ТУРБОМАШИНА
TURBO-MACHINE

Изобретение относится к области турбостроения и может быть использовано при проектировании, например, газотурбинных установок, работающих по замкнутому циклу, обеспечивающих высокую мощность при малых массогабаритных показателях.
Известна турбомашина, ротор которой содержит цилиндрическую или коническую обечайку с закрепленными на ней несколькими рядами лопаток. Две стальные крышки закрывают обечайку с торцов и имеют цапфы, которыми ротор опирается на подшипники (см. Шварц В.А. Конструкции газотурбинных установок. М.: Машиностроение, 1970, рис.121).
При высоких частотах вращения ротора снижается надежность работы из-за повышенных механических напряжений в обечайке. Ротор барабанного типа имеет предельную окружную скорость 180…200 м/с.
Наиболее близким к данному изобретению устройством является турбомашина, содержащая корпус, снабженный направляющими лопатками, в полости которого с возможностью вращения в подшипниках размещен ротор, снабженный средствами закрепления лопаток (см. Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. М.: Машиностроение, 1969, рис.3.06).
Недостатком известного устройства является невозможность обеспечения высокой окружной скорости при ограниченной массе ротора, которую можно было бы получить за счет повышения частоты вращения ротора, в связи с недостаточной механической прочностью ротора, приводящей к возможности его разрушения при эксплуатации в режиме повышенных частот вращения.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение механической прочности ротора, обеспечивающей возможность его использования в режиме повышенной окружной скорости с уменьшением его массы, повышением жесткости ротора и упрощением технологии изготовления.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в повышении допустимой окружной скорости, осевой и радиальной жесткости ротора при обеспечении минимальной массы.
Поставленная задача решается тем, что турбомашина, содержащая корпус, снабженный направляющими лопатками, в полости которого с возможностью вращения в подшипниках размещен ротор, снабженный средствами закрепления лопаток, отличается тем, что ротор содержит соосные вал и обечайку, жестко скрепленные друг с другом, по меньшей мере, двумя равноудаленными друг от друга перемычками, выполненными в виде пластин либо одинаковой толщины, либо с толщиной, плавно увеличивающейся к контактируемым поверхностям на сопряжениях с валом и обечайкой, длина которых соответствует длине обечайки, которые ориентированы вдоль продольной оси ротора турбомашины, кроме того, зазоры, образованные обращенными друг к другу поверхностями ротора и корпуса подшипника, выполнены с возможностью подведения к ним рабочего тела турбомашины, причем ротор выполнен с возможностью вращения, с угловой скоростью, определяемой из выражения ω≥V/R, где ω - угловая скорость вращения ротора, рад/сек; V=300 м/с - окружная скорость вращения ротора; R - радиус ротора, м.
При этом вал выполнен полым, а перемычки ориентированы радиально. Участкам сопряжения перемычек с валом и обечайкой придана округлая форма поверхности. Кроме того, средства закрепления лопаток на роторе выполнены в виде замка «елочного» типа. При этом поперечное сечение обечайки вдоль ее продольной оси выполнено переменным. Кроме того, торцевые крышки дополнительно жестко скреплены с перемычками, например, вакуумно-диффузионной сваркой. Кроме того, ротор превышает длину проточной части турбомашины на длину опорной поверхности цапф подшипника.
Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков предлагаемого технического решения и совокупности существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом существенные признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признаки «…ротор содержит соосные вал и обечайку, жестко скрепленные друг с другом, по меньшей мере, двумя равноудаленными друг от друга перемычками, выполненными в виде пластин либо одинаковой толщины, длина которых соответствует длине обечайки, которые ориентированы вдоль продольной оси ротора турбомашины…» образуют монолитную конструкцию при минимальной массе и массовых моментах инерции ротора турбомашины, обеспечивают равномерное распределение механических напряжений и, тем самым, увеличивают прочность, радиальную и осевую жесткость.
Признак, указывающий, что перемычки выполнены в виде пластин «с толщиной, плавно увеличивающейся к контактируемым поверхностям на сопряжениях с валом и обечайкой», позволяет уменьшить концентрацию напряжений в зоне перемычек.
Признак, указывающий, что «зазоры, образованные обращенными друг к другу поверхностями ротора и корпуса подшипника, выполнены с возможностью подведения к ним рабочего тела турбомашины», введен с целью смазки и охлаждения подшипников с газовой смазкой.
Признак «…ротор выполнен с возможностью вращения, с угловой скоростью, определяемой из выражения ω≥V/R, где ω - угловая скорость вращения ротора, рад/сек; V=300 м/с - окружная скорость вращения ротора; R - радиус ротора, м…», позволяет определить проектную частоту вращения ротора с учетом его поперечных размеров исходя из того, что его окружная скорость вращения составляет около 300 м/с, что указывает на то, что турбомашина рассчитана на высокие скорости вращения.
Признак «…вал выполнен полым…» позволяет уменьшить массу и массовые моменты инерции ротора и, тем самым, снизить нагрузки на подшипники, обусловленные весом и гироскопическим моментом ротора при вибрации основания турбомашины.
Признак «…перемычки ориентированы радиально…» позволяет снизить напряжения в обечайке от центробежных сил.
Признак «…участкам сопряжения перемычек с валом и обечайкой придана округлая форма поверхности…» позволяет уменьшить концентрацию напряжений в зоне перемычек.
Признак «…средства закрепления лопаток на роторе выполнены в виде замка «елочного» типа…» позволяет создать наилучшее соединение лопаток с обечайкой.
Признак «…поперечное сечение обечайки вдоль ее продольной оси выполнено переменным…» позволяет профилировать поточную часть турбомашины необходимым образом.
Признак «…торцевые крышки дополнительно жестко скреплены с перемычками, например, вакуумно-диффузионной сваркой…» позволяет дополнительно повысить прочность и жесткость конструкции как в радиальном, так и в осевом направлениях.
Признак «…ротор превышает длину проточной части турбомашины на длину опорной поверхности цапф подшипника…» позволяет значительно уменьшить радиальные деформации цапф подшипников от действия центробежных сил при окружных скоростях на внешнем диаметре ротора более 300 м/с и, тем самым, предотвратить заклинивание газового подшипника.
На фиг.1 показан продольный и на фиг.2 поперечный разрезы компрессора турбомашины. Турбина же турбомашины на чертежах не показана, так как имеет аналогичную конструкцию, что и компрессор.
Турбомашина состоит из компрессора и турбины. Компрессор содержит корпус 1, снабженный направляющими лопатками 2, в полости которого с возможностью вращения в подшипниках 3, 4 размещен ротор 5, снабженный средствами закрепления рабочих лопаток 6. Ротор 5 турбомашины может быть выполнен, например, из стали и содержит соосные вал 7 и обечайку 8. Торцовая грань ротора 5 жестко скреплена с торцовой крышкой 9. Ротор 5 превышает длину проточной части компрессора на длину опорной поверхности цапф подшипников 3, 4.
Вал 7 выполнен полым, а поперечное сечение обечайки 8 вдоль ее продольной оси выполнено переменным. Внешняя поверхность обечайки 8 снабжена средствами закрепления рабочих лопаток 6. Средства закрепления рабочих лопаток 6 на роторе 5 выполнены в виде замка «елочного» типа. Вал 7 и обечайка 8 жестко скреплены, по меньшей мере, двумя равноудаленными друг от друга перемычками 10, выполненными в виде пластин либо одинаковой толщины, либо с толщиной, плавно увеличивающейся к контактируемым поверхностям на сопряжениях с валом 7 и обечайкой 8, длина которых соответствует длине обечайки 8, которые ориентированы вдоль продольной оси ротора 5 компрессора. Перемычки 10 ориентированы радиально. Кроме того, участкам сопряжения перемычек 10 с валом 7 и обечайкой 8 придана округлая форма поверхности. При этом торцовые крышки 9 дополнительно жестко скреплены с перемычками 10, например, вакуумно-диффузионной сваркой.
Зазоры, образованные обращенными друг к другу поверхностями ротора 5 и корпусов подшипников 3, 4 выполнены с возможностью подведения к ним рабочего тела турбомашины через отверстия 11, 12, причем ротор 5 выполнен с возможностью вращения, с угловой скоростью, которую определяют из выражения ω≥V/R, где ω - угловая скорость вращения ротора, рад/сек; V=300 м/с - окружная скорость вращения ротора; R - радиус ротора, м.
Ротор турбомашины изготавливают в следующем порядке. Заготовку в виде цилиндра, который может иметь внутреннее отверстие, подвергают механической обработке с целью формирования пазов грушевидной формы, например, сверлением с последующим фрезерованием. Торцевую крышку 9 крепят к торцам ротора, например, вакуумно-диффузионной сваркой. На наружной поверхности обечайки 8 фрезеруют пазы, например, замка «елочного» типа для установки и крепления лопаток 6. Цапфы ротора шлифуют и притирают в притире для получения необходимой геометрии. Далее турбомашину собирают по известной технологии.
Турбомашина работает следующим образом. Перед пуском турбомашины воздух из ресивера или внешнего компрессора (на чертежах не показан) подают в газостатические подшипники 3, 4 через отверстия 11 и 12 и затем через питающие отверстия (на чертежах не показаны) поступает в смазочный зазор подшипников. Ротор 5 всплывает на газовом смазочном слое и производится пуск турбомашины. При вращении ротора 5 воздух засасывается из полости всасывания и нагнетается в выпускной патрубок, проходя через ступени компрессора. После создания необходимого давления компрессором турбомашины происходит переключение работы газостатических подшипников 3, 4 на работу от компрессора турбомашины. Воздух с торца подшипника 4 отводят в окружающую среду или в полость всасывания компрессора. Воздух, прошедший через уплотнение подшипника 3 и из подшипника 3, отводится в окружающую среду или в полость всасывания компрессора.