Результат интеллектуальной деятельности: СОЕДИНЕНИЕ ДИСКОВ РОТОРА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к соединениям дисков ротора высокотемпературной газовой турбины, и предназначено для фиксации покрывного диска по ободу основного диска. Соединение может быть использовано в газотурбинных двигателях летательных аппаратов, морских и наземных транспортных средств, а также в энергоустановках.

Известны соединения дисков ротора газовой турбины, включающие соединяемые кольцевые выступы дисков, один из которых является охватывающим, а другой охватываемым (пат. РФ №2183747, кл. F01D 5/08, опуб. 20.06.02; Масленников М.М., Шальман Ю.И. Авиационные газотурбинные двигатели. - М.: Машиностроение, 1975, с.444). Охватывающий выступ расположен на ободе основного диска, охватываемый - на ободе покрывного. Выступы соединены путем зацепления. Однако такое зацепление не дает полного закрепления покрывного диска на основном, а лишь исключает его свободное перемещение в радиальном и осевом направлениях. Конструктивное исполнение ротора в этом случае предусматривает дополнительное крепление - фиксацию покрывного диска у ступицы основного с помощью либо радиальных штифтов, либо соединений шип - паз, выполненных с натягом. Кроме того, соединение через зацепление выступов не обеспечивает герметичности полости, образованной между покрывным и основным дисками.

Известно выбранное в качестве прототипа соединение дисков ротора газовой турбины, включающее соединяемые кольцевые выступы дисков, один из которых охватывающий, а другой охватываемый, а также фиксирующие элементы (Вьюнов С.А. и др. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. - М.: Машиностроение, 1989, с.195, рис.4.48, вар. а). Каждый из выступов по свободному краю имеет радиальные отверстия. Фиксирующие элементы, в виде цилиндрических штифтов, предназначенные для фиксации дисков относительно друг друга в осевом и окружном направлениях, установлены с натягом в отверстиях. Соединение спроектировано с гарантированным натягом по сопрягаемым цилиндрическим пояскам кольцевых выступов и обеспечивает изменение натяга с изменением режимов работы ротора (по оборотам и температурному состоянию дисков), не переходящее в зазор. Данное соединение является неразъемным, что усложняет ремонт ротора. Кроме того, важным недостатком данного соединения является то, что в случае его использования для фиксации покрывного диска по ободу основного оно оказывает негативное влияние на прочностную надежность дисков в местах их соединения. При наработке, ввиду различий в массе и тепловом состоянии дисков, на их кольцевых выступах образуются трещины усталостного характера, приводящие к разрушениям.

Задачей изобретения является создание разъемного соединения для фиксации покрывного диска по ободу основного, обеспечивающего высокую прочностную надежность дисков в местах их соединения за счет снижения уровня деформационных процессов в условиях эксплуатации турбины.

Поставленная задача решается тем, что в соединении дисков ротора газовой турбины, включающем соединяемые кольцевые выступы дисков, один из которых охватывающий, другой охватываемый, и фиксирующие элементы, согласно изобретению, охватывающий выступ расположен на основном диске, охватываемый - на покрывном, фиксирующие элементы выполнены в виде стержней с головкой, при этом охватывающий выступ с торца свободного края снабжен выемками, отделенными друг от друга стенками, на поверхности которых со стороны оси дисков сформированы в окружном направлении канавки для стержней, а охватываемый выступ размещен с радиальным зазором внутри охватывающего выступа и снабжен радиальными шипами, установленными в выемках охватывающего выступа, через одну, причем канавки охватывающего выступа закрыты со стороны оси дисков охватываемым выступом, и каждый из стержней в соответствующей ему канавке установлен с возможностью запирания его головкой шипа в выемке, а конец стержня, выступающий из канавки в свободную от шипа выемку, загнут.

Наличие радиального зазора между охватываемым выступом и охватывающим выступом, а также выполнение на первом из них радиальных шипов, а на втором выемок под шипы позволяют цилиндрическому пояску охватываемого выступа, контактирующему с цилиндрическим пояском охватывающего выступа, свободно увеличивать свой диаметр при разогреве турбины. Такая возможность, в случае применения нового соединения для фиксации покрывного диска по ободу основного, при условии расположения охватывающего выступа на основном диске, а охватываемого - на покрывном, является крайне ценной, т.к. на малых режимах вытяжка покрывного диска происходит интенсивней, чем основного. В отличие от прототипа, где существует натяг по посадке и цилиндрический поясок охватывающего выступа мешает увеличению диаметра цилиндрического пояска на охватываемом выступе диска, в предлагаемом соединении увеличение механических напряжений по этой причине исключено.

Кроме того, уровень напряжений в выступах дисков значительно снижен благодаря тому, что в них для размещения фиксирующих элементов вместо отверстий, как предусмотрено в прототипе, выполнены канавки, при том только на охватывающем выступе, который обладает большей массой и испытывает в целом меньшие по величине деформации. Отверстия, как известно, являются центрами концентрации значительных механических напряжений: особенно интенсивное деформирование и растрескивание в соединениях наблюдается на самом краю выступа за отверстиями.

Установка шипов в выемках охватывающего выступа, через одну, в совокупности с выполнением на стенках выемок со стороны оси дисков, ориентированных в окружном направлении канавок, выход из которых, в направлении к оси дисков, закрыт охватываемым выступом, а также с применением в качестве фиксирующих элементов стержней с головкой и размещением их в канавках с возможностью запирания головкой шипа в выемке обеспечивает разъемность соединения и надежное скрепление дисков между собой, что является чрезвычайно важным для фиксации покрывного диска по ободу основного. Загиб конца стержня, выступающего из канавки в свободную от шипа выемку, предохраняет стержень от выпадения и повышает надежность крепления в соединении.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены:

Фиг.1. Часть ротора газовой турбины с предлагаемым соединением дисков, продольный разрез;

Фиг.2. Фрагмент Б на фиг.1, в увеличенном масштабе;

Фиг.3. Разрез А-А на фиг.1, без фиксирующих элементов;

Фиг.4. Вид В на фиг.2;

Фиг.5. Соединение дисков ротора газовой турбины в разобранном виде, изометрическая проекция.

На чертежах показано соединение основного диска с покрывным по ободу. В соединение входят охватывающий выступ 1 основного диска, охватываемый выступ 2 покрывного диска и фиксирующие элементы в виде стержней 3 с головкой. Стержни 3 в иллюстрируемом примере имеют прямоугольное поперечное сечение. На торце свободного края охватывающего выступа 1 выполнены выемки 4, отделенные друг от друга стенками 5. На поверхности стенок 5 со стороны оси дисков ротора в окружном направлении сформированы канавки 6 для стержней 3. Охватываемый выступ 2 размещен внутри охватывающего выступа 1 таким образом, что между их посадочными цилиндрическими поясками образован зазор 7. Охватываемый выступ 2 снабжен радиальными шипами 8, установленными в выемках 4 охватывающего выступа, через одну.

Канавки 6 охватывающего выступа 1 закрыты со стороны оси дисков охватываемым выступом 2. Каждый из стержней 3 размещен в канавке 6 с возможностью запирания его головкой выступа в выемке 4. Конец стержня 3, выступающий из канавки 6 в свободную от шипа выемку 4, загнут.Выемки 4 имеют форму двух видов: под шип - прямоугольную, под свободные концы стержней 3 - более округлую форму.

Сборка соединения осуществляется следующим образом.

Покрывной диск устанавливают на основной диск путем введения шипов 8 охватываемого выступа 2 покрывного диска в прямоугольные выемки 4 охватывающего выступа 1 основного диска. При этом покрывной диск монтируется на основной диск до упора бурта (не обозначен на чертеже) охватываемого выступа 2 в торцы стенок 5. Размещение шипов 8 в прямоугольных выемках 4 обеспечивает концентричное положение покрывающего диска относительно основного. Затем стержни 3 продевают со стороны прямоугольных выемок 4 в канавки 6, до упора головки в стенку 5, и концы стержней, выступающие из канавки в свободную от шипа 8 выемку 4 округлой формы, загибают безударным методом. Каждый из шипов 8, таким образом, оказывается поджатым в выемке головками двух стержней 3. После сборки перемещение покрывного диска относительно основного в окружном, осевом и радиальном направлениях исключено.

Разборка соединения дисков включает отгибание загнутых концов стержней 3, извлечение стержней из канавок 6 и разъединение кольцевых выступов дисков.

В условиях работы газовой турбины на малых режимах зазор 7 между посадочными цилиндрическими поясками охватывающего 1 и охватываемого 2 выступов на дисках ротора сохраняется. При переходе на высокие рабочие режимы, когда вытяжка и разогрев покрывного диска в сравнении с основным протекает быстрее, зазор 7 обеспечивает беспрепятственное увеличение диаметра цилиндрического пояска на охватываемом выступе покрывного диска, при этом металл выступов не испытывает дополнительных механических напряжений, возникающих обычно из-за натяга по посадке. По мере роста диаметра цилиндрического пояска на охватываемом выступе зазор 7 полностью выбирается до образования небольшого расчетного натяга. Отсутствие зазора на высоких режимах гарантирует герметичность образованной между основным и покрывным дисками полости, через которую подается воздух на охлаждение рабочих лопаток. В дальнейшем, после перехода газовой турбины снова на малые режимы, из-за более быстрого охлаждения покрывного диска происходит более быстрое уменьшение диаметра цилиндрического пояска на охватываемом выступе покрывного диска по сравнению с уменьшением диаметра пояска на охватывающем выступе основного диска. В итоге вновь образуется зазор 7. Таким образом, в течение всего процесса работы турбины суммарный уровень напряжений в материале соединенных выступов дисков значительно ниже, чем в случае применения неразъемного соединения, выбранного в качестве прототипа, где посадка выполнена с постоянным натягом.

Газовая турбина с новым соединением дисков ротора прошла длительные стендовые испытания в составе газотурбинного двигателя. При обследовании дисков после разборки ротора трещин на выступах дисков не обнаружено, что подтверждает высокую прочностную надежность дисков в местах их соединений.