УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ ФЛАНЕЦ ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА И УЗЛА ДИСКА РОТОРА СТУПЕНИ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ В ГАЗОВОЙ ТУРБИНЕ Российский патент 2007 года по МПК F04D29/60 

Настоящее изобретение относится к усовершенствованному фланцу для соединения осевого компрессора и узла диска ротора ступени высокого давления в газовой турбине.

Как известно, газовыми турбинами являются устройства, которые состоят из осевого компрессора и турбины с одной или более ступеней, причем эти компоненты соединены друг с другом вращающимся валом, и между компрессором и турбиной расположена камера сгорания.

Газ, выпускаемый из камеры сгорания и имеющий высокую температуру и высокое давление, по соответствующим трубам поступает в разные ступени турбины, которые преобразуют теплосодержание газа в механическую энергию, поставляемую пользователю.

В турбинах с двумя ступенями газ, работающий в первой ступени турбины в условиях очень высокой температуры и высокого давления, подвергается здесь первому расширению.

Затем во второй ступени турбины он подвергается второму расширению в условиях температуры и давления, которые ниже используемых в предыдущей ступени.

Также известно, что для достижения максимальной производительности конкретной газовой турбины необходимо, чтобы температура газа была как можно более высокой.

Однако максимальные значения температуры, которые могут быть получены при использовании турбины, ограничены прочностью материалов, которые используются в настоящее время.

Также известно, что в газовых турбинах применяют фланец для соединения осевого компрессора и узла диска ротора ступени высокого давления турбины.

В частности, в настоящее время этот соединительный фланец обычно изготавливается из легированной стали для высоких температур, даже когда осуществляется соединение с узлами диска ротора ступени высокого давления, которые изготовлены из сплавов, основанных на никеле.

Причина этого заключается в том факте, что фланец преимущественно выполняется как единое целое с валом осевого компрессора турбины.

Проблема, которая особенно значительна в настоящее время в данной области техники, таким образом, состоит в обеспечении оптимального соединения вала осевого компрессора и узла диска ротора ступени высокого давления в любых условиях работы устройства.

Фактически следует отметить, что способ соединения вала осевого компрессора и узла диска ротора ступени высокого давления турбины представляет критический аспект конструкции любой турбины, принимая во внимание тот факт, что соединительный фланец должен удовлетворительно и надежно выдерживать напряжения, которым он подвергается, без возникновения поломок и других подобных проблем.

Фактически известно, что этот соединительный фланец является механическим соединительным элементом, который должен, во-первых, иметь достаточную упругость, обеспечивающую поддержание правильного взаимодействия с узлом диска ротора ступени высокого давления, с которой он соединен, в ходе нормальных циклов работы устройства; в то же время фланец дополнительно должен быть механически прочным для обеспечения устойчивой работы устройства в течение срока службы, указанного в техническом описании.

Кроме того, в настоящее время существует тенденция создания газовых турбин со все повышающимися уровнями производительности.

Это предусматривает необходимость повышения скорости вращения и давления, а также температуры сгорания.

Следовательно, также происходит повышение температуры газов, которые расширяются в ступенях турбины.

Таким образом, это повышает напряжения во фланце для соединения осевого компрессора и узла диска ротора ступени высокого давления в газовой турбине таким образом, что фланец становится особенно критическим компонентом с нарастанием трудности обеспечения надлежащего срока службы, который адекватен и соответствует требованиям, в частности, относительно явления ползучести или вязкой ползучести.

В настоящее время эти соединительные фланцы изготовляют в конфигурации усеченного конуса очень небольшой толщины, чтобы всегда обеспечивать хорошее совмещение с узлами диска ротора, которые с ними соединяются.

Однако когда скорости вращения и температуры становятся высокими, существующие соединительные фланцы подвергаются воздействию особенно тяжелых условий работы, особенно в некоторых областях концентрации напряжения, которые, более конкретно, являются теми, которые расположены вблизи центральной оси, и теми, которые расположены в области соединения конической части и наружного кольца соединительного фланца.

Задачей настоящего изобретения, таким образом, является устранение указанных выше недостатков и, в частности, создание усовершенствованного фланца для соединения осевого компрессора и узла диска ротора ступени высокого давления в газовой турбине, который дает возможность уменьшить концентрации напряжения; это, таким образом, делает возможным увеличение скорости вращения и степеней сжатия в турбинах для увеличения температуры текучей среды или для определения надлежащей комбинации этих двух аспектов.

Другой задачей настоящего изобретения является получение усовершенствованного фланца для соединения осевого компрессора и узла диска ротора ступени высокого давления в газовой турбине, который обеспечивает легкую установку и отсоединение фланца при необходимости.

Другой задачей настоящего изобретения является получение усовершенствованного фланца для соединения осевого компрессора и узла диска ротора ступени высокого давления в газовой турбине, который также в высокой степени надежен.

Другой задачей настоящего изобретения является достижение срока службы, который значительно продолжительнее того, который может достигаться в настоящее время с используемыми соединительными фланцами.

Другой задачей настоящего изобретения является получение усовершенствованного фланца для соединения осевого компрессора и узла диска ротора ступени высокого давления в газовой турбине, который в высокой степени прост и функционален, отличается относительно низкой стоимостью и может изготовляться с использованием обычных операций обработки.

Эти и другие задачи, соответствующие настоящему изобретению, решены посредством создания усовершенствованного фланца для соединения осевого компрессора и узла диска ротора ступени высокого давления в газовой турбине, в котором фланец имеет корпус в форме усеченного конуса, причем корпус сначала соединяют с валом, который вращается вокруг оси (X) осевого компрессора, при помощи ступицы, которая имеет цилиндрическую форму, и затем соединяют большим основанием усеченного конуса корпуса с узлом диска ротора при помощи выступа ступицы в форме круглого кольца, при этом кольцевая выемка, которая выполнена в поверхности указанного выступа, обращенная к узлу диска ротора, соединяется посредством взаимодействия с выступом, который соответствует выемке и выполнен на узле диска ротора, при этом корпус в форме усеченного конуса имеет внешнюю образующую, которая наклонена относительно направления, ориентированного под прямыми углами к оси (X) турбины, на угол α₁, составляющий от 25° до 35°, включая экстремальные значения, и внутреннюю образующую, которая наклонена относительно направления, ориентированного под прямыми углами к оси (X) турбины, на угол α₂, который составляет от 12° до 18°, включая экстремальные значения.

Выступ предпочтительно проходит радиально в направлении наружу, под прямыми углами к оси (X) турбины, и заканчивается диаметром D₅, и имеет кольцевую выемку в его поверхности, проходящей под прямыми углами к оси (X) на уровне диаметра D₄, причем соотношение между D₄ и D₅ составляет от 0,7 до 0,85, включая экстремальные значения. Причем выступ соединен с двумя - внутренней и внешней - образующими корпуса в форме усеченного конуса, соответственно, соответствующими дугам окружности с радиусом R₂ и R₁, причем соединение с внешней образующей сформировано в области вблизи диаметра D₁ относительно оси (X) турбины, соотношение между R₂ и R₁ составляет от 0,8 до 1, включая экстремальные значения, и соотношение между D₄ и D₁ составляет от 0,95 до 1,05, включая экстремальные значения.

Ступица соединена с внешней образующей корпуса в форме усеченного конуса, соответствующей дуге окружности с радиусом R₃, причем соединение с внешней образующей сформировано в области вблизи диаметра D₁ относительно оси (X) турбины, соотношение между R₂ и R₃ составляет от 3,5 до 4,5, включая экстремальные значения, и соотношение между D₄ и D₃ составляет от 1,55 до 1,7, включая экстремальные значения.

В начале выступа корпус предпочтительно имеет толщину S₁, измеренную под прямыми углами к направлению, образуемому внешней образующей усеченного конуса самого корпуса, и в конце выступа фланец имеет толщину S₂, измеренную в направлении оси (X) турбины, соотношение между S₁ и D₄ составляет от 0,13 до 0,18, включая экстремальные значения, и соотношение между S₂ и D₄ составляет от 1,3 до 1,7, включая экстремальные значения.

Внутренняя образующая усеченного конуса корпуса соединяется со ступицей в направлении (Y), которое относительно оси (X) турбины формирует угол α₃, составляющий от 26° до 34°, включая экстремальные значения.

Предпочтительно ступица имеет цилиндрическую конфигурацию с внутренним диаметром D₂, причем соотношение D₄ и D₂ составляет от 5,2 до 6,5, включая экстремальные значения.

Выступ имеет серию круглых сквозных отверстий, которые проходят в направлениях, параллельных оси (X) турбины, между поверхностью и поверхностью выступа, которая обращена к осевому компрессору, и предназначены для размещения элементов для дополнительного крепления между фланцем и узлом диска ротора.

Элементы для дополнительного крепления между фланцем и узлом диска ротора содержат стяжные стержни.

Согласно изобретению, также стало возможно определить, что уменьшение максимальных значений напряжения в областях концентрации сил дает существенное увеличение срока службы фланца.

Кроме того, соединительный фланец, соответствующий изобретению, все же может быть изготовлен из легированной стали, как фланцы, соответствующие известному уровню техники, и, таким образом, он может также изготовляться как единое целое с валом компрессора газовой турбины.

Характеристики и преимущества усовершенствованного фланца для соединения, согласно настоящему изобретению, осевого компрессора и узла диска ротора ступени высокого давления в газовой турбине будут более понятны при ознакомлении с нижеследующим описанием, данным как не вносящий ограничений пример, со ссылками на набор прилагаемых схематических чертежей, на которых:

фиг.1 изображает вид сечения газовой турбины, где можно видеть фланец, соответствующий известному уровню техники, для соединения осевого компрессора и узла диска ротора ступени высокого давления газовой турбины;

фиг.2 изображает увеличенный вид части сечения, показанного на фиг.1, который показывает соединительный фланец, соответствующий известному уровню техники; и

фиг.3 изображает вид сечения, показывающий соединительный фланец, выполненный согласно описанию настоящего изобретения.

На фиг.1 показана газовая турбина, обозначенная в целом номером 10, в которой вращающийся вал 12 осевого компрессора, вращающийся вокруг оси Х турбины, соединен с узлом 14 диска ротора ступени высокого давления при помощи соединительного фланца 20, выполненного согласно известному уровню техники.

На фиг.2 показан фланец 20, имеющий корпус 22 в форме усеченного конуса.

Усеченный конус корпуса 22 соединен с валом 12 осевого компрессора его меньшим основанием при помощи цилиндрической ступицы 24.

Соединение создано при помощи крепежных элементов или непосредственно выполнением фланца 20 как единое целое с валом 12 осевого компрессора.

Усеченный конус корпуса 22 соединен с узлом 14 диска ротора ступени высокого давления его большим основанием при помощи выступа 26 корпуса 22 в форме круглого кольца, которое выступает радиально в наружном направлении под прямыми углами к оси X.

Соединение обеспечивается при помощи кольцевой выемки 28, выполненной в поверхности 29 выступа 26, которая обращена к узлу 14 диска ротора. Эта выемка 28 соединяется для взаимодействия с соответствующим ей выступом на диске 14 ротора.

Соединение завершается при помощи стяжных стержней с использованием отверстий 30, выполненных в направлениях, параллельных оси Х турбины, по окружности выступа 26 между поверхностью 29 и поверхностью 31 выступа 26, которая обращена к осевому компрессору.

На фиг.3 показан соединительный фланец 20, выполненный согласно изобретению. Детали теперь даны в геометрических величинах, которые характеризуют профиль фланца 20.

Ступица 24 имеет цилиндрическую конфигурацию с внутренним диаметром D₂.

Корпус 22 в форме усеченного конуса имеет внешнюю образующую, наклоненную относительно направления, ориентированного под прямыми углами к оси X, под углом α₁, тогда как внутренняя образующая имеет другой наклон относительно направления, ориентированного под прямыми углами к оси X, а именно под углом α₂.

Выступ 26 заканчивается диаметром D₅ и имеет кольцевую выемку 28 на поверхности 29, проходящую под прямыми углами к оси Х на уровне диаметра D₄.

Внешняя образующая соединяется со ступицей 24 дугой окружности, имеющей радиус R₃ в районе вблизи диаметра D₃.

С другой стороны, эта внешняя образующая соединяется с поверхностью 31 выступа 26, проходящей под прямыми углами к оси X, дугой окружности с радиусом R₁ в области вблизи диаметра D₁.

Внутренняя образующая соединяется со ступицей 24 наклонной поверхностью, которая наклонена под углом α₃ относительно оси Х в направлении Y.

С другой стороны, эта внутренняя образующая соединяется с поверхностью 29 выступа 26, проходящей под прямыми углами к оси X, дугой окружности, имеющей радиус R₂.

В начале выступа 26 корпус 22 также имеет толщину S₁, измеренную под прямыми углами к направлению, образуемому внешней образующей усеченного конуса самого корпуса 22.

Наконец, на этом конце выступ 26 имеет толщину S₂, измеренную в направлении оси X.

Анализ напряжений, относящихся к соединительному фланцу 20, соответствующему настоящему изобретению, позволил обозначить надлежащую геометрию, которая обеспечила уменьшение концентраций напряжения в наиболее критических областях корпуса 22 фланца 20, которые расположены вблизи ступицы 24, и тех, которые расположены в районе соединения между корпусом 22 и выступом 26.

Согласно изобретению, наиболее пригодная геометрия соединительного фланца 20 образована серией специфических соотношений между некоторыми из указанных характеристик геометрических величин.

Эти соотношения радиусов R₁, R₂ и R₃, диаметров D₁, D₂, D₃, D₄ и D₅, толщин S₁ и S₂ и углов α₁, α₂ и α₃ должны рассматриваться как базовые.

Фактически эти соотношения определяют усовершенствованную геометрическую форму соединительного фланца 20, соответствующего настоящему изобретению, от ступицы 24 до выступа 26.

Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением было определено, что соединительный фланец оптимизирован, если существуют следующие соотношения:

соотношение между R₂ и R₁ составляет от 0,8 до 1, включая экстремальные значения;

соотношение между R₂ и R₃ составляет от 3,5 до 4,5, включая экстремальные значения;

соотношение между D₄ и D₅ составляет от 0,7 до 0,85, включая экстремальные значения;

соотношение между D₄ и D₃ составляет от 1,55 до 1,7, включая экстремальные значения;

соотношение между D₄ и D₂ составляет от 5,2 до 6,5, включая экстремальные значения;

соотношение между D₄ и D₁ составляет от 0,95 до 1,05, включая экстремальные значения;

соотношение между S₁ и D₄ составляет от 0,13 до 0,18, включая экстремальные значения;

соотношение между S₂ и D₄ составляет от 1,3 до 1,7, включая экстремальные значения.

Как можно видеть, последние шесть соотношений даны как соотношения с диаметром D₄.

Одновременно должны существовать следующие значения для углов:

для угла α₁ от 25° до 35°, включая экстремальные значения;

для угла α₂ от 12° до 18°, включая экстремальные значения;

для угла α₃ от 26° до 34°, включая экстремальные значения.

Подводя итог, отметим, что характеристиками, на которых основана конструкция усовершенствованного соединительного фланца, являются углы двух образующих корпуса в форме усеченного конуса и комбинация радиусов дуг окружности соединения.

Приведенное описание поясняет характеристики усовершенствованного фланца, который является объектом настоящего изобретения, для соединения осевого компрессора и узла диска ротора в газовой турбине, а также соответствующие преимущества, которые, как будет отмечено, включают:

- существенное увеличение срока службы соединительного фланца, поскольку максимальные значения напряжений в районах концентрации сил уменьшены;

- увеличение скорости вращения и степеней сжатия турбин, или увеличение температуры текучей среды, или определение пригодной комбинации этих двух аспектов;

- легкие операции сборки и разборки при техническом обслуживании;

- высокий уровень надежности; и

- низкая стоимость по сравнению с известным уровнем техники, поскольку для получения соединительного фланца, соответствующего изобретению, не требуется обработки, отличной от той, которая требуется в настоящее время; в частности, фланец все же может изготовляться из легированной стали, и, как это уже осуществляется в случае с фланцами известного уровня техники, он также может быть выполнен как единое целое с валом осевого компрессора газовой турбины.

Наконец, очевидно, что в таким образом сконструированный усовершенствованный фланец для соединения осевого компрессора и узла диска ротора ступени высокого давления в газовой турбине могут быть внесены многие модификации и изменения, которые входят в объем изобретения.

Кроме того, все детали соединительного фланца, соответствующего настоящему изобретению, могут быть заменены элементами, которые технически эквивалентны.

На практике могут использоваться любые материалы, формы и размеры, соответствующие техническим требованиям.

Таким образом, объем защиты изобретения ограничен прилагаемой формулой изобретения.

Изобретение относится к фланцу для соединения осевого компрессора с узлом диска ротора в газовой турбине, причем фланец имеет корпус в форме усеченного конуса, который соединяется с валом осевого компрессора при помощи ступицы, которая имеет цилиндрическую конфигурацию и которая большим основанием усеченного конуса корпуса соединена с узлом при помощи выступа ступицы в форме круглого кольца, при этом в поверхности выступа выполнена кольцевая выемка, которая обращена к узлу диска ротора, соединенная посредством взаимодействия с соответствующим ей выступом, выполненным на узле диска ротора; корпус имеет внешнюю образующую, которая наклонена относительно направления, ориентированного под прямыми углами к оси (X), под углом α₁, составляющим от 25° до 35°, и внутреннюю образующую, которая наклонена под углом α₂, составляющим от 12° до 18°, что позволяет уменьшить концентрации напряжения, тем самым увеличить скорость вращения и степень сжатия в турбинах для увеличения температуры текучей среды или для определения надлежащей комбинации этих двух аспектов. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Усовершенствованный фланец (20) для соединения осевого компрессора и узла (14) диска ротора ступени высокого давления в газовой турбине (10) типа, в котором фланец (20) имеет корпус (22) в форме усеченного конуса, причем корпус (22) сначала соединяют с валом (12), который вращается вокруг оси (X) осевого компрессора, при помощи ступицы (24), которая имеет цилиндрическую форму, и затем соединяют большим основанием усеченного конуса корпуса (22) с узлом (14) диска ротора при помощи выступа (26) ступицы в форме круглого кольца, при этом кольцевая выемка (28), которая выполнена в поверхности (29) выступа (26), обращенная к узлу (14) диска ротора, соединяется посредством взаимодействия с выступом, который соответствует выемке и выполнен на узле (14) диска ротора, отличающийся тем, что корпус (22) в форме усеченного конуса имеет внешнюю образующую, которая наклонена относительно направления, ориентированного под прямыми углами к оси (X) турбины, на угол α₁, составляющий от 25 до 35°, включая экстремальные значения, и тем, что внутренняя образующая наклонена относительно направления, ориентированного под прямыми углами к оси (X) турбины, на угол α₂, который составляет от 12 до 18°, включая экстремальные значения.2. Фланец (20) по п.1, отличающийся тем, что выступ (26) проходит радиально в направлении наружу под прямыми углами к оси (X) турбины и заканчивается диаметром D₅, и имеет кольцевую выемку (28) в его поверхности (29), проходящей под прямыми углами к оси (X) на уровне диаметра D₄, причем соотношение между D₄ и D₅ составляет от 0,7 до 0,85, включая экстремальные значения.3. Фланец (20) по п.2, отличающийся тем, что выступ (26) соединен с двумя - внутренней и внешней - образующими корпуса (22) в форме усеченного конуса, соответственно, соответствующими дугам окружности с радиусом R₂ и R₁, причем соединение с внешней образующей сформировано в области вблизи диаметра D₁ относительно оси (X) турбины, соотношение между R₂ и R₁ составляет от 0,8 до 1, включая экстремальные значения, и соотношение между D₄ и D₁ составляет от 0,95 до 1,05, включая экстремальные значения.4. Фланец (20) по п.3, отличающийся тем, что ступица (26) соединена с внешней образующей корпуса (22) в форме усеченного конуса, соответствующей дуге окружности с радиусом R₃, причем соединение с внешней образующей сформировано в области вблизи диаметра D₁ относительно оси (X) турбины, соотношение между R₂ и R₃ составляет от 3,5 до 4,5, включая экстремальные значения, и соотношение между D₄ и D₃ составляет от 1,55 до 1,7, включая экстремальные значения.5. Фланец (20) по п.2 или 4, отличающийся тем, что в начале выступа (26) корпус (22) имеет толщину S₁, измеренную под прямыми углами к направлению, образуемому внешней образующей усеченного конуса самого корпуса (22), и тем, что в конце выступа (26) фланец (20) имеет толщину S₂, измеренную в направлении оси (X) турбины, соотношение между S₁ и D₄ составляет от 0,13 до 0,18, включая экстремальные значения, и соотношение между S₂ и D₄ составляет от 1,3 до 1,7, включая экстремальные значения.6. Фланец (20) по п.1 или 5, отличающийся тем, что внутренняя образующая усеченного конуса корпуса (22) соединяется со ступицей (24) в направлении (Y), которое относительно оси (X) турбины формирует угол α₃, составляющий от 26 до 34°, включая экстремальные значения.7. Фланец (20) по п.2, отличающийся тем, что ступица (24) имеет цилиндрическую конфигурацию с внутренним диаметром D₂, причем соотношение D₄ и D₂ составляет от 5,2 до 6,5, включая экстремальные значения.8. Фланец (20) по п.1, отличающийся тем, что выступ (26) имеет серию круглых сквозных отверстий (30), которые проходят в направлениях, параллельных оси (X) турбины, между поверхностью (29) и поверхностью (31) выступа (26), которая обращена к осевому компрессору, и предназначены для размещения элементов для дополнительного крепления между фланцем (20) и узлом (14) диска ротора.9. Фланец (20) по п.8, отличающийся тем, что указанные элементы для дополнительного крепления между фланцем (20) и узлом (14) диска ротора содержат стяжные стержни.