МОДУЛЬ ТУРБИНЫ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, КОМПРЕССОР, СОЕДИНЕННЫЙ С УКАЗАННЫМ МОДУЛЕМ, И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2010 года по МПК F01D5/02 

Настоящее изобретение относится к области газотурбинных двигателей и, в частности, касается модуля турбины, в частности, модуля турбины высокого давления.

Аналогами настоящего изобретения являются устройства по патентам ЕР 1496266 и ЕР 789133.

Газотурбинный двигатель с осевым компрессором содержит вращающийся агрегат компрессора, питающий неподвижную камеру сгорания, которая, в свою очередь, подает горячие газы на вращающийся агрегат турбины. Ротор турбины, неподвижно соединенный с ротором компрессора, образует секцию или каскад, и двигатель может содержать одну или несколько секций, как правило, две или три секции, вращающиеся с разными скоростями. Так, двухсекционный двигатель содержит секцию низкого давления НД и секцию высокого давления ВД. Для облегчения сборки двигателя и сокращения времени сборки и разборки его конструкцию часто делят на модули. Например, для секции высокого давления двухсекционного двигателя все детали агрегата компрессора объединяют в модуль компрессора ВД, а все детали, образующие ротор турбины, объединяют в модуль турбины ВД.

Этот последний модуль содержит только вращающиеся детали, например диск турбины, на котором болтами закрепляют лабиринтный уплотнительный узел и кольцо с передним соединительным фланцем, а также уплотнительный узел, соединенный на выходе с опорным подшипником.

Как правило, модули компрессора ВД и турбины ВД соединяют при помощи специальных фланцев; эти фланцы передают крутящий момент от турбины к компрессору. Поэтому соединение при помощи этих фланцев должно быть достаточно прочным для выполнения этой функции.

Кроме того, модули должны поставляться для сборки, будучи идеально сбалансированными во вращении. В случае такого модуля, как модуль турбины ВД, предусматривают переднюю плоскость балансировки и заднюю плоскость балансировки. Плоскостью балансировки является плоскость, в которой располагают балансировочные грузики на определенном осевом и угловом расстоянии. В техническом решении с соединительным фланцем фланец, который находится на границе модуля, образует соответствующую плоскость балансировки. В частности, это относится к границе между модулем компрессора ВД и модулем турбины ВД. Каждый модуль, предназначенный для сборки, балансируют именно таким образом.

Применение специальных соединительных фланцев удобно, но приводит к увеличению веса. Поэтому были сделаны попытки разработать модуль, монтаж которого на компрессоре может быть обеспечен без специального соединительного фланца. В частности, рассматривалась возможность обеспечения соединения с компрессором непосредственно на диске турбины.

Но в этом случае возникает проблема предварительной сборки модуля турбины и его поставки уже в идеально сбалансированном состоянии. Действительно, важно, чтобы монтажники, занимающиеся сборкой, не касались самого модуля, иначе пропадает смысл использования модульной конструкции.

В связи с этим заявитель поставил перед собой задачу разработать модуль турбины, удовлетворяющий этим требованиям.

В соответствии с настоящим изобретением модуль турбины для газотурбинного двигателя, содержащий, по меньшей мере, один диск турбины и компонент в виде диска, установленный на диске турбины спереди относительно газового потока, а также средство соединения между компрессором упомянутого двигателя и диском турбины, отличается тем, что перед соединением модуля с компрессором компонент предварительно соединяют с диском турбины при помощи болтового соединения на крепежном фланце, выполненном за одно с диском турбины.

Таким образом, заявленное решение, которое состоит в непосредственном креплении модуля компрессора на диске турбины и отдельном соединении компонента, установленного между компрессором и диском турбины, с диском турбины, позволяет сократить массу, не ухудшая надежность соединения, а также, в случае необходимости, произвести балансировку при предварительной сборке модуля.

Предпочтительно, чтобы средство соединения компрессора с диском турбины содержало упомянутый крепежный фланец.

Предпочтительно также, чтобы вышеуказанный компонент имел форму диска со стенкой между его ступицей и его периферией и был установлен на упомянутом фланце при помощи болтов, проходящих через первые отверстия в стенке, а в стенке были выполнены вторые отверстия для болтового соединения модуля турбины с компрессором.

Предпочтительно также, чтобы отверстия, предусмотренные в стенке компонента для прохождения болтов крепления к упомянутому фланцу и отверстия, предусмотренные в стенке компонента для прохождения болтов крепления модуля турбины к компрессору, были одинаковыми.

Предпочтительно также, чтобы упомянутый компонент крепился к указанному фланцу при помощи болтов, число которых составляет от 2 до 8 и которые равномерно распределяют по окружности.

Предпочтительно, чтобы болты удерживались гайками, стопорящимися во фланце с задней стороны вместе с гайками для соединения модуля с компрессором.

Предпочтительно также, чтобы гайки, стопорящиеся на фланце, были идентичными.

Предпочтительно также, чтобы болты крепления упомянутого компонента имели специальную головку, отличающуюся от головок болтов крепления компрессора.

Предпочтительно также, чтобы вышеуказанный компонент содержал переднее устройство балансировки, установленное на упомянутом компоненте независимо от средства соединения с компрессором.

Предпочтительно также, чтобы вышеуказанный компонент был выполнен в виде диска, содержащего лабиринтные уплотнительные элементы.

Настоящее изобретение касается также компрессора, соединенного с модулем, для образования газотурбинного двигателя, содержащего задний фланец крепления к модулю, в котором выполнены гнезда или проходы для головок крепежных болтов, уже установленных ранее на модуле.

Еще одним объектом изобретения является газотурбинный двигатель, содержащий вышеуказанный модуль турбины.

Настоящее изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания неограничительного варианта осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, в числе которых:

фиг.1 представляет собой вид в осевом разрезе половины модуля турбины высокого давления в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.2 - вид в осевом разрезе детали предварительного крепления компонента к диску турбины;

фиг.3 - вид в осевом разрезе детали крепления фланца с задней стороны компрессора к диску турбины;

фиг.4 - детальный вид спереди установки фланца компрессора ВД;

фиг.5 - вариант выполнения заднего фланца компрессора ВД;

фиг.6 - вид сзади в разрезе по VI-VI фиг.2 или 3 детали установки гаек на крепежном фланце, неподвижно соединенном с диском турбины;

фиг.7 - вариант модуля турбины, показанного на фиг.1, оборудованного передним устройством балансировки.

На фиг.1 показана половина модуля турбины ВД в осевом разрезе. Этот модуль содержит диск 3 турбины со ступицей, толщина которого в осевом сечении увеличивается в сторону оси, и на периферии которого установлены лопатки 4 турбины. Эти лопатки устанавливают в гнезда, выполненные на ободе диска. Компонент 5 устанавливают на диске 3 спереди, то есть слева на чертеже. Переднее и заднее направления определяют относительно движения потока газов в двигателе. В данном случае компонент выполнен в виде диска с симметрией вращения относительно оси турбины. Этот диск содержит ступицу, толщина которой увеличивается в сторону оси двигателя, и часть, образующую стенку 51 в сторону периферии. На периферии диска выполнены радиальные кольцевые пластины 53, образующие вращающуюся часть лабиринтных уплотнительных прокладок. Их противоположная часть на чертеже не показана.

Диск 5 крепят к диску 3 при помощи болтового соединения на крепежном фланце 31, выполненном за одно с диском и находящемся спереди последнего. Болты 7 содержат головку 71, стержень 72, проходящий через отверстие, выполненное в стенке 51, и через отверстие, выполненное во фланце 31, и взаимодействующий с гайкой 73.

На задней стороне модуля размещен диск 6 с цапфой 61, образующей кронштейн для заднего опорного подшипника 62. Диск крепят болтами на заднем крепежном фланце 33. Крепежные болты 64 распределены по всему контуру диска. Он содержит также уплотнительные элементы 63 для лабиринтной уплотнительной прокладки. Диск 6 образует заднюю плоскость балансировки. Балансировочные грузики устанавливают при помощи крепежных болтов.

Модуль, показанный на фиг.1, проходит через предварительную сборку, готов к монтажу и соединению с компрессором. Болты 7 предназначены для удержания вышеуказанного компонента в неподвижном соединении с диском турбины во время операций. Предпочтительно болты 7 применяют в количестве четырех и равномерно распределяют по окружности. Их число может составлять от 2 до 8. При этом следует также учитывать наличие болтов крепления компрессора к диску. Болты 7 не мешают взаимодействию между диском 3 и диском 5.

На фиг.2 и 3 показана деталь болтового соединения после крепления модуля турбины на крепежном фланце 9 компрессора. Компрессор на чертежах не показан. Крепежный фланец 9 является кольцевым и образует заднюю границу компрессора. На фиг.2 показан частичный осевой разрез, выполненный вдоль болта 7 крепления компонента 5 к диску 3. На фиг.3 показан частичный осевой разрез, выполненный вдоль болта 8 крепления фланца 9 к диску 3.

Головки 71 болтов 7 заходят в широкие фестонные вырезы фланца 9 таким образом, что они взаимодействуют непосредственно с диском компонента 5. Таким образом, эти болты не играют никакой роли в соединении фланца 9.

Каждый из болтов 8, показанных на фиг.3, участвует в креплении фланца 9 к диску 3. Головки 81 опираются на переднюю поверхность фланца 9, прижатого к диску 5 гайкой 83, которую устанавливают на задней стороне фланца 31. Стержень 82 болта 8 проходит через диск компонента 5 и через оба фланца 9 и 31.

На фиг.4 показан вид спереди кольцевого фланца 9. Он содержит вырезы в виде фестонов, позволяющих ему огибать головки 71 болтов 7 и опираться на диск компонента 5. Он содержит также отверстия для стержней 82 болтов 8, головки 81 которых опираются на края отверстий.

На фиг.5 показан вариант 9' выполнения крепежного фланца компрессора. Для прохождения головок 71 крепежных болтов диска 5 вместо фестонов проход ограничен круглым отверстием диаметром, немного превышающим диаметр головок 71.

Компонент 5 содержит в стенке 51 такие же отверстия для прохождения либо болтов 7, либо болтов 8.

Чтобы не перепутать во время сборки болты 7 и 8, можно придать их головкам 71 и 81 разную форму.

Например, можно предусмотреть рифленые головки для одних болтов и широкие головки для других болтов, или наоборот (широкая головка является головкой, более широкой, чем того требует операция завинчивания; она соответствует головке для более широкого стержня).

Помимо того, что такой тип головок позволяет различать болты, его преимуществом является также то, что он позволяет избежать заедания болтов 8 во время модульного демонтажа компрессора и турбины. Если болты 8 остаются заблокированными, специальные головки 81 болтов 8 могут выдержать сверхсильный момент для отделения стержня 82 от головки 81. В любом случае обеспечивается модульный демонтаж.

На фиг.6 показан вид сзади фланца 31. Предпочтительно гайки 73 и 83 устанавливают и стопорят на месте перед сборкой деталей. Они содержат язычки 731 соответственно 831 прямоугольной формы, обеспечивающие их совместное стопорение от проворачивания. Это облегчает завинчивание болтов 7 и 8 во время монтажа. Гайки 73 и 83, стопорящиеся на фланце 31, являются идентичными.

Количество крепежных болтов 8 и 7 в конкретном примере составляет соответственно 28 и 4. Установлено, что 28 болтов надежно обеспечивают крепление компрессора на диске. Разница в 4 болта при монтаже с 32 болтами не имеет существенного значения. Этот факт был подтвержден проведенными расчетами, в частности, с учетом передачи крутящего момента, механических напряжений, срока службы деталей и т.д.

Наконец, следует заметить, что такая конструкция позволяет обеспечивать взаимодействие между модулем компрессора и модулем турбины.

Для обеспечения балансировки модуля предусматривают установку грузиков на передней стороне диска компонента 5, которая предпочтительно образует переднюю плоскость балансировки. Модуль, содержащий это устройство балансировки, показан на фиг.7. Модуль содержит фланец 10 для установки грузиков на этой стороне. Фланец 10 является кольцевым со стороной, перпендикулярной к оси модуля, и содержит множество механически обработанных гнезд для установки грузиков. Предпочтительно число гнезд равно количеству лопаток, установленных на диске турбины.

На фиг.7 показан грузик 11, установленный на место и удерживаемый болтами 111. В данном случае установка этих грузиков позволяет воспроизвести переднюю плоскость балансировки ротора модуля турбины ВД. Это удовлетворяет одному из условий поставки так называемого чистого модуля.

Модуль в соответствии с настоящим изобретением не мешает обслуживанию модулей, смежных с ним.

Модуль турбины для газотурбинного двигателя содержит, по меньшей мере, один диск турбины и компонент в виде диска, установленный на диске турбины спереди относительно движения газового потока. Модуль турбины также содержит средство соединения между компрессором газотурбинного двигателя и диском турбины. Перед соединением модуля с компрессором компонент предварительно соединяют с диском турбины при помощи болтового соединения на крепежном фланце, выполненном за одно с диском турбины. Другое изобретение группы относится к компрессору, соединенному с указанным выше модулем турбины для образования газотурбинного двигателя, и содержащему задний фланец крепления к модулю. Во фланце выполнены гнезда или проходы для головок болтов, уже установленных ранее на модуле. Еще одно изобретение относится к газотурбинному двигателю, содержащему указанный выше модуль турбины. Изобретения позволяют снизить массу конструкции без ухудшения надежности соединения. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Модуль турбины для газотурбинного двигателя, содержащий, по меньшей мере, один диск турбины и компонент в виде диска, установленный на диске турбины спереди относительно движения газового потока, при этом упомянутый модуль содержит средство соединения между компрессором упомянутого двигателя и диском турбины, отличающийся тем, что перед соединением модуля с компрессором компонент предварительно соединяют с диском турбины при помощи болтового соединения на крепежном фланце, выполненном за одно с диском турбины.

2. Модуль по п.1, отличающийся тем, что средство соединения с компрессором содержит упомянутый крепежный фланец.

3. Модуль по п.2, отличающийся тем, что компонент имеет форму диска со стенкой между его ступицей и его периферией и установлен на упомянутом фланце при помощи болтов, проходящих через первые отверстия в стенке, при этом в стенке выполняют вторые отверстия для болтового соединения модуля турбины с компрессором.

4. Модуль по п.3, отличающийся тем, что отверстия, предусмотренные в стенке компонента для прохождения болтов крепления к упомянутому фланцу, и отверстия, предусмотренные в стенке компонента для прохождения болтов крепления модуля турбины к компрессору, являются одинаковыми.

5. Модуль по одному из пп.3 или 4, отличающийся тем, что упомянутый компонент крепится к упомянутому фланцу при помощи болтов, количество которых составляет от 2 до 8, и которые равномерно распределяют по окружности.

6. Модуль по п.3, отличающийся тем, что болты крепления к упомянутому фланцу удерживаются гайками, стопорящимися на фланце с задней стороны вместе с гайками для соединения модуля с компрессором.

7. Модуль по п.6, отличающийся тем, что гайки, стопорящиеся на фланце, являются идентичными.

8. Модуль по п.3, отличающийся тем, что болты крепления упомянутого компонента имеют специальную головку, отличающуюся от головок болтов крепления компрессора.

9. Модуль по п.3, отличающийся тем, что содержит переднее устройство балансировки, установленное на упомянутом компоненте независимо от средства соединения с компрессором.

10. Модуль по п.3, отличающийся тем, что упомянутый компонент является диском, содержащим лабиринтные уплотнительные элементы.

11. Компрессор, соединенный с модулем по п.1 для образования газотурбинного двигателя, содержащий задний фланец крепления к модулю, в котором выполняют гнезда или проходы для головок болтов, уже установленных ранее на модуле.

12. Газотурбинный двигатель, содержащий модуль турбины, выполненный по п.1.