ТУРБИНА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, ДИСК И КОНУСНАЯ ЦАПФА ТУРБИНЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ, ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2014 года по МПК F01D5/06 

Настоящее изобретение касается турбины низкого давления для газотурбинного двигателя, содержащей лопаточные диски, соединенные с валом турбины через конусную цапфу, которая служит для осевого позиционирования дисков турбины, для передачи крутящего момента и в качестве опоры для различных уплотнительных органов. Диски турбины закреплены на конусной цапфе при помощи кольцевых фланцев с выступами, которые находятся на внутренней периферии дисков турбины и на наружной периферии конусной цапфы соответственно и которые образованы чередованием полых частей и сплошных частей, при этом полые части позволяют уменьшить массу, а сплошные части содержат отверстия для прохождения крепежных органов, таких как болты.

Как правило, сплошные части фланцев с выступами ограничены выпуклыми закруглениями, которые соединены вогнутыми закруглениями с внутренней периферией диска турбины или с наружной периферией конусной цапфы соответственно.

Во время работы газотурбинного двигателя передача крутящего момента от дисков турбины на вал турбины через конусную цапфу приводит к концентрациям напряжений в основании сплошных частей фланцев с выступами и создает риск сдвига этих сплошных частей, при этом напряжения представляют собой растяжение, с одной стороны, и сжатие, с другой стороны, для каждой сплошной части фланцев с выступами. Задачей настоящего изобретения является устранение этого недостатка известного технического решения.

В этой связи, объектом изобретения является турбина низкого давления газотурбинного двигателя, содержащая лопаточные диски, соединенные с валом турбины через конусную цапфу, при этом лопаточные диски и конусная цапфа содержат на своих внутренней и наружной перифериях соответственно кольцевые фланцы с выступами, образованные чередованием сплошных частей и полых частей, при этом сплошные части содержат отверстия для прохождения крепежных органов, отличающаяся тем, что каждая сплошная часть упомянутого диска соединена с периферией диска или конусной цапфы соответственно посредством двух вогнутых закруглений, которые являются асимметричными.

Асимметрия соединения сплошных частей фланцев позволяет усилить зоны этих фланцев, в наибольшей степени подвергающиеся напряжениям во время работы, сбалансировать напряжения с каждой стороны сплошных частей фланцев, ограничить их деформации и увеличить срок их службы.

В предпочтительном варианте выполнения два вогнутых закругления, которые соединяют сплошную часть фланца с периферией диска турбины или конусной цапфы, имеют разные радиусы кривизны, и для конусной цапфы радиус кривизны вогнутого закругления, которое находится спереди относительно направления вращения, меньше радиуса кривизны другого вогнутого закругления, причем это расположение является противоположным для дисков турбины.

В примере выполнения, радиус кривизны вогнутого закругления, которое находится спереди относительно направления вращения, в 2-2,8 раза меньше радиуса кривизны другого вогнутого закругления сплошных частей фланцев с выступами.

Объектом изобретения является также диск турбины низкого давления газотурбинного двигателя, отличающийся тем, что содержит кольцевой фланец с выступами, сплошные части которого соединены с периферией диска двумя вогнутыми закруглениями, которые являются асимметричными и имеют разные радиусы кривизны, как было указано выше.

Объектом изобретения является также конусная цапфа газотурбинного двигателя, содержащая кольцевой фланец с выступами, сплошные части которого соединены с периферией конусной цапфы двумя вогнутыми закруглениями, которые являются асимметричными и имеют разные радиусы кривизны, как было указано выше.

Объектом изобретения является также газотурбинный двигатель, отличающийся тем, что содержит описанную выше турбину низкого давления.

Настоящее изобретение, его другие отличительные признаки, детали и преимущества будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - схематичный половинный вид в осевом разрезе турбины низкого давления в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.2 - частичный вид в перспективе и в разрезе фланцев крепления дисков турбины и конусной цапфы.

Фиг.3 - схематичный частичный увеличенный вид сплошной части фланца с выступами конусной цапфы.

Сначала рассмотрим фиг.1, где схематично показана турбина низкого давления в соответствии с настоящим изобретением для газотурбинного двигателя, такого как авиационный турбореактивный или турбовинтовой двигатель.

Как известно, турбина низкого давления содержит несколько турбинных колес, расположенных последовательно внутри картера 10, при этом каждое колесо находится на выходе неподвижного направляющего аппарата 12 и содержит диск 14, на наружной периферии которого установлены лопатки 16.

В представленном примере турбина низкого давления содержит четыре диска 14, лопатки которых имеют длину, постепенно увеличивающуюся от входа к выходу относительно направления потока газов, выходящих из камеры сгорания газотурбинного двигателя.

Находящийся ближе всего к входу диск 14 содержит на своей выходной стороне кольцевой фланец 18, при помощи которого его крепят к входному кольцевому фланцу следующего диска турбины.

Находящийся ближе всего к выходу диск 14 содержит входной кольцевой фланец 18, при помощи которого его крепят к выходному кольцевому фланцу предыдущего диска 14 турбины.

Каждый из двух промежуточных дисков 14 содержит кольцевой фланец 18 крепления на кольцевом фланце 20 конусной цапфы 22, расположенной радиально внутри дисков 14 турбины и содержащей на своем радиально внутреннем конце кольцевой фланец 24 крепления на кольцевом фланце 26 вала турбины.

Как более наглядно показано на фиг.2, кольцевые фланцы 18 дисков 14 и 20 конусной цапфы 22 выполнены с выступами, то есть образованы чередованием сплошных частей и полых частей, при этом сплошные части имеют выпуклую закругленную форму и содержат отверстия 28 для прохождения крепежных органов, таких как болты.

Каждая сплошная часть 30 кольцевого фланца с выступами диска 14 турбины или конусной цапфы 22 соединяется с периферией диска 14 или конусной цапфы через два вогнутых закругления 32, 34 соответственно (фиг.3).

Согласно изобретению, эти два вогнутых закругления 32, 34 являются асимметричными, и их асимметрия предназначена для обеспечения равномерности напряжений в основании 36 сплошной части 30, при этом напряжения связаны с передачей крутящего момента между дисками турбины и валом турбины во время работы газотурбинного двигателя.

Направление вращения турбины обозначено на фиг.3 стрелкой F, при этом напряжения, которые концентрируются вблизи вогнутого закругления 34, которое находится спереди относительно направления вращения, являются напряжениями сжатия, а напряжения, которые концентрируются вблизи вогнутого закругления 32, находящегося сзади относительно направления вращения, являются напряжениями растяжения. Напряжения растяжения вблизи вогнутого закругления 32 добавляются к напряжениям растяжения, связанным с центробежными силами во время вращения. Эта концентрация напряжений может привести к разрыву сплошной части 30 из-за сдвига ее основания по истечении некоторого срока службы.

Чтобы избежать этого явления, два вогнутых закругления 32, 34 сплошных частей фланца с выступами выполнены асимметричными и в наиболее простом варианте выполнения имеют разные радиусы кривизны. Эта разность радиусов кривизны закруглений 32 и 34 позволяет сбалансировать напряжения вокруг двух вогнутых закруглений во время передачи крутящего момента между дисками турбины и конусной цапфой.

В примере выполнения радиус кривизны переднего вогнутого закругления 34 для конусной цапфы, которая является ведомой деталью, в 2-2,8 раза меньше, чем радиус кривизны вогнутого закругления 32, находящегося сзади относительно направления вращения (находящееся спереди вогнутое закругление 34 соответствует известным техническим решениям).

В примере выполнения изобретения конусная цапфа 22 имеет диаметр 530 мм, сплошные части 30 кольцевого фланца с выступами конусной цапфы имеют наружный радиус 520 мм, радиус кривизны переднего закругления 34 равен 5 мм, и радиус кривизны заднего вогнутого закругления 32 равен 12 мм.

Сплошные части зубчатых кольцевых фланцев 18 дисков турбины, которые являются ведущими деталями, имеют конфигурацию, противоположную показанной на фиг.3, то есть вогнутые закругления соединения их сплошных частей с перифериями дисков являются асимметричными, при этом вогнутые закругления, находящиеся с передней стороны относительно направления вращения, имеют радиусы кривизны, превышающие радиусы кривизны вогнутых закруглений, находящихся с другой стороны сплошных частей.

Если радиус находящегося спереди вогнутого закругления 34 для сплошной части фланца 20 с выступами конусной цапфы в 2-2,8 раза меньше радиуса кривизны находящегося сзади вогнутого закругления, вогнутые закругления соединения сплошных частей фланцев с выступами дисков турбины, находящиеся сзади относительно направления вращения, имеют радиусы в 2-2,8 меньше радиусов кривизны вогнутых закруглений, находящихся спереди.

Это позволяет ограничить деформации сплошных частей во время работы, сбалансировать напряжения с каждой стороны этих сплошных частей и увеличить срок службы конусной цапфы и кольцевых фланцев крепления дисков турбины.

Турбина низкого давления газотурбинного двигателя содержит лопаточные диски, соединенные с валом турбины через конусную цапфу. Лопаточные диски и конусная цапфа содержат на своей внутренней и наружной периферии, соответственно, кольцевые фланцы с выступами, образованными чередованием сплошных частей и полых частей. Сплошные части содержат отверстия для прохождения крепежных органов. Каждая сплошная часть соединена с периферией диска или конусной цапфы, соответственно, посредством двух вогнутых закруглений, которые являются асимметричными. Другие изобретения группы относятся к диску и конусной цапфе указанной выше турбины низкого давления, а также к газотурбинному двигателю, содержащему такую турбину. Группа изобретений позволяет увеличить срок службы фланцев диска и конусной цапфы турбины низкого давления. 4 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Турбина низкого давления газотурбинного двигателя, содержащая лопаточные диски (14), соединенные с валом турбины через конусную цапфу (22), при этом лопаточные диски (14) и конусная цапфа содержат на своей внутренней и наружной периферии соответственно кольцевые фланцы (18, 20) с выступами, образованные чередованием сплошных частей (30) и полых частей, при этом сплошные части содержат отверстия (28) для прохождения крепежных органов, причем каждая сплошная часть (30) соединена с периферией диска (14) или конусной цапфы (22) соответственно посредством двух вогнутых закруглений (32, 34), которые являются асимметричными.

2. Турбина по п.1, в которой два вогнутых закругления (32, 34) имеют разные радиусы кривизны.

3. Турбина по п.2, в которой радиус кривизны вогнутого закругления (34), которое находится спереди относительно направления вращения F, меньше радиуса кривизны другого вогнутого закругления (32) для конусной цапфы, а вогнутые закругления, находящиеся с передней стороны относительно направления вращения, имеют радиусы кривизны, превышающие радиусы кривизны вогнутых закруглений, находящихся с другой стороны сплошных частей зубчатых кольцевых фланцев (18) дисков турбины.

4. Турбина по п.3, в которой радиус кривизны вогнутого закругления (34), которое находится спереди относительно направления вращения F, в 2-2,8 раза меньше радиуса кривизны другого вогнутого закругления (32) для конусной цапфы, а вогнутые закругления, находящиеся с передней стороны относительно направления вращения F, имеют радиусы кривизны, превышающие в 2-2,8 раза радиусы кривизны вогнутых закруглений, находящихся с другой стороны сплошных частей зубчатых кольцевых фланцев (18) дисков турбины.

5. Диск турбины низкого давления газотурбинного двигателя по п.1, содержащий кольцевой фланец с выступами.

6. Конусная цапфа турбины низкого давления газотурбинного двигателя по п.1, содержащая кольцевой фланец (20) с выступами.

7. Газотурбинный двигатель, такой как авиационный турбореактивный или турбовинтовой двигатель, отличающийся тем, что содержит турбину низкого давления по п.1.