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。
[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
[0030] 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设置于转子组件100的轴向中心。在一个示例中，涡轮发动机为SGT‑200。
[0031] 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。
[0032] 转子组件100包括一个或多个轴元件104、106、108，例如，入口轴104、中间轴106和出口轴108。在图1所示的示例中，入口轴104在区域B中延伸，压缩机盘和转子布置在区域C中延伸，中间轴106在区域D中延伸，并且出口轴108在区域E中延伸。
[0033] 一个或多个轴元件104、106、108和压缩机盘110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。
[0034] 轴元件104、106、108和压缩机盘110可以在轴向相邻的旋转零件之间轴向互锁。例如，轴元件104、106、108和压缩机盘110可以包括对应齿，这些齿啮合在一起以使轴元件104、106、108和压缩机盘110互锁。多个转子叶片112通过压缩机盘110保持处于适当位置。
在一个示例中，转子叶片112包括“T形”根部，该“T形”根部保持处于压缩机盘110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112可以以叶盘形式从压缩机盘110自身延伸。如此，张力螺柱102、轴元件104、106、108、压缩机盘110和转子叶片112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入口轴104的螺纹孔中，或可替代地接纳在保持螺母(未示出)中，该保持螺母与入口轴104接合。
[0035] 在一个组装示例中，入口轴110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。在另一示例中，入口轴110水平安装在框架中，并且转子组件100以水平取向构造。
[0036] 一系列转子叶片112安装到入口轴110的凹槽中，然后压缩机盘110在张力螺柱102上滑动以将转子叶片112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110之间的适当位置的转子叶片112的一系列级。然后，中间轴106安装到张力螺柱102上，并且将张力螺柱102接纳在穿过中间轴106的孔中。张力螺柱102具有从中间轴106突出的暴露端，以允许在出口轴108添加到转子组件100之前，连接工具装置118并且向张力螺柱102施加载荷能量。
[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施加载荷能量的工具组件116的示意图的横截面。
[0038] 工具组件116包括工具装置118和安全装置120。
[0039] 工具装置118包括压缩本体122，该压缩本体122被配置为与转子组件100的轴元件104、106、108中的一个或多个轴元件接合。在一个示例中，压缩本体122被配置为与转子组件100的中间轴106接合。压缩本体122的一端的轮廓可以与中间轴104的一端的形状相对应，以确保压缩本体122与中间轴104之间的强制接合(positive engagement)。压缩本体
122可以被接纳在中间轴106的轴壁126所限定的腔124中。
[0040] 压缩本体122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122中。压缩本体122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122的内部。
[0041] 工具装置118包括工具头128，该工具头128被配置为连接到张力螺柱102。工具头128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130能够与工具头128接合并且在工具头128上施加载荷。
压缩本体122的尺寸被设计为在压缩本体122的轴向孔洞内接纳工具头128的至少一部分。
[0042] 在图2中，工具头128与张力螺柱102接合。在一个示例中，工具头128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。
[0043] 在工具装置118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128的阴螺纹就是这样一种部件。为了在工具头128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128的成本最低，工具头128可以包括可移除插入件132，使得工具头128经由可移除插入件132连接到张力螺柱102。在一个示例中，可移除插入件132包括阳螺纹和阴螺纹，该阳螺纹用于与工具头128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128的其余部分相比较，可移除插入件132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132可以使用备用可移除插入件或可替换可移除插入件132更换。这使得能够在检查原始可移除插入件132的同时继续使用工具装置118。进一步地，可移除插入件132可以包括无肩外螺纹，该无肩外螺纹实现了可移除插入件132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。
[0044] 工具装置118包括致动器130，该致动器130被配置为向工具头128和压缩本体122施加载荷。致动器130可以具有穿过其中的轴向孔洞，以用于接纳工具头128的至少一部分。
[0045] 工具装置118可以包括测量装置134，该测量装置134用于测量张力螺柱102的拉伸或伸长。下文将对测量装置134进行更详细的说明。
[0046] 转子组件100包括载荷保持器136和连接器138，这将在下文进行更详细的说明。
[0047] 在图2中，安全装置120位于打开位置，以使得能够进入工具装置118。
[0048] 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118的示意图的横截面。在图3所示的示例中，工具头128经由可更换工具插入件132与张力螺柱102接合，并且安全装置120被示为处于容纳位置。
[0049] 在图3所示的示例中，工具头128被接纳在压缩本体122中的通孔中，并且可移除插入件132与张力螺柱102接合。在图3所示的布置中，致动器130与工具头128和压缩本体122两者接合。操作时，致动器130被配置为膨胀以推抵工具头128和压缩本体122、并且在工具头128和压缩本体122上施加载荷。在压缩本体122与转子组件100的中间轴106接合时，施加到压缩本体122上的力将受到中间轴106作用，并且中间轴106也将会受到压缩。
[0050] 在一个示例中，致动器130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130可以为气动载荷单元、扭矩螺纹布置、或电磁线圈。
[0051] 由于工具头128与张力螺柱102之间的连接，施加到工具头128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。
[0052] 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134测量张力螺柱102的长度或延伸的改变。测量设备134可以包括滑动柱塞，该滑动柱塞突出通过工具头128中的孔并且与张力螺柱102的一端接合。测量设备134可以具有从工具头
128突出的暴露端。在一个示例中，测量设备134包括弹簧，以偏置柱塞抵靠在张力螺柱102上。测量设备134的暴露端可以被固定，使得由于测量设备134的长度的对应减小，而可以测量张力螺柱102的伸长或延伸。
[0053] 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。
[0054] 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)，则载荷保持器136被移动以与中间轴106接合。载荷保持器136相对于张力螺柱102移动以与中间轴106接合。在一个示例中，形式可以为旋转器的连接器138与载荷保持器136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136，而无需操作员直接进入载荷保持器136。在一个示例中，载荷保持器136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。
[0055] 为了进入连接器138，压缩本体122的壁可以包括孔口，以使得能够进入压缩本体122的内部。
[0056] 在载荷保持器136与中间轴106接合之后，可以卸载致动器130。在卸载期间，张力螺柱102与中间轴106之间的载荷路径从穿过压缩本体122改为穿过载荷保持器136。换句话说，随着致动器130被卸载，压缩本体122变为卸载；并且随着致动器130被卸载，载荷保持器136变为加载。
[0057] 一旦致动器130已经完全卸载，就可以安全地移除工具装置118。
[0058] 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118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。
[0059] 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136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。
[0060] 备选地，在加载张力螺柱102期间，可移除插入件132与工具头128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130的载荷在一端处不受约束。
[0061] 在另一示例中，压缩本体122与中间轴106或致动器130与工具头128或压缩本体122之间可能缺乏接合。
[0062] 更进一步地，致动器130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。
[0063] 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。所释放的能量可能介于大约1500J与4000J之间，因此安全装置120被设计为承受并容纳这种能量释放。
[0064] 图4示出了包括工具装置118和安全装置120的工具组件116的示例。在图4所示的示例中，工具组件116包括两个安全装置120，该两个安全装置120在直径上相对地布置在工具装置118上。安全装置120的其他布置是可能的；例如，工具组件116可以具有多于或少于两个的安全装置120。
[0065] 安全装置或捕获器臂120与工具装置118一起使用，以向张力螺柱102安全地施加张力载荷，其中因为安全装置120将容纳由于一个或多个部件发生故障而从张力螺柱102上释放的载荷能量，所以减少了在工具组件116外部释放能量的风险。
[0066] 在可能的情况下，工具装置118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处，操作员必须进入工具组件116(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。
[0067] 这通过添加附接到工具装置118的安全装置120来实现。在部件发生故障的情况下，安全装置120被配置为容纳从张力螺柱102释放的能量。
[0068] 安全装置120包括容纳构件142，该容纳构件142被配置为围绕枢轴位置枢转。在一个示例中，枢轴140为容纳构件142的一部分，但是在其他示例中，枢轴140为工具装置118的一部分，并且容纳构件142仅连接到枢轴140。
[0069] 在图4所示的示例中，枢轴140具有枢轴壳体，该枢轴壳体被配置为连接到工具装置118。在一个示例中，容纳构件142连接到工具装置118的压缩本体122。
[0070] 容纳构件142包括细长区域144，该细长区域144位于枢轴140的第一侧上。细长区域144限定纵向轴线。在一个示例中，当容纳构件142处于如图4所示的容纳位置时，细长区域144的纵向轴线基本平行于转子组件100的旋转轴线A。
[0071] 在一个示例中，细长区域144具有矩形横截面，但是可以使用任何合适形状。
[0072] 容纳构件142还包括朝向细长区域144的远端定位的臂或捕获件146，诸如保持臂。在一个示例中，臂146位于细长区域144的远端。细长区域144和臂146可以为相同部件的一部分，即，是一体的，或可替代地，它们可以为结合在一起的不同部件。臂146远离细长区域
144的纵向轴线突出。在一个示例中，臂146限定第二轴线。细长区域144所限定的纵向轴线和臂146所限定的第二轴线可以基本垂直。
[0073] 在示出了两个安全装置120的图4的示例中，第一安全装置120的臂146可以朝向第二安全装置120的臂146突出，换句话说，不同安全装置120的臂146可以朝向彼此突出。
[0074] 容纳构件142被配置为围绕枢轴位置140在第一位置与第二打开位置之间枢转，在该第一位置中，细长区域144和臂146处于容纳位置，以用于容纳施加到转子组件100的张力螺柱102的载荷，如图3所示；在该第二打开位置中，细长区域144和臂146处于打开位置，如图2所示。在容纳位置中，臂146的至少一部分在细长区域144的纵向轴线的方向上与工具装置118的至少一部分(诸如工具头128)重叠，以容纳张力螺柱102内的载荷。当容纳部件142处于第二打开位置时，容纳构件142没有被配置为将载荷容纳在其中。操作员将进入工具装置118，以允许工具装置118与张力螺柱102连接，并且使压缩本体122与中间轴106接合。
[0075] 在一个示例中，安全装置120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。
[0076] 为了保持由于能量释放而可能施加到安全装置120上的载荷，安全装置120的细长区域144和臂146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，安全装置120的长度大约为400mm至600m且横截面积大约为3200mm至5000mm 。进一
2
步地，安全装置的臂146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。
[0077] 工具组件116可以包括偏置构件143，诸如预先加载的弹簧，偏置构件143被配置为偏置容纳构件142处于打开位置。
[0078] 容纳构件142包括尾部148，该尾部148位于枢轴140的第二侧上，使得该尾部148位于枢轴的与细长区域144和臂146相对的一侧上。在一个示例中，尾部148朝向近端扩大。使用时，尾部148插入到轴壁126所限定的腔124中，使得经扩大部分可以与轴壁126的周向唇部接合。当尾部148被接合到轴壁126的唇部中时，容纳臂142将锁定在容纳位置中，使得容纳构件142的臂146与工具头128重叠。尾部148与轴壁126之间的接合足以在一个或多个部件的故障导致从张力螺柱102释放载荷能量的情况下，将工具组件116保持处于适当位置。
[0079] 除了在容纳构件142与轴壁126之间提供接合点之外，容纳构件142的位置也可以经由尾部148的移动来控制。
[0080] 细长区域144和臂146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118和/或转子组件100的一个或多个部件的故障和能量释放而产生的各种载荷。
[0081] 在图4所示的工具组件的示例中，压缩本体122包括基本上柱形的侧壁，该侧壁包括孔口150，以使得能够进入压缩本体122内部的连接器(未示出)。
[0082] 工具组件116还可以包括套筒152，该套筒152位于压缩本体122与容纳构件142之间。在一个示例中，套筒152是可旋转的，并且具有凸轮形外部轮廓。在容纳臂142的尾部148例如经由邻接件与套筒152接合时，套筒152的旋转由于套筒152的凸轮形外部轮廓而使得尾部148移动。在一个示例中，套筒152的旋转使得容纳臂142在打开位置与容纳位置之间移动。
[0083] 图5示出了套筒152的示例。如上文所描述的，套筒152具有凸轮形外部轮廓156，凸轮形外部轮廓156使得容纳臂142的尾部148能够在第一位置与第二位置之间移动，在该第一位置中，容纳臂142处于容纳位置，而在该第二位置中，容纳臂142处于打开位置。
[0084] 如图5所示，凸轮形外部轮廓具有第一宽度C和第二宽度D。当旋转套筒152使得尾部148与区段C接合时，容纳臂142将处于打开位置；并且当旋转套筒152使得尾部148与区段D接合时，容纳臂142将处于容纳位置。
[0085] 套筒152可以包括一个或多个手柄158，以旋转套筒152以使得容纳构件142移动。一个或多个手柄158可以相对于套筒152固定。为了限制套筒152的移动范围，工具组件116可以包括定位构件(未示出)，该定位构件被接纳在套筒152中的开槽孔口154内。在该示例中，开槽孔口154和定位构件的尺寸被设计为约束套筒152旋转通过预先确定的角度，诸如
90度。
[0086] 图6示出了向转子组件的张力螺柱102施加载荷的方法的图示。
[0087] 在步骤200中，工具组件116的工具头128与张力螺柱102连接。在一个示例中，工具头128包括可移除插入件132，该可移除插入件132包括中空柱体，其中该中空主体的外侧面和内侧面均带有螺纹。可移除插入件132的外部面上的螺纹可以与用于接纳可移除插入件132的工具头128内的腔的对应螺纹连接。可移除插入件132的内部面上的螺纹可以与张力螺柱102上的对应螺纹连接。
[0088] 在步骤202中，提供压缩本体122以与中间轴106接合。压缩本体122的一端可以被成形为与中间轴106上的对应轮廓匹配，使得发生强制接合。
[0089] 在步骤204中，容纳构件142的尾部148与中间轴106接合。在一个示例中，尾部148在近端处具有经扩大的区域，该经扩大的区域的形状适配中间轴106的壁126的轮廓。通过旋转套筒152(例如，通过旋转一个或多个手柄158)，可以移动尾部148进入接合。
[0090] 在步骤206中，移动容纳构件142进入容纳位置中，在该容纳位置中，容纳构件142的臂146与工具装置118的至少一部分重叠，使得通过容纳构件142容纳从张力螺柱或其他部件释放的任何能量。在一个示例中，容纳构件142与尾部148的移动同时移动。
[0091] 在步骤208中，致动器130被致动以向工具头128和压缩本体122施加载荷，以使得在张力螺柱102中产生张力载荷。
[0092] 在其他步骤中，该方法可以包括：经由测量装置134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136，该载荷保持器136配合地螺纹连接到张力螺柱102。移动载荷保持器136，以使该载荷保持器与转子组件100的轴106接合。
[0093] 在一个示例中，诸如橡胶之类的弹性材料设置在工具组件116的安全装置120的臂146与工具装置118的部件之间。例如，弹性材料可以设置在臂146与工具头128之间。
[0094] 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。
[0095] 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。
[0096] 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。
[0097] 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。
