Investigation and application of the torque-angle tightening method on critical bolted joints of gas turbine engine

Abstract

Modern hava araçlarının gaz türbinli motorlarının dönen ve sabit parçalarında cıvatalı bağlantılar yaygın olarak tercih edilmektedir. Ön yük değerinin doğruluğunun yüksek olması, gaz türbinli motorların kritik cıvatalı bağlantılarının yüksek basınçlı gaz sızdırmazlığını sağlarken öte yandan bağlantı bütünlüğünü de koruyabilmesi için büyük önem arz etmektedir. Tork-açı sıkma metodu, tork kontrollü sıkma metoduna göre daha düşük ön yük varyasyonuna neden olurken, diğer alternatif sıkma yöntemlerine kıyasla uygulaması daha basit, kontrolü ve doğrulaması da daha kolay olan bir metot olarak öne çıkmaktadır. Bu çalışma kapsamında, tork-açı sıkma yöntemi incelenmiş ve bu yöntemin sıkma değerlerinin nasıl belirlenebileceği gösterilmiştir. Ayrıca kritik cıvatalı bağlantılar için tasarım iyileştirmelerinin, pahalı tasarım değişiklikleri yerine sadece sıkma yönteminin değiştirilerek nasıl elde edilebileceği, seçilen kritik bir cıvatalı bağlantı tasarımı üzerinden doğrulanmıştır. Çalışmalar Inconel 718 malzemesinden 0.25-28UNJF ISO3161 cıvataları ile gerçekleştirilmiştir. Test parçaları, referans alınan T800-LHT-800 tasarımıyla aynı direnginlik değerlerini yansıtacak şekilde tasarlanmıştır. Tork kontrollü sıkma ve tork-açı kontrollü sıkma yöntemleri için sıkma değerleri, Labmaster3200 test sistemi kullanılarak gerçekleştirilen tork-gerilim testleriyle belirlenmiştir. Ayrıca gerçekleştirilen sonlu eleman analizleri ile tork-gerilim test sonuçları arasında bir korelasyon bulunmuştur. Tork-gerilim testleri sonucu belirlenen sıkma değerleri kullanılarak, yüksek hassasiyetli sıkma anahtarı yardımıyla her iki yöntem için 10'ar montaj testi gerçekleştirilmiştir. İki sıkma metodunun sonuçları kıyaslanarak, iddia edildiği gibi sadece sıkma yöntemini değiştirerek minimum ve ortalama ön yük değerlerinde artış sağlanırken ön yük varyasyonunun azaldığı gözlemlenmiştir. Kritik cıvatalı bağlantı tasarımlarında düşük ön yük varyasyonu elde etmek için tork-açı sıkma metodu kullanılabilir. Bir cıvatalı bağlantı için tasarım aşamasında tork kontrollü sıkma metodu tercih edilmiş olsa dahi ön yük yetersizliğiyle alakalı herhangi bir saha problemi sonrasında sadece sıkma anahtarının girdisi değiştirilerek, maliyetli tasarım değişikliklerinin önüne geçilebilir.Bolted joints are widely used in rotor and carcass structures of gas turbine engines of modern aircraft. The high accuracy of the preload value is crucial for the critical bolted joints of gas turbine engines to provide high-pressure gas sealing and joint integrity at the same time. The torque-angle tightening method has lower preload variation than the torque-controlled tightening method and is less complex, easier to verify and control comparing the other alternative tightening methods. In this study, the process of the torque-angle tightening method is studied and it is shown how to determine its tightening values. It is also demonstrated that the design improvement can be achieved by simply changing the tightening method rather than an expensive design change on a critical bolted joint. The study is carried out on 0.25-28UNJF ISO3161 Inconel 718 bolts. The test parts are designed to reflect the same stiffness values as the estimated T800-LHT-800 design. Tightening values are determined for torque and torque-angle control tightening methods from torque-tension tests which are performed using the Labmaster3200 test system. In addition, a correlation is found between finite element analysis and torque-tension test results. Using the tightening values determined as a result of torque-tension tests, 10 assembly tests are carried out for both methods with the help of a high-precision tightening wrench. By comparing the results of the two tightening methods, it is observed that the minimum and average preload values increased, while the preload variation decreased, as claimed, by only changing the tightening method. The torque-angle tightening method can be used to achieve lower preload variation in critical bolted joint designs. Even if the torque-controlled tightening method was chosen at the design phase for a bolted joint, costly design changes can be avoided by simply changing the input of the tightening wrench after any field problem related to insufficient preload.