КРЕПЛЕНИЕ ДИСКА ТУРБОМАШИНЫ К ВАЛУ Российский патент 1995 года по МПК F01D5/06 F04D29/32 

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, в частности к авиационным газотурбинным двигателям (ГТД).

Известно крепление дисков турбины к валу и между собой посредством упругих фланцев, отнесенных от тела диска упругой кольцевой перемычкой. Для повышения упругих и деформируемых свойств перемычки в ней выполняются отверстия.

Недостатками такой конструкции, принятой за прототип, являются большие изгибные напряжения, возникающие в перемычке из-за разности деформаций между телом и фланцем диска. Возникающие напряжения приводят к появлению усталостных трещин в перемычке и ее поломке.

Целью изобретения является повышение надежности рабочего колеса турбомашины путем уменьшения изгибных напряжений в упругой перемычке диска.

Цель достигается тем, что в креплении диска турбомашины к валу, содержащем вал с запрессованными в его фланец призонными штифтами, диск, фланец которого снабжен упругой перемычкой и установлен на штифтах, и гайку, закрепленную на валу и фиксирующую диск в осевом направлении, согласно изобретению крепление снабжено кольцом, установленным на валу, контактирующим торцовой поверхностью с фланцем вала и имеющим выступы, фиксирующие фланец диска, а в последнем и кольце выполнены выемки полукруглого сечения, образующие совместно пазы под призонные штифты. Кольцо установлено с радиальным зазором относительно обращенной к нему поверхности фланца диска. Фланец диска и вал выполнены со шлицами, образующими между собой шлицевое соединение с радиальным зазором между ними.

На фиг. 1 изображен ротор турбины; на фиг. 2 узел I на фиг. 1, крепление диска к валу; на фиг. 3 сечение А-А на фиг. 2, крепление диска к валу через выступы кольца; на фиг. 4 сечение Б-Б на фиг. 3. кольцо с выступами в сечении; на фиг. 5 эпюра сил, действующих на фланец диска со стороны штифта в конструкции прототипа; на фиг. 6 эпюра сил, действующих на фланец диска со стороны штифта при фиксации фланца диска на штифтах по полуотверстиям с высотою зоны контакта, соответствующей радиусу полуотверстий; на фиг. 7 эпюра сил, действующих на фланец диска со стороны штифта при высоте зоны контакта меньше радиуса полуотверстий; на фиг. 8 вариант крепления диска к валу посредством шлицевого соединения; на фиг. 9 сечение В-В на фиг. 8.

Ротор 1 турбины состоит из рабочих колес первой 2 и второй 3 ступеней. Каждое из колес 2 и 3 включает в себя диски 4 и 5 и рабочие лопатки 6 и 7. Каждый из дисков 4 и 5 крепится к валу 8 посредством упругого фланцевого соединения. В частности, диск 2 имеет фланец 9, отнесенный от тела 10 диска при помощи упругой перемычки 11 с отверстиями 12. В вал 8 запрессованы с натягом призонные штифты 13. Фланец 9 диска 5 снабжен полуотверстиями-пазами 14, геометрическая ось 15 которых совпадает с осью 16 штифтов, а внутренний диаметр 17 фланца 9 может быть выполнен по оси 15, 16 полуотверстий и штифтов или с некоторым от оси 15 полуотверстий-пазов 14 размером h 18. Ротор турбины снабжен также кольцом 19, имеющим полуотверстия-пазы 20 и выступы 21, повторяющие по форме конфигурацию полуотверстий 14 диска 5. Поверхность 22 кольца 19 выполнена по диаметру равной или несколько меньшей внутреннего диаметра 17 фланца 9 диска 5. Для фиксации диска 5 и кольца 19 в осевом направлении предусмотрена гайка 23, установленная на валу 8.

Сборка и крепление диска 5 к валу 8 осуществляется следующим образом. Кольцо 19 выступами 21 пропускают со стороны фланца 9 через полуотверстия 14 в нем и разворачивают в угловом положении до совпадения полуотверстий 14 и 20 фланца 9 диска и кольца 19, после чего в таком положении диск 5 и кольцо 19 устанавливают на штифты 13 и затягивают на валу 8 гайкой 23. При этом диск 5 центрируется по штифтам 13, прижимается передней стороной фланца 9 к валу 8, а по задней стороне зажимается выступами 21 кольца 19.

Крутящий момент с диска 5 на вал 8 передается через полуотверстия 14 фланца 9 на штифты 13 вала 8 и благодаря трению через переднюю и заднюю стороны фланца 9 на вал 8 и на кольцо и далее через полуотверстия кольца на штифты.

При работе двигателя (вследствие перегрева) фланец приобретает в предлагаемой конструкции относительно штифтов 13 и вала 8 свободу перемещения, что значительно уменьшает изгибные напряжения в перемычке. Перемещение фланца относительно вала ведет к уменьшению зоны контакта полуотверстия со штифтом. Пропорционально уменьшению зоны контакта фланца диска по штифту (по сравнению с прототипом) увеличиваются окружное Θ радиальные Р и равнодействующие R составляющие соответственно 24-26 сил, возникающих от действия крутящего момента и передающихся на фланец 9. Действие радиальной составляющей 25 приводит к увеличению диаметра фланца 9 синхронно увеличению диаметра тела 10 диска, поскольку и крутящий момент, и напряжения в диске 5 пропорциональны квадрату оборотов вращения диска. Для точной настройки синхронного изменения диаметра фланца 9 относительно тела 10 диска 5 экспериментально и теоретически подбирают высоту полуотверстия, изменяя размер h и зоны контакта, тем самым влияя на радиальную составляющую. Чем меньше высота зоны контакта, тем больше окружная и радиальная составляющие, тем больше изменение диаметра фланца.

Вариантами предлагаемого решения являются соединения фланца диска с валом посредством шлицевого соединения, в котором шлицы 27 и 28 могут быть выполнены круговыми, эвольвентными, прямоугольными, треугольными и трапецеидальными или другой формы профиля. В этих вариантах для изменения диаметра фланца диска в соответствии с деформациями тела диска также как в рассмотренном выше варианте, теоретически и экспериментальным подбором уменьшают высоту зуба шлиц, определяющую высоту зоны контакта, и изменяют тем самым величину радиальной составляющей и величину деформации фланца от нее.

Использование: в турбостроении, в частности для крепления диска турбомашины. Сущность изобретения: крепление диска турбомашины к валу включают вал с запрессованными в него призонными штифтами, диск, фланец которого снабжен упругой перемычкой и установлен на штифтах, и гайку, закрепленную на валу и фиксирующую диск в осевом направлении. Крепление снабжено кольцом, установленным на валу, контактирующим торцевой поверхностью с фланцем вала и имеющим выступы, фиксирующие фланец диска, а в последнем и кольце выполнены выемки полукруглого сечения, образующие совместно пазы под призонные штифты. Кольцо установлено с радиальным зазором относительно обращенной к нему поверхности фланца диска. Фланец диска и вал выполнены со шлицами, образующими между собой шлицевое соединение с радиальным зазором между ними. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 9 ил.

1. КРЕПЛЕНИЕ ДИСКА ТУРБОМАШИНЫ К ВАЛУ, содержащее вал с запрессованными в его фланец призонными штифтами, диск, фланец которого снабжен упругой перемычкой и установлен на штифтах, и гайку, закрепленную на валу и фиксирующую диск в осевом направлении, отличающееся тем, что крепление снабжено кольцом, установленным на валу, контактирующим торцевой поверхностью с фланцем вала и имеющим выступы, фиксирующие фланец диска, а в последнем и кольце выполнены выемки полукруглого сечения, образующие совместно пазы под призонные штифты. 2. Крепление по п.1, отличающееся тем, что кольцо установлено с радиальным зазором относительно обращенной к нему поверхности фланца диска. 3. Крепление диска турбомашины к валу, содержащее вал с запрессованными в его фланец призонными штифтами, диск, фланец которого снабжен упругой перемычкой и установлен на штифте, и гайку, закрепленную на валу и фиксирующую диск в осевом направлении, отличающееся тем, что фланец диска и вал выполнены со шлицами образующими между собой шлицевое соединение с радиальным зазором между ними.