УСТРОЙСТВО ПРИНУДИТЕЛЬНОГО РАЗРУШЕНИЯ ВАЛА РОТОРА ПРИ ИСПЫТАНИЯХ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2024 года по МПК G01M15/14 F01D21/00 

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к устройствам рассоединения валов при проверке эффективности системы защиты от раскрутки ротора турбины в случае аварийного разрушения вала ротора турбины.

Проверка и подтверждение основных конструктивных и технических решений, проверка надежности работоспособности систем и узлов, определение высотно-скоростных, эксплуатационных и прочностных характеристик проводятся на специально изготовленном двигателе-демонстраторе. По результатам испытаний двигателя, при необходимости, проводится корректировка отдельных параметров его узлов и деталей путем введения изменений в конструкцию, после чего испытания повторяются.

При аварийном разрушении вала, соединяющего компрессор низкого давления с турбиной низкого давления, совершаемая турбиной низкого давления работа и, соответственно, развиваемая турбиной низкого давления мощность не может более передаваться на компрессор низкого давления, из-за чего произойдет увеличение частоты вращения ротора турбины низкого давления. При этом частота вращения ротора турбины может достигнуть значения, предельного для прочности одного из его дисков, вследствие чего этот диск разрушится. Разлет обладающих высокой энергией частей разрушившегося диска, как правило, приводит к нелокализованному повреждению двигателя, что недопустимо. Поэтому, исходя из требований безопасности, конструкция двигателя должна исключать возможность разрушения дисков турбины в случае разрушения вала ее ротора, для чего после разрушения вала должно быть обеспечено первоначальное разрушение рабочих лопаток этой турбины и максимально быстрое прекращение подачи топлива в камеру сгорания. Это предотвратит разрушение диска, так как первоначальное разрушение рабочих лопаток приведет к ограничению возможности передачи энергии газа на вращение ротора, а, следовательно, и к ограничению возможности дальнейшего увеличения его частоты вращения (раскрутки), что также обеспечит и возможность своевременного отключения двигателя.

Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача разработать устройство для принудительного разрушения вала ротора турбины низкого давления, позволяющее смоделировать в процессе работы двигателя внештатную аварийную ситуацию.

Во время проведения испытаний двигателя, связанных с проверкой работоспособности системы защиты от раскрутки ротора турбины низкого давления, имитируют разрушение вала этого ротора. Наиболее вероятным местом разрушения вала ротора турбины низкого давления является зона, расположенная за шлицевым соединением данного вала с валом компрессора низкого давления.

Известно устройство для режуще-деформирующей обработки вала (патент на изобретение №12693889, дата подачи 14.03.1985 г., опубликовано 20.12.1995 г., МПК В24В 39/04) содержащее режущие и деформирующие элементы.

Недостатком данного устройства является то, что его невозможно использовать в конструкции газотурбинного двигателя для разрушения (рассоединения) валов ротора при проведении испытаний по причине отсутствия возможности обеспечения необходимой жесткости узлов крепления резцов и узлов их подачи к валу, а также по причине больших габаритов устройства.

Известно устройство, выбранное в качестве прототипа, принудительного изменения углового положения кулачкового вала при стендовых испытаниях двигателя (патент на изобретение №2689061, G01M 15/05, F01L 1/344, F02D 13/0238 дата подачи заявки 14.06.2018 г, опубликовано 23.05.2019 бюл. №15), содержащее привод и механизм принудительного воздействия на вал.

Недостатком известного устройства является невозможность его использования для принудительного разрушения (рассоединения) вала.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в создании конструкции устройства принудительного разрушения вала ротора при проведении испытаний газотурбинного двигателя с целью проверки эффективности работы системы защиты от раскрутки ротора турбины, связанной с предотвращением опасных последствий внештатной аварийной ситуации, возникающей при разрушении, расцеплении, рассоединении валов.

Технический результат достигается тем, что устройство принудительного разрушения вала ротора при испытаниях газотурбинного двигателя содержит привод и элемент, принудительно воздействующий на вал.

Новым в изобретении является то, что устройство снабжено системой подачи сжатого воздуха, привод содержит корпус с внутренней цилиндрической полостью с расположенным в ней поршнем, содержащим эластичное уплотнительное кольцо, контактирующее с цилиндрической поверхностью внутренней полости корпуса привода, при этом на наружной поверхности торцовой стенки корпуса привода выполнен цилиндрический выступ с центральным отверстием, предназначенный для центрирования корпуса привода в отверстии корпуса двигателя и для крепления на нем с помощью крепежных элементов, при этом корпус привода зафиксирован от проворота с помощью шпильки, установленной в корпусе двигателя и проходящий чрез отверстие в торцевой стенке корпуса привода, а поршень зафиксирован от проворота с помощью резьбовой втулки, установленной на вышеописанной шпильке и сопрягаемой с отверстием поршня, элемент принудительного воздействия на вал выполнен в виде штока, один конец которого выполнен с фланцем, с помощью которого шток жестко крепится к поршню, а противоположный рабочий конец штока содержит износостойкий элемент, при этом на цилиндрической части штока установлена пружина, упирающаяся в торец втулки, жестко установленной в статоре.

Для продления работоспособности элемента принудительного воздействия на вал на рабочем конце содержит износостойкий элемент, выполненный в виде износостойкого покрытия, либо твердосплавной вставки.

Предложенное устройство поясняется следующими чертежами:

на фигуре 1 - изображено устройство для принудительного разрушения вала ротора при испытаниях газотурбинного двигателя;

на фигуре 2 - сечение А-А фигуры 1.

Позициями на фигурах обозначены:

1 - вал (фиг. 1, 2);

2 - привод (фиг. 1, 2);

3 - элемент принудительного воздействия на вал (фиг. 1, 2);

4 - система подачи сжатого воздуха (фиг. 2);

5 - штуцер (фиг. 2);

6 - корпус привода (фиг. 1, 2);

7 - поршень (фиг. 1);

8 - эластичное уплотнительное кольцо (фиг. 1);

9 - цилиндрический выступ (фиг. 1);

10 - корпус двигателя (фиг. 1);

11 - болт (фиг. 1);

12 - гайка самоконтрящаяся (фиг. 1);

13 - втулка (фиг. 1);

14 - шпилька (фиг. 1);

15 - втулка резьбовая (фиг. 1);

16 - трубка системы подачи сжатого воздуха (фиг. 2);

17 - винт (фиг. 2);

18 - шайба (фиг. 2);

19 - шток (фиг. 1);

20 - фланец штока (фиг. 1);

21 - износостойкий элемент (фиг. 1, 2);

22 - пружина (фиг. 1, 2).

23 - втулка (фиг. 1, 2).

Устройство принудительного разрушения вала 1 (фиг. 1, 2) ротора при испытаниях газотурбинного двигателя содержит привод 2 (фиг. 1, 2) и элемент принудительного воздействия 3 (фиг. 1, 2) на вал 1 (фиг. 1, 2).

Устройство снабжено системой подачи сжатого воздуха 4 (фиг. 2) соединенной с устройством принудительного разрушения вала через штуцер 5 (фиг. 2).

Устройство содержит корпус привода 6 (фиг. 1, 2) с внутренней цилиндрической полостью и расположенным в ней поршнем 7 (фиг. 1), содержащим эластичное уплотнительное кольцо 8 (фиг. 1), контактирующее с цилиндрической поверхностью внутренней полости корпуса привода 6 (фиг. 1, 2).

На наружной поверхности торцовой стенки корпуса привода 6 (фиг. 1, 2) выполнен цилиндрический выступ 9 (фиг. 1) с центральным отверстием, предназначенный для центрирования корпуса привода 6 (фиг. 1, 2) в отверстии корпуса двигателя 10 (фиг. 1) и для крепления на нем с помощью крепежных элементов: болта 11 (фиг. 1), гайки 12 (фиг. 1) и втулки 13 (фиг. 1).

Корпус привода 6 (фиг. 1, 2) зафиксирован от проворота с помощью шпильки 14 (фиг. 1), установленной в корпусе двигателя 10 (фиг. 1) и проходящий через отверстие в торцевой стенке корпуса привода 6 (фиг. 1, 2).

Поршень 7 (фиг. 1) зафиксирован от проворота с помощью резьбовой втулки 15 (фиг. 1), установленной на вышеописанной шпильке 14 (фиг. 1) и сопрягаемой с отверстием поршня 7 (фиг. 1).

Перемещение поршня 7 в направлении к оси вала 1 (фиг. 1, 2) ограничивают крепежные элементы в виде трех винтов 17 (фиг. 2) с шайбами 18 (фиг. 2).

Элемент принудительного воздействия 3 (фиг. 1, 2) на вал 1 (фиг. 1, 2) выполнен в виде штока 19 (фиг. 1), один конец которого выполнен с фланцем 20 (фиг. 1), с помощью которого шток 19 (фиг. 1) жестко крепится к поршню 7 (фиг. 1), а противоположный рабочий конец штока 19 (фиг. 1) содержит износостойкий элемент 21 (фиг. 1, 2). На цилиндрической части штока 19 (фиг. 1) установлена пружина 22 (фиг. 1), упирающаяся в торец втулки 23 (фиг. 1, 2), жестко установленной в статоре.

Износостойкий элемент 21 (фиг. 1, 2) выполнен в виде износостойкого покрытия или твердосплавной вставки.

Сборку устройства осуществляют следующим образом.

При сборке двигателя для проведения испытания устройство принудительного разрушения вала ротора монтируют внутри промежуточного корпуса двигателя 10 (фиг. 1) вместо одной из штатных труб подвода воздуха из-за компрессора низкого давления в полость над валом 1 (фиг. 1, 2).

Далее собирают привод 2 (фиг. 1, 2), при этом поршень 7 (фиг. 1) с эластичным уплотнительным кольцом 8 (фиг. 1, 2) устанавливают в цилиндрическую полость корпуса привода 6 (фиг. 1, 2). После чего на корпус привода 6 (фиг. 1, 2) устанавливают винты 17 (фиг. 2) с шайбами 18 (фиг. 2), а также штуцер 5 (фиг. 2).

Собранный привод 2 (фиг. 1, 2) устанавливают в промежуточный корпус двигателя 10 (фиг. 1). При этом корпус 6 (фиг. 1, 2) привода 2 (фиг. 1, 2) цилиндрическим выступом 9 (фиг. 1) центрируют в радиальном отверстии корпуса двигателя 10 (фиг. 1) и фиксируют от поворота вокруг своей оси с помощью отверстия в его торцовой стенке и установленной на корпусе двигателя 10 (фиг. 1) шпильки 14 (фиг. 1). Крепление корпуса 6 (фиг. 1, 2) привода 2 (фиг. 1, 2) к корпусу двигателя 10 (фиг. 1) осуществляется с помощью втулки 13 (фиг. 1), болта 11 (фиг. 1), гайки 12 (фиг. 1), а также с помощью резьбовой втулки 15 (фиг. 1), устанавливаемой на шпильке 14 (фиг. 1) через отверстие в поршне 7 (фиг. 1), чем, также, обеспечивается и фиксация поршня 7 (фиг. 1) от поворота вокруг его оси.

Далее, шток 19 (фиг. 1) в сборе с пружиной 22 (фиг. 1) устанавливают в отверстие радиальной втулки 23 (фиг. 1, 2) статорной крышки, после чего статорную крышку крепят на корпусе двигателя 10 (фиг. 1, 2), а фланец 20 штока 19 (фиг. 1, 2) крепят к поршню 7 (фиг. 1) винтами. После этого устанавливается трубка 16 (фиг. 2) системы подачи сжатого воздуха 4 (фиг. 2).

Устройство принудительного разрушения вала ротора при испытаниях газотурбинного двигателя работает следующим образом.

Во время нормальной работы двигателя шток 19 (фиг. 1) элемента принудительного воздействия 3 (фиг. 1, 2) на вал 1 (фиг. 1, 2), соединенный с поршнем 7 (фиг. 1) привода 2 (фиг. 1, 2) посредством фланца 20 (фиг. 1), под действием пружины 22 (фиг. 1, 2), упирающейся во втулку 23 (фиг. 1, 2), максимально смещен в направлении от оси двигателя, при этом износостойкий элемент 21 (фиг. 1, 2) не касается поверхности вала 1 (фиг. 1, 2) ротора турбины низкого давления.

Эластичное уплотнительное кольцо 8 (фиг. 1), установленное на поршне 7 (фиг. 1), контактирует с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса 6 (фиг. 1, 2) привода 2 (фиг. 1, 2) образуя подвижное герметичное соединение.

Во время работы двигателя на требуемом для эксперимента режиме в полость корпуса 6 (фиг. 1, 2) привода 2 (фиг. 1, 2) устройства через управляемый внешний клапан (не показан) системы подачи сжатого воздуха 4 (фиг. 2) подается сжатый воздух, под действием которого поршень 7 (фиг. 1) в сборе со штоком 19 (фиг. 1), преодолевая усилие пружины 22 (фигЛ), смещается в радиальном направлении в сторону оси ротора, вследствие чего конец штока 19 (фиг. 1, 2) с износостойким элементом 21 (фиг. 1, 2) с усилием прижимается к стенке вала 1 ротора турбины низкого давления.

Из-за возникающего трения между поверхностями износостойкого элемента 21 (фиг. 1, 2) устройства и вращающегося вала 1 (фиг. 1, 2) ротора турбины низкого давления происходит выделение тепла и, как следствие, нагрев и снижение механических свойств материала вала 1 (фиг. 1, 2) с последующим его разрушением в нагретой зоне от действующих в процессе работы механических нагрузок.

Таким образом, предлагаемое устройство принудительного разрушения вала ротора при проведении испытаний газотурбинного двигателя позволяет осуществить проверку эффективности работы системы защиты от раскрутки ротора турбины, связанной с предотвращением опасных последствий внештатной аварийной ситуации, возникающей при разрушении, расцеплении, рассоединении валов.

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к устройствам рассоединения валов при проверке эффективности системы защиты от раскрутки ротора турбины в случае аварийного разрушения вала ротора турбины. Новым в изобретении является то, что привод содержит систему подачи сжатого воздуха в цилиндр с расположенным внутри поршнем, содержащим эластичное уплотнительное кольцо, контактирующее с внутренней поверхностью цилиндра, при этом по наружной поверхности цилиндра выполнен цилиндрический бурт, цилиндр снабжен элементом центрированная с возможностью установки с помощью крепежных элементов в корпусе двигателя, механизм принудительного воздействия на вал содержит шток, один конец которого выполнен с фланцем, с помощью которого и крепежных элементов обеспечивается жесткое соединение с поршнем, а противоположный рабочий конец штока содержит износостойкий элемент, контактирующий с поверхностью разрушаемого вала, при этом на цилиндрической части штока установлена пружина, упирающаяся в торец втулки, жестко установленной в статоре. Элемент центрирования цилиндра относительно двигателя выполнен в виде шпильки, вводимой через отверстие в цилиндре и установленной во втулке с целью взаимодействие с корпусом двигателя. Износостойкий элемент выполнен в виде износостойкого покрытия или твердосплавной вставки. Технический результат заключается в создании конструкции устройства принудительного разрушения вала ротора при проведении испытаний газотурбинного двигателя с целью проверки эффективности работы системы защиты от раскрутки ротора турбины при внештатной аварийной ситуации, связанной со своевременным предотвращением опасных последствий при разрушении, расцеплении, рассоединении валов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство принудительного разрушения вала ротора при испытаниях газотурбинного двигателя содержит привод и элемент принудительного воздействия на вал, отличающееся тем, что устройство снабжено системой подачи сжатого воздуха, привод содержит корпус с внутренней цилиндрической полостью с расположенным в ней поршнем, содержащим эластичное уплотнительное кольцо, контактирующее с цилиндрической поверхностью внутренней полости корпуса привода, при этом на наружной поверхности торцовой стенки корпуса привода выполнен цилиндрический выступ с центральным отверстием, предназначенный для центрирования корпуса привода в отверстии корпуса двигателя и для крепления на нем с помощью крепежных элементов, при этом корпус привода зафиксирован от проворота с помощью шпильки, установленной в корпусе двигателя и проходящей чрез отверстие в торцевой стенке корпуса привода, а поршень зафиксирован от проворота с помощью резьбовой втулки, установленной на вышеописанной шпильке и сопрягаемой с отверстием поршня, элемент принудительного воздействия на вал выполнен в виде штока, один конец которого выполнен с фланцем, с помощью которого шток жестко крепится к поршню, а противоположный рабочий конец штока содержит износостойкий элемент, при этом на цилиндрической части штока установлена пружина, упирающаяся в торец втулки, жестко установленной в статоре.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что износостойкий элемент выполнен в виде износостойкого покрытия или твердосплавной вставки.