РАДИАЛЬНЫЙ КОЛЬЦЕВОЙ ФЛАНЕЦ, ТУРБИНА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2014 года по МПК F01D5/06 F01D25/24 

Предлагаемое изобретение относится к кольцевым фланцам крепления элементов ротора или статора в турбине, а также к газотурбинному двигателю, содержащему такую турбину.

В газотурбинном двигателе диски ротора (например, диски турбины) соединены между собой при помощи кольцевых фланцев по их радиально внутренней периферийной части, причем эти фланцы прижаты друг к другу и скреплены между собой при помощи болтовых соединений.

Другие элементы, такие как кольцевые опоры лабиринтных уплотнительных устройств, также могут содержать на своих внутренних периферийных частях кольцевые фланцы, которые зажимаются между двумя кольцевыми фланцами дисков ротора и закрепляются при помощи тех же болтов, что и диски ротора.

Эти кольцевые фланцы обычно имеют фигурные вырезы или фестоны, то есть содержат чередующиеся между собой выпуклые части и части, содержащие углубления, предназначенные для уменьшения массы этих фланцев. Отверстия, предназначенные для прохождения болтов скрепления, выполнены в упомянутых выпуклых частях.

Для обеспечения крепления нескольких примыкающих друг к другу фланцев необходимо, чтобы все проходные отверстия, сформированные в выпуклых частях фланцев, располагались на одной линии для исключения того, чтобы части одного из фланцев, содержащие углубления, оказались смещенными в угловом отношении и находились на одной линии с проходными отверстиями для болтов, сформированными в выпуклых частях других фланцев, что могло бы привести к сжатию этого фланца между двумя другими фланцами, но без его крепления к другим фланцам.

Из уровня техники известно решение, в котором по меньшей мере одна донная зона части, содержащая углубление внутренней периферийной части, расположена радиально внутри окружности, центрированной на оси фланца и являющейся касательной снаружи по отношению к отверстиям в выпуклых частях. Таким образом, в том случае, когда фланец смещается в угловом отношении так, что его отверстия не располагаются на одной линии с отверстиями других фланцев, донная зона по меньшей мере одной части с углублением этого фланца располагается на проходе по меньшей мере одного болта крепления и препятствует его вставлению в отверстия других фланцев, исключая тем самым всякую опасность неудовлетворительного монтажа этого фланца.

Было установлено, что такая часть с углублением, предотвращающая неправильное соединение, вызывает модификацию потока тангенциальных механических напряжений во фланце, что приводит к увеличению механических напряжений на уровне выпуклых частей, примыкающих к части с углублением, предотвращающей неправильное соединение. Эти механические напряжения являются максимальными в зонах выпуклых частей, примыкающих к части с углублением, предотвращающей неправильное соединение, которые присоединяются к последующим частям с углублениями. Также было отмечено увеличение механических напряжений на уровне отверстий выпуклых частей, примыкающих к части с углублением, предотвращающей неправильное соединение.

Это увеличение локальных механических напряжений может привести к образованию разрывов или трещин в зонах концентрации механических напряжений, что ограничивает срок службы такого фигурного фланца.

Техническая задача данного изобретения состоит, в частности, в том, чтобы предложить простое, экономичное и эффективное решение этой проблемы.

Для решения этой технической задачи в данном изобретении предлагается радиальный кольцевой фланец элемента ротора или статора турбины для газотурбинного двигателя, содержащий на внутренней периферийной части (или наружной периферийной части, соответственно) чередующиеся между собой выпуклые части и части с углублениями, причем упомянутые выпуклые части содержат отверстия, предназначенные для прохождения болтов крепления, а донные зоны частей с углублениями являются по существу плоскими, и донная зона по меньшей мере одной части с углублением, предотвращающей неправильное соединение, на внутренней периферийной части (или наружной периферийной части, соответственно) располагается радиально внутри (или снаружи, соответственно) по отношению к окружности, центрированной на оси фланца и являющейся касательной снаружи (или изнутри, соответственно) к отверстиям, выполненным в выпуклых частях, отличающийся тем, что обе части с углублениями, располагающиеся по одну и по другую стороны от части с углублением, предотвращающей неправильное соединение, имеют донную зону искривленной вогнутой формы, располагающуюся радиально снаружи (или изнутри, соответственно) по отношению к донным зонам других частей с углублениями.

Реализация донных зон, которые являются искривленными и вогнутыми и больше не являются плоскими, по одну и по другую стороны от части с углублением, предотвращающей неправильное соединение, а также позиционирование этих искривленных вогнутых донных зон в наружном направлении (или во внутреннем направлении, соответственно) по отношению к плоским донным зонам других частей с углублениями, позволяет распределить тангенциальные механические напряжения по длине каждой искривленной вогнутой донной зоны.

Таким образом, предлагаемое изобретение исключает увеличение тангенциальных механических напряжений на кромке отверстий выпуклых частей, примыкающих к части с углублением, предотвращающей неправильное соединение, а также в зонах соединения этих выпуклых частей, примыкающих к частям с искривленными вогнутыми углублениями.

Искривленные вогнутые донные зоны двух частей с углублениями предпочтительным образом выполнены в виде дуги окружности, имеющей радиус R2.

В соответствии с другой характеристикой предлагаемого изобретения искривленные вогнутые донные зоны двух частей с углублениями соединяются с примыкающими к ним выпуклыми частями при помощи дуг окружности, имеющей радиус R1, причем радиус R2 искривленной вогнутой донной зоны двух упомянутых частей с углублениями превышает радиус R1 соединений с примыкающими к ним выпуклыми частями.

Преимущественно радиус R2 искривленной вогнутой донной зоны двух частей с углублениями превышает или равен утроенной величине радиуса R1 соединений с примыкающими выпуклыми частями.

Радиус R1 соединений может иметь величину в диапазоне от 4 до 6 мм и искривленные вогнутые донные зоны двух упомянутых частей с углублениями могут иметь радиус порядка 18 мм.

Предлагаемое изобретение относится также к турбине низкого давления для газотурбинного двигателя, отличающейся тем, что эта турбина содержит по меньшей мере один кольцевой фланец описанного выше типа.

Предлагаемое изобретение относится также к газотурбинному двигателю типа турбореактивного или турбовинтового двигателя, отличающемуся тем, что этот двигатель имеет в своем составе турбину низкого давления описанного выше типа.

Предлагаемое изобретение будет лучше понято и другие детали, преимущества и характеристики этого изобретения будут наглядно представлены в приведенном ниже и не являющимся ограничительным описании, где даются ссылки на приведенные в приложении чертежи, на которых:

- Фиг.1 представляет собой частичный половинный схематический вид в осевом разрезе турбины низкого давления;

- Фиг.2 представляет собой частичный схематический вид спереди радиального кольцевого фланца, содержащего часть с углублением, предотвращающую неправильное соединение, в соответствии с существующим уровнем техники, иллюстрирующий корректное угловое позиционирование;

- Фиг.3 представляет собой частичный схематический вид спереди радиального кольцевого фланца в соответствии с предлагаемым изобретением;

- Фиг.3а представляет собой увеличенный вид детали IIIa, показанной на фиг.3;

- Фиг.4 представляет собой частичный схематический вид спереди радиального кольцевого фланца согласно другому способу реализации в соответствии с предлагаемым изобретением.

Ссылаясь на фиг.1, на которой представлен ротор турбины низкого давления, имеющий ось 10 и содержащий чередование подвижных лопаток 12 и фиксированных лопаток 14, размещенных в наружном кожухе 16. Радиально внутренние концы подвижных лопаток 12 закрепляются на наружной периферийной части дисков 18, 20, 22, 24 ротора. Каждый диск 18, 20, 22, 24 содержит на своей наружной периферийной части переднюю по потоку коническую стенку 26 и заднюю по потоку коническую стенку 28 соединения с другими дисками посредством кольцевых фланцев 30, 32, проходящих в радиальном направлении внутрь и прикрепленных друг к другу при помощи болтов 33. Совокупность дисков связана с валом 34 турбины посредством приводного конуса 36, содержащего кольцевой фланец 38, зажатый между кольцевыми фланцами 30, 32 дисков 20 и 22.

Для того чтобы исключить нежелательную циркуляцию воздуха между внутренней периферийной частью ряда фиксированных лопаток 14 и задними по потоку 28 и передними по потоку 26 коническими стенками дисков, радиальный кольцевой фланец 38, несущий на своей наружной периферийной части лабиринтное уплотнительное устройство 40, вставляется между радиальными фланцами 30, 32 задней по потоку 28 и передней по потоку 26 конической стенки дисков, причем это лабиринтное уплотнительное устройство 40 взаимодействует с дорожкой 42 из поддающегося абразивному износу материала, смонтированной на внутренней периферийной части ряда фиксированных лопаток 14.

Радиальные кольцевые фланцы 30, 32 передней по потоку конической стенки 26 и задней по потоку конической стенки 28 и радиальный фланец 38 лабиринтного уплотнительного устройства 40 выполнены фигурными с реализацией фестонов для того, чтобы уменьшить их массу, и содержат чередующиеся между собой части с углублениями и выпуклые части. На фиг.2 представлено соединение радиального кольцевого фланца 30 передней по потоку конической стенки и радиального фланца 38 лабиринтного уплотнительного устройства, причем здесь части 44, 46 с углублениями и выпуклые части 48, 49, 50 фланца 38 лабиринтного уплотнительного устройства и радиального кольцевого фланца 30 располагаются на одной линии в осевом направлении соответственно.

Части 44, 46 с углублениями радиального фланца 38 имеют по существу плоскую донную зону 52, 54 и соединяются с выпуклыми частями 48, 49 при помощи искривленных зон 56, 57. Выпуклые части 48, 49 имеют закругленную форму и содержат отверстия 58, предназначенные для приема болтов крепления, обеспечивающих возможность крепления вместе кольцевых фланцев 30, 32 передней по потоку и задней по потоку конических стенок и кольцевого фланца 38 лабиринтного уплотнительного устройства.

Надлежащее позиционирование фланца 38 лабиринтного уплотнительного устройства между кольцевыми фланцами 30, 32 конических стенок обеспечивается благодаря тому обстоятельству, что донная зона по меньшей мере одной части 46 с углублением фланца 38 лабиринтного уплотнительного устройства располагается в радиальном направлении внутри окружности 60, центрированной на оси фланца 38 и являющейся касательной снаружи по отношению к отверстиям 58 упомянутых выпуклых частей (см. фиг.2).

Таким образом, в процессе монтажа фланца 38 лабиринтного уплотнительного устройства между двумя кольцевыми фланцами 30, 32 конических стенок с некоторым угловым смещением, таким, что их части 44, 46 с углублениями располагаются на одной линии в осевом направлении с выпуклыми частями 50 кольцевых фланцев 30, 32 конических стенок, донная зона 54 части 46 с углублением располагается на проходе для болта, что делает невозможным вставление болтов крепления в отверстия 58 выпуклых частей кольцевых фланцев конических стенок.

Однако наличие части 46 с углублением, предотвращающей неправильное соединение, вызывает модификацию потока тангенциальных механических напряжений 62 в радиальном фланце 38 лабиринтного уплотнительного устройства. Действительно, вследствие смещения радиально внутрь донной зоны 54 по меньшей мере одной части 46 с углублением поток тангенциальных механических напряжений 62 также смещается радиально внутрь на уровне части 46 с углублением, предотвращающей неправильное соединение.

Это изменение потока приводит к увеличению механических напряжений в выпуклых частях 49, примыкающих к части 46 с углублением, предотвращающей неправильное соединение. Механические напряжения являются максимальными в зонах 57 соединения выпуклых частей 49 с частями 44 с углублениями, располагающимися по одну и по другую стороны от части 46 с углублением, предотвращающей неправильное соединение. Отмечается также увеличение тангенциальных механических напряжений в частях 64 кромок отверстий 58 примыкающих выпуклых частей 49, которые располагаются в окружном направлении напротив зон 57 соединения с упомянутыми максимальными механическими напряжениями.

Это изменение потока механических напряжений может вызывать образование разрывов или трещин и может, таким образом, оказывать негативное влияние на механическую прочность в процессе функционирования этого фланца.

В соответствии с предлагаемым изобретением эти недостатки устраняются благодаря тому обстоятельству, что обе части 66 с углублениями, располагающиеся по одну и по другую стороны от части 46 с углублением, предотвращающей неправильное соединение, имеют донную зону 68 искривленной вогнутой формы, которая располагается радиально снаружи по отношению к донной зоне 70 других частей 72 с углублениями (см. фиг.3).

Таким образом, тангенциальные механические напряжения распределяются по длине искривленных вогнутых донных зон 68 частей 66 с углублениями, располагающихся по одну и по другую стороны от части 46 с углублением, предотвращающей неправильное соединение, что исключает увеличение механических напряжений в зонах 57, связывающих искривленные вогнутые донные зоны 68 с выпуклыми частями 49, примыкающими к части 46 с углублением, предотвращающей неправильное соединение. Уровень механических напряжений снижается также и на кромках отверстий 58 этих смежных выпуклых частей 49.

В соответствии с одним вариантом реализации предлагаемого изобретения, представленным на фиг.4, формирование фестонов реализуется на наружной периферийной части кольцевого фланца. В этом случае часть 74 с углублением, предотвращающая неправильное соединение, имеет плоскую донную зону 73, которая располагается в радиальном направлении снаружи от окружности 75, центрированной на оси фланца и являющейся касательной изнутри к отверстиям 58 выпуклых частей 48, 49. При этом части 76 с углублениями, располагающиеся по одну и по другую стороны от части 74 с углублением, предотвращающей неправильное соединение, имеют искривленную вогнутую донную зону 78, располагающуюся в радиальном направлении изнутри по отношению к плоским донным зонам 80 других частей 82 с углублениями.

Искривленные вогнутые донные зоны 68, 78 внутренней периферийной части или наружной периферийной части представляют собой дуги окружности, имеющей радиус R2, соединяющиеся с примыкающими выпуклыми частями 48, 49 при помощи дуг окружности 56, 57, имеющей радиус R1, меньший, чем радиус R2 искривленных вогнутых донных зон.

Радиус R2 искривленных вогнутых донных зон 68, 78 превышает или равен утроенной величине радиуса R1 дуг 56, 57 окружности соединения с примыкающими выпуклыми частями 48, 49.

Радиус R1 может иметь величину от 4 мм до 6 мм.

В соответствии с другим вариантом реализации предлагаемого изобретения кольцевой фланец 38 содержит по меньшей мере одну часть 46, 74 с углублением, предотвращающую неправильное соединение, на своей внутренней периферийной части или на наружной периферийной части, и все другие части 72, 82 с углублениями имеют искривленную вогнутую донную зону 68, 78, как об этом уже было сказано выше.

В соответствии с конкретной реализацией предлагаемого изобретения, где формирование фестонов реализуется на наружной периферийной части кольцевого фланца, расстояние, разделяющее центры двух диаметрально противоположных отверстий 58, составляет 530 миллиметров. Искривленные вогнутые донные зоны 78 проходят на расстоянии примерно 15 миллиметров от упомянутой дуги и имеют радиус R2, составляющий порядка 18 мм.

Реализация искривленных вогнутых донных зон 68, 78 описанного выше типа может быть осуществлена простым образом на фланцах, уже содержащих часть 46, 74 с углублением, предотвращающую неправильное соединение, поскольку для этого достаточно дополнительно механически обработать части 66, 76 с углублениями, располагающиеся по одну и по другую стороны от этой части 46, 74 с углублением, предотвращающей неправильное соединение.

Радиальный кольцевой фланец элемента ротора или статора турбины газотурбинного двигателя содержит на внутренней периферийной части или на наружной периферийной части, соответственно, чередующиеся выпуклые части и части с углублениями, содержащие донные зоны. Выпуклые части содержат отверстия для болтов крепления. Донная зона части с углублением, предотвращающей неправильное соединение, на внутренней периферийной части или на наружной периферийной части, соответственно, располагается радиально внутри или снаружи, соответственно, по отношению к окружности, центрированной на оси фланца и касательной снаружи или изнутри, соответственно, к отверстиям выпуклых частей. Обе части с углублениями, располагающиеся по одну и по другую стороны от части с углублением, предотвращающей неправильное соединение, имеют донную зону вогнутой формы, располагающуюся радиально снаружи или изнутри, соответственно, по отношению к по существу плоским донным зонам других частей с углублениями. Другие изобретения группы относятся к турбине низкого давления, содержащей указанный выше кольцевой фланец, а также газотурбинному двигателю, включающему такую турбину. Группа изобретений позволяет повысить надежность кольцевого фланца за счет снижения вероятности образования трещин в зонах концентрации напряжений. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Радиальный кольцевой фланец (38) элемента ротора или статора турбины для газотурбинного двигателя, содержащий на внутренней периферийной части (или на наружной периферийной части, соответственно) чередующиеся между собой выпуклые части (48, 49) и части (46, 66, 72, 74, 76, 82) с углублениями, содержащие донные зоны (54, 68, 70, 73, 78, 80), причем упомянутые выпуклые части (48, 49) содержат отверстия (58), предназначенные для прохождения болтов крепления, донная зона (54, 73) по меньшей мере одной части (46, 74) с углублением, предотвращающей неправильное соединение, на внутренней периферийной части (или на наружной периферийной части, соответственно) располагается радиально внутри (или снаружи, соответственно) по отношению к окружности (60, 75), центрированной на оси фланца и являющейся касательной снаружи (или изнутри, соответственно) к отверстиям (58) выпуклых частей (48, 49), при этом обе части (66, 76) с углублениями, располагающиеся по одну и по другую стороны от части (46, 74) с углублением, предотвращающей неправильное соединение, имеют донную зону (68, 78) искривленной вогнутой формы, располагающуюся радиально снаружи (или изнутри, соответственно) по отношению к по существу плоским донным зонам (54, 70, 73, 80) других частей (72, 82) с углублениями.

2. Фланец по п.1, отличающийся тем, что искривленные вогнутые донные зоны (68, 78) двух упомянутых частей (66, 76) с углублениями выполнены в виде дуги окружности, имеющей радиус R2.

3. Фланец по п.2, отличающийся тем, что искривленные вогнутые донные зоны (68, 78) двух упомянутых частей (66, 76) с углублениями соединяются с примыкающими выпуклыми частями при помощи дуг окружности, имеющей радиус R1.

4. Фланец по п.3, отличающийся тем, что радиус R2 искривленной вогнутой донной зоны (68, 78) двух упомянутых частей (66, 76) с углублениями превышает радиус R1 соединений (56, 57) с примыкающими выпуклыми частями.

5. Фланец по п.4, отличающийся тем, что радиус R2 искривленной вогнутой донной зоны (68, 78) двух упомянутых частей (66, 76) с углублениями превышает или равен утроенной величине радиуса R1 соединений (56, 57) с примыкающими выпуклыми частями.

6. Фланец по п.3, отличающийся тем, что радиус R1 соединений (56, 57) имеет величину в диапазоне от 4 мм до 6 мм.

7. Фланец по п.2, отличающийся тем, что искривленные вогнутые донные зоны (68, 78) двух упомянутых частей (66, 76) с углублениями имеют радиус, составляющий примерно 18 мм.

8. Турбина низкого давления для газотурбинного двигателя, отличающаяся тем, что содержит по меньшей мере один кольцевой фланец (38) по п.1.

9. Газотурбинный двигатель типа турбореактивного или турбовинтового двигателя, отличающийся тем, что этот двигатель имеет в своем составе турбину низкого давления по п.8.