Способ сборки металлокерамического ротора Советский патент 1993 года по МПК F01D5/28 

15

е

Изобретение относится к газотурбостроению, в частности к способам сборки ротора газотурбинного двигателя (ГТД), включающего керамическую турбину и металлический вал компрессора.

Цель изобретения - повышение надежности соединения элементов ротора ГТД.

. Указанная цель достигается тем, что в способе сборки металлокерамического ротора, включающем установку на наружную коническую поверхность керамического осевого выступа турбины, выполненного с конической внутренней и цилиндрической наружными поверхностями разъемного металлического кольца и после ввода выступа с кольцом во внутреннюю цилиндрическую плотность торцевой расточки металлического вала компрессора соединения радиальными штифтами стенки кольцам расточки, и окончательную операцию сборки-запрессо- взние выступа турбины в коническую поверхность разъемного кольца, запрессовку выступа керамической турбины осуществляют после нагрева соединения до температуры не ниже рабочей, причем этот нагрев осуществляют при вращении собранного узла на стенде. Запрессовку выступа во вращающемся узле осуществляют путем подачи во внутреннюю полость расточки через осевой канал вращающегося вала сжатого газа и создают на турбине осевое усилие не менее усилий, возникающих на работающей турбине.

Кроме того, осевое смешение турбины осуществляют после приложения тормозно- го крутящего момента, передаваемого через выступ, разрезное кольцо и штифты. После всех указанных операций осуществляют окончательный крепеж узла штифтами, В предложенном изобретении сборку осуще- ствляют при вращении элементов ротора турбины с рабочей частотой и их нагреве до рабочей температуры путем резкого торможения вала и последующей запрессовки выступа турбины в расточку вала компрессора под давлением сжатого воздуха. Таким образом, сборку ротора осуществляют при воздействии на сопряженные элементы узла всех рабочих параметров (температура, вращение и крутящий момент) и тем самым повышают точность центрирования вала и диска в работающей турбине. Кроме того, такой способ обеспечивает возможность создания в работающей турбине требуемого осевого усилия от сжатого воздуха компрес- сора для контактного напряженного прижатия конической поверхности выступа турбины к поверхностям разъемного кольца вала компрессора. В прототипе этого выполнить невозможно, т.к. сборку и запрессовку элементов ротора осуществляют в неподвижной и холодной турбине путем перемещения диска турбины относительно вала компрессора упорными захватами.

На фиг, 1 изображен ротор, на фиг. 2 - поперечное сечение соединения керамического выступа турбины с металлическим валом.

Ротор содержит металлический вал 1 с центральным осевым каналом 2, снабженный на конце расточкой 3, выполненный в виде полой втулки с торцем 4 и керамическую турбину 5, включающую диск 6 с рабочими лопатками 7 и выступ (цапфу) 8, установленный по оси внутри расточки 3, а также промежуточное разъемное кольцо 9 сопряженное снаружи с цилиндрической поверхностью 10 расточки 3 и внутри - с конической поверхностью 11 выступа 8, причем кольцо 9 соединено с расточкой 3 радиальными штифтами 12. Между торцами 4 и 13 вала 1 и выступа 8 расположен силь- фон 14, закрепленный кромками 15 в торце 4, внутренняя полость А которого (14) сообщена с выходом канала 2. На свободном конце вала на входе канала 2 установлен съемный штуцер 16, соединенный через скользящее уплотнительное устройство 17с источником 18 сжатого газа через клапан 19. Металлическое кольцо состоит из сегментов 20, каждый из которых соединен штифтом 12 с расточкой 3 и сопряжен конической поверхностью с керамическим выступом 8 некруглого сечения.

Предлагаемый способ сборки ротора осуществляют следующим образом. После изготовления с требуемой обработкой поверхностей турбины 5, вала 1 с каналом 2 и расточкой 3 и установки сильфона 14 на торце 4 вала 1 на выступе 8 устанавливают сегменты 20, разъемного кольца, крепят их стяжным кольцом (на чертеже не показано) и устанавливают выступ 8 с разъемным кольцом 9 в расточку 3. Затем устанавливают штифты 12, крепят их сплошным кольцом или стопором (на чертеже не показано) и устанавливают штуцер 16. После этого вал 1 с турбиной 5 устанавливают на разгонный стенд, соединяют его (1) с приводным двигателем и тормозом (на чертеже не показаны), а также с источником 18 сжатого воздуха через вращающееся уплотнение 17, При вращении турбины 5 начинают нагревать, например факелом форсунки или горячим воздухом и по оси от вала возникают выступ 8 при небольшом давлении воздуха в полости А сильфона 14 для обеспечения контакта конических поверхностей 10 и 11 узла соединения. При нагреве выступа 8, кольца 9 и расточки 3 до значения рабочих температур

несколько раз производят резкое торможение вала 1 для получения крутящего момента. При этом крутящий момент от вращающейся по инерции турбины 5 будет передаваться на вал 1 через выступ 8, сег- менты 20 кольца 9, штифты 12 и стенки расточки 3. При торможении под воздействием крутящего момента будет происходить самоцентрирование выступа 8 и притирка контактирующих поверхностей элементов 8, 20, 12, 3. Затем при свободном вращении турбины при расчетном давлении подают сжатый воздух в сильфон 14 и тем самым запрессовывают выступ 8 в кольцо 9. После этого производят окончательное соедине- ние кольца и расточки штифтами 12, останавливают и снимают со стенда собранную конструкцию. ,

Преимущество изобретения заключается в следующем. В предложенном способе при соединении металлического вала компрессора и керамического выступа турбины первые посадки с натягом создают осевые усилия, центробежные силы и температуру, соответствующие рабочему режиму ротора двигателя.

Под воздействием центробежных сил, осевых усилий крутящего момента и нагрева воздействующих на элементы узла соединения притираются сопряженные поверхности, уменьшаются очагиточечных напряжений, происходит их соединение штифтами при воздействии указанных факторов. В дальнейшем в двигателе не возникают новые силы, воздействующие на элементы узла соединения. Это позволяет до сборки двигателя выявить дефекты ротора на стенде и осуществить горячую насадку элементов ротора при наличии всех фактов, соответствующих рабочему режиму. Все это повышает надежность соединения керамического вала с металлическим.

Формула изобретения Способ сборки металлокерамического ротора турбины, включающий установку керамической цапфы диска совместно с упорным кольцом в цилиндрический стакан металлического вала, отличающийся тем. что, с целью повышения надежности соединения и точности сборки, после установки дополнительно осуществляют нагрев и вращение ротора, притирку и центрирование цапфы путем резкого торможения ротора, последующей запрессовки цапфы в упорное кольцо путем осевого перемещения турбины вследствие воздействия сжатым воздухом на ее торец.

Использование: в газотурбостроении, в частности в способах сборки ротора газотурбинного двигателя (ГТД), включающего керамическую турбину, соединенную с металлическим валом. Сущность изобретения: вал 1 с турбиной 5 устанавливают на стенд, вращают приводом и нагревают турбину 5 факелом или горячим газом. После нагрева элементов 8 ротора до рабочей температуры в полость А подают сжатый воздух и сильфо- ном 14 запрессовывают хвостовик 9 в коническую поверхность кольца 9. Затем кольцо 9 окончательно крепят штифтами 12 вовтул- ; ке 3, после чего останавливают вал 1 и со стенда снимают собранный ротор. 2 ил.