Резьбовой хвостовик, соединительный узел, газотурбинный двигатель и способ сборки ротора турбомашины газотурбинного двигателя

Резьбовой хвостовик, соединительный узел, газотурбинный двигатель и способ сборки ротора турбомашины газотурбинного двигателя

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится в общем, но неисключительно, к газовым турбинам или турбомашинам с закрепленными с помощью центрального болта компрессором и дисками силовой турбины, в которых центральный болт или стяжная шпилька имеет резьбу на своих концах. Изобретение применимо также для машин различных типов, также для не турбомашин или турбомашин с лопатками, выполненными как одно целое с ротором.

В одной известной конфигурации газотурбинных двигателей (см., например, патент США №2660399 или 2555661) для образования ротора предусмотрено некоторое количество дисков, из которых некоторые содержат проходящие в радиальном направлении лопатки, которые вставлены в диски. Имеются комплекты дисков для лопаток компрессора и комплекты дисков для лопаток турбины. Соответствующие комплекты дисков удерживаются посредством гайки турбины и гайки компрессора, соответственно надетых на одну или две стяжные шпильки, при этом гайки и шпильки, как правило, также используются для создания предварительного натяга для обеспечения напряженного состояния конструкции для гарантирования того, что все вращающиеся компоненты будут зафиксированы во время работы турбины.

В современных турбинах ротор может удерживаться совместно двумя стяжными шпильками. В дальнейшем один возможный способ сборки компрессора и турбины разъяснен упрощенным образом. Первый резьбовой конец первой шпильки может быть ввинчен в резьбовое отверстие в элементе, представляющем собой вал ротора. После этого диск компрессора может подталкиваться в аксиальном направлении в заданное положение и зафиксирован относительно элемента, представляющего собой вал. Дополнительные диски компрессора могут дополнительно подталкиваться в заданное положение. В завершение резьбовая гайка компрессора может быть навинчена на второй резьбовой конец первой шпильки и затянута так, что все диски компрессора будут зафиксированы относительно друг друга и относительно элемента, представляющего собой вал. Для дисков турбины первый резьбовой конец второй шпильки может быть ввинчен в резьбовое отверстие другого конца элемента, представляющего собой вал. Затем диски турбины могут подталкиваться в аксиальном направлении в заданное положение с противоположной стороны, и резьбовая гайка турбины может быть навинчена на второй резьбовой конец второй шпильки и затянута так, что все диски турбины могут быть зафиксированы относительно элемента, представляющего собой вал.

Во время эксплуатации газотурбинного двигателя шпильки могут испытывать напряжение. Кроме того, напряжение может быть неравномерно распределено по всем виткам резьбы шпилек и гаек, следствием чего являются локальные пиковые нагрузки, которые могут привести к усталости резьб, на которые они действуют, и, следовательно, к потенциальным поломкам.

Как показано на фиг. 1А, резьбовую шпильку (CS) компрессора ввинчивают в резьбовое отверстие в промежуточном валу (INTS) с обеспечением резьбового соединения, и диски (CD) компрессора надвигают на шпильку (CS) компрессора слева направо во время сборки. После этого входной вал (IS) устанавливают на шпильке (CS) компрессора, и гайку (CN) компрессора, предназначенную для создания предварительного натяга, навинчивают на конец шпильки компрессора. Для сборки может быть использован гидравлический инструмент, предназначенный для натяжения шпильки (CS), и гайку (CN) компрессора затягивают для обеспечения взаимодействия с входным валом (IS) до того, как инструмент будет удален. Это обеспечивает сохранение предварительного нагружения - которое также может быть названо предварительным натягом - действующего на шпильку (CS) компрессора посредством гайки (CN). На требуемое натяжение может влиять относительное термическое и механическое расширение и сжатие при различных режимах работы шпильки (CS) и зажатых компонентов, например, дисков (CD) компрессора.

Фиг. 1В показывает шпильку (TS) турбины, ввинченную в другой определяемый в аксиальном направлении конец промежуточного вала (INTS). Затем - хотя это не показано на фиг. 1В - выполняют следующий этап, заключающийся в установке дисков (TD) турбины на шпильке (TS) турбины справа налево, при этом гайку (TN) турбины навинчивают на другой конец шпильки (TS) турбины, как показано на фиг. 1С. Гидравлический инструмент используют для натяжения шпильки (TS) турбины, и гайку (TN) затягивают для сохранения предварительного нагружения или предварительного натяга при удалении инструмента.

Следует понимать, что это представляет собой сложную конструкцию, которая требует тщательной механической обработки и сборки для обеспечения надлежащего функционирования и продолжительного срока службы. Материал шпильки, размеры шпильки, степень натяжения шпильки и т.д. должны быть учтены для гарантирования достаточной нагрузки при вращении при всех режимах работы газотурбинного двигателя. В частности, резьбовые соединения и шпильки могут испытывать напряжение.

Следует отметить, что под «нагрузкой» понимается усилие зажима, действующее в аксиальном направлении, - или, по меньшей мере, составляющая вектора, действующая в аксиальном направлении, - которое приложено к дискам посредством шпильки.

Посредством термина «нагрузка» также описано усилие, которое действует на концы шпильки вследствие предварительного натяга или за счет вращательного движения. «Нагрузка/нагружение» рассматривается как вектор, действующий в направлении, противоположном по отношению к аксиальной составляющей вектора усилия, которое действует на концы шпильки посредством гаек.

«Предварительное нагружение/предварительный натяг» рассматривается как усилие, которое существует в состоянии отсутствия вращения, когда все компоненты собраны. Усилие при предварительном натяге имеет место, когда несколько компонентов ротора соединены или зафиксированы, или зажаты вместе.

Задача изобретения состоит в уменьшении напряжения и усталости шпильки и резьб.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение данных недостатков.

Данная задача решается посредством создания резьбового хвостовика ротора турбомашины, предназначенного для взаимодействия с резьбовым дополнительным компонентом ротора турбомашины,

при этом резьбовой хвостовик выполнен с возможностью взаимодействия с дополнительным компонентом, дополнительный компонент имеет цилиндрическую первую резьбу с постоянным шагом первой резьбы и постоянным углом профиля первой резьбы вдоль протяженности первой резьбы в аксиальном направлении, причем резьбовой хвостовик имеет вторую резьбу с постоянным шагом второй резьбы и постоянным углом профиля второй резьбы вдоль протяженности второй резьбы в аксиальном направлении и имеет третью резьбу с постоянным шагом третьей резьбы и постоянным углом профиля третьей резьбы вдоль протяженности третьей резьбы в аксиальном направлении,

при этом угол профиля первой резьбы и угол профиля второй резьбы, и угол профиля третьей резьбы, по существу, идентичны,

шаг первой резьбы и шаг второй резьбы, и шаг третьей резьбы, по существу, идентичны, и

вторая резьба и третья резьба выполнены с возможностью взаимодействия с первой резьбой,

вторая резьба и третья резьба разнесены в аксиальном направлении посредством зоны, свободной от резьбы, и

винтовая линия второй резьбы, которую имеет вторая резьба, и винтовая линия третьей резьбы, которую имеет третья резьба, имеют осевое смещение относительно друг друга, в частности, когда они введены во взаимодействие с резьбовым дополнительным компонентом в невращающемся состоянии с предварительным натягом.

Предпочтительно, вторая резьба и третья резьба обеспечивают образование осевого зазора относительно первой резьбы, когда резьбовой хвостовик и дополнительный компонент введены во взаимодействие друг с другом без внешнего осевого усилия, приложенного к резьбовому хвостовику и/или дополнительному компоненту, при этом внешнее осевое усилие, в частности, представляет собой усилие, обусловленное вращением ротора турбомашины.

Предпочтительно, в том случае, когда резьбовой хвостовик введен во взаимодействие с дополнительным компонентом, в результате действия первого усилия, в частности, усилия предварительного нагружения, действующего между множеством боковых поверхностей профиля первой резьбы, которые имеет первая резьба компонента, и множеством боковых поверхностей профиля второй резьбы, которые имеет вторая резьба, создаются воспринимающий нагрузку контакт боковых поверхностей профиля первой резьбы и боковых поверхностей профиля второй резьбы и свободное от восприятия нагрузки соединение боковых поверхностей профиля первой резьбы и множества боковых поверхностей профиля третьей резьбы, которые имеет третья резьба.

Предпочтительно, в том случае, когда резьбовой хвостовик введен во взаимодействие с дополнительным компонентом, в результате действия второго усилия, превышающего первое усилие, действующего, в частности вследствие вращения ротора турбомашины, между боковыми поверхностями профиля первой резьбы, которые имеет первая резьба дополнительного компонента, и боковыми поверхностями профиля второй резьбы, которые имеет вторая резьба, создаются воспринимающий нагрузку контакт боковых поверхностей профиля первой резьбы и боковых поверхностей профиля второй резьбы и воспринимающий нагрузку контакт боковых поверхностей профиля первой резьбы и боковых поверхностей профиля третьей резьбы.

Предпочтительно, свободная от резьбы зона имеет диаметр, который меньше внутреннего диаметра второй резьбы и внутреннего диаметра третьей резьбы резьбового хвостовика, так что ее осевая длина может быть увеличена, если осевое усилие будет приложено к резьбовому хвостовику и/или к дополнительному компоненту, в частности, в том случае, когда резьбовой хвостовик введен во взаимодействие с дополнительным компонентом.

Предпочтительно, свободная от резьбы зона является упругой, так что ее осевая длина может быть увеличена за счет осевого смешения, если второе усилие будет приложено к резьбовому хвостовику и/или к дополнительному компоненту, в частности, в том случае, когда резьбовой хвостовик введен во взаимодействие с дополнительным компонентом.

Предпочтительно, свободная от резьбы зона является удлиненной в аксиальном направлении.

Согласно второму объекту изобретения создан соединительный узел ротора турбомашины, предназначенный для обеспечения взаимодействия резьбового хвостовика, в частности, стяжной шпильки, содержащей резьбовой хвостовик, с резьбовым дополнительным компонентом, в частности, стопорной гайкой, отличающийся тем, что резьбовой хвостовик и дополнительный компонент выполнены с вышеописанной конфигурацией.

Предпочтительно, в том случае, когда резьбовой хвостовик и дополнительный компонент взаимно соединены без приложенной внешней нагрузки, первая резьба и вторая резьба имеют осевой зазор, и осевое смещение составляет, по существу, 1/2 или 1/3 от осевого зазора.

Согласно третьему объекту изобретения создан газотурбинный двигатель, содержащий ротор, установленный в корпусе с возможностью вращения вокруг оси ротора, при этом аксиальное направление определено вдоль оси ротора,

причем ротор содержит шпильку, первую гайку, предназначенную для создания предварительного натяга, или первый вал ротора и вторую гайку, предназначенную для создания предварительного натяга, или второй вал ротора,

при этом шпилька проходит вдоль оси ротора и шпилька дополнительно содержит

- первый наружный конец и второй наружный конец, при этом первый наружный конец выполнен с возможностью взаимодействия с первой гайкой, предназначенной для создания предварительного натяга, или с первым валом ротора, и второй наружный конец выполнен с возможностью взаимодействия со второй гайкой, предназначенной для создания предварительного натяга, или со вторым валом ротора,

- стержень, соединенный с первым наружным концом и со вторым наружным концом,

при этом шпилька выполнена в виде вышеописанного резьбового хвостовика,

причем, по меньшей мере, один из первого наружного конца и второго наружного конца имеет вторую резьбу и третью резьбу и свободную от резьбы зону,

при этом, по меньшей мере, одна/один из первой гайки, предназначенной для создания предварительного натяга, и второй гайки, предназначенной для создания предварительного натяга, и первого вала ротора и второго вала ротора выполнена/выполнен в виде дополнительного компонента.

Предпочтительно, по меньшей мере, одна/один из первой гайки, предназначенной для создания предварительного натяга, и второй гайки, предназначенной для создания предварительного натяга, и первого вала ротора и второго вала ротора вводится во взаимодействие со шпилькой таким образом, что усилие предварительного натяга будет приложено в первом аксиальном направлении от первой резьбы ко второй резьбе так, что боковые поверхности профиля первой резьбы и боковые поверхности профиля второй резьбы будут находиться в воспринимающем нагрузку контакте.

Предпочтительно, по меньшей мере, одна/один из первой гайки, предназначенной для создания предварительного натяга, и второй гайки, предназначенной для создания предварительного натяга, и первого вала ротора и второго вала ротора вводится во взаимодействие со шпилькой таким образом, что усилие предварительного натяга будет приложено в первом аксиальном направлении от первой резьбы к третьей резьбе так, что боковые поверхности профиля первой резьбы и боковые поверхности профиля третьей резьбы будут находиться в свободном от восприятия нагрузки соединении.

Предпочтительно, во время работы газотурбинного двигателя обеспечивается приложение эксплуатационной нагрузки со стороны стержня к первому наружному концу и/или второму наружному концу во втором аксиальном направлении, противоположном по отношению к первому аксиальному направлению, так, что свободная от резьбы зона расширяется в аксиальном направлении, так что боковые поверхности профиля первой резьбы и боковые поверхности профиля третьей резьбы будут находиться в воспринимающем нагрузку контакте.

Согласно четвертому объекту изобретения создан способ сборки ротора турбомашины газотурбинного двигателя, при этом ротор содержит первый компонент с резьбовым хвостовиком (1) и резьбовой дополнительный компонент, при этом дополнительный компонент имеет цилиндрическую первую резьбу, резьбовой хвостовик имеет вторую резьбу и третью резьбу, которые разнесены в аксиальном направлении посредством зоны, свободной от резьбы,

при этом способ включает этап ввода второй резьбы и третьей резьбы во взаимодействие с первой резьбой, при этом винтовая линия второй резьбы, которую имеет вторая резьба, и винтовая линия третьей резьбы, которую имеет третья резьба, имеют осевое смещение относительно друг друга, когда они введены во взаимодействие с резьбовым дополнительным компонентом, в частности, в невращающемся состоянии с предварительным натягом, так, что

(i) если ротор не вращается,

- боковые поверхности профиля первой резьбы, которые имеет первая резьба дополнительного компонента, находятся в воспринимающем нагрузку контакте с боковыми поверхностями профиля второй резьбы резьбового хвостовика, и

- боковые поверхности профиля первой резьбы, которые имеет первая резьба дополнительного компонента, находятся в свободном от восприятия нагрузки соединении с боковыми поверхностями профиля третьей резьбы, которые имеет третья резьба резьбового хвостовика, и

(ii) если ротор вращается,

- боковые поверхности профиля первой резьбы, которые имеет первая резьба дополнительного компонента, находятся в воспринимающем нагрузку контакте с боковыми поверхностями профиля второй резьбы резьбового хвостовика, и

- боковые поверхности профиля первой резьбы, которые имеет первая резьба дополнительного компонента, находятся в воспринимающем нагрузку контакте с боковыми поверхностями профиля третьей резьбы, которые имеет третья резьба резьбового хвостовика.

Как видно, в соответствии с изобретением разработан резьбовой хвостовик, предназначенный для взаимодействия с резьбовым дополнительным компонентом. Резьбовой хвостовик может быть, в частности, предусмотрен в турбомашине, еще более конкретно - в роторе турбомашины.

Дополнительный компонент имеет цилиндрическую первую резьбу с постоянным шагом первой резьбы и постоянным углом профиля первой резьбы вдоль протяженности первой резьбы в аксиальном направлении. Термин «цилиндрическая» означает, что периферия, определяемая наружным диаметром первой резьбы, может быть расположена на - фиктивном - цилиндре и/или что периферия, определяемая внутренним диаметром первой резьбы, может быть расположена на дополнительном - фиктивном - цилиндре.

Резьбовой хвостовик имеет вторую резьбу с постоянным шагом второй резьбы и постоянным углом профиля второй резьбы вдоль протяженности второй резьбы в аксиальном направлении и имеет третью резьбу с постоянным шагом третьей резьбы и постоянным углом профиля третьей резьбы вдоль протяженности третьей резьбы в аксиальном направлении, при этом угол профиля первой резьбы и угол профиля второй резьбы, и угол профиля третьей резьбы, по существу, идентичны, и шаг первой резьбы и шаг второй резьбы, и шаг третьей резьбы, по существу, идентичны.

Вторая резьба и третья резьба разнесены в аксиальном направлении посредством зоны, свободной от резьбы, то есть промежуточной зоны, не имеющей резьбы. Другими словами, данная свободная от резьбы зона может быть определена как суженная гладкая часть или утоненная часть.

В соответствии с изобретением шаг второй резьбы и шаг третьей резьбы имеют осевое смещение относительно друг друга. Другими словами, шаг второй резьбы имеет осевое смещение относительно шага третьей резьбы. «Осевое смещение» отражает незначительную дислокацию второй резьбы по сравнению с третьей резьбой. Вторая резьба и третья резьба не идентичны. Винтовая линия второй резьбы, которую имеет вторая резьба, и винтовая линия третьей резьбы, которую имеет третья резьба, имеют осевое смещение. Используя другую терминологию, можно указать, что это означает, что образующая среднего цилиндра второй резьбы смещена в аксиальном направлении от образующей среднего цилиндра третьей резьбы.

Резьбовой хвостовик может представлять собой часть стяжной шпильки или стяжного болта, например, газотурбинного двигателя. Подобная стяжная шпилька может иметь хвостовик на обоих концах стяжной шпильки в аксиальном направлении. В этом случае вторая и третья резьбы хвостовика рассматриваются как один конец резьбовой стяжной шпильки с резьбой на обоих концах. В данной конфигурации дополнительный компонент может представлять собой стопорную гайку, которая взаимодействует с хвостовиком стяжной шпильки.

Особым признаком изобретения является то, что резьба хвостовика имеет разрыв, так что свободная от резьбы зона находится между двумя частями с резьбой. Кроме того, две резьбовые части - то есть вторая резьба и третья резьба - имеют одинаковый шаг, но смещены относительно друг друга.

Следует понимать, что резьбовой хвостовик выполнен с конфигурацией, обеспечивающей возможность взаимного соединения с первой резьбой дополнительного компонента, если предположить, что первая резьба имеет постоянный шаг. Первая резьба представляет собой «стандартную» резьбу, которая соответствует - по всем специфическим параметрам резьбы - противолежащей второй резьбе. Она также соответствует противолежащей третьей резьбе. Первая резьба также имеет неизмененные специфические параметры резьбы на всей протяженности первой резьбы в аксиальном направлении.

Поскольку первая резьба имеет стандартную конфигурацию, заявлен только хвостовик, который может быть соединен с данной стандартной первой резьбой. Кроме того, также заявлен соединительный узел, который содержит как резьбовой хвостовик, так и данный компонент. Кроме того, изобретение также направлено на газотурбинный двигатель, включающий в себя стяжную шпильку, содержащую резьбовой хвостовик, и соответствующую стопорную гайку в качестве дополнительного компонента.

Для краткого формулирования сущности изобретения, которое направлено на резьбовой хвостовик, можно указать, что разработан резьбовой хвостовик ротора турбомашины, предназначенный для взаимодействия с резьбовым дополнительным компонентом ротора турбомашины. Резьбовой хвостовик выполнен с возможностью взаимодействия с дополнительным компонентом, при этом дополнительный компонент имеет цилиндрическую первую резьбу с постоянным шагом первой резьбы и постоянным углом профиля первой резьбы вдоль протяженности первой резьбы в аксиальном направлении, при этом резьбовой хвостовик имеет вторую резьбу с постоянным шагом второй резьбы и постоянным углом профиля второй резьбы вдоль протяженности второй резьбы в аксиальном направлении и имеет третью резьбу с постоянным шагом третьей резьбы и постоянным углом профиля третьей резьбы вдоль протяженности третьей резьбы в аксиальном направлении. Угол профиля первой резьбы и угол профиля второй резьбы, и угол профиля третьей резьбы, по существу, идентичны, по меньшей мере, совместимы друг с другом. Шаг первой резьбы и шаг второй резьбы, и шаг третьей резьбы, по существу, идентичны, по меньшей мере, совместимы друг с другом. Вторая резьба и третья резьба выполнены с возможностью взаимодействия с первой резьбой. Вторая резьба и третья резьба разнесены в аксиальном направлении посредством зоны, свободной от резьбы, и винтовая линия второй резьбы, которую имеет вторая резьба, и винтовая линия третьей резьбы, которую имеет третья резьба, имеют осевое смещение относительно друг друга, в частности, когда они введены во взаимодействие с резьбовым дополнительным компонентом в невращающемся состоянии с предварительным натягом.

Данное изобретение является предпочтительным особенно в том случае, если используется материал, который обеспечивает возможность расширения в зоне, свободной от резьбы, вследствие приложенного осевого усилия или вследствие нагрева, так что свободная от резьбы зона может расширяться в аксиальном направлении в случае приложения осевого усилия или наличия нагрева. Как следствие, если не будет приложено никакого усилия или будет отсутствовать нагрев, только боковые поверхности профиля второй резьбы могут находиться в воспринимающем нагрузку контакте с боковыми поверхностями профиля первой резьбы, и в случае приложения усилия или наличия нагрева боковые поверхности профиля второй резьбы и дополнительно также боковые поверхности профиля третьей резьбы могут находиться в воспринимающем нагрузку контакте с боковыми поверхностями профиля первой резьбы.

Изобретение не направлено на резьбу для фиксации противовибрационного предварительного натяга, поскольку она известна как резьба для самостопорящих болтов, у которых резьбы смещены таким образом, что предварительный натяг будет действовать на боковые поверхности профиля резьбы просто за счет «вставки» противолежащей резьбы в данную резьбу, предназначенную для фиксации предварительного натяга. Как следствие, даже если не будет приложено никакой внешней нагрузки, резьбы могут быть неподвижно соединены без зазора. Таким образом, подобная резьба для фиксации предварительного натяга имеет внутренний предварительный натяг, обеспечиваемый внутри самими витками резьбы. В отличие от данной резьбы, предназначенной для фиксации противовибрационного предварительного натяга, резьбовой хвостовик в соответствии с изобретением может быть нежестко закрепленным в аксиальном направлении - то есть он может смещаться в аксиальном направлении в ограниченных пределах - при условии, что никакая внешняя нагрузка или никакое внешнее усилие натяжения не будет действовать на резьбовой хвостовик или противолежащий дополнительный компонент.

В предпочтительном варианте осуществления это может быть реализовано за счет того, что осевое смещение согласно изобретению будет меньше смещения резьбы, предназначенной для фиксации противовибрационного предварительного натяга.

Следует отметить, что термин «предварительный натяг/предварительное нагружение» может быть использован различным образом. С одной стороны, две резьбы могут иметь такое смещение, что они сами создают - внутри - предварительное нагружение на боковых поверхностях профилей резьб. Как указано, это не находится в пределах объема изобретения. Кроме того, «предварительный натяг» может быть создан извне посредством вталкивания или втягивания одного компонента на сборочной операции. Это также может быть названо предварительным натяжением. Это представляет собой «сценарий», который был рассмотрен ранее в связи с фиг. 1 и в котором компонент может быть подвергнут натяжению, и на данном компоненте размещают компонент с резьбой, компонент с резьбой навинчивают до тех пор, пока он не станет опираться на буртик. В такой конфигурации в случае последующего прекращения вталкивания или втягивания компонента на резьбу может действовать непрерывно действующее усилие, которое также называют усилием «предварительного натяга», но данное усилие представляет собой создаваемое извне предварительное нагружение (внешнее по отношению к резьбе), и оно будет приложено вследствие натяжения некоторых из компонентов. Для проведения различия между данными сценариями в данном тексте по меньшей мере частично используются выражения «внутренний предварительный натяг» (для внутреннего по отношению к резьбам, предварительного натяга) и «создаваемый извне, предварительный натяг» (для предварительного натяга, создаваемого посредством компонента, внешнего по отношению к резьбе). Создаваемый извне, предварительный натяг также может быть назван в данном документе предварительным натяжением.

В дополнительном варианте осуществления осевое смещение может иметь такую конфигурацию, что вторая резьба и третья резьба образуют осевой зазор - то есть вторая и третья резьбы сами по себе внутренне свободны от предварительного натяга - относительно первой резьбы, когда резьбовой хвостовик и дополнительный компонент введены во взаимодействие друг с другом без приложения внешнего осевого усилия к резьбовому хвостовику и/или дополнительному компоненту. Таким образом, когда не приложено никакого осевого усилия, - что может представлять собой нежелательную конфигурацию для работающей машины, но может быть реализовано при испытании в лаборатории, - резьбовой хвостовик и дополнительный компонент могут испытывать биение, будучи введенными во взаимодействие друг с другом.

Подобное «внешнее» осевое усилие, в частности, рассматривается как усилие, обусловленное вращением ротора турбомашины. Усилие предварительного натяга также может рассматриваться как «внешнее» осевое усилие в данном смысле.

Кроме того, в том случае, когда резьбовой хвостовик введен во взаимодействие с дополнительным компонентом, осевое смещение может иметь такую конфигурацию, что в результате действия первого усилия, действующего между множеством боковых поверхностей профиля первой резьбы, которые имеет первая резьба компонента, и множеством боковых поверхностей профиля второй резьбы, которые имеет вторая резьба, создаются воспринимающий нагрузку контакт боковых поверхностей профиля первой резьбы и боковых поверхностей профиля второй резьбы и свободное от восприятия нагрузки и/или бесконтактное соединение боковых поверхностей профиля первой резьбы и множества боковых поверхностей профиля третьей резьбы, которые имеет третья резьба. Данное первое усилие представляет собой внешнее усилие, приложенное извне, а не собственное внутреннее усилие в пределах резьб. Данное первое усилие может представлять собой результат создаваемого извне, предварительного натяга (то есть предварительного натяжения) и может быть названо усилием предварительного нагружения.

Данная конфигурация с воспринимающим нагрузку контактом боковых поверхностей профиля первой резьбы и боковых поверхностей профиля второй резьбы представляет собой сценарий с создаваемым извне, предварительным натягом, который также будет реализован в конструкции со стяжной шпилькой газовой турбины, когда она находится в рабочем режиме или даже когда газовая турбина не работает, но собрана надлежащим образом.

В соответствии с одним вариантом осуществления резьбового хвостовика в том случае, когда резьбовой хвостовик введен во взаимодействие с дополнительным компонентом, осевое смещение может иметь такую конфигурацию, что в результате действия второго усилия, превышающего первое усилие и действующего между боковыми поверхностями профиля первой резьбы, которые имеет первая резьба компонента, и боковыми поверхностями профиля второй резьбы, которые имеет вторая резьба, создаются воспринимающий нагрузку контакт боковых поверхностей профиля первой резьбы и боковых поверхностей профиля второй резьбы и воспринимающий нагрузку контакт боковых поверхностей профиля первой резьбы и боковых поверхностей профиля третьей резьбы. Это означает, что если не будет приложено никакой дополнительной нагрузки помимо предварительного натяга или предварительного натяжения, боковые поверхности профиля третьей резьбы не будут находиться в воспринимающем нагрузку контакте с боковыми поверхностями профиля первой резьбы. Если нагрузка увеличивается во время работы - то есть она будет выше уровня создаваемого извне, предварительного натяга - дополнительное усилие будет действовать на резьбовой хвостовик и, в частности, на части, которые могут обеспечить адаптацию своего положения в аксиальном направлении, свободная от резьбы зона может расширяться в аксиальном направлении, так что в дополнительном режиме работы третья резьба может находиться в воспринимающем нагрузку контакте с боковыми поверхностями профиля первой резьбы. Второе усилие может представлять собой результат вращения ротора турбомашины.

За счет этого могут быть уменьшены максимальные напряжения, в частности, там, где имеет место усталость при циклическом нагружении, например, вследствие изменений тепловой и/или эксплуатационной нагрузок. Напряжение может возникать, например, если осесимметричная шпилька, к которой присоединен хвостовик, может оказаться несбалансированной. Это может произойти вследствие изгиба ротора в процессе эксплуатации.

Для обеспечения возможности расширения свободной от резьбы зоны или обеспечения ее упругости свободная от резьбы зона может представлять собой металлическое тело. Материал может быть выбран так, что он будет достаточно упругим в случае приложения усилия и/или воздействия температуры.

Как правило, резьбовой хвостовик может быть выполнен с конфигурацией с надлежащими размерами за счет выбора соответствующего материала для обеспечения желательного эффекта расширения зоны, свободной от резьбы.

Свободная от резьбы зона может иметь диаметр, который меньше внутреннего диаметра второй резьбы и внутреннего диаметра третьей резьбы резьбового хвостовика, так что ее осевая длина может быть увеличена, если осевое усилие - внешнее осевое усилие, в частности, обусловленное вращением, - будет приложено к резьбовому хвостовику и/или к дополнительному компоненту, в частности, в том случае, когда резьбовой хвостовик введен во взаимодействие с дополнительным компонентом. В частности, диаметр зоны, свободной от резьбы, может составлять, по существу, 80% или 70%, или 60% от внутреннего диаметра второй резьбы и/или третьей резьбы.

Как уже указано ранее, свободная от резьбы зона может быть упругой, так что ее осевая длина может быть увеличена за счет осевого смешения, если второе усилие - внешнее осевое усилие, в частности, обусловленное вращением, - будет приложено к резьбовому хвостовику и/или к дополнительному компоненту, в частности, в том случае, когда резьбовой хвостовик введен во взаимодействие с дополнительным компонентом.

Свободная от резьбы зона предпочтительно является удлиненной в аксиальном направлении.

В предпочтительном варианте осуществления резьбовой хвостовик может иметь наружную резьбу, то есть наружную резьбу. Дополнительный компонент может иметь внутреннюю резьбу, то есть резьбу в отверстии, также называемую внутренней резьбой. Также возможны другие конфигурации, в которых, например, хвостовик может иметь цилиндрическое глухое отверстие с внутренней резьбой на его конце. В этом случае дополнительный компонент может быть конфигурирован в виде винта или болта с наружной резьбой, соответствующей внутренней резьбе глухого отверстия.

Первая, вторая и третья резьбы могут быть конфигурированы в виде треугольной резьбы, трапецеидальной резьбы, американской трапецеидальной резьбы или метрической винтовой резьбы по стандарту ИСО (ИСО (ISO): Международная организация по стандартизации). Они могут быть конфигурированы в соответствии со стандартом для унифицированных резьб (Unified Thread Standard) или британской дюймовой резьбой (резьбой Витворта) (British Standard Whitworth).

Резьбовой хвостовик может быть, по существу, осесимметричным относительно оси хвостовика. Резьбы, очевидно, не являются идеально симметричными, поскольку их задача состоит в обеспечении возможности смещения в аксиальном направлении. Хвостовик может быть удлиненным в аксиальном направлении. Две пары хвостовиков могут быть расположены на противоположных определяемых в аксиальном направлении концах удлиненной шпильки или удлиненного стержня.

Изобретение может быть применено для соединений различных типов. Данные соединения могут находиться в турбомашине - в частности, в газовых турбинах, компрессорах, турбокомпрессорах, паровых турбинах, в особенности, в роторе турбомашины. Кроме того, другие машины или устройства могут быть улучшены посредством данного изобретения. Таким образом, изобретение также направлено на соединительный узел, предназначенный для обеспечения взаимодействия резьбового хвостовика, в частности, стяжной шпильки или стяжного болта, с резьбовым дополнительным компонентом, в частности, стопорной гайкой, вводимым/вводимой во взаимодействие с резьбовым хвостовиком стяжного болта, при этом резьбовой хвостовик и дополнительный компонент выполнены с приведенной выше конфигурацией.

При рассмотрении не только хвостовика самого по себе, но и соединительного узла, содержащего резьбовой хвостовик и противолежащий дополнительный компонент, можно указать, что в дополнительном варианте осуществления в том случае, когда резьбовой хвостовик и дополнительный компонент взаимно соединены без приложенной внешней нагрузки, первая резьба и вторая резьба могут иметь осевой зазор, и осевое смещение может иметь такую конфигурацию, что оно будет составлять, по существу, 1/2 или 1/3 от осевого зазора. В зависимости от конфигурации зоны, свободной от резьбы, и удлинения в аксиальном направлении, которое может быть достигнуто зоной, свободной от резьбы, осевое смещение также может быть задано с другими значением, например, оно может составлять, по существу, 1/4, 1/5, 1/6, 1/7, 1/8, 1/9 или 1/10 от осевого зазора. Это может зависеть от жесткости материала, используемого в свободной от резьбы зоне, и/или от высоты профиля резьбы, и/или от шага резьбы.

Осевой зазор в только что приведенном смысле означает осевой люфт. Для обеспечения взаимодействия наружной резьбы и внутренней резьбы внутренняя резьба должна иметь большую ширину в аксиальном направлении по сравнению с размером наружной резьбы, поскольку в противном случае наружную резьбу невозможно будет ввести в зацепление с внутренней резьбой. Для соединенных резьб расстояние в аксиальном направлении в этом случае представляет собой осевой люфт, то есть расстояние в аксиальном направлении между двумя противоположными поверхностями профилей резьб, когда поверхности профилей двух резьб с другой стороны находятся в прямом контакте.

В частности, изобретение может быть применено для газотурбинного двигателя, содержащег