РОТОР КОМПРЕССОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2002 года по МПК F04D29/08 

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения и может быть использовано в конструкциях газотурбинных двигателей авиационного и наземного использования.

Известен ротор компрессора газотурбинного двигателя, состоящий из последовательно расположенных дисков и рабочих колец, а также вала и гаек, стягивающих между собой диски по их ступицам [1].

Недостатком такой конструкции является ее низкая надежность.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является ротор компрессора с устройством для крепления лабиринта турбомашины, включающий в себя диск последней ступени компрессора, закомпрессорный лабиринт, соединенный при помощи шлиц с валом, а диском последней ступени - торцовыми выступами, установленными в ответные выемки диска [2].

Компрессоры современных газотурбинных двигателей выполняют с высокой степенью сжатия и, как следствие, с большим количеством ступеней. Например, наземная газотурбинная установка мощностью 16 МВт на базе компрессора ПС-90А снабжена 14-ступенчатым компрессором. Многоступенчатый ротор дискового типа известной конструкции испытывает значительные температурные деформации в осевом направлении, измеряемые миллиметрами, из-за разного темпа нагрева и остывания тонкостенных рабочих колец между дисками и более массивных ступиц дисков.

Рабочая лопатка I-й ступени в роторе является наиболее крупной и массивной, и поэтому диск I-й ступени выполнен с утолщенным полотном и, следовательно, с повышенной жесткостью в осевом направлении.

Диск I-й ступени обладает высокой жесткостью и малой податливостью, в связи с чем осевые перемещения периферийной части ротора вызывают осевую деформацию последних дисков ротора, которую выполняют с высоким и относительно тонким полотном, т.к. нагружены легкими лопатами небольших размеров.

Закомпрессорный лабиринт соединен с диском последней ступени с помощью выступов, размещенных в ответных канавках диска (байонетное соединение). Данное устройство для крепления лабиринта испытывает большие нагрузки при осевых перемещениях обода и полотна диска последней ступени, что может вызвать его поломку.

Таким образом, недостатком известной конструкции является ее низкая надежность из-за опасности поломки устройства для крепления лабиринта в результате осевых перемещений обода и полотна диска последней ступени компрессора при работе двигателя.

Техническая задача, которую решает изобретение, заключается в повышении надежности конструкции путем усиления дисков первой и последней ступеней и снижения напряжений в полотне закомпрессорного лабиринта при осевых деформациях.

Сущность изобретения заключается в том, что в роторе компрессора газотурбинного двигателя, включающем вал, рабочие диски и закомпрессорный лабиринт, закрепленный на диске последней ступени байонетным соединением, согласно изобретению полотна дисков первой и последней ступеней выполнены утолщенными в осевом направлении, при этом отношение высоты (h) к толщине (b) полотна закомпрессорного лабиринта находится в интервале 10...50.

Заявляемое соотношение h/b позволяет повысить податливость полотна и тем самым минимизировать нагрузку на байонетное соединение и уменьшить напряжение в полотне при осевых деформациях обода и полотна диска последней ступени компрессора.

Выполнение полотна дисков первой и последней ступеней утолщенными в осевом направлении обеспечивает осевую стяжку ротора.

В заявляемой конструкции диск последней ступени и закомпрессорный лабиринт образуют между собой так называемую "коробочку", слабым элементом в которой является закомпрессорный лабиринт, который должен быть достаточно податливым в осевом направлении.

Соотношение h/b=10...50 выбрано из следующих соображений. Расчеты показывают, что при h/b<10 жесткость полотна диска будет чрезмерно большой, что приведет к поломке байонетного соединения лабиринта с диском, а также к поломке полотна лабиринта.

Соотношение h/b>50 также может привести к поломке полотна лабиринта в связи с уменьшением запасов его прочности.

На фиг.1 представлен продольный разрез ротора компрессора газотурбинного двигателя заявляемой конструкции. На фиг.2 показан элемент I на фиг.1 в увеличенном виде.

Ротор компрессора 1 газотурбинного двигателя состоит из вала 2, на котором с помощью шлиц 3 установлены рабочие диски 4, которые по ступицам 5 стянуты между собой передней 6 и задней 7 гайками. Между ободами 8 дисков 4 установлены рабочие кольца 9, а на дисках 4 - рабочие лопатки 10. Первая рабочая лопатка 11 является самой длинной и массивной в роторе 1, и поэтому диск первой ступени 12 для обеспечения необходимых запасов прочности выполнен массивным с уменьшенным наружным диаметром и с утолщенным в осевом направлении полотном 13, что обеспечит диску 12 высокую жесткость в осевом направлении.

Лопатка 14 последней ступени компрессора имеет малую высоту, более легкая, чем лопатка 11 первой ступени, поэтому диск последней ступени 15 выполнен с более тонким в осевом направлении, чем у диска первой ступени 12, полотном 16, и с большим наружным диаметром.

Полотно 16 диска последней ступени 15 также выполняют утолщенными в осевом направлении по сравнению с полотном 17 диска предпоследней ступени 18 или любого другого, кроме первого диска. Это обеспечивает осевую стяжку ротора 1, которая выполнена с помощью гаек 6 и 7 благодаря гибкости полотна 16 диска 15.

На диск 15 последней ступени с помощью байонетного соединения 19 закреплен закомпрессорный лабиринт 20 с лабиринтными гребешками 21 на ободе 22, установленный с помощью шлиц 23, выполненных на ступице 24 на валу 2.

Полотно 25 закомпрессорного лабиринта 20 выполнено с толщиной b и высотой h и имеет максимальную податливость в осевом направлении.

Соотношение h/b, равное 10...50, позволяет сохранить необходимые запасы прочности в полотне 25 от воздействия центробежных сил и обеспечить минимальные осевые усилия на байонетное соединение 19 при осевом перемещении обода 8 и полотна 16 диска последней ступени 19.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

На переходных режимах работы двигателя ободная часть 8 рабочих дисков 4 и рабочие кольца 9 прогреваются и остывают быстрее массивных ступиц 5, которые не контактируют с протекающим в проточной части ротора воздухом. Так как диск первой ступени 12 обладает повышенной жесткостью в осевом направлении, то возникающая температурная деформация приходится на диск последней ступени 15, обод 8 которого в многоступенчатом компрессоре перемещается вместе с полотном 16 на значительную величину 3...4 мм.

Одновременно с полотном 16 в осевом направлении также перемещается и обод 22 закомпрессорного лабиринта 20, усилия для упругой деформации полотна 25 которого передаются с помощью байонетного соединения 19. Полотно 25, обладающее максимальной податливостью в осевом направлении, при осевом перемещении обода 8 и полотна 16 диска 19 обеспечивает минимальные осевые нагрузки байонетного соединения 19.

Источники информации
1. С.А.Вьюнов и др. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1989, стр. 89, рис. 3.27а.

2. Патент РФ 651608, F 01 D 11/02, F 04 D 29/08, 1993 г.

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения и может быть использовано в конструкциях газотурбинных двигателей авиационного и наземного использования, для повышения надежности конструкции путем усиления дисков первой и последней ступеней и снижения напряжений в полотне закомпрессорного лабиринта при осевых деформациях. Сущность изобретения заключается в том, что в роторе компрессора газотурбинного двигателя, включающем вал, рабочие диски и закомпрессорный лабиринт, закрепленный на диске последней ступени байонетным соединением, согласно изобретению полотна дисков первой и последней ступеней выполнены утолщенными в осевом направлении, при этом отношение высоты к толщине полотна закомпрессорного лабиринта находится в интервале 10-50. 2 ил.

Ротор компрессора газотурбинного двигателя, включающий вал, рабочие диски и закомпрессорный лабиринт, закрепленный на диске последней ступени байонетным соединением, отличающийся тем, что полотна дисков первой и последующей ступеней выполнены утолщенными в осевом направлении, при этом отношение высоты к толщине полотна закомпрессорного лабиринта находится в интервале 10-50.