КОМПОНЕНТ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ И СПОСОБ
GAS TURBINE COMPONENT AND METHOD

Настоящее изобретение относится к газовой турбине.
В частности, изобретение касается компонента для газовой турбины и способа его изготовления.
Уровень техники
Газотурбинные двигатели, которые являются конкретным примером турбомашин, как правило, включают в себя ротор с множеством рядов вращающихся лопастей ротора, которые прикреплены к валу ротора, и ряды неподвижных лопаток между рядами лопастей ротора, которые прикреплены к корпусу газовой турбины.
Когда горячая и находящаяся под давлением рабочая текучая среда протекает через ряды лопаток и лопастей в главном канале газовой турбины, она переносит момент на лопасти ротора и, таким образом, обеспечивает вращательное движение на валу ротора. Удовлетворительная работа турбины требует точной балансировки ротора. Вал ротора, следовательно, подвергается механической обработке c высокой степенью точности. Фиг. 1 и 2 показывают примерную газовую турбину 60, включающую в себя известный вал 72 ротора.
Для того, чтобы обеспечивать практичную работу для другого компонента газовой турбины, такого как компрессор, вращательное движение вала ротора механически связывается с другим компонентом посредством соединения для передачи крутящего момента. Фиг. 2 показывает, что известный вал 72 ротора содержит осевой конец 72, на котором кольцевой храповик 77 торцевого соединения с круговыми зубьями подвергается механической обработке. Кольцевой храповик 77, в использовании, зацепляет и сцепляется с взаимодополняющим кольцевым храповиком на другом компоненте газовой турбины, чтобы осуществлять известный пример соединения для передачи крутящего момента.
Традиционно, торцевое соединение с круговыми зубьями подвергается механической обработке на валу ротора почти в конце всего процесса производства вала ротора. К этому времени вал ротора уже подвергся многочисленным более ранним стадиям производства, придающим валу ротора его общую конечную форму. Физические габариты вала ротора, однако, могут делать трудной механическую обработку торцевого соединения с круговыми зубьями с желаемой точностью. Кроме того, любая ошибка при механической обработке торцевого соединения с круговыми зубьями может быть непоправимой, так что затраченная работа и расходы теряются.
EP 3 266 981 A1 описывает узел диска ротора, который включает в себя диск ротора и мини-диск. Диск ротора имеет первый элемент расширения, первый палец и второй палец. Первый элемент расширения проходит в осевом направлении от основной части диска, размещенной вокруг оси. Первый палец проходит в осевом направлении от первого элемента расширения. Второй палец располагается с интервалом по окружности от первого пальца. Второй палец проходит в осевом направлении от первого элемента расширения. Каждый из первого пальца и второго пальца имеет первый участок и второй участок, который проходит радиально от дальнего конца первого участка. Мини-диск функционально соединяется с диском ротора. Мини-диск имеет в взаимоблокирующий палец, который радиально проходит от основной части мини-диска и размещается между первым пальцем и вторым пальцем. Взаимоблокирующий палец, первый участок и второй участок определяют кольцевую канавку.
US 2016/168996 A1 описывает систему для балансировки пакета дисков турбины, включающего в себя пакет дисков турбины высокого давления. Фланец снабжается канавкой, чтобы размещать и ориентировать скользящее кольцо. Балансировочные грузы присоединяются к скользящему кольцу для балансировки пакета дисков турбины во время вращения газотурбинного двигателя.
EP 1 380 722 A1 описывает фланцевый вал газотурбинного двигателя, снабженный множеством противозадирных пластин, каждая из которых имеет два отверстия, которые выравниваются с соответствующими прорезами на фланце. Болты проходят через отверстия и прорезы, чтобы присоединять противозадирные пластины к фланцу. Противозадирные пластины имеют различные массы, чтобы облегчать балансировку вала.
US 2016/298456 A1 описывает способ соединения, по меньшей мере, двух элементов ротора, по меньшей мере, для одного ротора турбомашины. Обнаружение радиального биения, по меньшей мере, одной лежащей снаружи в радиальном направлении цилиндрической поверхности элементов ротора в каждой, по меньшей мере, из двух точек, которые располагаются с интервалом в осевом направлении друг от друга, происходит посредством измерительного устройства. В зависимости от этого, определяется относительная регулировка установки элементов ротора относительно друг друга, при которой расстояние итогового центра масс ротора минимизируется относительно его итоговой оси вращения. Обнаружения с помощью изобретения радиального биения лежащих снаружи в радиальном направлении цилиндрических поверхностей элементов ротора происходит оптически посредством, по меньшей мере, одного элемента оптического датчика измерительного устройства.
Следовательно, компонент для турбомашины, обеспечивающий пониженную стоимость и улучшенную балансировку, является очень желательным.
Сущность изобретения
Согласно настоящему изобретению предоставляется компонент для газовой турбины и способ, как изложено в прилагаемой формуле изобретения. Другие отличительные признаки изобретения будут понятны из зависимых пунктов формулы изобретения и описания, которое следует.
Соответственно может быть предоставлен наконечник (300) вала ротора для газовой турбины, содержащий: дискообразную основную часть (310), определяющую: первую осевую поверхность (312), вторую осевую поверхность (314) и внешнюю радиальную поверхность (316), дискообразная основная часть (310) содержит: первый кольцевой храповик (330), предусмотренный на первой осевой поверхности (312), первый кольцевой храповик (330) содержит множество зубцов (332), выступающих из первой осевой поверхности (312); и множество отверстий (340), определенных дискообразной основной частью (310), каждое отверстие (342, 344, 346) из множества отверстий (340) проходит сквозь дискообразную основную часть (310) в осевом направлении (30). Посредством предоставления отдельно сформированного наконечника вала ротора может быть возможно подвергать механической обработке первый кольцевой храповик с более высокой точностью по сравнению с тем, что было возможно с помощью традиционных производственных процессов. Дополнительно, наконечник вала ротора может быть более экономичным для создания и, если необходимо, переделки по сравнению со всем валом ротора.
Дискообразная основная часть (312) может содержать первый кольцевой участок (320), и при этом первый кольцевой храповик (330) предусматривается на первом кольцевом участке (320).
Первый набор отверстий (344) из множества отверстий (344) может быть расположен в первом кольцевом участке (320), и, по меньшей мере, один зубец (332) из множества зубцов (330) располагается между парой соседних отверстий (344) первого набора отверстий (344). С помощью описанной компоновки может быть возможно прилаживать наконечник вала ротора в существующие газовые турбины.
Дискообразная основная часть (312) может содержать второй кольцевой участок (322), второй кольцевой участок (322) является соосным с первым кольцевым участком (320) и располагается радиально внутрь от первого кольцевого участка (320), при этом второй набор отверстий (346) из множества отверстий (340) располагается во втором кольцевом участке (322). Посредством предоставления второго набора отверстий во втором кольцевом участке первый кольцевой храповик не подвергается воздействию и, таким образом, в использовании вращательное соединение не подвергается воздействию. Соответственно, наконечник вала ротора обеспечивает вращательное соединение той же прочности, что и традиционный вал ротора.
Наконечник (300) вала ротора может быть подвергнут термообработке. Согласно некоторым примерам такая термообработка содержит нитрирование или поверхностную закалку и может обеспечивать улучшенный срок службы компонента по сравнению с традиционным валом ротора, который может быть обработан посредством локализованной поверхностной закалки пламенем.
Наконечник (300) вала ротора может быть выполнен из сплава с высокими прочностными характеристиками.
Дискообразная основная часть может иметь осевое биение или радиальное биение 25 мкм или менее, что может обеспечивать улучшенную балансировку и уменьшенные вибрации.
Может быть предоставлен узел (100) вала ротора, содержащий: наконечник (300) вала ротора согласно любому предшествующему пункту и вал (200) ротора для газовой турбины, вал (200) ротора содержит: осевой концевой участок (210), определяющий кольцевое углубление (220); при этом наконечник (300) вала ротора: принимается в кольцевое углубление (220) с первым кольцевым храповиком (330), проходящим от вала (200) ротора и прикрепленным к валу (200) ротора штифтами (400), по меньшей мере, через некоторые из множества отверстий (346).
Наконечник (300) вала ротора может устанавливаться посредством тепловой посадки в кольцевое углубление (220). Тепловая посадка может обеспечивать вращательное соединение между наконечником вала ротора и валом ротора. Кроме того, тепловая посадка может предотвращать проскальзывание наконечника, которое может смещать подгонку между наконечником и валом и, таким образом, влиять на значения биения узла вала ротора.
Может быть предоставлена газовая турбина, содержащая узел (100) вала ротора по пункту 8 или 9, газовая турбина содержит: сопрягаемый компонент (600), содержащий второй кольцевой храповик (610) в зацеплении с первым кольцевым храповиком (330), второй кольцевой храповик (610) содержит второй набор зубцов (612), дополняющих первый набор зубцов (332).
Сопрягаемый компонент (600) и наконечник (300) вала ротора могут быть выполнены из первого материала, при этом вал (200) ротора выполняется из второго материала, и первый материал и второй материал являются различными материалами. Использование одинакового материала для наконечника вала ротора и сопрягаемого компонента может улучшать соединение между наконечником вала ротора и сопрягаемым компонентом в ответ на температурные изменения. В частности, наконечник вала ротора и сопрягаемый компонент могут проявлять одинаковое тепловое расширение, так что, в использовании, соединение между ними может не подвергаться воздействию посредством температуры.
Может быть предоставлен способ изготовления узла (100) вала ротора для газовой турбины, способ содержит: предоставление наконечника (300) вала ротора, как описано ранее; измерение осевого биения и радиального биения наконечника (300) вала ротора; предоставление вала (200) ротора, определяющего кольцевое углубление (220) в осевом концевом участке (210) вала (200) ротора; измерение осевого биения и радиального биения кольцевого углубления (220); вычисление первого объединенного осевого биения и первого объединенного радиального биения вала (200) ротора, несущего наконечник (300) вала ротора в кольцевом углублении (220) в первой конфигурации; вычисление второго объединенного осевого биения и второго объединенного радиального биения вала (200) ротора, несущего наконечник (300) вала ротора в кольцевом углублении (220) во второй конфигурации, при этом первая конфигурация отличается от второй конфигурации в том, что вал (200) ротора поворачивается относительно наконечника (300) вала ротора вокруг осевого направления (30); установку наконечника (300) вала ротора на вал (200) ротора в первой конфигурации или во второй конфигурации, чтобы оптимизировать объединенное осевое биение и объединенное радиальное биение узла (100) вала ротора. Посредством предоставления отдельно сформированного наконечника вала ротора может быть возможно подвергать механической обработке первый кольцевой храповик с более высокой точностью по сравнению с тем, что было возможно с помощью традиционных производственных процессов. Дополнительно, наконечник вала ротора может быть более экономичным для создания и, если необходимо, переделки по сравнению со всем валом ротора.
Установка наконечника (300) вала ротора на вал (200) ротора может содержать тепловую посадку наконечника (300) вала ротора в кольцевое углубление (220) посредством охлаждения наконечника (300) вала ротора, нагрева вала (200) ротора или сочетание того и другого перед вставкой наконечника (300) вала ротора в кольцевое углубление (220). Тепловая посадка может обеспечивать вращательное соединение между наконечником вала ротора и валом ротора. Кроме того, тепловая посадка может предотвращать проскальзывание наконечника, которое может смещать подгонку между наконечником и валом и, таким образом, влиять на значения биения узла вала ротора.
Посадка наконечника (300) вала ротора на вал (200) ротора может содержать прикрепление наконечника (300) вала ротора к валу (200) ротора посредством установочных штифтов (500), по меньшей мере, через некоторое множество отверстий (340), проходящих через наконечник (300) вала ротора и соответствующие отверстия (240), определенные валом (200) ротора.
Предоставление наконечника (300) вала ротора содержит изготовление наконечника (300) вала ротора посредством: предоставления эталонного элемента (700), имеющего третий кольцевой храповик (710), третий кольцевой храповик (710) является дополняющим для первого кольцевого храповика (330); установки наконечника (300) вала ротора на эталонный элемент (700) посредством приведения первого кольцевого храповика (330) и третьего кольцевого храповика (710) в зацепление, и механической обработки второй осевой поверхности (314) и внешней радиальной поверхности (316), в то же время поддерживая наконечник (300) вала ротора на эталонном элементе (700). С помощью ведущего элемента может быть возможно получать значения радиального и/или осевого биения, которые ниже значений биения, получаемых с помощью традиционных производственных процессов.
Краткое описание чертежей
Примеры настоящего изобретения будут сейчас описаны со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг. 1 - это схематичное представление примера турбомашины;
Фиг. 2 - это вид в перспективе известного вала ротора;
Фиг. 3 - это вид в перспективе узла вала ротора согласно настоящему изобретению;
Фиг. 4 - это вид в перспективе наконечника вала ротора согласно настоящему изобретению;
Фиг. 5 - это второй вид в перспективе наконечника вала ротора, показанного на фиг. 4;
Фиг. 6 - это частичный вид в перспективе вала ротора согласно настоящему изобретению;
Фиг. 7 показывает наконечник вала ротора на фиг. 4 и 5 и вал ротора на фиг. 6;
Фиг. 8 показывает наконечник вала ротора на фиг. 4 и 5 и вал ротора на фиг. 6;
Фиг. 9 - это вид в перспективе узла вала ротора и сопрягаемого компонента;
Фиг. 10 - это вид в перспективе наконечника вала ротора и эталонного элемента;
Фиг. 11 показывает наконечник вала ротора и вал ротора; и
Фиг. 12 иллюстрирует способ установки наконечника вала ротора на вал ротора.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение относится к компоненту для использования в турбомашине, такой как газовая турбина.
В качестве контекста, фиг. 1 и 2 показывают известные компоновки, к которым признаки настоящего изобретения могут быть применены.
Фиг. 1 показывает пример газотурбинного двигателя 60 в виде в разрезе, который иллюстрирует природу лопаток статора, лопастей ротора и окружения, в котором они работают. Газотурбинный двигатель 60 содержит, в последовательности потока, впускное отверстие 62, отсек 64 компрессора, отсек 66 камеры сгорания и отсек 68 турбины, которые, в целом, размещаются в последовательности протекания и, в целом, в направлении продольной оси или оси 30 вращения. Газотурбинный двигатель 60 дополнительно содержит вал 72, который является вращаемым вокруг оси 30 вращения, и который проходит продольно через газотурбинный двигатель 60. Ось 30 вращения обычно является осью вращения ассоциированного газотурбинного двигателя. Следовательно, любые ссылки на "осевое", "радиальное" и "круговое" направления существуют относительно оси 30 вращения.
Вал 72 соединяет с возможностью привода отсек 68 турбины с отсеком 64 компрессора.
В эксплуатации газотурбинного двигателя 60 воздух 74, который засасывается через впускное отверстие 62 для воздуха, сжимается посредством отсека 64 компрессора и доставляется в отсек камеры сгорания или отсек 66 горелки. Отсек 66 горелки содержит камеру 76 повышенного давления для горелки, одну или более камер 78 сгорания, определенных контейнером 80 с двойной стенкой, и, по меньшей мере, одну горелку 82, прикрепленную к каждой камере 78 сгорания. Камеры 78 сгорания и горелки 82 располагаются внутри камеры 76 повышенного давления для горелки. Сжатый воздух, проходящий через отсек 64 компрессора, поступает в диффузор 84 и выпускается из диффузора 84 в камеру 76 повышенного давления для горелки, откуда доля воздуха поступает в горелку 82 и смешивается с газообразным или жидким топливом. Воздушно-топливная смесь затем сжигается, и газ 86 сгорания или рабочий газ от сгорания канализируется через переходный канал 88 в отсек 68 турбины.
Отсек 68 турбины может содержать множество несущих лопасти дисков 90 или турбинных колес, соединенных с валом 72. В показанном примере отсек 68 турбины содержит два диска 90, каждый из которых несет кольцевой массив узлов 12 турбины, каждый из которых содержит аэродинамический профиль 14, осуществленный как лопасть турбины. Турбинные решетки 92 размещаются между лопастями турбины. Каждая турбинная решетка 92 несет кольцевой массив узлов 12 турбины, каждый из которых содержит аэродинамический профиль 14 в форме направляющих лопаток, которые прикрепляются к статору газотурбинного двигателя 60.
Фиг. 2 - это вид в перспективе вала 72 ротора примерного газотурбинного двигателя 60.
Известный вал 72 ротора является единым блоком, имеющим, как правило, цилиндрическую форму. Вал 72 ротора продольно проходит вдоль оси 30 вращения. Пара осевых концов 73, 75 определяет границы (или 'ограничивает') продольную протяженность вала 72 ротора вдоль оси 30 вращения. Радиальная поверхность 75 ограничивает известный вал 72 ротора относительно радиального направления 40, которое является перпендикулярным оси 30 вращения и проходит наружу от нее. Радиальная протяженность вала 72 ротора, таким образом, определяет внешнюю окружность. Также на фиг. 2 иллюстрируется круговое направление 50, которое является перпендикулярным и оси 30 вращения, и радиальному направлению 40. Круговое направление 50, следовательно, является касательным к радиальной поверхности вала 72 ротора.
Известный вал 72 ротора содержит участок 77 торцевого зубчатого соединения, проходящий от осевого конца 73. Участок 77 торцевого зубчатого соединения конфигурируется, чтобы зацеплять взаимодополняющий участок торцевого зубчатого соединения на сопрягаемом компоненте газотурбинного двигателя 60, таким образом, осуществляя торцевое зубчатое соединение. Торцевое зубчатое соединение является известным средством вращательного соединения вала 72 ротора с сопрягаемым компонентом. Осевое соединение вала 72 ротора и сопрягаемого компонента осуществляется посредством множества отверстий 79 в осевом конце 73. Отверстия 79 конфигурируются, чтобы выполнять штифтовое соединение, например, с помощью множества болтов для соединения в осевом направлении с сопрягаемым компонентом.
Фиг. 3 показывает узел 100 вала ротора согласно настоящему изобретению.
Некоторые детали узла 100 вала ротора, в целом, являются похожими на известные валы роторов. В частности, узел 100 вала ротора имеет общую форму, соответствующую форме известных валов роторов, таких как вал 72 ротора, так что узел 100 вала ротора может заменять известные валы роторов существующих газотурбинных конструкций без необходимости модификации. Соответственно, узел 100 вала ротора имеет практически цилиндрическую форму, содержащую первый осевой конец 110, второй осевой конец 120 и радиальную поверхность 130.
В отличие от известных валов роторов, таки как вал 72 ротора, которые производятся как единый блок, узел 100 вала ротора содержит множество отдельных блоков, собранных вместе. В частности, узел 100 вала ротора содержит вал 200 ротора и наконечник 300 вала ротора. Вал 200 ротора и наконечник 300 вала ротора являются отдельными блоками, собранными вместе, чтобы формировать узел 100 вала ротора. Вал 200 ротора, следовательно, отличается от известного вала 72 ротора в том, что вал 200 ротора не конфигурируется для непосредственного сопряжения с сопрягаемым компонентом. Вместо этого, вал 200 ротора конфигурируется, чтобы нести наконечник 300 вала ротора, который конфигурируется для непосредственного сопряжения с сопрягаемым компонентом.
Фиг. 4 и 5 показывают наконечник 300 вала ротора. Фиг. 4 - это вид сверху в перспективе, в то время как фиг. 5 - это вид снизу в перспективе. Наконечник 300 вала ротора может альтернативно называться ведущим диском 300.
Наконечник 300 вала ротора содержит дискообразную основную часть 310, определяющую первую осевую поверхность 312, вторую осевую поверхность 314 и внешнюю радиальную поверхность 316 (или 'определяющий местоположение диаметр').
Первая осевая поверхность 312 и вторая осевая поверхность 314 ограничивают дискообразную основную часть 310 вдоль оси 30 вращения, в то время как внешняя радиальная поверхность 316 ограничивает основную часть 310 во внешнюю сторону в радиальном направлении 40. Внутренняя радиальная поверхность 318 ограничивает основную часть 310 внутрь в радиальном направлении 40.
Дискообразная основная часть 310 содержит первый кольцевой участок 320 и второй кольцевой участок 322. Первый кольцевой участок 320 и второй кольцевой участок 322 размещаются соосно, т.е., совместно используют общую ось вращения. Эта совместно используемая ось вращения соответствует оси A:A вращения, так что каждый кольцевой участок 320, 322 соосно размещается вокруг оси A:A вращения. Первый кольцевой участок 320 предусматривается радиально наружу от второго кольцевого участка 322. Первый кольцевой участок 320 может альтернативно называться внешним кольцевым участком 320, а второй кольцевой участок 322 может альтернативно называться внутренним кольцевым участком 322.
Первый кольцевой участок 320 и второй кольцевой участок 322 радиально отделяются границей 324, проходящей по окружности вокруг дискообразной основной части 310 в направлении 50. Соответственно, первый кольцевой участок 320, следовательно, радиально проходит между внешней радиальной поверхностью 316 и границей 324, т.е., имеет радиальную протяженность, ограниченную внешней радиальной поверхностью 316 и границей 324. Аналогично, второй кольцевой участок 322 радиально проходит между внутренней радиальной поверхностью 318 и границей 324, т.е., имеет радиальную протяженность, ограниченную внутренней радиальной поверхностью 318 и границей 324. Согласно настоящему изобретению, радиальная протяженность второго кольцевого участка 322 меньше радиальной протяженности первого кольцевого участка 320.
Дискообразная основная часть 310 содержит первый кольцевой храповик 330 для сцепления с взаимодополняющим храповиком на другом компоненте газовой турбины. Первый кольцевой храповик 330 предусматривается на первой осевой поверхности 312.
Первый кольцевой храповик 330 содержит множество зубцов 332, выступающих из первой осевой поверхности 312. Зубцы 332 располагаются с интервалом, так что углубление 334 определяется между парой соседних зубцов 332. Такие зубцы могут быть торцевыми круговыми зубцами для осуществления торцевого зубчатого соединения. Согласно настоящему примеру, каждый зубец 332 является вогнутым, в смысле наличия узкого среднего участка и более широких концов, приводящих в результате к выгнутому углублению 334.
Согласно настоящему примеру, первый кольцевой храповик 330 предусматривается в первом кольцевом участке 320. Напротив, храповик не предусматривается на второй осевой поверхности 314. Вторая осевая поверхность 314 дискообразной основной части 310 является практически плоской.
Дискообразная основная часть 310 определяет множество отверстий 340, проходящих через нее. В частности, каждое отверстие 340 проходит сквозь основную часть 310 в осевом направлении 30, охватывая осевую протяженность основной части 310.
Множество отверстий 340 содержит центральное отверстие 342, определенное внутренней радиальной поверхностью 318. Центральное отверстие 342 обеспечивает кольцевую дискообразную основную часть 310. Согласно настоящему примеру, центральное отверстие 342 является наибольшим отверстием, определенным дискообразной основной частью 310. Кроме того, радиальная протяженность (или диаметр) центрального отверстия 342 больше радиальной протяженности первого кольцевого участка 320 и/или второго кольцевого участка 322.
Множество отверстий 340 дополнительно содержит первый набор отверстий 344 и второй набор отверстий 346. Первый набор отверстий 344 располагается в первом кольцевом участке 320, в то время как второй набор отверстий 346 располагается во втором кольцевом участке 322. Согласно настоящему примеру, по меньшей мере, один зубец 332 из множества зубцов 332 располагается между парой соседних отверстий 344 первого набора отверстий 344.
Каждый набор отверстий 344, 346 конфигурируется, чтобы принимать штифты для создания штифтового соединения с другими компонентами газовой турбины. Согласно настоящему примеру, отверстие из первого набора отверстий 344 является большим по сравнению с отверстием из второго набора отверстий 346.
Фиг. 6 - это частичный вид в перспективе вала 200 ротора. Вал 200 ротора содержит подшипник 202 вала ротора.
Осевой концевой участок 210 вала 200 ротора определяет кольцевое углубление 220, сконфигурированное для приема наконечника 300 вала ротора. Более конкретно, осевой концевой участок 210 содержит кольцеобразную область 212 (или 'поверхность биения'), ограничивающую кольцевое углубление 220 в осевом направлении A:A. Кольцеобразная область 212 является практически плоской. Дополнительно, осевой торцевой участок 210 содержит круговую стенку 214 (или 'концентрический диаметр'), ограничивающую кольцевое углубление 220 во внешнюю сторону в радиальном направлении 40.
Осевой концевой участок 210 определяет множество отверстий 240. Каждая из множества отверстий 240 проходит внутрь осевого концевого участка 210 в осевом направлении A:A.
Множество отверстий 240 содержит центральное отверстие 242, первый набор отверстий 244 и второй набор отверстий 246. Первый набор отверстий 244 размещается по окружности и через одинаковые промежутки вокруг осевого концевого участка 210. Аналогично, второй набор отверстий 246 размещается по окружности и через одинаковые промежутки вокруг осевого концевого участка 210. Первый набор отверстий 244 располагается радиально наружу от второго набора отверстий 246. Второй набор отверстий располагается радиально наружу от центрального отверстия 242.
Фиг. 7 и 8 показывают наконечник 300 вала ротора, установленный на вал 200 ротора. Как может быть видно на фиг. 7 и 8, наконечник 300 имеет осевую протяженность, которая гораздо меньше осевой протяженности вала 200 ротора, т.е., основная часть 310 является дискообразной, тогда как вал 200 ротора является цилиндрическим.
Наконечник 300 вала ротора принимается в кольцевое углубление 220 вала 200 ротора, при этом первый кольцевой храповик 330 проходит от вала 200 ротора. Согласно настоящему примеру, в котором наконечник 300 вала ротора принимается (или 'вставляется') в вал 200 ротора, наконечник 300 вала ротора может также называться вставкой 300 вала ротора.
Первое множество штифтов 400 вставляется, по меньшей мере, через некоторые из множества отверстий 346. Более конкретно, штифты 400 вставляются сквозь второй набор отверстий 346 наконечника 300 вала ротора и второй набор отверстий 246, чтобы препятствовать относительному вращательному перемещению между наконечником 300 вала ротора и валом 200 ротора. Штифты 400 могут альтернативно называться направляющими штифтами 400.
Второе множество штифтов 500 вставляется через первый набор отверстий 344 наконечника 300 вала ротора и первый набор отверстий 244. Второе множество штифтов 500 используется для прикрепления в осевом направлении сопрягаемого компонента к узлу 100 вала ротора.
Фиг. 9 показывает узел 100 вала ротора и сопрягаемый компонент 600.
Сопрягаемый компонент 600, который согласно настоящему примеру является участком сопрягаемого диска (или диска ротора), содержит второй кольцевой храповик 610, который был приведен в зацепление с первым кольцевым храповиком 330 наконечника 300 вала ротора. Соответственно, второй кольцевой храповик 610 содержит набор зубцов 612, дополняющих первый набор зубцов 332.
Согласно настоящему примеру, узел 100 вала ротора соединяется с сопрягаемым компонентом 600, который выполняется из сплава с высокими прочностными характеристиками. Наконечник 300 вала ротора выполняется из того же сплава с высокими прочностными характеристиками, в то время как вал 200 ротора выполняется из высококачественной стали. Т.е., сопрягаемый компонент 600 и наконечник 300 вала ротора выполняются из первого материала. Соответственно, наконечник 300 вала ротора и сопрягаемый компонент 600 имеют одинаковые свойства материала. В отличие от этого, вал 200 ротора выполняется из второго материала, который отличается от первого материала. Первый материал и второй материал могут отличаться, в частности, в своих тепловых коэффициентах, приводя в результате к различным реакциям материала на изменения температуры.
Настоящее изобретение также относится к способу изготовления (или 'производства') узла 100 вала ротора согласно настоящему изобретению. Примерный способ обсуждается со ссылкой, в частности, на фиг. 10, 11 и 12.
Наконечник 300 вала ротора изготавливается из любого подходящего материала. Согласно настоящему изобретению, наконечник 300 вала ротора сделан из сплава с высокими прочностными характеристиками, такого как Инконель.
Фиг. 10 иллюстрирует этап производства, на котором наконечник 300 вала ротора получил свою общую форму и включает в себя, в частности, первый кольцевой храповик 300. Т.е., на более ранних этапах производства наконечник 300 вала ротора получил свою общую форму, и первый кольцевой храповик 330 был механически обработан в наконечник 300 вала ротора. Следом за снабжением наконечника 300 вала ротора первым кольцевым храповиком 330 вторая осевая поверхность 314 и внешняя радиальная поверхность 316 шлифуются. С этой целью, наконечник 300 вала ротора устанавливается на эталонный элемент 700.
Эталонный элемент 700 является частью инструментальной оснастки, произведенной с высокой точностью. Эталонный элемент 700 содержит третий кольцевой храповик 710, который является взаимодополняющим с первым кольцевым храповиком 330, так что они могут быть приведены в зацепление, т.е., первый кольцевой храповик 330 и третий кольцевой храповик 710 конфигурируются для сцепления. Таким образом, наконечник 300 вала ротора может быть расположен относительно эталонного элемента 700 с высокой степенью точности, так что последующие производственные этапы могут быть выполнены очень точно. Дополнительно, наконечник 300 вала ротора может быть прикреплен к эталонному элементу 700 посредством штифтовых соединений через множество отверстий 340, в частности, первый набор отверстий 344, с помощью соответствующего множества отверстий 720 в эталонном элементе 700.
Посредством механической обработки второй осевой поверхности 314 и внешней радиальной поверхности 316 на эталонном элементе 700 может быть возможно получать значения осевого биения и радиального биения, равными 30 мкм или менее. Радиальное биение может альтернативно называться концентричностью и описывает то, насколько внешняя радиальная поверхность 316 отклоняется от концентричной относительно оси 30 вращения. Низкое радиальное биение описывает круглую внешнюю поверхность 316, концентрически размещенную относительно оси 30 вращения, в то время как высокое радиальное биение описывает, например, яйцеобразную радиальную поверхность.
Осевое биение может альтернативно называться биением боковой поверхности. Согласно некоторым примерам, значения осевого и радиального биения равны 25 мкм или менее. Согласно дополнительным примерам, значения осевого и радиального биения равны 20 мкм или менее. Осевое биение является мерой того, насколько плоской вторая осевая поверхность 314 является, когда измеряется в осевом направлении 30. Т.е., низкое радиальное биение описывает плоскую вторую осевую поверхность 314, перпендикулярно размещенную относительно осевого направления 30, тогда как высокое осевое биение описывает, например, осевую поверхность с возвышенностями (выступами) и ложбинами (углублениями).
Дальнейшие производственные этапы, которые могут быть выполнены по наконечнику 300 вала ротора перед установкой его на вал 200 ротора, могут включать в себя процессы, предназначенные, чтобы обеспечивать или увеличивать срок службы компонента наконечника 300 вала ротора. Такие процессы могут включать в себя, например, нитрирование или поверхностную закалку.
Фиг. 11 иллюстрирует установку наконечника 300 вала ротора на вал 200 ротора.
Примерный способ изготовления содержит установку наконечника 300 вала ротора на вал 200 ротора в оптимизированной конфигурации. Этот процесс также называется 'фазировкой'.
Первый набор отверстий 344 в наконечнике 300 вала ротора и первый набор отверстий 244 в валу 200 ротора предоставляют возможность установки наконечника 300 вала ротора на вал 200 ротора в стольких конфигурациях, сколько существует отверстий/отверстий. Т.е., наконечник 300 вала ротора может быть прикреплен к валу 200 ротора, так что конкретное отверстие совпадает с конкретным отверстием. Аналогично, наконечник 300 вала ротора может быть прикреплен в альтернативной конфигурации, так что конкретное отверстие 344 совпадает с другим отверстием 244. Согласно настоящему примеру, это позволяет использовать всего восемь различных конфигураций, в которых наконечник 300 вала ротора может быть установлен на вал 200 ротора. Каждая из этих конфигураций может приводить в результате к объединенному осевому биению и/или радиальному биению. Следовательно, считается желательным определять конкретную конфигурацию, в которой объединенное осевое и/или радиальное биение сводится к минимуму.
Соответственно, измеряются осевое биение и радиальное биение наконечника 300 вала ротора. В частности, осевое биение и радиальное биение измеряются относительно первого кольцевого храповика 330 и записываются относительно первого набора отверстий 320. Дополнительно, измеряются осевое биение и радиальное биение кольцевого углубления 220. Более конкретно, осевое биение и радиальное биение кольцевого углубления 220 измеряются относительно подшипников 202 вала и записываются относительно первого набора отверстий 220.
С помощью этих значений возможно вычислять объединенное радиальное биение и объединенное осевое биение для различных ориентаций, в которых наконечник 300 вала ротора может быть установлен на вал 200 ротора. Подходящим образом наконечник 300 вала ротора устанавливается на вал 200 ротора в конфигурации, в которой объединенное осевое биение и объединенное радиальное биение узла 100 вала ротора является оптимизированным.
В качестве дополнительного этапа эта стадия производства может дополнительно включать в себя предоставление множества наконечников 300 вала ротора, измерение значений биения каждого из наконечников вала ротора и установку выбранного наконечника вала ротора в выбранной конфигурации для того, чтобы дополнительно оптимизировать объединенное биение узла 100 вала ротора.
Согласно настоящему примеру, установка наконечника 300 вала ротора на вал 200 ротора содержит тепловую посадку дискообразной основной части 310 в кольцевое углубление 220. Т.е., охлаждение наконечника 300 вала ротора приводит в результате к тому, что наконечник 300 вала ротора, и особенно основная часть 310, термически сжимается. Аналогично, нагрев вала 200 ротора приводит в результате к тому, что вал 200 ротора, и, таким образом, кольцевое углубление 220, термически расширяется. Посредством либо охлаждения наконечника 300 вала ротора, либо нагрева вала 200 ротора, либо того и другого наконечник 300 вала ротора устанавливается в кольцевое углубление 220. Тем самым, прессовая посадка может быть осуществлена между наконечником 300 вала ротора и валом 200 ротора.
Фиг. 12 подытоживает этапы установки наконечника 300 вала ротора на вал 200 ротора, как намечено в общих чертах ранее. В частности, это содержит этапы: предоставления наконечника вала ротора S800; измерение осевого биения и радиального биения наконечника вала ротора S810; предоставления вала 200 ротора; измерения осевого биения и радиального биения вала 200 ротора; фазировки наконечника 300 вала ротора относительно вала 200 ротора.
Узел 100 вала ротора согласно настоящему изобретению обеспечивает множество преимуществ, были ли такие трудности конкретно упомянуты выше или будут иначе поняты из обсуждения в данном документе. Такие преимущества включают в себя следующее.
Узел 100 вала ротора является совместимым с существующими газовыми турбинами, такими как известная газовая турбина 62, без необходимости адаптации конструкции газовой турбины. Т.е., известный вал 72 ротора может быть заменен узлом 100 вала ротора, или новая/обновленная газовая турбина может быть выполнена согласно существующей конструкции газовой турбины, включающей в себя узел 100 вала ротора.
Наконечник 300 вала ротора необязательно включает в себя центральное отверстие 342. Центральное отверстие 342 приводит в результате к кольцевой дискообразной основной части 310, которая может уменьшать термические напряжения, оказываемые на наконечник 300 вала ротора в ответ на достижение рабочих температур газовой турбины.
Посредством предоставления второго набора отверстий 346 во втором кольцевом участке 322 первый кольцевой участок 320 может быть предоставлен практически идентичным соответствующему участку известного вала ротора. Следовательно, наконечник вала ротора согласно настоящему изобретению может обеспечивать вращательное соединение с сопрягаемым компонентом, которое является, по меньшей мере, таким же сильным, что и вращательное соединение, обеспечиваемое известным валом ротора. В частности, нет необходимости удалять зубцы с первого кольцевого храповика 330, который может негативно влиять на вращательное соединение.
Узел 100 вала ротора, соединенный с сопрягаемым компонентом 600, может иметь улучшенную реакцию на термические напряжения в газовой турбине. В частности, когда наконечник 300 вала ротора соединяется с участком сопрягаемого компонента 600, который выполнен из того же материала, напряжения, получающиеся в результате различных термических реакций различных материалов, могут быть устранены или уменьшены. Дополнительно, это может снижать затраты, требуемые для достижения этой технической пользы, так как нет необходимости производить весь вал 200 ротора из одинакового материала. В частности, когда сплавы с высокими прочностными характеристиками используются для сопрягаемого компонента 600, это может в ином случае приводить в результате к непомерно высоким затратам.
Узел 100 вала ротора имеет радиальное биение и/или осевое биение менее 40 мкм. Традиционно около 40 мкм достигается, но было обнаружено, что даже значения биения, равные 40 мкм, могут вызывать вибрации в газовых турбинах. Узел 100 вала ротора может иметь значения биения менее 35 мкм, менее 30 мкм или менее 25 мкм или даже менее 20 мкм.
Узел 100 вала ротора может содержать установленный с помощью тепловой посадки наконечник 300 вала ротора. Тепловая посадка наконечника 300 вала ротора может соединять с возможностью вращения наконечник 300 вала ротора достаточно, чтобы другие структурные детали не потребовались, чтобы обеспечивать достаточный 'привод', т.е., предохранять наконечник 300 от проскальзывания во время работы.
Наконечник 300 вала ротора может быть обработан для повышенной долговечности с помощью таких процессов как, например, нитрирование или поверхностная закалка. Некоторые из этих процессов могут не быть применимыми ко всему валу ротора и, следовательно, быть доступными для традиционного вала ротора.
Согласно другим примерам дискообразная основная часть 310 не определяет центральное отверстие и не имеет внутренней радиальной поверхности. Т.е., дискообразная основная часть может быть не кольцевым, а сплошным диском. Соответственно, второй кольцевой участок необязательно находится внутри в радиальном направлении 40.
Согласно другим примерам, выгнутые зубцы могут быть предусмотрены на наконечнике 300 вала ротора, сконфигурированными для сопряжения с вогнутыми зубцами на сопрягаемом компоненте 600. Здесь, "выгнутый" и "вогнутый" используются для описания формы зубцов, когда рассматриваются в осевом направлении 300, так что выгнутый зубец имеет широкий средний участок и узкие концы, тогда как вогнутый зубец имеет узкий средний участок и широкие концы.
Согласно некоторым примерам, не существует второго кольцевого участка 322 на дискообразной основной части 310. Вместо этого достаточное вращательное соединение получается посредством полых установочных штифтов, проходящих, по меньшей мере, через некоторые отверстия 344 в первом кольцевом участке 320, и штифтов 500, проходящих через упомянутые полые установочные штифты для осевого соединения.
Согласно некоторым примерам, способ производства узла 100 вала ротора содержит предоставление наконечника 300 вала ротора, по меньшей мере, с некоторыми из отверстий 340 после установки наконечника 300 вала ротора на вал 200 ротора. В частности, второй набор отверстий 346 может быть предоставлен или закончен после установки наконечника 300 вала ротора, чтобы оптимизировать соединение.
Согласно некоторым примерам полые установочные штифты устанавливаются, по меньшей мере, через некоторые из первого набора отверстий 344 и первого набора отверстий 244, чтобы улучшать передачу крутящего момента и предотвращать проскальзывание наконечника 300 вала ротора в кольцевом углублении 220, т.е., обеспечивать вращательное соединение. Полые установочные штифты могут быть предоставлены в дополнение или в качестве альтернативы фиксированной установке и/или штифтам 400, установленным через второй набор отверстий 346 и отверстий 246. Штифты 500 могут быть установлены через полые установочные штифты, чтобы обеспечивать осевое соединение.
Согласно примерам, обсужденным выше, первый набор отверстий 344 и кольцевой храповик 330, оба, предусматриваются в первом кольцевом участке 320. Таким образом, узел 100 вала ротора может быть установлен, по меньшей мере, в некоторые существующие газотурбинные двигатели. Согласно другим примерам, кольцевой храповик 330 может быть непрерывным, и первый набор отверстий 344 может вместо этого быть предусмотрен радиально наружу или радиально внутрь от кольцевого храповика 330.
Внимание направлено на все доклады и документы, которые зарегистрированы одновременно или прежде этой спецификации в соединении с этой заявкой, и которые являются открытыми для публичного изучения вместе с этой спецификацией, и содержимое всех таких докладов и документов включено в данный документ по ссылке.
Все из отличительных признаков, описанных в этой спецификации (включающей в себя любые сопровождающие пункты формулы изобретения, реферат и чертежи), и/или все из этапов любого способа или процесса, описанного таким образом, могут быть объединены в любом сочетании, за исключением сочетаний, когда, по меньшей мере, некоторые из таких отличительных признаков и/или этапов являются взаимно исключающими.
Каждый признак, раскрытый в этой спецификации (включающей в себя любые сопровождающие пункты формулы изобретения, реферат и чертежи) может быть заменен альтернативными признаками, служащими той же, эквивалентной или аналогичной цели, пока явно не заявлено иное. Таким образом, пока явно не заявлено иное, каждый раскрытый признак является лишь одним примером характерной последовательности эквивалентных или аналогичных признаков.
Изобретение не ограничивается деталями вышеупомянутых чертежа(ей). Изобретение распространяется на любой новый признак, или любое новое сочетание, признаков, описанных в этой спецификации (включающей в себя любые сопровождающие пункты формулы изобретения, реферат и чертежи), или на любой новый этап, или любое новое сочетание, этапов любого способа или процесса, описанного таким образом.