技术领域
[0001] 本公开涉及一种安全装置，用于容纳施加到轴布置上的载荷，该轴布置特别但非排他地用于压缩机、涡轮或动力涡轮安装到轴向轴上的涡轮发动机和涡轮机。
相关背景技术
[0002] 在燃气涡轮发动机中，压缩机和涡轮通常具有轴向布置的转子组，每个转子组包括叶片阵列，该叶片阵列安装到转子盘。相应转子组位于张力螺柱上的端轴之间，该张力螺柱延伸穿过转子组的全部或部分转子。操作时，转子的旋转使得在转子中产生高分离力。为了抵消这些分离载荷，压缩载荷在使用之前施加到轴和转子，以抵消操作时产生的分离载荷。为了在轴和转子中产生压缩载荷，在组装期间拉伸张力螺柱，以在张力螺柱内产生张力。然后，张力螺柱通过与轴接合的载荷保持器保持处于其拉伸形式。张力螺柱将经由载荷保持器作用于轴，以将压缩载荷施加到轴上。
[0003] 由于抵消操作时遇到的分离载荷所需的高载荷，组装装配工由于转子组件的一个或多个部件的故障引起的能量释放而导致受伤的风险很高。
[0004] 为了克服该问题，工具组件的每个部件都被设计为具有高安全系数，这导致每个部件的尺寸和重量增加以及费用增加。进一步地，每个部件都要经过定期非破坏性测试，这很耗时并且导致组装时间增加。
[0005] 克服该问题的备选解决方案是利用机器人装配来避免在加载张力螺柱期间操作员与工具组件的互动。然而，这导致花费巨大。
[0006] 因此，非常期望在向张力螺柱施加载荷时提高安全性。
具体实施方式
[0033] 图1示出了燃气涡轮发动机的转子组件100的示例。沿着转子组件100的旋转轴线A，张力螺柱或张力螺栓102设置在转子组件100的轴向中心中。在一个示例中，涡轮发动机为SGT‑200、SGT‑300或SGT‑400。
[0034] 操作时，转子组件100被布置为围绕旋转轴线A旋转。附图中所示的所有转子零件可以关于旋转轴线A基本旋转对称。附图中未示出定子零件，并且附图中可能未示出使转子互锁的元件。
[0035] 一个或多个轴元件104、110(诸如入口轴104和出口轴110)和压缩机盘106设置在张力螺柱102周围并且被配置为围绕旋转轴线A旋转。轴元件104、110和压缩机盘106可以轴向互锁在轴向相邻的旋转零件之间。例如，入口轴104和压缩机盘106可以包括对应齿，这些齿啮合在一起以使入口轴元件104和压缩机盘106互锁。多个转子叶片108通过压缩机盘106保持处于适当位置。在一个示例中，转子叶片包括“T形”根部，该“T形”根部保持处于压缩机盘106的对应成形的区段之间的适当位置。在其他示例中，转子叶片108可以以叶盘形式从压缩机盘106自身延伸。如此，张力螺柱102、入口轴104、压缩机盘106和转子叶片108可以围绕转子的轴线A以相同速度一起旋转。张力螺柱102可以被旋转成螺纹接合到出口轴110的螺纹孔中，或可替代地接纳在保持螺母(未示出)中，该保持螺母与出口轴110接合。
[0036] 在一个组装示例中，出口轴110可以竖直安装在框架中，并且转子组件100以自上而下的竖直取向构造。一系列转子叶片108被安装到出口轴110的凹槽中，然后压缩机盘106在张力螺柱102上滑动以将转子叶片108保持处于适当位置。重复该过程，以提供保持处于多个相邻压缩机盘106之间的适当位置的转子叶片108的一系列级。然后，入口轴104安装到张力螺柱102上，并且将张力螺柱102接纳在穿过入口轴104的孔中。张力螺柱102具有暴露端，以允许连接用于向张力螺柱102施加载荷能量的工具装置112。
[0037] 图2示出了转子组件100的一部分以及用于向张力螺柱102施加载荷的工具装置112的示意图的横截面。
[0038] 工具装置112包括压缩本体114，该压缩本体114被配置为与转子组件100的轴元件104、110接合。在一个示例中，压缩本体114被配置为与转子组件100的入口轴104接合。压缩本体114的一端的轮廓与入口轴104的一端的形状相对应，以确保压缩本体114与入口轴104之间的强制接合(positive engagement)。压缩本体114可以基本上为柱形，其中轴向孔洞穿过其中，使得张力螺柱102的一端可以被接纳在压缩本体114中。压缩本体114可以具有基本上柱形的壁，该基本上柱形的壁可以包括孔口，以使得能够进入压缩本体114的内部。
[0039] 工具装置112包括工具头116，该工具头116被配置为连接到张力螺柱102。工具头116可以基本上为柱形，并且包括具有第一直径的第一区域和具有较小的第二直径的第二区域，从而形成唇部以使得致动器126能够与工具头112接合并且在工具头112上施加载荷。
压缩本体114的尺寸被设计为在压缩本体114的轴向孔洞内接纳工具头116的至少一部分。
[0040] 在图2中，工具头116与张力螺柱102脱离。在一个示例中，工具头116包括阴螺纹连接，该阴螺纹连接被配置为与张力螺柱102上的对应阳螺纹连接接合。
[0041] 在工具装置112内，存在在其重复使用期间需要监测的关键循环寿命部件，与张力螺柱102接合的工具头116的阴螺纹就是这样一种部件。
[0042] 为了在工具头116的内部阴螺纹已经磨损到非期望状态时使更换整个工具头116的成本最低，工具头116可以包括可移除插入件118，使得工具头116经由可移除插入件118连接到张力螺柱102。在一个示例中，可移除插入件118包括阳螺纹和阴螺纹，该阳螺纹用于与工具头116内的配合阴螺纹接合，该阴螺纹用于与张力螺柱102的配合阳螺纹接合。与工具头116的其余部分相比较，可移除插入件118可以经济地由更高等级的材料制成。进一步地，在原件已经送去检查的同时，可移除插入件118可以使用备用可移除插入件或可替换可移除插入件118更换。这使得能够在检查原始可移除插入件118的同时继续使用工具装置112。进一步地，可移除插入件118可以包括无肩外螺纹，该无肩外螺纹实现了可移除插入件
118的反转。如此，因为利用了冗余螺纹，所以可移除插入件的使用寿命得以延长。
[0043] 工具装置112包括致动器126，该致动器126被配置为向工具头116和压缩本体114施加载荷。在图2所示的示例中，致动器126仅与压缩本体114接合。致动器126可以具有穿过其中的轴向孔洞，以用于接纳工具头116的至少一部分。
[0044] 工具装置112可以包括测量装置120，该测量装置120用于测量张力螺柱102的拉伸或伸长。下文将对测量装置120进行更详细的说明。
[0045] 转子组件100包括载荷保持器122和连接器124，这将在下文进行更详细的说明。
[0046] 图3示出了转子组件100的一部分以及用于向张力螺柱102施加载荷的工具装置112的示意图的横截面。在图3所示的示例中，工具头116经由可更换工具插入件118与张力螺柱102接合。
[0047] 在图3所示的示例中，工具头116被接纳在压缩本体114中的通孔中，并且可移除插入件118与张力螺柱102接合。在图3所示的布置中，致动器126与工具头116和压缩本体114两者接合。操作时，致动器126被配置为膨胀以推抵工具头116和压缩本体114、并且在工具头116和压缩本体114上施加载荷。当压缩本体114与转子组件100的入口轴104接合时，则施加到压缩本体114上的载荷将受到入口轴104作用，并且入口轴104也将会受到压缩。
[0048] 在一个示例中，致动器126为液压载荷单元，以向张力螺柱102准确施加预先确定的载荷。在其他示例中，致动器126可以为气动载荷单元、扭矩螺纹布置、或电磁线圈。
[0049] 由于工具头116与张力螺柱102之间的连接，施加到工具头116上的载荷导致张力螺柱102的延伸并且在张力螺柱102中产生张力载荷。
[0050] 预先确定施加到张力螺柱102上的载荷以匹配在操作转子组件100时经历的“稳态”分离载荷。在一个示例中，为了确定施加到张力螺柱102上的张力载荷，通过测量设备120测量张力螺柱102的长度或延伸的改变。测量设备120可以包括滑动柱塞，该滑动柱塞突出通过工具头116中的孔并且与张力螺柱102的一端接合。测量设备120可以具有从工具头
116突出的暴露端。在一个示例中，测量设备120包括弹簧，以偏置柱塞抵靠在张力螺柱102上。测量设备120的暴露端可以被固定，使得由于测量设备120的长度的对应减小而可以测量张力螺柱102的伸长或延伸。
[0051] 由于应力‑应变关系，可以通过拉伸张力螺柱102预先确定的量来向张力螺柱102提供预先确定的张力载荷。
[0052] 一旦张力螺柱102已经延伸了预先确定的量(与在张力螺柱102中产生的预先确定的张力载荷相对应)，则移动载荷保持器122以与入口轴104接合。相对于张力螺柱102移动载荷保持器122以与入口轴104接合。在一个示例中，形式可以为旋转器的连接器124与载荷保持器122连接，以使得操作员能够相对于张力螺柱102移动载荷保持器122，而无需操作员直接进入载荷保持器122。在一个示例中，载荷保持器122包括螺纹螺母，该螺纹螺母被配置为接纳张力螺柱102上的对应螺纹。
[0053] 为了进入连接器124，压缩本体114的壁可以包括孔口，以使得能够进入压缩本体114的内部。
[0054] 在载荷保持器122与入口轴104接合之后，可以卸载致动器126。在卸载期间，张力螺柱102与入口轴104之间的载荷路径从穿过压缩本体114改为穿过载荷保持器122。换句话说，随着致动器126被卸载，压缩本体114变为卸载；并且随着致动器126被卸载，载荷保持器122变为加载。
[0055] 一旦致动器126已经完全卸载，就可以安全地移除工具装置112。
[0056] 操作时，依据转子组件100的尺寸，转子组件100可能承受大约50kN的分离载荷。在其他示例中，分离载荷可以大于250kN，更优选地，大于500kN，更优选地，大于750kN，并且更优选地，大于1000kN。为了补偿该分离载荷，张力螺柱102会受到匹配张力载荷。如此，工具装置112和转子组件100的部件也会承受高载荷。虽然部件被设计为承受施加到它们上的载荷，但是实际上存在多种原因会导致经受载荷的转子组件100的部件和/或连接可能发生故障。
[0057] 第一潜在故障源是连接元件之间的一个或多个螺纹可能发生故障。例如，载荷保持器122与张力螺柱102之间的螺纹可能发生故障，从而使得张力螺柱102内的载荷能量被释放。
[0058] 备选地，在加载张力螺柱102期间，可移除插入件118与工具头116的对应螺纹或张力螺柱102的对应螺纹之间的螺纹可能发生故障，从而使得来自致动器126的载荷在一端处不受约束。
[0059] 在另一示例中，压缩本体114与入口轴104或致动器126与工具头116或压缩本体114之间可能缺乏接合。
[0060] 更进一步地，致动器126所施加的载荷可能太高，从而导致一个或多个部件和/或部件之间的连接发生故障。
[0061] 在这些示例中的每个示例中，都会发生能量释放，这可能导致对附近操作员的伤害或对附近装备的损坏。
[0062] 图4示出了与工具装置112一起使用的安全装置128或捕获器臂的示例。安全装置128和工具装置112形成工具组件130，以用于向张力螺柱102安全地施加张力载荷，其中由于安全装置128被配置为容纳由于故障而从张力螺柱102上释放的载荷能量，从而减少了在工具组件130外部释放能量的风险。
[0063] 安全装置128具有细长构件132，该细长构件132限定纵向轴线B。在一个示例中，细长构件132基本上为柱形。安全装置128具有至少两个臂134或从细长构件132的纵向轴线B突出的捕获件。在一个示例中，细长构件132和臂134为相同部件的一部分，即，是一体的，但在其他示例中，它们可能为结合在一起的不同部件。在一个示例中，安全装置128的一个臂134朝向细长构件132的第一端定位，并且第二臂134朝向细长构件132的第二端定位。
[0064] 细长构件132和臂134的尺寸被设计为使得在载荷被施加到张力螺柱102上的同时或在载荷已经施加到张力螺柱102之后，它们能够承受因工具装置112和/或转子组件100的一个或多个部件发生故障导致释放能量而产生的各种载荷。
[0065] 在一个示例中，安全装置128的材料为镍铬钼钢，镍铬钼钢由于其高张力强度和韧性而是优选的。
[0066] 为了保持由于能量释放而可能施加到安全装置128上的载荷，安全装置128的细长构件132和臂134的尺寸被设计为承受因一个或多个部件的故障而可能释放的载荷。在一个2 2
示例中，细长构件132的长度大约为300mm至600m且横截面积大约为3200mm至5000mm 。进一
2
步地，安全装置的臂134在能量释放期间将经受高剪切载荷，并且具有大约为2400mm 至
2
3200mm的横截面积。
[0067] 安全装置128还可以包括固定件136，该固定件136用于将安全装置128连接到工具装置112。在一个示例中，固定件136包括：壳体，该壳体用于接纳细长构件132；以及螺栓布置，该螺栓布置用于将固定件136连接到工具装置112的压缩本体114。壳体可以具有与细长构件132的外部轮廓基本匹配的内部腔，该内部腔允许安全装置128相对于壳体移动，例如，允许安全装置128围绕轴线B旋转。
[0068] 图5示出了安全装置128的另一视图。在图5所示的示例中，示出了突出远离轴线B的提升构件138。提升构件138可以包括板，并且经由诸如螺栓之类的连接器140相对于臂134和细长构件132固定。
[0069] 图4和图5中的示例示出了在第一方向上突出远离轴线B的提升构件138以及在与第一方向不同的第二方向上突出远离轴线B的臂134。
[0070] 图6示出了包括安全装置128和工具装置112的工具组件130的示例。如图6所示，安全装置128可以被配置为连接到工具装置112。在一个示例中，安全装置128可以经由固定件136连接到工具装置的压缩本体114。
[0071] 在图6中，示出了处于第一取向的安全装置128，在该第一取向上，臂134从细长构件132的纵向轴线突出，使得臂134在细长构件132的纵向轴线的方向上与工具装置112的至少一部分重叠。在该示例中，细长构件132的纵向轴线B平行于转子组件100的旋转轴线A的方向。如此，在该示例中，在第一取向上，臂134在转子组件100的旋转轴线的方向上与工具装置112的至少一部分重叠。换句话说，在安全装置128的第一取向上，臂134被布置为使得工具装置112的至少一部分位于臂134之间，并且由于安全装置128的存在，而无法移除工具装置112。在载荷通过工具装置112施加到张力螺柱102时，则在组件的部件或连接中的一个或多个部件或连接发生故障的情况下，工具装置112可以快速移动远离转子组件100。在第一取向上，臂134将捕获工具装置112并且将载荷容纳在安全装置128内。在一个示例中，由于能量释放，工具头116会被臂134捕获。如此，安全装置128充当冗余安全机构，使得即使在工具装置112或转子组件100的部件或连接中的一个或多个部件或连接发生故障的情况下，因为发生故障所释放的能量将容纳在安全装置128内，所以大大减少了对用户造成伤害或对周围装备或环境造成损坏的风险。在一个示例中，工具装置的质量介于80kg至180kg之间，并且工具装置在击中安全装置128之前所行进的距离介于5mm至20mm之间。工具装置击中安全装置的速度介于7m/s至21m/s之间。进一步地，所释放的能量可以大约介于1500J至4000J之间，因此安全装置128被设计为承受并容纳这种能量释放。
[0072] 在可能的情况下，工具装置112的所有部件都被设计为在给定循环寿命内以可接受的安全工作余量满足机械强度要求。在组装期间的给定时间，操作员必须进入工具组件130(即，测量拉伸并且拆除工装)。在该时间期间，提供第二层安全以“万无一失地”应对故障场景(诸如致动器意外超压和/或螺纹损坏或磨损)尤其重要。这通过向工具装置112添加安全装置128来实现。在部件发生故障的情况下，安全装置128能够容纳从张力螺柱102和/或承受加载的其他部件中的一个部件释放的能量。
[0073] 图7示出了处于第二取向的安全装置128的示例。在向张力螺柱102施加载荷期间，必须能够将工具组件130提升到转子组件100或从转子组件100提升工具组件130。在该第二取向上，臂134在细长构件132的纵向轴线B的方向上离开工具装置112。换句话说，臂134在细长构件132的纵向轴线B的方向上不与工具装置112重叠。在图7所示的示例中，安全装置128包括提升构件138。在工具装置112被提升时，工具头116将移动以与安全装置128的提升构件138接合。在一个示例中，工具头116包括提升手柄以使得工具头116能够被提升。由于安全装置128通过固定件136在轴线B的线性方向上相对于工具装置112固定(但并非围绕轴线B旋转地固定)，则在工具装置112被提升时，可以从入口轴104整体提升工具组件130。能够一起移动这些部件大大降低了组装操作的复杂度和成本，因为以前这些单独部件可能需要单独运输。
[0074] 提升构件138可以执行双重功能：使得能够整体提升工具组件130，同时还作为手柄操作以使得用户能够在第一取向与第二取向之间旋转安全装置128，在该第一取向上，臂134处于容纳位置，而在该第二取向上，臂134离开工具装置并且提升构件138处于提升位置。
[0075] 在一个示例中，安全装置128能够围绕细长构件134的纵向轴线B在第一取向与第二取向之间在大约90度内旋转。安全装置128的移动范围可能受到位于固定件136中的凹进螺钉的限制，该凹进螺钉被接纳在安全装置128的板条中。在一个示例中，凹进螺钉(未示出)将安全装置128的旋转限制到大约90度。
[0076] 参考图6和图7，工具组件130包括至少一个安全装置128，该至少一个安全装置128连接到工具装置112。在一个示例中，至少一个安全装置128连接到工具装置112的压缩本体114。在图6和图7所示的示例中，两个安全装置128连接到工具装置112，然而，在其他示例中，可以使用更多个安全装置128。在其他示例中，仅单个安全装置128连接到工具装置112。
使用两个安全装置128旨在平衡在故障事件期间接纳在每个安全装置128中的力。两个安全装置128可以关于工具装置112在直径上相对，使得在故障事件期间，在安全装置128的臂
134中产生的弯矩减小。工具组件130被配置为以安全方式向转子组件100的张力螺柱102施加载荷。
[0077] 在一个示例中，诸如橡胶之类的弹性材料设置在工具组件130的安全装置128的臂134与工具装置112和/或转子组件100的部件之间。例如，弹性材料可以设置在臂134与工具头116之间以及还可以设置在臂134与入口轴104之间。
[0078] 图8示出了向转子组件100的张力螺柱102施加载荷的方法的图示。在步骤200中，压缩本体114与转子组件的轴接合。在一个示例中，轴包括入口轴104。
[0079] 在步骤202中，工具装置112的工具头116连接到张力螺柱102。在一个示例中，工具头116包括可移除插入件118，该可移除插入件118包括中空柱体，其中该中空柱体的外侧面和内侧面均带有螺纹。可移除插入件118的外部面上的螺纹可以与用于接纳可移除插入件118的工具头116内的腔的对应螺纹连接。可移除插入件118的内部面上的螺纹可以与张力螺柱102上的对应螺纹连接。
[0080] 在步骤204中，致动器126设置在工具头116与压缩本体114之间。
[0081] 在步骤206中，安全装置128定位在第一取向上，在该第一取向上，工具头116的至少一部分位于安全装置128的至少两个臂134之间。
[0082] 在步骤208中，致动器被致动以向工具头116和压缩本体114施加载荷，以在张力螺柱102中提供张力载荷。
[0083] 在其他步骤中，该方法可以包括：经由测量装置120测量张力螺柱102的伸长。该方法还可以包括：确定张力螺柱102已经伸长了预先确定的量并且旋转载荷保持器122，该载荷保持器122配合地螺纹连接到张力螺柱102。移动载荷保持器122，以使该载荷保持器122与转子组件100的轴104接合。
[0084] 注意与本申请有关的与该说明书同时或在该说明书之前提交的并且与该说明书一起供公众查阅的所有论文和文件，并且所有这些论文和文件的内容通过引用并入本文。
[0085] 该说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中所公开的所有特征和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤可以以任何组合进行组合，除了其中这样的特征和/或步骤中的至少一些特征和/或步骤互斥的组合以外。
[0086] 除非另有明确说明，否则该说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中所公开的每个特征可以由用于相同、等同或相似目的的备选特征所替代。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每个特征仅为通用系列的等同或相似特征的一个示例。
[0087] 本发明不限于(多个)前述实施例的细节。本发明扩展到该说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中所公开的特征的任何新颖特征或新颖组合，或扩展到如此公开的任何方法或过程的步骤的任何新颖步骤或新颖组合。
