Способ сборки набора рабочих колес с помощью стяжных стержней, рабочее колесо и турбомашина

Изобретение относится к сборке набора рабочих колес, расположенных смежно друг с другом в осевом направлении и имеющих соответствующие сквозные осевые. Используют по меньшей мере два осевых стяжных стержня, как минимум с одним соединительным элементом, который в осевом направлении расположен смежно с двумя рабочими колесами соответственно на двух его сторонах и имеет сквозное осевое отверстие. Соединительный элемент используют для закрепления конца первого осевого стяжного стержня с одной стороны сквозного осевого отверстия указанного элемента и закрепления конца второго осевого стяжного стержня с другой стороны сквозного осевого отверстия указанного элемента. Обычно и предпочтительно соединительный элемент представляет собой одно из рабочих колес указанного набора. Изобретение направлено на повышение надежности установки. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Варианты выполнения изобретения, описанного в данном документе, относятся к способам сборки набора рабочих колес, к рабочим колесам и турбомашинам.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Сборка набора рабочих колес может быть выполнена различными способами.

Один известный способ включает выполнение осевых сплошных отверстий в рабочих колесах, расположение всех рабочих колес смежно друг с другом в осевом направлении, введение осевого стяжного стержня в отверстия так, что он выступает из первого рабочего колеса и из последнего рабочего колеса, приложение осевых усилий к первому рабочему колесу и последнему рабочему колесу с помощью указанного стяжного стержня с обеспечением плотного удерживания всех рабочих колес вместе.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Такое решение является простым и эффективным, однако имеет некоторые недостатки.

Когда блок рабочих колес нагревается вследствие работы машины и из-за текучей среды, контактирующей с рабочими колесами, стяжной стержень также нагревается и в некоторой степени ослабляет рабочие колеса. Это может вызвать относительный поворот рабочих колес, и/или дисбаланс ротора, и/или сильные вибрации машины, и/или низкую выработку/поглощение энергии, и/или истирание и износ соединений между рабочими колесами. Данный недостаток пропорционален количеству рабочих колес и длине стяжного стержня. Данный недостаток зависит от температур стяжного стержня и рабочих колес во время работы машины. Данный недостаток также зависит от материалов, используемых для стяжного стержня и рабочих колес, в частности ввиду различных коэффициентов теплового расширения.

В случае длинного стяжного стержня с ним должны быть связаны демпфирующие устройства, расположенные в некоторых точках между двумя концами стержня, то есть внутри осевых отверстий рабочих колес. Такие демпфирующие устройства подвержены износу и/или повреждению и, следовательно, являются причиной снижения надежности машины, в которой они используются. Более того, поскольку такие демпфирующие устройства расположены внутри осевых отверстий рабочих колес, для выполнения их технического обслуживания требуется полная разборка машины.

Таким образом, существует необходимость в усовершенствованном способе сборки набора рабочих колес.

Основная идея заключается в использовании группы осевых стяжных стержней, как правило, двух, или трех, или четырех стержней.

Первый аспект данного изобретения относится к рабочему колесу.

Рабочее колесо турбомашины имеет осевое сквозное отверстие, первую часть с первым осевым отверстием, имеющим первое сечение, и вторую часть со вторым осевым отверстием, имеющим второе сечение, причем первое сечение меньше второго сечения, при этом указанные первое и второе осевые отверстия образуют указанное сквозное осевое отверстие, и указанная первая часть выполнена с возможностью соединения с концом первого осевого стяжного стержня, а указанная вторая часть выполнена с возможностью соединения с концом второго осевого стяжного стержня.

Второй аспект данного изобретения относится к турбомашине.

Турбомашина содержит:

- по меньшей мере одно рабочее колесо, имеющее сквозное осевое отверстие (6В), причем по меньшей мере одно рабочее колесо имеет первую часть с первым осевым отверстием, имеющим первое сечение, и вторую часть со вторым осевым отверстием, имеющим второе сечение, при этом первое сечение меньше второго сечения, и указанное сквозное осевое отверстие содержит указанные первое и второе осевые отверстия,

- по меньшей мере первый и второй осевые стяжные стержни, расположенные по меньшей мере частично внутри сквозных осевых отверстий,

- по меньшей мере одну гайку,

причем указанное по меньшей мере одно рабочее колесо соединено с концом указанного первого осевого стяжного стержня при помощи указанной гайки и непосредственно соединено с концом указанного второго осевого стяжного стержня.

Третий аспект данного изобретения относится к способу сборки набора рабочих колес.

Указанный способ применяется для сборки ротора турбомашины и включает следующие этапы:

- обеспечение рабочих колес, имеющих соответствующие сквозные осевые отверстия,

- расположение указанных рабочих колес смежно друг с другом в осевом направлении,

- обеспечение по меньшей мере первого и второго осевых стяжных стержней,

- обеспечение по меньшей мере одного соединительного элемента,

- использование указанного соединительного элемента для закрепления конца первого осевого стяжного стержня с одной стороны сквозного осевого отверстия указанного элемента и закрепления конца второго осевого стяжного стержня с другой стороны сквозного осевого отверстия указанного элемента.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Прилагаемые чертежи, включенные в данное описание и составляющие его часть, изображают иллюстративные варианты выполнения данного изобретения и совместно с описанием служат для пояснения этих вариантов. На чертежах:

фиг. 1 изображает упрощенный разрез набора рабочих колес, собранных с помощью только одного осевого стяжного стержня,

фиг. 2 изображает упрощенный разрез рабочих колес, собранных с помощью трех осевых стяжных стержней,

фиг. 3 изображает упрощенный частичный разрез рабочего колеса, имеющего простое сквозное осевое отверстие,

фиг. 4 изображает упрощенный частичный разрез рабочего колеса, имеющего профилированное сквозное осевое отверстие, и

фиг. 5 иллюстрирует применение рабочего колеса, показанного на фиг. 4, в конструкции, показанной на фиг. 2.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Нижеследующее подробное описание иллюстративных вариантов выполнения приведено со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Нижеследующее подробное описание не ограничивает данное изобретение, объем которого определяется прилагаемой формулой изобретения.

Используемое на протяжении всего описания выражение «один вариант выполнения» или «вариант выполнения» означает, что конкретный признак, конструкция или характерная особенность, описанные в связи с вариантом выполнения, присущи по меньшей мере одному варианту выполнения рассматриваемого объекта изобретения. Таким образом, фразы «в одном варианте выполнения» или «в варианте выполнения», встречающиеся в разных местах на протяжении всего описания, не обязательно относятся к одному и тому же варианту выполнения. Кроме того, конкретные признаки, конструкции или характерные особенности могут сочетаться любым соответствующим образом в одном или более вариантах выполнения.

На фиг. 1 показан набор из пяти рабочих колес 1А, 1В, 1С, 1D, 1Е центробежного компрессора, представляющего собой пятиступенчатый центробежный компрессор. Рабочие колеса 1А, 1В, 1С, 1D, 1Е расположены смежно друг с другом в осевом направлении и имеют соответствующие осевые сквозные отверстия 2А, 2В, 2С, 2D, 2Е. В частности, эти отверстия являются, например, цилиндрическими и имеют одинаковый диаметр. Отверстия 2А, 2В, 2С, 2D, 2Е совмещены в осевом направлении, и в них вставлен один осевой стяжной стержень 3 так, что он выступает (по меньшей мере в некоторой степени) из первого рабочего колеса 1А и из последнего рабочего колеса 1Е. С помощью стержня 3 (а также с помощью двух элементов согласно данному варианту выполнения) к первому колесу 1А и последнему колесу 1Е прикладываются осевые усилия для обеспечения плотного удерживания колес 1А, 1В, 1С, 1D, 1Е вместе.

На фиг. 2 изображена конфигурация, которая аналогична показанной на фиг. 1, но в которой для плотного удерживания вместе всех пяти рабочих колес, а именно колес 1А, 5В, 1С, 5D, 1Е, используются три осевых стяжных стержня 4А, 4В, 4С. Первое рабочее колесо (то есть колесо 1А), центральное рабочее колесо (то есть колесо 1С) и последнее рабочее колесо (то есть колесо 1Е) данного варианта выполнения, показанного на фиг. 2, аналогичны рабочим колесам варианта выполнения, показанного на фиг. 1.

Второе колесо 5В имеет такую форму, что стержень 4А прочно удерживает вместе первое колесо 1А и второе колесо 5В. Четвертое колесо 5D имеет такую форму, что стержень 4В крепко удерживает вместе второе колесо 5В, третье колесо 1С и четвертое колесо 5D. Четвертое колесо 5D и пятое колесо 1Е удерживаются вместе стержнем 4С с помощью дополнительного элемента 10, который описан ниже.

Согласно данному варианту выполнения каждый осевой стяжной стержень используется для удерживания вместе (например) только двух или трех рабочих колес, а не всех рабочих колес, поэтому риск ослабления рабочих колес и необходимость в демпфирующих устройствах для стяжных стержней значительно сокращен.

В целом, сборка набора рабочих колес осуществляется с помощью по меньшей мере одного соединительного элемента, который в осевом направлении расположен смежно с двумя рабочими колесами соответственно с его двух сторон и имеет осевое сквозное отверстие. Соединительный элемент используется для закрепления конца первого осевого стяжного стержня с одной стороны осевого сквозного отверстия указанного элемента и закрепления конца второго осевого стяжного стержня с другой стороны осевого сквозного отверстия указанного элемента.

Предпочтительно указанный соединительный элемент представляет собой одно из рабочих колес набора, подлежащего сборке. В варианте выполнения, изображенном на фиг. 2, колеса 5В и 5D выступают также в качестве соединительных элементов и очень похожи друг на друга. На фиг. 4 подробно изображено в качестве примера колесо 5В с осевым сквозным отверстием 6В.

Предпочтительно одно из рабочих колес является по меньшей мере частью указанного соединительного элемента.

Предпочтительно колеса 1А, 5В, 1С, 5D, 1Е в наборе тангенциально соединены друг с другом при помощи соответствующих соединений 7А, 7В, 7С, 7D с V-образными зубьями, расположенных вокруг отверстий 2А, 6В, 2С, 6D, 2Е колес. Соединения с V-образными зубьями обеспечивают очень хорошее скрепление и обладают преимуществом, заключающимся в обеспечении абсолютного одинакового взаимного положения рабочих колес даже после нескольких операций по сборке и разборке (например, при техническом обслуживании).

Рабочее колесо 5В имеет осевое сквозное отверстие 6В. Первая часть 6В1 указанного отверстия расположена на первой стороне рабочего колеса и имеет первое сечение, вторая часть 6В2 отверстия расположена на второй стороне рабочего колеса и имеет второе сечение, причем первая сторона противоположна второй стороне, первое сечение (см. 6В1) меньше второго сечения (см. 6В2), и первая часть 6В1 отверстия может использоваться в качестве точки отсчета при центрировании стержня 4А с помощью гайки 11А. Внутренние поверхности первой части 6В1 и второй части 6В2 соединены плоской поверхностью 6В3, которая выполнена с возможностью присоединения к концу осевого стяжного стержня. На фиг. 5 показана поверхность 6В3, соединенная с гайкой 11А стержня 4А. Вторая часть 6В2 отверстия выполнена с возможностью присоединения к концу другого осевого стяжного стержня. На фиг. 5 показан стержень 4В, ввинченный в часть 6В2 (имеющую резьбу). В частности, имеется резьбовой хвостовик, выполненный на увеличенном (более конкретно, увеличенном в радиальном направлении) конце 12 стержня 4В. Увеличенный конец 12 стержня 4В имеет углубление 13 (более конкретно, осевое углубление) для размещения конца (более конкретно, вершинной части конца) стержня 4А. Таким образом, может быть получено очень хорошее соединение на меньшей осевой длине с сохранением точности сборки и затягивания. Следует отметить, что между частями 6В1 и 6В2 отверстия может быть расположена частичная или сплошная стенка.

Рабочее колесо 5В имеет зубья 7А2 первого соединения 7А с V-образными зубьями, расположенные вокруг отверстия 6В на первой стороне указанного колеса, и зубья 7В1 второго соединения 7В с V-образными зубьями, расположенные вокруг отверстия 6В на второй стороне колеса.

На фиг. 3 изображен вариант выполнения рабочего колеса собираемого набора, которое не выступает в качестве соединительного элемента. Рабочие колеса 1А, 1С и 1Е очень похожи друг на друга. Колесо 1С имеет сквозное осевое отверстие 2С, например, цилиндрической формы. Колесо 1С имеет зубья 7В2 второго соединения 7В с V-образными зубьями, расположенные вокруг отверстия 2С на первой стороне колеса, и зубья 7С1 третьего соединения 7С с V-образными зубьями, расположенные вокруг отверстия 2С на второй стороне колеса.

Согласно варианту выполнения, изображенному на фиг. 2, стержни 4А, 4В, 4С расположены последовательно. Первый стержень 4А последовательной конструкции соединен с элементом 9, действующим в качестве головки для натяжения стержня 4А и расположенным перед первым колесом 1А указанного набора. Например, конец стержня 4А ввинчен в резьбовое отверстие элемента 9, а элемент 9 соединен с колесом 1А при помощи соединения 8А с V-образными зубьями.

Согласно варианту выполнения, изображенному на фиг. 2, стержни 4А, 4В, 4С расположены последовательно. Последний стержень 4С последовательной конструкции соединен с элементом 10 при помощи гайки 11С стержня 4С. Элемент 10 в осевом направлении расположен смежно с последним колесом 1Е на одной из его сторон и имеет сквозное осевое отверстие 10F (более конкретно, профилированное отверстие) для размещения последнего стержня 4С. Например, элемент 10 соединен с колесом 1Е при помощи соединения 8В с V-образными зубьями.

Следует отметить, что элементы 9 и 10 могут иметь различные формы и размеры. В частности, они могут содержать подшипники скольжения, концевые уплотнения вала, балансировочные барабаны и упорные кольца.

Сборку конструкции, показанной на фиг. 2, выполняют поэтапно, например, следующим образом:

- стержень 4А прикрепляют к элементу 9,

- стержень 4А вставляют в отверстие 2А рабочего колеса 1А до скрепления соединения 8А,

- стержень 4А вставляют в отверстие 6В рабочего колеса 5В до скрепления соединения 7А,

- гайку 11А навинчивают на стержень 4А до затягивания,

- стержень 4В ввинчивают в отверстие 6В до затягивания,

- стержень 4В вставляют в отверстие 2С рабочего колеса 1С до скрепления соединения 7В,

- стержень 4В вставляют в отверстие 6D рабочего колеса 5D до скрепления соединения 7С,

- гайку 11В навинчивают на стержень 4В до затягивания,

- стержень 4С ввинчивают в отверстие 6D до затягивания,

- стержень 4С вставляют в отверстие 2Е рабочего колеса 1Е до скрепления соединения 7D,

- стержень 4С вставляют в отверстие 10F элемента 10 до скрепления соединения 8В,

- гайку 11С навинчивают на стержень 4С до затягивания. На этом этапе конструкция полностью собрана.

Следует отметить, что вышеприведенное описание процесса сборки не должно считаться указывающим на то, какие элементы перемещают, а какие удерживают неподвижными.

1. Рабочее колесо (5В) турбомашины, имеющее сквозное осевое отверстие (6В), первую часть с первым осевым отверстием, имеющим первое сечение (6В1), и вторую часть со вторым осевым отверстием, имеющим второе сечение (6В2), причем первое сечение (6В1) меньше второго сечения (6В2), при этом указанные первое и второе осевые отверстия образуют указанное сквозное осевое отверстие (6В), и указанная первая часть выполнена с возможностью соединения с концом первого осевого стяжного стержня (4А), а указанная вторая часть выполнена с возможностью соединения с концом второго осевого стяжного стержня (4В).

2. Рабочее колесо по п. 1, в котором вокруг указанного сквозного осевого отверстия (6В) на первой стороне рабочего колеса расположены зубья (7А2) первого соединения (7А) с V-образными зубьями, и вокруг указанного сквозного осевого отверстия (6В) на второй стороне рабочего колеса расположены зубья (7В1) второго соединения (7В) с V-образными зубьями.

3. Турбомашина, содержащая

по меньшей мере одно рабочее колесо (5В, 5D), имеющее сквозное осевое отверстие (6В), причем по меньшей мере одно рабочее колесо (5В, 5D) имеет первую часть с первым осевым отверстием, имеющим первое сечение (6B1), и вторую часть со вторым осевым отверстием, имеющим второе сечение (6B2), при этом первое сечение (6В1) меньше второго сечения (6В2), и указанное сквозное осевое отверстие (6В) содержит указанные первое и второе осевые отверстия,

по меньшей мере первый и второй осевые стяжные стержни (4А, 4В, 4С), расположенные по меньшей мере частично внутри сквозных осевых отверстий (6В, 6D),

по меньшей мере одну гайку (11А),

причем указанное по меньшей мере одно рабочее колесо (5В, 5D) соединено с концом указанного первого осевого стяжного стержня (4А) при помощи указанной гайки (11А) и непосредственно соединено с концом указанного второго осевого стяжного стержня (4В).

4. Турбомашина по п. 3, в которой по меньшей мере один осевой стяжной стержень (4В, 4С) имеет увеличенный конец (12), ввинченный во вторую часть указанного по меньшей мере одного рабочего колеса (5В).

5. Турбомашина по п. 4, в которой увеличенный конец (12) осевого стяжного стержня (4В) имеет углубление (13) для размещения конца другого осевого стяжного стержня (4А).

6. Турбомашина по п. 3, в которой указанные по меньшей мере первый и второй осевые стяжные стержни (4А, 4В, 4С) расположены последовательно, при этом первый или последний осевой стяжной стержень (4А) последовательной конструкции соединен с элементом (9), действующим в качестве головки для натяжения осевого стяжного стержня (4А) и расположенным перед рабочим колесом (1А) указанного набора.

7. Турбомашина по п. 6, в которой последний или первый осевой стяжной стержень (4С) последовательной конструкции при помощи гайки (11С) указанного последнего или первого осевого стяжного стержня (4С) соединен с элементом (10), который в осевом направлении расположен смежно с рабочим колесом (1Е) на одной из его сторон и имеет сквозное осевое отверстие (10F) для размещения указанного последнего или первого осевого стяжного стержня (4С).

8. Турбомашина по любому из пп. 3-7, представляющая собой многоступенчатый центробежный компрессор.

9. Способ сборки ротора для турбомашины, включающий

обеспечение рабочих колес (1А, 5В, 1С, 5D, 1Е), имеющих соответствующие сквозные осевые отверстия (2А, 6В, 2С, 6D, 2Е),

расположение указанных рабочих колес смежно друг с другом в осевом направлении,

обеспечение по меньшей мере первого и второго осевых стяжных стержней (4А, 4В, 4С),

обеспечение по меньшей мере одного соединительного элемента (5В, 5D),

использование указанного соединительного элемента (5В, 5D) для закрепления конца первого осевого стяжного стержня (4А, 4В) с одной стороны сквозного осевого отверстия (6В, 6D) указанного элемента и закрепления конца второго осевого стяжного стержня (4В, 4С) с другой стороны сквозного осевого отверстия (6В, 6D) указанного элемента.

10. Способ по п. 9, в котором одно рабочее колесо (1А, 5В, 1С, 5D, 1Е) является по меньшей мере частью указанного соединительного элемента (5В, 5D).

11. Способ по п. 9 или 10, в котором рабочие колеса (1А, 5В, 1С, 5D, 1Е) тангенциально соединены друг с другом при помощи соответствующих соединений (7А, 7В, 7С, 7D) с V-образными зубьями, расположенных вокруг сквозных осевых отверстий (2А, 6В, 2С, 6D, 2Е) колес.