ИМПЕЛЛЕР ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВНУТРИ ЗАЩИТНОЙ КОНСТРУКЦИИ (ВАРИАНТЫ), КОМПРЕССОРНАЯ СТУПЕНЬ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ И СПОСОБ МИНИМИЗАЦИИ ВЕСА ЗАЩИТНОЙ КОНСТРУКЦИИ
IMPELLER FOR USE INSIDE PROTECTIVE STRUCTURE (VERSIONS), COMPRESSOR STAGE OF GAS TURBINE PLANT AND METHOD FOR PROTECTIVE STRUCTURE WEIGHT MINIMISATION

Область техники
Предлагаемая группа изобретений относится к компрессорной ступени, особенно к компрессорной ступени вспомогательной силовой газотурбинной установки, а также к импеллеру и к защитной конструкции, используемым в такой компрессорной ступени.
Уровень техники
Импеллеры, т.е. лопаточные машины, заключенные в кольцо или в трубу, получили довольно широкое применение в различных насосах (см., например, RU 2052667, 1996) и в центробежных компрессорах (см., например, RU 2132492, 1999), в частности в компрессорных ступенях вспомогательных силовых газотурбинных установок, используемых в авиации.
Изготовители вспомогательных силовых установок (ВСУ) должны демонстрировать посредством проведения испытаний, что кожухи вспомогательных роторов (импеллеров) способны локализовать последствия аварии импеллера, работающего при больших энергиях, и его лопаток. Известно, что "наихудший вариант" аварии импеллера соответствует его разламыванию на три части равного веса. Данный вариант именуется "трехкусочным разрушением". Защитная конструкция (например, оболочка или кожух) вокруг импеллера должна быть достаточно прочной, чтобы поглотить энергию трех подобных частей, если он распадается в процессе испытаний. Конструкции импеллеров, раскрытые в вышеупомянутых источниках, не содержат эффективных средств защиты от аварии.
Наиболее близкими аналогами предложенной группы изобретений являются компрессорная ступень газотурбинной ВСУ, импеллер и защитная конструкция, раскрытые в US 6224321 В1, 2001.
Известная компрессорная ступень газотурбинной установки содержит защитную конструкцию (содержащую кожух, формирующий наружное корпусное кольцо, защитную оболочку с задней пластиной диффузора, а также импеллер, содержащий ступицу, согласованную по положению с оболочкой и пластиной диффузора, и лопасти, прикрепленные к ступице для нагнетания воздуха при вращении лопастей совместно со ступицей.
Таким образом, импеллер известной компрессорной ступени содержит защитную конструкцию, ступицу и закрепленные на ступице лопасти для нагнетания воздуха.
Для минимизации веса известной защитной конструкции компрессорной ступени в US 6224321 предложено часть ступицы импеллера, отрывающуюся от основной части ступицы при разрушении ступицы, снабдить канавкой и примыкающим к канавке фланцем, обращенным в сторону задней пластины диффузора. Одновременно пластина диффузора снабжается фланцем и канавкой, обращенными к канавке и фланцу, выполненным на ступице, и согласованными с ними по форме. При отрыве части ступицы ее кинетическая энергия эффективно поглощается в результате того, что указанные фланцы плотно, с большим поверхностным трением, входят в соответствующие им канавки. Хотя известный способ эффективен для снижения веса защитной конструкции, его применение требует использования конструктивно сложных деталей в виде смежных канавок и фланцев, имеющих согласованный криволинейный профиль.
Чтобы испытать защитные конструкции, импеллер специально надрезается таким образом, чтобы при вращении с определенной скоростью он распался на три части. Затем этот импеллер закрепляется в силовой установке, которая приводится во вращение с максимально достижимой скоростью, пока он не разрушится, распавшись на три части.
Раскрытие изобретения
Соответственно, изобретение направлено на упрощение защитной конструкции компрессорной ступени ВСУ без ухудшения ее эффективности. Таким образом, технический результат, достигаемый при использовании изобретения, состоит в создании более простой по конструкции и имеющей относительно небольшой вес компрессорной ступени (компрессорной секции) газотурбинной установки и более простого по конструкции импеллера для подобной компрессорной ступени или для аналогичных систем и устройств. Альтернативно, достигаемый технический результат может быть сформулирован как минимизация веса защитной конструкции компрессорной ступени ВСУ или аналогичных систем и устройств без существенного усложнения этой конструкции.
Согласно изобретению создана компрессорная ступень газотурбинной установки, которая содержит защитную конструкцию с кожухом, оболочкой и пластиной диффузора. Входящая в состав этой ступени ступица согласована по положению с оболочкой и пластиной диффузора. К ступице прикреплена лопасть для нагнетания воздуха при ее вращении совместно со ступицей. В отличие от ступицы импеллера в известной компрессорной ступени, ступицу охватывает кольцо, сконфигурированное с возможностью поглощения энергии при разрушении ступицы на части. Таким образом, введение данного кольца позволяет отказаться от выполнения на ступице и пластине диффузора элементов сложной формы, взаимодействующих в случае аварии импеллера. Тем самым возможность снижения веса защитной конструкции достигается согласно изобретению при достаточно простой в изготовлении конструкции ступицы и пластины диффузора, входящей в состав защитной конструкции.
У ступицы может иметься шейка для восприятия вращающего усилия, а кольцо в этом случае может быть расположено вокруг шейки, предпочтительно по посадке с натягом. При этом кольцо может быть смещено в осевом направлении относительно лопасти и иметь прямоугольное поперечное сечение.
Согласно одному варианту изобретения создан импеллер, предназначенный для установки внутри защитной конструкции. Импеллер содержит ступицу, лопасть, закрепленную на ступице для нагнетания воздуха при своем вращении совместно со ступицей, и охватывающее ступицу кольцо, ослабляющее последствия разрушения ступицы на части с возможностью соответствующего снижения веса защитной конструкции по сравнению с весом другой защитной конструкции, в которую может быть заключен указанный импеллер при отсутствии указанного кольца, при условии, что обе защитные конструкции имеют толщины, достаточные для удерживания указанных частей.
Согласно другому варианту изобретения создан импеллер, содержащий защитную конструкцию, ступицу и лопасть, закрепленную на ступице для нагнетания воздуха при своем вращении совместно со ступицей и согласованную по положению с защитной конструкцией. Импеллер содержит также охватывающее ступицу кольцо, ослабляющее последствия разрушения ступицы на части с возможностью снизить за счет этого вес защитной конструкции.
Согласно изобретению создан также способ минимизации веса защитной конструкции компрессорной ступени, содержащей импеллер. Способ включает:
обеспечение наличия ступицы, имеющей лопасть, согласованную по положению с защитной конструкцией, установку охватывающего ступицу кольца, ослабляющего последствия разрушения ступицы на части, и снижение веса защитной конструкции.
Способ по изобретению может включать также снабжение ступицы шейкой, смещенной в осевом направлении относительно лопасти, и установку охватывающего ступицу кольца на шейку по посадке с натягом с увеличением для этого диаметра кольца перед его установкой на шейку. Альтернативно, установка охватывающего ступицу кольца на шейку по посадке с натягом может дополнительно включать уменьшение наружного диаметра шейки перед установкой на нее кольца или одновременное увеличение диаметра кольца и уменьшение наружного диаметра шейки перед установкой на нее кольца.
Краткое описание чертежей
Эти и другие признаки изобретения станут лучше понятны из нижеследующего описания и прилагаемых чертежей.
На фиг.1 показан, в разрезе, импеллер по изобретению и его защитная конструкция.
Фиг.2 иллюстрирует способ установки кольца на шейку.
Осуществление изобретения
На фиг.1 представлен вариант подготовленной к испытаниям компрессорной ступени (секции) газотурбинной установки 105 с импеллером 110 и с защитной конструкцией 115. Данная секция предназначена для использования в составе ВСУ или другой газотурбинной установки. Импеллер 110 имеет ступицу 125, расположенную симметрично центральной оси 120, и нагнетательную лопасть 130, прикрепленную к ступице 125. Ступица 125 прикреплена к валу 135, который установлен в подшипниках 140 и связан известным образом с турбиной (не изображена) для приведения импеллера 110 с лопастью 130 во вращение. При этом импеллер действует как компрессор, нагнетающий сжатый воздух 150 через канал 185.
Ступица 125, имеющая приблизительно треугольное продольное сечение с криволинейной гипотенузой 155, связана обычным образом с валом 135 посредством примерно цилиндрической шейки 160. Ступица 125 может быть изготовлена из титана или из сплава инконель, или из иного подходящего материала.
Защитная конструкция 115 содержит кожух 190, который действует как корпусное кольцо для удерживания фрагментов импеллера 110. Защитная конструкция 115 содержит также оболочку 165 и пластину 170 диффузора, которая совместно с импеллером 110 направляет воздух 150 в секцию камеры сгорания (не изображена) газотурбинной установки (не изображена). У оболочки 165 имеется криволинейная часть 175, которая точно следует контуру лопасти 130 и согласована с ней по положению, тогда как пластина 170 диффузора грубо воспроизводит контур правой стороны 180 ступицы 125 и согласована с ней по положению. На пластине 170 диффузора закреплен подшипник 140.
Пластина 170 диффузора и оболочка 165 сближаются с образованием канала 185, который направляет воздух 150, нагнетаемый импеллером 110, в секцию камеры сгорания (не изображена). Оболочка 165, пластина 170 диффузора и канал 185 находятся внутри кожуха 190.
В ступице 125 вырезаны канавки 145 таким образом, чтобы при приведении импеллера 110 во вращение со скоростью, превышающей 110% его номинальной скорости, импеллер 110 распался на части, которые должны быть удержаны внутри кожуха 190.
На шейку 160 импеллера 125 насажено по прессовой или иной посадке с натягом кольцо 195, выполненное в виде отдельной детали и имеющее примерно прямоугольное поперечное сечение 200. Как проиллюстрировано на фиг.2, после точной механической обработки (на шаге 201) диаметров (включая наружный диаметр ("НД") шейки 160 импеллера и внутренний диаметр ("ВД") кольца 195), чтобы обеспечить соответствие между кольцом 195 и шейкой 160 импеллера, кольцо 195 может быть нагрето (чтобы увеличить его ВД, шаги 205, 210), а шейка 160 импеллера может быть охлаждена (шаги 215, 220) с соответствующим уменьшением ее НД, после чего кольцо 195 может быть насажено на шейку 160 импеллера. Нагрев кольца и охлаждение шейки (шаги 205 и 220) можно произвести одновременно. После того как шейка 160 импеллера и кольцо 195 вернутся к комнатной температуре, они будут связаны по посадке с натягом.
Поперечному сечению 200 кольца вместо прямоугольной могут быть приданы и другие формы поперечного сечения. Кольцо 195 изготовлено из прочного материала, такого как сплав Инконель| 625 или титан. Благодаря установке кольца 195 на шейку 160, когда импеллер 110 при проведении испытаний или в процессе функционирования начинает разрушаться вследствие наличия дефекта или по иной причине, кольцо 195 поглотит достаточно энергии для того, чтобы повреждение, причиненное защитной конструкции 115 тремя (в худшем случае разрушения импеллера) частями, было меньше, чем при использовании защитной конструкции при близких оперативных параметрах и условиях аварии, но в отсутствие охватывающего ступицу кольца. Поэтому толщины кожуха 190, оболочки 165 и пластины 170 диффузора могут быть уменьшены по сравнению с аналогичными компонентами конструкции в отсутствие кольца 195. Так, толщины кожуха 190 и оболочки 165 могут составлять две трети от соответствующих толщин кожуха и оболочки в известной конструкции. При этом суммарное снижение массы (и веса) кожуха 190, оболочки 165 и/или пластины 170 диффузора превышает массу кольца 195, так что суммарная масса установки будет уменьшена без ухудшения функциональных характеристик защитной конструкции 115. В качестве примера, масса кольца 195 может составлять около 0,7 кг, а уменьшение массы кожуха 190, оболочки 165 и пластины 170 диффузора может составлять 1,4 кг или более.
Хотя в проиллюстрированном примере рассмотрены различные признаки, для реализации преимуществ изобретения необязательно наличие всей их совокупности. Другими словами, устройство, выполненное согласно варианту изобретения, может не содержать всех признаков или всех частей, схематично показанных на чертежах. Кроме того, некоторые признаки одного варианта могут быть скомбинированы с некоторыми признаками других вариантов.
Представленное описание имеет иллюстративный, а не ограничивающий характер. Специалистам будут очевидны вариации и модификации представленного примера, в том числе не выходящие за границы изобретения, которые могут быть определены только в результате анализа прилагаемой формулы.