УСТРОЙСТВО ДЛЯ УДЕРЖИВАНИЯ ОБЛОМКОВ РОТОРА ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2001 года по МПК F01D25/24 

Описание патента на изобретение RU2171382C2

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано в осевых турбомашинах, преимущественно в турбостартерах для стационарных газотурбинных установок.

Известно устройство для сохранения и поглощения энергии обломков ротора, содержащее полый корпус, размещенный в опорах вращения ротор, включающий по крайней мере один диск с лопатками, причем на внутренней поверхности корпуса над рабочими лопатками выполнен ряд глубоких канавок, а корпус содержит торцевой фланец, скрепленный с возможностью проворачивания в результате воздействия разлетающихся осколков ротора [1].

Недостатками известной конструкции являются низкие демпфирующие свойства и недостаточная надежность бронированного корпуса вследствие возникновения кольцевых напряжений в основаниях глубоких канавок, а также непрогнозируемые характер и форма разрушения корпуса вследствие его консольного закрепления на торцевом фланце, воспринимающем тормозной момент заклиненных в корпусе обломков ротора.

Наиболее близкой к заявляемому устройству является конструкция отсека для удерживания обломков втулки центробежного компрессора газотурбинного двигателя, содержащая размещенный в опорах вращения ротор, причем корпус снабжен кольцевым ободом вблизи радиально внешнего торца над ротором и охвачен кожухом [2].

Недостатком известной конструкции является недостаточная эффективность указанной брони и конструкции в целом в части локализации разрушенных при раскрутке обломков ротора турбомашины и исключения возгорания при этом масла и пускового газа, преимущественно при ее использовании в стационарных газотурбинных установках для перекачки сжатого природного газа.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении надежности турбомашины за счет локализации разрушенных при раскрутке обломков ротора путем прогнозируемой поломки корпуса в наиболее слабом месте, при срабатывании которого не произойдет разгерметизации газовой полости и возгорания пускового газа.

Сущность технического решения заключается в том, что в устройстве для удерживания обломков ротора турбомашины, содержащем полый корпус, размещенный в опорах вращения ротор, включающий по крайней мере один диск с лопатками, причем корпус снабжен кольцевым ободом над лопатками ротора и охвачен кожухом, согласно изобретению, кольцевой обод снабжен двумя внутренними фланцами, выполненными с ободом в виде единой монолитной детали, и скреплен с корпусом по двум кольцевым пояскам, один из фланцев расположен перед входом лопаток ротора, а другой - за их выходом, причем радиальная толщина стенки корпуса над лопатками ротора не превышает радиальную толщину стенки обода, а радиальное удаление обода от корпуса выполнено в пределах 1,0...1,8 высоты лопаток ротора, при этом масса кольцевого обода с фланцами соответствует величине энергетического воздействия обломков ротора
M = K • Eк,
где M - масса кольцевого обода с фланцами;
Eк - величина энергетического воздействия, Дж;
K - коэффициент пропорциональности, равный 30•10-6 ... 50•10-6 кг/Дж;
а толщина стенки корпуса над лопатками турбомашины соответствует соотношению

где T - толщина стенки корпуса, мм;
Eк - величина энергетического воздействия, Дж;
G - прочность материала при статическом изгибе, МПа;
K1 - коэффициент пропорциональности, равный 0,8 - 1,3 (МПа•мм)/Дж;
f - расчетный запас прочности, равный 1,2.

Выполнение кольцевого обода с двумя внутренними фланцами в виде единой монолитной детали, скрепленной с корпусом по двум кольцевым пояскам (при помощи горячей посадки), с расположением одного из фланцев перед входом лопаток ротора, а другого - за их выходом, причем радиальной толщины стенки корпуса над лопатками, не превышающей радиальной толщины стенки обода корпуса, а радиального удаления обода от корпуса, находящегося в пределах 1,0...1,8 высоты лопаток ротора, позволяет спрогнозировать поломку корпуса в наиболее слабом месте за счет локализации разрушенных обломков ротора без разгерметизации газовой полости и возгорания пускового топливного газа.

Оценка непробиваемости обода при ударе в него оборвавшейся части диска позволяет сравнивать кинетическую энергию оборвавшейся части (Eк) и работу, необходимую для разрушения корпуса (A). Предполагается, что энергия оборвавшегося фрагмента диска совпадает с энергией фрагмента, имеющего конфигурацию сектора, содержащего 1/3 часть диска с присоединенной массой его лопаток, имеющих 1/3 высоты от корня. Расчетный запас прочности по непробиваемости определяется соотношением f = A/Eк.

Выполнение массы кольцевого обода с фланцами, охватывающими корпус ротора в соответствии с величиной энергетического воздействия обломков ротора
M = K • Eк,
а толщины стенки корпуса над лопатками ротора, определяемой соотношением

позволяет спрогнозировать поломку ротора и энергетическое воздействие обломков ротора на корпус и кольцевой обод над лопатками ротора без разгерметизации внешнего кожуха. Это обеспечивает заданный характер разрушения ротора по утонченной перемычке отдельных сегментов венца, обрыв диска от вала без разворота разбалансированного диска и изгиба вала, а также исключения резкого затормаживания фрагментов диска корпусом.

На чертеже изображен продольный разрез турбомашины.

В полом корпусе 1 турбостартера размещен в опорах вращения 2 и 3 ротор турбины 4, включающий диск 5 с лопатками 6. Корпус 1 снабжен кольцевым ободом 7 над лопатками 6 ротора турбины 4 и охвачен кожухом 8. Кольцевой обод 7 снабжен двумя внутренними фланцами 9 и 10, выполненными с ободом 7 в виде единой монолитной детали, и скреплен горячей посадкой с корпусом 1 по двум кольцевым пояскам Д1 и Д2. Внутренний фланец 9 расположен перед входом 11 лопаток 6 ротора турбины 4, а внутренний фланец 10 расположен за выходом 12 лопаток 6. Радиальная толщина Т стенки корпуса 1 над лопатками 6 ротора турбины 4 не превышает радиальную толщину Т0 стенки обода 7. Радиальное удаление ΔR обода 7 от корпуса 1 находится в пределах 1..0...1,8 высоты h лопаток 6 ротора турбины 4. Кроме того, устройство содержит вал 13 ротора турбины 4, направление 14 входа и выхода пускового топливного газа, ведущую шестерню 15 редуктора, ловитель 16 диска 5 турбины.

Работает устройство следующим образом. В случае обрыва диска 5 ротора 4 турбины по утонченной перемычке отдельных сегментов венца, обломки ротора 4 турбины пробивают стенку Т в корпусе 1, попадают в кольцевую камеру ΔR и удерживаются от выпадания внутренними фланцами 9 и 10 кольцевого обода 7. В случае резкого заклинивания фрагментов диска 5 корпусом 1 происходит прокручивание кольцевого обода 7 относительно корпуса 1 по кольцевым пояскам Д1 и Д2. В случае обрыва диска 5 от вала 13 ротора 4 турбины происходит его осевое удерживание ловителем 16, разрушение стенки Т в корпусе 1 без разворота разбалансированного диска 5, т.к. выполненный зацело с диском 5 венец лопаток 6 удерживается от разворота внутренними фланцами 9 и 10 кольцевого обода 7.

Таким образом, локализация разрушенных при раскрутке обломков ротора турбины (фактические обороты разрушения ротора ~ 72165 об/мин) приводит к пробоине в стенке Т корпуса 1, к деформации радиальной толщины Т0 стенки обода 7 и к прокручиванию обода 7 по кольцевым пояскам 9 и 10 без разрушения внешнего кожуха 8, при этом разгерметизации газовой полости и возгорания топливного газа 14 не происходит.

Источники информации
1. US патент N 3261228, НКИ 74-609, 1966 г.

2. WO патент N 9619640 A1, F 01 D 21/04, 1995 г. - прототип.

Похожие патенты RU2171382C2

название год авторы номер документа
УСТАНОВКА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ РАБОЧИХ КОЛЕС ТУРБОМАШИНЫ НА ПРОЧНОСТЬ 1992
  • Черняев И.А.
RU2051352C1
РОТОР МНОГОСТУПЕНЧАТОЙ ТУРБИНЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ 2002
  • Пыхтин Ю.А.
  • Фадеев С.И.
  • Язев В.М.
  • Сычев В.К.
  • Трушников А.П.
RU2211337C1
ТУРБИНА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ 1998
  • Иванов В.В.
  • Кузнецов В.А.
  • Толмачев В.А.
RU2151884C1
РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ТУРБОМАШИНЫ 1998
  • Фадеев С.И.
  • Черняев И.А.
RU2146767C1
РОТОР ОСЕВОЙ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ 2013
  • Абашкин Сергей Борисович
  • Колотова Елена Александровна
RU2529271C1
СОПЛОВОЙ АППАРАТ ТУРБОМАШИНЫ 1999
  • Кузнецов В.А.
  • Фадеев С.И.
RU2171380C2
МНОГОСТУПЕНЧАТАЯ ГАЗОВАЯ СИЛОВАЯ ТУРБИНА 2004
  • Белканов В.А.
  • Язев В.М.
  • Латышев В.Г.
  • Фадеев С.И.
  • Кузнецов В.А.
RU2263790C2
ВАЛ РОТОРА КОМПРЕССОРА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ 2014
  • Марчуков Евгений Ювенальевич
  • Симонов Сергей Анатольевич
  • Еричев Дмитрий Юрьевич
  • Узбеков Андрей Валерьевич
  • Чепкин Виктор Михайлович
RU2565113C1
ВАЛ РОТОРА КОМПРЕССОРА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ, УЗЕЛ СОЕДИНЕНИЯ ДИСКОВ ВАЛА РОТОРА КОМПРЕССОРА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ, ПРОСТАВКА УЗЛА СОЕДИНЕНИЯ ДИСКОВ ВАЛА РОТОРА КОМПРЕССОРА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ 2014
  • Марчуков Евгений Ювенальевич
  • Поляков Константин Сергеевич
  • Еричев Дмитрий Юрьевич
  • Селиванов Николай Павлович
RU2565141C1
ВАЛ РОТОРА КОМПРЕССОРА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ, УЗЕЛ СОЕДИНЕНИЯ ДИСКОВ ВАЛА РОТОРА КОМПРЕССОРА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ, ПРОСТАВКА УЗЛА СОЕДИНЕНИЯ ДИСКОВ ВАЛА РОТОРА КОМПРЕССОРА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ 2014
  • Поляков Константин Сергеевич
  • Еричев Дмитрий Юрьевич
  • Узбеков Андрей Валерьевич
  • Селиванов Николай Павлович
RU2565133C1

Реферат патента 2001 года УСТРОЙСТВО ДЛЯ УДЕРЖИВАНИЯ ОБЛОМКОВ РОТОРА ТУРБОМАШИНЫ

Устройство предназначено для удерживания обломков ротора турбомашины, преимущественно в турбостартерах для стационарных газотурбинных установок. Устройство содержит полый корпус, размещенный в опорах вращения ротора, включающий по крайней мере один диск с лопатками. Причем корпус снабжен кольцевым ободом над лопатками ротора и охвачен кожухом. Кольцевой обод снабжен двумя внутренними фланцами, выполненными с ободом в виде единой монолитной детали, и скреплен с корпусом по двум кольцевым пояскам. Один из фланцев расположен перед входом лопаток ротора, а другой - за их выходом, причем радиальная толщина стенки корпуса над лопатками ротора не превышает радиальную толщину стенки обода. Радиальное удаление обода от корпуса выполнено в пределах 1,0-1,8 высоты лопаток ротора. При этом масса кольцевого обода с фланцами соответствует величине энергетического воздействия обломков ротора, равной M = K • Eк, где М - масса кольцевого обода с фланцами; Eк - величина энергетического воздействия, Дж; К - коэффициент пропорциональности, равный 30•10-6 - 50•10-6 кг/Дж, а толщина стенки корпуса над лопатками турбомашины соответствует соотношению

где T - толщина стенки корпуса, мм; Eк - величина энергетического воздействия Дж; G - прочность материала при статическом изгибе, МПа; K1 - коэффициент пропорциональности, равный 0,8 - 1,3 (МПа•мм)/Дж; f - расчетный запас прочности, равный 1,2. Использование изобретения позволяет повысить надежность турбомашины за счет локализации разрушений при раскрутке обломков ротора путем прогнозируемой поломки корпуса в наиболее слабом месте. 1 ил.

Формула изобретения RU 2 171 382 C2

Устройство для удерживания обломков ротора турбомашины, содержащее полый корпус, размещенный в опорах вращения ротор, включающий по крайней мере один диск с лопатками, причем корпус снабжен кольцевым ободом над лопатками ротора и охвачен кожухом, отличающееся тем, что кольцевой обод снабжен двумя внутренними фланцами, выполненными с ободом в виде единой монолитной детали, и скреплен с корпусом по двум кольцевым пояскам, один из фланцев расположен перед входом лопаток ротора, а другой - за их выходом, причем радиальная толщина стенки корпуса над лопатками ротора не превышает радиальную толщину стенки обода, а радиальное удаление обода от корпуса выполнено в пределах 1,0 - 1,8 высоты лопаток ротора, при этом масса кольцевого обода с фланцами соответствует величине энергетического воздействия обломков ротора
М = К•Ек,
где М - масса кольцевого обода с фланцами;
Ек - величина энергетического воздействия, Дж;
К - коэффициент пропорциональности, равный 30•10-6 - 50•10-6 кг/Дж,
а толщина стенки корпуса над лопатками турбомашины соответствует соотношению

где Т - толщина стенки корпуса, мм;
Ек - величина энергетического воздействия, Дж;
G - прочность материала при статическом изгибе, МПа;
К1 - коэффициент пропорциональности, равный 0,8 - 1,3 (МПа•мм)/Дж;
f - расчетный запас прочности, равный 1,2.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2001 года RU2171382C2

Приспособление в пере для письма с целью увеличения на нем запаса чернил и уменьшения скорости их высыхания 1917
  • Латышев И.И.
SU96A1
US 3261228 А, 19.07.1966
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ В ДВС С ВЫДЕЛЕНИЕМ ХОЛОДА 1994
  • Понуровский Алексей Алексеевич
RU2122125C1
Устройство для удержания оборвавшейся лопатки турбины газотурбинного двигателя 1989
  • Коротов Михаил Васильевич
SU1703844A1
Устройство для удержания оборвавшихся лопаток турбомашины 1988
  • Коротов Михаил Васильевич
SU1553737A1
SU 1009142 А1, 20.10.1996.

RU 2 171 382 C2

Авторы

Веселов В.Н.

Сулимов Д.Д.

Кириевский Ю.Е.

Даты

2001-07-27Публикация

1999-07-21Подача