РЕЗЬБОВОЙ ХВОСТОВИК, СОЕДИНИТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ, ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ И СПОСОБ СБОРКИ РОТОРА ТУРБОМАШИНЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
THREADED SHANK, CONNECTION JOINT, GAS TURBINE ENGINE AND METHOD FOR ASSEMBLING TURBOMASHINE ROTOR OF GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится в общем, но неисключительно, к газовым турбинам или турбомашинам с закрепленными с помощью центрального болта компрессором и дисками силовой турбины, в которых центральный болт или стяжная шпилька имеет резьбу на своих концах. Изобретение применимо также для машин различных типов, также для не турбомашин или турбомашин с лопатками, выполненными как одно целое с ротором.
В одной известной конфигурации газотурбинных двигателей (см., например, патент США №2660399 или 2555661) для образования ротора предусмотрено некоторое количество дисков, из которых некоторые содержат проходящие в радиальном направлении лопатки, которые вставлены в диски. Имеются комплекты дисков для лопаток компрессора и комплекты дисков для лопаток турбины. Соответствующие комплекты дисков удерживаются посредством гайки турбины и гайки компрессора, соответственно надетых на одну или две стяжные шпильки, при этом гайки и шпильки, как правило, также используются для создания предварительного натяга для обеспечения напряженного состояния конструкции для гарантирования того, что все вращающиеся компоненты будут зафиксированы во время работы турбины.
В современных турбинах ротор может удерживаться совместно двумя стяжными шпильками. В дальнейшем один возможный способ сборки компрессора и турбины разъяснен упрощенным образом. Первый резьбовой конец первой шпильки может быть ввинчен в резьбовое отверстие в элементе, представляющем собой вал ротора. После этого диск компрессора может подталкиваться в аксиальном направлении в заданное положение и зафиксирован относительно элемента, представляющего собой вал. Дополнительные диски компрессора могут дополнительно подталкиваться в заданное положение. В завершение резьбовая гайка компрессора может быть навинчена на второй резьбовой конец первой шпильки и затянута так, что все диски компрессора будут зафиксированы относительно друг друга и относительно элемента, представляющего собой вал. Для дисков турбины первый резьбовой конец второй шпильки может быть ввинчен в резьбовое отверстие другого конца элемента, представляющего собой вал. Затем диски турбины могут подталкиваться в аксиальном направлении в заданное положение с противоположной стороны, и резьбовая гайка турбины может быть навинчена на второй резьбовой конец второй шпильки и затянута так, что все диски турбины могут быть зафиксированы относительно элемента, представляющего собой вал.
Во время эксплуатации газотурбинного двигателя шпильки могут испытывать напряжение. Кроме того, напряжение может быть неравномерно распределено по всем виткам резьбы шпилек и гаек, следствием чего являются локальные пиковые нагрузки, которые могут привести к усталости резьб, на которые они действуют, и, следовательно, к потенциальным поломкам.
Как показано на фиг. 1А, резьбовую шпильку (CS) компрессора ввинчивают в резьбовое отверстие в промежуточном валу (INTS) с обеспечением резьбового соединения, и диски (CD) компрессора надвигают на шпильку (CS) компрессора слева направо во время сборки. После этого входной вал (IS) устанавливают на шпильке (CS) компрессора, и гайку (CN) компрессора, предназначенную для создания предварительного натяга, навинчивают на конец шпильки компрессора. Для сборки может быть использован гидравлический инструмент, предназначенный для натяжения шпильки (CS), и гайку (CN) компрессора затягивают для обеспечения взаимодействия с входным валом (IS) до того, как инструмент будет удален. Это обеспечивает сохранение предварительного нагружения - которое также может быть названо предварительным натягом - действующего на шпильку (CS) компрессора посредством гайки (CN). На требуемое натяжение может влиять относительное термическое и механическое расширение и сжатие при различных режимах работы шпильки (CS) и зажатых компонентов, например, дисков (CD) компрессора.
Фиг. 1В показывает шпильку (TS) турбины, ввинченную в другой определяемый в аксиальном направлении конец промежуточного вала (INTS). Затем - хотя это не показано на фиг. 1В - выполняют следующий этап, заключающийся в установке дисков (TD) турбины на шпильке (TS) турбины справа налево, при этом гайку (TN) турбины навинчивают на другой конец шпильки (TS) турбины, как показано на фиг. 1С. Гидравлический инструмент используют для натяжения шпильки (TS) турбины, и гайку (TN) затягивают для сохранения предварительного нагружения или предварительного натяга при удалении инструмента.
Следует понимать, что это представляет собой сложную конструкцию, которая требует тщательной механической обработки и сборки для обеспечения надлежащего функционирования и продолжительного срока службы. Материал шпильки, размеры шпильки, степень натяжения шпильки и т.д. должны быть учтены для гарантирования достаточной нагрузки при вращении при всех режимах работы газотурбинного двигателя. В частности, резьбовые соединения и шпильки могут испытывать напряжение.
Следует отметить, что под «нагрузкой» понимается усилие зажима, действующее в аксиальном направлении, - или, по меньшей мере, составляющая вектора, действующая в аксиальном направлении, - которое приложено к дискам посредством шпильки.
Посредством термина «нагрузка» также описано усилие, которое действует на концы шпильки вследствие предварительного натяга или за счет вращательного движения. «Нагрузка/нагружение» рассматривается как вектор, действующий в направлении, противоположном по отношению к аксиальной составляющей вектора усилия, которое действует на концы шпильки посредством гаек.
«Предварительное нагружение/предварительный натяг» рассматривается как усилие, которое существует в состоянии отсутствия вращения, когда все компоненты собраны. Усилие при предварительном натяге имеет место, когда несколько компонентов ротора соединены или зафиксированы, или зажаты вместе.
Задача изобретения состоит в уменьшении напряжения и усталости шпильки и резьб.
Задачей настоящего изобретения является уменьшение данных недостатков.
Данная задача решается посредством создания резьбового хвостовика ротора турбомашины, предназначенного для взаимодействия с резьбовым дополнительным компонентом ротора турбомашины,
при этом резьбовой хвостовик выполнен с возможностью взаимодействия с дополнительным компонентом, дополнительный компонент имеет цилиндрическую первую резьбу с постоянным шагом первой резьбы и постоянным углом профиля первой резьбы вдоль протяженности первой резьбы в аксиальном направлении, причем резьбовой хвостовик имеет вторую резьбу с постоянным шагом второй резьбы и постоянным углом профиля второй резьбы вдоль протяженности второй резьбы в аксиальном направлении и имеет третью резьбу с постоянным шагом третьей резьбы и постоянным углом профиля третьей резьбы вдоль протяженности третьей резьбы в аксиальном направлении,
при этом угол профиля первой резьбы и угол профиля второй резьбы, и угол профиля третьей резьбы, по существу, идентичны,
шаг первой резьбы и шаг второй резьбы, и шаг третьей резьбы, по существу, идентичны, и
вторая резьба и третья резьба выполнены с возможностью взаимодействия с первой резьбой,
вторая резьба и третья резьба разнесены в аксиальном направлении посредством зоны, свободной от резьбы, и
винтовая линия второй резьбы, которую имеет вторая резьба, и винтовая линия третьей резьбы, которую имеет третья резьба, имеют осевое смещение относительно друг друга, в частности, когда они введены во взаимодействие с резьбовым дополнительным компонентом в невращающемся состоянии с предварительным натягом.
Предпочтительно, вторая резьба и третья резьба обеспечивают образование осевого зазора относительно первой резьбы, когда резьбовой хвостовик и дополнительный компонент введены во взаимодействие друг с другом без внешнего осевого усилия, приложенного к резьбовому хвостовику и/или дополнительному компоненту, при этом внешнее осевое усилие, в частности, представляет собой усилие, обусловленное вращением ротора турбомашины.
Предпочтительно, в том случае, когда резьбовой хвостовик введен во взаимодействие с дополнительным компонентом, в результате действия первого усилия, в частности, усилия предварительного нагружения, действующего между множеством боковых поверхностей профиля первой резьбы, которые имеет первая резьба компонента, и множеством боковых поверхностей профиля второй резьбы, которые имеет вторая резьба, создаются воспринимающий нагрузку контакт боковых поверхностей профиля первой резьбы и боковых поверхностей профиля второй резьбы и свободное от восприятия нагрузки соединение боковых поверхностей профиля первой резьбы и множества боковых поверхностей профиля третьей резьбы, которые имеет третья резьба.
Предпочтительно, в том случае, когда резьбовой хвостовик введен во взаимодействие с дополнительным компонентом, в результате действия второго усилия, превышающего первое усилие, действующего, в частности вследствие вращения ротора турбомашины, между боковыми поверхностями профиля первой резьбы, которые имеет первая резьба дополнительного компонента, и боковыми поверхностями профиля второй резьбы, которые имеет вторая резьба, создаются воспринимающий нагрузку контакт боковых поверхностей профиля первой резьбы и боковых поверхностей профиля второй резьбы и воспринимающий нагрузку контакт боковых поверхностей профиля первой резьбы и боковых поверхностей профиля третьей резьбы.
Предпочтительно, свободная от резьбы зона имеет диаметр, который меньше внутреннего диаметра второй резьбы и внутреннего диаметра третьей резьбы резьбового хвостовика, так что ее осевая длина может быть увеличена, если осевое усилие будет приложено к резьбовому хвостовику и/или к дополнительному компоненту, в частности, в том случае, когда резьбовой хвостовик введен во взаимодействие с дополнительным компонентом.
Предпочтительно, свободная от резьбы зона является упругой, так что ее осевая длина может быть увеличена за счет осевого смешения, если второе усилие будет приложено к резьбовому хвостовику и/или к дополнительному компоненту, в частности, в том случае, когда резьбовой хвостовик введен во взаимодействие с дополнительным компонентом.
Предпочтительно, свободная от резьбы зона является удлиненной в аксиальном направлении.
Согласно второму объекту изобретения создан соединительный узел ротора турбомашины, предназначенный для обеспечения взаимодействия резьбового хвостовика, в частности, стяжной шпильки, содержащей резьбовой хвостовик, с резьбовым дополнительным компонентом, в частности, стопорной гайкой, отличающийся тем, что резьбовой хвостовик и дополнительный компонент выполнены с вышеописанной конфигурацией.
Предпочтительно, в том случае, когда резьбовой хвостовик и дополнительный компонент взаимно соединены без приложенной внешней нагрузки, первая резьба и вторая резьба имеют осевой зазор, и осевое смещение составляет, по существу, 1/2 или 1/3 от осевого зазора.
Согласно третьему объекту изобретения создан газотурбинный двигатель, содержащий ротор, установленный в корпусе с возможностью вращения вокруг оси ротора, при этом аксиальное направление определено вдоль оси ротора,
причем ротор содержит шпильку, первую гайку, предназначенную для создания предварительного натяга, или первый вал ротора и вторую гайку, предназначенную для создания предварительного натяга, или второй вал ротора,
при этом шпилька проходит вдоль оси ротора и шпилька дополнительно содержит
- первый наружный конец и второй наружный конец, при этом первый наружный конец выполнен с возможностью взаимодействия с первой гайкой, предназначенной для создания предварительного натяга, или с первым валом ротора, и второй наружный конец выполнен с возможностью взаимодействия со второй гайкой, предназначенной для создания предварительного натяга, или со вторым валом ротора,
- стержень, соединенный с первым наружным концом и со вторым наружным концом,
при этом шпилька выполнена в виде вышеописанного резьбового хвостовика,
причем, по меньшей мере, один из первого наружного конца и второго наружного конца имеет вторую резьбу и третью резьбу и свободную от резьбы зону,
при этом, по меньшей мере, одна/один из первой гайки, предназначенной для создания предварительного натяга, и второй гайки, предназначенной для создания предварительного натяга, и первого вала ротора и второго вала ротора выполнена/выполнен в виде дополнительного компонента.
Предпочтительно, по меньшей мере, одна/один из первой гайки, предназначенной для создания предварительного натяга, и второй гайки, предназначенной для создания предварительного натяга, и первого вала ротора и второго вала ротора вводится во взаимодействие со шпилькой таким образом, что усилие предварительного натяга будет приложено в первом аксиальном направлении от первой резьбы ко второй резьбе так, что боковые поверхности профиля первой резьбы и боковые поверхности профиля второй резьбы будут находиться в воспринимающем нагрузку контакте.
Предпочтительно, по меньшей мере, одна/один из первой гайки, предназначенной для создания предварительного натяга, и второй гайки, предназначенной для создания предварительного натяга, и первого вала ротора и второго вала ротора вводится во взаимодействие со шпилькой таким образом, что усилие предварительного натяга будет приложено в первом аксиальном направлении от первой резьбы к третьей резьбе так, что боковые поверхности профиля первой резьбы и боковые поверхности профиля третьей резьбы будут находиться в свободном от восприятия нагрузки соединении.
Предпочтительно, во время работы газотурбинного двигателя обеспечивается приложение эксплуатационной нагрузки со стороны стержня к первому наружному концу и/или второму наружному концу во втором аксиальном направлении, противоположном по отношению к первому аксиальному направлению, так, что свободная от резьбы зона расширяется в аксиальном направлении, так что боковые поверхности профиля первой резьбы и боковые поверхности профиля третьей резьбы будут находиться в воспринимающем нагрузку контакте.
Согласно четвертому объекту изобретения создан способ сборки ротора турбомашины газотурбинного двигателя, при этом ротор содержит первый компонент с резьбовым хвостовиком (1) и резьбовой дополнительный компонент, при этом дополнительный компонент имеет цилиндрическую первую резьбу, резьбовой хвостовик имеет вторую резьбу и третью резьбу, которые разнесены в аксиальном направлении посредством зоны, свободной от резьбы,
при этом способ включает этап ввода второй резьбы и третьей резьбы во взаимодействие с первой резьбой, при этом винтовая линия второй резьбы, которую имеет вторая резьба, и винтовая линия третьей резьбы, которую имеет третья резьба, имеют осевое смещение относительно друг друга, когда они введены во взаимодействие с резьбовым дополнительным компонентом, в частности, в невращающемся состоянии с предварительным натягом, так, что
(i) если ротор не вращается,
- боковые поверхности профиля первой резьбы, которые имеет первая резьба дополнительного компонента, находятся в воспринимающем нагрузку контакте с боковыми поверхностями профиля второй резьбы резьбового хвостовика, и
- боковые поверхности профиля первой резьбы, которые имеет первая резьба дополнительного компонента, находятся в свободном от восприятия нагрузки соединении с боковыми поверхностями профиля третьей резьбы, которые имеет третья резьба резьбового хвостовика, и
(ii) если ротор вращается,
- боковые поверхности профиля первой резьбы, которые имеет первая резьба дополнительного компонента, находятся в воспринимающем нагрузку контакте с боковыми поверхностями профиля второй резьбы резьбового хвостовика, и
- боковые поверхности профиля первой резьбы, которые имеет первая резьба дополнительного компонента, находятся в воспринимающем нагрузку контакте с боковыми поверхностями профиля третьей резьбы, которые имеет третья резьба резьбового хвостовика.
Как видно, в соответствии с изобретением разработан резьбовой хвостовик, предназначенный для взаимодействия с резьбовым дополнительным компонентом. Резьбовой хвостовик может быть, в частности, предусмотрен в турбомашине, еще более конкретно - в роторе турбомашины.
Дополнительный компонент имеет цилиндрическую первую резьбу с постоянным шагом первой резьбы и постоянным углом профиля первой резьбы вдоль протяженности первой резьбы в аксиальном направлении. Термин «цилиндрическая» означает, что периферия, определяемая наружным диаметром первой резьбы, может быть расположена на - фиктивном - цилиндре и/или что периферия, определяемая внутренним диаметром первой резьбы, может быть расположена на дополнительном - фиктивном - цилиндре.
Резьбовой хвостовик имеет вторую резьбу с постоянным шагом второй резьбы и постоянным углом профиля второй резьбы вдоль протяженности второй резьбы в аксиальном направлении и имеет третью резьбу с постоянным шагом третьей резьбы и постоянным углом профиля третьей резьбы вдоль протяженности третьей резьбы в аксиальном направлении, при этом угол профиля первой резьбы и угол профиля второй резьбы, и угол профиля третьей резьбы, по существу, идентичны, и шаг первой резьбы и шаг второй резьбы, и шаг третьей резьбы, по существу, идентичны.
Вторая резьба и третья резьба разнесены в аксиальном направлении посредством зоны, свободной от резьбы, то есть промежуточной зоны, не имеющей резьбы. Другими словами, данная свободная от резьбы зона может быть определена как суженная гладкая часть или утоненная часть.
В соответствии с изобретением шаг второй резьбы и шаг третьей резьбы имеют осевое смещение относительно друг друга. Другими словами, шаг второй резьбы имеет осевое смещение относительно шага третьей резьбы. «Осевое смещение» отражает незначительную дислокацию второй резьбы по сравнению с третьей резьбой. Вторая резьба и третья резьба не идентичны. Винтовая линия второй резьбы, которую имеет вторая резьба, и винтовая линия третьей резьбы, которую имеет третья резьба, имеют осевое смещение. Используя другую терминологию, можно указать, что это означает, что образующая среднего цилиндра второй резьбы смещена в аксиальном направлении от образующей среднего цилиндра третьей резьбы.
Резьбовой хвостовик может представлять собой часть стяжной шпильки или стяжного болта, например, газотурбинного двигателя. Подобная стяжная шпилька может иметь хвостовик на обоих концах стяжной шпильки в аксиальном направлении. В этом случае вторая и третья резьбы хвостовика рассматриваются как один конец резьбовой стяжной шпильки с резьбой на обоих концах. В данной конфигурации дополнительный компонент может представлять собой стопорную гайку, которая взаимодействует с хвостовиком стяжной шпильки.
Особым признаком изобретения является то, что резьба хвостовика имеет разрыв, так что свободная от резьбы зона находится между двумя частями с резьбой. Кроме того, две резьбовые части - то есть вторая резьба и третья резьба - имеют одинаковый шаг, но смещены относительно друг друга.
Следует понимать, что резьбовой хвостовик выполнен с конфигурацией, обеспечивающей возможность взаимного соединения с первой резьбой дополнительного компонента, если предположить, что первая резьба имеет постоянный шаг. Первая резьба представляет собой «стандартную» резьбу, которая соответствует - по всем специфическим параметрам резьбы - противолежащей второй резьбе. Она также соответствует противолежащей третьей резьбе. Первая резьба также имеет неизмененные специфические параметры резьбы на всей протяженности первой резьбы в аксиальном направлении.
Поскольку первая резьба имеет стандартную конфигурацию, заявлен только хвостовик, который может быть соединен с данной стандартной первой резьбой. Кроме того, также заявлен соединительный узел, который содержит как резьбовой хвостовик, так и данный компонент. Кроме того, изобретение также направлено на газотурбинный двигатель, включающий в себя стяжную шпильку, содержащую резьбовой хвостовик, и соответствующую стопорную гайку в качестве дополнительного компонента.
Для краткого формулирования сущности изобретения, которое направлено на резьбовой хвостовик, можно указать, что разработан резьбовой хвостовик ротора турбомашины, предназначенный для взаимодействия с резьбовым дополнительным компонентом ротора турбомашины. Резьбовой хвостовик выполнен с возможностью взаимодействия с дополнительным компонентом, при этом дополнительный компонент имеет цилиндрическую первую резьбу с постоянным шагом первой резьбы и постоянным углом профиля первой резьбы вдоль протяженности первой резьбы в аксиальном направлении, при этом резьбовой хвостовик имеет вторую резьбу с постоянным шагом второй резьбы и постоянным углом профиля второй резьбы вдоль протяженности второй резьбы в аксиальном направлении и имеет третью резьбу с постоянным шагом третьей резьбы и постоянным углом профиля третьей резьбы вдоль протяженности третьей резьбы в аксиальном направлении. Угол профиля первой резьбы и угол профиля второй резьбы, и угол профиля третьей резьбы, по существу, идентичны, по меньшей мере, совместимы друг с другом. Шаг первой резьбы и шаг второй резьбы, и шаг третьей резьбы, по существу, идентичны, по меньшей мере, совместимы друг с другом. Вторая резьба и третья резьба выполнены с возможностью взаимодействия с первой резьбой. Вторая резьба и третья резьба разнесены в аксиальном направлении посредством зоны, свободной от резьбы, и винтовая линия второй резьбы, которую имеет вторая резьба, и винтовая линия третьей резьбы, которую имеет третья резьба, имеют осевое смещение относительно друг друга, в частности, когда они введены во взаимодействие с резьбовым дополнительным компонентом в невращающемся состоянии с предварительным натягом.
Данное изобретение является предпочтительным особенно в том случае, если используется материал, который обеспечивает возможность расширения в зоне, свободной от резьбы, вследствие приложенного осевого усилия или вследствие нагрева, так что свободная от резьбы зона может расширяться в аксиальном направлении в случае приложения осевого усилия или наличия нагрева. Как следствие, если не будет приложено никакого усилия или будет отсутствовать нагрев, только боковые поверхности профиля второй резьбы могут находиться в воспринимающем нагрузку контакте с боковыми поверхностями профиля первой резьбы, и в случае приложения усилия или наличия нагрева боковые поверхности профиля второй резьбы и дополнительно также боковые поверхности профиля третьей резьбы могут находиться в воспринимающем нагрузку контакте с боковыми поверхностями профиля первой резьбы.
Изобретение не направлено на резьбу для фиксации противовибрационного предварительного натяга, поскольку она известна как резьба для самостопорящих болтов, у которых резьбы смещены таким образом, что предварительный натяг будет действовать на боковые поверхности профиля резьбы просто за счет «вставки» противолежащей резьбы в данную резьбу, предназначенную для фиксации предварительного натяга. Как следствие, даже если не будет приложено никакой внешней нагрузки, резьбы могут быть неподвижно соединены без зазора. Таким образом, подобная резьба для фиксации предварительного натяга имеет внутренний предварительный натяг, обеспечиваемый внутри самими витками резьбы. В отличие от данной резьбы, предназначенной для фиксации противовибрационного предварительного натяга, резьбовой хвостовик в соответствии с изобретением может быть нежестко закрепленным в аксиальном направлении - то есть он может смещаться в аксиальном направлении в ограниченных пределах - при условии, что никакая внешняя нагрузка или никакое внешнее усилие натяжения не будет действовать на резьбовой хвостовик или противолежащий дополнительный компонент.
В предпочтительном варианте осуществления это может быть реализовано за счет того, что осевое смещение согласно изобретению будет меньше смещения резьбы, предназначенной для фиксации противовибрационного предварительного натяга.
Следует отметить, что термин «предварительный натяг/предварительное нагружение» может быть использован различным образом. С одной стороны, две резьбы могут иметь такое смещение, что они сами создают - внутри - предварительное нагружение на боковых поверхностях профилей резьб. Как указано, это не находится в пределах объема изобретения. Кроме того, «предварительный натяг» может быть создан извне посредством вталкивания или втягивания одного компонента на сборочной операции. Это также может быть названо предварительным натяжением. Это представляет собой «сценарий», который был рассмотрен ранее в связи с фиг. 1 и в котором компонент может быть подвергнут натяжению, и на данном компоненте размещают компонент с резьбой, компонент с резьбой навинчивают до тех пор, пока он не станет опираться на буртик. В такой конфигурации в случае последующего прекращения вталкивания или втягивания компонента на резьбу может действовать непрерывно действующее усилие, которое также называют усилием «предварительного натяга», но данное усилие представляет собой создаваемое извне предварительное нагружение (внешнее по отношению к резьбе), и оно будет приложено вследствие натяжения некоторых из компонентов. Для проведения различия между данными сценариями в данном тексте по меньшей мере частично используются выражения «внутренний предварительный натяг» (для внутреннего по отношению к резьбам, предварительного натяга) и «создаваемый извне, предварительный натяг» (для предварительного натяга, создаваемого посредством компонента, внешнего по отношению к резьбе). Создаваемый извне, предварительный натяг также может быть назван в данном документе предварительным натяжением.
В дополнительном варианте осуществления осевое смещение может иметь такую конфигурацию, что вторая резьба и третья резьба образуют осевой зазор - то есть вторая и третья резьбы сами по себе внутренне свободны от предварительного натяга - относительно первой резьбы, когда резьбовой хвостовик и дополнительный компонент введены во взаимодействие друг с другом без приложения внешнего осевого усилия к резьбовому хвостовику и/или дополнительному компоненту. Таким образом, когда не приложено никакого осевого усилия, - что может представлять собой нежелательную конфигурацию для работающей машины, но может быть реализовано при испытании в лаборатории, - резьбовой хвостовик и дополнительный компонент могут испытывать биение, будучи введенными во взаимодействие друг с другом.
Подобное «внешнее» осевое усилие, в частности, рассматривается как усилие, обусловленное вращением ротора турбомашины. Усилие предварительного натяга также может рассматриваться как «внешнее» осевое усилие в данном смысле.
Кроме того, в том случае, когда резьбовой хвостовик введен во взаимодействие с дополнительным компонентом, осевое смещение может иметь такую конфигурацию, что в результате действия первого усилия, действующего между множеством боковых поверхностей профиля первой резьбы, которые имеет первая резьба компонента, и множеством боковых поверхностей профиля второй резьбы, которые имеет вторая резьба, создаются воспринимающий нагрузку контакт боковых поверхностей профиля первой резьбы и боковых поверхностей профиля второй резьбы и свободное от восприятия нагрузки и/или бесконтактное соединение боковых поверхностей профиля первой резьбы и множества боковых поверхностей профиля третьей резьбы, которые имеет третья резьба. Данное первое усилие представляет собой внешнее усилие, приложенное извне, а не собственное внутреннее усилие в пределах резьб. Данное первое усилие может представлять собой результат создаваемого извне, предварительного натяга (то есть предварительного натяжения) и может быть названо усилием предварительного нагружения.
Данная конфигурация с воспринимающим нагрузку контактом боковых поверхностей профиля первой резьбы и боковых поверхностей профиля второй резьбы представляет собой сценарий с создаваемым извне, предварительным натягом, который также будет реализован в конструкции со стяжной шпилькой газовой турбины, когда она находится в рабочем режиме или даже когда газовая турбина не работает, но собрана надлежащим образом.
В соответствии с одним вариантом осуществления резьбового хвостовика в том случае, когда резьбовой хвостовик введен во взаимодействие с дополнительным компонентом, осевое смещение может иметь такую конфигурацию, что в результате действия второго усилия, превышающего первое усилие и действующего между боковыми поверхностями профиля первой резьбы, которые имеет первая резьба компонента, и боковыми поверхностями профиля второй резьбы, которые имеет вторая резьба, создаются воспринимающий нагрузку контакт боковых поверхностей профиля первой резьбы и боковых поверхностей профиля второй резьбы и воспринимающий нагрузку контакт боковых поверхностей профиля первой резьбы и боковых поверхностей профиля третьей резьбы. Это означает, что если не будет приложено никакой дополнительной нагрузки помимо предварительного натяга или предварительного натяжения, боковые поверхности профиля третьей резьбы не будут находиться в воспринимающем нагрузку контакте с боковыми поверхностями профиля первой резьбы. Если нагрузка увеличивается во время работы - то есть она будет выше уровня создаваемого извне, предварительного натяга - дополнительное усилие будет действовать на резьбовой хвостовик и, в частности, на части, которые могут обеспечить адаптацию своего положения в аксиальном направлении, свободная от резьбы зона может расширяться в аксиальном направлении, так что в дополнительном режиме работы третья резьба может находиться в воспринимающем нагрузку контакте с боковыми поверхностями профиля первой резьбы. Второе усилие может представлять собой результат вращения ротора турбомашины.
За счет этого могут быть уменьшены максимальные напряжения, в частности, там, где имеет место усталость при циклическом нагружении, например, вследствие изменений тепловой и/или эксплуатационной нагрузок. Напряжение может возникать, например, если осесимметричная шпилька, к которой присоединен хвостовик, может оказаться несбалансированной. Это может произойти вследствие изгиба ротора в процессе эксплуатации.
Для обеспечения возможности расширения свободной от резьбы зоны или обеспечения ее упругости свободная от резьбы зона может представлять собой металлическое тело. Материал может быть выбран так, что он будет достаточно упругим в случае приложения усилия и/или воздействия температуры.
Как правило, резьбовой хвостовик может быть выполнен с конфигурацией с надлежащими размерами за счет выбора соответствующего материала для обеспечения желательного эффекта расширения зоны, свободной от резьбы.
Свободная от резьбы зона может иметь диаметр, который меньше внутреннего диаметра второй резьбы и внутреннего диаметра третьей резьбы резьбового хвостовика, так что ее осевая длина может быть увеличена, если осевое усилие - внешнее осевое усилие, в частности, обусловленное вращением, - будет приложено к резьбовому хвостовику и/или к дополнительному компоненту, в частности, в том случае, когда резьбовой хвостовик введен во взаимодействие с дополнительным компонентом. В частности, диаметр зоны, свободной от резьбы, может составлять, по существу, 80% или 70%, или 60% от внутреннего диаметра второй резьбы и/или третьей резьбы.
Как уже указано ранее, свободная от резьбы зона может быть упругой, так что ее осевая длина может быть увеличена за счет осевого смешения, если второе усилие - внешнее осевое усилие, в частности, обусловленное вращением, - будет приложено к резьбовому хвостовику и/или к дополнительному компоненту, в частности, в том случае, когда резьбовой хвостовик введен во взаимодействие с дополнительным компонентом.
Свободная от резьбы зона предпочтительно является удлиненной в аксиальном направлении.
В предпочтительном варианте осуществления резьбовой хвостовик может иметь наружную резьбу, то есть наружную резьбу. Дополнительный компонент может иметь внутреннюю резьбу, то есть резьбу в отверстии, также называемую внутренней резьбой. Также возможны другие конфигурации, в которых, например, хвостовик может иметь цилиндрическое глухое отверстие с внутренней резьбой на его конце. В этом случае дополнительный компонент может быть конфигурирован в виде винта или болта с наружной резьбой, соответствующей внутренней резьбе глухого отверстия.
Unified Thread Standard
British Standard Whitworth
Первая, вторая и третья резьбы могут быть конфигурированы в виде треугольной резьбы, трапецеидальной резьбы, американской трапецеидальной резьбы или метрической винтовой резьбы по стандарту ИСО (ИСО (ISO): Международная организация по стандартизации). Они могут быть конфигурированы в соответствии со стандартом для унифицированных резьб () или британской дюймовой резьбой (резьбой Витворта) ().
Резьбовой хвостовик может быть, по существу, осесимметричным относительно оси хвостовика. Резьбы, очевидно, не являются идеально симметричными, поскольку их задача состоит в обеспечении возможности смещения в аксиальном направлении. Хвостовик может быть удлиненным в аксиальном направлении. Две пары хвостовиков могут быть расположены на противоположных определяемых в аксиальном направлении концах удлиненной шпильки или удлиненного стержня.
Изобретение может быть применено для соединений различных типов. Данные соединения могут находиться в турбомашине - в частности, в газовых турбинах, компрессорах, турбокомпрессорах, паровых турбинах, в особенности, в роторе турбомашины. Кроме того, другие машины или устройства могут быть улучшены посредством данного изобретения. Таким образом, изобретение также направлено на соединительный узел, предназначенный для обеспечения взаимодействия резьбового хвостовика, в частности, стяжной шпильки или стяжного болта, с резьбовым дополнительным компонентом, в частности, стопорной гайкой, вводимым/вводимой во взаимодействие с резьбовым хвостовиком стяжного болта, при этом резьбовой хвостовик и дополнительный компонент выполнены с приведенной выше конфигурацией.
При рассмотрении не только хвостовика самого по себе, но и соединительного узла, содержащего резьбовой хвостовик и противолежащий дополнительный компонент, можно указать, что в дополнительном варианте осуществления в том случае, когда резьбовой хвостовик и дополнительный компонент взаимно соединены без приложенной внешней нагрузки, первая резьба и вторая резьба могут иметь осевой зазор, и осевое смещение может иметь такую конфигурацию, что оно будет составлять, по существу, 1/2 или 1/3 от осевого зазора. В зависимости от конфигурации зоны, свободной от резьбы, и удлинения в аксиальном направлении, которое может быть достигнуто зоной, свободной от резьбы, осевое смещение также может быть задано с другими значением, например, оно может составлять, по существу, 1/4, 1/5, 1/6, 1/7, 1/8, 1/9 или 1/10 от осевого зазора. Это может зависеть от жесткости материала, используемого в свободной от резьбы зоне, и/или от высоты профиля резьбы, и/или от шага резьбы.
Осевой зазор в только что приведенном смысле означает осевой люфт. Для обеспечения взаимодействия наружной резьбы и внутренней резьбы внутренняя резьба должна иметь большую ширину в аксиальном направлении по сравнению с размером наружной резьбы, поскольку в противном случае наружную резьбу невозможно будет ввести в зацепление с внутренней резьбой. Для соединенных резьб расстояние в аксиальном направлении в этом случае представляет собой осевой люфт, то есть расстояние в аксиальном направлении между двумя противоположными поверхностями профилей резьб, когда поверхности профилей двух резьб с другой стороны находятся в прямом контакте.
В частности, изобретение может быть применено для газотурбинного двигателя, содержащего ротор, установленный в корпусе с возможностью вращения вокруг оси ротора, при этом аксиальное направление определено вдоль оси ротора, при этом ротор содержит шпильку, первую гайку, предназначенную для создания предварительного натяга, или первый вал ротора и вторую гайку, предназначенную для создания предварительного натяга, или второй вал ротора. Шпилька простирается вдоль оси ротора и дополнительно имеет первый наружный конец и второй наружный конец, при этом первый наружный конец выполнен с возможностью взаимодействия с первой гайкой, предназначенной для создания предварительного натяга, или с первым валом ротора, и второй наружный конец выполнен с возможностью взаимодействия со второй гайкой, предназначенной для создания предварительного натяга, или со вторым валом ротора, и содержит стержень, соединенный с первым наружным концом и со вторым наружным концом. Стержень, упомянутый последним, представляет собой удлиненный соединительный элемент, расположенный между первым и вторым наружными концами. Шпилька выполнена с конфигурацией в виде резьбового хвостовика, определенного выше, при этом, по меньшей мере, один из первого наружного конца и второго наружного конца имеет вторую резьбу и третью резьбу и свободную от резьбы зону, подобные рассмотренным ранее, и при этом гайка, предназначенная для создания предварительного натяга, выполнена с конфигурацией дополнительного компонента, определенного ранее. По меньшей мере, одна/один из первой гайки, предназначенной для создания предварительного натяга, и второй гайки, предназначенной для создания предварительного натяга, и первого вала ротора и второго вала ротора будет обеспечивать создаваемый извне, предварительный натяг в соответствии с ранее использованной формулировкой.
Следует признать, что конфигурация может содержать только одну стяжную шпильку для зажима вращающихся компонентов вместе. В данной конструкции ось резьбового хвостовика будет также идентична оси газотурбинного двигателя. Тем не менее, изобретение также может быть применено для конструкций, в которых компоненты соединены друг с другом посредством множества резьбовых хвостовиков на множестве отдельных болтов.
В предпочтительном варианте осуществления, по меньшей мере, одна/один из первой гайки, предназначенной для создания предварительного натяга, и второй гайки, предназначенной для создания предварительного натяга, и первого вала и второго вала может быть введена/введен во взаимодействие со шпилькой таким образом, что усилие предварительного натяга или усилие предварительного натяжения может быть приложено в первом аксиальном направлении от первой резьбы ко второй резьбе так, что боковые поверхности профиля первой резьбы и боковые поверхности профиля второй резьбы будут находиться в воспринимающем нагрузку контакте.
Кроме того, по меньшей мере, одна/один из первой гайки, предназначенной для создания предварительного натяга, и второй гайки, предназначенной для создания предварительного натяга, и первого вала ротора и второго вала ротора может быть введена/введен во взаимодействие со шпилькой таким образом, что усилие предварительного натяга может быть приложено в первом аксиальном направлении от первой резьбы к третьей резьбе так, что боковые поверхности профиля первой резьбы и боковые поверхности профиля третьей резьбы будут находиться в свободном от восприятия нагрузки и/или в бесконтактном соединении.
Кроме того, во время работы газотурбинного двигателя эксплуатационная нагрузка может быть приложена со стороны стержня к первому наружному концу и/или второму наружному концу во втором аксиальном направлении, противоположном по отношению к первому аксиальному направлению, так, что свободная от резьбы зона будет расширяться в аксиальном направлении, так что боковые поверхности профиля первой резьбы и боковые поверхности профиля третьей резьбы будут находиться в воспринимающем нагрузку контакте.
Ранее рассмотренная конфигурация была ограничена только двумя частями на хвостовике, а именно второй резьбой и третьей резьбой. В качестве дополнительной конфигурации могут быть предусмотрены дополнительные свободные от резьбы зоны для разделения дополнительных резьб хвостовика. Например, за третьей резьбой в аксиальном направлении может следовать вторая свободная от резьбы зона, за последней в аксиальном направлении может следовать четвертая резьба. Смещение четвертой резьбы относительно второй резьбы может отличаться от смещения между второй и третьей резьбами.
Изобретение также направлено на способ сборки ротора турбомашины газотурбинного двигателя, в котором, если ротор не работает - то есть не вращается, имеется контакт между боковыми поверхностями профиля первой резьбы и профиля второй резьбы, но отсутствует контакт между боковыми поверхностями профиля первой резьбы и профиля третьей резьбы. При эксплуатации, если ротор вращается, имеется контакт между боковыми поверхностями профиля первой резьбы и профиля второй резьбы - так что ранее установленный контакт остается в неизменном виде - и, кроме того, теперь имеется контакт между боковыми поверхностями профиля первой резьбы и профиля третьей резьбы.
Способ подлежит выполнению для ротора, содержащего первый компонент с резьбовым хвостовиком и резьбовой дополнительный компонент, при этом дополнительный компонент имеет цилиндрическую первую резьбу, резьбовой хвостовик имеет вторую резьбу и третью резьбу, которые разнесены в аксиальном направлении посредством зоны, свободной от резьбы.
При более подробном рассмотрении способа следует отметить, что способ включает этап ввода второй резьбы и третьей резьбы во взаимодействие с первой резьбой, при этом винтовая линия второй резьбы, которую имеет вторая резьба, и винтовая линия третьей резьбы, которую имеет третья резьба, имеют осевое смещение относительно друг друга, когда они введены во взаимодействие с резьбовым дополнительным компонентом, в частности, в невращающемся состоянии с предварительным натягом, так, что (i) если ротор не вращается, боковые поверхности профиля первой резьбы, которые имеет первая резьба дополнительного компонента, находятся в воспринимающем нагрузку контакте с боковыми поверхностями профиля второй резьбы резьбового хвостовика, и боковые поверхности профиля первой резьбы, которые имеет первая резьба дополнительного компонента, находятся в свободном от восприятия нагрузки и/или в бесконтактном соединении с боковыми поверхностями профиля третьей резьбы, которые имеет третья резьба резьбового хвостовика, и так, что (ii) если ротор вращается, боковые поверхности профиля первой резьбы, которые имеет первая резьба дополнительного компонента, находятся в воспринимающем нагрузку контакте с боковыми поверхностями профиля второй резьбы резьбового хвостовика, и боковые поверхности профиля первой резьбы, которые имеет первая резьба дополнительного компонента, находятся в воспринимающем нагрузку контакте с боковыми поверхностями профиля третьей резьбы, которые имеет третья резьба резьбового хвостовика.
Следует отметить, что варианты осуществления изобретения были описаны со ссылкой на различные предметы изобретения. В частности, некоторые варианты осуществления были описаны со ссылкой на пункты формулы изобретения на устройство, в то время как для других вариантов осуществления могут быть описаны признаки со ссылкой на пункты формулы изобретения на способ или на пункты формулы изобретения на устройство другого типа. Однако специалист в данной области техники сделает выводы из вышеизложенного и нижеследующего описания о том, что, если не указано иное, помимо любой комбинации признаков, принадлежащих одному типу предмета изобретения, также любая комбинация признаков, относящихся к разным предметам изобретения, в частности, признаков пунктов формулы изобретения на устройство и признаков пунктов формулы изобретения на способ, рассматривается как раскрытая посредством данной заявки.
Кроме того, примеры были и будут раскрыты в нижеследующих разделах посредством ссылки на газотурбинные двигатели. Изобретение также применимо для турбомашин любого типа, например, компрессоров или паровых турбин. Кроме того, общая идея может быть применена в еще более общем случае для машины любого типа. Она может быть применена для вращающихся компонентов, а также для стационарных компонентов.
Аспекты, приведенные выше, и дополнительные особенности настоящего изобретения очевидны из примеров осуществления, которые будут описаны в дальнейшем, и разъясняются со ссылкой на примеры осуществления.
Варианты осуществления изобретения будут описаны далее только в качестве примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1А представляет собой фигуру, соответствующую предшествующему уровню техники, и схематически показывает газовую турбину на промежуточной стадии сборки после сборки дисков компрессора посредством первой стяжной шпильки и первой гайки;
фиг. 1В представляет собой фигуру, соответствующую предшествующему уровню техники, и схематически показывает газовую турбину во время сборки после установки второй стяжной шпильки для дисков турбины;
фиг. 1С представляет собой фигуру, соответствующую предшествующему уровню техники, и схематически показывает газовую турбину во время сборки после сборки дисков турбины посредством второй стяжной шпильки и второй гайки;
фиг. 2 схематически показывает конец стяжной шпильки конструкции газовой турбины, иллюстрируя изобретение;
фиг. 3 схематически показывает конец стяжной шпильки конструкции газовой турбины, иллюстрируя изобретение в двух режимах работы;
фиг. 4 схематически показывает фрагменты двух дисков турбины, в которые могут быть вставлены несколько болтов по изобретению.
Иллюстрация на чертеже является схематической. Следует отметить, что для аналогичных или идентичных элементов на разных чертежах будут использованы одни и те же ссылочные позиции.
Некоторые из признаков и в особенности преимущества будут разъяснены для газовой турбины в сборе, но очевидно, что признаки могут быть применены также для отдельных компонентов газовой турбины, но преимущества могут быть показаны только после сборки компонентов и во время работы. Но при разъяснении посредством газовой турбины во время работы ни одна из деталей не должна быть ограничена газовой турбиной, находящейся в процессе работы/эксплуатации.
Все чертежи схематически показывают компоненты ротора газотурбинного двигателя в продольном сечении вдоль оси А вращения. Ротор будет установлен с возможностью вращения вокруг оси А вращения. Компоненты статора не показаны на фигурах. Кроме того, элементы, предназначенные для взаимного соединения компонентов ротора, также могут быть не показаны на фигурах. Все фигуры показывают компоненты ротора в такой ориентации, что слева будет вход и справа будет выход определенной зоны с потоком текучей среды, проходящим по основной траектории потока текучей среды в газовой турбине слева направо.
Все компоненты ротора, показанные на фигурах, могут быть, по существу, осесимметричными относительно оси А вращения.
Фиг. 1А уже была рассмотрена во вводной части и показывает конфигурацию газотурбинного двигателя по предшествующему уровню техники и то, каким образом ротор может быть собран.
На фиг. 1 показано, что резьбовую шпильку CS компрессора вставляют в резьбовое отверстие в промежуточном вале INTS. Гайку CN компрессора, предназначенную для создания предварительного натяга, навинчивают на конец шпильки компрессора. Для сборки внешний инструмент может обеспечить натяжение шпильки CS компрессора, и гайку CN компрессора затягивают для приложения внешней предварительной нагрузки (обеспечения создаваемого извне, предварительного натяга), действующей на шпильку CS компрессора посредством гайки CN. Шпильку TS турбины ввинчивают в другой определяемый в аксиальном направлении конец промежуточного вала INTS. Гайку TN турбины навинчивают на другой конец шпильки TS турбины. Инструмент также может обеспечить натяжение шпильки TS турбины, и гайку TN затягивают для сохранения предварительного натяга при удалении инструмента. Все данные поверхности контакта резьб могут быть выполнены в соответствии с изобретением. В качестве примера и со ссылкой на фиг. 2 шпилька TS турбины и гайка TN турбины будут рассмотрены более подробно. Тем не менее, идея может быть применена для всех представленных поверхностей контакта и даже для совершенно других конфигураций.
На фиг. 2 часть газотурбинного двигателя схематически показана в сечении, при этом сечение выполнено вдоль оси А стяжной шпильки. Показан только один определяемый в аксиальном направлении конец стяжной шпильки TS, например, соответствующий концу шпильки TS турбины по фиг. 1. Резьбовой хвостовик 1 показан в виде конца шпильки TS турбины. Соответствующая гайка TN турбины указана на фиг. 2 посредством ссылочной позиции 2 и показывает «резьбовой дополнительный компонент», описанный в пункте формулы изобретения.
Гайка 2 турбины показана только посредством ее части, внутренней в радиальном направлении и имеющей первую резьбу 3, которая выполнена с конфигурацией внутренней резьбы.
Резьбовой хвостовик 1 имеет две части с наружными резьбами, а именно вторую резьбу 4, которая выполнена на определяемом в аксиальном направлении конце 60 хвостовика 1, и третью резьбу 5, которая выполнена на другом конце хвостовика 1. Таким образом, третья резьба 5 находится в направлении цилиндрической части 70 стяжной шпильки, при этом последняя имеет меньший диаметр по сравнению с хвостовиком 1. Цилиндрическая часть 70 представляет собой часть, которая заканчивается у дополнительного резьбового хвостовика на противоположном конце стяжной шпильки.
Вторая резьба 4 и третья резьба 5 разделены зоной 6, свободной от резьбы. Свободная от резьбы зона 6 не имеет резьбы и имеет диаметр D6, который меньше наружного диаметра D21 первой резьбы 3, меньше наружного диаметра D41 второй резьбы 4, меньше наружного диаметра D51 третьей резьбы 5, а также меньше внутреннего диаметра D22 первой резьбы 3, меньше внутреннего диаметра D42 второй резьбы 4, меньше внутреннего диаметра D52 третьей резьбы 5.
Противоположная первая резьба 3 выполнена в виде непрерывной резьбы вдоль длины хвостовика 1 и не имеет никакой свободной от резьбы, промежуточной зоны.
Все три резьбы 3, 4, 5 имеют одинаковую конфигурацию по всей их длине, а также по отношению друг к другу, то есть они имеют один и тот же шаг резьбы, при этом шаг 31 первой резьбы равен шагу 41 второй резьбы и шагу 51 третьей резьбы. Они также имеют один и тот же угол профиля резьбы на их протяженности в аксиальном направлении, при этом угол 32 профиля первой резьбы равен углу 42 профиля второй резьбы и углу 52 профиля третьей резьбы, при этом угол профиля резьбы определяет ориентацию боковых поверхностей профиля резьбы в пространстве, определяя наклон относительно аксиального направления, показанного посредством оси А хвостовика 1.
Ось А определяет ось хвостовика 1, а также ось резьб 3, 4, 5, вокруг которой резьбы 3, 4, 5 проходят по спирали.
В соответствии с изобретением свободная от резьбы зона 6 имеет некоторую протяженность в аксиальном направлении, вызывающую образование осевого смещения 200 между шагом 41 второй резьбы и шагом 51 третьей резьбы, то есть осевое смещение 200 между винтовой линией второй резьбы, которую имеет вторая резьба 4, и винтовой линией третьей резьбы, которую имеет третья резьба 5. Осевое смещение 200 можно видеть на фиг. 3, на которой верхняя половина над осью А показывает конфигурацию по фиг. 2, в которой никакое дополнительное осевое усилие не приложено к стяжной шпильке, так что боковая поверхность 43 профиля второй резьбы 4 находится в рабочем контакте с боковой поверхностью 33 профиля первой резьбы 3, но в то же время боковая поверхность 53 профиля третьей резьбы 5 не находится в физическом контакте и не находится в рабочем контакте с боковой поверхностью 33 профиля первой резьбы 3, то есть находится в состоянии бесконтактного соединения 101. Определяемое в аксиальном направлении расстояние между данными боковыми поверхностями 33 и 53 определяет смещение 200.
Винтовая линия второй резьбы находится в отдельной зоне, как и винтовая линия третьей резьбы, но винтовые линии могут быть фиктивно продолжены так, что две упомянутые винтовые линии не будут конгруэнтными, и их невозможно будет «наложить» друг на друга.
Гайка 2 турбины может обеспечить предварительный натяг или предварительное натяжение стяжной шпильки, так что все компоненты, которые соединены друг с другом и которые образуют ротор газотурбинного двигателя, будут жестко соединены, например, посредством усилия зажима. Данное усилие будет приложено постоянно так, что первое усилие F1 будет действовать в положительном аксиальном направлении - направлении от конца третьей резьбы 5 к концу второй резьбы 4 - и/или усилие F2 будет действовать в отрицательном аксиальном направлении - в направлении противоположного конца стяжной шпильки, который не показан на фиг. 2. При данном предварительном натяге, создаваемом извне посредством первого усилия F1 и/или усилия F2, имеется смещение 200.
Хвостовик 1 выполнен с такой конфигурацией, что при приложении большего усилия, например, второго усилия F1', действующего в положительном аксиальном направлении, и/или усилия F2', действующего в отрицательном аксиальном направлении, которое может возникать в результате работы газотурбинного двигателя и вследствие центробежных сил, - действующих на вращающиеся компоненты, он подвергается осевому натяжению, но при этом натяжение, по существу, ограничено натяжением зоны 6, свободной от резьбы, и при этом резьбовые части 4 и 5 хвостовика 1, по существу, не подвергаются натяжению, что создает возможность смещения резьбовых частей 4 и 5 относительно друг друга. В зависимости от материала и приложенных сил незначительное расширение в аксиальном направлении также может происходить в резьбовых частях 4 и 5. Кроме того, свободная от резьбы зона 6 также может расширяться в аксиальном направлении вследствие теплового расширения, в особенности в случае хвостовика 1, который расположен в горячей зоне газотурбинного двигателя.
Эффект расширения показан в нижней половине фиг. 3. Пунктирными линиями снова показан режим эксплуатации, когда газотурбинный двигатель не работает, подобный показанному на фиг. 2 или в верхней половине фиг. 3. С другой стороны, непрерывными линиями показан режим работы, когда большее второе усилие F2' и/или усилие F1' приложено к хвостовику 1. Как следствие, свободная от резьбы зона 6 будет растягиваться, и диаметр D6 будет уменьшаться. Это показано посредством исходного диаметра D6 и диаметра D6', который показывает поверхность во время работы газотурбинного двигателя. Диаметр D6' меньше диаметра D6, даже несмотря на то, что масштаб на фиг. 3 преувеличен.
Вследствие наличия растянутой зоны 6, свободной от резьбы, положение третьей резьбы 5 в аксиальном направлении относительно положения первой резьбы 3 в аксиальном направлении изменяется так, что боковая поверхность 53 профиля третьей резьбы 5, которая ранее не находилась в контакте с противолежащей боковой поверхностью 33 профиля первой резьбы 3, может теперь находиться в воспринимающем нагрузку контакте 102 с боковой поверхностью 33. Таким образом, положение третьей резьбы 5 в аксиальном направлении изменилось. Расстояние, соответствующее изменению положения, может составлять от нуля до осевого смещения 200. Как только третья резьба 5 будет совмещена в аксиальном направлении с первой резьбой 3, больше не будет никакого смещения между шагом 41 второй резьбы и шагом 51 третьей резьбы.
На фиг. 3 данный эффект наглядно представлен так, что исходное положение третьей резьбы 5 показано пунктирными линиями, и новое положение во время работы показано сплошными линиями. Кроме того, осевое смещение 200 также может быть наглядно представлено в данной зоне в виде расстояния в аксиальном направлении между двумя положениями одной и той же точки в обоих режимах работы, в одном из которых она находится на пунктирной линии и в другом из которых она находится на сплошной линии.
На фиг. 2 и 3 можно видеть, что первая резьба 3 полностью «охватывает» свободную от резьбы зону 6. Вторая резьба 4 и первая резьба 3 показаны идеально выровненными на конце 60, определяемом в аксиальном направлении, но это является просто упрощением чертежа. Вторая резьба 4 может простираться за конец гайки 2 турбины. Аналогичным образом третья резьба 5 и первая резьба 3 показаны идеально выровненными на другом конце гайки 2 турбины в аксиальном направлении, но это также является просто упрощением чертежа. Третья резьба 5 может простираться за данный конец гайки 2 турбины.
Конфигурация, разъясненная в связи с фиг. 2 и 3, направлена на увеличение срока службы до усталостного разрушения сильно нагруженных резьбовых шпилек, у которых резьбы являются элементом, ограничивающим срок службы. Это особенно предпочтительно в двигателях в том случае, если размер резьбы и дублирование резьб не могут быть выбраны свободно, поскольку размер резьбы «конкурирует» с другими критериями, которые также должны быть оптимизированы. Изобретение особенно предпочтительно в том случае, когда потенциальные высокие пиковые напряжения в резьбе возникают в месте, ближайшем к месту приложения нагрузки, например, в витках резьбы на «внутреннем в аксиальном направлении» конце хвостовика, обращенном в сторону от конца 60.
Данная проблема, связанная с пиковым напряжением, которое может привести к усталости, может быть преодолена посредством изобретения. Резюмируя другими словами, можно указать, что в случае наружной резьбы, состоящей из двух или более участков резьбы, образованных на одном и том же хвостовике и соединенных друг с другом посредством суженной гладкой части хвостовика, витки резьбы входят во взаимодействие с сопрягающимися витками внутренней резьбы на двух или даже большем числе стадий. На первой стадии основной участок наружной резьбы входит во взаимодействие и будет находиться в контакте с боковыми поверхностями профиля внутренней резьбы в заданном направлении восприятия нагрузки, при этом в данном состоянии основной участок резьб будет находиться в контакте, но никакой нагрузки не будет приложено. Второй и/или дополнительные участки наружной резьбы не находятся в контакте с боковыми поверхностями профиля внутренней резьбы, то есть отсутствует физическое смещение на данном участке резьбы по отношению к основному участку резьбы. При приложении нагрузки - при этом данная нагрузка может представлять собой предварительный натяг, создаваемый в результате затягивания динамометрическим ключом, нагрузку, приложенную посредством создания механического предварительного натяжения при сборке, нагрузку, возникающую при эксплуатации, или их комбинацию, - сначала первый участок резьб (наиболее удаленный от места приложения нагрузки), которые находятся в контакте, воспринимает исходную нагрузку, по мере увеличения нагрузки суженная часть хвостовика, соединяющая два или более участков резьбы, растягивается в пределах упругости материала шпильки, и, когда это происходит, нагрузка распределяется по дополнительным участкам резьб, когда они входят в контакт. Следствием использования данного принципа разделения нагрузки между резьбами является то, что «пиковая» нагрузка может быть уменьшена при заданном сценарии нагружения, при этом соответствующее уменьшение нагрузки, по существу, обеспечит значительное увеличение срока службы резьб до усталостного разрушения.
Уменьшение нагрузки обеспечит существенное увеличение срока службы до усталостного разрушения.
Данная идея имеет особое преимущество, когда конструкция с болтовыми соединениями подвергается воздействию переменной нагрузки, например, в том случае, когда два элемента соединены болтом и когда один или несколько элементов подвергаются тепловому расширению. Это применимо для многих применений болтовых соединений, поскольку к ним может быть предъявлено требование восприятия статической нагрузки в холодном состоянии, а также требование выдерживания дополнительных нагрузок, действующих при эксплуатации, то есть термических нагрузок, нагрузок от давления и разрывающих нагрузок.
Изобретение может быть применено, например, также для стяжной шпильки ротора компрессора газотурбинного двигателя. Оно также может быть применено для стяжной шпильки ротора турбины.
Изобретение, в частности, может быть применено для турбомашин различного вида, например, осевых турбомашин, или вращающихся машин другого вида, которые подвергаются воздействию нагрузки, действующей вдоль их оси вращения. Оно также может быть применено для других двигателей, машин или устройств, которые имеют, по меньшей мере, два режима работы с разными нагрузками, действующими на резьбы.
Как было раскрыто ранее, изобретение в особенности предпочтительно для болта, который, в частности, является осесимметричным и имеет на обоих концах, определяемых в аксиальном направлении, резьбовой хвостовик, указанный ранее. Резьбовые хвостовики могут иметь диаметр, превышающий диаметр стержня в зоне между данными хвостовиками. Тем не менее, стержень также может иметь более широкий участок в центральной части стержня, но иметь, по меньшей мере, две части с диаметром, который меньше диаметра резьбовых хвостовиков на конце.
Несмотря на то, что варианты осуществления, рассмотренные до сих пор, были «сфокусированы» на конструкциях ротора с одним центральным болтом, изобретение также может быть применено для конструкций, в которых компоненты, например диски, удерживаются вместе посредством некоторого количества стяжных шпилек, расположенных по окружности, то есть по окружности центров отверстий под болты. Данные стяжные шпильки имеют меньший диаметр по сравнению с единственной стяжной шпилькой, описанной выше, но длину, аналогичную длине единственной стяжной шпильки, описанной выше. Подобная конфигурация с множеством болтов показана на фиг. 4. Два диска 300 турбины или компрессора показаны в несобранном состоянии. В данных дисках могут быть выполнены сквозные отверстия 301, через которые - если отверстия 301 выровнены надлежащим образом - могут быть вставлены болты с резьбовыми концами, конфигурированными в соответствии с изобретением, так что гайки с соответствующей резьбой могут быть установлены на концах болтов так, что диски 300 могут быть присоединены друг к другу.
Изобретение также может быть использовано для соединения вместе двух половин корпуса, например, половин корпуса газовой турбины. Поскольку корпус также будет подвергаться воздействию перепадов температур, в резьбах также может возникать напряжение, которое может быть преодолено посредством изобретения. Очевидно, что применение изобретения будет предпочтительным для больших и тяжелых газовых турбин. В частности, нижняя половина корпуса будет соединена с верхней половиной корпуса. В такой конфигурации нижняя половина корпуса может иметь фланец, и верхняя половина корпуса также может иметь соответствующий фланец, которые оба выполнены с просверленным отверстием. Просверленное отверстие может иметь резьбу, которая может соответствовать хвостовику, который может быть вставлен в просверленное отверстие для соединения двух половин. В альтернативном варианте просверленные отверстия могут быть свободными от резьб, а болт может быть вставлен через два выровненных просверленных отверстия, при этом болт может иметь головку, которая может опираться на фланец, и гайка может быть навинчена на другой конец болта, при этом гайка будет опираться на противоположном конце на другой фланец. Болт может содержать, по меньшей мере, один резьбовой хвостовик на своем конце, предназначенный для взаимодействия/сцепления с гайкой. Корпус данного типа, состоящий из двух половин, соединенных вместе болтами, можно видеть в публикации заявки на патент США №2010/0080698 А1.
Изобретение также может быть использовано в области ветровых турбин для обеспечения соединений башни или для обеспечения соединений ротора ветровой турбины. В подобной ветровой турбине натяжение может не всегда возникать из-за нагрева и высоких частот вращения, но может возникать вследствие ветра, действующего на башню или ротор.