专利名称：可内冷却的螺栓的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通过一种流动冷却介质可内冷却的螺栓。
背景技术：
例如在燃气轮机中使用一些承受高机械负荷和热负荷的螺栓。一个应用示例是用于将一个燃烧室内衬固定在一个燃烧室的一个壁上。为了获得一个高效率，通常试图通过在燃烧室内一个尽可能高的温度驱动一个燃气轮机。典型的是，在燃烧室出口的燃气温度要达到1200℃至1300℃。通常是通过一些从内部、即从燃烧室插入的螺栓将燃烧室内衬固定在燃烧室壁上。因此，使螺帽直接遭遇燃烧室中的燃气。如果由于螺栓失灵使螺栓或螺栓的一部分、尤其是螺帽进入燃烧室并和燃气流一起被带走，则将在后置的涡轮机中造成严重的损坏。
为了可靠地防止设置在燃烧室中的固定螺栓失灵，可以将这些螺栓设计成可冷却的。为此，固定螺栓例如具有一个轴向孔，通过该孔使冷却流体、尤其是冷却空气从燃烧室外面导进该燃烧室中。冷却流体在燃烧室中与燃气混合。由此使得燃烧室中的温度违人心愿地被降低。为了保证通过冷却使固定螺栓达到足够的强度，只得容忍与此相关的效率损失。但是保证这些固定螺栓具有一个足够的机械承载能力决定了需要一个可观的冷却介质需求量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种通过一种流动冷却介质可内冷却的螺栓，该螺栓的特点是只需要一个特别小的冷却介质需求量。
上述技术问题按照本发明通过这样一种带有一个螺帽和一个螺杆的螺栓来解决，它具有一个包含一个流入口和一个流出口的冷却介质通道，其中，冷却介质通道轴向不贯穿整个螺栓。该螺栓具有一个所谓的闭路冷却结构。在螺栓的两个端面、即在螺杆的端面和螺帽的封盖面上都不设置冷却介质入口或出口。至少一个冷却介质入口或出口是设置在侧面的，即设置在螺帽的封盖面与螺杆的端面之间。尤其是在一些不可能或由于工艺技术上的原因不期望只有唯一一个轴向冷却介质进口或出口的情况下，因此可以在设有一个侧面冷却介质进口的情况下形成一股在径向上指向螺栓纵轴线的冷却介质流。通过该径向的冷却介质流，螺栓也通过同样的从内部对其进行冷却的冷却介质从外部被冷却。由此特别有效地利用冷却介质，即非常有效地利用冷却介质的热容量，并由此实现特别节省地使用冷却介质。冷却介质与待冷却的螺栓之间的温度差被利用到特别高的程度。
按照一个优选的扩展设计，冷却介质出口这样设置在螺栓的侧面上，使得从螺栓中流出的冷却介质沿轴向顺着螺杆流动。由此，除了对于螺栓的内冷却还保证了特别有效地对螺栓外表面进行冷却。为了使螺栓在其整个长度上不仅从内部、而且也从外部被冷却，冷却介质流出口有利地设置在尽可能直接靠近螺帽或在螺帽本身上或在螺帽与螺杆之间的过渡区上，其中，冷却介质沿轴向向着螺杆端面方向从冷却介质出口流出。与此相反，冷却介质进口优选位于螺杆的端面上、即位于螺杆端部上。因此冷却介质流入方向与冷却介质流出方向是相反的。
为了使螺杆的整个圆周尽可能均匀地从外部被冷却，最好多个流出口优选至少近似旋转对称地围绕螺栓轴线分布地设置在螺杆圆周面上和/或螺帽上。此外，这些均匀分布的流出口具有的优点是，避免非对称地削弱螺栓的横截面以及避免由此引起不必要地减小机械承载能力。所述冷却介质流出口最好设置在一个作为螺杆的加粗区段向着螺帽的方向限定螺杆的螺栓凸缘上。通过将冷却介质流出口布置在螺栓凸缘上防止由于冷却介质流出口削弱螺杆的横截面。此外，螺栓凸缘可以用来改变冷却介质的流动方向。
按照一个优选的扩展设计，螺栓的螺帽被内冷却，在此，最好在螺帽中实现使冷却介质的流向转变，即螺帽具有一个所谓的转向区。在螺帽的封盖面或端面上最好不设置冷却介质流入口或流出口，以避免在与螺帽的端面邻接的空间里进行的过程、例如化学反应受到流入这个空间或从这个空间流出的冷却介质或其它流体的影响。而比较有利的是有针对性地继续导引冷却介质在螺杆、螺帽和/或螺栓凸缘的侧面从螺栓流出质和/或在一个封闭的冷却介质回路中流动。在此，一个轴向设置在螺杆端部的冷却介质流入口特别适合于有针对性输入冷却介质或使之返回。在此，冷却介质可以无转向地并由此实际上无压力损失地流入首先在轴向上在螺杆中延伸的冷却介质通道中。此外以简单的方式在设置在螺杆端部上的冷却介质流入口上可连接一个输入管，例如通过螺纹连接。
在高热负荷情况下为了螺栓连接的可靠性对螺帽进行有针对性的冷却是特别有意义的。在此，整个螺帽要尽可能均匀地冷却。这一点最好通过下述方式实现，通过螺杆流进螺栓的冷却介质至少一直流到螺栓凸缘、尤其是一直流到螺帽并且在螺帽中才能转向，这时，冷却介质在转向区中分成多个冷却介质支流。在此，每个分通道在螺帽、也可能在螺栓凸缘里至少近似均匀地、尤其是旋转对称地分布。
所述封闭的内冷却螺栓特别适合用于将一个燃烧室内衬固定在一个燃气轮机的燃烧室壁上。
本发明的优点主要在于，通过避免形成一股轴向的穿透整个螺栓流动的冷却介质流，一方面实现了特别有效地利用冷却介质，尤其是通过冷却介质也在螺栓外表面上流动。另一方面，由此防止所不希望的冷却介质轴向流入和/或流出螺栓，因此排除了冷却介质无意中对一个沿螺栓轴向设置的腔室的直接影响。
下面借助于附图详细阐述本发明的一个实施方式。附图中图1a，图1b示出可内冷却的螺栓以及截取式地详细示出内冷却螺栓的冷却介质通道，图2示出图1中的内冷却螺栓配有一个从属套母，图3示出一个燃气轮机，其具有一个配有一个图1和2所示螺栓的燃气轮机燃烧室。
在所有附图中相互对应的构件用相同的附图标记表示。
具体实施例方式
图1a示出一个可内冷却的螺栓1，其冷却介质通道或冷却通道2以截取方式在图1b中示出。螺栓1具有一个螺杆3和一个螺帽4并且沿着一轴线或对称轴线A从在图例中位于下面的螺帽4的封盖面5一直延伸到螺杆端部6。螺杆3在其外圆周7上具有螺纹8以及一个向着螺帽4方向限定螺杆3的、加粗构成的螺栓凸缘9。螺帽4在其封盖面5上具有一个用于内六角扳手的六角形操作孔10。
冷却介质或冷却流体F在螺杆端部6轴向上以流入方向R1流入螺栓1的流入口6a，然后从该螺栓中以与流入方向R1相反指向的流出方向R2从三个冷却介质流出口12流出。冷却通道2首先在轴向上与螺杆3同轴地延伸然后在螺帽4中沿着在图1a中以虚线表示的而在图1b详细表示的曲线延伸。冷却通道2在紧靠扳手孔上部扩展，由此在这个区域中产生一个折流冷却效应(Prallkühleffekt)。冷却通道2在螺帽4中的区域作为转向区13。在冷却通道2扩展之后这个冷却通道分成三个弯曲的分通道14。这些分通道或支路14具有相同的横截面并在螺帽4内部延伸到靠近封盖面5。在那里分通道14平缓折流(weich geblendet)地分支成两倍数量的细通道15。六个细通道15在向内、即向着轴线A方向被平缓折流之前且在每两个细通道15会聚成一个分通道14之前，所述六个细通道在靠近螺帽4的表面处延伸。通过由此在螺杆3附近汇合的三个分通道14，冷却介质F通过旋转对称地设置在螺栓凸缘9中的流出口12从螺栓1中流出。由此使螺栓1的螺帽4被强烈冷却，而没有冷却介质F在封盖面5的方向上流出。在螺帽4的内侧面16上可以设置密封圈17。流出口12径向向外、即向着设置在螺栓凸缘9上的密封环17敞开。
螺栓1由铸造材料制成。这样设计冷却通道2的形状，使螺栓1包括全部冷却通道2在一个铸造过程中制成。不需要其它的用于加工冷却通道2包括分通道14和细通道15的、尤其是切削加工工序、如钻孔。铸造过程不采用所谓的“消失的插入件(Verlorener Einstze)”。为此，这样形成具有冷却通道2的螺栓1，使得铸造过程可在避免后切(Hinterschneidung)的情况下在采用多个掩模件的条件下实现。在此规定，在一个铸模中定位第一个掩模件，在该掩模件中可移动地导入滑板式第二掩模。在浇铸完毕后可以容易地取出掩模件并由此可以再利用。
如图2所示，螺栓1可以通过套母18旋紧。套母18具有一个由左旋螺纹构成的外螺纹19以及一个与螺栓1的螺纹8相同的由右旋螺纹构成的内螺纹20，螺栓1可以旋进该内螺纹中。套母18从外部旋进一个在这里未示出的燃气轮机的燃烧室的室壁中。通过螺栓1将一个燃烧室内衬固定在燃烧室的室壁上。通过由左旋螺纹构成的套母18的外螺纹19和套母18的内螺纹20以及由右旋螺纹构成的螺栓1的对应螺纹8的结构使螺栓1与套母18相向旋进。作为防旋出的固定件内螺纹20具有一个椭圆形横截面区段21。螺栓1无需其它固定件地通过螺纹8夹紧在椭圆形横截面区段21中。
在被套母18旋进的燃烧室壁与被螺栓1固定的燃烧室内衬之间围成一个腔室，冷空气F流入其中，冷空气接下来用作预热的燃烧用空气。从螺栓1中流出的冷却介质F流入这个腔室中。因此，这种在螺栓1中已经被加热的冷却介质F有利于提高输送到燃气轮机里的燃烧用空气的温度并由此提高了燃气轮机的效率。与此相反，在螺栓1敞开式冷却的情况下、即在冷却介质F完全轴向流过整个螺栓1直接到达燃烧室的情况下，使燃烧室中的温度降低并且由此降低了燃气轮机的效率。
因此封闭的内冷却螺栓1有助于特别有效地利用冷却介质F，同时通过提高燃烧用空气温度有利于达到一个高的燃气轮机效率。
在图3中以横截面图简示出一个燃气轮机22。燃气轮机22具有一个用于压缩燃烧用空气的压缩机23、一个燃气轮机燃烧室24以及一个用于驱动压缩机23和一个未示出的发电机或工作机械的涡轮机25。为此涡轮机25和压缩机23设置在一个共用的、也被称为涡轮转子的涡轮轴26上，发电机或工作机械也与该涡轮轴连接，该涡轮轴围绕其中心轴线26a可转动地支承。
燃烧室24装有一些烧嘴33用于燃烧液体或气体燃料。燃烧室壁27衬覆一层燃烧室内衬28。
涡轮机25具有一些与涡轮轴26连接的、可旋转的工作叶片29。这些工作叶片29圆圈形地设置在涡轮轴26上并由此构成一些工作叶片组。此外，涡轮机25包含一些固定的导向叶片30，它们同样圆圈形地在构成导向叶片组的情况下固定在涡轮机25的一个内壳体31上。因此，工作叶片29通过由流过涡轮机25的工作介质M转移来的动量驱动涡轮轴26。而导向叶片30用来导引分别位于两个在工作介质M流向上看过去前后衔接的工作叶片组或工作叶片之间的工作介质M。在此由一圈导向叶片30或一个导向叶片组和由一圈工作叶片29或一个工作叶片组组成的前后排列的一对叶片圈被称为一个涡轮级。
为了能够使燃气轮机22实现高效率，燃气轮机22通过高温工作介质M驱动。该工作介质M从燃烧室中以大约1200至1300℃的温度流出。在一个壳体腔室32中、即在燃烧室24的内壁27与燃烧室内衬28之间形成的腔室中，输送的被压缩的燃烧用空气在进入到喷嘴33之前被预热。与此同时燃烧室24的内壁27被冷却。将燃烧室内衬28固定在燃烧室24的内壁27上的螺栓1置于这种高机械和高温度负荷的工作条件下。螺栓1的螺帽4伸入到燃烧室24中。通过高效地冷却螺栓1、尤其是冷却螺帽4，使得螺栓1在所有工作条件下都能具有足够安全余量地达到一个高的强度。
权利要求
1.一种具有一个螺帽(4)和一个螺杆(3)的螺栓(1)，其具有一个带有一个流入口(6a)以及一个流出口(12)的冷却介质通道(2)，该冷却介质通道轴向不贯穿整个螺帽(4)和螺杆(3)。
2.如权利要求1所述的螺栓(1)，其特征在于，所述流出口(12)设置在螺杆圆周(7)上。
3.如权利要求1或2所述的螺栓(1)，其特征在于，所述流入口(6a)设置在螺杆端部上(6)。
4.如权利要求1至3中任一项所述的螺栓(1)，其特征在于，所述流出口(12)设置在螺帽(4)上。
5.如权利要求3或4所述的螺栓(1)，其特征在于，多个流出口(12)至少近似旋转对称地围绕所述螺杆(3)的轴线(A)设置。
6.如权利要求1至5中任一项所述的螺栓(1)，其特征在于。所述冷却介质流入方向(R1)与冷却介质流出方向(R2)反向。
7.如权利要求1至6中任一项所述的螺栓(1)，其特征在于，所述螺栓(1)具有一个沿着朝向螺帽(4)的方向与所述螺杆(3)邻接的螺栓凸缘(9)。
8.如权利要求7所述的螺栓(1)，其特征在于，所述流出口(12)设置在所述螺栓凸缘(9)上。
9.如权利要求1至8中任一项所述的螺栓(1)，其特征在于，所述冷却介质通道(2)具有一个设置在螺帽(4)中的转向区(13)。
10.如权利要求9所述的螺栓(1)，其特征在于，所述冷却介质通道(12)在转向区(13)内分叉。
11.一种燃气轮机燃烧室(24)，其具有一燃烧室内衬(28)，该内衬通过如权利要求1至10中任一项所述的螺栓(1)固定在燃烧室壁(27)上。
12.如权利要求11所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述螺栓(1)的流出口(12)设置在所述燃烧室内衬(28)与燃烧室壁(27)之间的一个壳体腔室(32)中。
全文摘要
本发明公开了一种具有一个螺帽(4)和一个螺杆(3)的螺栓(1)，该螺栓具有一个带有一个流入口(6a)以及一个流出口(12)的冷却介质通道(2)，该冷却介质通道轴向不贯穿整个螺帽(4)和螺杆(3)。通过避免一股冷却介质流轴向穿透整个螺栓(1)，尤其是通过使冷却介质也在螺栓(1)外表面上流过实现特别有效地利用冷却介质。
文档编号F23R3/60GK1485571SQ0312782
公开日2004年3月31日 申请日期2003年8月11日 优先权日2002年8月16日
发明者彼得·蒂曼, 彼得 蒂曼 申请人:西门子公司