ПРОСТАВКА С ПОПЕРЕЧНЫМИ ШПОНКАМИ, ПРЕПЯТСТВУЮЩАЯ ВРАЩЕНИЮ Российский патент 2022 года по МПК F01D5/06 F01D5/30 

Область техники

Настоящее изобретение в целом относится к газотурбинным двигателям и, в частности, направлено на предотвращение вращения проставок компрессора.

Уровень техники

Газотурбинные двигатели содержат следующие секции: компрессор, отсек сгорания и турбину. Компоненты секций газотурбинного двигателя подвержены воздействию высоких температур и давлений. Эти температуры и давления могут изменяться во время переходных процессов газотурбинного двигателя, особенно во время пуска и останова газотурбинного двигателя. Компоненты могут термически расширяться с разной скоростью, что приводит к потере управления между компонентами и термическим напряжениям и деформациям внутри компонентов.

В публикации заявки на патент США № 2012/0051918, выданной Glasspoole, описано устройство бандажного кольца для удержания компонента в осевом направлении на вращающемся компоненте газотурбинного двигателя. Устройство бандажного кольца содержит разъемное бандажное кольцо, закрепленное в кольцевой канавке, образованной на радиально наружной поверхности вращающегося компонента. Внутренний диаметр бандажного кольца смещен внутрь в радиальном контакте с обращенным радиально наружу седлом, предусмотренным на одном из двух компонентов, подлежащих сборке. Элемент, препятствующий вращению, предусмотрен на внутреннем диаметре бандажного кольца для удержания кольца от вращения. Втулка окружает бандажное кольцо для ограничения его радиального расширения при воздействии центробежных сил во время работы двигателя.

В публикации заявки на патент США № 2012/0315142, выданной Bosco, описан механизм для прижатия уплотнительного кольца контура охлаждения лопастей турбинного двигателя к турбинному колесу, удерживающему лопасти, при этом колесо удерживает на своей расположенной ниже по потоку поверхности кольцевой фланец, расположенный радиально и образующий на поверхности канавку, выполненную с возможностью размещения уплотнительного кольца.

Фланец содержит по меньшей мере два выреза на его краю, расположенных напротив дна канавки, для образования окон для вставки в канавку в осевом направлении кулачков, поддерживаемых окружностью кольца, обращенной к канавке колеса. Механизм содержит язычок болта, выполненный с возможностью размещения в канавке между поверхностью колеса и кольцом, и зажим, имеющий форму для поддержки поверхностью колеса и зацепления с болтом, чтобы обеспечить прижатие кольца к фланцу.

Настоящее изобретение относится к решению одной или более проблем, выявленных авторами изобретения.

Сущность изобретения

В целом в настоящем изобретении описываются системы и способы, относящиеся к проставке с поперечными шпонками, препятствующей вращению, в турбинном двигателе. Каждое из систем, способов и устройств согласно настоящему изобретению имеет несколько новаторских аспектов, ни один из которых не несет исключительной ответственности за раскрытые в данном документе желаемых характеристик.

В одном аспекте настоящего изобретения предлагается диск компрессора в сборе. Диск компрессора в сборе может иметь кольцо с поперечными шпонками. Кольцо с поперечными шпонками может иметь кольцевой корпус, имеющий окружность, образованную наружной поверхностью, и заднюю поверхность кольца, ортогональную наружной поверхности. Кольцо с поперечными шпонками может иметь несколько шпонок, чередующихся с несколькими зазорами, образуя поверхность с поперечными шпонками, противоположную задней поверхности кольца, при этом каждая шпонка из нескольких шпонок охватывает кольцевой сектор поверхности с поперечными шпонками. Диск компрессора в сборе может иметь диск компрессора, выполненный с возможностью вмещать несколько лопастей компрессора по наружной окружности. Диск компрессора может иметь обод, выступающий из наружной части диска компрессора, образующий наружную окружность диска компрессора. Диск компрессора может иметь переднюю поверхность диска, расположенную радиально внутрь от обода. Диск компрессора может иметь передний выступ, проходящий в осевом направлении вперед от обода и определяющий глубину выступа. Глубина выступа может проходить от передней поверхности диска до поверхности переднего выступа вдоль внутренней поверхности переднего выступа. Передний выступ может вмещать кольцо с поперечными шпонками, находящееся в посадке с натягом на внутренней поверхности переднего выступа таким образом, что задняя поверхность кольца располагается смежно с передней поверхностью диска, а наружная поверхность – смежно с внутренней поверхностью переднего выступа.

В другом аспекте настоящего изобретения предлагается ротор компрессора в сборе для использования в газотурбинном двигателе. Ротор компрессора в сборе может иметь диск компрессора, имеющий обод, при этом обод имеет наружную поверхность, образующую наружную поверхность диска, причем обод выполнен с возможностью вмещения нескольких лопастей ротора вокруг наружной поверхности диска. Ротор компрессора в сборе может иметь кольцо с поперечными шпонками, расположенное радиально внутрь от обода, при этом кольцо с поперечными шпонками имеет несколько шпонок, чередующихся с несколькими зазорами, образуя поверхность с поперечными шпонками, противоположную задней поверхности кольца, причем каждая шпонка из нескольких шпонок охватывает кольцевой сектор поверхности с поперечными шпонками. Ротор компрессора в сборе может иметь проставку. Проставка может иметь корпус проставки, имеющий по существу кольцевую форму, и наружную поверхность проставки. Проставка может иметь несколько зубцов проставки, образованных на задней поверхности корпуса проставки, при этом каждый зубец проставки из нескольких зубцов проставки охватывает кольцевой сектор задней поверхности, причем несколько зубцов проставки выполнено с возможностью зацепления с несколькими шпонками.

В другом аспекте настоящего изобретения предлагается способ модернизации газотурбинного двигателя. Способ может включать формирование передней поверхности диска на диске компрессора в радиальном направлении внутрь от обода, при этом обод имеет наружную поверхность, образующую наружную поверхность диска компрессора, причем обод выполнен с возможностью вмещения нескольких лопастей ротора по наружной поверхности диска. Способ может включать формирование внутренней поверхности переднего выступа, проходящей на глубину выступа от передней поверхности диска компрессора до поверхности переднего выступа, при этом передний выступ проходит в осевом направлении вперед от обода. Способ может включать посадку кольца с поперечными шпонками на диск компрессора, при этом кольцо с поперечными шпонками имеет несколько шпонок, чередующихся с несколькими зазорами, образуя поверхность с поперечными шпонками, противоположную задней поверхности кольца, причем каждая шпонка из нескольких шпонок охватывает кольцевой сектор поверхности с поперечными шпонками, при этом при посадке дополнительно располагают заднюю поверхность кольца смежно с передней поверхностью диска.

Другие признаки и преимущества настоящего изобретения должны быть очевидны из следующего описания, которое в качестве примера иллюстрирует аспекты настоящего изобретения.

Краткое описание фигур

Подробности вариантов осуществления настоящего изобретения, как в отношении их конструкции, так и работы, могут быть частично подобраны в результате изучения прилагаемых графических материалов, в которых одинаковые ссылочные позиции относятся к одинаковым частям и на которых:

на фиг. 1 представлена схематическая иллюстрация иллюстративного газотурбинного двигателя;

на фиг. 2 представлен вид в перспективе задней части ротора компрессора в сборе 210, показанного на фиг. 1; и

на фиг. 3 представлен вид в поперечном разрезе части компрессора 200 газотурбинного двигателя, который может использоваться в газотурбинном двигателе 100, показанном на фиг. 1;

на фиг. 4 представлен вид в разобранном состоянии диска компрессора и проставки, показанных на фиг. 3;

на фиг. 5 представлен вид в поперечном разрезе части компрессора 200 газотурбинного двигателя, который может использоваться в газотурбинном двигателе 100, показанном на фиг. 1;

на фиг. 6 представлен вид в поперечном разрезе части компрессора 200 газотурбинного двигателя, показанного на фиг. 1, взятый вдоль линии 6—6 на фиг. 5; и

на фиг. 7 представлен вид в поперечном разрезе части компрессора 200 газотурбинного двигателя, показанного на фиг. 1, взятый вдоль линии 7—7 на фиг. 6.

Подробное описание

Подробное описание, изложенное ниже в сочетании с прилагаемыми графическими материалами, предназначено в качестве описания различных вариантов осуществления и не предназначено для представления исключительных вариантов осуществления, в которых настоящее изобретение может быть реализовано на практике. Подробное описание включает конкретные детали с целью обеспечения полного понимания вариантов осуществления. Тем не менее, специалистам в данной области техники будет понятно настоящее изобретение без этих конкретных деталей. В некоторых случаях хорошо известные элементы и компоненты показаны в упрощенной форме для краткости описания.

На фиг. 1 представлена схематическая иллюстрация иллюстративного газотурбинного двигателя. Некоторые поверхности были опущены или преувеличены (на этой и на других фигурах) для ясности и простоты объяснения. Также настоящее изобретение может ссылаться на переднее и заднее направление. В целом все ссылки на «передний» и «задний» связаны с направлением потока первичного воздуха (т. е. воздуха, используемого в процессе сгорания), если не указано иное. Например, передний является «расположенным выше по потоку» по отношению к потоку первичного воздуха, и задний является «расположенным ниже по потоку» по отношению к потоку первичного воздуха.

В дополнение, описание может в целом ссылаться на центральную ось 95 вращения газотурбинного двигателя, которая может в целом быть определена продольной осью его вала 120 (удерживаемого несколькими подшипниками 150 в сборе). Центральная ось 95 может быть общей или совместной с различными другими концентричными компонентами двигателя. Все ссылки на радиальное, осевое и окружное направления и измерения относятся к центральной оси 95, если не указано иное, и такие термины, как «внутренний» и «наружный», в целом указывают на меньшую или большую удаленность в радиальном направлении, при этом радиус 96 может проходить в любом направлении, перпендикулярном центральной оси 95 и отходящем наружу от нее.

Газотурбинный двигатель 100 содержит впуск 110, вал 120, турбокомпрессор или «компрессор» 200, отсек 300 сгорания, турбину 400, выпуск 500 для отработавших газов и муфту для передачи выходной мощности. Газотурбинный двигатель 100 может быть в конфигурации с одним валом или с двумя валами. Пунктирными линиями на фиг. 1 приблизительно показаны разные секции газотурбинного двигателя 100.

Компрессор 200 содержит ротор компрессора в сборе 210, неподвижные лопатки 250 компрессора («статоры») и впускные направляющие лопатки 255. Ротор компрессора в сборе 210 механически соединен с валом 120. Как показано, ротор компрессора в сборе 210 представляет собой ротор осевого потока в сборе. Ротор компрессора в сборе 210 содержит один или более дисков компрессора в сборе 220 и одну или более проставок 230. Каждый диск компрессора в сборе 220 содержит диск 221 ротора компрессора (фиг.2), который по окружности заполнен лопастями 227 ротора компрессора (фиг. 2). В вариантах осуществления каждая проставка 230 проходит между ободами 222 смежных дисков компрессора в сборе 220 (см. фиг. 3). Статоры 250 в осевом направлении следуют за каждым из дисков компрессора в сборе 220. Каждый диск компрессора в сборе 220, спаренный со смежными статорами 250, которые следуют за диском компрессора в сборе 220, считается ступенью компрессора. Компрессор 200 содержит множество ступеней компрессора. Входные направляющие лопатки 255 в осевом направлении могут предшествовать первой ступени компрессора.

Отсек 300 сгорания содержит один или более инжекторов 310 и содержит одну или более камер 390 сгорания.

Турбина 400 содержит ротор турбины в сборе 410 и сопла 450 турбины. Ротор турбины в сборе 410 механически соединен с валом 120. Как показано, ротор турбины в сборе 410 представляет собой ротор осевого потока в сборе. Ротор турбины в сборе 410 содержит один или более дисков турбины в сборе 420. Каждый диск турбины в сборе 420 содержит диск турбины, который по окружности заполнен лопатками турбины. Сопла 450 турбины в осевом направлении предшествуют каждому из дисков турбины в сборе 420. Каждый диск турбины в сборе 420, спаренный со смежным соплом 450 турбины, которое предшествует диску турбины в сборе 420, считается ступенью турбины. Турбина 400 содержит несколько ступеней турбины.

Выпуск 500 для отработавших газов содержит диффузор 510 отработавших газов и коллектор 520 отработавших газов.

На фиг. 2 представлен вид в перспективе задней части ротора компрессора в сборе 210, показанного на фиг. 1. Ротор компрессора в сборе 210 содержит диски компрессора в сборе 220, проставки 230 и заднюю ступицу 245. Каждый диск компрессора в сборе 220 содержит диск 221 ротора компрессора («диск») и несколько лопастей 227 ротора компрессора. Диски 221 соединяются или свариваются вместе при формировании ротора компрессора в сборе 210. В показанном варианте осуществления диски 221 соединены вместе криволинейными зубцами 219. Каждый диск 221 по окружности заполнен лопастями 227 ротора компрессора.

Каждый диск 221 может содержать наружную поверхность 229 диска. Наружная поверхность 229 диска является радиально наружной поверхностью диска 221 и образует часть внутренней поверхности пути потока через компрессор 200.

Каждая проставка 230 может содержать наружную поверхность 239 проставки. Наружная поверхность 239 проставки является радиально наружной поверхностью проставки 230 и образует часть внутренней поверхности пути потока через компрессор 200. Наружная поверхность 239 проставки может в целом находиться заподлицо с наружной поверхностью 229 диска для образования внутренней поверхности пути потока воздуха 10 через компрессор 200.

Задняя ступица 245 может быть расположена сзади дисков 221 и обычно является самым задним компонентом ротора компрессора в сборе 210. Задняя ступица 245 может иметь форму диска. Поверхность контакта 248 с валом проходит назад от задней ступицы 245 в форме диска и имеет цилиндрическую форму. Поверхность контакта 248 с валом может быть конической для соединения с частью вала 120.

На фиг. 3 представлен вид в поперечном разрезе части компрессора 200 газотурбинного двигателя, который может использоваться в газотурбинном двигателе 100, показанном на фиг. 1. Диск 221 из каждого диска компрессора в сборе 220 (фиг. 2) содержит обод 222, переднее плечо 225 и заднее плечо 226. Обод 222 расположен на самой наружной радиальной части диска 221 и может быть расположен на радиально наружной окружности диска 221. В одном варианте осуществления обод 222 проходит полностью по окружности диска 221. Обычно каждый обод 222 содержит передний выступ 223, проходящий в осевом направлении вперед, и задний выступ 224, проходящий в осевом направлении назад. В одном варианте осуществления как передний выступ 223, так и задний выступ 224 проходят полностью по окружности диска 221. Передний выступ 223 может иметь поверхность 228 переднего выступа.

Переднее плечо 225 и заднее плечо 226 расположены радиально внутрь от обода 222 и радиально наружу от оси диска 221. Переднее плечо 225 и заднее плечо 226 могут соединять смежные диски 221 вместе (например, посредством криволинейных зубцов 219). В одном варианте осуществления переднее плечо 225 и заднее плечо 226 проходят полностью по окружности диска 221. Переднее плечо 225 проходит в осевом направлении вперед, а заднее плечо 226 проходит в осевом направлении назад. Каждый диск 221 соединяется со смежным диском 221. Переднее плечо 225 одного диска радиально выровнено с задним плечом смежного диска 221. В одном варианте осуществления каждое переднее плечо 225 и каждое заднее плечо 226 содержат криволинейные зубцы 219 (фиг. 2).

Лопасти 227 ротора компрессора соединяются с дисками 221 на ободе 222. Каждая лопасть 227 ротора компрессора содержит основание (не показано) с удерживающим элементом, таким как соединение типа «елочка» или «ласточкин хвост». Прорези в ободе 222 имеют соответствующий удерживающий элемент, который прикрепляет каждую лопасть 227 ротора компрессора к диску 221.

Каждая проставка 230 в целом имеет форму полого цилиндра или кругового кольца. Проставки 230 проходят между смежными дисками 221 и соединяются со смежными ободами 222 с помощью прессовой посадки, скользящей посадки или посадки с натягом. В одном варианте осуществления передний конец проставок 230 соединяется со смежным диском 221 с помощью скользящей посадки, в то время как задний конец проставок 230 соединяется со смежным диском 221 с помощью прессовой посадки. В другом варианте осуществления передний конец проставок 230 соединяется со смежным диском 221 с помощью прессовой посадки, в то время как задний конец проставок 230 соединяется со смежным диском 221 с помощью скользящей посадки. Проставки 230 расположены радиально внутрь от статоров 250.

Каждый статор 250 может проходить радиально внутрь от кожуха 252 статора к проставке 230. Статоры 250 могут быть выровнены по окружности и располагаться радиально наружу от проставки 230 для образования сопла для текучей среды между дисками 221 ротора компрессора.

Каждая проставка 230 может иметь цилиндрический корпус 231, переднюю кромку 232 и заднюю поверхность 233. Корпус 231 может представлять собой полый цилиндр или круговое кольцо. Передняя кромка 232 может проходить в осевом направлении вперед от корпуса 231. Передняя кромка 232 может представлять сбой кольцевой фланец, выступающий вперед от корпуса 231. Задняя поверхность 233 может проходить в осевом направлении назад от корпуса 231 в направлении, противоположном передней кромке 232. Задняя поверхность 233 может представлять собой кольцевой фланец, проходящий назад от корпуса 231.

Передняя кромка 232 может в осевом направлении перекрываться с задним выступом 224 смежного диска 221 и может располагаться радиально внутрь от заднего выступа 224. Передняя кромка 232 может иметь скользящую посадку, прессовую посадку или посадку с натягом с задним выступом 224. Задняя поверхность 233 может в осевом направлении перекрываться с передним выступом 223 смежного диска 221 и может располагаться радиально внутрь от переднего выступа 223. Задняя поверхность 233 может иметь скользящую посадку, прессовую посадку или посадку с натягом с передним выступом 223 на поверхности 228 переднего выступа.

Ротор компрессора в сборе 210 может также содержать одно или более колец 240 с поперечными шпонками, расположенных между каждой проставкой 230 и диском 221. Кольцо 240 с поперечными шпонками может препятствовать проскальзыванию проставки 230 (в направлении вращения) относительно смежного диска 221.

На фиг. 4 представлен вид в разобранном состоянии диска компрессора и проставки, показанных на фиг. 3. Кольцо 240 с поперечными шпонками может иметь кольцевой корпус 258 и несколько элементов или шпонок 241, препятствующих вращению. Каждая из шпонок 241 может быть отделена зазором 242. В некоторых вариантах осуществления кольцо 240 с поперечными шпонками может иметь 18 или более шпонок 241. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что количество шпонок 241 может варьироваться в зависимости от диаметра проставки 230 и диаметра кольца 240 с поперечными шпонками. В некоторых вариантах осуществления увеличенное количество шпонок 241 может снизить напряжения на компонентах диска компрессора в сборе 220 и ротора компрессора в сборе 210. В показанном примере 18 шпонок могут обеспечивать баланс между приемлемыми значениями напряжения и сложностью увеличенной механической обработки увеличенного количества шпонок 241. В некоторых вариантах осуществления кольцо 240 с поперечными шпонками может иметь более 18 шпонок 241. В некоторых других вариантах осуществления кольцо 240 с поперечными шпонками, используемое для модернизации диска компрессора в сборе 220, может дополнительно ограничиваться указанным количеством шпонок 241, принимая во внимание тонкую конструкцию кольцевого корпуса 258. Шпонки 241 могут представлять собой зубья или зубцы, которые чередуются с зазорами 242, образуя поверхность 260 с поперечными шпонками. Шпонки 241 и зазоры 242 входят в зацепление с соответствующими зубцами 243 проставки (фиг. 5) на корпусе 231 проставки 230. Каждое кольцо 240 с поперечными шпонками может дополнительно иметь заднюю поверхность 262 кольца, противоположную поверхности 260 с поперечными шпонками.

Кольцо 240 с поперечными шпонками также может иметь несколько установочных штифтов (штифтов) 244 для поперечных шпонок, которые прикрепляют кольцо 240 с поперечными шпонками к диску 221 через отверстия 247. В некоторых примерах кольцо 240 с поперечными шпонками может быть установлено на диск 221 в качестве модернизации. Штифты 244 могут способствовать закреплению кольца 240 с поперечными шпонками и предотвращению его деформации, например, во время установки.

Кольцо 240 с поперечными шпонками может быть соединено с диском 221 посредством посадки с натягом. Штифты 244 могут быть вставлены через отверстия 247 в соответствующие отверстия в диске 221 для дополнительного прикрепления кольца 240 с поперечными шпонками к диску 221. В некоторых вариантах осуществления диск 221 может быть модернизирован с помощью кольца 240 с поперечными шпонками путем механической обработки наружной части диска 221 для размещения кольца 240 с поперечными шпонками. В частности, одна или более из поверхности 228 переднего выступа, внутренней поверхности 251 переднего выступа и передней поверхности 616 диска (фиг. 7) могут быть механически обработаны или модернизированы иным образом для вмещения и размещения кольца 240 с поперечными шпонками.

В некоторых других вариантах осуществления кольцо 240 с поперечными шпонками может быть выполнено как одно целое с диском 221 и образовано в диске 221 как основной и единый компонент. Это может, например, исключить использование штифтов 244 и отверстий 247.

На фиг. 5 представлен вид в поперечном разрезе части компрессора 200 газотурбинного двигателя, который может использоваться в газотурбинном двигателе 100, показанном на фиг. 1. Вид на фиг. 5 аналогичен виду на фиг. 3 и изображает увеличенный вид диска 221, проставки 230, кольца 240 с поперечными шпонками.

В некоторых вариантах осуществления кольцо 240 с поперечными шпонками может быть соединено с диском 221 посредством посадки с натягом. Таким образом, кольцо 240 с поперечными шпонками может иметь такой размер, что наружная поверхность 246 кольца с поперечными шпонками покрывает внутреннюю поверхностью 251 переднего выступа. Наружная поверхность 246 поперечных шпонок может образовывать наружную окружность кольца 240 с поперечными шпонками. Кольцо 240 с поперечными шпонками дополнительно расположено между диском 221 и проставкой 230 таким образом, что задняя поверхность 233 проставки 230 находится в контакте с поверхностью 228 переднего выступа.

В некоторых вариантах осуществления кольцо 240 с поперечными шпонками может быть установлено в газотурбинном двигателе 100 в качестве модернизации. В такой реализации проставка 230 может быть модернизирована или механически обработана для вмещения кольца 240 с поперечными шпонками в посадке с натягом. Штифты 244 могут прикреплять кольцо 240 с поперечными шпонками к проставке 230 и могут вставляться в отверстия 247 в кольце 240 с поперечными шпонками и соответствующие отверстия в диске 221. Штифты 244 могут быть закреплены в посадке с натягом внутри кольца 240 с поперечными шпонками и диска 221. В других вариантах осуществления штифты 244 могут быть закреплены сваркой или клеем. В некоторых вариантах осуществления кольцо 240 с поперечными шпонками может быть цельным с диском 221, что исключает штифты 244 и дополнительную модификацию диска 221.

Во время работы газотурбинного двигателя, особенно во время переходных режимов, таких как пуск и останов, радиальные посадки переднего и заднего концов каждой проставки 230 могут увеличиваться или уменьшаться вследствие теплового расширения и сжатия. Это может увеличить вероятность вращения проставки 230 относительно диска 221. Шпонки 241 кольца 240 с поперечными шпонками в соединении с зубцами 243 проставки могут предотвращать проскальзывание или вращение проставки 230 относительно смежного диска 221. Шпонки 241 могут соединяться с зубцами 243 проставки во взаимодействии «выступ-выемка» для предотвращения вращения. Штифты 244 и посадка с натягом между кольцом 240 с поперечными шпонками и диском 221 могут предотвратить проскальзывание кольца 240 с поперечными шпонками относительно диска 221.

На фиг. 6 представлен вид в поперечном разрезе части компрессора 200 газотурбинного двигателя, показанного на фиг. 1, взятый вдоль линии 6—6 на фиг. 5. Вид на фиг. 6 представляет собой осевой разрез компрессора 200, смотрящего вперед. На этом виде показано радиальное поперечное сечение шпонок 241 и зубцов 243 проставки.

В некоторых вариантах осуществления и проставка 230, и кольцо 240 с поперечными шпонками могут иметь одинаковый наружный диаметр. Это может позволить кольцу 240 с поперечными шпонками правильно направляться на диск 221 компрессора и позволять зубцам 243 проставки перекрываться в осевом направлении с передним выступом 223 диска 221. Таким образом, внутренняя поверхность 251 переднего выступа может быть смежной с наружной поверхностью 246 кольца с поперечными шпонками. Таким образом, внутренняя поверхность 251 переднего выступа также может перекрываться с зубцами 243 проставки (см. фиг. 7). Посадка с натягом между этими смежными поверхностями может предотвратить вращение. Подобным образом, внутренняя поверхность 251 переднего выступа может быть также смежной с наружной поверхностью 249 зубцов проставки. Наружная поверхность 249 зубцов проставки может быть частью проставки 230, соприкасающейся с диском 221. При работе при температуре проставка 230 расширяется (в радиальном направлении) быстрее, чем диск 221. Соответственно, проставка 230 нагревается, расширяется и сжимает диск 221, находясь с ним в посадке с натягом, а точнее, внутреннюю поверхность 251 переднего выступа.

В некоторых вариантах осуществления каждая из шпонок 241 может иметь первую фиксирующую поверхность 602 шпонки и вторую фиксирующую поверхность 604 шпонки. Первая фиксирующая поверхность 602 шпонки может быть смежной с первой поверхностью 606 зубцов проставки. Вторая фиксирующая поверхность 604 шпонки может быть смежной со второй поверхностью 608 зубцов проставки. Как показано, каждая шпонка 241 представляет собой сектор кольца 240 с поперечными шпонками, имеющий форму кольцевого сектора, имеющего криволинейно-трапециевидное поперечное сечение. В дополнение к этому, может присутствовать небольшой окружной зазор 610, где первая фиксирующая поверхность 602 шпонки смежна с первой поверхностью 606 зубцов проставки, и где вторая фиксирующая поверхность 604 шпонки смежна со второй поверхностью 608 зубцов проставки. Это показано на выносном элементе на фиг. 6.

При рассмотрении выносного элемента на фиг. 6 в качестве примера, видно, что окружной зазор 610 обеспечивает пространство для проставки 230 для расширения и сжатия во время пуска и останова. Этот окружной зазор 610 также может обеспечивать достаточный промежуток для установки или соединения проставки 230 с диском 221. Например, когда проставка 230 нагревается и расширяется во время работы турбины, проставка 230 может потерять зацепление с кольцом 240 с поперечными шпонками. Более конкретно, первая поверхность 606 может потерять контакт с первой фиксирующей поверхностью 602 шпонки, и вторая поверхностью 608 зубцов проставки может потерять контакт со второй фиксирующей поверхностью 604 шпонки во время работы турбины, но проставка 230 расширяется таким образом, что наружная поверхность 249 зубцов проставки контактирует с внутренней поверхностью 251 переднего выступа. Это может увеличить трение посадки с натягом между проставкой 230 и диском 221 и способствовать предотвращению вращения проставки 230 и диска 221 относительно друг друга.

Во время останова проставка 230 может охлаждаться быстрее, чем диск 221, таким образом, проставка 230 и зубцы 243 проставки могут зацепляться со шпонками 241 кольца 240 с поперечными шпонками и предотвращать вращение проставки 230. Более конкретно, по мере остывания проставки 230 она может потерять контакт с внутренней поверхностью 251 переднего выступа, но тогда она контактирует со второй фиксирующей поверхностью 604 и повторно входит в зацепление с кольцом 240 с поперечными шпонками.

На фиг. 7 представлен вид в поперечном разрезе части компрессора 200 газотурбинного двигателя, показанного на фиг. 1, взятый вдоль линии 7—7 на фиг. 6. В некоторых вариантах осуществления кольцо 240 с поперечными шпонками может иметь глубину кольца с поперечными шпонками, указанную стрелкой (глубина кольца) 702. Глубина 702 кольца может проходить от задней поверхности 262 кольца до поверхности 620 шпонки.

Передний выступ 223 может иметь глубину 704 выступа, проходящую от передней поверхности 616 диска до поверхности 228 переднего выступа 223, смежной с задней поверхностью 233. Глубина 704 выступа может быть немного больше (или глубже) глубины 702 кольца. Разницу глубин обеспечивает кольцевой зазор 710 между поверхностью 620 шпонки и задней поверхностью 233 проставки 230. Кольцевой зазор 710 может не допустить препятствия кольцом 240 с поперечными шпонками посадке с натягом между проставкой 230 и диском 221. Это позволяет проставке 230 опускаться до нижнего предела на диск 221, где задняя поверхность 233 соприкасается с поверхностью 228 переднего выступа.

Промышленная применимость

Газотурбинные двигатели могут подходить для различных промышленных применений, например, различных аспектов нефтегазовой отрасли (включающих передачу, сбор, хранение, извлечение и подъем нефти и природного газа), энергетической промышленности, отрасли производства электрической и тепловой энергии, аэрокосмической отрасли и других транспортных отраслей.

Как показано на фиг. 1, газ (как правило, воздух 10) поступает на впуск 110 как «рабочее вещество» и сжимается компрессором 200. В компрессоре 200 рабочее вещество сжимается по пути 115 кольцевого потока посредством ряда дисков компрессора в сборе 220. В частности, воздух 10 нагнетается в пронумерованных «ступенях», при этом ступени связаны с каждым диском компрессора в сборе 220. Например, «воздух 4-й ступени» может быть связан с 4-м диском компрессора в сборе 220 в расположенном ниже по потоку или «заднем» направлении, проходящем от впуска 110 к выпуску 500 для отработавших газов. Подобным образом, каждый диск турбины в сборе 420 может быть связан с пронумерованной ступенью.

После сжатия воздух 10 покидает компрессор 200 и поступает в отсек 300 сгорания, где он распыляется и добавляется топливо. Воздух 10 и топливо впрыскиваются в камеру 390 сгорания через инжектор 310 и сжигаются. Энергию получают от реакции сгорания через турбину 400 посредством каждой ступени ряда дисков турбины в сборе 420. Отработавшие газы 90 затем можно распылять в диффузоре 510 отработавших газов, собирать и перенаправлять. Отработавшие газы 90 покидают систему через коллектор 520 отработавших газов и могут быть дополнительно обработаны (например, чтобы снизить выбросы вредных веществ и/или чтобы рекуперировать тепло от отработавших газов 90).

Компрессор 200 может иметь ряд дисков в сборе 220. Каждый диск в сборе 220 может иметь проставку 230 смежно с диском 221. Во время пуска и останова газотурбинного двигателя 100 различные компоненты, в том числе диски в сборе 220, подвергаются большим вращательным усилиям. Вращательные усилия могут заставить проставку 230 вращаться относительно диска 221. Это может вызвать износ между компонентами и их повреждение со временем.

Как раскрыто в данном документе, кольцо 240 с поперечными шпонками, имеющее шпонки 241, может быть вставлено в диск 221 или прикреплено к нему. Шпонки 241 могут взаимодействовать с зубцами 243 проставки и предотвращать такое вращение. В некоторых вариантах осуществления кольцо 240 с поперечными шпонками может быть вставлено в диск 221 в качестве модернизации. Это может потребовать механической обработки наружной окружности передней поверхности диска 221. Затем кольцо 240 с поперечными шпонками может быть вставлено в соответствующее пространство и диск 221 посредством посадки с натягом. Штифты 244 также могут быть вставлены в отверстия 247 в кольце с поперечными шпонками, чтобы дополнительно предотвратить вращение кольца 240 с поперечными шпонками относительно диска 221. Таким образом, проставка 230 может быть выполнена с соответствующими зубцами проставки, которые сцепляются со шпонками 241.

В других вариантах осуществления кольцо 240 с поперечными шпонками может быть выполнено как одно целое с диском 221. Это может обеспечить эквивалентную замену во время капитального ремонта или модернизации двигателя.

Предотвращение вращения проставки 230 и диска 221 относительно друг друга во время переходных режимов работы двигателя (например, при пуске и останове) может продлить срок службы компрессоров в сборе 220 и, в конечном итоге, газотурбинного двигателя 100.

Предыдущее подробное описание является лишь иллюстративным по своей природе и не предназначено для ограничения настоящего изобретения или заявки и способов применения настоящего изобретения. Описанные варианты осуществления не ограничены применением в сочетании с конкретным типом газотурбинного двигателя. Следовательно, хотя в настоящем изобретении для удобства объяснения изображен и описан конкретный фланец в сборе силовой турбины, следует понимать, что заднее зажимное кольцо согласно настоящему изобретению может быть реализовано в различных других конфигурациях, может использоваться с различными другими типами фланцев в сборе, а также может применяться в других типах машин. Более того, нет намерения привязываться к какой-либо теории, представленной в предыдущем уровне техники или подробном описании. Также следует понимать, что изображения могут иметь преувеличенные размеры для лучшей наглядности показываемых ссылочных элементов и не являются ограничивающими, если явно не будет указано так.

Следует понимать, что положительные эффекты и преимущества, описанные выше, могут относиться к одному варианту осуществления или могут относиться к нескольким вариантам осуществления. Варианты осуществления не ограничиваются теми, которые решают любую или все заявленные проблемы, или теми, которые имеют какие-либо или все заявленные положительные эффекты и преимущества.

В настоящем изобретении предложена проставка с поперечными шпонками, предотвращающая вращение, для использования в газотурбинном двигателе (100). Диск компрессора в сборе (220) может иметь кольцо (240) с поперечными шпонками, имеющее несколько шпонок (241), зубцов, или зубьев, чередующихся с несколькими зазорами (242) с образованием поверхности (260) с поперечными шпонками. Шпонки или зубцы поверхности с поперечными шпонками могут входить в зацепление с соответствующими зубцами (243), выполненными на проставке (230) ротора компрессора в сборе (210). Зубцы проставки в сочетании с зубцами или шпонками кольца с поперечными шпонками могут препятствовать вращению проставки (230) и диска (221) компрессора относительно друг друга. Это дает особенные преимущества во время переходных режимов, таких как пуск и останов газотурбинного двигателя. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Диск компрессора в сборе (220), содержащий:

кольцо (240) с поперечными шпонками, имеющее

кольцевой корпус (258), имеющий окружность, образованную наружной поверхностью (229), и заднюю поверхность (233) кольца, ортогональную наружной поверхности, и

несколько шпонок (241), чередующихся с несколькими зазорами (242), образуя поверхность (260) с поперечными шпонками, противоположную задней поверхности кольца, при этом каждая шпонка из нескольких шпонок охватывает кольцевой сектор поверхности с поперечными шпонками; и

диск (221) компрессора, выполненный с возможностью вмещения нескольких лопастей компрессора по наружной окружности, при этом диск компрессора имеет

обод (222), проходящий от наружной части диска компрессора, образующий наружную окружность диска компрессора,

переднюю поверхность (616) диска, расположенную радиально внутрь от обода, и

передний выступ (223), проходящий в осевом направлении вперед от обода и определяющий глубину (704) выступа, при этом глубина выступа проходит от передней поверхности диска до поверхности (228) переднего выступа вдоль внутренней поверхности (251) переднего выступа, причем передний выступ выполнен с возможностью вмещения кольца с поперечными шпонками в посадке с натягом на внутренней поверхности переднего выступа таким образом, что задняя поверхность кольца расположена смежно с передней поверхностью диска, а наружная поверхность – смежно с внутренней поверхностью переднего выступа.

2. Диск компрессора в сборе по п. 1, отличающийся тем, что одна или более шпонок из нескольких шпонок содержат отверстие (247) шпонки, проходящее от поверхности шпонки одной или более шпонок из нескольких шпонок до задней поверхности кольца, при этом каждое отверстие шпонки соответствует отверстию диска, выполненному в диске компрессора, причем каждое отверстие шпонки и соответствующее отверстие диска выполнены с возможностью вмещения в осевом направлении штифта (244).

3. Диск компрессора в сборе по п. 1, отличающийся тем, что несколько шпонок и несколько чередующихся зазоров равномерно распределены по поверхности с поперечными шпонками.

4. Диск компрессора в сборе по п. 1, отличающийся тем, что кольцо с поперечными шпонками имеет глубину кольца, определяющую расстояние от задней поверхности кольца до поверхности каждой шпонки из нескольких шпонок.

5. Диск компрессора в сборе по п. 4, отличающийся тем, что глубина кольца меньше, чем глубина переднего выступа.

6. Ротор компрессора в сборе (210) для использования в газотурбинном двигателе (100), при этом ротор компрессора в сборе содержит:

диск (221) компрессора, имеющий обод (222), при этом обод имеет наружную поверхность, образующую наружную поверхность (229) диска, причем обод выполнен с возможностью вмещения нескольких лопастей ротора вокруг наружной поверхности диска,

кольцо (240) с поперечными шпонками, расположенное радиально внутрь от обода, при этом кольцо с поперечными шпонками имеет несколько шпонок (241), чередующихся с несколькими зазорами (242), образуя поверхность (260) с поперечными шпонками, противоположную задней поверхности кольца, причем каждая шпонка из нескольких шпонок охватывает кольцевой сектор поверхности с поперечными шпонками; и

проставку (230), имеющую

корпус (231) проставки, имеющий по существу кольцевую форму, и наружную поверхность проставки, и

несколько зубцов (243) проставки, выполненных на задней поверхности корпуса проставки, при этом каждый зубец проставки из нескольких зубцов проставки охватывает кольцевой сектор задней поверхности, причем несколько зубцов проставки выполнено с возможностью зацепления с несколькими шпонками.

7. Диск компрессора в сборе по п. 6, отличающийся тем, что наружная поверхность проставки расположена заподлицо с наружной поверхностью диска.

8. Диск компрессора в сборе по п. 6 отличающийся тем, что диск компрессора дополнительно содержит:

переднюю поверхность (616) диска, расположенную радиально внутрь от обода;

передний выступ (223), проходящий в осевом направлении вперед от обода и определяющий глубину (704) выступа, при этом глубина выступа проходит от передней поверхности диска до поверхности (228) переднего выступа вдоль внутренней поверхности (251) переднего выступа, причем передний выступ выполнен с возможностью вмещения кольца с поперечными шпонками в посадке с натягом на внутренней поверхности переднего выступа таким образом, что задняя поверхность кольца расположена смежно с передней поверхностью диска.

9. Диск компрессора в сборе по п. 8, отличающийся тем, что кольцо с поперечными шпонками дополнительно имеет наружную поверхность на наружной окружности, причем наружная поверхность расположена смежно с внутренней поверхностью переднего выступа.

10. Диск компрессора в сборе по п. 6, отличающийся тем, что кольцо с поперечными шпонками имеет глубину кольца, определяющую расстояние от задней поверхности кольца до поверхности каждой шпонки из нескольких шпонок, и

при этом глубина кольца меньше глубины переднего выступа, причем глубина выступа проходит от передней поверхности диска компрессора до поверхности переднего выступа.

11. Диск компрессора в сборе по п. 6, отличающийся тем, что одна или более шпонок из нескольких шпонок содержат отверстие шпонки, проходящее от поверхности с поперечными шпонками до задней поверхности кольца, при этом каждое отверстие шпонки соответствует отверстию проставки, выполненному в проставке, причем каждое отверстие шпонки и соответствующее отверстие проставки выполнено с возможностью вмещения в осевом направлении штифта в посадке с натягом.

12. Диск компрессора в сборе по п. 6, отличающийся тем, что диск компрессора и кольцо с поперечными шпонками составляют единый компонент.

13. Способ модернизации газотурбинного двигателя, при этом способ включает:

формирование передней поверхности (616) диска на диске (221) компрессора радиально внутрь от обода (222), при этом обод имеет наружную поверхность, образующую наружную поверхность диска компрессора, причем обод выполнен с возможностью вмещения нескольких лопастей ротора по наружной поверхности диска;

формирование внутренней поверхности (251) переднего выступа, проходящей на глубину (704) выступа от передней поверхности диска компрессора до поверхности (228) переднего выступа, при этом передний выступ проходит в осевом направлении вперед от обода; и

посадку кольца (240) с поперченными шпонками на диск компрессора, при этом кольцо с поперечными шпонками имеет несколько шпонок (241), чередующихся с несколькими зазорами (242), образуя поверхность (260) с поперечными шпонками, противоположную задней поверхности кольца, причем каждая шпонка из нескольких шпонок охватывает кольцевой сектор поверхности с поперечными шпонками, при этом при посадке дополнительно размещают заднюю поверхность кольца смежно с передней поверхностью (616) диска.

14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что дополнительно включает этап посадки проставки на диск компрессора, при этом проставка имеет несколько зубцов проставки, выполненных на задней поверхности корпуса проставки, причем каждый зубец проставки из нескольких зубцов проставки охватывает кольцевой сектор задней поверхности кольца, при этом несколько зубцов проставки входят в зацепление с несколькими шпонками.

15. Способ по п. 13, отличающийся тем, что кольцо с поперечными шпонками имеет глубину кольца, проходящую на расстояние от задней поверхности кольца до поверхности шпонки из нескольких шпонок, при этом глубина кольца меньше глубины выступа.