МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЙ РОТОР ТУРБОКОМПРЕССОРА Российский патент 1995 года по МПК F01D5/34 F01D5/06 

Изобретение относится к турбостроению, в частности к керамическим газотурбинным двигателям с металлокерамическим ротором.

Известна конструкция металлокерамического ротора, описанная в патенте США N 4778345. Ротор содержит керамический диск турбины с цапфой и металлическое колесо компрессора с валом, торец которого жестко соединен с торцом керамической цапфы турбины диффузионной сваркой. Недостатком ротора является низкая надежность сварочного соединения валов.

Известна также конструкция шлицевого соединения соосных валов и способ их центрирования (Орлов П. И. Основы конструирования. М., Машиностроение, 1977 г. т. 2, с. 270-280). В указанном аналоге один из валов снабжен пазами, расположенными на конце вала, а другой вал снабжен соответствующими пазам выступами. Недостаток аналогов состоит в том, что они не могут быть использованы для соединения металлического вала с керамическим из-за возникновения на зубьях шлицевого соединения больших напряжений изгиба снижающих надежность соединения валов.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является конструкция металлокерамического ротора турбокомпрессора (патент США N 4639194). В прототипе ротор содержит металлокерамический вал компрессора с торцевой проточкой и керамический диск рабочего колеса турбины с конической цапфой, установленной в проточке металлического вала. В прототипе не обеспечивается высокой точности центрирования валов особенно во время работы на переходных режимах.

В предлагаемом техническом решении ставится задача повышения точности центрирования валов.

Поставленная задача решается за счет того, что ротор снабжен обгонной упорной муфтой и металлическим упорным диском, установленным в полости проточки металлического вала и закрепленным на ее стенках радиальными штифтами. Кроме того внутренняя, обращенная к цапфе диска турбины, поверхность проточки выполнена конической, и на наружной поверхности цапфы выполнены выступы, а на обращенной к ней поверхности проточки - ответные им пазы, причем цапфа соединена со стенками проточки байонетно. Обгонная муфта выполнена в виде равномерно расположенных по окружности сегментных выточек, образующих совместно пазы, выполненные на обращенных друг к другу поверхностях упорного диска и торцевой поверхности цапфы, размещенных в пазах тел вращения.

На фиг. 1 показан общий вид устройства; на фиг. 2 - устройство шлицевого байонетного соединения полувалов ротора; на фиг. 3 - устройство для крепления тел вращения обгонной упорной муфты; на фиг. 4 - схема соединения сферической цапфы турбины с полувалом компрессора; на фиг. 5 - условная развертка по окружности одного из возможных вариантов соединения полувалов и схема распределения в нем усилий при передаче крутящего момента от турбины. На фиг. 1 полувалы турбины и компрессора, а также упорное кольцо заштрихованы на половину.

Турбокомпрессор содержит колесо 1 керамической турбины с цапфой (полувалом) 2, колесо 3 компрессора с металлическим валом (полувалом) 4, снабженным на конце расточкой, образующей полый стакан 5 с боковыми цилиндрическими стенками 6, торцом 7 и упорным на выходе буртом 8. Между торцом 9 цапфы 2 и торцом (донышком) 7 стакана 6 расположен упорный диск 10, жестко закрепленный штифтами 11 в стенках 6. Между торцом 7 и диском 10 может быть заведено установочное упорное разъемное кольцо 12. На торцевых упорных поверхностях 13 и 9 диска 10 и цапфы 2 выполнены радиальные сегментные выточки (кружала) 14, в которых расположены тела вращения 15 (например, сферические, цилиндрические или конические тела, выполненные из керамики или металла). Тела 15 могут быть закреплены в обойме 16, включающей радиальные стержни 17. Вал 4 компрессора может быть снабжен осевыми отверстиями 18 для подвода воздуха от напорной полости компрессора (на фиг. не показано) в полость А, расположенную между донышком 7 и диском 10. В бурте 8 стакана 6 и на периферии цапфы 2 образованы выступы 21, 22 и конгруэнтные пазы 23, 24. Обойма 16 может быть выполнена в виде диска 25 с осевым центрирующим отверстием 26 и радиальными стержнями 17, снабженными на концах упорными головками 27. В этом случае диск 10 должен быть снабжен осевым центрирующим выступом (на фиг. не показан). Сопряженные поверхности 19 и 20 цапфы 2 турбины и стакана 5 могут быть выполнены сферическими.

Предложенное устройство может быть выполнено и в более простом исполнении узла соединения полувалов турбины и компрессора (фиг. 5). В такой конструкции соединение выполнено в виде торцевой храповой муфты и на торцевых поверхностях 7 и 9 полувалов 4, 2 выполнены расположенные по периферии наклонные упоры 28, 29, контактирующие между собой по наклонным поверхностям 30, 31. На последних при вращении по стрелке "С" и передаче крутящих моментов обозначены нормальные силы Р_н и составляющие Р_о, под воздействием которых осуществляют прижатие поверхностей 19, 20 друг к другу.

Монтаж металлокерамического ротора турбокомпрессора осуществляют следующим образом. На упорном кольце 10 соосно крепят обойму 16 с телами 15 и затем их совместно вводят в пазы 23 бурта 8 стакана 5 (фиг. 2, а). После этого цапфу 2 совместно с кольцом 10 и обоймой 16 проворачивают и совмещают выступы 22 и 21 байонетного соединения (фиг. 2, в). В таком положении устанавливают упорное кольцо 12 (или клинья), создают расчетные напряжения сжатия между телами качения 15 и поверхностями 14 цапфы 2 и кольца 10. После этого кольцо 10 штифтами 11 жестко крепят в стакане 5.

Предложенная конструкция работает следующим образом. В холодном состоянии ротора, т. е. в начальный момент пуска турбокомпрессора, поверхность 19 цапфы плотно без зазоров за счет монтажных напряжений сжатия прижата к конической поверхности 20 бурта 8 стакана 5. Именно за счет этого, в период пуска турбокомпрессора обеспечивается соосность полувалов 4 и 2 компрессора и турбины. После запуска в процессе работы турбокомпрессора происходит нагрев цапфы 2, стакана 5 и вала 4, при этом в результате различного расширения металла и керамики между поверхностями 19 и 20 может образоваться радиальный зазор. Однако при передаче крутящего момента от турбины 1 к колесу 3 компрессора в результате взаимодействия тел качения 15 с выточками 14 диска 10 и цапфы (выступы 28, 29, фиг. 5) возникают осевые усилия Р_о, под воздействием которых происходит прижатие поверхностей 19 к поверхностям 20. Таким образом исключается опасность образования радиального зазора в соединении валов и обеспечивается сохранение их соосности при различном расширении металлического стакана 5 и керамической цапфы 2.

Крутящий момент передается через штифты 11. При частоте вращения турбокомпрессора в диапазоне 50-100000 об/мин величина крутящего момента (М_кр) и осевое усилие Р_о становятся незначительными. Для увеличения осевого усилия от диска 10 на тела качения 15 полость "А" сообщают с напорной полостью компрессора. В этом случае диск 10 и стакан 5 работают как поршневая пара и за счет проточек воздуха через неплотности охлаждается металлический стакан 5.

При передаче крутящего момента на трех и более телах качения 15 могут возникнуть неодинаковые осевые усилия, что приведет к возникновению концентраций напряжений в керамической цапфе. При использовании в соединении сферических поверхностей 19 и 20 за счет поворота относительно друг друга обеспечивается равномерное распределение осевых усилий по телам качения.

Преимущество изобретения по сравнению с прототипом заключается в том, что в роторе с уравновешенными осевыми усилиями, несмотря на различное тепловое расширение металлического и керамического полувалов компрессора и турбины, на всех рабочих режимах обеспечивается прижатие друг к другу центрирующих конических поверхностей, при этом исключается опасность появления в соединении радиальных зазоров и сохраняется соосность полувалов.

Использование: в турбостроении, в керамических газотурбинных двигателях, конкретно в конструкциях газотурбинных двигателей. Сущность: коническая цапфа 2 керамической турбины 1 расположена в полости образованного расточкой стакана 5 металлического вала 4 компрессора 3. Стакан и цапфа соединены между собой байонетным соединением, образованным выступами и впадинами. Внутри стакана штифтами 11 закреплено металлическое упорное кольцо 10 с радиальными выточками 14 на торце 13. Обоймой 16 с телами качения и выточками 14 на цапфе 2 и диске 10 образована обгонная упорная муфта. Центрирующие сопряженные поверхности 19 и 20 цапфы 2 и стакана 5 могут быть выполнены сферическими. Крутящий момент от турбины 1 к компрессору 3 передают через тела качения 15 и штифты 11. 5 ил.

МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЙ РОТОР ТУРБОКОМПРЕССОРА, содержащий металлический вал компрессора с торцевой проточкой и керамический диск рабочего колеса турбины с конической цапфой, установленной в проточке вала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности центрирования валов, ротор снабжен обгонной упорной муфтой и металлическим упорным диском, установленным в полости проточки и закрепленным на ее стенках при помощи радиальных штифтов, внутренняя обращенная к цапфе поверхность проточки выполнена конической, на наружной поверхности цапфы выполнены выступы, а на обращенной к ней поверхности проточки-ответные им пазы, цапфа соединена со стенками проточки байонетно, а обгонная муфта выполнена в виде равномерно расположенных по окружности сегментных выточек, образующих совместно пазы, выполненные на обращенных одна к другой поверхностях упорного диска и торцевой поверхности цапфы и размещенных в пазах тел вращения.