CN108953340B - 用于燃气涡轮发动机的可压溃间隔件和螺栓接合接头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种螺栓接合接头装置，包括：第一部件，所述第一部件包括通过其延伸的第一排第一螺栓孔；第二部件，所述第二部件包括通过其延伸的第二排第二螺栓孔，其中，所述第二螺栓孔与所述第一螺栓孔同轴地对齐；多个紧固件，每个紧固件通过对齐的各对所述第一和第二螺栓孔设置，以将所述第一和第二部件连接在一起，每个所述紧固件包括柄部；以及可压溃间隔件，所述可压溃间隔件围绕所述紧固件的所述柄部设置，所述可压溃间隔件在所述紧固件和所述部件中的一个之间压缩夹紧，其中，每个所述可压溃间隔件具有管状主体，所述管状主体由外周壁限定，所述外周壁包括至少一个削弱特征。本发明还涉及一种燃气涡轮发动机。

Description

用于燃气涡轮发动机的可压溃间隔件和螺栓接合接头
技术领域
本发明大体涉及螺栓接合接头，并且更具体地涉及燃气涡轮发动机内的螺栓接合接头。
背景技术
燃气涡轮发动机包括涡轮机械核心，所述涡轮机械核心具有串流关系的高压压缩机、燃烧器和高压涡轮。核心可以已知方式操作以生成推进气体的主要流。典型的涡扇发动机增加了由核心废气驱动的低压涡轮，低压涡轮又通过轴驱动风扇转子，以生成推进气体的旁路流。在高涵道发动机的情况下，这提供大部分的总发动机推力。
在燃气涡轮发动机中的几个位置使用螺栓接合接头。每个螺栓接合接头包括邻接凸缘，邻接凸缘由螺栓或其它紧固件通过在每个凸缘中提供的相互对齐的螺栓孔保持在一起。操作中，发动机可能经历不正常的事件，例如风扇叶片的断裂和松开(“FBO”)。这可在发动机各处产生极端应力、力和挠曲。相对于螺栓接合接头的轴向中心线的大的径向、切向或轴向载荷可在凸缘上强加弯曲力矩或拉力，这可引起的螺栓的变形或断裂。FAA认证要求，在这种事件中发动机必须保持其结构完整性，使得部件不会碰到飞行器的其它部分，或者不会从飞行器脱落。
为了缓解发动机上的力，在发动机内有几个位置使用“熔合”连接。一种类型的熔丝元件是可压溃间隔件，其为小的大致圆柱形的装置，放置在螺栓的柄部上，并在螺栓接合接头中一起夹紧。间隔件能够抵抗螺栓接合接头预载荷，同时保持结构完整性，但如果引发过大的载荷，则间隔件会压溃/失效，因此减轻邻接部件中的应力。在这些情况下，如果可压溃间隔件失效，则所连接的部件一般会保持足够的连接以确保安全的结果，但如果可压溃间隔件保持其完整性，则可压溃间隔件可将极端的力传递到周围部件，使周围部件以不可预测的方式失效。
在现有技术中，通过选择可压溃间隔件的壁厚和材料，确定可压溃间隔件的尺寸，所述材料通常是金属合金。使用现有间隔件的螺栓接合接头的一个问题是力/挠曲特性不是期望的。具体地，存在弹性挠曲区，之后是屈服区，之后是最终的拉力失效区。操作中，产生弹性挠曲所需的载荷和产生失效所需的载荷之间有很大的不同。可压溃间隔件在间隔件的柱屈曲之前可经历非常大的屈服度。实际结果是间隔件以拉长的方式失效，受到过载的多个间隔件可常常在不同时间不一致地失效。这就违背了可压溃间隔件的用途。
发明内容
此问题是通过包括可压溃间隔件的螺栓接合接头解决的，所述可压溃间隔件具有外周壁，所述外周壁包括至少一个削弱特征。
根据本说明书中描述的技术的一个方面，一种螺栓接合接头装置，包括：第一部件，所述第一部件具有第一凸缘，所述第一凸缘包括通过其延伸的第一排第一螺栓孔；第二部件，所述第二部件具有第二凸缘，所述第二凸缘包括通过其延伸的第二排第二螺栓孔，其中，所述第二螺栓孔与所述第一螺栓孔同轴地对准；多个紧固件，每个紧固件通过对准的各对所述第一和第二螺栓孔设置，以将所述第一和第二凸缘连接在一起，每个所述紧固件包括柄部；以及可压溃间隔件，所述可压溃间隔件围绕所述紧固件的所述柄部设置，所述可压溃间隔件在所述紧固件和所述部件中的一个之间压缩夹紧，其中，每个所述可压溃间隔件具有管状主体，所述管状主体包括互连第一和第二扩大端的中心部分，所述管状主体由外周壁限定，所述外周壁包含至少一个削弱特征。
根据本说明书中描述的技术的另一方面，一种燃气涡轮发动机，包括：涡轮机械部件，所述涡轮机械部件包括以串流关系布置并围绕发动机中心线轴线限定的风扇、压缩机、压缩机、燃烧器和涡轮；以及支撑静态结构，所述支撑静态结构限定所述涡轮机械部件；其中，所述涡轮机械部件和所述静态结构中的至少一个包括螺栓接合凸缘组件，所述螺栓接合凸缘组件包括：第一部件，所述第一部件具有第一凸缘，所述第一凸缘包括通过其延伸的第一排第一螺栓孔；第二部件，所述第二部件具有第二凸缘，所述第二凸缘包括通过其延伸的第二排第二螺栓孔，其中，所述第二螺栓孔与所述第一螺栓孔同轴地对准；多个紧固件，每个紧固件通过对准的各对所述第一和第二螺栓孔设置，以将所述第一和第二凸缘联接在一起，每个所述紧固件包括柄部；以及可压溃间隔件，所述可压溃间隔件围绕所述紧固件的所述柄部设置，所述可压溃间隔件在所述紧固件和所述凸缘中的一个之间压缩夹紧，其中，每个所述可压溃间隔件具有管状主体，所述管状主体包括互连第一和第二扩大端的中心部分，所述管状主体由外周壁限定，所述外周壁包含至少一个削弱特征。
技术方案1.一种螺栓接合接头装置，包括：第一部件，所述第一部件包括通过其延伸的第一排第一螺栓孔；第二部件，所述第二部件包括通过其延伸的第二排第二螺栓孔，其中，所述第二螺栓孔与所述第一螺栓孔同轴对齐；多个紧固件，每个紧固件通过对齐的各对所述第一和第二螺栓孔设置，以将所述第一和第二部件连接在一起，每个所述紧固件包括柄部；以及可压溃间隔件，所述可压溃间隔件围绕所述紧固件的柄部设置，所述可压溃间隔件在所述紧固件和所述部件中的一个之间压缩夹紧，其中，每个所述可压溃间隔件具有管状主体，所述管状主体包括互连第一和第二扩大端的中心部分，所述管状主体由包括至少一个削弱特征的外周壁限定。
技术方案2.根据技术方案1所述的装置，所述紧固件包括螺栓，每个所述螺栓包括螺栓头、螺纹和在其之间的柄部。
技术方案3.根据技术方案2所述的装置，还包括多个螺母，每个螺母与所述螺栓中的一个的螺纹啮合。
技术方案4.根据技术方案1所述的装置，所述至少一个削弱特征是形成于所述外周壁中的开口。
技术方案5.根据技术方案4所述的装置，所述开口完全通过所述外周壁。
技术方案6.根据技术方案4所述的装置，所述开口是细长槽。
技术方案7.根据技术方案1所述的装置，所述至少一个削弱特征是所述外周壁的沙漏体。
技术方案8.根据技术方案1所述的装置，所述至少一个削弱特征是所述外周壁中的纽结。
技术方案9.根据技术方案1所述的装置，所述至少一个削弱特征是所述外周壁中的分立的薄部。
技术方案10.根据技术方案9所述的装置，所述薄部构造为环形带。
技术方案11.一种燃气涡轮发动机，包括：涡轮机械部件，所述涡轮机械部件包括以串流关系布置并围绕发动机中心线轴线限定的风扇、压缩机、压缩机、燃烧器和涡轮；以及支撑静态结构，所述支撑静态结构限定所述涡轮机械部件；其中，所述涡轮机械部件和所述静态结构中的至少一个包括螺栓接合凸缘组件，所述螺栓接合凸缘组件包括：第一部件，所述第一部件具有第一凸缘，所述第一凸缘包括通过其延伸的第一排第一螺栓孔；第二部件，所述第二部件具有第二凸缘，所述第二凸缘包括通过其延伸的第二排第二螺栓孔，其中，所述第二螺栓孔与所述第一螺栓孔同轴对齐；多个紧固件，每个紧固件通过对齐的各对所述第一和第二螺栓孔设置，以将所述第一和第二凸缘连接在一起，每个所述紧固件包括柄部；以及可压溃间隔件，所述可压溃间隔件围绕所述紧固件的柄部设置，所述可压溃间隔件在所述紧固件和所述凸缘中的一个之间压缩夹紧，其中，每个所述可压溃间隔件包括在第一和第二扩大端之间轴向延伸的管状主体，所述管状主体由包括至少一个削弱特征的外周壁限定。
技术方案12.根据技术方案11所述的发动机，所述紧固件包括螺栓，每个所述螺栓包括螺栓头、螺纹和在其之间的柄部。
技术方案13.根据技术方案12所述的发动机，还包括多个螺母，每个螺母与所述螺栓中的一个的螺纹啮合。
技术方案14.根据技术方案11所述的发动机，所述至少一个削弱特征是形成于所述外周壁中的开口。
技术方案15.根据技术方案14所述的发动机，所述开口完全通过所述外周壁。
技术方案16.根据技术方案14所述的发动机，所述开口是细长槽。
技术方案17.根据技术方案11所述的发动机，所述至少一个削弱特征是所述外周壁的沙漏体。
技术方案18.根据技术方案11所述的发动机，所述至少一个削弱特征是所述外周壁中的纽结。
技术方案19.根据技术方案11所述的发动机，所述至少一个削弱特征是所述外周壁中的分立的薄部。
技术方案20.根据技术方案11所述的发动机，所述薄部构造为环形带。
附图说明
可参考以下结合附图做出的描述最佳理解本发明，在附图中：
图1是燃气涡轮发动机的半截面示意图；
图2是图1的发动机的螺栓接合接头的横截面示意图；
图3是螺栓接合接头的可压溃间隔件的侧视图；
图4是图3的可压溃间隔件的端视图；
图5是图3的可压溃间隔件的横截面图；
图6是可选择的可压溃间隔件的侧视图；
图7是图7的可压溃间隔件的端视图；
图8是图7的可压溃间隔件的横截面图；
图9是另一可选择的可压溃间隔件的侧视图；
图10是图9的可压溃间隔件的端视图；
图11是图10的可压溃间隔件的横截面图；
图12是另一可选择的可压溃间隔件的侧视图；
图13是图12的可压溃间隔件的端视图；以及
图14是图13的可压溃间隔件的横截面图。
具体实施方式
参考其中相同参考编号在各种视图中表示相同元件的图式，图1示出了示例性燃气涡轮发动机10。尽管图示的实施例为高涵道涡扇发动机，但本发明的主要原理也适用于其它类型的发动机，例如低涵道涡扇发动机、涡轮喷气式发动机、涡轮螺旋浆发动机等等。发动机10具有纵向中心线或轴线11和围绕轴线11同心和沿轴线11同轴设置的外静止环形核心壳体。
应注意，如本说明书所使用，术语“轴向”和“纵向”两者指代平行于中心线轴线11的方向，而“径向”指代垂直于轴向方向的方向，且“切向”或“周向”指代相互垂直于轴向和径向方向的方向。如本文所使用，术语“前部(forward)”或“前部(front)”指代在穿过或围绕部件的气流中相对上游的位置，且术语“后部(aft)”或“后部(rear)”指代在穿过或围绕部件的气流中相对下游的位置。此流的方向在图1中由箭头“F”所示。这些方向性术语在描述中仅为方便起见使用且不需要由此描述的结构的特定定向。
发动机10具有以串流关系布置的风扇14、增压器16、压缩机18、燃烧器20、高压涡轮22和低压涡轮24。操作中，来自压缩机18的加压空气与燃烧器20中的燃料混合且被点燃，进而产生燃烧气体。高压涡轮22从这些气体提取一些功，从而经由外轴26驱动压缩机18。燃烧气体接着流入低压涡轮24中，从而经由内轴28驱动风扇14和增压器16。发动机10在几个位置包括有各种螺栓接合接头。可能的螺栓接合接头的实施例在图1标记为“B”的圆形区域中。
可使用熔合螺栓接合接头的位置的一些非限制性实施例如下：在风扇载荷减少装置(“LRD”)中；在发动机壳体的两个环形部分(例如压缩机壳体到燃烧器壳体)之间的“支柱”接头中；在复合材料部件和金属部件之间的接头中，例如在风扇壳体和风扇入口之间；在期望使用此类型的接头的未来的应用中，以及其它位置，例如风扇箍框架和核心罩之间，其中部件中的一个可以是复合材料，例如陶瓷基复合材料或聚合物基复合材料。
图2示出了螺栓接合接头30，螺栓接合接头30大致代表上面描述的任何螺栓接合接头。第一部件32(示出其一部分)包括第一凸缘34。第二部件36(示出其一部分)包括第二凸缘38。在图示的实施例中，第一部件32、第二部件36均是围绕中心线轴线11的旋转体；不过不一定是这种情况。
第一凸缘34包括至少一个第一螺栓孔40；例如，可提供一圈或一排42第一螺栓孔40。第二凸缘38包括至少一个第二螺栓孔44；例如可提供一圈或一排46第二螺栓孔44。第一凸缘34邻接第二凸缘38，使得第一螺栓孔40与第二螺栓孔44同轴地对齐。
螺栓48通过第一螺栓孔40和第二螺栓孔44设置。每个螺栓48包括螺栓头50、柄部52和螺纹54。
可压溃间隔件56将在下面更详细地描述，其围绕螺栓48的柄部50设置。可压溃间隔件56接触螺栓头50，并在螺栓头50和第一凸缘34的第一环形表面58(优选为平的)之间轴向地延伸。提供具有内螺纹的螺母60，所述内螺纹与螺栓48的螺纹54啮合，并拧紧以提供螺栓接合接头30上的期望的夹紧载荷，在压缩载荷下将可压溃间隔件56夹紧。可以理解，可压溃间隔件56可选择性地放置在螺栓接合接头30的另一侧上，即在第二凸缘38和螺母60之间。
可以理解，可用能够将第一凸缘34、第二凸缘38和可压溃间隔件56以预定的夹紧载荷一起夹紧的任何紧固件代替螺栓48。
例如，代替使用带螺母60的螺栓48，可给凸缘34、38之一提供内螺纹(未示出)以啮合螺栓48的螺纹54。这些例如可由螺纹切割操作或通过螺纹插入件安装到凸缘34、38之一形成。
作为另一实施例，可以不使用图示的螺栓48和螺母60，而可使用具有固定到两端(未示出)的螺母的螺纹螺柱。
作为又一实施例，代替使用图示的螺栓48和螺母60，可使用例如常规的铆钉或盲铆钉(未示出)的紧固件。
图3-5更具体地示出了可压溃间隔件56中的一个。可压溃间隔件56具有主体，所述主体包括中心部分62，中心部分62在第一和第二扩大端或凸缘端64、66之间轴向地延伸并将第一和第二扩大端或凸缘端64、66互连。第一端64和第二端66分别限定第一端面68和第二端面70，所述的两个端面可以是平的。
可压溃间隔件56具有外周壁72，所述外周壁72限定中空内部或通孔74。可压溃间隔件56的主体因此可大致描述为“管状”形式。在图示的实施例中，外周壁72呈圆柱形或者呈旋转体。也可以使用其它横截面形状，例如规则或不规则的多边形。
外周壁72具有如下面更详细地描述的选择为具有特定的强度特征的基本厚度“T”。外周壁72还包括至少一个削弱特征。如本说明书所使用，术语“削弱特征”指相比均匀的基本厚度T的圆柱形壁降低可压溃间隔件56的抗弯强度或临界载荷的特征。
外周壁72包括体现为在其中形成的至少一个开口的削弱特征。此开口可以采用多种形式。在图3-5中图示的实施例中，开口采用一个或多个细长槽76的形式，所述一个或多个细长槽76完全穿过外周壁72的厚度并具有由倒圆端80连接的平行侧端78。
开口的特征，包括开口的数目、形状、位置和尺寸可以改变以适应特定的应用。例如，开口可采用单个或多个圆形孔或螺旋槽(未示出)的形式。可选地，开口可以是“盲”开口，其不完全穿过外周壁72的厚度。通常，可选的是保持在外周壁72中的横截面面积适于经受由于螺栓预载荷力造成的期望的压缩力以及在正常操作期间的预期力，但降低抗弯强度。
为可压溃间隔件56选择的材料应具有通常高的拉伸强度，极限抗张强度(“UTS”)与屈服强度(“YS”)的比率应尽可能低。应在组装夹紧载荷下针对屈服强度YS确定可压溃间隔件56的尺寸，屈曲基于在例如叶片脱落事件中预计的载荷的极限抗张强度UTS。UTS/YS的比率越低，挤压可压溃间隔件56所需的凸缘载荷(以前的凸缘分离)越低，使得当载荷超过预定应力无明显屈服的情况下，将出现快速可预测失效。如本说明书中描述的消弱特征的存在还有助于屈曲和快速可预测失效。
上面描述的开口是削弱特征的一个实例。可压溃间隔件56的特定机械设计可以变化，以适应特定的应用，并且可以实施不同类型的削弱特征。
例如，图6-8示出了可选择的可压溃间隔件156，其在结构上类似于上面描述的可压溃间隔件56。可压溃间隔件156具有主体，所述主体包括中心部分162，所述中心部分162在第一和第二扩大端或凸缘端164、166之间轴向地延伸并将第一和第二扩大端或凸缘端164、166互连。可压溃间隔件156具有外周壁172，外周壁172限定中空内部或通孔174。如上面指出的，这可以大致描述为“管状”形式。在图示的实施例中，外周壁172呈圆柱形或者呈旋转体。也可以使用其它横截面形状，例如规则或不规则的多边形。
外周壁172具有如上文描述的选择的基本厚度“T”。外周壁172包括“沙漏体”，其中，壁向内收缩，使得靠近外周壁172的中心的外径“D1”小于靠近凸缘端164、166的直径“D2”。此沙漏体有助于减小如上文描述的抗弯强度，并且可认为是削弱特征。除了上面描述的沙漏体之外，可压溃间隔件156可包括如上面描述的一个或多个开口。
图9-11示出了另一可选择的可压溃间隔件256。可压溃间隔件256具有主体，所述主体包括中心部分262，中心部分262在第一和第二扩大端或凸缘端264、266之间轴向地延伸并将第一和第二扩大端或凸缘端264、266互连。可压溃间隔件256具有外周壁272，外周壁272限定中空内部或通孔274。如上面指出的，这可以大致描述为“管状”形式。在图示的实施例中，外周壁272呈圆柱形或者呈旋转体。也可以使用其它横截面形状，例如规则或不规则的多边形。
外周壁272具有如上文描述的选择的基本厚度“T”。外周壁272包括至少一个“纽结”276，纽结276在本说明书中限定为轴向方向上的不连续。在图示的实施例中，纽结276采用大致半圆的环形隆起的形式，所述环形隆起靠近外周壁272的中心定位。纽结276的存在有助于如上面描述的低抗弯强度。可选地，除了上文描述的沙漏体，可压溃间隔件256可包括如上文描述的至少一个开口(未示出)。
图12-14示出了另一可选择的可压溃间隔件356。可压溃间隔件356具有主体，所述主体包括中心部分362，中心部分362在第一和第二扩大端或凸缘端364、366之间轴向地延伸并将第一和第二扩大端或凸缘端364、366互连。可压溃间隔件356具有外周壁372，所述外周壁372限定中空内部或通孔374。如上面指出的，这可以大致描述为“管状”形式。在图示的实施例中，外周壁372呈圆柱形或者呈旋转体。也可以使用其它横截面形状，例如规则或不规则的多边形。
外周壁372具有如上文描述的选择的基本厚度“T”。外周壁372包括至少一个分立的薄部376，所述薄部具有厚度“T1”，厚度T1小于基本厚度T。分立的薄部376的存在有助于如上文描述的低抗弯强度。在图示的实施例中，薄部376构造为环形环，但例如轴向或倾斜的其它定向也是可能的。可选地，除了上面描述的薄部之外，可压溃间隔件356可包括如上文描述的至少一个开口(未示出)。
前面已经针对燃气涡轮发动机描述了可压溃间隔件和使用可压溃间隔件的螺栓接合接头。在本说明书中所公开的所有特征(包括任何所附权利要求书、摘要和图式)和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤可按任何组合形式组合，所述特征和/或步骤中的至少一些相互排斥的组合除外。
本说明书(包括任何所附权利要求书、摘要和图式)中所公开的每个特征可以替换为用于相同、等效或类似目的的替代特征，除非另有明确陈述。因此，除非另有明确陈述，否则所公开的每个特征仅为一系列通用的等效或类似特征的一个实施例。
本发明并不限于前述实施例的细节。本发明扩展到本说明书(包括任何所附权利要求书、摘要和图式)中所公开的特征的任何新颖特征或任何新颖组合，或到如此公开的任何方法或过程的步骤的任何新颖步骤或任何新颖组合。

Claims (6)

1.一种螺栓接合接头装置，包括：
第一部件，所述第一部件包括通过其延伸的第一排第一螺栓孔；
第二部件，所述第二部件包括通过其延伸的第二排第二螺栓孔，其中，所述第二螺栓孔与所述第一螺栓孔同轴对齐；
多个紧固件，每个紧固件通过对齐的各对所述第一和第二螺栓孔设置，以将所述第一和第二部件连接在一起，每个所述紧固件包括柄部；以及
可压溃间隔件，所述可压溃间隔件围绕所述紧固件的柄部设置，所述可压溃间隔件在所述紧固件和所述部件中的一个之间压缩夹紧，其中，每个所述可压溃间隔件具有管状主体，所述管状主体包括互连第一和第二扩大端的中心部分，所述管状主体由包括至少一个削弱特征的外周壁限定，所述至少一个削弱特征包括延伸穿过所述外周壁的多个圆形孔和靠近所述外周壁的中心定位的半圆的环形隆起。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述紧固件包括螺栓，每个所述螺栓包括螺栓头、螺纹和在其之间的柄部。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括多个螺母，每个螺母与所述螺栓中的一个的螺纹啮合。
4.一种燃气涡轮发动机，包括：涡轮机械部件，所述涡轮机械部件包括以串流关系布置并围绕发动机中心线轴线限定的风扇、压缩机、压缩机、燃烧器和涡轮；以及支撑静态结构，所述支撑静态结构限定所述涡轮机械部件；其中，所述涡轮机械部件和所述静态结构中的至少一个包括螺栓接合凸缘组件，所述螺栓接合凸缘组件包括：
第一部件，所述第一部件具有第一凸缘，所述第一凸缘包括通过其延伸的第一排第一螺栓孔；
第二部件，所述第二部件具有第二凸缘，所述第二凸缘包括通过其延伸的第二排第二螺栓孔，其中，所述第二螺栓孔与所述第一螺栓孔同轴对齐；
多个紧固件，每个紧固件通过对齐的各对所述第一和第二螺栓孔设置，以将所述第一和第二凸缘连接在一起，每个所述紧固件包括柄部；以及
可压溃间隔件，所述可压溃间隔件围绕所述紧固件的柄部设置，所述可压溃间隔件在所述紧固件和所述凸缘中的一个之间压缩夹紧，其中，每个所述可压溃间隔件包括在第一和第二扩大端之间轴向延伸的管状主体，所述管状主体由包括至少一个削弱特征的外周壁限定，所述至少一个削弱特征包括延伸穿过所述外周壁的多个圆形孔和靠近所述外周壁的中心定位的半圆的环形隆起。
5.根据权利要求4所述的发动机，其特征在于，所述紧固件包括螺栓，每个所述螺栓包括螺栓头、螺纹和在其之间的柄部。
6.根据权利要求5所述的发动机，其特征在于，还包括多个螺母，每个螺母与所述螺栓中的一个的螺纹啮合。
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