燃气轮机发动机转子盘保持组件的制作方法

本发明涉及燃气轮机发动机，更具体地，涉及燃气轮机发动机的转子盘。

背景技术：

各种现代燃气轮机发动机中的涡轮动叶被布置在转子盘上。多个动叶沿周向布置在转子盘上。转子盘具有中心孔，即当转子盘与沿周向组装的涡轮动叶一起被放置在燃气轮机发动机内时，张紧螺栓穿过的中心孔。通常通过使用端面齿式接头或端面齿式联轴器将轴连接到转子盘。当燃气轮机发动机运转时，在具有中心孔和端面齿式联轴器的这种转子盘中产生不对称应力分布，峰值应力在与施加螺栓载荷相反的一侧的毂的中心孔周围。下文参照图2和图3更详细地解释前述转子盘及其在燃气轮机内的布置。

图2示意性地示出了常规已知的转子盘99，并且图3示意性地示出了当被放置在燃气轮机内时的常规已知的转子盘99。常规已知的转子盘99(在下文中也称为转子盘99)具有毂60、腹板70和动叶保持装置80。毂60是转子盘99的围绕中心孔11的区域或部分。如图3所示，当转子盘99被放置在燃气轮机内部时，中心孔11围绕转子盘99的旋转轴线15来布置。腹板70从毂60径向向外延伸，该腹板70是转子盘99的一部分，其将毂60连接至动叶保持装置80。动叶保持装置80通常包括狭槽(在图2和图3中未示出)，多个涡轮动叶(在图2和图3中未示出)的根部(在图2和图3中未示出)被布置或固定在该狭槽中。因此，涡轮动叶沿周向布置在转子盘99上并且从转子盘99(尤其从转子盘99的动叶保持装置80)径向向外延伸。

如图3所示，燃气轮机的张紧螺栓4穿过中心孔11，并在转子盘99的第一轴向侧91处物理接触。当在操作燃气轮机的同时使转子盘99与涡轮动叶一起旋转时，张紧螺栓4与被布置在转子盘99上的涡轮动叶一同承受转子盘99的载荷。在转子盘99的第二轴向侧92上，转子盘99通常通过端面齿式联轴器2与燃气轮机的驱动轴3接触或联接。尽管图2没有示意性地整体示出端面齿式联轴器2以及驱动轴3，但是端面齿式联轴器2的位置也在图2中示出。驱动轴3将燃气轮机旋转地联接至下游负载，例如发电机(未示出)。

在具有承受偏置载荷的中心孔11的这种常规已知的转子盘99中，转子盘99承受拱形变形(dishing)，并且在转子盘99的中心孔11周围的毂60中产生高应力，通常在与施加螺栓载荷一侧的相对侧(即在图2和图3的示例中的第二侧92)的中心孔11周围的毂60的边缘93具有峰值应力。图10示意性地示出了当在燃气轮机内起作用并且如参照图3所提到的那样连接到驱动轴3和张紧螺栓4时，常规已知的转子盘99的毂60中的应力位置65。由于螺栓载荷的传递，在毂60的边缘93处出现应力峰值，由于高应力集中系数，这是不可取的。在常规已知的转子盘99中的毂60的边缘93处的峰值应力集中增加了转子盘99的失效的可能性并减少了转子盘99的寿命。此外，由于其在涡轮动叶旋转期间可能对涡轮动叶位置产生的影响，转子盘99的拱形变形是不受欢迎的。因此，期望一种技术来减小在常规已知的转子盘99中出现的在毂60的边缘93处的上述应力的集中。

us4,844,694公开了一种紧固主轴和一种利用主轴将转子元件连接在一起的方法。该系统允许目视检查转子组装，并确定是否正确拧紧，而无需进行任何其他的后组装检查。该系统和方法用于将多个转子元件紧固在一起。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提供一种用于减小燃气轮机转子盘中的应力集中的技术。期望是本技术提供在转子盘的毂的边缘处的应力集中的减小，该边缘处与施加张紧螺栓载荷的转子盘的一侧相对。

上述目的是通过根据本技术的权利要求1的燃气轮机发动机转子盘、根据本技术的权利要求9的转子盘组件以及根据本技术的权利要求10的燃气轮机发动机来实现的。在从属权利要求中提供了本技术的有益的实施例。权利要求1的特征可以与从属权利要求的特征结合，并且从属权利要求的特征可以结合在一起。

在本技术中提出了一种用于燃气轮机发动机的燃气轮机发动机转子盘。该转子盘包括毂、腹板、动叶保持装置、旋转轴线、第一轴向侧和第二轴向侧。毂包括围绕旋转轴线的中心孔。腹板与毂一体成型。腹板从毂径向向外延伸至动叶保持装置。动叶保持装置具有质心。径向平面穿过质心。该径向平面垂直于旋转轴线。第一轴向侧适于啮合燃气轮机发动机的张紧螺栓。径向平面与毂相交，限定了第一轴向侧部和第二轴向侧部。第一轴向侧部朝向第一轴向侧，第二轴向侧部朝向第二轴向侧。第二轴向侧部的轴向范围比第一轴向侧部的轴向范围大10％至30％。

转子盘的上述设计，即，其中第二轴向侧部在轴向上比第一轴向侧部长10％至30％，优化了毂内的应力分布，从而减小了在毂边缘处的应力集中。在高边缘应力区域中由于毂第二侧的较大轴向长度而添加的材料抵消了峰值应力并减少了拱形变形。因此，上述转子盘所经受的转子盘拱形变形减少。本技术的转子盘对于在具有薄盘的涡轮设计中的使用特别有利。该薄盘易于拱形变形，并且具有中心螺栓或张紧螺栓设计，这种设计会导致端盘拱形变形，该端盘是由于螺栓载荷的交错载荷传递而直接与中心螺栓或张紧螺栓物理接触的圆盘。

在燃气轮机转子盘的一个实施例中，第二轴向侧部的轴向范围比第一轴向侧部的轴向范围大20％至25％。

在燃气轮机发动机转子盘的一个实施例中，为了确定燃气轮机转子盘的轴向范围，第一轴向范围和第二轴向范围的测量被限定在毂的一个区域，该区域在第一轴向侧和第二轴向侧上具有几何相似性。在燃气轮机发动机转子盘的另一个实施例中，毂的区域没有从毂突出并且与燃气轮机发动机的一个或多个部件接触的一体成型的连接部。在燃气轮机发动机转子盘的另一个实施例中，第一轴向范围和第二轴向范围的测量被限定在毂的轴向表面。上述实施例提供了固定或确定第一和第二轴向范围的简单方法。

在燃气轮机发动机转子盘的另一个实施例中，在第一轴向侧的毂包括倒角凹槽，该倒角凹槽适于啮合燃气轮机发动机的张紧螺栓。这提供了用于将本技术的转子盘放置和集成到燃气轮机发动机中并与燃气轮机发动机的张紧螺栓接触的简单构造。

在燃气轮机发动机转子盘的另一个实施例中，第二轴向侧适于例如通过端面齿式联轴器来啮合燃气轮机发动机的驱动轴。这提供了用于将本技术的转子盘放置和集成到燃气轮机发动机中并与燃气轮机发动机的张紧螺栓接触的简单构造。

在本技术的另一方面提出了一种燃气轮机转子盘组件。该燃气轮机转子盘组件包括燃气轮机转子盘和多个涡轮动叶。燃气轮机转子盘根据的是本技术的前述方面。涡轮动叶沿周向布置在转子盘的动叶保持装置处。涡轮动叶从转子盘的动叶保持装置径向向外延伸。在本技术的燃气轮机转子盘组件中优化了转子盘的毂内的应力分布，从而减少或消除了毂边缘处的应力集中。转子盘所经受的拱形变形减少。由于该转子盘，本技术的燃气轮机可以使用比常规的转子盘更薄的转子盘来构造。此外，燃气轮机转子盘组件的动叶的位置不受转子盘拱形变形的后果的影响或受到减少的影响。

在本技术的另一方面提出了一种燃气轮机发动机。该燃气轮机发动机包括燃气轮机转子盘组件。燃气轮机转子盘组件根据的是本技术的前述方面。在本技术的燃气轮机发动机中优化了转子盘的毂内的应力分布，从而减少或消除了毂边缘处的应力集中。转子盘所经受的拱形变形减少。由于该转子盘，本技术的燃气轮机可以使用比常规的转子盘更薄的转子盘来构造。

附图说明

本技术的上述属性、其他特征和优点以及实现它们的方式将变得更加明显，并且通过参考以下结合本技术实施例的描述并结合附图，将更好地理解本技术本身。其中：

图1以剖视图示出了燃气轮机发动机的一部分，并且其中并入了本技术的燃气轮机转子盘或并入了本技术的燃气轮机转子盘组件；

图2示意性地示出了常规已知的转子盘；

图3示意性地示出了布置在燃气轮机内的常规已知的转子盘；

图4示意性地示出了本技术的燃气轮机转子盘的示例性实施例；

图5示意性地示出了布置在燃气轮机内的本技术的燃气轮机转子盘；

图6示意性地示出了沿着本技术的燃气轮机转子盘的旋转轴线观察的本技术的燃气轮机转子盘；

图7示意性地示出了一种确定燃气轮机转子盘的毂中的第一轴向范围和第二轴向范围的方法；

图8示意性地示出了另一种确定燃气轮机转子盘的毂中的第一轴向范围和第二轴向范围的方法；

图9示意性地示出了另一种确定燃气轮机转子盘的毂中的第一轴向范围和第二轴向范围的方法；

图10示意性地示出了图2和图3的常规已知的转子盘的毂中的应力分布；以及

图11示意性地示出了图4和图5的本技术的燃气轮机转子盘的毂中的应力分布。

具体实施方式

在下文中详细描述上面提到的和其他的本技术的特征。参照附图描述了各种实施例，其中，相同的参考标号始终用于表示相同的元件。在以下描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以便提供对一个或多个实施例的深入理解。可以注意到，所说明的实施例意在解释而不是限制本发明。明显的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践这样的实施例。

可以注意到，在本公开中，“第一”、“第二”等术语在这里仅用于方便讨论，并且除非另外指出，否则不具有特定的时间的或先后顺序的意义。

图1以截面图示出了燃气轮机发动机10的示例。燃气轮机发动机10以流串联的方式包括进气口12、压气机或压气机部分14、燃烧器部分16和涡轮部分18，它们通常以流串联的方式并且通常围绕并沿着纵向轴或旋转轴线20的方向布置。燃气轮机发动机10进一步包括轴22，该轴可绕旋转轴线20旋转并且纵向延伸穿过燃气轮机发动机10。轴22将涡轮部分18驱动连接到压气机部分14。

在燃气轮机发动机10的操作中，通过进气口12吸入的空气24被压气机部分14压缩并输送到燃烧部分或燃烧器部分16。燃烧器部分16包括燃烧器的纵向轴35、燃烧器增压室26、一个或多个燃烧室28以及固定至每个燃烧室28的至少一个燃烧器30。燃烧室28和燃烧器30位于燃烧器增压室26内部。压缩空气经过压气机14进入扩散器32，并从扩散器32排放到燃烧器增压室26中，一部分空气从该燃烧器增压室26进入燃烧器30，并与气态或液态燃料混合。然后燃烧空气/燃料混合物，并且燃烧气体34或来自燃烧的工作气体经由过渡导管17通过燃烧室28被输送到涡轮部分18。

该示例性的燃气轮机发动机10具有套管式燃烧器部分布置16，其由燃烧器罐19的环形阵列构成，每个燃烧器罐具有燃烧器30和燃烧室28，过渡导管17具有大体上圆形的进气口，该进气口与燃烧室28和环形段形式的出气口接口相连。过渡导管出气口的环形阵列形成用于将燃烧气体输送到涡轮18的环。

涡轮部分18包括附接到轴22的多个动叶承载盘36。在本示例中，两个圆盘36各自承载涡轮动叶38的环形阵列。但是，动叶承载盘的数量可以不同，即仅一个盘或多于两个盘。此外，固定在燃气轮机发动机10的定子42上的导向静叶40布置在涡轮动叶38的环形阵列的级之间。在燃烧室28的出口和前涡轮动叶38之间提供了进气口导向静叶44，这些静叶将工作气体流转至涡轮动叶38上。

来自燃烧室28的燃烧气体进入涡轮部分18并驱动涡轮动叶38，涡轮动叶38继而使轴22旋转。导向静叶40、44用于优化涡轮动叶38上的燃烧或工作气体的角度。

涡轮部分18驱动压气机部分14。压气机部分14包括静叶级46和转子动叶级48的轴向串联。转子动叶级48包括支撑动叶的环形阵列的转子盘。压气机部分14还包括壳体50，该壳体围绕转子级并支撑静叶级48。导向静叶级包括安装在壳体50上的径向延伸的静叶的环形阵列。静叶被如下提供，以在给定的发动机工作点以最佳的角度为动叶呈现气流。一些导向静叶级具有可变静叶，其中可以根据在不同发动机工况下可能发生的气流特性来围绕静叶自身的纵轴调节静叶的角度。

壳体50限定了压气机14的通道56的径向外表面52。通道56的径向内表面54由转子的转子鼓53至少部分地限定，转子鼓53由动叶48的环形阵列部分地限定。

参考上面的示例性涡轮发动机描述了本技术，该涡轮发动机具有连接单个多级压气机和单个一级或多级涡轮的单轴或线轴。然而，应当理解，本技术同样可应用于两轴或三轴发动机以及可以用于工业、航空或船舶应用的发动机。

除非另有说明，否则术语“轴向”、“径向”和“周向”是相对于发动机的旋转轴线20而言的。

图4示意性地示出了涡轮发动机转子盘1的示例性实施例，并且图5示意性地示出了当与图1的燃气轮机发动机10结合并且在转子盘1的一侧与张紧螺栓4接触以及在转子盘1的另一侧与驱动轴3接触时的图4的涡轮发动机转子盘1。燃气轮机发动机10的转子盘保持组件100。转子盘保持组件100包括张紧螺栓4、转子盘1和旋转轴线15。张紧螺栓4和转子盘1围绕旋转轴线15布置。涡轮发动机转子盘1(在下文中也称为转子盘1)是图1所示的转子盘36之一，特别地，转子盘1是与张力螺栓4接触的转子盘36。可以注意到，尽管在图5中仅在张紧螺栓4和驱动轴3之间示出了一个转子盘1，但是在图5的转子盘1和图5的驱动轴3之间可以存在额外的转子盘36。在这样的布置中，除了本技术的转子盘1之外还具有一个或多个转子盘36，本技术的转子盘1经由端面齿式联轴器2与相邻的转子盘36接触，该相邻的转子盘36可以经由另一个端面齿式联轴器与后面的相邻的转子盘36接触，并且该后面的相邻的转子盘36又可以经由另一个端面齿式联轴器2与驱动轴3接触。在上述的除了本技术的转子盘1之外还具有一个或多个转子盘36的布置中，转子盘1是直接接触或连接到张紧螺栓4的转子盘。

如图4和图5所示，转子盘1包括毂60、腹板70、动叶保持装置80、旋转轴线15、第一轴向侧91和第二轴向侧92。毂60是转子盘99的围绕中心孔11或中心孔11的区域或部分。如图5所示，当转子盘1位于图1的燃气轮机发动机10内部时，中心孔11围绕转子盘1的旋转轴线15布置。腹板70从毂60径向延伸，该腹板是转子盘1的一部分，其将毂60连接至动叶保持装置80。动叶保持装置80通常包括狭槽(未示出)，在狭槽中布置或固定(在图1中示出的)多个涡轮动叶38的根部(未示出)。因此，涡轮动叶38周向地布置在转子盘1上并且相对于旋转轴线15或旋转轴线20从转子盘1径向向外延伸，并且特别是从转子盘1的动叶保持装置80向外延伸。转子盘1和布置在转子盘1上的多个涡轮动叶38一起形成如图1所示的涡轮发动机转子盘组件100。当转子盘1位于图1的燃气轮机发动机10内部时，转子盘1的旋转轴线15与旋转轴线20重叠。

如图5所示，燃气轮机发动机10的张紧螺栓4穿过中心孔11，并且物理接触在转子盘1的第一轴向侧91处。当涡轮发动机转子盘组件100在燃气轮机发动机10的操作期间旋转时，张紧螺栓4承受涡轮发动机转子盘组件100的载荷，即，转子盘1和布置在转子盘1上的涡轮动叶38的载荷。在转子盘1的第二轴向侧92上，转子盘1大体经由端面齿式联轴器2与燃气轮机发动机10的驱动轴3接触或耦合。尽管在图4中没有示意性地整体示出端面齿式联轴器2以及驱动轴3，但是在图4中示出了端面齿式联轴器2的位置。驱动轴3将燃气轮机发动机10旋转地耦合至下游负载，例如发电机(未示出)。第一轴向侧91和第二轴向侧92是相对于旋转轴线15。第一轴向侧91适于啮合燃气轮机发动机10的张紧螺栓4。第一轴向侧91可以包括倒角凹槽13用于容纳张紧螺栓4(如图4和图5所示)或者用于容纳连接到张紧螺栓4的螺母头(未示出)。图5示出了第二轴向侧92经由端面齿式联轴器2连接到驱动轴3，然而如上所述，第二轴向侧92可以备选地经由端面齿式联轴器2连接到后面布置的转子盘36。

张紧螺栓4在盘1或多个盘上施加压力，并将一个或多个盘固定到驱动轴3。因此，张紧螺栓4处于张紧状态。张紧螺栓4可以通过花键装置102连接并紧固到驱动轴上。

动叶保持装置80具有质心82。当动叶保持装置80对称且由均质材料形成时，质心82可以是动叶保持装置80的几何中心。可以假设动叶保持装置80被径向平面5划分，该径向平面5穿过动叶保持装置80的质心82并且垂直于旋转轴线15。图4、图5和图6示意性地描绘了径向平面5。径向平面5延伸穿过转子盘1，与中心孔11、毂60、腹板70和动叶保持装置80相交。

如图4和图5所示，径向平面5通过与毂60相交限定了毂60中的朝向第一轴向侧91的第一轴向侧部61和毂60中的朝向第二轴向侧92的第二轴向侧部62。在转子盘1中，第二轴向侧部62在轴向上比第一轴向侧部61多延伸10％至30％。图7、图8和图9呈现了限定第一轴向侧部61和第二轴向侧部62的轴向延伸的不同方式。

如图8和图9所示，第一轴向侧部61具有轴向范围63并且第二轴向侧部62具有轴向范围64。根据本技术，在转子盘1中，第二轴向侧部62的轴向范围64比第一轴向侧部61的轴向范围63大10％至30％。

如图8所示，对第一轴向范围63和第二轴向范围64的测量被限于毂60的区域67。换句话说，在毂60的区域67内执行对第一轴向范围63和第二轴向范围64的测量。对第一轴向范围63和第二轴向范围64的测量在垂直于径向平面5的连续直线中执行。第一轴向范围63的测量或值是从径向平面5到区域67内的第一轴向侧91的边缘的长度或距离的测量，即，第一轴向侧部61的长度的测量。类似地，第二轴向范围64的测量或值是从径向平面5到区域67内第二轴向侧92的边缘的长度或距离的测量，即，第二轴向侧部62的长度的测量。毂60的区域67是毂60的一个区域或部分，该区域67在第一轴向侧91和第二轴向侧92具有几何相似性。

在此所使用的几何相似性是指在区域67内第一轴向侧91和第二轴向侧92两者具有相同的形状，或者一个具有与另一个的沿径向平面5镜像的镜像相同的形状。几何相似性的一个示例是轴向侧91、92在区域67内的它们的相应边缘处具有相同或基本相似的曲率角。

如图7所示，毂60的区域67没有从毂60突出的一体成型的连接部68。一体成型的连接部68可适于接触燃气轮机发动机10的一个或多个部件7，例如从毂60延伸并适于接触后面的转子盘(未示出)的支撑件。换句话说，对轴向范围63、64的测量不包括任何这样的一体成型的连接部68，并且限于毂60的主体。图7示出了转子盘1的毂60中的另一区域69。区域69示出了整体形成的连接部68，例如一个从毂60向外延伸的突出部68。在确定轴向延伸部分63、64时，即在测量第一和第二轴向侧部61、62时，应执行在区域67内的测量或区域67的测量，而不是执行在区域69内的测量或区域69的测量。

如图9所示，对轴向范围63、64的测量被限定在毂60的轴向表面88处。换句话说，第一轴向范围63的测量或值是从径向平面5到第一轴向侧91的轴向表面88的边缘的长度或距离的测量，即，第一轴向侧部61的长度的测量。类似地，第二轴向范围64的测量或值是从径向平面5到第二轴向侧92的轴向表面88的边缘的长度或距离的测量，即，第二轴向侧部62的长度的测量。轴向表面88是毂60的限定中心孔11的表面。

图11示意性地示出了本技术的燃气轮机转子盘1的毂60中的应力分布，例如在如图4和图5所示的转子盘1的示例性实施例中。转子盘1的毂60中的应力分布可以相对于对于如图2和图3所示的常规转子盘99的如图10所示的常规已知转子盘99的毂60中的应力分布进行比较理解。

在本技术的转子盘1中，由于第二轴向侧部62的更大的轴向范围64，与常规已知的转子盘99的如图10所示的应力分布相比，应力集中得以优化和不同地分布。由于第二轴向侧部62的轴向范围64的增加，峰值应力基本上朝向毂60的中心形成，而不是如上述地在常规已知的转子盘99的如图10所示的应力分布的情况下那样在边缘93处形成。

可以注意到，第二轴向侧部62的与第一轴向侧部61相比的更大的轴向范围是由于与毂60的第一轴向侧部61相比在第二轴向侧部62处具有更多的材料，然而，轴向范围的增加(即，与毂60的第一轴向侧部61相比，在第二轴向侧部62处添加更多材料)并未以分离的部件来实现的，包括有第一轴向侧部61和第二轴向侧部62的毂60与腹板70和动叶保持装置80整体地形成为一体。

虽然参考某些实施例详细描述了本技术，但是应当理解，本技术不限于那些精确的实施例。相反，鉴于描述了实施本发明的示例性方式的本公开，本领域技术人员在不脱离本发明的范围和精神的情况下可以进行多种修改和变型。因此，本发明的范围由所附权利要求书而不是前述说明书指示。落入权利要求的等同含义和范围之内的所有改变、修改和变型都应被认为权利要求的范围之内。