РАБОЧЕЕ КОЛЕСО РОТОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ДЕМПФИРОВАНИЕМ ВИБРАЦИОННЫХ КОЛЕБАНИЙ Российский патент 2015 года по МПК F01D5/30 F01D5/26 

Изобретение относится к области турбомашиностроения и, в частности, может быть реализовано в конструкции роторов осевых компрессоров и турбин.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявленному изобретению является рабочее колесо ротора газотурбинного двигателя, описанное в пат. DE 1024983 (F01D 5/30, 27.02.1958), включающее диск ротора с кольцевой канавкой, в которой посредством хвостовиков закреплены множество лопаток ротора, и фиксирующие устройства. Контакт между соседними лопатками осуществляется за счет клиновых соединений, количество которых должно совпадать с количеством лопаток, что утяжеляет конструкцию. При этом контакт между элементами рабочего колеса возникает только при вращении ротора во время работы двигателя.

Однако в известном решении для обеспечения требуемых запасов прочности при отсутствии демпфирования колебаний лопаток ротор имеет увеличенную массу из-за переразмеренных габаритов и массы хвостовиков лопаток.

Задачей настоящего изобретения является снижение вибронапряжений на лопатках. Технический результат - обеспечение минимальных габаритов и массы ротора при требуемых запасах прочности, увеличение ресурса газотурбинного двигателя за счет внедрения системы демпфирования колебаний лопаток без использования дополнительных деталей и элементов.

Технический результат достигается тем, что в рабочем колесе ротора газотурбинного двигателя содержится диск ротора с кольцевой канавкой, в которой посредством хвостовиков закреплены лопатки ротора, и, по крайней мере, одно фиксирующее устройство. Колесо ротора снабжено, по крайней мере, одним отверстием, выполненным в основании канавки диска, лопатки ротора сопряжены между собой по торцам полок, а фиксирующее устройство содержит фиксатор и стопорный элемент с резьбовым и гладким участками. При этом стопорный элемент гладким участком установлен в отверстии, а фиксатор выполнен в виде клина, размещен на резьбовом участке стопорного элемента большей стороной по направлению к оси диска и образует между соседними хвостовиками лопаток клиновое соединение.

При работе газотурбинного двигателя возникают нежелательные колебания лопаток, в результате которых на лопатки действуют переменные механический нагрузки, снижающие надежность работы газотурбинного двигателя и ограничивающие его ресурс. Процесс демпфирования снижает уровень колебаний. Демпфирование колебаний лопаток газотурбинного двигателя возможно организовать за счет создания трения между лопатками в месте их сопряжения по торцам полок. Для обеспечения трения необходимо создать контактное усилие в стыках полок, для чего необходимо прижать соседние лопатки друг к другу.

В предлагаемом изобретении фиксирующее устройство выполняет следующие функции. Во-первых, фиксирующее устройство осуществляет передачу окружных усилий от лопаток к диску через стопорный элемент для фиксации лопаток от перемещения в окружном направлении. Во-вторых, фиксирующее устройство способствует преобразованию центробежной силы, действующей на него, в окружное усилие, прижимающее лопатки друг к другу. Для реализации указанных функций фиксирующие устройства имеют фиксаторы, которые выполняют в форме клина и устанавливают на стопорных элементах большей стороной по направлению к оси диска, при этом стопорные элементы размещены в отверстиях, выполненных в канавке диска. Установка фиксатора большей стороной по направлению к оси диска является одним из условий создания клинового соединения. Поскольку в клиновом соединении контактные поверхности располагаются под углом к радиальным осям рабочего колеса, то центробежная сила, действующая на фиксирующий элемент при работе газотурбинного двигателя, раскладывается в окружном направлении и прижимает лопатки друг к другу. Для обеспечения контакта хвостовиков лопаток с фиксирующими устройствами по плоскости смежные с ними грани хвостовиков выполняют под углом к вертикальной оси хвостовика. Дополнительно, для гарантированного контакта в клиновом соединении хвостовиков лопаток с фиксатором между фиксатором и контактными гранями канавки диска обеспечивают наличие зазора. Стопорный элемент через отверстия в фиксаторе и диске удерживает фиксатор и лопатки рабочего колеса в заданном положении. Таким образом, выполнение фиксирующего элемента согласно предлагаемому изобретению позволяет одновременно зафиксировать лопатки от перемещения в окружном направлении и обеспечить прижатие лопаток друг к другу без внедрения дополнительных деталей. При работе газотурбинного двигателя контактное усилие в стыках полок лопаток возрастает за счет воздействия на фиксаторы центробежной силы и преобразования ее через клиновое соединение в контактное усилие. Тем самым на всех режимах работы газотурбинного двигателя обеспечивается требуемое контактное усилие для надежного демпфирования лопаток. Количество фиксирующих устройств и стопорных элементов зависит от количества лопаток, размеров хвостовиков, габаритов рабочего колеса.

Изобретение проиллюстрировано чертежами 1-4

Фиг. 1 - продольный разрез замкового соединения;

Фиг. 2 - замковое соединение в поперечном сечении ротора;

Фиг. 3 - вид А на наружную поверхность рабочего колеса;

Фиг. 4 - 3D изображение фрагмента рабочего колеса.

1 - диск ротора; 2 - канавка диска; 3 - лопатка; 4 - хвостовик; 5 - фиксатор; 6 - зазор; 7 - стопорный элемент; 8 - резьбовая часть стопорного элемента; 9 - гладкая часть стопорного элемента; 10 - отверстие в канавке диска, 11 - полка лопатки.

Диск ротора 1 имеет кольцевую канавку 2, в которой закрепляют лопатки 3 посредством хвостовиков 4. В канавке 2 диска 1 между хвостовиками 4 лопаток 3 размещен фиксатор 5. Между фиксатором 5 и контактными гранями канавки 2 диска 1 имеется зазор 6. Фиксатор 5 закреплен в канавке 2 диска 1 с помощью стопорного элемента 7. Стопорный элемент 7 имеет резьбовую часть 8 и гладкую часть 9. Гладкая часть 9 размещена в отверстии 10, выполненном в канавке 2 диска 1. Верхняя часть стопорного элемента 7 зафиксирована в полках 11 лопаток 3.

Предлагаемое изобретение реализуют следующим образом. В заводное окно канавки 2 диска 1 последовательно устанавливают лопатки 3 и фиксаторы 5. В одном из вариантов исполнения фиксатор 5 имеет трапецеидальное продольное сечение, внешняя поверхность фиксатора 5 повторяет форму хвостовиков 4 лопаток 3. Фиксатор 5 размещают между лопатками 3 и создают с хвостовиками 4 лопаток 3 клиновое соединение. Фиксатор 5 закрепляют в канавке 2 диска 1 с помощью стопорного элемента 7, который размещают в сквозном отверстии, выполненном в фиксаторе 5. Стопорный элемент 7 посредством резьбовой части 8 крепят к фиксатору 5. Гладкую часть 9 стопорного элемента 7 размещают в отверстии 10 канавки 2 диска 1. От вворачивания стопорный элемент 7 стопорится за счет развальцовки внешней части в специальных фрезеровках, выполненных в полках 11 замковых лопаток 3. Между фиксатором 5 и контактными гранями канавки 2 диска 1 обеспечивают наличие зазора 6. Данная конструкция является наиболее технологичной и надежной, обеспечивает демпфирование лопаток без внедрения дополнительных элементов.

Лопаточный венец смещают на ¹/₂ расстояния между соседними лопатками 3 до совмещения отверстий 10 под стопорные элементы 7 в канавке 2 диска 1 и отверстий в фиксаторе 5. В резьбовую часть 8 совмещенного отверстия, выполненного в фиксаторе 3, заворачивают стопорный элемент 7 до упора в дно отверстия 10 в канавке 2 диска 1. Фиксатор 5 поджимают к хвостовикам 4 лопаток 3, образуя клиновое соединение и обеспечивая монтажное контактное усилие по смежным поверхностям полок 11 лопаток 3.

На хвостовиках 4 рабочих лопаток 3 устанавливают тензодатчики и на рабочих оборотах замеряют механическое напряжение в хвостовиках, значение которого составляет 22 кгс/мм². Для прототипа механическое напряжение в хвостовиках рабочих лопаток составляет 25 кгс/мм².

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет снизить вибронапряжения на лопатках на 10%, что увеличивает ресурс двигателя минимум на 300 ч.

Изобретение относится к области турбомашиностроения и, в частности, может быть реализовано в конструкции роторов осевых компрессоров и турбин. Рабочее колесо ротора газотурбинного двигателя содержит диск ротора с кольцевой канавкой, в которой посредством хвостовиков закреплены лопатки ротора, и, по крайней мере, одно фиксирующее устройство. Колесо снабжено, по крайней мере, одним отверстием, выполненным в основании канавки диска, а лопатки ротора сопряжены между собой по торцам полок. Фиксирующее устройство содержит фиксатор и стопорный элемент с резьбовым и гладким участками, причем гладким участком стопорный элемент установлен в отверстии. Фиксатор выполнен в виде клина, размещен на резьбовом участке стопорного элемента большей стороной по направлению к оси диска и образует между соседними хвостовиками лопаток клиновое соединение. Изобретение позволяет обеспечить минимальные габариты и массу ротора при требуемых запасах прочности, увеличить ресурс газотурбинного двигателя за счет внедрения системы демпфирования колебаний лопаток без использования дополнительных деталей и элементов. 4 ил.

Рабочее колесо ротора газотурбинного двигателя, содержащее диск ротора с кольцевой канавкой, в которой посредством хвостовиков закреплены лопатки ротора, и, по крайней мере, одно фиксирующее устройство, отличающееся тем, что колесо снабжено, по крайней мере, одним отверстием, выполненным в основании канавки диска, лопатки ротора сопряжены между собой по торцам полок, а фиксирующее устройство содержит фиксатор и стопорный элемент с резьбовым и гладким участками, при этом стопорный элемент гладким участком установлен в отверстии, а фиксатор выполнен в виде клина, размещен на резьбовом участке стопорного элемента большей стороной по направлению к оси диска и образует между соседними хвостовиками лопаток клиновое соединение.