УСТРОЙСТВО ДЛЯ БАЛАНСИРОВКИ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ДЕТАЛИ, В ЧАСТНОСТИ РОТОРА ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2009 года по МПК F01D5/10 

Настоящее изобретение относится к устройству для балансировки вращающейся детали, в частности ротора турбины в турбоустановке, такой как турбореактивный двигатель или что-либо подобное.

В данной области техники хорошо известна корректировка дисбаланса вращающейся детали балансировочным грузиком, прикрепляемым к детали любыми подходящими средствами.

В турбине низкого давления турбореактивного двигателя, состоящей из вращающихся дисков, на которых установлены лопатки, и которые прикреплены друг к другу кольцевыми фланцами, балансировочные грузики прикрепляются болтами к верхнему по потоку кольцевому фланцу верхнего по потоку диска и/или к нижнему по потоку кольцевому фланцу нижнего по потоку диска.

Для этого метода прикрепления требуется, чтобы между верхним по потоку кольцевым фланцем и верхним по потоку диском имелось достаточное пространство для прохождения инструмента, затягивающего гайки на болтах. Поэтому необходимо дополнительное пространство в осевом направлении вверху по потоку от турбины, которое нельзя уменьшить, в результате чего затрудняется установка распределительного сопла по месту.

В частности, целью настоящего изобретения является устранение этих недостатков, с одновременным уменьшением веса средства для прикрепления балансировочных грузиков на вращающихся дисках этой турбины или турбомашины.

В этих целях изобретение предусматривает устройство для балансировки вращающейся детали, в частности ротора турбины, в турбомашине, такой как турбореактивный двигатель или тому подобное; при этом устройство содержит, по меньшей мере, один балансировочный грузик, установленный на кольцевом фланце детали, и крепежное средство для крепления балансировочного грузика на упомянутом кольцевом фланце, причем балансировочный грузик имеет средство зацепления для зацепления на упомянутом кольцевом фланце детали, и фиксирующие средства связаны с балансировочным грузиком и с кольцевым фланцем так, чтобы предотвращать перемещение балансировочного грузика относительно кольцевого фланца и самоблокироваться как от поворотного перемещения, так и от осевого поступательного перемещения относительно балансировочного грузика.

Устройство согласно настоящему изобретению позволяет:

- исключить необходимость использования инструментов известного уровня техники для затягивания гаек;

- уменьшить осевой размер и в результате этого облегчить установку распределительного сопла перед верхним по потоку диском турбины; и

- уменьшить вес устройства для балансировки ротора (например, на 1,4 кг для турбореактивного двигателя, изготавливаемого данным Заявителем).

Согласно одной особенности изобретения балансировочный грузик на своей стороне, обращенной к кольцевому фланцу, имеет, по меньшей мере, один L-образный крюк для зацепления на кольцевом ободе упомянутого кольцевого фланца.

Этот крюк образует упомянутое средство зацепления, а также составляет средство для прикрепления балансировочного грузика в осевом направлении к фланцу детали.

На своих радиальных внутренних и внешних концах балансировочный грузик предпочтительно имеет лицевые L-образные крюки для зацепления на двух концентрических кольцевых ободах упомянутого кольцевого фланца.

Эта конструкция улучшает осевое фиксирование балансировочного грузика на кольцевом фланце.

По меньшей мере, один из кольцевых ободов преимущественно содержит прерывание или выемку, обеспечивающую установку балансировочного грузика на месте и его зацепление на кольцевом фланце за счет поступательного перемещения в осевом направлении.

Это техническое решение облегчает установку балансировочного грузика по месту на детали.

Согласно еще одной особенности настоящего изобретения на балансировочном грузике установлены фиксирующие средства, которые имеют цилиндрический штифт для его зацепления в осевом направлении в отверстии в балансировочном грузике и в соответствующем отверстии в кольцевом фланце, вместе со средством предотвращения его как от осевого перемещения, так и поворотного перемещения по отношению к балансировочному грузику.

В варианте осуществления этого изобретения средство для предотвращения его поворотного перемещения содержит деформируемый шип для его зацепления посредством его перемещения в направлении, параллельном оси поворота детали, в положение между двумя соседними опорными поверхностями, образованными на балансировочном грузике.

Деформация шипа и его зацепление между опорными поверхностями балансировочного грузика простым образом предотвращают поворотное перемещение фиксирующего средства на балансировочном грузике.

Фиксирующее средство имеет поперечную плоскую головку, образованную на одном конце штифта и упирающуюся в балансировочный грузик, и зацепляемую поворотом вокруг оси штифта под ободом балансировочного грузика.

Упомянутый шип простым образом образован вырезом, выполненным в плоской головке цилиндрического штифта.

Таким образом, балансировочный грузик фиксируется на кольцевом фланце путем поворота цилиндрического штифта вокруг его оси в блокирующее положение, в котором головка штифта входит под обод балансировочного грузика; при этом шип зацепляется между двумя соседними опорными поверхностями балансировочного грузика.

Шип имеет достаточную длину, выступающую за опорные поверхности балансировочного грузика, когда он находится в блокирующем положении, тем самым облегчая снятие фиксирующих средств путем поворота шипа в его исходное положение.

Согласно еще одной особенности настоящего изобретения штифт фиксирующих средств установлен плотной посадкой в отверстии упомянутого кольцевого фланца и с зазором в отверстии в балансировочном грузике.

Тем самым обеспечивается возможность исключения зазора между цилиндрическим штифтом и кольцевым фланцем, который способствовал бы вибрации и преждевременному износу кольцевого фланца и фиксирующего средства.

В частности, согласно варианту осуществления настоящего изобретения кольцевой фланец имеет заданное число отверстий для установки балансировочного грузика; причем упомянутое число составляет, например, 24; при этом упомянутые отверстия равномерно распределены вокруг кольцевого фланца.

Это техническое решение обеспечивает возможность установки балансировочного грузика в выбранном одном из 24 возможных положений на кольцевом фланце для компенсирования дисбаланса детали.

Прочие подробности, отличительные особенности и преимущества настоящего изобретения станут очевидными при изучении приводимого ниже описания, содержащего описание неограничивающего примера со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - схематический фрагмент осевого сечения турбины низкого давления турбореактивного двигателя;

Фиг.2 - схематический фрагмент изображения в перспективе кольцевого фланца роторного диска в турбине низкого давления согласно настоящему изобретению;

Фиг.3 - схематический вид в перспективе балансировочного грузика согласно настоящему изобретению;

Фиг.4 - схематический вид в перспективе фиксирующих средств балансировочного грузика согласно настоящему изобретению; и

Фиг.5 - схематический фрагмент изображения в перспективе разных этапов установки, зацепления и фиксирования балансировочного грузика согласно настоящему изобретению.

Фиг.1 показывает местный вид турбины 10 низкого давления турбореактивного двигателя, имеющей три ступени 12, 14 и 16 роторных лопаток и две ступени 18 и 20 статорных лопаток.

Посредством соответствующих средств (не показаны) статорные лопатки 18 и 20 устанавливаются таким образом, что их радиально-внешние концы обращены к корпусу турбореактивного двигателя, и роторные лопатки 12, 14 и 16 устанавливаются таким образом, что их радиально-внутренние концы установлены на трех роторных дисках 22, 24 и 26 посредством соответствующих средств, таких как соединение «ласточкиным хвостом» или аналогичное соединение.

Каждый диск 22, 24 и 26 имеет верхний по потоку кольцевой фланец и нижний по потоку кольцевой фланец, причем эти фланцы предназначены для скрепления дисков друг с другом, принудительного введения конического установочного пальца 28 в соединение с валом турбореактивного двигателя, а также прикрепления кольца для фиксирования хвостов лопаток в дисках.

В частности, верхний по потоку диск 22 имеет верхний по потоку кольцевой фланец 30, на котором посредством болтов установлен кольцевой фланец 32 кольца 34 для фиксирования хвостов лопаток 12 на переднем диске 22, и, по меньшей мере, один балансировочный грузик; и нижний по потоку кольцевой фланец 36, установленный на болтах на верхнем по потоку кольцевом фланце 38 промежуточного диска 24 и на кольцевом фланце 40 кольца 42 для фиксирования хвостов лопаток 14 на промежуточном диске 24.

Промежуточный диск 24 имеет нижний по потоку кольцевой фланец 44, установленный на болтах на верхнем по потоку кольцевом фланце 46 нижнего по потоку диска 26, и также на кольцевом фланце 48 кольца 50 для фиксирования хвостов лопаток 16 в нижнем по потоку диске 26 и на кольцевом фланце 52 конического установочного пальца 28.

Нижняя по потоку часть 26 имеет нижний по потоку кольцевой фланец 54, который также может иметь установленный на нем на болтах, по меньшей мере, один балансировочный грузик.

Поскольку балансировочные грузики крепятся затягивающими гайками - для чего нужно использовать державку для гаек - они посажены на верхнем по потоку кольцевом фланце 30 верхнего по потоку диска 22 и на нижнем по потоку кольцевом фланце 54 нижнего по потоку диска 26; и с промежутками между фланцем 30 и диском 22; при этом диск 26 и фланец 54 образуют место для вставки державки для гаек.

Это занимает относительно большой объем пространства в осевом направлении верхнего по потоку конца турбины, что представляет собой неудобство при установке распределительного сопла (не показано) вверх по потоку от диска 22.

Изобретение решает эту проблему с помощью устройства, которое обеспечивает возможность установки балансировочного грузика на кольцевом фланце роторного диска, таком как кольцевой передний фланец 30 переднего диска 22, без использования гайки и болта; причем такая установка выполняется путем зацепления балансировочного грузика на упомянутом кольцевом фланце, и затем - путем фиксирования балансировочного грузика на упомянутом фланце посредством одной единственной детали.

Согласно настоящему изобретению кольцевой фланец 30, частично показанный на Фиг.2, соединен с верхним по потоку диском 22 (также показан частично) посредством короткой осевой цилиндрической кольцевой перемычки 56.

Кольцевой фланец 30 имеет два концентрических периферических края 58 и 62. Край 58 в радиальном направлении проходит за перемычку 56 и имеет прерывание или выемку 60, обеспечивающие установку по месту и зацепление балансировочного грузика, как будет более подробно описано со ссылкой на Фиг.5, и периферический край 62, который в радиальном направлении проходит за перемычки 56, является «фестончатым» или мелкозазубренным, т.е. представляет собой сплошные части 64, чередующиеся с разрывами 66, равномерно распределенными по кольцевому фланцу 30; при этом сплошные части 64 имеют цилиндрические отверстия 68 для прохождения фиксирующих средств для фиксирования балансировочных грузиков; причем количество этих отверстий составляет, например, 24, и они распределены вокруг одного полного оборота фланца 30.

Балансировочный грузик 70 согласно Фиг.3 представляет собой плоскую прямоугольную пластину 72 и прямоугольное продолжение 74, соединенное с нижним краем пластины 72; причем упомянутое продолжение 74 является взаимно заменяемым или обрабатываемым станочными средствами для выполнения балансировочного грузика 70, соответствующего компенсируемому дисбалансу. Обычно вес этого грузика составляет от 1 до 10 г.

Пластина 72 балансировочного грузика 70 имеет две основные поверхности 76 и 78 и цилиндрическое отверстие 80 для прохождения фиксирующего средства балансировочного грузика; причем упомянутое отверстие выполнено по существу посередине пластины 72.

Поверхность 76 пластины 72, прижимаемая к кольцевому фланцу, имеет L-образный крюк 82, образованный на ее верхнем конце и по всей ее ширине и обращенный к ее нижнему концу; и другой L-образный крюк 84, образованный на ее верхнем конце и по всей ее ширине и обращенный к ее верхнему концу.

Поверхность 78 пластины 72 для размещения фиксирующего средства имеет два параллельных и примыкающих L-образных крюка 86, образованных на ее верхнем конце и по всей ее ширине и обращенных к ее нижнему концу.

Фиксирующие средства, показанные на Фиг.4, содержат одну единственную деталь 88, имеющую цилиндрический штифт 90 для зацепления в сквозных отверстиях 80 и 68 в балансировочном грузике 70 и в кольцевом фланце 30, соответственно, и плоскую поперечную головку 92 на одном конце цилиндрического штифта 90 для упора в поверхность 78 пластины 72 балансировочного грузика 70.

Плоская головка 92 фиксирующего средства 88 имеет поперечный лепесток, в котором вырезан шип 94, причем шип отогнут на угол около 30° в сторону от цилиндрического штифта 90. Остальная, неотогнутая часть 96 лепестка предназначается для зацепления под одним из упомянутых L-образных крюков 86 на поверхности 78 балансировочного грузика 70. На Фиг.4 показан вариант осуществления, согласно которому шип 94 образован вырезом между двумя частями 96 для зацепления под упомянутыми крюками 86.

Фиг.5 схематически показывает разные этапы установки балансировочного грузика 70 на кольцевом фланце 30.

На этом чертеже балансировочный грузик 70 показан в трех различных положениях: в первом положении А, при котором грузик обращен к прерыванию или выемке 60 в кольцевом фланце 30; во втором положении В, при котором он остается в зацеплении на фланце, пока его поверхность 76 контактирует с фланцем 30; и в третьем положении С, при котором он перемещается в круговом поступательном перемещении вокруг оси ротора турбины, пока периферические края 58 и 62 кольцевого фланца 30 не зацепятся в L-образных крюках 82 и 84 балансировочного грузика 70; и при котором отверстие 80 в балансировочном грузике 70 в осевом направлении выравнено с отверстием 68 во фланце 30, соответствуя точке, в которой балансировочный грузик крепится для компенсирования дисбаланса.

Балансировочный грузик 70 фиксируется на кольцевом фланце 30 посредством одной единственной детали 88, которая показана в двух разных положениях: в положении D, при котором цилиндрический штифт 90 в осевом направлении выравнен с отверстиями 80 и 68 в балансировочном грузике 70 и кольцевом фланце 30, шип 94 и поперечная головка 92 обращены по касательной относительно окружности фланца 30 для того, чтобы поперечная головка 92 могла прижаться к поверхности 78 балансировочного грузика 70; и во втором положении Е, в котором поперечная головка 92 повернута вокруг оси штифта 90 до зацепления ее частей 96 под крюками 86, чтобы часть 88 не смогла переместиться относительно балансировочного грузика 70, после чего шип 94 можно отогнуть вниз между упомянутыми крюками 86 для того, чтобы деталь 88 не смогла повернуться вокруг оси штифта 90.

В блокирующем положении шип 94 выступает за крюки 86 балансировочного грузика 70, тем самым облегчая снятие блокирующего средства 88 возвращением шипа 94 в наклонное положение.

Шип 94 перемещается между его двумя положениями за счет пластической деформации. В положении Е центробежные оси, воздействующие на шип, когда турбина работает, удерживают шип в фиксирующем положении.

Помимо этого, при работе турбины балансировочный грузик подвергается воздействию упомянутых центробежных сил, которые воздействуют на него в радиальном направлении. Чтобы обеспечить исключение сдвига штифта 90 фиксирующих средств 88, он плотно посажен в отверстии 68 кольцевого фланца 30 и с зазором в отверстии 80 балансировочного грузика 70.

В зависимости от предъявляемых требований устанавливают один или несколько балансировочных грузиков 70 на кольцевом фланце 30 верхнего по потоку диска 22. Также возможно установить один или более балансировочных грузиков аналогичным образом на нижнем по потоку кольцевом фланце 54 нижнего по потоку диска 26.

Настоящее изобретение применимо, в его общем виде, для прикрепления балансировочного грузика на любой вращающейся детали, и в частности, но не исключительно, на роторном диске турбины низкого давления в турбореактивном двигателе.

Устройство предназначено для балансировки вращающейся детали, в частности ротора турбины, в турбомашине, такой как турбореактивный двигатель, при этом устройство содержит, по меньшей мере, один балансировочный грузик, установленный на кольцевом фланце детали, и крепежное средство для крепления балансировочного грузика на упомянутом кольцевом фланце. Балансировочный грузик имеет средство зацепления для зацепления на упомянутом кольцевом фланце детали, а фиксирующие средства связаны с балансировочным грузиком и с кольцевым фланцем так, чтобы предотвратить перемещение балансировочного грузика относительно кольцевого фланца и самоблокироваться как от поворотного перемещения, так и от осевого поступательного перемещения относительно балансировочного грузика. Такое устройство позволит уменьшить вес средства для прикрепления балансировочных грузиков на вращающихся дисках турбины. 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для балансировки вращающейся детали, в частности ротора турбины, в турбомашине, такой как турбореактивный двигатель или тому подобное, при этом устройство содержит, по меньшей мере, один балансировочный грузик, установленный на кольцевом фланце детали, и крепежное средство для крепления балансировочного грузика на упомянутом кольцевом фланце, отличающееся тем, что балансировочный грузик имеет средство зацепления для зацепления на упомянутом кольцевом фланце детали и тем, что фиксирующие средства связаны с балансировочным грузиком и с кольцевым фланцем так, чтобы предотвращать перемещение балансировочного грузика относительно кольцевого фланца и самоблокироваться как от поворотного перемещения, так и от осевого поступательного перемещения относительно балансировочного грузика.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что балансировочный грузик на его поверхности, обращенной к кольцевому фланцу, имеет, по меньшей мере, один L-образный крюк для зацепления на кольцевом ободе упомянутого кольцевого фланца.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что балансировочный грузик на его радиально внутренних и внешних концах имеет лицевые L-образные крюки для зацепления на двух концентрических кольцевых ободах упомянутого кольцевого фланца.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один из кольцевых ободов имеет прерывание или выемку, обеспечивающую установку балансировочного грузика на место и его зацепление на кольцевом фланце за счет поступательного перемещения в осевом направлении.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блокирующие средства посажены на балансировочный грузик и содержат цилиндрический штифт для зацепления в осевом направлении в отверстии в балансировочном грузике и в соответствующем отверстии в кольцевом фланце, вместе со средствами для предотвращения его как от осевого перемещения, так и поворотного перемещения по отношению к балансировочному грузику.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что средства для предотвращения его поворотного перемещения содержат деформируемый шип для его зацепления посредством его перемещения в направлении, параллельном оси поворота детали, в положение между двумя соседними опорными поверхностями, образованными на балансировочном грузике.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что фиксирующие средства содержат поперечную плоскую головку, образованную на одном конце штифта и упирающуюся в балансировочный грузик, и зацепляемую поворотом вокруг оси штифта под ободом балансировочного грузика для образования упомянутых средств для предотвращения его осевого перемещения относительно балансировочного грузика.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что упомянутый шип образован вырезом, выполненным в плоской головке цилиндрического штифта.

9. Устройство по п.6, отличающееся тем, что плоская головка содержит, по меньшей мере, один лепесток, прилегающий к упомянутому шипу, для взаимодействия с L-образным крюком, образованным на балансировочном грузике.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что балансировочный грузик фиксируется на кольцевом фланце поворотом цилиндрического штифта вокруг его оси в блокирующее положение, в котором головка штифта вставлена под обод балансировочного грузика; при этом шип зацепляется между двумя соседними опорными поверхностями балансировочного грузика.

11. Устройство по п.6, отличающееся тем, что шип имеет длину, достаточную для того, чтобы шип выступал за опорные поверхности балансировочного грузика, когда он находится в блокирующем положении, - в целях облегчения снятия фиксирующего средства, возвращая шип в его исходное положение.

12. Устройство по п.10, отличающееся тем, что штифт фиксирующего средства установлен плотной посадкой в отверстии упомянутого кольцевого фланца и с зазором в отверстии в балансировочном грузике.

13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что кольцевой фланец имеет заданное число отверстий для установки балансировочного грузика; причем упомянутое число составляет, например, 24, и упомянутые отверстия равномерно распределены вокруг кольцевого фланца.

14. Устройство по п.1, отличающееся тем, что устройство используется для установки, по меньшей мере, одного балансировочного грузика на верхнем по потоку кольцевом фланце верхнего по потоку диска турбины низкого давления в турбореактивном двигателе, и/или для установки, по меньшей мере, одного балансировочного грузика на нижнем по потоку кольцевом фланце нижнего по потоку диска упомянутого ротора.