РОТОР ОСЕВОЙ МНОГОСТУПЕНЧАТОЙ ТУРБОМАШИНЫ

Полезная модель относится к области авиадвигателестроения и энергомашиностроения, в частности, к роторам турбомашин. Техническое решение может найти широкое использование при проектировании, а также при прочностной и аэродинамической доводке осевых компрессоров и турбин.
Вибрации лопаток компрессоров и турбин - одна из наиболее сложных и острых проблем, возникающих при создании транспортных и стационарных газотурбинных и паротурбинных силовых и энергетических установок. Вибрационная доводка все еще очень продолжительна и требует затраты больших средств и времени на создание турбомашин. Если до некоторых пор эта проблема была характерна для легких и напряженных авиационных и транспортных силовых установок, то в настоящее время вопросы вибрационной прочности столь же остро стоят и в стационарных энергетических установках: традиционный путь обеспечения вибропрочности в стационарных машинах - конструирование лопаток с низким уровнем статических изгибных напряжений - не может быть использован при создании установок большой мощности с высокими окружными скоростями и относительно тонкими лопатками.
Сложность этой проблемы в большей мере определяется ее комплексным характером: в ней тесно переплетены вопросы нестационарной аэродинамики, задачи колебаний тонких закрученных лопаток, находящихся в упругом взаимодействии с другими элементами ротора, вопросы усталостной прочности материала.
2
Известен ротор турбомашины (Авторское свидетельство СССР №673748, М.кл. F01D 5/02, 1975). Ротор содержит диск и установленные в нем лопатки, в хвостовиках которых выполнены отверстия под крепежные элементы. Крепежные элементы выполнены в виде спирали. В пространстве между хвостовиками лопаток и диском установлена резиновая прокладка. Использование спирали для крепления лопаток через резиновую прокладку снижает вибростойкость ротора.
Наиболее близким аналогом, выбранным за прототип для заявляемой полезной модели, является ротор барабанно-дискового типа многоступенчатой турбомашины. Ротор содержит лопатки, закрепленные на дисках, и присоединенную к последним тонкостенную оболочку - часть барабана, обеспечивающую требуемую жесткость ротора (см. Известия Академии инженерных наук Украины. НИИ «Машпроект» 45 лет. Сборник статей. Специальное тематическое приложение отделения машиностроения и прогрессивных технологий. Выпуск 1/1999, стр.164, рис.1). Недостатки известного ротора при окружных скоростях свыше 250 м/с связаны с функциональной перегрузкой дисков, каждый из которых несет не только лопатки, но и поддерживает участки барабана. Это может приводить к потере поперечной устойчивости ротора, когда совпадают парциальные частоты подсистем.
В основу полезной модели положено решение задачи повышения надежности работы турбомашины за счет снижения динамической неустойчивости ротора.
Поставленная задача решается тем, что ротор осевой многоступенчатой турбомашины для каждой ступени содержит рабочее колесо, включающее диск с лопаточным венцом. Лопаточные венцы ступеней образуют проточную часть ротора.
Новым в полезной модели является то, что для любой пары рабочих колес ротора выполняется условие - значения частот колебаний лопаток совместно с диском по первой изгибной и первой крутильной формам колебаний для каждой пары рабочих колес во всем эксплуатационном диапазоне частоты вращения ротора, сравниваемые в едином масштабе, различны для каждой из диаметральных форм колебаний.
При такой сборке конструкции ротора:
- исключается взаимовлияние колебаний лопаток и дисков различных рабочих колес многоступенчатого осевого ротора, которое может приводить к потере динамической устойчивости ротора;
- снижается вероятность касания торцов лопаток ротора о внутреннюю поверхность корпуса турбомашины, что может приводить к пожару в турбомашине;
- в барабанах блисковых конструкций роторов повышается надежность работы сварных соединений из-за снижения вибрационных нагрузок;
- из-за снижения уровня вибрационных напряжений в лопатках и дисках каждой ступени ротора снижается вероятность их разрушения.
Таким образом, решена поставленная в полезной модели задача. Повышена надежность работы турбомашины за счет снижения динамической неустойчивости ротора.
Полезная модель поясняется описанием конструкции и работы ротора осевой многоступенчатой турбомашины со ссылкой на фиг.1-3, где:
На фиг.1 изображен схематично продольный разрез трехступенчатого ротора турбомашины;
на фиг.2 - параметрические зависимости частоты колебаний лопаток от частоты вращения ротора при неоптимальной комплектации выбранной пары рабочих колес;
на фиг.3 - параметрические зависимости частоты колебаний лопаток от частоты вращения ротора при оптимальной комплектации выбранной пары рабочих колес.
Конкретное выполнение полезной модели рассмотрено на примере ротора турбомашины с тремя рабочими колесами (см. фиг.1). Каждое рабочее колесо содержит диск 1 с лопаточным венцом 2. Расчетным путем для каждой рабочего колеса определяют частоты колебаний лопаток 2 совместно с диском 1 по первой изгибной и первой крутильной формам колебаний во всем эксплуатационном диапазоне частоты вращения ротора. Далее для каждой конкретной диаметральной формы колебаний лопаток с диском сравнивают попарно между собой значения частот изгибной формы 3 колебаний одного рабочего колеса с частотой крутильной формы 4 колебаний другого рабочего колеса путем выявления соответствующих зависимостей частот колебаний рабочего колеса от частоты вращения ротора (см. фиг.2, 3). При пересечении зависимостей, сравниваемых в едином масштабе, выбирают новые варианты комплектации дисков и лопаток пары рабочих колес до устранения такого явления. Таким образом, использование предложенной полезной модели повышает надежность работы турбомашины за счет снижения динамической неустойчивости ротора.