ФЛАНЦЕВЫЙ КОМПОНЕНТ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
FLANGED COMPONENT FOR GAS TURBINE ENGINE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в целом относится к фланцевому компоненту для газотурбинного двигателя и относится к фланцевому компоненту с резьбовыми отверстиями со сниженным напряжением для узла сопряжения фланцевых компонентов.
Уровень техники
Газотурбинные двигатели содержат следующие секции: компрессор, отсек сгорания и турбину. Несколько фланцевых компонентов в газотурбинном двигателе во вращающихся и неподвижных секциях компрессора и турбины могут быть соединены болтами. На некоторых фланцах могут быть использованы резьбовые отверстия для болтов. На болтовой резьбе могут возникать концентрации напряжения, такие как на первом находящемся в зацеплении витке резьбы узла сопряжения или вблизи него.
В патенте США № 8371785, выданном на имя Babej и соавт., описана заклепка-гайка с базовой частью и цилиндрической заклепочной частью, при этом базовая часть имеет центральный резьбовой цилиндр, кольцевую контактную поверхность, которая имеет общую ось с резьбовым цилиндром в плоскости, перпендикулярной продольной оси резьбового цилиндра, и которая имеет выровненный по оси кольцевой паз, при этом указанный паз расположен радиально внутри кольцевой контактной поверхности и радиально снаружи цилиндрической заклепочной части, и при этом указанный паз на радиально внутренней стороне сливается с внешней поверхностью цилиндрической заклепочной части, и в области кольцевого паза предусмотрены ребра, предотвращающие вращение. Изобретение отличается тем, что кольцевой паз, если смотреть в осевой плоскости поперечного сечения, имеет U-образное поперечное сечение с радиально наружной боковой стенкой, которая относительно крутая и которая в самой крутой точке имеет наклон к центральной продольной оси заклепки-гайки в диапазоне от приблизительно 45 градусов до приблизительно -20 градусов, предпочтительно от приблизительно 30 градусов до приблизительно 0 градусов. Объем кольцевого паза выбирают таким образом, что по целому диапазону толщины листа, приспособленной к соответствующему размеру резьбы, имеется пространство для объема соответствующего загнутого участка заклепочной части внутри кольцевого углубления (80), который выполняют литьем части листа в кольцевой паз элемента, и что он не выступает за пределы стороны отлитого листа, обращенного в сторону от кольцевой контактной поверхности.
Настоящее изобретение направлено на преодоление одной или нескольких проблем, выявленных авторами изобретения, или известных из уровня техники.
Сущность настоящего изобретения
В данном документе раскрыт фланцевый компонент для газотурбинного двигателя. Фланцевый компонент содержит корпус фланца и множество резьбовых компонентов. Корпус фланца содержит сопрягаемую поверхность фланца, которая сопрягается со второй сопрягаемой поверхностью второго фланцевого компонента. Каждый резьбовой компонент содержит резьбовую часть и разгрузочную часть. Резьбовая часть имеет витки резьбы для вмещения резьбовой крепежной детали и проходит в корпус фланца от сопрягаемой поверхности фланца вдоль оси компонента. Разгрузочная часть проходит в корпус фланца от сопрягаемой поверхности фланца, расположенной снаружи от резьбовой части относительно оси компонента, образующей ободковую часть между ними. Ободковая часть содержит верхнюю ободковую поверхность, имеющую кольцевую форму параллельно сопрягаемой поверхности фланца. Разгрузочная часть содержит внутреннюю поверхность на ободковой части, которая проходит от верхней ободковой поверхности и в сторону от сопрягаемой поверхности фланца. Внутренняя поверхность имеет форму усеченного конуса, который сужается наружу от верхней ободковой поверхности.
Краткое описание графических материалов
На фиг. 1 представлено схематическое изображение иллюстративного газотурбинного двигателя.
На фиг. 2 представлен вид в перспективе иллюстративного узла сопряжения фланцевых компонентов.
На фиг. 3 представлен вид в перспективе альтернативного варианта осуществления узла сопряжения фланцевых компонентов.
На фиг. 4 представлен вид в разобранном состоянии иллюстративного узла сопряжения, показанного на фиг. 2.
На фиг. 5 представлен вид в поперечном разрезе иллюстративного узла сопряжения, показанного на фиг. 2, взятый вдоль линии V-V на фиг. 2.
На фиг. 6 представлен вид в поперечном разрезе части фланцевого компонента, показанного на фиг. 2-4, взятый вдоль линии VI-VI на фиг. 4.
На фиг. 7 представлен вид в перспективе уплотнения турбины, показанного на фиг. 1.
На фиг. 8 представлен вид в поперечном разрезе части уплотнения турбины, взятый вдоль линии VIII-VIII на фиг. 7.
Подробное описание
Системы и способы, описанные в данном документе, включают фланцевый компонент для узла сопряжения фланцевых компонентов в газотурбинном двигателе. В вариантах осуществления фланцевый компонент содержит резьбовой компонент с резьбовой частью и разгрузочной частью. Резьбовая часть содержит витки резьбы и может проходить через фланцевый компонент. Разгрузочная часть может представлять собой кольцевой паз, проходящий во фланцевый компонент, прилегающий к находящемуся в зацеплении витку резьбы, и может быть расположен снаружи от резьбовой части. Разгрузочная часть может снижать напряжения, такие как напряжение на первом находящемся в зацеплении витке резьбы крепежной детали и фланцевом компоненте, что может увеличить срок службы крепежной детали и фланцевого компонента. В вариантах осуществления ободковая часть может быть образована между резьбовой частью и разгрузочной частью. Ободковая часть может быть утоплена во фланцевый компонент, что может дополнительно снижать напряжение во фланцевом компоненте.
На фиг. 1 представлено схематическое изображение иллюстративного газотурбинного двигателя 100. Некоторые поверхности были опущены или преувеличены (на этой и на других фигурах) для ясности и простоты объяснения. Кроме этого настоящее раскрытие может ссылаться на переднее и заднее направление. В целом все ссылки на «передний» и «задний» связаны с направлением потока первичного воздуха (т.е. воздуха, используемого в процессе сгорания), если не указано иное. Например, передний является «расположенным выше по потоку» по отношению к потоку первичного воздуха, и задний является «расположенным ниже по потоку» по отношению к потоку первичного воздуха.
Кроме того, описание может в целом ссылаться на центральную ось 95 вращения газотурбинного двигателя, которая может в целом быть определена продольной осью его вала 120 (удерживаемого несколькими блоками 150 подшипников). Центральная ось 95 может быть общей или совместной с различными другими концентричными компонентами двигателя. Все ссылки на радиальное, осевое и окружное направления и измерения относятся к центральной оси 95, если не указано иное, и такие термины, как «внутренний» и «наружный», в целом указывают на меньшую или большую удаленность от центральной оси 95 в радиальном направлении, при этом радиус 96 может проходить в любом направлении, перпендикулярном центральной оси 95 и отходящем наружу от нее.
Газотурбинный двигатель 100 содержит впуск 110, вал 120, компрессор 200, отсек 300 сгорания, турбину 400, выпуск 500 и муфту 50 для передачи выходной мощности. Газотурбинный двигатель 100 может быть в конфигурации с одним валом или с двумя валами.
Компрессор 200 содержит ротор компрессора в сборе 210, неподвижные лопатки 250 компрессора («статоры») и входные направляющие лопатки 255. Ротор компрессора в сборе 210 механически соединен с валом 120. Как показано, ротор компрессора в сборе 210 представляет собой ротор осевого потока в сборе. Ротор компрессора в сборе 210 содержит один или несколько дисков компрессора в сборе 220. Каждый диск компрессора в сборе 220 содержит диск ротора компрессора, который по окружности заполнен лопастями ротора компрессора. Статоры 250 в осевом направлении следуют за каждым из дисков компрессора в сборе 220. Каждый диск компрессора в сборе 220, спаренный со смежными статорами 250, которые следуют за диском компрессора в сборе 220, считается ступенью компрессора. Компрессор 200 содержит множество ступеней компрессора. Входные направляющие лопатки 255 в осевом направлении предшествуют ступеням компрессора.
Отсек 300 сгорания содержит камеру 390 сгорания и один или несколько топливных инжекторов 310. Топливные инжекторы 310 расположены выше по потоку относительно камеры 390 сгорания и могут быть расположены кольцеобразно вокруг центральной оси 95.
Турбина 400 содержит ротор турбины в сборе 410 и сопла 450 турбины. Ротор турбины в сборе 410 механически соединен с валом 120. В показанном варианте осуществления ротор турбины в сборе 410 представляет собой ротор осевого потока в сборе. Ротор турбины в сборе 410 содержит один или несколько дисков турбины в сборе 420. Каждый диск турбины в сборе 420 содержит диск турбины, который по окружности заполнен лопатками турбины. Сопла 450 турбины в осевом направлении предшествуют каждому из дисков турбины в сборе 420. Каждый диск турбины в сборе 420, спаренный со смежным соплом 450 турбины, которое предшествует диску турбины в сборе 420, считается ступенью турбины. Турбина 400 содержит несколько ступеней турбины.
Выпуск 500 для отработавших газов содержит диффузор 510 отработавших газов и коллектор 520 отработавших газов. Муфта 600 для передачи выходной мощности может быть расположена на конце вала 120.
Различные компоненты газотурбинного двигателя 100 могут содержать фланцы. Несколько фланцевых компонентов могут быть закреплены вместе. Центральная ось 95 может также быть осью для фланцевых компонентов. Например, ротор турбины в сборе 410 может содержать задний фланцевый компонент 480 турбины, который может составлять единое целое с диском турбины, и уплотнение 470 турбины, прикрепленное к заднему фланцевому компоненту 480 турбины. Уплотнение 470 турбины может предотвратить попадание нежелательного воздуха из отсека 300 сгорания в турбину 400.
На фиг. 2 представлен вид в перспективе иллюстративного узла сопряжения фланцевых компонентов. На фиг. 4 представлен вид в разобранном состоянии иллюстративного узла сопряжения, показанного на фиг. 2. Как показано на фиг. 2 и 4, первый фланцевый компонент 70, такой как уплотнение 470 турбины на фиг. 1, может примыкать и быть прикреплен ко второму фланцевому компоненту 80, такому как задний фланцевый компонент 480 турбины, при помощи крепежных деталей 85, таких как болты или винты.
На фиг. 3 представлен вид в перспективе альтернативного варианта осуществления узла сопряжения фланцевых компонентов. Как показано на фиг. 3, несколько фланцевых компонентов со сквозными отверстиями могут быть прикреплены к первому фланцевому компоненту 70. В показанном варианте осуществления узел сопряжения также содержит третий фланцевый компонент 60. Третий фланцевый компонент 60 может примыкать ко второму фланцевому компоненту 70. Третий фланцевый компонент 60 может также содержать сквозные отверстия 62, в которые вставляют крепежные детали 85. Крепежные детали 85 могут проходить через третий фланцевый компонент 60, затем второй фланцевый компонент 80 и затем могут быть прикреплены к первому фланцевому компоненту 70. Третий фланцевый компонент 60 может содержать все компоненты второго фланцевого компонента 80, описанные в данном документе.
На фиг. 5 представлен вид в поперечном разрезе иллюстративного узла сопряжения, показанного на фиг. 2, взятый вдоль линии V-V на фиг. 2. Как показано на фиг. 4 и 5, первый фланцевый компонент 70 может содержать корпус 79 фланца и резьбовые компоненты 72, и второй фланцевый компонент 80 может содержать отверстия 82 для крепежных деталей и вторую сопрягаемую поверхность 81. Корпус 79 фланца может иметь дисковую или кольцевую форму. Отверстия 82 для крепежных деталей могут представлять собой сквозные отверстия, которые могут не быть резьбовыми. Тела 87 крепежных деталей могут проходить через отверстия 82 для крепежных деталей и могут быть ввинчены в резьбовые компоненты 72, при этом головки 86 крепежных деталей упираются во второй фланцевый компонент 80. Вторая сопрягаемая поверхность 81 может примыкать к сопрягаемой поверхности 71 фланца. В других вариантах осуществления головки 86 крепежных деталей могут быть завинчены так, что они упираются в самый крайний фланцевый компонент, такой как третий фланцевый компонент 80 на фиг. 3.
На фиг. 6 представлен вид в поперечном разрезе части первого фланцевого компонента 70, показанного на фиг. 2 и 4-5, взятый вдоль линии VI-VI на фиг. 4. Как показано на фиг. 5 и 6, первый фланцевый компонент 70 содержит сопрягаемую поверхность 71 фланца, которая представляет собой поверхность, примыкающую к и находящуюся в контакте со вторым фланцевым компонентом 80. Как показано на фиг. 5, каждый резьбовой компонент 72 может содержать резьбовую часть 73, разгрузочную часть 74 и ободковую часть 78. Резьбовая часть 73 представляет собой резьбовое отверстие, проходящее в корпус 79 фланца от сопрягаемой поверхности 71 фланца. Резьбовая часть 73 может представлять собой сквозное отверстие, проходящее через корпус 79 фланца, или может представлять собой глухое отверстие, проходящее частично в корпус 79 фланца от сопрягаемой поверхности 71 фланца. Резьбовая часть 73 содержит витки 84 резьбы с первым находящимся в зацеплении витком 89 резьбы. Первый находящийся в зацеплении виток 89 резьбы может представлять собой виток 84 резьбы или вершину 68 резьбы, ближайшую к сопрягаемой поверхности 71 фланца и ближайшую к головке 86 крепежной детали. Резьбовая часть 73 имеет шаг 64 резьбы, который состоит из расстояния между смежными вершинами 68 резьбы резьбовой части 73. Резьбовая часть 73 может содержать ось 67 компонента и проходить вдоль нее. Ось 67 компонента может быть расположена под прямым углом к сопрягаемой поверхности 71 фланца.
Разгрузочная часть 74 расположена снаружи от резьбовой части 73, например, радиально снаружи относительно оси 67 компонента. Разгрузочная часть 74 проходит в корпус 79 фланца от сопрягаемой поверхности 71 фланца и может проходить в осевом направлении оси 67 компонента. В некоторых вариантах осуществления разгрузочная часть 74 может проходить в корпус 79 фланца от сопрягаемой поверхности 71 фланца на глубину 69 от 2 до 3 раз большую, чем шаг 64 резьбы резьбовой части 73. В других вариантах осуществления разгрузочная часть 74 проходит в корпус 79 фланца от 2 до 3 раз больше, чем шаг 64 резьбы, от первого находящегося в зацеплении витка 89 резьбы.
Разгрузочная часть 74 может иметь кольцевую форму. Разгрузочная часть 74 может содержать внутреннюю поверхность 75, внешнюю поверхность 76 и основание 77 углубления. Внутренняя поверхность 75 проходит в корпус 79 фланца в сторону от сопрягаемой поверхности 71 фланца. Внутренняя поверхность 75 может сужаться наружу по мере того, как внутренняя поверхность 75 проходит от сопрягаемой поверхности 71 фланца, и может иметь форму усеченного конуса. Внутренняя поверхность 75 может сужаться под углом 65 относительно сопрягаемой поверхности 71 фланца от 60 градусов до 85 градусов, и может сужаться под углом 66 относительно оси 67 компонента от 5 градусов до 30 градусов.
Внешняя поверхность 76 может проходить в корпус 79 фланца от сопрягаемой поверхности 71 фланца. Внешняя поверхность 76 смещена от внутренней поверхности 75. Внешняя поверхность 76 может иметь форму прямого кругового цилиндра. Основание 77 углубления может определять глубину 69 разгрузочной части 74 и может образовывать переход между внешней поверхностью 76 и внутренней поверхностью 75. В показанном варианте осуществления основание 77 углубления закругленное и имеет кольцевую форму.
Ободковая часть 78 расположена между резьбовой частью 73 и разгрузочной частью 74 и может быть образована между ними. Ободковая часть 78 может иметь кольцевую форму. Ободковая часть 78 может содержать верхнюю ободковую поверхность 63, которая может представлять собой кольцевую поверхность, которая параллельна сопрягаемой поверхности 71 фланца. Верхняя ободковая поверхность 63 должна быть утоплена в сопрягаемую поверхность 71 фланца или может быть утоплена в корпус 79 фланца относительно сопрягаемой поверхности 71 фланца. В некоторых вариантах осуществления верхняя ободковая поверхность 63 не находится в контакте со второй сопрягаемой поверхностью 81, пока не будут затянуты крепежные детали 85. В других вариантах осуществления верхняя ободковая поверхность 63 смещена в такой степени, что верхняя ободковая поверхность 63 не находится в контакте со второй сопрягаемой поверхностью 81 после того, как затянуты крепежные детали 85.
На фиг. 7 представлен вид в перспективе уплотнения 470 турбины, показанного на фиг. 1. На фиг. 8 представлен вид в поперечном разрезе части уплотнения 470 турбины, взятый вдоль линии VIII-VIII на фиг. 7. Как показано на фиг. 7 и 8, уплотнение 470 турбины может содержать уплотнительную часть 462, уплотнительный элемент 461, корпус 479 фланца уплотнения и резьбовые компоненты 472 уплотнения. Уплотнительная часть 462 может иметь кольцевую форму. Уплотнительный элемент 461 проходит из уплотнительной части 462 с образованием всего уплотнения, такого как лабиринтное уплотнение, или его части. Уплотнительный элемент 461 может проходить радиально в направлении, противоположном корпусу 479 фланца уплотнения, таком как радиально наружу или радиально внутрь относительно центральной оси 95. В некоторых вариантах осуществления уплотнительный элемент 461 может проходить в осевом направлении относительно центральной оси 95. В показанном варианте осуществления уплотнительный элемент 461 образован зубцами уплотнения, которые выступают радиально с уплотнением фланцев с кольцевой формой.
Корпус 479 фланца уплотнения может проходить радиально наружу или радиально внутрь из уплотнительной части 462 и может иметь кольцевую форму. Корпус 479 фланца уплотнения может содержать любой из компонентов, показанных или описанных в отношении корпуса 79 фланца на фиг. 2-5, таких как поверхность 471 уплотнения. Корпус 479 фланца уплотнения может содержать отверстие 489 фланца. Отверстие 489 фланца может быть расположено смежно с уплотнительной частью 462 или напротив нее.
Каждый резьбовой компонент 472 уплотнения может содержать любой из компонентов и элементов, показанных или описанных в отношении резьбового компонента 72 из фиг. 2-5, таких как резьбовая часть 473 уплотнения, разгрузочная часть 474 уплотнения, утопленная часть 478 уплотнения и утопленная поверхность 463 уплотнения.
Один или несколько из вышеуказанных компонентов (или их составляющих) может быть выполнен из нержавеющей стали и/или долговечных высокотемпературных материалов, известных как «суперсплавы». Суперсплав или сплав с высокими прочностными характеристиками представляет собой сплав, который характеризуется очень высокой механической прочностью и сопротивлением ползучести при высоких температурах, надлежащей стабильностью поверхности и стойкостью к коррозии и окислению. Суперсплавы могут включать такие материалы, как HASTELLOY, сплав X, INCONEL, WASPALOY, сплавы RENE, сплавы HAYNES, сплав 188, сплав 230, INCOLOY, MP98T, сплавы TMS и монокристаллические сплавы CMSX.
Промышленная применимость
Газотурбинные двигатели могут подходить для различных промышленных применений, например, различных аспектов нефтегазовой отрасли (включающих передачу, сбор, хранение, извлечение и подъем нефти и природного газа), энергетической промышленности, отрасли производства электрической и тепловой энергии, аэрокосмической отрасли и других транспортных отраслей.
Как показано на фиг. 1, газ (как правило, воздух 10) поступает на впуск 110 как «рабочее вещество» и сжимается компрессором 200. В компрессоре 200 рабочее вещество сжимается по пути 115 кольцевого потока посредством ряда дисков компрессора в сборе 220. В частности, воздух 10 нагнетается в пронумерованных «ступенях», при этом ступени связаны с каждым диском компрессора в сборе 220. Например, «воздух 4-й ступени» может быть связан с 4-м диском компрессора в сборе 220 в расположенном ниже по потоку или «заднем» направлении, проходящем от впуска 110 к выпуску 500 для отработавших газов. Подобным образом, каждый диск турбины в сборе 420 может быть связан с пронумерованной ступенью.
После сжатия воздух 10 покидает компрессор 200 и поступает в отсек 300 сгорания, где он распыляется и добавляется топливо. Воздух 10 и топливо впрыскиваются в камеру 390 сгорания и сжигаются. Смесь воздуха и топлива подают посредством топливного инжектора 310. Энергию получают от реакции сгорания через турбину 400 посредством каждой ступени ряда дисков турбины в сборе 420. Эта энергия может быть использована для приведения в действие насосов, генераторных установок и тому подобных посредством муфты 50 для передачи выходной мощности. Отработавшие газы 90 затем можно распылять в диффузоре 510 отработавших газов, собирать и перенаправлять. Отработавшие газы 90 покидают систему через коллектор 520 отработавших газов и могут быть дополнительно обработаны (например, чтобы снизить выбросы вредных веществ и/или чтобы рекуперировать тепло от отработавших газов 90).
Компоненты газотурбинного двигателя могут подвергаться тяжелым условиям эксплуатации, включая, помимо прочего, высокую температуру, крутящие моменты, напряжения и деформации. Срок службы фланцевых компонентов, объединенных в узлах сопряжения, таких как узел, изображенный на фиг. 2-4, может быть ограничен этими условиями эксплуатации, в частности в узлах сопряжения вращающихся фланцевых компонентов.
Разгрузочная часть 74 резьбового компонента 72 может допускать упругое смещение витков 84 резьбы и может распределять усилие зажима среди нескольких витков 84 резьбы, что может снизить напряжение на первом находящемся в зацеплении витке 89 резьбы и может увеличить усталостный ресурс болтового соединения.
В некоторых вариантах осуществления верхняя ободковая поверхность 63 ободковой части 78 утоплена относительно сопрягаемой поверхности 71 фланца, что может обеспечить осевое смещение первого находящегося в зацеплении витка 89 резьбы и может дополнительно снизить напряжение на первом находящемся в зацеплении витке 89 резьбы.
Предыдущее подробное описание является лишь иллюстративным по своей природе и не предназначено для ограничения настоящего изобретения или заявки и способов применения настоящего изобретения. Описанные варианты осуществления не ограничены применением в сочетании с конкретным типом газотурбинного двигателя или конкретным узлом сопряжения газотурбинного двигателя. Следовательно, хотя в настоящем изобретении для удобства пояснения изображены и описаны конкретные варианты осуществления узла сопряжения, следует понимать, что узел сопряжения согласно настоящему изобретению может быть реализован в различных других конфигурациях, может быть применен с различными другими типами узлов сопряжения и газотурбинных двигателей и может быть применен в других типах машин. Любое пояснение применительно к одному варианту осуществления применимо к аналогичным компонентам других вариантов осуществления, и элементы нескольких вариантов осуществления можно объединять для формирования других вариантов осуществления. Более того, нет намерения привязываться к какой-либо теории, представленной в предыдущем уровне техники или подробном описании. Также следует понимать, что изображения могут иметь преувеличенные размеры для лучшей наглядности показываемых ссылочных элементов и не являются ограничивающими, если явно не будет указано так.