Роторный узел турбомашины с двумя снабженными лопатками дисками, разделенными распоркой
Роторный узел турбомашины содержит два снабженных лопатками диска и распорку. В одном из дисков выполнены пазы для размещения хвостовиков лопаток. Распорка включает оболочку, окружающую диск, и шипы, входящие в пазы и содержащие внутренние радиальные упорные поверхности и наружные осевые упорные поверхности. Внутренние радиальные упорные поверхности шипов опираются на ответные поверхности, образованные на одном из дисков. Наружные осевые упорные поверхности включают первые наружные осевые упорные поверхности и вторые наружные осевые упорные поверхности, противоположные первым. Первые наружные осевые упорные поверхности упираются в один из дисков. Вторые наружные осевые упорные поверхности упираются в уплотнение, связанное с другим диском, которое является уплотнением для удержания лопаток указанного другого диска. Изобретение позволяет упростить сборку роторного узла, а также повысить прочность распорки и снизить ее массу. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.
Данное изобретение относится к узлу ротора турбомашины, содержащей, в частности, два снабженных лопатками диска, разделенных распоркой, используемой для охлаждения или уплотнения.
Классическая конструкция роторов содержит последовательно установленные диски, снабженные фланцами, которые находятся в контакте друг с другом и соединены с использованием резьбовых крепежных систем. Вокруг фланцев находятся круговые распорки. Воздух для охлаждения дисков может проходить внутри этих распорок, а на их наружных поверхностях могут находится системы для обеспечения уплотнения с неподвижными лопатками статора. Устройство такого типа раскрыто в патенте US-4730982-А. Распорки обычно прикреплены к фланцам болтами, однако эта конструкция не подходит, если диски изготовлены из одной заготовки или свариваются, что устраняет необходимость во фланцах.
Изобретение относится к устройству нового роторного узла, содержащего два последовательно установленных диска и промежуточную распорку, при этом диски постоянно скреплены между собой и не содержат соединенных болтами фланцев, вместо которых использована новая система крепления распорки.
Одно решение крепления лопаток уже предложено в US-4277225-А. Распорки снабжены штифтами с поперечным сечением, аналогичным поперечному сечению хвостовиков лопаток, при этом штифты вставляются в пазы хвостовиков лопаток. Осевое запирание нескольких ступеней лопаток обеспечивается посредством сжатия комплекта из распорок и лопаток, при этом штифты распорок упираются в концы хвостовиков лопаток.
Эта конструкция не позволяет определить, будет ли сжатие сложного комплекта достаточным при наличии вибраций, и требует очень точного выполнения компонентов для обеспечения правильной сборки, в частности, для того чтобы штифты распорок точно совпадали с пазами в дисках, расположенных на обоих концах узла. Эти штифты имеют очень сложное поперечное сечение. Это относится также к дискам, для того чтобы ротор был цилиндрическим. При этом также не обеспечивается непрерывность распорок в угловом направлении, так как каждая распорка имеет только одно штифтовое крепление на каждой стороне. Смежные распорки соединены друг с другом через внутренние площадки ребер, покрывающих переднюю поверхность дисков, в которых необходимо выполнять дополнительные пазы для прохождения ребер.
Согласно данному изобретению, узел турбомашины содержит два снабженных лопатками диска и распорку, при этом в, по меньшей мере, одном из дисков выполнены пазы для размещения хвостовиков лопаток, распорки содержат оболочку, окружающую один из дисков (в котором выполнены установочные пазы для хвостовиков лопаток), шипы, входящие в пазы и содержащие внутренние радиальные упорные поверхности, опирающиеся на ответные поверхности, образованные в одном из дисков, и наружные осевые упорные поверхности. Кроме того, отличительная особенность изобретения состоит в том, что наружные осевые упорные поверхности содержат первые поверхности, которые упираются в один из дисков, и вторые поверхности, расположенные противоположно первым поверхностям, которые упираются в уплотнение, связанное с другим диском.
Ниже будет показано, как эта распорка удовлетворяет условиям жесткой сборки, несмотря на отсутствие резьбовых соединений, обеспечивает выполнение уплотнительных функций и улучшает охлаждение дисков. Другое существенное преимущество состоит в упрощении сборки наряду с уменьшением массы и увеличением прочности за счет соединения дисков, отказа от болтов и улучшенной правильности формы отдельных блоков.
Необходимо отметить, что шипы, хотя они аналогичны ребрам, которые соединяют распорки в виде секторов окружности в US-4277225-А, имеют другие функции и расположение, поскольку прежде всего они используются для восприятия радиального давления распорки на диск. Они должны быть выполнены с возможностью скользящего вхождения в пазы диска, однако в действительности они не расположены там после завершения монтажа. При отсутствии штифтового крепления, воспринимающего силовые нагрузки в пазах диска для позиционирования распорок, последние располагаются полностью между дисками. Распорки являются непрерывными по окружности, что обеспечивает их удерживание с помощью единственного буртика, расположенного со стороны одного из дисков.
В предпочтительном варианте выполнения изобретения описанная выше конструкция улучшена тем, что шипы и оболочка образуют каналы охлаждения дисков, при этом каналы также проходят в пазы под хвостовиками лопаток, так что шипы проходят между пазами, при этом первые осевые упорные поверхности расположены на шипах, а ответные поверхности расположены на венце, образованном на первом диске. Таким образом, оболочка, шипы и пазы в комбинации обеспечивают охлаждение ротора за счет расположения распорки между двумя дисками после ее поворота, так что шипы больше находятся не напротив пазов, а между ними, тем самым разделяя поток воздуха через пазы.
Предпочтительно, когда диски скреплены между собой в единственном месте соединения, при этом распорка является круговой.
Кроме того, на лопатках одного из дисков и на уплотнении необходимо предусмотреть сопряженные поверхности соответствующие наружным радиальным упорным поверхностям распорки.
При меньшей механической нагрузке, чем обычные распорки, поскольку она не служит для прижимания к другим компонентам узла, и за счет того, что единственное соединение с дисками осуществляется с помощью окружной нагрузки на венец и осевого усилия на уплотнение, распорка может быть выполнена в виде легкой конструкции, и даже может быть выполнена из композитных материалов, если обеспечивается адекватное охлаждение.
Другие аспекты, характеристики и преимущества изобретения следуют из приведенного ниже описания со ссылками на чертежи, на которых:
фиг.1 изображает роторный узел согласно уровню техники;
фиг.2 - общий вид роторного узла согласно отдельному варианту исполнения изобретения;
фиг.3 и 4 - роторный узел на виде в осевом направлении в двух частичных разрезах в два следующих друг за другом момента времени; и
фиг.5 - внешнюю часть соединения распорки с дисками.
На фиг.1 каждый из двух последовательных дисков 1 и 2 ротора содержит осевые или диагональные пазы 3, в которых установлены хвостовики 4 лопаток 5. Хвостовики 4 удерживаются в радиальном направлении в пазах 3 с помощью их частей, имеющих наибольшую толщину, а в осевом направлении - с помощью разрезного уплотнения 7, установленного в позиционирующих выступах 8 лопаток 5, покрывающих часть дисков 1 или 2, при этом уплотнение 7 с одной стороны, удерживает лопатки 5 и исключает встречное перемещение лопаток 5, упирающихся в уплотнения 7, установленных на буртиках 9 или 10 на кромке распорки 11, расположенной между дисками 1 и 2, и к которой прижимается уплотнение 7. Распорка 11 содержит оболочку 12, соединяющую буртики 9 и 10, и фланец 13, который проходит до половины длины оболочки 12 и под ней; фланец 13 вставлен между фланцами 14 и 15 соответственно и соединен с дисками 1 и 2 посредством болтов 16. Оболочка 12 имеет на своей наружной поверхности пару гребней 17, которые представляют собой круговые выступы, которые могут входить во фрикционный контакт с кольцом 18, выполненным из истираемого материала, прикрепленного к ободу комплекта неподвижных лопаток 19.
Диски 1 и 2 можно охлаждать потоком газа, поступающим из другой части машины, однако обычно требуется специальный узел охлаждения для каждого диска. Таким образом, фланец 13 распорки 11 может быть размещен между двумя парами болтов 16 так, что создается проход 20 в форме полумесяца, обеспечивающий поступление охлаждающего газа, подаваемого в камеру 21 ротора, в кольцевой канал 22, проходящий между наружной оболочкой 12 распорки 11 и соединительным ободом, присоединяющим фланец 15 к диску 2, при этом поток газа ударяется в диск 2 и охлаждает его до соединения с основным потоком в машине. Очевидно, что фланец 13 препятствует общему охлаждению дисков 1 и 2.
Как показано на фиг.2, диски 1 и 2 заменены, согласно изобретению, дисками 31 и 32, которые непосредственно соединены с использованием ободов 33 и 34, сваренных вместе на стыке 35. В этом случае диски 31 и 32 имеют также пазы 3, используемые для размещения хвостовиков 4 лопаток 5. Распорка 11 заменена распоркой 36 с исключением соединительного фланца, содержащей, в частности: наружную оболочку 37 с диаметром, всегда большим диаметра наименьшего диска 31; осевые шипы 38, как показано на фиг.3 и 4, для которых угловой шаг является одинаковым с шагом пазов 3 диска 31 или кратен ему; и упоры 39 и 40, концы которых соединены соответственно с дисками 31 и 32.
Первый упор 39 на шипе 38 содержит (смотри фиг.5) внутренние радиальные упорные поверхности 41, опирающиеся на ответные поверхности венца 42, образованного со стороны диска 31, наружные осевые упорные поверхности 43, посредством которых оболочка 37 упирается в диск 31, осевую упорную поверхность 44 для лопаток 5 и наружную радиальную упорную поверхность 45, расположенную ниже выступов 46 лопаток 5. Другой упор 40 содержит наружную осевую упорную поверхность 47 и наружную радиальную опорную поверхность 48, которые обе находятся в соприкосновении с удерживающим уплотнением 7 лопаток 5 диска 32. Можно видеть, что шипы 38, которые не имеют эти две последние поверхности, могут проходить от кромки, смежной с диском 31, вплоть до наружной кромки или до какой-то промежуточной части распорки 36, однако предпочтительно, чтобы они проходили как можно дальше для создания полноценных охлаждающих каналов, как будет описано ниже.
Упирание внутренних радиальных упорных поверхностей 41 в венец 42 обеспечивает возможность центрирования распорки 36 на роторе, при этом наружные осевые упорные поверхности 43 и 47 ограничивают осевые перемещения распорки 36, одновременно обеспечивая адекватную податливость благодаря оказываемому на уплотнение 7 давлению, причем наружное радиальное упирание в поверхности 45 и 48 не является существенным, однако может способствовать равномерности распределения нагрузки в узле и уменьшению вибраций.
Сборка узла включает установку лопаток 5 на диск 32 путем установки уплотнения 7, последующего вдвигания распорки 36 в другой диск 31 посредством введения шипов 38 в пазы 3, как показано на фиг.3; затем распорку 36 поворачивают для совмещения шипов 38 и пазов 3, как показано на фиг.4; затем устанавливают лопатки 5 на диске 31 с использованием уплотнения 7, которое расположено на противоположной стороне распорки 36.
Распорку 36, подвергаемую меньшим тепловым и механическим нагрузкам, чем распорки известного типа, благодаря отсутствию фланца 13 можно предпочтительно изготавливать из неметаллического композитного материала на основе углерода; однако, в виде исключения гребни 17 можно по-прежнему выполнять из металла вместе с частями, смежными с оболочкой 37.
Распорка 36 способствует охлаждению дисков 31 и 32 с использованием аналогичной системы, которая выполнена следующим образом (смотри фиг.2): боковая пластина 49 прикреплена болтами к фланцу 50 диска 31 на противоположной стороне распорки 36 для удерживания уплотнения 7; при этом предусмотрены проходы 51, имеющие форму полумесяца для входа охлаждающего воздуха, который проходит между боковой пластиной 49 и фланцем 50; затем этот воздух проходит через пазы 3 под хвостовиками 4 лопаток, охлаждая диск 31, перед проходом через каналы под оболочкой 37 в распорке 36 между шипами 38; затем он беспрепятственно проходит через каналы, образованные шипами 38, для соударения с диском 32, который он охлаждает при проходе через пазы 3 под хвостовиками 4 лопаток.
Коническая форма оболочки 37, которая заменяет соединенные болтами фланцы, имеет лучшие параметры механической прочности и расположена вблизи гребней 17 статорных лопаток, что позволяет выполнять истираемое опорное кольцо 18 более тонким. Шипы 38 обеспечивают дополнительный эффект увеличения жесткости распорки 36.
1. Роторный узел турбомашины, содержащий два снабженных лопатками диска (31, 32) и распорку (36), при этом в, по меньшей мере, одном из дисков (31) выполнены пазы (3) для размещения хвостовиков (4) лопаток (5), а распорка (36) включает оболочку (37), окружающую диск (31), шипы (38), входящие в пазы (3) и содержащие внутренние радиальные упорные поверхности (41), опирающиеся на ответные поверхности, образованные на одном из дисков (31), и наружные осевые упорные поверхности (43, 47), отличающийся тем, что наружные осевые упорные поверхности содержат первые наружные осевые упорные поверхности (43), которые упираются в один из дисков (31), и вторые наружные осевые упорные поверхности (47), противоположные первым поверхностям (43), которые упираются в уплотнение (7), связанное с другим диском (32), которое является уплотнением для удержания лопаток (5) указанного другого диска (32).
2. Роторный узел по п.1, отличающийся тем, что шипы и оболочка образуют каналы охлаждения дисков, входящие также в пазы (3) под хвостовиками лопаток, первые наружные осевые упорные поверхности расположены на шипах, а ответные поверхности расположены на венце (42), образованном на первом диске (31).
3. Роторный узел по любому из п.1 или 2, отличающийся тем, что диски (31, 32) скреплены между собой в единственном месте соединения, при этом распорка (36) является круговой.
4. Роторный узел по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что наружные радиальные упорные поверхности (45, 48) распорки соответствуют сопряженным поверхностям, предусмотренным на лопатках одного из дисков и на уплотнении.
5. Роторный узел по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что распорка выполнена из композитного материала, за исключением уплотняющих гребней (17), которые находятся во фрикционом контакте с истираемым кольцом (18).
