РОТОР МНОГОСТУПЕНЧАТОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 1999 года по МПК F01D5/06 

Изобретение относится к области энергетического и транспортного машиностроения и может быть использовано в конструкциях авиационных и газотурбинных двигателей.

Известен ротор трехступенчатой турбины, в котором диски с валом соединены при помощи осенаправленных фланцев и длинных шпилек, проходящих через отверстия во фланцах и полотне диска [1].

Однако наличие отверстий-концентраторов напряжений ослабляет конструкцию и снижает надежность работы ротора турбины.

Наиболее близким к заявляемой является конструкция ротора газотурбинного двигателя, в котором диски соединены с валом при помощи радиальных буртиков, вынесенных от ступиц дисков на осенаправленных цилиндрических оболочках навстречу друг другу и соединенных с радиальным буртом вала с помощью осенаправленных штифтов [2].

Однако данная конструкция не обеспечивает высокую надежность, особенно для диска 2-й ступени. Ступица диска турбомашины при рабочих режимах под действием центробежных сил от периферийной части деформируется в радиальном направлении. Радиальная деформация ступицы диска 2-й ступени турбины двигателя ПС-90А составляет 0,18 мм, а радиальная деформация фланца крепления диска к валу от действия центробежных сил ниже и составляет 0,12 мм. Если разность деформаций ступицы и фланца диска велика, то в местах присоединения цилиндрической оболочки к ступице и фланцу возникают высокие изгибные напряжения, которые суммируются с напряжениями от действия осевой силы и приводят к появлению трещин на диске.

Техническая задача, которую решает изобретение, заключается в повышении надежности конструкции ротора турбины за счет снижения напряжений, возникающих в местах соединения цилиндрических оболочек с диском и фланцем крепления.

Данная техническая задача решается за счет того, что в роторе многоступенчатой турбины, содержащем вал и диски с рабочими лопатками, в котором диск первой ступени закреплен непосредственно на валу, диски снабжены вынесенными фланцами крепления, согласно изобретению, диски второй и последующих ступеней соединены с валом через дополнительные втулки, а фланцы крепления выполнены со стороны выходных кромок рабочих лопаток.

Выполнение цилиндрических оболочек с фланцами крепления для всех дисков со стороны выходных кромок рабочих лопаток создает условия, при которых под действием осевой силы от колес ротора в цилиндрических оболочках возникают напряжения сжатия. В конструкции прототипа осевая сила, действующая на диск, стремится оторвать диск от фланца, в то время как в предлагаемом решении осевая сила напротив стремится прижать диск к фланцу, напряжения от взаимного радиального перемещения ступицы и фланца крепления диска, а также напряжения от действующей на диск осевой силы взаимно вычитаются. Это приводит к снижению концентраций напряжений в месте соединения цилиндрической оболочки со ступицей диска и фланцем крепления и, в конечном счете, предотвращает возникновение дефектов.

Такое выполнение цилиндрических оболочек будет технически осуществимым, если все диски, кроме диска I ступени, соединены с валом посредством дополнительных промежуточных втулок.

Сущность предлагаемого решения поясняется следующими фигурами.

На фиг. 1 показан ротор двухступенчатой турбины, на фиг. 2 - ротор трехступенчатой турбины.

Диск I ступени с осенаправленной цилиндрической оболочкой 2 и фланцем 3 с помощью болтов 4 и гаек 5 соединен с валом 6.

Диск II ступени 7 с осенаправленной цилиндрической оболочкой 8 и фланцем 9 с помощью болтов 10 и гаек 11 соединен с дополнительной промежуточной втулкой 12. Втулка 12 снабжена шлицами 13, которые при сборке входят в зацепление с ответными шлицами 14, расположенными на валу 6. Гайка 15 стягивает пакет диска II ступени с валом 6 в осевом направлении. Гайка 15 контрится шлицевым замком 16.

Диск III ступени 17 с осенаправленной цилиндрической оболочкой 18 и фланцем 19 с помощью болтов 20 и гаек 21 соединен с промежуточной втулкой 22, которая шлицами 23 входит в зацепление со шлицами 24 вала 6. Пакет дисков II и III ступеней с валом 6 стягивается гайкой 25 и контрится шлицевой контровкой 26.

Сборка ротора двухступенчатой турбины производится в следующей последовательности.

Диск I ступени 1 при помощи болтов 4 и гаек 5 через присоединительный фланец 3 скрепляют с валом 6. Диск II ступени 7 при помощи болтов 10 и гаек 11 через присоединительный фланец 9 скрепляют с промежуточной втулкой 12. После этого собранную сборочную единицу устанавливают на вал 6 ротора таким образом, чтобы шлицы 13 промежуточной втулки 12 вошли в зацепление со шлицами 14 вала 6. Гайкой 15 производят стяжку промежуточной втулки 12, последовательно собранной с диском II ступени 7, с валом 6 ротора.

Сборка ротора трехступенчатой турбины осуществляется аналогично.

Диск III ступени 17 предварительно собирают при помощи болтов 20 и гаек 21 через присоединительный фланец 19 с промежуточной втулкой 22. Сборочную единицу устанавливают на вал 6 ротора таким образом, чтобы щлицы 23 промежуточной втулкой 22 вошли в зацепление со шлицами 24 вала 6 ротора.

Диск II ступени 7, предварительно собранные с промежуточной втулкой 12, и диски II ступени 17, предварительно собранные с промежуточной втулкой 22 стягиваются гайкой 25 с валом 6 ротора и контрятся шлицевой контровкой 26.

При работе двигателя осевая нагрузка с рабочих колес ротора через диски 1, 7, 17 передается на цилиндрические оболочки 2, 8, 18 и сжимает их. При этом напряжения от взаимного радиального перемещения ступиц дисков 1, 7, 17 и фланцев крепления 3, 9, 19 частично компенсируются напряжениями сжатия, возникающими в цилиндрических оболочках 2, 8, 18.

Источники информации:
1. Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей, Машиностроение, 1969, стр. 122.

2. Вьюнов С.А. и др. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1988, стр. 189, рис. 4, 43б.

Ротор турбины может быть использован в конструкциях авиационных и газотурбинных двигателей. Диск ступени 1 закреплен непосредственно на валу 6. Диски 1,7 снабжены вынесенными фланцами крепления 3,9 расположенными на осенаправленных цилиндрических оболочках 2,8. Диск 7 соединен с валом 6 через дополнительную втулку 12. Фланцы крепления 3,9 выполнены со стороны выходных кромок рабочих лопаток. Повышает надежность конструкции ротора турбины за счет снижения напряжений, возникающих в местах соединения цилиндрических оболочек с дисками и фланцами крепления. 2 ил.

Ротор многоступенчатой турбины, содержащий вал и диски с рабочими лопатками, в котором диск первой ступени закреплен непосредственно на валу, диски снабжены вынесенными фланцами крепления, отличающийся тем, что диски второй и последующих ступеней соединены с валом через дополнительные втулки, а фланцы крепления дисков выполнены со стороны выходных кромок рабочих лопаток.