圈44a和第二锁紧垫圈44b。螺栓46插入穿过第一和第二凸缘34a、34b、第一和第二隔板42a、42b以及第一和第二锁紧垫圈44a、44b。在本文，通过施加适当的扭矩拧紧相应的螺母48，对螺栓46进行预加载，以将第一凸缘34a夹紧到第二凸缘34b。每个隔板42a、42b具有相应的厚度ta、tb。每个隔板42a、42b的尺寸进一步被设计成增强与相应的凸缘34a、34b接触的支承表面。在一个实施例中，隔板42a、42b中的每一个的尺寸可以被设计成使得隔板42a、42b的支承表面56a、56b沿着隔板42a、42b的长度L基本上覆盖相应凸缘34a、34b的支承面58a、58b。

根据所描述的实施例，与凸缘34a、34b接触的支承面积比通过过大垫圈所能实现的支承面积显著增加，而不增加凸缘34a、34b的高度。这减小了凸缘热梯度并提高了部件疲劳寿命。增加的支承面积导致接触压力减小，这又减小了凸缘34a、34b的蠕变变形和螺栓预加载的损失。这避免了对诸如镍合金的高等级凸缘材料的需要，并且允许在凸缘中使用诸如奥氏体不锈钢的低强度材料。在一个实施例中，凸缘34a、34b由此可以由具有比隔板42a、42b的材料低的屈服强度的材料形成。通过隔板42a、42b的厚度获得了额外的益处。由于螺栓预加载在垫圈44a、44b下方以锥形分布延伸穿过隔板42a、42b，隔板42a、42b越厚，凸缘34a、34b上的压力分布越大。此外，由于隔板42a、42b的厚度，螺栓头46a位于更远离凸缘34a、34b的位置，由此螺栓温度降低。降低的螺栓温度允许使用较低等级的螺栓材料。所示的构造在燃气涡轮发动机的操作期间在更长的持续时间内保持螺栓预加载，这延长了螺栓必须被重新紧固的维修间隔。所示的结构需要增加螺栓长度，这增加了螺栓长度与直径的比率而不增加凸缘厚度。这允许额外的螺栓拉伸，这减少了由于沉降而引起的预加载损失，而不影响凸缘疲劳寿命。

在一些实施例中，为了减小热负荷，凸缘34a、34b可具有沿长度方向的扇形轮廓(见图4-图7)。扇形轮廓可以包括具有第一高度h1的第一部分52，其由具有第二高度h2的第二部分54隔开，第一高度h1大于第二高度h2。在本文，螺栓46位于扇形轮廓的具有增加的高度的第一部分52处。在其他实施例中，凸缘34a、34b可设置有平坦轮廓，其沿长度方向具有基本恒定的高度。

在一个实施例中，锁紧垫圈44a、44b构造成通过利用螺栓预加载将螺栓46固定就位。这种锁紧垫圈的一个示例是双向楔形锁紧垫圈。双向楔形锁紧垫圈的结构对于本领域技术人员来说是公知的，例如在专利文献EP0131556B1中所公开的。上述类型的锁紧垫圈的使用特别能够通过本文描述的实施例来实现，该实施例构造成在发动机操作期间基本上保持螺栓预加载。在高温凸缘接头中使用这种锁紧垫圈将提供相对于在这种应用中常规使用的锁紧垫圈，例如突块或裤腿锁紧垫圈（pant-leg lock washer），显著降低的组装复杂性和组装时间，所述常规使用的锁紧垫圈被强制地锁定（形状锁定，positively locked）到表面并且在组装期间难以弯曲且弯曲耗时。

为了防止螺栓预加载的损失并保持锁紧垫圈44a、44b在发动机操作期间的功能，进一步的改进在于为隔板42a、42b提供防旋转特征，使得它们例如在螺栓46松动的情况下不相对于相应的凸缘34a、34b旋转。

如图4中所示，实现防旋转特征的一种方式是通过在长度方向上设定隔板42a、42b的尺寸，以容纳从其穿过的多个相邻的螺栓46。在所示的示例中，每个隔板42a、42b被定尺寸成延伸到两个相邻的螺栓孔。通过使每个隔板42a、42b延伸跨过相邻的螺栓46，可以确保如果螺栓46中的一者逆时针旋转以松开，则同一隔板上的相邻螺栓46顺时针旋转以拧紧，从而防止隔板旋转。隔板42a、42b的纵向尺寸可基于以下考虑而受到约束，即随着长度的增加，隔板42a、42b与相应的凸缘34a、34b之间可产生热滞后，这可导致螺栓46上沿长度方向的额外载荷。

图5和图6示出了提供防旋转特征同时使隔板42a、42b与相应的凸缘34a、34b之间的热滞后最小化的示例性实施例。在这些示例实施例中，每个隔板42(一般地指隔板42a、42b中的任一个)可纵向地定尺寸以容纳单个螺栓46。如图5和图6中所示，每个隔板42沿相应的凸缘34(一般指凸缘34a、34b中的任一个)从第一边缘62纵向延伸到第二边缘64。相邻隔板的交界边缘62和64可被构造成防止隔板42相对于凸缘34旋转。

在图5的实施例中，每个隔板42的第一边缘62和第二边缘64是倾斜的，即，以不平行于且不垂直于长度方向的角度倾斜。一个隔板42的倾斜边缘62、64构造成与相对侧上的相邻隔板42的倾斜边缘64、62接口连接。该斜面成角度，使得如果隔板42中的一者如箭头82所示逆时针旋转(例如，由于螺栓松动)，则其将在任一侧上的相邻螺栓上产生顺时针旋转(螺栓拧紧)，如箭头84所示。这将防止松动的隔板42进一步旋转，从而实现防旋转特征。为此，在图5的所示构造中，每个隔板42的第一边缘62和第二边缘64可沿相反的方向倾斜。

在图6的实施例中，通过在相邻的隔板42之间提供齿轮齿或互锁界面来实现类似的效果。在本文，每个隔板42的第一边缘62限定了凹槽形状，而隔板42的第二边缘64限定了舌形形状。第一边缘62和第二边缘64被构造成与相对侧上的相邻隔板42的舌形和凹槽形边缘64、62形成相应的互锁界面。互锁界面确保如果隔板42中的一者如箭头82所示逆时针旋转(例如，由于螺栓松动)，则其将在任一侧上的相邻螺栓上产生顺时针旋转(螺栓拧紧)，如箭头84所示。

在另一实施例中，如图7中所示，可通过为每个隔板42(一般地指隔板42a、42b中的任一个)提供接触相应凸缘34(一般地指凸缘34a、34b中的任一个)的顶表面60的防旋转突块来实现额外的防旋转特征。在所示的凸缘接头30a、30b、30c的情况下，顶表面是相应凸缘34a、34b的径向外表面。在所示的构造中，每个隔板42设置有一对分别位于隔板42的第一纵向端76和第二纵向端78处的防旋转突块72、74。突块72、74重叠并支承在凸缘34的顶表面60上，以防止隔板42相对于凸缘34旋转。

本公开的另一方面可涉及一种根据本文所述的实施例的用于将燃气涡轮发动机中的第一部件联接到第二部件的方法。在一个实施例中，该方法可以是维修燃气涡轮发动机的一部分，包括例如更换或升级现有的凸缘接头。

尽管已经详细描述了特定实施例，但是本领域普通技术人员将理解，根据本公开的总体教导，可以开发对这些细节的各种修改和替换。因此，所公开的特定布置仅表示是说明性的，而不是限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求及其任何和所有等同物的全部范围给出。