專利名稱：隔熱法蘭螺栓的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)大體涉及燃?xì)鉁u輪機(jī)，且更具體地涉及在渦輪機(jī)殼體和壓 縮機(jī)排氣缸之間或在其中具有溫度梯度的許多構(gòu)件之間使用的隔熱 螺栓。
背景扶術(shù)
在常規(guī)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，渦輪機(jī)殼體、壓縮機(jī)排氣缸以及其 它元件可通過(guò)若干螺栓連結(jié)。但是，螺栓可能因?yàn)閴嚎s機(jī)排氣缸內(nèi)部 或其它位置的高溫壓縮空氣而變熱。當(dāng)螺栓越來(lái)越熱時(shí)，則該螺栓就 可能發(fā)生蠕變。該蠕變將導(dǎo)致螺栓損失預(yù)緊力并縮短使用壽命。
目前用以防止高溫環(huán)境中蠕變的解決方案包括使用更大的螺栓
或由耐溫材料如鎳鉻合金(Inconel)所制成的螺栓。然而，由于空間的 限制，螺栓的大小只能增大到一定程度。同樣，與標(biāo)準(zhǔn)鋼或類似材料 制成的螺栓相比，使用諸如鎳4各合金的材料可能更為昂貴。
因此，希望有一種螺栓接頭連結(jié)，該螺栓接頭連結(jié)可降低熱影響 的沖擊并具有比公知的耐高熱材料更少的費(fèi)用。該螺栓優(yōu)選在具有合 適大小和合理成本的同時(shí)將是充分抗蠕變的。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N渦輪機(jī)/壓縮機(jī)定子接頭。該渦輪機(jī)/壓 縮機(jī)定子接頭可包括法蘭，穿過(guò)該法蘭延伸的孔，以及穿過(guò)該孔延伸 的螺栓。該螺栓包括桿和圍繞該桿的隔離層。
本申請(qǐng)還提供了使定位在熱空氣通道周圍的接頭閉合的方法。該 方法包括步驟用隔離層覆蓋螺栓桿，將螺栓桿定位在接頭的孔中， 將螺母隔離層定位在螺栓桿和接頭的周圍，以及繞螺栓桿緊固螺母并緊固接頭。
本申請(qǐng)還提供了熱空氣接頭。該熱空氣接頭可包括法蘭、穿過(guò)該 法蘭延伸的孔，以及穿過(guò)該孔延伸的螺松。該螺栓可由鋼制成。該螺 栓可包括桿和圍繞該桿的桿隔離層。
對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，當(dāng)參看以下詳細(xì)描述并結(jié)合若干 附圖以及所附權(quán)利要求時(shí)，本申請(qǐng)的這些以及其它特征將變得顯而易 見。


圖l是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的截面圖，其示出了燃燒器、壓縮機(jī)和渦輪機(jī) 的各部分。
圖2是公知的渦輪機(jī)/壓縮機(jī)殼體接頭的局部側(cè)截面視圖。 圖3是文中所述的渦輪機(jī)/壓縮機(jī)殼體接頭的局部側(cè)截面視圖。 圖4是文中所述的渦輪機(jī)/壓縮機(jī)殼體接頭的備選實(shí)施例的局部 側(cè)截面視圖。
圖5是文中所述的渦輪機(jī)/壓縮機(jī)殼體接頭的備選實(shí)施例的局部 側(cè)截面視圖。
圖6示出了在典型工況下法蘭210和螺栓組件230的桿240中的 溫度分布。
圖7示出了對(duì)于法蘭210和桿240的平均溫度分布。 圖8示出了法蘭210和桿240之間的平均溫度分布。 圖9示出了桿240溫度的最大減量。
零件清單
10燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)枳i 20壓縮才幾 30燃燒器 40燃燒室 50轉(zhuǎn)子軸60渦輪部分
71第一輪
72第二輪
73第三輪
74第四輪
81第一葉片
82第二葉片
83第三葉片
84第四葉片
91第一導(dǎo)葉
92第二導(dǎo)葉
93第三導(dǎo)葉
94第四導(dǎo)葉
100渦輪機(jī)外殼體
110渦輪機(jī)內(nèi)殼體
120壓縮機(jī)排氣缸
130渦輪機(jī)排氣機(jī)架
140螺栓
200渦輪機(jī)/壓縮機(jī)殼體接頭
210法蘭
220法蘭孔
230螺栓
240桿
250螺母
300渦輪機(jī)/壓縮機(jī)殼體接頭 310桿隔離層
350渦輪機(jī)/壓縮機(jī)殼體接頭
360螺母隔離層
400渦輪機(jī)/壓縮機(jī)殼體接頭
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參看附圖，在所有附圖中相同的標(biāo)號(hào)表示相同的元件。圖1
示出了燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10的一部分。如同所知，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10 包括壓縮機(jī)20。該壓縮機(jī)20壓縮進(jìn)氣流。隨后，將該氣流排放到燃 燒器30。該燃燒器包括^f艮多燃燒室40。這些燃燒室40通常圍繞轉(zhuǎn)子 軸50周向地定位。壓縮空氣和燃料在燃燒室40中點(diǎn)燃，并用來(lái)驅(qū)動(dòng) 渦輪部分60。在渦輪部分60中，熱燃?xì)獾哪芰哭D(zhuǎn)換成機(jī)械功。機(jī)械 功的一部分用于通過(guò)軸50來(lái)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)20，其余部分可用來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù) 載如發(fā)電才幾。
在該實(shí)例中，渦輪部分60可具有四個(gè)連續(xù)的級(jí)，該四個(gè)連續(xù)的 級(jí)由四(4)個(gè)輪表示，第一輪71、第二輪72、第三輪73和第四輪74。 這些輪71-74安裝在轉(zhuǎn)子軸50上。各個(gè)輪71-74均攜有一排輪葉，該 輪葉包括若干葉片，第一葉片81、第二葉片82、第三葉片83以及第 四葉片84。該葉片81-84交替地布置在固定的噴嘴之間，這些固定的 噴嘴包括若干葉片導(dǎo)葉，即第一導(dǎo)葉91,第二導(dǎo)葉92,第三導(dǎo)葉93 以及第四導(dǎo)葉94。因此，顯示了四級(jí)渦輪機(jī)，其中，第一級(jí)包括葉片 81和導(dǎo)葉91;第二級(jí)包括葉片82和導(dǎo)葉92;第三級(jí)包括葉片83和 導(dǎo)葉93;第四級(jí)包括葉片84和導(dǎo)葉94。不過(guò)，渦輪部分60可包括 任何數(shù)量的級(jí)和不同的構(gòu)造。
渦輪部分60可包括外殼體IOO和內(nèi)殼體110。外殼體100可一端 固定到壓縮機(jī)排氣缸120上而另一端固定到渦輪機(jī)排氣機(jī)架130上。 外殼體100可通過(guò)若干螺栓140而連結(jié)到壓縮機(jī)排氣缸120上以及連 結(jié)到渦輪機(jī)排氣機(jī)架130上。螺栓140可以是常規(guī)的設(shè)計(jì)和材料、尺 寸過(guò)大的，或者由耐熱材料制成。
圖2詳細(xì)地示出了渦輪機(jī)/壓縮機(jī)殼體接頭200。該渦輪機(jī)/壓縮機(jī) 殼體接頭200包括兩件式法蘭210。該法蘭210形成在壓縮機(jī)排氣缸 120和渦輪機(jī)外殼體100之間。法蘭孔220穿過(guò)法蘭210的寬度延伸。 螺栓組件230穿過(guò)法蘭孔220延伸以便緊固并關(guān)閉接頭200。螺栓組 件230可包括穿過(guò)法蘭孔220的長(zhǎng)度延伸的桿240并且可在其任一端或兩端通過(guò)螺母250而靠緊。桿240和螺母250可由常規(guī)金屬制成， 包括鋼基合金如CrMoV、鎳基合金如A286、 Inconel625、 Incond718， 以及類似材料。桿240可具有處于大約1英寸至大約3英寸(大約2.5 至大約7.5厘米)之間的直徑，并且可具有大約15英寸至大約23英寸 (大約38厘米至大約58厘米)的長(zhǎng)度。螺母250可具有大約1.5英寸至 大約3英寸(大約3.8厘米至大約7.6厘米)的厚度，并且可具有大約1.25 英寸至大約3.5英寸(大約3.2厘米至大約8.9厘米)的外徑。文中還可 使用其它的尺寸和構(gòu)造。
圖6示出了在典型工況下法蘭210和螺栓組件230的桿240中的 溫度分布。如圖所示，法蘭210和桿240二者的溫度起始從壓縮機(jī)排 氣缸120經(jīng)由法蘭210升高，隨后再朝向渦輪機(jī)外殼體100下降。
圖3示出了改進(jìn)的渦輪機(jī)/壓縮機(jī)殼體接頭300,如文中所述。改 進(jìn)的渦輪機(jī)/壓縮機(jī)殼體接頭300可在很大程度上等同于上文所述的 渦輪機(jī)/壓縮機(jī)殼體接頭200，但帶有圍繞桿240的桿隔離層310。桿 隔離層310可以為一層陶瓷纖維或陶瓷棉、玻璃纖維或玻璃棉、陶瓷 泡沫材料、氣凝膠或具有良好隔離性能的類似材料。桿隔離層310可 具有大約4xl(^BTU/hrft。F(大約6.9瓦特/米。K)的導(dǎo)熱系數(shù)。該導(dǎo) 熱系數(shù)可在大約7 x l(T3 BTU/hr ft °F至大約10 x l(T2 BTU/hr ft 。F(大 約12x10—3瓦特/米。K至大約17。 3xl(T2瓦特/米。K)的范圍內(nèi)變 動(dòng)。隔離層310可具有大約0.0625英寸(大約1.6毫米)的厚度。范圍 在大約0.040至大約0.125英寸(大約1.02毫米至大約3.175毫米)內(nèi)的 厚度可以使用。該厚度可基于殼體設(shè)計(jì)和其它考慮而變化。
圖7示出了對(duì)于法蘭210和桿240的平均溫度分布。如圖所示， 當(dāng)使用桿隔離層310時(shí)，桿240的溫度分布不具有如圖6所示的峰值。
圖4示出了改進(jìn)的渦輪機(jī)/壓縮機(jī)殼體接頭350。該改進(jìn)的渦輪機(jī) /壓縮機(jī)殼體接頭350可在很大程度上等同于渦輪機(jī)/壓縮機(jī)殼體接頭 200,但帶有定位在各螺母250和法蘭210之間的螺母隔離層360。該 螺母隔離層360可采用墊片的形式，類似于桿隔離層310的隔離層或 類似構(gòu)造。螺母隔離層360可由具有比螺栓和螺母材料更小導(dǎo)熱系數(shù)的合金制成。該螺母隔離層360還可由鎳基金屬、陶瓷、高溫鋼如 A-286或具有良好隔熱性能的類似材料制成。該材料還可基于幾何形 狀、工況和其它考慮而變化。螺母隔離層360可具有大約12BTU/hrft 。F(大約20.8瓦特/米。K)的導(dǎo)熱系數(shù)。該導(dǎo)熱系數(shù)可在大約8BTU/hr ft 。F或更小至大約13 BTU/hr ft 。F(大約13.8瓦特/米。K或更小到大 約22.5瓦特/米。K)的范圍內(nèi)變動(dòng)。該隔離層360可具有大約l英寸(大 約25毫米)的厚度。根據(jù)墊片材料的導(dǎo)熱系數(shù)，可使用大約0.25英寸 至大約2英寸(大約6.35毫米至大約51毫米)范圍內(nèi)的厚度。
螺母隔離層360減少了能從法蘭210進(jìn)入桿240的熱，并且由于 增大了表面面積而可以將一些熱從法蘭210散發(fā)到空氣中。螺母隔離 層360可以切割成一定的幾何結(jié)構(gòu)，以便增大對(duì)法蘭210周圍的冷卻 空氣的傳熱面積。例如，可以采用城堡形(castellation)或翅片。人們還 可通過(guò)使螺母接觸表面成城堡形或扇形而減小墊片360和法蘭210之 間和/或墊片360和螺母250之間或者螺母250和法蘭210之間的傳熱 面積。
圖8示出了法蘭210和桿240之間的平均溫度分布。盡管的確重 現(xiàn)了圖6中所示的初始峰值，但桿240的溫度分布還是再次比圖6的 基線情況有所降低。
圖5示出了改進(jìn)的渦輪機(jī)/壓縮機(jī)殼體接頭400,如文中所述。該 改進(jìn)的渦輪機(jī)/壓縮機(jī)殼體接頭400可很大程度上等同于渦輪機(jī)/壓縮 機(jī)殼體接頭200,但增添有圖3的桿隔離層310和圖4的螺母隔離層 360。
圖9示出了桿240溫度的最大減量。在這種情況下，通過(guò)使用桿 隔離層310和螺母隔離層360可達(dá)到大約105。F(大約40.6。C)的溫差。 此外，與圖6的基線情況相比，法蘭210中的溫度降低了大約48.5。F(大 約9.2°C)。
通過(guò)降低沿著允許熱進(jìn)入螺栓組件230的通道的導(dǎo)熱系數(shù)并且還 通過(guò)遮蔽該通道，桿隔離層310和螺母隔離層360的使用因而減少了 該通道。同樣，暴露在冷卻空氣中的增大的表面面積也可有助于散熱。因此，螺栓組件230可由標(biāo)準(zhǔn)的材料制成，以降低成本卻帶有減小的蠕變。
盡管本發(fā)明針對(duì)渦輪4幾/壓縮4幾殼體接頭進(jìn)行了論述，但文中所述 的桿隔離層310和螺母隔離層360可用在渦輪機(jī)殼體/渦輪機(jī)排氣機(jī)架 接頭或渦輪機(jī)中任何其它所需的位置處。本發(fā)明還可用于法蘭相對(duì)于 螺栓存在溫差的任何地方。桿隔離層310和螺母隔離層360還可用于 螺栓或類似接合器件暴露于高溫的任何地方。
應(yīng)認(rèn)識(shí)到的是，前述內(nèi)容僅涉及本申請(qǐng)的優(yōu)選實(shí)施例，本領(lǐng)域普 通技術(shù)人員不脫離由下列權(quán)利要求及其等同物所限定的本發(fā)明的總 體精神和范圍，在此可作出許多變更和修改。
權(quán)利要求
1.一種渦輪機(jī)/壓縮機(jī)定子接頭(300，350，400)，包括法蘭(210)；穿過(guò)所述法蘭(210)延伸的孔(220)；以及穿過(guò)所述孔(220)延伸的螺栓(230)；所述螺栓(230)包括桿(240)以及圍繞所述桿(240)的桿隔離層(310)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)/壓縮機(jī)定子接頭(300,350,400), 其特征在于，所述螺栓(230)包括鋼基合金或鎳基合金。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)/壓縮機(jī)定子接頭(300,350,400)， 其特征在于，所述桿(240)包括大約1英寸至大約3英寸(大約25毫米 至大約76毫米)的直徑。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)/壓縮機(jī)定子接頭(300,350,400), 其特征在于，所述桿隔離層(310)包括陶瓷纖維或陶瓷棉、玻璃纖維或 玻璃棉、陶瓷泡沫材料或氣凝膠。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)/壓縮機(jī)定子接頭(300,350,400), 其特征在于，所述桿隔離層(310)包括大約7x 10-SBTU/hrft。F至大約 10 x l(T2 BTU/hr ft 。F(大約12 x l(T3瓦特/米。K至大約17.3 x l(T2瓦特/ 米。K)的導(dǎo)熱系數(shù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)/壓縮機(jī)定子接頭(300,350,400), 其特征在于，所述螺栓(230)包括螺母(250)，且其中，所述渦輪機(jī)/壓 縮機(jī)殼體接頭(300,350,400)還包括定位在所述螺母(250)和所述法蘭 (210)之間的螺母隔離層(3 60)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的渦輪機(jī)/壓縮機(jī)定子接頭(300,350，400)， 其特征在于，所述螺母隔離層(360)包括鐵基合金或鎳基合金。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的渦輪機(jī)/壓縮機(jī)定子接頭(300,350，400), 其特征在于，所述螺母隔離層(360)包括大約8 BTU/hr ft 。F或更小至大約13 BTU/hr ft 。F(大約13.8瓦特/米。K或更小至大約22.5瓦特/米 。K)的導(dǎo)熱系數(shù)。
9. 一種使位于熱空氣通道(120)周圍的接頭(200)閉合的方法，包括用隔離層(310)覆蓋螺栓桿(240); 將所述螺栓桿(240)定位在所述接頭(200)的孑L(220)中； 將螺母隔離層(360)定位在所述螺栓桿(240)和所述接頭(200)周 圍；以及繞所述螺栓桿(240)緊固螺母(250)，并緊固所述接頭(200)。
全文摘要
本發(fā)明涉及隔熱法蘭螺栓。具體而言，一種渦輪機(jī)/壓縮機(jī)定子接頭(300，350，400)，包括法蘭(210)，穿過(guò)所述法蘭(210)的孔(220)，以及穿過(guò)所述孔(220)的螺栓(230)。所述螺栓(230)包括桿(240)以及圍繞所述桿(240)的隔離層(310)。
文檔編號(hào)F01D25/24GK101566078SQ200810188670
公開日2009年10月28日 申請(qǐng)日期2008年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月19日
發(fā)明者A·D·耶奧勒, B·J·米勒, H·G·小巴拉德, K·D·布萊克, R·阿杜爾 申請(qǐng)人:通用電氣公司