用于旋转或静止构件的机械紧固系统的制作方法

本发明涉及用于旋转或静止构件(诸如转子上的涡轮叶片/导叶或压缩机叶片/导叶或壳的与轴相应的导叶载体)的机械紧固系统。

背景技术：

具有若干级的燃气涡轮或压缩机中的叶片和导叶借助于周向安装凹槽安装在与转子相应的导叶载体上，单独叶片分别借助于所谓的中间紧固构件插入和固定在凹槽中。此机械紧固系统具有的目的在于，相应的涡轮叶片固定地安装在其预先规定的安装位置处，且可在破坏的情况下由新叶片替换。此外，用于涡轮或压缩机叶片和导叶的此紧固系统需要适于相应的操作条件，诸如燃气涡轮等的操作期间的高的温度和负载。

必要的是，用于涡轮或压缩机的叶片或导叶的此紧固系统不但具有相对于其它构件的预定小公差，而且还适于抑制可能的振动，振动可导致对叶片或导叶以及涡轮和压缩机构件的破坏。

除操作期间相对于应力的所需阻力(其作用于叶片和叶片紧固系统上)外，用于此旋转构件的紧固系统还必须改变成以便以最稳定和牢靠的方式确保牢固的叶片固定。在燃气涡轮的构造中，例如，用于叶片的此紧固系统因此是关键问题，且需要很小的公差和可靠的夹持效果，使得确保燃气涡轮的长期操作。在对一些叶片破坏或需要替换的情况下，紧固系统也应当改变以用于快速且容易的组装。

用于诸如燃气涡轮叶片的旋转构件的常规机械紧固系统在转子的侧上包括周向安装凹槽，其具有适合于接纳叶片的所谓根部区段的形状，以及中间紧固构件，其具有安装凹槽的对应截面形式。例如，用于涡轮叶片的此已知机械紧固系统在附图的图1和图2中示出。

在该常规紧固系统10的情况下，叶片1设有根部区段2，其具有适合于插入转子上的周向安装凹槽(未示出)中的特定截面，特别是在压缩机或涡轮的若干相应级中。例如，实心中间紧固构件3具有带若干侧向凹槽4(参照图2的截面A-A)的截面以用于紧固在转子或轴(未示出)的周向安装凹槽中。这些中间紧固构件通常由实心形式的金属材料或合金制成，且因此必须在很小的公差内制造，以便满足所述的设计要求。除具有夹持相应叶片1的目的的这些中间紧固构件3之外，所谓的T形根部间隔物用于将叶片1准确定位在燃气涡轮或压缩机内。因此，具有出于固定和夹持叶片的目的的实心中间紧固构件的这些常规紧固系统鉴于构件的形状和形式而需要很小的公差。此外，此紧固系统的组装和拆卸相当复杂。

例如，此紧固系统的安装和随后的拆卸需要特殊工具。通常，由于操作期间发动机的随机振动驱动的不同磨损，故此类紧固系统的拆卸也不容易实现。在一定操作时间之后，中间紧固构件将叶片和额外的间隔物元件牢固地夹持在转子的周向凹槽内，使得紧固系统的除去仅通过使用额外特殊工具才可能。

用于带有实心中间紧固构件或夹持构件的旋转或静止构件的此类已知紧固系统的另一个缺点在于，它们并未鉴于这种发动机的操作期间的振动和共振的抑制良好地改变。此外，这些已知的机械紧固系统在重量方面相当重，因为用于构件的制造的材料(诸如材料合金)必须适于具有高温和增加的负载的上述操作条件。

技术实现要素：

鉴于这些缺点，本发明的目的在于提供一种用于温度和应力临界的发动机的旋转或静止构件的改善的机械紧固系统，其提供了可靠的高夹持力，且同时允许紧固系统的容易安装和拆卸。此外，根据本发明的紧固系统应当鉴于抑制操作振动等优化。

该问题借助于如权利要求1限定的根据本发明的机械紧固系统解决。本发明的其它实施例和有利实现形式是从属权利要求的主题。

根据本发明的用于旋转或静止构件(诸如转子或轴上的涡轮或压缩机叶片或者壳中的导叶载体上的导叶)包括适合于接纳所述叶片或导叶的根部区段的周向安装凹槽，以及用于将所述叶片或导叶固定在与转子相应的导叶载体的外周上的限定等距位置的中间紧固构件，由此所述中间紧固构件包括至少上平台以及至少基部或侧板，其具有用于安装在转子上或壳上的凹槽。根据本发明的紧固系统特征在于，所述中间紧固构件由具有不同材料或材料成分的多个不同部分制成，至少一个夹持部分由其制成或者包括形状记忆合金或具有拟弹性特性的类似材料。由于中间紧固构件由具有不同材料的多个不同部分制成，故该部分可适于阻力和刚性方面的相应特殊要求，特别是鉴于高温和增大的应力。该多个不同部分中的至少一个为夹持部分，其由形状记忆合金或类似材料制成或包括它们，以便用于固持和固定紧固系统的夹持效果由该夹持部分提供。相比于夹持部分具有适合于提供所需的夹持效果的形状和结构的夹持部分的正常操作状态，夹持部分可改变其形式以用于紧固系统的安装和拆卸的目的。由于根据本发明的该特征，故有可能将中间紧固构件的其它部分设计成具有这样的尺寸，使得有可能容易安装和拆卸。其它部分可例如以普通钢或复合材料实现，其形状可在诸如燃气涡轮的发动机的操作期间在作用的外部热和机械应力方面拓扑地优化。借助于此，紧固系统相对于安装公差不太敏感。然而，紧固系统以此类自紧固轻量系统提供了很准确的组装公差和精确的定位。

中间紧固构件的最终操作形状和设计仅在最终操作条件的情况下给出。这意味着，紧固系统的夹持效果由操作条件触发，诸如紧固系统上的较高操作温度或操作压力，这可基于实验或发动机的操作的已知温度范围确定。用于中间紧固构件的夹持部分的形状记忆合金或类似材料选择成使得在环境温度下且没有增加的负载下除去夹持效果，而在燃气涡轮或类似发动机的操作期间，给出所需的夹持效果。因此，提供了一类混合机械紧固系统，其允许例如受损叶片的替换的情况下容易的拆卸。在可为压缩机或涡轮等的发动机的停机之后，夹持部分回到初始预先限定的形状，使得可除去紧固系统和相关叶片而不需要使用额外的工具。

此外，由形状记忆合金制成的夹持部分提供优异的材料阻尼，其高于由单一材料制成且实现为单件元件的现有技术的中间紧固构件的材料阻尼的情况。由于该特征，故进一步保护了整个发动机组件免于高周疲劳的问题，例如这可由旋转叶片相对于压缩机或涡轮的壳体的摩擦引起，这可能特别地在发动机的启动和停机期间发生。当形状记忆合金或类似材料具有用于中间紧固构件的夹持部分的拟弹性特性时，可使用本领域的技术人员已知的任何此类材料。例如，金属合金(诸如NiTi、CuZnAl、CuAlNi或基于铁的合金)可取决于相应的操作条件使用，特别是涡轮或压缩机的操作期间的温度范围。形状记忆合金的这样的材料具有特殊特征，夹持部分的初始形状可出于紧固系统的安装和拆卸目的来调整，其然后在例如可由发动机的操作期间的较高温度和较高应力触发的操作状态期间改变。例如，夹持部分由这样的形状记忆合金制成，其由于马氏体变体的去双晶作用而在非操作状态中具有高材料延性，使得夹持部分且因此紧固系统容易使用简单工具或手工变形。与之相反，在操作状态中，材料变化至奥氏体状态，其中夹持部分的最终(增大)的形状给出，使得给出用于旋转构件的紧固和固持的夹持效果。这意味着，发动机的较高操作温度用于建立材料的奥氏体终点温度，这产生应力使得整个系统的夹持在材料的奥氏体状态中保证。由于夹持部分的该拟弹性特性引起的形状改变可根据本发明借助于操作温度(升高的温度)、作用于紧固系统上的外部机械负载等触发。

因此，本发明提供了改善的紧固系统，其允许系统的构件的容易安装和拆卸。此外，根据本发明的紧固系统可在重量方面改变，例如，不同部分可特别适于考虑了紧固系统的总重量的机械和热阻力的要求。总之，提供了相对轻量的构造，其可利用简单工具或甚至手工安装和拆卸。最后，由于不同材料且特别是用于中间紧固构件的夹持部分的形状记忆合金，故根据本发明的紧固系统还提供了特别有利的阻尼性质。可以以较好方式抑制发动机的操作期间发生的共振，且因此，可减小由此类常规发动机中的高周疲劳引起的破坏。另外，由于紧固系统的不同的单独部分可单独储存和运输，故鉴于运输的可能性优化了紧固系统。根据本发明的紧固系统的夹持部分可完全由所谓的形状记忆合金制成，或者可包括以此形状记忆合金或类似材料实现的部分。

根据本发明的有利方面，由形状记忆合金或具有拟弹性特性的类似材料制成的紧固系统的夹持部分为夹持螺栓。就用作中间紧固构件的多个不同部分的一部分的此夹持螺栓而言，利用紧固系统的相当简单的构件实现了良好的紧固状态。此外，由于中间紧固构件的其它部分可在不太严格的制造公差中实现，故提高了组装能力。然而，紧固系统提供了涡轮叶片等的准确定位和固定。根据本发明的夹持螺栓可鉴于相应的设计要求在其形式方面和形状记忆合金的使用方面改变。例如，夹持螺栓可为由形状记忆合金制成的圆柱形螺栓，其至少部分地包括形状记忆合金。例如，此夹持螺栓可插入中间紧固构件的其它部分内的相应的腔或开孔中，使得在操作状态期间，当给定夹持螺栓的最终形状时，实现所需的夹持效果。

根据本发明的另一有利实现形式，中间紧固构件包括平台和侧板，其为单独的部分，且借助于凹槽/底切组合安装到彼此上。在紧固系统的安装期间，这些不同部分可在转子的周向安装凹槽内简单地集合到一起。然后可安装夹持部分，且紧固系统因此在发动机的第一操作中完成。此外，单独的平台和侧板具有的优点在于，这些部分可鉴于其操作要求通过使用不同材料或材料合金来改变。

根据本发明的另一个有利实施例，中间紧固构件的一个或多个侧板包括腔以用于接纳由形状记忆合金制成的所述夹持部分。因此，夹持部分牢固地保持在中间紧固构件的其它部分内。夹持效果可设在紧固系统内的特定预定位置处，使得给出了中间固件构件且因此涡轮或压缩机叶片的牢固固定和固持。根据在此方面的有利实现形式，腔具有直径，其略大于插入这些腔中的夹持部分的直径。因此，例如，由于夹持部分可容易地在发动机在环境温度下停机之后手工除去，故使得紧固系统的安装和拆卸更容易。

根据本发明的另一个有利实施例，紧固系统包括两个或更多个周向侧板。就两个周向侧板而言，由形状记忆合金制成的夹持部分可插入这两个侧板之间。当给定操作状态使得夹持部分提供由于该形状记忆合金或类似材料的夹持效果时，两个侧板提供优异的夹持效果，因为涡轮叶片的根部的相邻表面例如一致地夹持在增大的区域或表面上。取决于设计要求和涡轮叶片的相应分布，额外侧板也可用于本发明的紧固系统中。

根据本发明的另一个有利实施例，提供了用于紧固所述中间紧固构件的一个或多个弹簧元件。利用该特征，使得紧固系统的预先组装更容易：弹簧元件在给予最终操作条件之前已经提供了相应构件的一类保持效果，使得确保了叶片的最终定位。弹簧元件可由普通弹簧(诸如螺旋弹簧)提供，或由除夹持部分之外的形状记忆合金制成的弹簧提供。还有可能将形状记忆合金或与夹持部分类似的材料的弹簧元件提供为此，或两者的组合。

根据本发明的另一个有利实施例，中间紧固构件的侧板包括引导表面或引导凹槽以用于接纳和引导夹持元件。利用此引导表面或引导凹槽，使得紧固系统的安装更容易。夹持元件直接地移动到中间紧固构件的不同的相异部分之间的最终位置。当安装涡轮叶片和中间紧固构件时，操作者不必查找夹持元件的预先规定的安装位置。

根据本发明的另一个有利实施例，提供了由形状记忆合金或类似材料制成的多个夹持部分。通过增加夹持部分的数目，可提高总夹持效果。另外，相对于涡轮叶片的相邻根部部分的接触表面上的夹持效果的分布因此改善。

根据本发明的另一个有利实施例，中间紧固构件的所述至少一个夹持部分具有普通钢或复合材料制成的内芯，由形状记忆合金或显示拟弹性特性的类似材料制成的螺旋弹簧卷绕在芯上。因此，夹持部分并非完全由形状记忆合金或类似材料制成，而是仅其一部分由此材料制成。夹持部分和整个紧固系统的夹持性质和操作性质因此可适于发动机的构造的相应特殊要求。

根据本发明的另一个有利实施例，形状记忆合金或用于夹持部分的类似材料的类型取决于涡轮或构件的操作期间的温度范围或者涡轮或压缩机的相应安装位置或级特别地选择。由于在常规燃气涡轮中，例如，给出了成排涡轮叶片的不同级，其中存在不同的温度，故本发明的紧固系统可借助于其而适于相应温度范围或者负载或应力的范围。因此，实现了发动机的整个构造上的所有夹持部分的一致的夹持效果，其具有的优点在于操作振动等的抑制在整个系统内也是一致的。借助于其，由振动等引起的可能的破坏显著地减小。

附图说明

在下文中，基于一些示例性实现方式且参照附图更详细描述了本发明，在附图中：

图1为示出具有实心中间紧固构件的现有技术的机械紧固系统的示意性透视图；

图2为根据现有技术的紧固系统的现有技术的中间紧固构件的示意性侧视图；

图3为根据本发明的示例性实现方式的用于紧固系统的中间紧固构件的侧视图；

图3a、图3b为图3的中间紧固构件的相应的截面B-B和C-C；

图4为根据本发明的示例性实现方式的中间紧固构件的上平台的侧视图；

图5为根据本发明的中间紧固构件的示例性实现方式的侧板的侧视图；

图5a、图5b为根据图5的侧板的截面B-B和C-C；

图6a、图6b为根据本发明的示例性实现方式的中间紧固构件的夹持螺栓的相应的侧视图。

具体实施方式

图3至图6的附图中示出了用于诸如涡轮叶片1的旋转构件的机械紧固系统10的示例性实现方式。相比于图2中所示的现有技术的中间紧固构件3的截面，紧固系统10包括具有类似截面的若干中间紧固构件3。与现有技术的中间紧固构件3相反，根据本发明的中间紧固构件3由图3的示意性侧视图中所示和图4至图6b的详细视图中所示的多个不同部分31、32、33构成。根据本发明，提供了用于涡轮叶片1或压缩机叶片1的机械紧固系统10的一类混合紧固构件3，其根据附图中所示的实施例包括上平台31、至少两个侧板32，以及三个夹持螺栓33(参看图3和图6a)。上平台31为具有此形式的根部36的基本板形形状，其适于插入相应的周向侧板32(参看图3)的紧固凹槽5中。根据该实施例的中间紧固构件3的侧板32定形为具有用于紧固至涡轮或压缩机的转子或轴的凹槽4。此外，侧板32设有多个具有直径d的腔34，以用于在组装状态中接纳夹持螺栓33。此外，侧板32设有如图5和图5a中所示的引导表面35。当紧固系统10安装在涡轮或压缩机内时，这些引导表面35提供成用于引导夹持螺栓33。然而，这些引导表面35在任何情况下都不是为了形成根据本发明的中间紧固构件3必需的。

最后，该实施例的中间紧固构件3包括如图6a和图6b中所示的三个夹持螺栓33。在一般情况下，这些螺栓的数目可相对于特定构件的设计要求改变。这里，夹持螺栓33为圆柱形，且在其相应的自由端上具有角度为β的两个斜面37。这些斜面37适于夹持螺栓33的安装位置上的相应的组装和设计需要。然而，夹持螺栓33可具有不同形状，且可不设有此斜面37。当中间紧固构件3组装在燃气涡轮等的紧固系统10内时，夹持螺栓33插入周向侧板32的腔34中，其中上平台31也借助于根部36和侧板32的紧固凹槽5的组合固定到侧板32。夹持螺栓33的直径D略小于腔34的直径d，这允许了容易的安装和拆卸。上平台31和侧板32可由任何材料实现，诸如普通的钢或复合材料，且这些部分31、32的形状可取决于发动机的操作期间的相应的外部热和机械负载优化。例如，上平台31可在周向方向上实现为带有此组装公差，使得其可容易地以相对较小的空隙安装至叶片的周向侧面，它们将借助于本发明的紧固系统10紧固。另一方面，根据本发明，至少夹持螺栓33由特殊材料制成，即，所谓的形状记忆合金。通过夹持螺栓33的此材料的特定动作，提供了夹持效果以用于将涡轮叶片1牢固地紧固在转子上。

取决于发动机(涡轮、压缩机等)的操作状态，且换句话说操作温度范围，夹持螺栓33的材料选择成使得提供夹持螺栓33的以下功能：在发动机停机期间，例如，在组装时期间或在发动机维护的情况下，温度低于用于夹持螺栓33的选择的形状记忆合金的所谓的转变温度。在此情况下，夹持螺栓33的材料是延性且亚稳的，使得夹持螺栓33可容易地变形，且因此借助于简单的工具或甚至手工安装或拆卸。仅在高温和/或增大的负载下的发动机操作期间，夹持螺栓33的夹持效果被触发，使得夹持螺栓33变形，以便将中间紧固构件33夹持在转子的安装凹槽内且抵靠叶片的转子区段的侧表面。在以通常升高的温度的标称操作的该情况下，夹持螺栓33的材料加热至高于所谓的奥氏体终点温度，其导致夹持螺栓33的变形。由形状记忆合金制成的夹持螺栓33的奥氏体状态中的该引发应力用于在涡轮或压缩机的正常操作状态期间夹持整个系统。在组装根据本发明的混合紧固系统10之前，由形状记忆合金制成的夹持螺栓33如图6a中的∆l 指出的那样拟塑性变形。由于该状态中的夹持螺栓33的形状记忆合金或类似材料的高延性，夹持螺栓33的初始变形可通过使用简单的工具实现。在发动机的操作期间，操作温度将升高，且将触发夹持螺栓33的变形，即，对夹持螺栓33的原始形状的量∆l 的变形。由于该变形，故提供了根据本发明的整个紧固系统的夹持效果，而不需要如图2中所示的由单个实心元件制成的现有技术的中间紧固构件的情况中那样的用于制造中间紧固构件的小公差。借助于此，一类自动公差混合紧固系统由本发明实现。本领域的技术人员已知的任何形状记忆合金都可用作形状记忆合金或具有拟弹性特性的类似材料。材料从奥氏体状态转变成马氏体状态且反之亦然可由于操作温度如所述的那样触发。根据备选实现形式，外部机械负载或其它负载(诸如电磁负载)也可用于触发夹持部分的转变，即，提供根据本发明的中间紧固构件3的夹持效果。在本发明的所述示例性实现方式中，存在安装在两个相应侧板32(参看图3)之间的三个夹持螺栓33。然而，清楚的是，取决于涡轮或压缩机的相应设计，夹持部分33的数目以及侧板32的数目可为不同的。另外，只要紧固系统的夹持效果由操作状态触发且夹持部分33基于所谓的形状记忆合金或具有拟弹性特性的类似材料(诸如双金属)实现，侧板32、上平台31和夹持螺栓33的整个截面形式可为不同的。

本发明的紧固系统10具有容易安装和拆卸的优点：由多个不同部分或元件制成的中间紧固构件3不需要如实心中间紧固构件的情况下那样在很小的公差内制造。在发动机停机之后且在温度降低到环境温度之后，例如，夹持螺栓33的材料的转变允许中间紧固构件3且因此叶片1的容易组装而不需要特殊工具。此外，利用根据本发明的紧固系统，可实现质量的优化，因为中间紧固构件3的不同部分可适于相应的要求，即，负载或温度。总之，给出了本发明的紧固系统10的相对轻量的构造。另外，鉴于运输和储存，优化了紧固系统10，因为单独的部分可通过仅使用简单工具针对安装位置处的相应要求调整。

使用由形状记忆合金制成的夹持螺栓33的根据本发明的紧固系统10还加强紧固系统的阻尼性质：涡轮或压缩机的常见问题是由于操作期间生成的振动共振引起的破坏。叶片相对于壳体的摩擦通常导致叶片的上部中的高周疲劳破坏，其中材料阻尼相当小。振动波传播至紧固系统。利用本发明的紧固系统，振动波的传播到达由形状记忆合金制成的夹持螺栓33沿周向紧固的中间紧固构件的侧板。叶片和侧板32的接触分界面上的振动变形由形状记忆合金实现的夹持螺栓33的马氏体双边界移动抑制。因此，相比于此现有技术的紧固系统，振动波完全不反射或以很小的幅度反射。本发明不但提供了可靠的叶片紧固，而且还安装容易，且允许此涡轮的容易拆卸。不需要紧固系统的不同部分以很小公差制造，且该系统由于由形状记忆合金制成的夹持部分33的夹持效果而具有特定预先规定的安装位置的自动调整。

根据本发明，不但夹持螺栓33而且中间紧固构件3的其它部分可基于所谓的形状记忆合金实现。另外，夹持螺栓33不需要完全由形状记忆合金制成，而是可包括普通钢或普通合金的芯部，由形状记忆合金制成的弹簧元件等安装在其上。形状记忆合金的类型和夹持螺栓33的形状取决于发动机(涡轮)的操作期间的相应操作条件选择。例如，如果涡轮包括具有不同操作温度范围的不同级，则相应中间紧固构件通过选择用于夹持螺栓33的适合的材料类型来适应这些不同的温度。这还可应用于其它负载上，例如，取决于转速的离心力。

参考标号列表

1 旋转或静止构件，诸如涡轮或压缩机叶片、涡轮或压缩机导叶

2 根部区段

3 紧固构件

31 上平台，紧固构件3的部分

32 侧板，紧固构件3的部分

33 夹持螺栓，紧固构件3的部分

34 腔

35 引导表面

36 根部

37 夹持螺栓33的自由端的斜面

4 侧向凹槽

5 紧固凹槽

10 紧固系统

d 腔34的直径

D 夹持螺栓33的直径

β 斜面37的角度

∆l 夹持螺栓37的拟塑性变形(长度变化)

δ 紧固凹槽5的深度

h 侧板32的厚度。