Узел соединения роторов компрессора и турбины газотурбинного двигателя Российский патент 2021 года по МПК F02C7/36 

Изобретение относится к газотурбинному двигателестроению и может найти применение в двигателях авиационного и наземного применения.

В качестве прототипа выбран узел соединения роторов компрессора и турбины газотурбинного двигателя (далее ГТД), содержащий вал компрессора высокого давления (далее КВД) и вал турбины высокого давления (далее ТВД), соединенные посредством фланцевого соединения, в котором концы фланцев направлены внутрь валов и зубчатого соединения Хирта, а именно, на торцах фланцев валов по окружности выполнены два ряда радиальных зубьев, а также уплотнительный кольцевой элемент, установленный между внутренними поверхностями фланцев валов.

Сведения о прототипе представлены в патенте ЕР 3495642, фиг. 8.

Недостатки известного решения

Конструкция уплотнения в прототипе слишком усложнена, а именно, в канавке кольца установлено два уплотнительных кольцевых элемента, при этом кольцо установлено одним торцом в паз одного ротора, а с другой стороны зафиксировано от проворота шлицевым соединением с другим ротором.

Наличие между роторами уплотнительного элемента один торец которого центрируется в кольцевой проточке ротора КВД, а другой торец со шлицевым элементом центрируется с фланцем ротора ТВД, может отрицательно повлиять (при неблагоприятном сочетании допусков в процессе механической обработки кольца) на точность взаимной центровки хиртового соединения роторов при сборке изделия. Это приведет к дисбалансу при работе изделия.

На внутренней поверхности кольца уплотнительного элемента не предусмотрен технологический выступ для удобства демонтажа уплотнительного элемента. Демонтаж уплотнительного элемента без специальной технологической оснастки может привести к повреждению поверхности одной из деталей уплотнения.

Техническим результатом, достигаемым при использовании заявленного технического решения является упрощение конструкции.

Указанный технический результат достигается тем, что в узле соединения роторов компрессора и турбины газотурбинного двигателя, содержащем вал компрессора высокого давления и вал турбины высокого давления, соединенные посредством фланцевого соединения, в котором концы фланцев направлены внутрь валов и зубчатого соединения Хирта, а именно, на торцах фланцев валов по окружности выполнены два ряда радиальных зубьев, между которыми выполнена кольцевая канавка с плоским дном, в котором выполнены сквозные отверстия, в которых в свою очередь с радиальными зазорами установлены болты, при этом между внутренними поверхностями фланцев валов установлен кольцевой элемент, контактирующий участком своей наружной поверхности с внутренней поверхностью фланца вала компрессора высокого давления, а между внутренней поверхностью фланца вала турбины высокого давления и наружной поверхностью кольцевого элемента образован зазор, причем со стороны наружной поверхности кольцевого элемента выполнена кольцевая канавка, в которой с радиальным зазором установлено разрезное кольцо, контактирующее наружной поверхностью с участком внутренней поверхности фланца вала турбины высокого давления, кроме того кольцевой элемент жестко зафиксирован относительно фланца вала компрессора высокого давления посредством фланца с отверстиями под упомянутые болты, выполненного с кольцевым элементом за одно целое и установленного между шляпками болтов и близлежащим торцом фланца вала компрессора высокого давления, при этом на болтах установлены самоконтрящиеся гайки, контактирующие по торцам с натягом с фланцем вала турбины высокого давления.

Предложенная конструкция уплотнения состоит всего из двух деталей - Г-образного уплотнительного кольца и упругого разрезного кольца, при этом обеспечивается гарантированная герметичность стыка фланцев роторов.

Фланец с отверстиями, принадлежащий кольцевому элементу уплотнения, позволяет использовать его для предотвращения проворота уплотнительного элемента относительно роторов КВД и ТВД.

Кроме того требуется выполнить внутреннюю поверхность внутреннего ряда радиальных зубьев, выполненных на торце фланца вала турбины высокого давления, конической относительно продольной оси узла, где большее основание конуса выполнено со стороны фланца вала компрессора высокого давления. Коническая поверхность необходима для обжатия упругого разрезного кольца в радиальном направлении (радиальный размер канавки должен быть больше чем радиальный размер разрезного кольца) при осевом перемещении ротора ТВД в процессе стыковки с ротором КВД.

В частном случае реализации разрезное кольцо выполнено прямоугольного или квадратного сечения, причем концевые участки разрезного кольца выполнены внахлест. Стык концевых участков разрезного кольца внахлест значительно повышает герметичность уплотнительного элемента.

Преимущественно радиальный размер кольцевой канавки, выполненной между двумя рядами радиальных зубьев следует выполнить большим, чем диаметр сквозных отверстий, так как пересечение поверхностей радиального шлицевого соединения и поверхностей осевых отверстий может привести к образованию трещин на фланцах роторов КВД и ТВД.

В частном случае реализации разрезное кольцо может быть выполнено из проволоки круглого сечения без стыка концевых участков внахлест. Разрезное кольцо круглого сечения проще изготовить, а отсутствие стыка концевых участков кольца внахлест не приводит к существенному ухудшению герметичности уплотнительного элемента.

Радиальный размер кольцевой канавки выполнен больше радиальный размер разрезного кольца, это необходимо для возможности обжатия кольца в радиальном направлении при стыковке фланцев 3, 4 в процессе сборки изделия.

Сущность настоящего изобретения поясняется фигурами чертежей.

На Фигуре 1 изображен продольный разрез узла соединения роторов КВД и ТВД ГТД.

На фигуре 2 - увеличенный фрагмент А.

Узел соединения роторов компрессора и турбины ГТД содержит вал КВД 1 и вал ТВД 2, соединенные посредством фланцевого соединения, в котором концы фланцев 3 и 4 направлены внутрь валов 1 и 2 и зубчатого соединения Хирта 5, а именно: на торцах фланцев 3 и 4 валов 1, 2 по окружности выполнены два ряда радиальных зубьев, между которыми выполнена кольцевая канавка 6 с плоским дном, в котором выполнены сквозные отверстия 7, в которых в свою очередь с радиальными зазорами установлены болты 8.

Между внутренними поверхностями фланцев 3, 4 валов 1, 2 установлен кольцевой элемент 9, контактирующий участком своей наружной поверхности с внутренней поверхностью фланца 3 вала КВД 1, а между внутренней поверхностью фланца 4 вала ТВД 2 и наружной поверхностью кольцевого элемента 9 образован зазор 10.

При этом со стороны наружной поверхности кольцевого элемента 9 выполнена кольцевая канавка 11, в которой с радиальным зазором 12 установлено разрезное кольцо 13, контактирующее наружной поверхностью с участком внутренней поверхности фланца 4 вала ТВД 2.

Кольцевой элемент 9 жестко зафиксирован относительно фланца вала КВД 1 посредством фланца 14 с отверстиями 15 под упомянутые болты 8, выполненного с кольцевым элементом 9 за одно целое и установленного между шляпками 16 болтов 8 и близлежащим торцом фланца вала КВД 1.

На болтах 8 установлены самоконтрящиеся гайки 17, контактирующие по торцам с натягом с фланцем вала ТВД 2.

Внутренняя поверхность 18 внутреннего ряда радиальных зубьев, выполненных на торце фланца вала ТВД 2, выполнена конической относительно продольной оси узла, где большее основание конуса выполнено со стороны фланца вала КВД 1.

В случае выполнения разрезного кольца прямоугольного или квадратного сечения, концевые участки разрезного кольца 13 выполнены внахлест (на чертеже не показано).

Разрезное кольцо 13 в частном случае реализации может быть выполнено из проволоки круглого сечения без соединения его концевых участков внахлест (на чертеже не показано).

Радиальный размер кольцевой канавки 11 выполнен больше чем радиальный размер разрезного кольца 13.

Уплотнение радиального зазора под фланцем 4 ротора турбины обеспечивается за счет постоянного упора наружной поверхности упругого поршневого кольца 13 во внутреннюю поверхность фланца 4 ротора турбины. При этом уплотнительный узел и фланец ротора ТВД 4 не связаны друг с другом в осевом и радиальном направлении.

Кроме того в процессе работы ГТД герметичность уплотнительного узла повышается за счет воздействия на поршневое кольцо 13 центробежной силы (усиливается упор во внутреннюю поверхность фланца 4 ротора ТВД) и перепада давления воздуха (упор кольца 13 в вертикальную поверхность канавки кольца 9).

Сборка роторов КВД и ТВД происходит следующим образом. На фланец вала КВД 1 устанавливается с минимально возможным радиальным зазором Г-образное кольцо 9. Затем в отверстия 7 фланца вала КВД 1 и отверстия 15 кольца 9 устанавливаются и фиксируются болты 8. После этого в кольцевой паз кольца 9 устанавливается разрезное кольцо 13. После этого осуществляется стыковка валов 1, 2, в процессе которой кольцо 9 и кольцо 13 не мешают корректной совместной центровке хиртового соединения 5 фланцев 3, 4. Это возможно потому, что между наружной поверхностью кольца 9 и внутренней поверхностью фланца вала ТВД 4 предусмотрен достаточный радиальный зазор, а наружный диаметр поршневого кольца 13, при осевом перемещении вала ТВД 2, постепенно уменьшается за счет его сдавливания конусообразной поверхностью фланца 4 вала 2 ротора ТВД. После этого шлицевые поверхности 5 фланцев 3, 4 окончательно обжимаются в осевом направлении за счет затяжки гаек 17 строго определенным усилием.

Изобретение относится к газотурбинному двигателестроению и может найти применение в двигателях авиационного и наземного применения. В узле соединения роторов компрессора и турбины газотурбинного двигателя, содержащем вал компрессора высокого давления и вал турбины высокого давления, соединенные посредством фланцевого соединения, в котором концы фланцев направлены внутрь валов и зубчатого соединения Хирта, а именно: на торцах фланцев валов по окружности выполнены два ряда радиальных зубьев, между которыми выполнена кольцевая канавка с плоским дном, в котором выполнены сквозные отверстия, в которых в свою очередь с радиальными зазорами установлены болты, при этом между внутренними поверхностями фланцев валов установлен кольцевой элемент, контактирующий участком своей наружной поверхности с внутренней поверхностью фланца вала компрессора высокого давления, а между внутренней поверхностью фланца вала турбины высокого давления и наружной поверхностью кольцевого элемента образован зазор, причем со стороны наружной поверхности кольцевого элемента выполнена кольцевая канавка, в которой с радиальным зазором установлено разрезное кольцо, контактирующее наружной поверхностью с участком внутренней поверхности фланца вала турбины высокого давления, кроме того, кольцевой элемент жестко зафиксирован относительно фланца вала компрессора высокого давления посредством фланца с отверстиями под упомянутые болты, выполненного с кольцевым элементом за одно целое и установленного между шляпками болтов и близлежащим торцом фланца вала компрессора высокого давления, при этом на болтах установлены самоконтрящиеся гайки, контактирующие по торцам с натягом с фланцем вала турбины высокого давления. Достигается снижение протечек воздуха между соседними деталями турбины ГТД и упрощение конструкции. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Узел соединения роторов компрессора и турбины газотурбинного двигателя, характеризующийся тем, что содержит вал компрессора высокого давления и вал турбины высокого давления, соединенные посредством фланцевого соединения, в котором концы фланцев направлены внутрь валов и зубчатого соединения Хирта, а именно: на торцах фланцев валов по окружности выполнены два ряда радиальных зубьев, между которыми выполнена кольцевая канавка с плоским дном, в котором выполнены сквозные отверстия, в которых в свою очередь с радиальными зазорами установлены болты, при этом между внутренними поверхностями фланцев валов установлен кольцевой элемент, контактирующий участком своей наружной поверхности с внутренней поверхностью фланца вала компрессора высокого давления, а между внутренней поверхностью фланца вала турбины высокого давления и наружной поверхностью кольцевого элемента образован зазор, причем со стороны наружной поверхности кольцевого элемента выполнена кольцевая канавка, в которой с радиальным зазором установлено разрезное кольцо, контактирующее наружной поверхностью с участком внутренней поверхности фланца вала турбины высокого давления, кроме того, кольцевой элемент жестко зафиксирован относительно фланца вала компрессора высокого давления посредством фланца с отверстиями под упомянутые болты, выполненного с кольцевым элементом за одно целое и установленного между шляпками болтов и близлежащим торцом фланца вала компрессора высокого давления, при этом на болтах установлены самоконтрящиеся гайки, контактирующие по торцам с натягом с фланцем вала турбины высокого давления.

2. Узел соединения роторов компрессора и турбины газотурбинного двигателя по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя поверхность внутреннего ряда радиальных зубьев, выполненных на торце фланца вала турбины высокого давления, выполнена конической относительно продольной оси узла, где большее основание конуса выполнено со стороны фланца вала компрессора высокого давления.

3. Узел соединения роторов компрессора и турбины газотурбинного двигателя по п. 1, отличающийся тем, что разрезное кольцо выполнено прямоугольного или квадратного сечения, причем концевые участки разрезного кольца выполнены внахлест.

4. Узел соединения роторов компрессора и турбины газотурбинного двигателя по п. 1, отличающийся тем, что радиальный размер кольцевой канавки, выполненной между двумя рядами радиальных зубьев больше, чем диаметр сквозных отверстий.

5. Узел соединения роторов компрессора и турбины газотурбинного двигателя по п. 1, отличающийся тем, что разрезное кольцо выполнено из проволоки круглого сечения.

6. Узел соединения роторов компрессора и турбины газотурбинного двигателя по п. 1, отличающийся тем, что радиальный размер кольцевой канавки выполнен больше, чем радиальный размер разрезного кольца.