可內冷卻的螺栓的製作方法

2023-06-06 02:39:46

專利名稱：可內冷卻的螺栓的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種通過一種流動冷卻介質可內冷卻的螺栓。
背景技術：
例如在燃氣輪機中使用一些承受高機械負荷和熱負荷的螺栓。一個應用示例是用於將一個燃燒室內襯固定在一個燃燒室的一個壁上。為了獲得一個高效率，通常試圖通過在燃燒室內一個儘可能高的溫度驅動一個燃氣輪機。典型的是，在燃燒室出口的燃氣溫度要達到1200℃至1300℃。通常是通過一些從內部、即從燃燒室插入的螺栓將燃燒室內襯固定在燃燒室壁上。因此，使螺帽直接遭遇燃燒室中的燃氣。如果由於螺栓失靈使螺栓或螺栓的一部分、尤其是螺帽進入燃燒室並和燃氣流一起被帶走，則將在後置的渦輪機中造成嚴重的損壞。
為了可靠地防止設置在燃燒室中的固定螺栓失靈，可以將這些螺栓設計成可冷卻的。為此，固定螺栓例如具有一個軸向孔，通過該孔使冷卻流體、尤其是冷卻空氣從燃燒室外面導進該燃燒室中。冷卻流體在燃燒室中與燃氣混合。由此使得燃燒室中的溫度違人心願地被降低。為了保證通過冷卻使固定螺栓達到足夠的強度，只得容忍與此相關的效率損失。但是保證這些固定螺栓具有一個足夠的機械承載能力決定了需要一個可觀的冷卻介質需求量。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是，提供一種通過一種流動冷卻介質可內冷卻的螺栓，該螺栓的特點是只需要一個特別小的冷卻介質需求量。
上述技術問題按照本發明通過這樣一種帶有一個螺帽和一個螺杆的螺栓來解決，它具有一個包含一個流入口和一個流出口的冷卻介質通道，其中，冷卻介質通道軸向不貫穿整個螺栓。該螺栓具有一個所謂的閉路冷卻結構。在螺栓的兩個端面、即在螺杆的端面和螺帽的封蓋面上都不設置冷卻介質入口或出口。至少一個冷卻介質入口或出口是設置在側面的，即設置在螺帽的封蓋面與螺杆的端面之間。尤其是在一些不可能或由於工藝技術上的原因不期望只有唯一一個軸向冷卻介質進口或出口的情況下，因此可以在設有一個側面冷卻介質進口的情況下形成一股在徑向上指向螺栓縱軸線的冷卻介質流。通過該徑向的冷卻介質流，螺栓也通過同樣的從內部對其進行冷卻的冷卻介質從外部被冷卻。由此特別有效地利用冷卻介質，即非常有效地利用冷卻介質的熱容量，並由此實現特別節省地使用冷卻介質。冷卻介質與待冷卻的螺栓之間的溫度差被利用到特別高的程度。
按照一個優選的擴展設計，冷卻介質出口這樣設置在螺栓的側面上，使得從螺栓中流出的冷卻介質沿軸向順著螺杆流動。由此，除了對於螺栓的內冷卻還保證了特別有效地對螺栓外表面進行冷卻。為了使螺栓在其整個長度上不僅從內部、而且也從外部被冷卻，冷卻介質流出口有利地設置在儘可能直接靠近螺帽或在螺帽本身上或在螺帽與螺杆之間的過渡區上，其中，冷卻介質沿軸向向著螺杆端面方向從冷卻介質出口流出。與此相反，冷卻介質進口優選位於螺杆的端面上、即位於螺杆端部上。因此冷卻介質流入方向與冷卻介質流出方向是相反的。
為了使螺杆的整個圓周儘可能均勻地從外部被冷卻，最好多個流出口優選至少近似旋轉對稱地圍繞螺栓軸線分布地設置在螺杆圓周面上和/或螺帽上。此外，這些均勻分布的流出口具有的優點是，避免非對稱地削弱螺栓的橫截面以及避免由此引起不必要地減小機械承載能力。所述冷卻介質流出口最好設置在一個作為螺杆的加粗區段向著螺帽的方向限定螺杆的螺栓凸緣上。通過將冷卻介質流出口布置在螺栓凸緣上防止由於冷卻介質流出口削弱螺杆的橫截面。此外，螺栓凸緣可以用來改變冷卻介質的流動方向。
按照一個優選的擴展設計，螺栓的螺帽被內冷卻，在此，最好在螺帽中實現使冷卻介質的流向轉變，即螺帽具有一個所謂的轉向區。在螺帽的封蓋面或端面上最好不設置冷卻介質流入口或流出口，以避免在與螺帽的端面鄰接的空間裡進行的過程、例如化學反應受到流入這個空間或從這個空間流出的冷卻介質或其它流體的影響。而比較有利的是有針對性地繼續導引冷卻介質在螺杆、螺帽和/或螺栓凸緣的側面從螺栓流出質和/或在一個封閉的冷卻介質迴路中流動。在此，一個軸向設置在螺杆端部的冷卻介質流入口特別適合於有針對性輸入冷卻介質或使之返回。在此，冷卻介質可以無轉向地並由此實際上無壓力損失地流入首先在軸向上在螺杆中延伸的冷卻介質通道中。此外以簡單的方式在設置在螺杆端部上的冷卻介質流入口上可連接一個輸入管，例如通過螺紋連接。
在高熱負荷情況下為了螺栓連接的可靠性對螺帽進行有針對性的冷卻是特別有意義的。在此，整個螺帽要儘可能均勻地冷卻。這一點最好通過下述方式實現，通過螺杆流進螺栓的冷卻介質至少一直流到螺栓凸緣、尤其是一直流到螺帽並且在螺帽中才能轉向，這時，冷卻介質在轉向區中分成多個冷卻介質支流。在此，每個分通道在螺帽、也可能在螺栓凸緣裡至少近似均勻地、尤其是旋轉對稱地分布。
所述封閉的內冷卻螺栓特別適合用於將一個燃燒室內襯固定在一個燃氣輪機的燃燒室壁上。
本發明的優點主要在於，通過避免形成一股軸向的穿透整個螺栓流動的冷卻介質流，一方面實現了特別有效地利用冷卻介質，尤其是通過冷卻介質也在螺栓外表面上流動。另一方面，由此防止所不希望的冷卻介質軸向流入和/或流出螺栓，因此排除了冷卻介質無意中對一個沿螺栓軸向設置的腔室的直接影響。


下面藉助於附圖詳細闡述本發明的一個實施方式。附圖中圖1a，圖1b示出可內冷卻的螺栓以及截取式地詳細示出內冷卻螺栓的冷卻介質通道，圖2示出圖1中的內冷卻螺栓配有一個從屬套母，圖3示出一個燃氣輪機，其具有一個配有一個圖1和2所示螺栓的燃氣輪機燃燒室。
在所有附圖中相互對應的構件用相同的附圖標記表示。
具體實施例方式
圖1a示出一個可內冷卻的螺栓1，其冷卻介質通道或冷卻通道2以截取方式在圖1b中示出。螺栓1具有一個螺杆3和一個螺帽4並且沿著一軸線或對稱軸線A從在圖例中位於下面的螺帽4的封蓋面5一直延伸到螺杆端部6。螺杆3在其外圓周7上具有螺紋8以及一個向著螺帽4方向限定螺杆3的、加粗構成的螺栓凸緣9。螺帽4在其封蓋面5上具有一個用於內六角扳手的六角形操作孔10。
冷卻介質或冷卻流體F在螺杆端部6軸向上以流入方向R1流入螺栓1的流入口6a，然後從該螺栓中以與流入方向R1相反指向的流出方向R2從三個冷卻介質流出口12流出。冷卻通道2首先在軸向上與螺杆3同軸地延伸然後在螺帽4中沿著在圖1a中以虛線表示的而在圖1b詳細表示的曲線延伸。冷卻通道2在緊靠扳手孔上部擴展，由此在這個區域中產生一個折流冷卻效應(Prallkühleffekt)。冷卻通道2在螺帽4中的區域作為轉向區13。在冷卻通道2擴展之後這個冷卻通道分成三個彎曲的分通道14。這些分通道或支路14具有相同的橫截面並在螺帽4內部延伸到靠近封蓋面5。在那裡分通道14平緩折流(weich geblendet)地分支成兩倍數量的細通道15。六個細通道15在向內、即向著軸線A方向被平緩折流之前且在每兩個細通道15會聚成一個分通道14之前，所述六個細通道在靠近螺帽4的表面處延伸。通過由此在螺杆3附近匯合的三個分通道14，冷卻介質F通過旋轉對稱地設置在螺栓凸緣9中的流出口12從螺栓1中流出。由此使螺栓1的螺帽4被強烈冷卻，而沒有冷卻介質F在封蓋面5的方向上流出。在螺帽4的內側面16上可以設置密封圈17。流出口12徑向向外、即向著設置在螺栓凸緣9上的密封環17敞開。
螺栓1由鑄造材料製成。這樣設計冷卻通道2的形狀，使螺栓1包括全部冷卻通道2在一個鑄造過程中製成。不需要其它的用於加工冷卻通道2包括分通道14和細通道15的、尤其是切削加工工序、如鑽孔。鑄造過程不採用所謂的「消失的插入件(Verlorener Einstze)」。為此，這樣形成具有冷卻通道2的螺栓1，使得鑄造過程可在避免後切(Hinterschneidung)的情況下在採用多個掩模件的條件下實現。在此規定，在一個鑄模中定位第一個掩模件，在該掩模件中可移動地導入滑板式第二掩模。在澆鑄完畢後可以容易地取出掩模件並由此可以再利用。
如圖2所示，螺栓1可以通過套母18旋緊。套母18具有一個由左旋螺紋構成的外螺紋19以及一個與螺栓1的螺紋8相同的由右旋螺紋構成的內螺紋20，螺栓1可以旋進該內螺紋中。套母18從外部旋進一個在這裡未示出的燃氣輪機的燃燒室的室壁中。通過螺栓1將一個燃燒室內襯固定在燃燒室的室壁上。通過由左旋螺紋構成的套母18的外螺紋19和套母18的內螺紋20以及由右旋螺紋構成的螺栓1的對應螺紋8的結構使螺栓1與套母18相向旋進。作為防旋出的固定件內螺紋20具有一個橢圓形橫截面區段21。螺栓1無需其它固定件地通過螺紋8夾緊在橢圓形橫截面區段21中。
在被套母18旋進的燃燒室壁與被螺栓1固定的燃燒室內襯之間圍成一個腔室，冷空氣F流入其中，冷空氣接下來用作預熱的燃燒用空氣。從螺栓1中流出的冷卻介質F流入這個腔室中。因此，這種在螺栓1中已經被加熱的冷卻介質F有利於提高輸送到燃氣輪機裡的燃燒用空氣的溫度並由此提高了燃氣輪機的效率。與此相反，在螺栓1敞開式冷卻的情況下、即在冷卻介質F完全軸向流過整個螺栓1直接到達燃燒室的情況下，使燃燒室中的溫度降低並且由此降低了燃氣輪機的效率。
因此封閉的內冷卻螺栓1有助於特別有效地利用冷卻介質F，同時通過提高燃燒用空氣溫度有利於達到一個高的燃氣輪機效率。
在圖3中以橫截面圖簡示出一個燃氣輪機22。燃氣輪機22具有一個用於壓縮燃燒用空氣的壓縮機23、一個燃氣輪機燃燒室24以及一個用於驅動壓縮機23和一個未示出的發電機或工作機械的渦輪機25。為此渦輪機25和壓縮機23設置在一個共用的、也被稱為渦輪轉子的渦輪軸26上，發電機或工作機械也與該渦輪軸連接，該渦輪軸圍繞其中心軸線26a可轉動地支承。
燃燒室24裝有一些燒嘴33用於燃燒液體或氣體燃料。燃燒室壁27襯覆一層燃燒室內襯28。
渦輪機25具有一些與渦輪軸26連接的、可旋轉的工作葉片29。這些工作葉片29圓圈形地設置在渦輪軸26上並由此構成一些工作葉片組。此外，渦輪機25包含一些固定的導向葉片30，它們同樣圓圈形地在構成導向葉片組的情況下固定在渦輪機25的一個內殼體31上。因此，工作葉片29通過由流過渦輪機25的工作介質M轉移來的動量驅動渦輪軸26。而導向葉片30用來導引分別位於兩個在工作介質M流向上看過去前後銜接的工作葉片組或工作葉片之間的工作介質M。在此由一圈導向葉片30或一個導向葉片組和由一圈工作葉片29或一個工作葉片組組成的前後排列的一對葉片圈被稱為一個渦輪級。
為了能夠使燃氣輪機22實現高效率，燃氣輪機22通過高溫工作介質M驅動。該工作介質M從燃燒室中以大約1200至1300℃的溫度流出。在一個殼體腔室32中、即在燃燒室24的內壁27與燃燒室內襯28之間形成的腔室中，輸送的被壓縮的燃燒用空氣在進入到噴嘴33之前被預熱。與此同時燃燒室24的內壁27被冷卻。將燃燒室內襯28固定在燃燒室24的內壁27上的螺栓1置於這種高機械和高溫度負荷的工作條件下。螺栓1的螺帽4伸入到燃燒室24中。通過高效地冷卻螺栓1、尤其是冷卻螺帽4，使得螺栓1在所有工作條件下都能具有足夠安全餘量地達到一個高的強度。
權利要求
1.一種具有一個螺帽(4)和一個螺杆(3)的螺栓(1)，其具有一個帶有一個流入口(6a)以及一個流出口(12)的冷卻介質通道(2)，該冷卻介質通道軸向不貫穿整個螺帽(4)和螺杆(3)。
2.如權利要求1所述的螺栓(1)，其特徵在於，所述流出口(12)設置在螺杆圓周(7)上。
3.如權利要求1或2所述的螺栓(1)，其特徵在於，所述流入口(6a)設置在螺杆端部上(6)。
4.如權利要求1至3中任一項所述的螺栓(1)，其特徵在於，所述流出口(12)設置在螺帽(4)上。
5.如權利要求3或4所述的螺栓(1)，其特徵在於，多個流出口(12)至少近似旋轉對稱地圍繞所述螺杆(3)的軸線(A)設置。
6.如權利要求1至5中任一項所述的螺栓(1)，其特徵在於。所述冷卻介質流入方向(R1)與冷卻介質流出方向(R2)反向。
7.如權利要求1至6中任一項所述的螺栓(1)，其特徵在於，所述螺栓(1)具有一個沿著朝向螺帽(4)的方向與所述螺杆(3)鄰接的螺栓凸緣(9)。
8.如權利要求7所述的螺栓(1)，其特徵在於，所述流出口(12)設置在所述螺栓凸緣(9)上。
9.如權利要求1至8中任一項所述的螺栓(1)，其特徵在於，所述冷卻介質通道(2)具有一個設置在螺帽(4)中的轉向區(13)。
10.如權利要求9所述的螺栓(1)，其特徵在於，所述冷卻介質通道(12)在轉向區(13)內分叉。
11.一種燃氣輪機燃燒室(24)，其具有一燃燒室內襯(28)，該內襯通過如權利要求1至10中任一項所述的螺栓(1)固定在燃燒室壁(27)上。
12.如權利要求11所述的燃氣輪機燃燒室，其特徵在於，所述螺栓(1)的流出口(12)設置在所述燃燒室內襯(28)與燃燒室壁(27)之間的一個殼體腔室(32)中。
全文摘要
本發明公開了一種具有一個螺帽(4)和一個螺杆(3)的螺栓(1)，該螺栓具有一個帶有一個流入口(6a)以及一個流出口(12)的冷卻介質通道(2)，該冷卻介質通道軸向不貫穿整個螺帽(4)和螺杆(3)。通過避免一股冷卻介質流軸向穿透整個螺栓(1)，尤其是通過使冷卻介質也在螺栓(1)外表面上流過實現特別有效地利用冷卻介質。
文檔編號F23R3/60GK1485571SQ0312782
公開日2004年3月31日 申請日期2003年8月11日 優先權日2002年8月16日
發明者彼得·蒂曼, 彼得 蒂曼 申請人:西門子公司