Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ УДЕРЖИВАНИЯ ОБЛОМКОВ РОТОРА ТУРБОМАШИНЫ

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано в осевых турбомашинах, преимущественно в турбостартерах для стационарных газотурбинных установок.

Известно устройство для сохранения и поглощения энергии обломков ротора, содержащее полый корпус, размещенный в опорах вращения ротор, включающий по крайней мере один диск с лопатками, причем на внутренней поверхности корпуса над рабочими лопатками выполнен ряд глубоких канавок, а корпус содержит торцевой фланец, скрепленный с возможностью проворачивания в результате воздействия разлетающихся осколков ротора [1].

Недостатками известной конструкции являются низкие демпфирующие свойства и недостаточная надежность бронированного корпуса вследствие возникновения кольцевых напряжений в основаниях глубоких канавок, а также непрогнозируемые характер и форма разрушения корпуса вследствие его консольного закрепления на торцевом фланце, воспринимающем тормозной момент заклиненных в корпусе обломков ротора.

Наиболее близкой к заявляемому устройству является конструкция отсека для удерживания обломков втулки центробежного компрессора газотурбинного двигателя, содержащая размещенный в опорах вращения ротор, причем корпус снабжен кольцевым ободом вблизи радиально внешнего торца над ротором и охвачен кожухом [2].

Недостатком известной конструкции является недостаточная эффективность указанной брони и конструкции в целом в части локализации разрушенных при раскрутке обломков ротора турбомашины и исключения возгорания при этом масла и пускового газа, преимущественно при ее использовании в стационарных газотурбинных установках для перекачки сжатого природного газа.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении надежности турбомашины за счет локализации разрушенных при раскрутке обломков ротора путем прогнозируемой поломки корпуса в наиболее слабом месте, при срабатывании которого не произойдет разгерметизации газовой полости и возгорания пускового газа.

Сущность технического решения заключается в том, что в устройстве для удерживания обломков ротора турбомашины, содержащем полый корпус, размещенный в опорах вращения ротор, включающий по крайней мере один диск с лопатками, причем корпус снабжен кольцевым ободом над лопатками ротора и охвачен кожухом, согласно изобретению, кольцевой обод снабжен двумя внутренними фланцами, выполненными с ободом в виде единой монолитной детали, и скреплен с корпусом по двум кольцевым пояскам, один из фланцев расположен перед входом лопаток ротора, а другой - за их выходом, причем радиальная толщина стенки корпуса над лопатками ротора не превышает радиальную толщину стенки обода, а радиальное удаление обода от корпуса выполнено в пределах 1,0...1,8 высоты лопаток ротора, при этом масса кольцевого обода с фланцами соответствует величине энергетического воздействия обломков ротора
M = K • E_к,
где M - масса кольцевого обода с фланцами;
E_к - величина энергетического воздействия, Дж;
K - коэффициент пропорциональности, равный 30•10^-6 ... 50•10^-6 кг/Дж;
а толщина стенки корпуса над лопатками турбомашины соответствует соотношению

где T - толщина стенки корпуса, мм;
E_к - величина энергетического воздействия, Дж;
G - прочность материала при статическом изгибе, МПа;
K₁ - коэффициент пропорциональности, равный 0,8 - 1,3 (МПа•мм)/Дж;
f - расчетный запас прочности, равный 1,2.

Выполнение кольцевого обода с двумя внутренними фланцами в виде единой монолитной детали, скрепленной с корпусом по двум кольцевым пояскам (при помощи горячей посадки), с расположением одного из фланцев перед входом лопаток ротора, а другого - за их выходом, причем радиальной толщины стенки корпуса над лопатками, не превышающей радиальной толщины стенки обода корпуса, а радиального удаления обода от корпуса, находящегося в пределах 1,0...1,8 высоты лопаток ротора, позволяет спрогнозировать поломку корпуса в наиболее слабом месте за счет локализации разрушенных обломков ротора без разгерметизации газовой полости и возгорания пускового топливного газа.

Оценка непробиваемости обода при ударе в него оборвавшейся части диска позволяет сравнивать кинетическую энергию оборвавшейся части (E_к) и работу, необходимую для разрушения корпуса (A). Предполагается, что энергия оборвавшегося фрагмента диска совпадает с энергией фрагмента, имеющего конфигурацию сектора, содержащего 1/3 часть диска с присоединенной массой его лопаток, имеющих 1/3 высоты от корня. Расчетный запас прочности по непробиваемости определяется соотношением f = A/E_к.

Выполнение массы кольцевого обода с фланцами, охватывающими корпус ротора в соответствии с величиной энергетического воздействия обломков ротора
M = K • E_к,
а толщины стенки корпуса над лопатками ротора, определяемой соотношением

позволяет спрогнозировать поломку ротора и энергетическое воздействие обломков ротора на корпус и кольцевой обод над лопатками ротора без разгерметизации внешнего кожуха. Это обеспечивает заданный характер разрушения ротора по утонченной перемычке отдельных сегментов венца, обрыв диска от вала без разворота разбалансированного диска и изгиба вала, а также исключения резкого затормаживания фрагментов диска корпусом.

На чертеже изображен продольный разрез турбомашины.

В полом корпусе 1 турбостартера размещен в опорах вращения 2 и 3 ротор турбины 4, включающий диск 5 с лопатками 6. Корпус 1 снабжен кольцевым ободом 7 над лопатками 6 ротора турбины 4 и охвачен кожухом 8. Кольцевой обод 7 снабжен двумя внутренними фланцами 9 и 10, выполненными с ободом 7 в виде единой монолитной детали, и скреплен горячей посадкой с корпусом 1 по двум кольцевым пояскам Д1 и Д2. Внутренний фланец 9 расположен перед входом 11 лопаток 6 ротора турбины 4, а внутренний фланец 10 расположен за выходом 12 лопаток 6. Радиальная толщина Т стенки корпуса 1 над лопатками 6 ротора турбины 4 не превышает радиальную толщину Т₀ стенки обода 7. Радиальное удаление ΔR обода 7 от корпуса 1 находится в пределах 1..0...1,8 высоты h лопаток 6 ротора турбины 4. Кроме того, устройство содержит вал 13 ротора турбины 4, направление 14 входа и выхода пускового топливного газа, ведущую шестерню 15 редуктора, ловитель 16 диска 5 турбины.

Работает устройство следующим образом. В случае обрыва диска 5 ротора 4 турбины по утонченной перемычке отдельных сегментов венца, обломки ротора 4 турбины пробивают стенку Т в корпусе 1, попадают в кольцевую камеру ΔR и удерживаются от выпадания внутренними фланцами 9 и 10 кольцевого обода 7. В случае резкого заклинивания фрагментов диска 5 корпусом 1 происходит прокручивание кольцевого обода 7 относительно корпуса 1 по кольцевым пояскам Д1 и Д2. В случае обрыва диска 5 от вала 13 ротора 4 турбины происходит его осевое удерживание ловителем 16, разрушение стенки Т в корпусе 1 без разворота разбалансированного диска 5, т.к. выполненный зацело с диском 5 венец лопаток 6 удерживается от разворота внутренними фланцами 9 и 10 кольцевого обода 7.

Таким образом, локализация разрушенных при раскрутке обломков ротора турбины (фактические обороты разрушения ротора ~ 72165 об/мин) приводит к пробоине в стенке Т корпуса 1, к деформации радиальной толщины Т₀ стенки обода 7 и к прокручиванию обода 7 по кольцевым пояскам 9 и 10 без разрушения внешнего кожуха 8, при этом разгерметизации газовой полости и возгорания топливного газа 14 не происходит.

Источники информации
1. US патент N 3261228, НКИ 74-609, 1966 г.

2. WO патент N 9619640 A1, F 01 D 21/04, 1995 г. - прототип.