CN105765168B - 径向系紧螺栓支承弹簧 - Google Patents

Abstract

根据一些实施例，提供了一种系紧螺栓支承组件，其包括用于与系紧螺栓和转子组件两者接合的支承弹簧，以保持系紧螺栓与转子组件之间的负载路径，同时还允许系紧螺栓的轴向移动。

Description

径向系紧螺栓支承弹簧

相关申请的交叉引用

本PCT实用申请请求享有具有美国专利申请序列第61/909,069号的标题为"Radial Tie-Bolt Support Spring"并且具有2013年11月26日的提交日期的当前未决的临时申请的优先权和权益，其全部通过引用并入本文中。

技术领域

本实施例大体上涉及燃气涡轮发动机。更具体而言，本实施例涉及但不限于径向系紧螺栓支承弹簧，其通过提供系紧螺栓与周围的转子结构之间的侧向负载路径而增大系紧螺栓系统的自然频率。

背景技术

典型的燃气涡轮发动机大体上拥有前端和后端，其中其若干芯部或推进构件沿轴向定位在其间。空气入口位于发动机的前端处。按顺序朝后端移动，进气口之后是风扇、压缩机、燃烧室和涡轮。从本领域技术人员将容易显而易见的是，附加的构件还可包括在燃气涡轮发动机中，如例如，低压和高压压缩机和低压和高压涡轮。然而，这不是详尽的清单。

压缩机和涡轮大体上包括沿轴向堆叠成级的成排的翼型件。各级包括一排沿周向间隔开的定子导叶和一排转子叶片，其围绕燃气涡轮发动机的高压或低压轴旋转。多级低压涡轮在多级高压涡轮之后，并且典型地由低压轴连结于设置在典型涡轮风扇飞行器发动机构造中的低压压缩机上游的风扇，用于对飞行中的飞行器供能。

定子由多个喷嘴节段形成，该多个喷嘴节段邻接在周向端处，以形成围绕燃气涡轮发动机的轴线的整个环。各个喷嘴节段可包括通常称为单体的单个定子导叶。作为备选，喷嘴节段可具有每个节段两个定子导叶，其大体上称为双体。在第三实施例中，附加数量的导叶可设置在单个节段上。在这些实施例中，导叶在内带与外带之间延伸。

在操作中，高压涡轮和低压涡轮作用为使能量从高温燃烧气体的抽取最大化。涡轮区段典型地具有沿燃气涡轮发动机的中心纵轴线沿轴向设置的高压或低压轴。翼型件形转子叶片沿周向分布在转子上，引起内轴通过与燃烧排出气体的相互作用的旋转。

低压轴和高压轴连接于转子和空气压缩机，使得涡轮将旋转输入分别提供至高压和低压空气压缩机，以驱动压缩机叶片。这在操作期间对压缩机供能，并且随后驱动涡轮。在燃烧气体向下游流过涡轮级时，能量从其抽取，并且燃烧气体的压力减小。

一些燃气涡轮发动机利用系紧螺栓，其可沿轴向方向延伸穿过燃气涡轮发动机。系紧螺栓可用于将一个或更多个压缩机模块连接于彼此和/或更多涡轮模块。系紧螺栓可允许涡轮模块除去，而不拆解压缩机模块。当前的系紧螺栓系统可具有各种自然频率，在该各种自然频率下，系紧螺栓可沿侧向偏转并且围绕发动机中心线回转，类似于"跳绳"动作。

关于当前实施例，扳手螺母可用于保持压缩机的轴向后部与系紧螺栓的轴向中点之间的连接。当涡轮模块从燃气涡轮发动机除去时，此类扳手螺母允许压缩机保持其组装状态。扳手螺母还改进系紧螺栓的刚度，以抑制或增大此类"跳绳模式"的自然频率。然而，使用该中点扳手螺母所需的转子结构为相对重的构件，其如果除去，将导致改进的发动机性能。尽管将合乎需要的是减小与扳手螺母相关联的重量，但扳手螺母的除去减小了系紧螺栓的刚性，允许增大的侧向振动运动。侧向运动限定为构件或构件的一部分(通常与转子同心)的位移，使得构件的中心线不再与整个转子中心线重合。

将合乎需要的是，通过不传递系紧螺栓的侧向负载来改进这些状态以减小中点扳手螺母组件的重量，而不还降低系紧螺栓的自然频率。

包括在说明书的背景技术部分中的信息(包括本文中引用的任何参考文献和其任何描述或论述)仅出于技术参照目的而被包括，并且不看作是本实施例的范围由其界定的主题。

发明内容

根据一些实施例，提供了一种系紧螺栓支承组件，其包括用于与系紧螺栓和转子组件两者接合的支承弹簧，以保持系紧螺栓与转子组件之间的负载路径，同时还允许系紧螺栓的轴向移动。

根据一些其它实施例，系紧螺栓支承组件包括轴流式压缩机，其具有多个转子盘和从转子盘延伸的多个转子叶片、沿轴向延伸穿过轴流式压缩机的系紧螺栓，系紧螺栓具有围绕系紧螺栓的外径延伸的周向凹槽、设置在凹槽中并且能够在凹槽内轴向移动的弹簧，其中弹簧接合多个转子盘中的至少一个，以保持至少一个转子盘上的径向力。

所有上文略述的特征将理解为仅为示例性的，并且系紧螺栓支承组件的更多特征和目的可从本文中的公开收集到。该概述提供成以简化方式引入构思的选择，其在详细描述中在以下进一步描述。该概述不旨在识别要求权利的主题的关键特征或基本特征，也不旨在用于限制要求权利的主题的范围。本发明的特征、细节、实用性和优点的更宽泛陈述在本发明的各种实施例的以下书面描述中提供，在附图中示出，并且在所附权利要求中限定。因此，该概述的非限制性解释将在不进一步阅读与其一起包括的全部说明书、权利要求和附图的情况下理解。

附图说明

这些示例性实施例的上文提到的和其它的特征和优点，以及获得它们的方式将变得更显而易见，并且系紧螺栓支承组件特征将通过参照结合附图进行的实施例的以下描述而更好理解，在该附图中：

图1为示例性燃气涡轮发动机的示意性侧视截面视图；

图2为系紧螺栓组件的第一实施例的示意图；

图3为包括弹簧的系紧螺栓组件的详细示意图；

图4为如所示的图3的实施例，其中弹簧处于弯曲位置；

图5为弹簧的等距视图；

图6为备选弹簧实施例的轴向视图；以及

图7为具有颠倒构造的又一个备选弹簧的侧视截面视图。

具体实施方式

现在将详细参照提供的实施例，其一个或更多个实例在附图中示出。各个实例经由阐释提供，而不限制公开的实施例。实际上，对本领域技术人员而言将显而易见的是，可在本实施例中作出各种改型和变型，而不脱离本公开的范围或精神。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可与另一个实施例一起使用以还产生另外的实施例。因此，意图是本发明覆盖落入所附权利要求和它们的等同物的范围内的此类改型和变型。

参照图1-7，燃气涡轮发动机的各种实施例具有系紧螺栓支承组件。组件减轻转子的重量，同时向系紧螺栓提供侧向支承并且抵抗非对称偏转，其中系紧螺栓的中心线转移。

如本文中使用的，用语"轴向"或"轴向地"是指沿发动机的纵轴线的大小。连同"轴向"或"轴向地"使用的用语"前"是指沿朝发动机入口的方向移动，或者构件相比于另一个构件相对更接近发动机入口。连同"轴向"或"轴向地"使用的用语"后"是指沿朝发动机喷嘴的方向移动，或者构件相比于另一个构件相对更接近发动机喷嘴。

最初参照图1，示出了燃气涡轮发动机10的示意性侧视截面视图。燃气涡轮发动机10的功能在于从高压和高温燃烧气体抽取能量，并且将能量转换成机械能用于工作。燃气涡轮发动机10具有发动机入口端12，其中空气进入芯部推进器13，其大体上由高压压缩机14、燃烧器16和多级高压涡轮20限定。共同地，芯部推进器13在操作期间提供推力或动力。燃气涡轮发动机10可用于航空、发电、工业、船舶等。

在操作中，空气进入穿过燃气涡轮发动机10的发动机入口端12，并且移动穿过至少一个压缩级，其中，空气压力增大并且引导至燃烧器16。压缩的空气与燃料混合，并且焚烧，提供热燃烧气体，其朝高压涡轮20离开燃烧器16。在高压涡轮20处，能量从热燃烧气体抽取，引起涡轮叶片旋转，这继而引起轴24的旋转。轴24朝燃气涡轮发动机的前部经过，以继续一个或更多个高压压缩机14级的旋转。低压轴28在低压压缩机22与低压涡轮21之间延伸。涡扇18或入口风扇叶片取决于涡轮设计也可由低压轴28连接于低压涡轮21，并且产生用于燃气涡轮发动机10的推力。低压涡轮21也可用于抽取另外的能量，并且对附加的压缩机级供能。

现在参照图2，绘出了系紧螺栓组件30的第一实施例的示意图。系紧螺栓组件30提供高压压缩机14模块和/或涡轮20模块通过非螺栓接头的可分离接合。该构造消除了涡轮和相对重的压缩机模块的凸缘和螺栓连接。系紧螺栓组件30通过经由系紧螺栓组件30施加压缩负载来提供可分离的转子构件的轴向固持。系紧螺栓31为管状截面，并且从高压压缩机14的前端朝后端沿轴向延伸并且延伸到涡轮20中。

高压压缩机14包括转子组件15，其包括均连接于转子盘32的多个叶片34。转子盘32在绘出的视图中沿径向方向延伸。转子组件15还包括多个凸起36，其在转子盘32之间延伸并且在叶片34径向内侧延伸。如进一步所述，本实施例的支承弹簧60(图3)可定位成在转子盘32与系紧螺栓31以及其它位置之间对接。

现在参照图3，绘出了转子组件15的各种转子盘32附近的高压压缩机14(图1)内的系紧螺栓组件30的详细示意图。系紧螺栓组件30沿轴向方向延伸，并且多个转子盘32绘制为沿径向方向从系紧螺栓组件30的外表面40附近延伸。系紧螺栓组件30可以以各种方式布置，以免触碰转子盘32。例如，转子盘32可具有孔，系紧螺栓组件30穿过该孔。转子盘可以以多种方式连接于系紧螺栓组件30。叶片34在转子盘32的径向外端处。叶片34示为以燕尾布置连接于转子盘32，其中转子盘32和叶片34机械地连接。然而，这些结构还可组合成形成叶盘布置，其可由本领域技术人员认作是盘和叶片的整体构造。这些布置可独立地或组合地使用。凸起36在转子盘32之间延伸。凸起36沿大体轴向方向延伸，并且可包括沿径向方向延伸的密封齿38，以接合高压压缩机14的定子部分。尽管凸起36示为大致线性的，但它们可为曲线的。

沿系紧螺栓组件30的外表面40，凹槽42定位在系紧螺栓31中。凹槽42可围绕系紧螺栓31沿周向延伸。凹槽42可围绕整个外表面40延伸，或者可围绕外表面40小于360度。此外，凹槽42可限定为沿周向方向的单个连续凹槽42，或者可由多个不连续的区段沿周向方向限定。

凹槽42在截面上为大体u形，具有第一侧壁44、第二侧壁46和座48。如所绘，座48大体上在沿径向延伸的侧壁44,46之间沿轴向延伸。作为备选，如所绘，侧壁44,46可与座48成非垂直角。然而，该特定u形和截面仅为一个实施例，并且可使用备选的截面、形状和构造，如，v形截面。例如，座48可成角或者由两个或更多个节段而非所绘单个节段形成。座48还可包括定位特征，如，棘爪、凸台或凹口，用于弹簧60的定位。

脚部50从转子盘32延伸。脚部50在凹槽42之上沿大体轴向方向延伸。尽管脚部50示为大致线性的，但也可使用曲线结构。脚部50具有下表面52，其由弹簧60接合。脚部50可沿周向方向延伸大约360度作为单个构造，或者可以以两个或更多个节段延伸。脚部50允许侧向负载从系紧螺栓组件30传递至转子组件15，转子组件15提供了用于系紧螺栓31的侧向支承。此外，弹簧60、系紧螺栓31和脚部50之间的接合增大系杆螺栓31的自然频率，使得自然频率增大到高于发动机操作速度的足够裕度以上。

脚部50包括光滑的沿周向延伸的下表面52，用于与弹簧60接合。下表面52定位在凹槽42和相对的座48之上或者与其沿径向间隔开。下表面52提供上限，并且座48提供下限，两者都沿径向方向。下表面52还可具有定位特征，以将弹簧60固持就位。此外，凹槽42提供系紧螺栓组件30上的正轴向定位特征用于弹簧60。这些特征有助于保持部分之间的接合。

脚部50与座48间隔开一距离，其小于弹簧60的高度72(图6)，以使径向过盈总是存在于弹簧60与脚部50之间。这利用径向压缩将预负载施加于弹簧60。当燃气涡轮发动机不操作时，弹簧60接合脚部50。当燃气涡轮发动机操作并且热膨胀发生时，弹簧60保持接合，而不管与转子盘32、脚部50、系紧螺栓31或弹簧60中的任一个的扩张相关联的大小变化。

例如，由于发动机操作期间的变化热状态，故脚部50与座48之间的间距可随转子盘32沿径向方向增长而变化。径向过盈大于脚部50与座48之间的相对运动的范围，以使弹簧60在瞬变操作状态、稳态操作状态期间和在发动机停机期间连续地接合脚部50。

弹簧60大体上绘制为倒置的u形。弹簧60在图5中进一步描述，但包括第一弹簧脚部62和第二弹簧脚部64，它们接合座48和峰部或中间部分66，峰部或中间部分66接合脚部50。尽管根据本实施例，u形为倒置的，但在本实施例的范围内的是，弹簧60被翻转，以使弹簧60端接合脚部50，并且中间部分66接合系紧螺栓31，这与图3中所绘的构造相反。

还如图3中所见，弹簧60具有沿轴向方向的长度，其小于凹槽42的长度。这允许了弹簧60就座于其中。另外，这允许了弹簧60独立于弯曲在凹槽42内沿轴向移动，而不传送轴向加载。

现在参照图4，示出图3的实施例，其中弹簧60弯曲，以使弹簧60的端部沿轴向方向朝凹槽42的侧壁44,46推动。在弹簧60的弯曲期间，弹簧60的端部可沿轴向方向移动。然而，转子盘32并未接合系紧螺栓组件30，而不管径向或侧向移动。因此，凹槽42具有轴向大小，其大于弹簧60的轴向大小，以允许弹簧60沿轴向方向的此类弯曲。此外，如前文所述，在操作期间，意图是弹簧60能够在凹槽42内沿座48滑动。这阻止了弹簧60上的轴向加载，同时仍允许转子组件15与系紧螺栓组件30之间的径向和侧向负载。

现在参照图5，绘出了弹簧60的等距视图。本实施例的弹簧60大体上接近360度连续。然而，弹簧60的周向端61,63(图6)断开，以允许弹簧60围绕系紧螺栓31的定位。此外，如前文所指示，弹簧60可分成如图6中所示的多个节段161，而非如所绘的大致连续结构。一个或更多个弹簧60具有第一周向端61和第二周向端63。弹簧60包括第一轴向端68和第二轴向端70，第一弹簧脚部62和第二弹簧脚部64以及中间部分66在它们之间。如前文所示，弹簧脚部62,64就座于系紧螺栓31的凹槽42内。脚部62,64可在轴向端处，或者弹簧60可如所绘向上卷曲，以阻止弹簧脚部62,64在座48表面上开槽或以其它方式阻止弹簧60的轴向移动。中间部分66接合脚部50，以提供系紧螺栓组件30与转子组件15之间的负载路径。

如前文所述，弹簧60还可倒置，以使弹簧脚部62,64接合脚部50，并且中间部分66接合凹槽42的座48。此外，尽管示出了u形弹簧结构，但本领域技术人员将清楚的是，可使用其它弹簧结构，如，螺旋弹簧、球囊类型的弹簧或偏压结构，或进一步允许轴向移动的其它推动构件。

现在参照图6，绘出了备选弹簧60实施例的轴向视图。替代单个节段，多个节段161绘制为均具有周向端71,73。弹簧60示为具有轴向端70和高度72。高度72随弹簧60的弯曲变化，如通过比较图3和4所绘的。关于弹簧60的弯曲，端部70,68(图5)沿轴向方向移动，如通过比较图3和4所示。如前文所示和所论述，高度72为如下大小，以便提供脚部50与系紧螺栓31之间的连续过盈配合。

此外，由于实施例绘出了分成沿周向延伸的多个节段161的弹簧60，故凹槽42可由对应于弹簧60的节段161的长度的多个周向节段形成。

现在参照图7，弹簧60绘制为在颠倒或倒置位置。中间部分66绘制为接合系紧螺栓31，并且弹簧脚部62,64绘制为接合转子盘32的脚部50。

尽管本文中描述和示出了多个发明实施例，但本领域技术人员将容易设想出用于执行功能和/或获得本文中所述的结果和/或优点中的一个或更多个的多种其它器件和/或结构，并且此类变型和/或改型中的各个认作是在本文中所述的实施例的发明范围内。更具体而言，本领域技术人员将容易认识到，本文中所述的所有参数、大小、材料和构造意味着为示例性的，并且实际的参数、大小、材料和/或构造将取决于本发明的教导用于其的特定的一个或多个应用。本领域技术人员将认识到或能够使用仅例行试验确定本文中所述的特定发明实施例的许多等同方案。因此，将理解的是，前述实施例仅经由实例呈现，并且在所附权利要求及其等同物的范围内的是，本发明的实施例可除如具体描述和要求权利那样之外实践。本公开的发明实施例针对各个独立特征、系统、制品、材料、套件和/或本文中所述的方法。此外，两个或更多个此类特征、系统、制品、材料、套件和/或方法的任何组合(如果此类特征、系统、制品、材料、套件和/或方法不相互矛盾)包括在本公开的发明范围内。

实例用于公开实施例(包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实践设备和/或方法(包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何并入的方法)。这些实例不旨在为详尽的或将本公开限于公开的确切的步骤和/或形式，并且许多改型和变型鉴于以上教导是可能的。本文中所述的特征可以以任何组合来组合。本文中所述的方法的步骤可按物理上可能的任何顺序执行。

如本文中限定和使用的任何定义应当理解为先于词典定义、通过引用并入的文献中的定义，和/或限定的用语的普通意义。如本文中在说明书和权利要求中使用的不定冠词"一"和"一个"(除非清楚地相反指示)应当理解为意思是"至少一个"。如本文中在说明书和权利要求中使用的短语"和/或"应当理解为意思是如此联结的元件中的"任一个或两者"，即，在一些情况中联合出现的和在其它情况中分开出现的元件。

还应当理解的是，除非清楚相反指示，在包括一个以上的步骤或动作的本文中要求权利的任何方法中，方法的步骤或动作的顺序不必限于叙述方法的步骤或动作的顺序。

Claims (15)

1.一种系紧螺栓支承组件，包括：

轴流式压缩机，其具有多个转子盘和从所述转子盘延伸的多个转子叶片；

沿轴向延伸穿过所述轴流式压缩机的系紧螺栓，所述系紧螺栓具有围绕所述系紧螺栓的外径延伸的周向凹槽；

弹簧，其设置在所述凹槽中并且能够在所述凹槽内轴向移动；

所述弹簧接合所述多个转子盘中的至少一个，以保持所述至少一个转子盘上的径向力。

2.根据权利要求1所述的系紧螺栓支承组件，其特征在于，所述弹簧具有径向高度，其大于所述周向凹槽的深度。

3.根据权利要求2所述的系紧螺栓支承组件，其特征在于，当所述弹簧弯曲和未弯曲时，所述弹簧保持与所述转子盘接合。

4.根据权利要求1所述的系紧螺栓支承组件，其特征在于，所述凹槽具有轴向长度，其大于正常状态中的所述弹簧的轴向长度。

5.根据权利要求1所述的系紧螺栓支承组件，其特征在于，所述至少一个转子盘还包括接合所述弹簧的脚部。

6.根据权利要求5所述的系紧螺栓支承组件，其特征在于，所述脚部沿轴向方向延伸。

7.根据权利要求5所述的系紧螺栓支承组件，其特征在于，所述脚部和所述弹簧保持径向过盈。

8.根据权利要求1所述的系紧螺栓支承组件，其特征在于，所述弹簧和所述转子盘的接合提供用于所述系紧螺栓的侧向支承。

9.根据权利要求1所述的系紧螺栓支承组件，其特征在于，所述弹簧为大致u形的。

10.根据权利要求9所述的系紧螺栓支承组件，其特征在于，所述弹簧还包括第一弹簧脚部和第二弹簧脚部。

11.根据权利要求10所述的系紧螺栓支承组件，其特征在于，所述第一弹簧脚部和所述第二弹簧脚部接合所述凹槽。

12.根据权利要求10所述的系紧螺栓支承组件，其特征在于，所述第一弹簧脚部和所述第二弹簧脚部接合所述转子盘。

13.根据权利要求9所述的系紧螺栓支承组件，其特征在于，所述弹簧为大体周向的。

14.根据权利要求13所述的系紧螺栓支承组件，其特征在于，所述弹簧具有第一轴向端68和第二轴向端。

15.根据权利要求1所述的系紧螺栓支承组件，其特征在于，所述弹簧产生所述系紧螺栓与所述转子盘之间的侧向负载路径。