CN101566078B - 隔热法兰螺栓 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及隔热法兰螺栓。具体而言，一种涡轮机/压缩机定子接头(300，350，400)，包括法兰(210)，穿过所述法兰(210)的孔(220)，以及穿过所述孔(220)的螺栓(230)。所述螺栓(230)包括杆(240)以及围绕所述杆(240)的隔离层(310)。

Description

隔热法兰螺栓
技术领域
本申请大体涉及燃气涡轮机，且更具体地涉及在涡轮机壳体和压缩机排气缸之间或在其中具有温度梯度的许多构件之间使用的隔热螺栓。
背景技术
在常规的燃气涡轮发动机中，涡轮机壳体、压缩机排气缸以及其它元件可通过若干螺栓连结。但是，螺栓可能因为压缩机排气缸内部或其它位置的高温压缩空气而变热。当螺栓越来越热时，则该螺栓就可能发生蠕变。该蠕变将导致螺栓损失预紧力并缩短使用寿命。
目前用以防止高温环境中蠕变的解决方案包括使用更大的螺栓或由耐温材料如镍铬合金(Inconel)所制成的螺栓。然而，由于空间的限制，螺栓的大小只能增大到一定程度。同样，与标准钢或类似材料制成的螺栓相比，使用诸如镍铬合金的材料可能更为昂贵。
因此，希望有一种螺栓接头连结，该螺栓接头连结可降低热影响的冲击并具有比公知的耐高热材料更少的费用。该螺栓优选在具有合适大小和合理成本的同时将是充分抗蠕变的。
发明内容
因此，本申请提供了一种涡轮机/压缩机定子接头。该涡轮机/压缩机定子接头可包括法兰，穿过该法兰延伸的孔，以及穿过该孔延伸的螺栓。该螺栓包括杆和围绕该杆的隔离层。
本申请还提供了使定位在热空气通道周围的接头闭合的方法。该方法包括步骤：用隔离层覆盖螺栓杆，将螺栓杆定位在接头的孔中，将螺母隔离层定位在螺栓杆和接头的周围，以及绕螺栓杆紧固螺母并紧固接头。
本申请还提供了热空气接头。该热空气接头可包括法兰、穿过该法兰延伸的孔，以及穿过该孔延伸的螺栓。该螺栓可由钢制成。该螺栓可包括杆和围绕该杆的杆隔离层。
对于本领域普通技术人员而言，当参看以下详细描述并结合若干附图以及所附权利要求时，本申请的这些以及其它特征将变得显而易见。
附图说明
图1是涡轮发动机的截面图，其示出了燃烧器、压缩机和涡轮机的各部分。
图2是公知的涡轮机/压缩机壳体接头的局部侧截面视图。
图3是文中所述的涡轮机/压缩机壳体接头的局部侧截面视图。
图4是文中所述的涡轮机/压缩机壳体接头的备选实施例的局部侧截面视图。
图5是文中所述的涡轮机/压缩机壳体接头的备选实施例的局部侧截面视图。
图6示出了在典型工况下法兰210和螺栓组件230的杆240中的温度分布。
图7示出了对于法兰210和杆240的平均温度分布。
图8示出了法兰210和杆240之间的平均温度分布。
图9示出了杆240温度的最大减量。
零件清单
10燃气涡轮发动机
20压缩机
30燃烧器
40燃烧室
50转子轴
60涡轮部分
71第一轮
72第二轮
73第三轮
74第四轮
81第一叶片
82第二叶片
83第三叶片
84第四叶片
91第一导叶
92第二导叶
93第三导叶
94第四导叶
100涡轮机外壳体
110涡轮机内壳体
120压缩机排气缸
130涡轮机排气机架
140螺栓
200涡轮机/压缩机壳体接头
210法兰
220法兰孔
230螺栓
240杆
250螺母
300涡轮机/压缩机壳体接头
310杆隔离层
350涡轮机/压缩机壳体接头
360螺母隔离层
400涡轮机/压缩机壳体接头
具体实施方式
现在参看附图，在所有附图中相同的标号表示相同的元件。图1示出了燃气涡轮发动机10的一部分。如同所知，燃气涡轮发动机10包括压缩机20。该压缩机20压缩进气流。随后，将该气流排放到燃烧器30。该燃烧器包括很多燃烧室40。这些燃烧室40通常围绕转子轴50周向地定位。压缩空气和燃料在燃烧室40中点燃，并用来驱动涡轮部分60。在涡轮部分60中，热燃气的能量转换成机械功。机械功的一部分用于通过轴50来驱动压缩机20，其余部分可用来驱动负载如发电机。
在该实例中，涡轮部分60可具有四个连续的级，该四个连续的级由四(4)个轮表示，第一轮71、第二轮72、第三轮73和第四轮74。这些轮71-74安装在转子轴50上。各个轮71-74均携有一排轮叶，该轮叶包括若干叶片，第一叶片81、第二叶片82、第三叶片83以及第四叶片84。该叶片81-84交替地布置在固定的喷嘴之间，这些固定的喷嘴包括若干叶片导叶，即第一导叶91，第二导叶92，第三导叶93以及第四导叶94。因此，显示了四级涡轮机，其中，第一级包括叶片81和导叶91；第二级包括叶片82和导叶92；第三级包括叶片83和导叶93；第四级包括叶片84和导叶94。不过，涡轮部分60可包括任何数量的级和不同的构造。
涡轮部分60可包括外壳体100和内壳体110。外壳体100可一端固定到压缩机排气缸120上而另一端固定到涡轮机排气机架130上。外壳体100可通过若干螺栓140而连结到压缩机排气缸120上以及连结到涡轮机排气机架130上。螺栓140可以是常规的设计和材料、尺寸过大的，或者由耐热材料制成。
图2详细地示出了涡轮机/压缩机壳体接头200。该涡轮机/压缩机壳体接头200包括两件式法兰210。该法兰210形成在压缩机排气缸120和涡轮机外壳体100之间。法兰孔220穿过法兰210的宽度延伸。螺栓组件230穿过法兰孔220延伸以便紧固并关闭接头200。螺栓组件230可包括穿过法兰孔220的长度延伸的杆240并且可在其任一端或两端通过螺母250而靠紧。杆240和螺母250可由常规金属制成，包括钢基合金如CrMoV、镍基合金如A286、Incone1625、Incone1718，以及类似材料。杆240可具有处于大约1英寸至大约3英寸(大约2.5至大约7.5厘米)之间的直径，并且可具有大约15英寸至大约23英寸(大约38厘米至大约58厘米)的长度。螺母250可具有大约1.5英寸至大约3英寸(大约3.8厘米至大约7.6厘米)的厚度，并且可具有大约1.25英寸至大约3.5英寸(大约3.2厘米至大约8.9厘米)的外径。文中还可使用其它的尺寸和构造。
图6示出了在典型工况下法兰210和螺栓组件230的杆240中的温度分布。如图所示，法兰210和杆240二者的温度起始从压缩机排气缸120经由法兰210升高，随后再朝向涡轮机外壳体100下降。
图3示出了改进的涡轮机/压缩机壳体接头300，如文中所述。改进的涡轮机/压缩机壳体接头300可在很大程度上等同于上文所述的涡轮机/压缩机壳体接头200，但带有围绕杆240的杆隔离层310。杆隔离层310可以为一层陶瓷纤维或陶瓷棉、玻璃纤维或玻璃棉、陶瓷泡沫材料、气凝胶或具有良好隔离性能的类似材料。杆隔离层310可具有大约4×10-2BTU/hr ft °F(大约6.9瓦特/米°K)的导热系数。该导热系数可在大约7×10-3BTU/hr ft°F至大约10×10-2BTU/hr ft°F(大约12×10-3瓦特/米°K至大约17。3×10-2瓦特/米°K)的范围内变动。隔离层310可具有大约0.0625英寸(大约1.6毫米)的厚度。范围在大约0.040至大约0.125英寸(大约1.02毫米至大约3.175毫米)内的厚度可以使用。该厚度可基于壳体设计和其它考虑而变化。
图7示出了对于法兰210和杆240的平均温度分布。如图所示，当使用杆隔离层310时，杆240的温度分布不具有如图6所示的峰值。
图4示出了改进的涡轮机/压缩机壳体接头350。该改进的涡轮机/压缩机壳体接头350可在很大程度上等同于涡轮机/压缩机壳体接头200，但带有定位在各螺母250和法兰210之间的螺母隔离层360。该螺母隔离层360可采用垫片的形式，类似于杆隔离层310的隔离层或类似构造。螺母隔离层360可由具有比螺栓和螺母材料更小导热系数的合金制成。该螺母隔离层360还可由镍基金属、陶瓷、高温钢如A-286或具有良好隔热性能的类似材料制成。该材料还可基于几何形状、工况和其它考虑而变化。螺母隔离层360可具有大约12BTU/hr ft°F(大约20.8瓦特/米°K)的导热系数。该导热系数可在大约8BTU/hrft°F或更小至大约13BTU/hr ft°F(大约13.8瓦特/米°K或更小到大约22.5瓦特/米°K)的范围内变动。该隔离层360可具有大约1英寸(大约25毫米)的厚度。根据垫片材料的导热系数，可使用大约0.25英寸至大约2英寸(大约6.35毫米至大约51毫米)范围内的厚度。
螺母隔离层360减少了能从法兰210进入杆240的热，并且由于增大了表面面积而可以将一些热从法兰210散发到空气中。螺母隔离层360可以切割成一定的几何结构，以便增大对法兰210周围的冷却空气的传热面积。例如，可以采用城堡形(castellation)或翅片。人们还可通过使螺母接触表面成城堡形或扇形而减小垫片360和法兰210之间和/或垫片360和螺母250之间或者螺母250和法兰210之间的传热面积。
图8示出了法兰210和杆240之间的平均温度分布。尽管的确重现了图6中所示的初始峰值，但杆240的温度分布还是再次比图6的基线情况有所降低。
图5示出了改进的涡轮机/压缩机壳体接头400，如文中所述。该改进的涡轮机/压缩机壳体接头400可很大程度上等同于涡轮机/压缩机壳体接头200，但增添有图3的杆隔离层310和图4的螺母隔离层360。
图9示出了杆240温度的最大减量。在这种情况下，通过使用杆隔离层310和螺母隔离层360可达到大约105°F(大约40.6℃)的温差。此外，与图6的基线情况相比，法兰210中的温度降低了大约48.5°F(大约9.2℃)。
通过降低沿着允许热进入螺栓组件230的通道的导热系数并且还通过遮蔽该通道，杆隔离层310和螺母隔离层360的使用因而减少了该通道。同样，暴露在冷却空气中的增大的表面面积也可有助于散热。因此，螺栓组件230可由标准的材料制成，以降低成本却带有减小的蠕变。
尽管本发明针对涡轮机/压缩机壳体接头进行了论述，但文中所述的杆隔离层310和螺母隔离层360可用在涡轮机壳体/涡轮机排气机架接头或涡轮机中任何其它所需的位置处。本发明还可用于法兰相对于螺栓存在温差的任何地方。杆隔离层310和螺母隔离层360还可用于螺栓或类似接合器件暴露于高温的任何地方。
应认识到的是，前述内容仅涉及本申请的优选实施例，本领域普通技术人员不脱离由下列权利要求及其等同物所限定的本发明的总体精神和范围，在此可作出许多变更和修改。

Claims (17)

1.一种涡轮机/压缩机定子接头(300，350，400)，包括：
法兰(210)；
穿过所述法兰(210)延伸的孔(220)；以及
穿过所述孔(220)延伸且包括杆的螺栓(230)；
围绕所述杆(240)的杆热隔离层(310)；
围绕所述螺栓定位的螺母；和
定位在所述螺母和所述法兰之间的螺母热隔离层。
2.根据权利要求1所述的涡轮机/压缩机定子接头(300，350，400)，其特征在于，所述螺栓(230)包括钢基合金或镍基合金。
3.根据权利要求1所述的涡轮机/压缩机定子接头(300，350，400)，其特征在于，所述杆(240)包括1英寸至3英寸(25毫米至76毫米)的直径。
4.根据权利要求1所述的涡轮机/压缩机定子接头(300，350，400)，其特征在于，所述杆热隔离层(310)包括陶瓷纤维、陶瓷棉、玻璃纤维、玻璃棉、陶瓷泡沫材料或气凝胶。
5.根据权利要求1所述的涡轮机/压缩机定子接头(300，350，400)，其特征在于，所述杆热隔离层(310)包括7×10-3BTU/hr ft°F至10×10-2BTU/hr ft°F(12×10-3瓦特/米°K至17.3×10-2瓦特/米-K)的导热系数。
6.根据权利要求1所述的涡轮机/压缩机定子接头，其特征在于，所述杆热隔离层具有0.040英寸至0.125英寸(1.02毫米至3.175毫米)的厚度。
7.根据权利要求1所述的涡轮机/压缩机定子接头(300，350，400)，其特征在于，所述螺母热隔离层(360)包括铁基合金或镍基合金。
8.根据权利要求1所述的涡轮机/压缩机定子接头(300，350，400)，其特征在于，所述螺母热隔离层(360)具有8BTU/hr ft°F至13BTU/hrft°F(13.8瓦特/米°K至22.5瓦特/米°K)的导热系数。
9.根据权利要求1所述的涡轮机/压缩机定子接头，其特征在于，所述螺母热隔离层具有0.25英寸至2英寸(6.4毫米至51毫米)的厚度。
10.根据权利要求1所述的涡轮机/压缩机定子接头，其特征在于，所述螺母热隔离层包括垫片。
11.一种使位于热空气通道(120)周围的接头(200)闭合的方法，包括：
用热隔离层(310)覆盖螺栓杆(240)；
将所述螺栓杆(240)定位在所述接头(200)的孔(220)中；
将螺母热隔离层(360)定位在所述螺栓杆(240)和所述接头(200)周围；以及
绕所述螺栓杆(240)紧固螺母(250)，并紧固所述接头(200)。
12.一种热空气接头，包括：
法兰；
穿过所述法兰延伸的孔；以及
穿过所述孔延伸且包括杆的螺栓；
围绕所述杆的杆热隔离层；
围绕所述螺栓定位的螺母；和
定位在所述螺母和所述法兰之间的螺母热隔离层。
13.根据权利要求12所述的热空气接头，其特征在于，所述杆热隔离层具有7×10-3BTU/hr ft°F至10×10-2BTU/hr ft°F(12×10-3瓦特/米°K至17.3×10-2瓦特/米°K)的导热系数。
14.根据权利要求12所述的热空气接头，其特征在于，所述杆热隔离层包括陶瓷纤维、陶瓷棉、玻璃纤维、玻璃棉、陶瓷泡沫材料或气凝胶。
15.根据权利要求12所述的热空气接头，其特征在于，所述螺母热隔离层具有8BTU/hr ft°F至13BTU/hr ft°F(13.8瓦特/米°K至22.5瓦特/米°K)的导热系数。
16.根据权利要求12所述的热空气接头，其特征在于，所述螺母热隔离层包括铁基合金或镍基合金。
17.根据权利要求12所述的热空气接头，其特征在于，所述螺母热隔离层包括垫片。
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