十字键防旋转间隔件的制作方法

本公开大体涉及燃气涡轮发动机，并且更特别地涉及防止压缩机间隔件的旋转。

背景技术：

燃气涡轮发动机包括压缩机、燃烧器和涡轮部段。燃气涡轮发动机部段的部件经受高温和高压。这些温度和压力可在燃气涡轮发动机的瞬变期间变化，尤其在燃气涡轮发动机的起动和关闭期间。部件可以不同速率热膨胀，导致部件间的引导损失和部件内的热应力和热应变。

授予glasspoole的美国专利申请公开号2012/0051918描述了用于将部件轴向保持在燃气涡轮发动机的旋转部件上的保持环布置。保持环布置包括安装在限定于旋转部件的径向外表面中的周向凹槽中的开口保持环。保持环的内径与设在待组装的两个部件中的一个上的径向面向外的支座径向接触而向内偏置。防旋转特征设在保持环的内径处，用于限制环免于旋转。套筒环绕保持环以在发动机操作期间经受离心力时限制其径向扩张。

授予bosco的美国专利申请公开号2012/0315142涉及一种用于抵靠支承叶片的涡轮轮体压缩涡轮发动机的叶片冷却回路的密封环的机构，轮体在其下游表面上支承环形凸缘，环形凸缘径向定位且与表面一起限定构造成容纳密封环的凹槽。凸缘包括位于与凹槽底部相对的其边缘上的至少两个切口，以形成用于由面向轮体的凹槽的环的圆周支承的夹钳轴向插入凹槽中的窗口。该机构包括构造成定位在轮体的表面和环之间的凹槽中的螺栓凸片，以及成形为由轮体的表面支承且与螺栓接合以确保环抵靠凸缘压缩的夹具。

本公开旨在克服发明人发现的一个或多个问题。

技术实现要素：

一般来说，本公开描述了与涡轮发动机中的十字键防旋转间隔件相关的系统和方法。本公开的系统、方法和装置各自具有若干创新方面，其中单独的一个方面并非仅负责本文公开的所需属性。

本公开的一个方面提供了一种压缩机盘组件。压缩机盘组件可具有十字键环。十字键环可具有环形本体，环形本体具有由外表面限定的圆周和正交于外表面的环后面。十字键环可具有多个键，多个键与多个间隙交替，形成与环后面相对的十字键表面，多个键中的每一个跨越十字键表面的环形区段。压缩机盘组件可具有压缩机盘，压缩机盘构造成接收围绕外圆周的多个压缩机叶片。压缩机盘可具有从压缩机盘的外部部分延伸的边缘，以限定压缩机盘的外圆周。压缩机盘可具有从边缘沿径向向内设置的前盘面。压缩机盘可具有前延伸部，前延伸部从边缘沿轴向向前延伸并限定延伸深度。延伸深度可沿前延伸部内表面从前盘面延伸到前延伸部面。前延伸部可以与前延伸部内表面过盈配合接收该十字键环，使得环后面邻近前盘面设置，并且外表面邻近前延伸部内表面。

本公开的另一方面提供了一种用于燃气涡轮发动机的压缩机转子组件。压缩机转子组件可具有带有边缘的压缩机盘，边缘具有限定盘外表面的外表面，边缘构造成接收围绕盘外表面的多个转子叶片。压缩机转子组件可具有在边缘的径向向内设置的十字键环，十字键环具有多个键，多个键与多个间隙交替，形成与环后面相对的十字键表面，多个键中的每一键跨越十字键表面的环形区段。压缩机转子组件可具有间隔件。间隔件可具有带有基本环形形状的间隔件本体和间隔件外表面。间隔件可具有形成于间隔件本体的后面上的多个间隔件齿，多个间隔件齿中的每个间隔件齿跨越后面的环形区段，多个间隔件齿构造成与多个键接合。

本公开的另一方面提供了一种用于改装燃气涡轮发动机的方法。该方法可包括从边缘沿径向向内在压缩机盘上形成前盘面，边缘具有限定压缩机盘的盘外表面的外表面，边缘构造成接收围绕盘外表面的多个转子叶片。该方法可包括形成前延伸部内表面，该前延伸部内表面延伸从压缩机盘的前盘面到前延伸部的前延伸部面的延伸深度，前延伸部从边缘沿轴向向前延伸。该方法可包括将十字键环配合到压缩机盘，十字键环具有多个键，多个键与多个间隙交替，形成与环后面相对的十字键表面，多个键的每个键跨越十字键表面的环形区段，配合进一步将环后面设置在前盘面附近。

本公开的其它特征和优点应从以下描述显而易见，以举例方式说明本公开的方面。

附图说明

本公开的实施例的细节(关于其结构和操作)可部分地通过研究附图来搜集，在附图中相同的附图标记指代相同的部分，并且其中：

图1是示例性燃气涡轮发动机的示意图；

图2是图1的压缩机转子组件210的后部部分的透视图；以及

图3是可用于图1的燃气涡轮发动机100的燃气涡轮发动机的压缩机200的一部分的横截面视图；

图4是图3的压缩机盘和间隔件的分解视图；

图5是可用于图1的燃气涡轮发动机100的燃气涡轮发动机的压缩机200的一部分的横截面视图；

图6是沿着图5的线6-6截取的图1的燃气涡轮发动机的压缩机200的一部分的横截面视图；以及

图7是沿着图6的线7-7截取的图1的燃气涡轮发动机的压缩机200的一部分的横截面视图。

具体实施方式

下文结合附图阐述的详细描述旨在作为对各种实施例的描述，而不旨在表示可以实践本公开的仅有的实施例。为了透彻理解实施例，详细描述包括具体细节。然而，没有这些具体细节，本公开对本领域技术人员也是显而易见的。在一些情况下，为了使描述简洁，以简化形式展示了熟知的结构和部件。

图1是示例性燃气涡轮发动机的示意图。为了清楚和便于解释起见，(在该图和其它附图中)省略或放大了某些表面。此外，本公开可能提及前方向和后方向。大体上，除非另有说明，否则对“前”和“后”的所有提及均与主空气(即，在燃烧过程中使用的空气)的流动方向相关联。例如，前为相对于主气流的“上游”，而后为相对于主气流的“下游”。

另外，本公开通常可提及燃气涡轮发动机的旋转中心轴线95，其一般可由燃气涡轮发动机的轴120(由多个轴承组件150支承)的纵向轴线限定。中心轴线95可以与各种其它发动机同心部件共有或共用。除非另有说明，否则对径向、轴向和周向方向以及测量的所有提及均指中心轴线95，并且诸如“内”和“外”的术语一般表示远离更小的或更大的径向距离，其中径向96可为垂直于中心轴线95并且从该中心轴线向外辐射的任何方向。

燃气涡轮发动机100包括入口110、轴120、燃气发生器或“压缩机”200、燃烧器300、涡轮机400、排气装置500和动力输出联接装置。燃气涡轮发动机100可具有单轴配置或双轴配置。图1中的虚线近似燃气涡轮发动机100的不同部段。

压缩机200包括压缩机转子组件210、压缩机固定叶片(“定子”)250和入口导流叶片255。压缩机转子组件210机械地联接到轴120。如图所示，压缩机转子组件210是轴流转子组件。压缩机转子组件210包括一个或多个压缩机盘组件220和一个或多个间隔件230。每个压缩机盘组件220包括压缩机转子盘221(图2)，其沿周向设置有压缩机转子叶片227(图2)。在实施例中，每个间隔件230在相邻压缩机盘组件220的边缘222之间延伸(参考图3)。定子250沿轴向跟随压缩机盘组件220的每一个。与跟随压缩机盘组件220的相邻定子250配对的每个压缩机盘组件220被视为是一个压缩机级。压缩机200包括多个压缩机级。入口导流叶片255可沿轴向位于第一压缩机级之前。

燃烧器300包括一个或多个喷射器310，并且包括一个或多个燃烧室390。

涡轮机400包括涡轮机转子组件410和涡轮机喷嘴450。涡轮机转子组件410机械地联接到轴120。如图所示，涡轮机转子组件410是轴流转子组件。涡轮机转子组件410包括一个或多个涡轮盘组件420。每个涡轮盘组件420包括周向设置有涡轮叶片的涡轮盘。涡轮喷嘴450沿轴向位于涡轮盘组件420的每一个之前。与在涡轮机盘组件420之前的相邻涡轮喷嘴450配对的每个涡轮盘组件420被视为一个涡轮机级。涡轮机400包括多个涡轮机级。

排气装置500包括排气扩散器510和排气收集器520。

图2是图1的压缩机转子组件210的后部部分的透视图。压缩机转子组件210包括压缩机盘组件220、间隔件230和后毂245。每个压缩机盘组件220包括压缩机转子盘(“盘”)221和多个压缩机转子叶片227。在形成压缩机转子组件210时，盘221联接或焊接在一起。在所示的实施例中，盘221与曲齿219联接在一起。每个盘221沿周向设置有压缩机转子叶片227。

每个盘221可包括盘外表面229。盘外表面229是盘221的径向外表面，并且限定穿过压缩机200的流径的内表面的一部分。

每个间隔件230可包括间隔件外表面239。间隔件外表面239是间隔件230的径向外表面，且限定穿过压缩机200的流径的内表面的一部分。间隔件外表面239可大体上与盘外表面229齐平，以形成通过压缩机200的空气10的流径的内表面。

后毂245可位于盘221后面，且大体上是压缩机转子组件210的最后部件。后毂245可具有盘形状。轴接口248从具有圆柱形形状的后毂245的盘形状向后延伸。轴接口248可为锥形，以联接到轴120的一部分。

图3是可用于图1的燃气涡轮发动机100的燃气涡轮发动机的压缩机200的一部分的横截面视图。每个压缩机盘组件220(图2)的盘221包括边缘222、前臂225和后臂226。边缘222位于盘221的径向最外部分处，并且可以位于盘221的径向外圆周处。在一个实施例，边缘222完全围绕盘221沿周向延伸。大体上，每个边缘222包括沿轴向向前延伸的前延伸部223，以及沿轴向向后延伸的后延伸部224。在一个实施例，前延伸部223和后延伸部224两者完全围绕盘221沿周向延伸。前延伸部223可具有前延伸部面228。

前臂225和后臂226从边缘222沿径向向内定位并且从盘221的轴线沿径向向外定位。前臂225和后臂226可将相邻盘221联接在一起(例如，经由曲齿219)。在一个实施例，前臂225和后臂226完全围绕盘221沿周向延伸。前臂225沿轴向向前延伸，并且后臂226沿轴向向后延伸。每个盘221联接到相邻的盘221。一个盘的前臂225与相邻盘221的后臂沿径向对准。在一个实施例，每个前臂225和每个后臂226包括曲齿219(图2)。

压缩机转子叶片227在边缘222处联接到盘221。每个压缩机转子叶片227包括具有诸如杉树部或燕尾部的保持特征的基部(未示出)。边缘222中的槽具有将每个压缩机转子叶片227固定到盘221的对应保持特征。

每个间隔件230大体成形为中空圆柱体或环形环。间隔件230跨越相邻盘221之间，并且以压配合、滑动配合或过盈配合联接到相邻边缘222。在一个实施例中，间隔件230的前端以滑动配合联接到相邻盘221，而间隔件230的后端以压配合联接到相邻盘221。在一个实施例中，间隔件230的前端以压配合联接到相邻盘221，而间隔件230的后端以滑动配合联接到相邻盘221。间隔件230从定子250沿径向向内定位。

每个定子250可从定子护罩252朝向间隔件230沿径向向内延伸。定子250可沿周向对准且从间隔件230沿径向向外定位，以在压缩机转子盘221之间形成流体喷嘴。

每个间隔件230可具有圆柱形本体231、前唇缘232和后面233。本体231可为中空圆柱体或环形环。前唇缘232可从本体231沿轴向向前延伸。前唇缘232可为从本体231向前延伸的环形凸缘。后面233可在与前唇缘232相反的方向上从本体231沿轴向向后延伸。后面233可为从本体231向后延伸的环形凸缘。

前唇缘232可与相邻盘221的后延伸部224沿轴向重叠，并且可从后延伸部224沿径向向内定位。前唇缘232可具有与后延伸部224的滑动配合、压配合或过盈配合。后面233可与相邻盘221的前延伸部223沿轴向重叠，并且可从前延伸部223沿径向向内定位。后面233可具有与前延伸部面228处的前延伸部223的滑动配合、压配合或过盈配合。

压缩机转子组件210还可包括设置于每个间隔件230与盘221之间的一个或多个十字键环240。十字键环240可防止间隔件230相对于相邻盘221滑动(沿旋转方向)。

图4是图3的压缩机盘和间隔件的分解视图。十字键环240可具有环形本体258和多个防旋转特征或键241。每个键241可由间隙242分开。在一些实施例中，十字键环240可具有18或更多个键241。所属领域的技术人员应认识到，键241的数量可基于间隔件230的直径和十字键环240的直径而变化。在一些实施例中，增大数量的键241可减少压缩机盘组件220和压缩机转子组件210的部件上的应力。对于所示实例，18个键可提供可接受应力值与增加键241数量而增加加工复杂性之间的平衡。在一些实施例中，十字键环240可具有多于18个键241。在一些其它实施例中，鉴于环形本体258的薄结构，用于改装压缩机盘组件220的十字键环240可进一步在键241的数量上受到限制。键241可为与间隙242交替以形成十字键表面260的雉堞墙状物或齿。键241和间隙242与间隔件230的本体231上的对应间隔件齿243(图5)啮合。每个十字键环240还可具有与十字键表面260相对的环后面262。

十字键环240还可具有多个十字键安装销(销)244，其经由孔口247将十字键环240固定到盘221。在一些实例中，十字键环240可作为改装物安装到盘221。销244可有助于固定十字键环240并且例如在安装期间防止其翘曲。

十字键环240可经由过盈配合联接到盘221。销244可穿过孔口247进入盘221中的对应孔口中，以将十字键环240进一步固定到盘221。在一些实施例中，盘221可通过加工盘221的外部部分以容纳十字键环240而改造成具有十字键环240。具体地，前延伸部面228、前延伸部内表面251和前盘面616(图7)中的一个或多个可机械加工或以其它方式改装以接收并容纳十字键环240。

在一些其它实施例中，十字键环240可为盘221的整体部分，并且形成于盘221中作为原始和整体部件。例如，这可消除销244和孔口247的使用。

图5是可用于图1的燃气涡轮发动机100的燃气涡轮发动机的压缩机200的一部分的横截面视图。图5的视图类似于图3，描绘了盘221、间隔件230、十字键环240的近视图。

在一些实施例中，十字键环240可经由过盈配合联接到盘221。因此，十字键环240可大小设定成使得十字形环外表面246与前延伸部内表面251相交。十字键外表面246可限定十字键环240的外圆周。十字键环240进一步设置于盘221与间隔件230之间，使得间隔件230的后面233与前延伸部面228接触。

在一些实施例中，十字键环240可安装在燃气涡轮发动机100中作为改装物。在这种实施方式中，间隔件230可修改或机械加工以便以过盈配合接收十字键环240。销244可将十字键环240固定到间隔件230，并且可进入十字键环240中的孔口247和盘221中的对应孔口。销244可在十字键环240和盘221内以过盈配合固定。在其它实施例中，销244可经由焊接或粘合剂固定。在一些实施例中，十字键环240可与盘221成一体，从而消除销244和对盘221的附加修改。

在燃气涡轮发动机的操作期间，特别是在诸如启动和关闭的瞬态操作期间，每个间隔件230的前端和后端的径向配合可由于热膨胀和收缩而增加或减小。这可增加间隔件230相对于盘221旋转的机会。与间隔件齿243连接的十字键环240的键241可防止间隔件230相对于相邻盘221滑动或旋转。键241可在公-母相互作用中与间隔件齿243联接以防止旋转。销244，以及十字键环240与盘221之间的过盈配合可防止十字键环240相对于盘221滑动。

图6是沿着图5的线6-6截取的图1的燃气涡轮发动机的压缩机200的一部分的横截面视图。图6的视图是向前看的压缩机200的轴向横截面。该视图示出了键241和间隔件齿243的径向横截面。

在一些实施例中，间隔件230和十字键环240两者可具有相同的外径。这可以允许十字键环240在压缩机盘221上适当地导向并允许间隔件齿243在轴向方向上与盘221的前延伸部223重叠。因此，前延伸部内表面251可邻近于十字键环外表面246。因此，前延伸内表面251也可与间隔件齿243重叠(参见图7)。这些相邻表面之间的过盈配合可防止旋转。以类似方式，前延伸内表面251也可邻近于间隔件齿外表面249。间隔件齿外表面249可为间隔件230与盘221接触的一部分。当在一定温度下操作时，间隔件230比盘221更快地膨胀(在径向方向上)。因此，间隔件230加热并膨胀，并且使与盘221且更具体地说前延伸部内表面251的过盈配合更紧。

在一些实施例中，键241的每一个可具有第一键锁定表面602和第二键锁定表面604。第一键锁定表面602可邻近于间隔件齿第一表面606。第二键锁定表面604可邻近于间隔件齿第二表面608。如图所示，每个键241是形状为环形区段的十字键环240的一个区段，其具有弯曲梯形横截面。此外，可存在小周向间隙610，其中第一键锁定表面602邻近间隔件齿第一表面606，并且其中第二键锁定表面604邻近间隔件齿第二表面608。这在图6的插图中示出。

使用图6的插图作为实例，周向间隙610为间隔件230提供空间以在启动和关闭期间膨胀和收缩。此周向间隙610还可提供足够间隙以用于间隔件230安装或联接到盘221。例如，随着间隔件230在涡轮操作期间加热并膨胀，间隔件230可失去与十字键环240的接合。更具体地，第一表面606可失去与第一键锁定表面602的接触，并且间隔件齿第二表面608可在涡轮操作期间失去与第二键锁定表面604的接触，但间隔件230膨胀使得间隔件齿外表面249接触前延伸内表面251。这可增加间隔件230与盘221之间的过盈配合的摩擦，且有助于预防间隔件230与盘221之间的旋转。

在关闭期间，间隔件230可比盘221更快地冷却，因此间隔件230和间隔件齿243可与十字键环240的键241接合，且限制间隔件230旋转。更具体地，随着间隔件230冷却，其可失去与前延伸部内表面251的接触，但然后与第二锁定表面604接触并且与该十字键环240再接合。

图7是沿着图6的线7-7截取的图1的燃气涡轮发动机的压缩机200的一部分的横截面视图。在一些实施例中，十字键环240可具有由箭头(环深度)702指示的十字键深度。环深度702可从环后面262延伸到键面620。

前延伸部223可具有延伸深度704，延伸深度从前盘面616延伸到与后面233相邻的前延伸部223的前延伸部面228。延伸深度704可比环深度702略大(或更深)。深度差在键面620与间隔件230的后面233之间提供环隙710。环隙710可防止十字键环240阻碍间隔件230与盘221之间的过盈配合。这允许间隔件230降到最低而到盘221上，在所述盘处，后面233与前延伸部面228相交。

工业适用性

燃气涡轮发动机可适用于多种工业应用，如石油和天然气工业的各个方面(包括石油和天然气的传输、收集、储藏、抽出和起升)、发电工业、废热发电、航空航天和其它运输工业。

参照图1，气体(典型地是空气10)进入入口110作为“工作流体”并且由压缩机200压缩。在压缩机200中，由一系列的压缩机盘组件220在环形流动路径115中压缩工作流体。特别地，空气10在编号的“级”内被压缩，级与每个压缩机盘组件220相关联。例如，“第四级空气”可与在下游或“向后”方向(从入口110朝向排气装置500)上的第四压缩机盘组件220相关联。同样，每个涡轮盘组件420可与编号的级相关联。

一旦压缩空气10离开压缩机200，它就进入燃烧器300，在此处使它扩散并加入燃料。空气10和燃料经由喷射器310喷射入燃烧室390中并燃烧。由一系列的涡轮盘组件420中的每一级通过涡轮机400从燃烧反应中提取能量。排出的废气90然后可以在排气扩散器510中扩散，收集并改变方向。排出的废气90经由排气收集器520离开该系统并且可进行进一步处理(例如，以减少有害排放和/或从排出的废气90中回收热)。

压缩机200可具有一系列盘组件220。每个盘组件220可具有邻近于盘221的间隔件230。在燃气涡轮发动机100的启动和关闭期间，包括盘组件220的各种部件经受大的旋转力。旋转力可导致间隔件230相对于盘221旋转。这会随着时间流逝而导致部件之间的磨损和损坏。

如本文所公开的，具有键241的十字键环240可插入到盘221中或固定在盘上。键241可与间隔件齿243交互并防止此类旋转。在一些实施例中，十字键环240可作为改装物插入盘221。这可能需要加工盘221的前面的外圆周。然后，可经由过盈配合将十字键环240插入到适当的空间和盘221中。销244还可插入十字键环内的孔口247中，以进一步固定十字键环240以免相对于盘221旋转。因此，间隔件230可形成有与键241互锁的对应的间隔件齿。

在其它实施例中，十字键环240可形成为盘221的整体部分。这可允许在发动机大修或改装期间一对一更换。

在短暂发动机操作(例如，启动和关闭)期间防止间隔件230与盘221之间的旋转可延长压缩机组件220的寿命且最终延长燃气涡轮发动机100的寿命。

前面的具体实施方案仅仅是示例性的，而不是用来限制本发明或本发明的应用和使用。所描述的实施方案并不限于与特定类型的燃气涡轮发动机一起使用。因此，尽管为了便于解释，本公开描绘并描述了特定的动力涡轮凸缘组件，但应认识到，根据本公开的后夹环可以以各种其它构造来实施，可与各种其它类型的凸缘组件一起使用，并可用在其它类型的机器中。此外，并没有意图使本发明受前面的背景技术和具体实施方式中提出的任何理论的束缚。也应理解，图示可包括放大的尺寸，以更好地图示示出的引用项，而不应认为如此限制，除非特别说明。

要理解，上文描述的益处和优点可以与一个实施例有关，或者可以涉及若干实施例。实施例不限于解决所陈述的任何或全部问题的实施例，或具有所陈述的任何或全部益处和优点的实施例。