СОЕДИНЕНИЕ ДИСКОВ РОТОРА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к соединениям дисков ротора высокотемпературной газовой турбины. Соединение может быть использовано в газотурбинных двигателях летательных аппаратов, морских и наземных транспортных средств, а также энергоустановок.
Известно выбранное в качестве прототипа соединение дисков ротора газовой турбины, основного и покрывного, в котором задействованы соединенные по типу байонета выступы периферийных частей дисков. Соединение включает выполненные на периферийной части покрывного диска с направлением от оси диска радиальный кольцевой выступ, более удаленный от полотна основного диска, и кольцевой ряд радиальных выступов, расположенный ближе к полотну основного диска, а также выполненный на периферийной части основного диска кольцевой ряд радиальных выступов, направленных к оси диска. Радиальные выступы периферийной части основного диска размещены в канавках между радиальным кольцевым выступом и отдельными радиальными выступами покрывного диска. Соединение также содержит осевые цилиндрические штифты для фиксации в окружном направлении покрывного диска относительно основного (пат. РФ №2378517, кл. F01D 5/08, он. 10.01.2010). Осевые цилиндрические штифты установлены в области центральных частей дисков: размещены в отверстиях покрывного диска с увеличенными радиальными зазорами и закреплены в выступах, имеющихся на основном диске. На покрывном диске отверстия под штифты расположены на его кольцевом ребре, выполненном на внутренней поверхности ступицы и направленном к оси ротора. Плоская часть кольцевого ребра зафиксирована между ступицей основного диска и двойным лабиринтом, установленным на валу ротора со стороны покрывного диска. Недостаток соединения заключается в том, что процесс его сборки-разборки является многооперационным и требует значительных временных затрат, при этом соединение отрицательно влияет на прочностную надежность соединяемых дисков, уменьшает их ресурс, является ненадежным из-за возможных поломок штифтов и повреждений дисков, главным образом покрывного диска в зоне отверстий под штифты. Деструкция указанных элементов соединения объясняется резким ростом механических напряжений в их материале, возникающим на переходных режимах работы газовой турбины.
Задачей полезной модели является создание надежного быстроразборного соединения покрывного и основного дисков, обеспечивающего длительный срок службы его элементов за счет исключения возникновения ударных механических напряжений на переходных режимах работы газовой турбины.
Поставленная задача решается тем, что в соединении дисков ротора газовой турбины, основного и покрывного, с применением осевых цилиндрических штифтов, включающем соединенные по типу байонета выступы периферийных частей дисков, а именно: выполненные на периферийной части покрывного диска с направлением от оси диска радиальный кольцевой выступ, более удаленный от полотна основного диска, и кольцевой ряд радиальных выступов, расположенный ближе к полотну основного диска, а также выполненный на периферийной части основного диска кольцевой ряд радиальных выступов с направлением к оси диска, размещенных в канавках между радиальным кольцевым выступом и отдельными радиальными выступами покрывного диска, согласно полезной модели, под осевые цилиндрические штифты в радиальных выступах периферийной части покрывного диска, образующих между собой канавки, выполнены пары соосных круглых отверстий, а в радиальных выступах периферийной части основного диска - соответствующие им пазы, и каждый из штифтов установлен в пазу с возможностью перемещения в радиальном направлении относительно основного диска и с натягом в паре соосных отверстий с выступанием одной его конечной части из отверстия кольцевого выступа периферийной части покрывного диска, при этом выступающая часть штифта имеет диаметр больший диаметра отверстия, штифт снабжен закладным стопорным элементом с язычком и выполнен с продольной выемкой, в которой размещена часть закладного стопорного элемента, имеющая язычок, причем на периферийной части покрывного диска выполнена проходящая по дну канавок кольцевая проточка для расположения в ней самих язычков, кроме того, свободная от выемки часть закладного стопорного элемента, конечная со стороны кольцевого выступа периферийной части покрывного диска, загнута на торец штифта. Часть штифта, выступающая из отверстия кольцевого выступа периферийной части покрывного диска, выполнена с наружной резьбой.
Установка штифтов по периферии соединяемых дисков, а не в серединной их части, позволяет точнее зафиксировать покрывной диск на основном. Для более точной фиксации штифты, как известно, должны быть расположены как можно дальше друг от друга и от геометрической оси детали (см. П.И. Орлов. Основы конструирования. Книга 2, Москва, «Машиностроение», 1988, стр. 104).
Новое соединение, в отличие от прототипа, благодаря установке каждого из осевых цилиндрических штифтов с натягом в паре соосных круглых отверстий радиальных выступов периферийной части покрывного диска, образующих между собой канавки, а также в соответствующем указанной паре отверстий пазу, выполненном в одном из радиальных выступов периферийной части основного диска, обеспечивает устойчивую фиксацию покрывного диска относительно основного в осевом и окружном направлениях, гарантирует сохранение центровки покрывного диска относительно основного на всех режимах работы двигателя. При этом установка штифта в пазу с возможностью перемещения в радиальном направлении относительно основного диска позволяет покрывному диску на переходных режимах свободно изменять свой диаметр, без циклических изменений механических напряжений в его материале, отрицательно воздействующих на прочностную надежность. Устойчивая фиксация в осевом и окружном направлениях также способствуют сохранению прочностной надежности элементов соединения.
Для соединения дисков ротора, выбранного в качестве прототипа, характерна потеря центровки при выходе двигателя на режим. Центровка покрывного диска относительно основного сохраняется только на стадии сборки и на установившихся режимах, когда кольцевой поясок внутренней поверхности ступицы покрывного диска посажен с небольшим натягом на выступы основного диска, расположенные в периферийной части его ступицы. При выходе двигателя на режим, когда нагрев, расширение, изменение положения центра масс покрывного диска происходит быстрее, чем основного, между центрирующими поверхностями возникает зазор, облегчающий радиальное смещение покрывного диска относительно основного. Увеличенные радиальные зазоры между штифтами и стенками отверстий покрывного диска благоприятствуют такому смещению, изменению положения центра масс покрывного диска, и, в конечном счете, являются причиной потери центровки. Кроме того, из-за указанных зазоров штифты также не предотвращают перемещения покрывного диска в окружном направлении, а только ограничивают эти перемещения. Отсутствие центровки покрывного диска и его подвижность в окружном направлении относительно основного диска приводят к разбалансировке и вибрациям ротора, увеличивают вероятность поломки штифтов и механических повреждений покрывного и основного дисков в зоне отверстий под штифты.
В то же время, само по себе «соединение дисков - прототип» не обеспечивает надежную осевую фиксацию покрывного диска относительно основного. Только размещения радиальных выступов основного диска в канавках между радиальным кольцевым выступом и отдельными радиальными выступами покрывного диска для такой фиксации недостаточно. Фиксация в осевом направлении достигается, главным образом, не за счет непосредственных связей между соединяемыми дисками, а благодаря воздействию на покрывной диск конструктивного элемента ротора, не входящего в соединение дисков. Этим элементом является двойной лабиринт, который своим опорным торцом прижимает кольцевое ребро ступицы покрывного диска к ступице основного диска. В свою очередь двойной лабиринт прижат к кольцевому ребру через другой лабиринт и внутреннее кольцо роликоподшипника гайкой, установленной на валу ротора. Таким образом, надежная фиксация в роторе покрывного диска относительно основного в осевом направлении обеспечивается выполнением целого ряда монтажных операций на валу ротора, требует больших затрат времени на сборку.
В новом соединении дисков наличие у осевых цилиндрических штифтов части, выступающей из отверстия кольцевого выступа периферийной части покрывного диска, которая имеет диаметр больший, чем диаметр этого отверстия, предусмотрено для предохранения штифта от перемещений в сторону полотна основного диска, которые могут привести к его выпадению и нарушению связи между дисками.
Оснащение каждого из штифтов закладным стопорным элементом с язычком в совокупности с выполнением каждого из штифтов с продольной выемкой, в которой размещена часть закладного стопорного элемента, имеющая язычок, выполнение на периферийной части покрывного диска проходящей по дну канавок кольцевой проточки для размещения в ней язычков, а также загиб свободной от выемки части закладного стопорного элемента, конечной со стороны кольцевого выступа периферийной части покрывного диска, на торец штифта, направлены на исключение самопроизвольного перемещения штифта в направлении от полотна основного диска. Такое перемещение также может привести к выпадению штифта и нарушению связи между покрывным и основным диском.
Наружная резьба на части штифта, выступающей из отверстия кольцевого выступа периферийной части покрывного диска, предназначена для быстрого извлечения штифта из отверстий и паза выступов с помощью, например, навинчивания гайки. При вытягивании штифта одновременно происходит разгибание закладного стопорного элемента.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых представлены:
Фиг. 1. Часть ротора газовой турбины с предлагаемым соединением дисков, продольный разрез;
Фиг. 2. Соединение дисков ротора газовой турбины, фрагмент Б на фиг. 1 в увеличенном масштабе, осевой цилиндрический штифт по варианту 1;
Фиг. 3. Общий вид штифта, вариант 1;
Фиг. 4. Соединение дисков ротора газовой турбины, осевой цилиндрический штифт по варианту 2, продольный разрез;
Фиг. 5. Общий вид штифта, вариант 2;
Фиг. 6. Соединение дисков ротора газовой турбины, осевой цилиндрический штифт по варианту 3, продольный разрез;
Фиг. 7. Общий вид штифта, вариант 3;
Фиг. 8. Общий вид штифта, вариант 4;
Фиг. 9. Соединение дисков ротора газовой турбины в разобранном виде, осевой цилиндрический штифт по варианту 3.
Соединение покрывного диска с основным выполнено по периферии дисков. В него входят соединенные по типу байонета выступы периферийных частей дисков: кольцевой выступ 1 и кольцевой ряд радиальных выступов 2 периферийной части покрывного диска, которые имеют направление от оси диска, а также кольцевой ряд радиальных выступов 3 периферийной части основного диска, направленных к оси диска. Кольцевой выступ 1 расположен от полотна основного диска дальше, чем кольцевой ряд радиальных выступов 2; и каждый из задействованных в соединении радиальных выступов 3 размещен в канавке 4 между радиальным кольцевым выступом 1 и одним из радиальных выступов 2.
В выступах 1 и 2 периферийной части покрывного диска, образующих между собой канавки 4, выполнены пары соосных круглых отверстий, одно из которых 5 - на кольцевом выступе 1, второе 6 - на выступе 2, для размещения в них осевых цилиндрических штифтов 7. В радиальных выступах 3 выполнены соответствующие им пазы 8. Каждый из цилиндрических штифтов 7 размещен в пазу 8 с возможностью перемещения в радиальном направлении относительно основного диска и с натягом в паре соосных отверстий 5 и 6. Штифт 7 выполнен с продольной выемкой 9 под закладной стопорный элемент 10. В выемке 9 размещена наибольшая часть элемента 10, имеющая язычок 11. Язычки 11 элементов 10 располагаются в кольцевой проточке 12, проходящей по дну канавок 4 на периферийной части покрывного диска. Благодаря расположению язычка 11 в проточке 12 исключается перемещение закладного стопорного элемента 10 в направлении от полотна основного диска. Свободная от выемки 9 часть закладного стопорного элемента 10, конечная со стороны кольцевого выступа 1 покрывного диска, загнута на торец штифта для предупреждения его смещения также в направлении от полотна основного диска.
Часть 13 цилиндрического штифта 7, выступающая из отверстия 5 кольцевого выступа 1, имеет диаметр больший диаметра отверстия 5, что не позволяет штифту 7 перемещаться в сторону полотна основного диска, предохраняет штифт от выпадения.
Часть 13 цилиндрического штифта 7 выполнена с наружной резьбой для облегчения разборки соединения.
Возможны различные варианты выполнения цилиндрического штифта 7.
По варианту 1 (см. фиг. 2 и фиг. 3) на части штифта 7, выполненной с меньшим диаметром, продольная выемка 9 расположена на ее боковой поверхности. Далее она в виде сквозного отверстия, в котором размещается часть закладного стопорного элемента 10, проходит в толще части 13 с выходом на ее торец.
По варианту 2 (см. фиг. 4 и фиг. 5), для большей компактности, на торце части 13 штифта 5 сформировано углубление 14, в котором размещена загнутая часть закладного стопорного элемента 10. Выемка 9 проходит по боковой поверхности части штифта меньшего диаметра и далее в толще части 13 в виде сквозного отверстия с выходом на углубленную часть 14 торца.
По варианту 3 (см. фиг. 6 и фиг. 7) продольная выемка 9 проходит как по боковой поверхности части штифта 7 меньшего диаметра, так и по боковой поверхности части 13 штифта. 7.
Штифт по любому из трех вышеприведенных вариантов может иметь дополнительно лыски. Штифт по варианту 4 (см. фиг. 8), схожему с вариантом 3, выполнен в части, имеющей меньший диаметр, с двумя лысками 15. Поверхности лысок в соединении контактируют с боковыми стенками паза 8. Выполнение лысок увеличивает общую площадь контакта штифта с выступами дисков и уменьшает тем самым максимальные значения величины удельного давления, оказывающего в рабочих условиях воздействие на контактирующие поверхности. В результате сокращается вероятность повреждения штифта и дисков. Также лыски помогают удерживать штифт от проворота.
В конкретном примере исполнения соединения дисков равномерно по окружности установлено шесть осевых цилиндрических штифтов 7. Покрывной диск имеет двенадцать выступов 2, из них шесть запасных. Основной диск выполнен с двадцатью четырьмя выступами 3 (восемнадцать запасных).
Сборку соединения дисков производят следующим образом. Выступы 3, выбранные для установки цилиндрических штифтов 7, путем осевого перемещения покрывного диска и поворота относительно основного диска, размещают между кольцевым выступом 1 и выбранными выступами 2 так, чтобы ось паза 8 выступа 3 лежала в одной радиальной плоскости с осью соответствующих пазу отверстий 5 и 6. При этом базовая поверхность покрывного диска выставляется соосно с основным диском. Затем через отверстия 5 в канавки 4 вводят закладные стопорные элементы 10, размещая их язычок 11 в проточке 12. В парах соосных отверстий 5 и 6 с натягом устанавливают цилиндрические штифты 7, совмещая их продольную выемку 9 с уложенным стопорным элементом 10. При этом штифты 7 оказываются размещенными и в пазах 8, а концы стопорных элементов 10 - свободными от выемок 9 со стороны торцов частей 13 штифтов 7. Сборку заканчивают загибом свободных концов стопорных элементов 10 на торцы частей 13.
В новом соединении дисков ротора на всех режимах работы газовой турбины сохраняется центровка покрывного диска относительно основного. При переходе с малых режимов на высокие, когда разогрев и вытяжка покрывного диска происходит быстрее, чем основного, выступы 1 и 2 периферийной части покрывного диска вместе с установленными цилиндрическими штифтами 7 беспрепятственно смещаются относительно основного диска в радиальном направлении от центра. При этом в материале выступов дисков не возникает дополнительных механических напряжений. После переключения с высоких режимов на малые смещение выступов 1 и 2 покрывного диска вместе со штифтами протекает в обратном направлении относительно основного диска при более быстрой усадке покрывного диска, по сравнению с основным.