УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСЕВОГО УДЕРЖАНИЯ ФЛАНЦА ДИСКА РОТОРА, А ТАКЖЕ ТУРБИНА ТУРБОМАШИНЫ И ТУРБОМАШИНА, СОДЕРЖАЩИЕ ТАКОЕ УСТРОЙСТВО
DEVICE FOR AXIAL RETENTION OF ROTOR DISC FLANGE, AS WELL AS TURBINE OF TURBOMACHINE, AND TURBOMACHINE CONTAINING SUCH DEVICE

Настоящее изобретение относится к стопорному устройству для осевого удержания кольцевого фланца на радиальной поверхности диска ротора турбомашины.
В частности, изобретение относится к усовершенствованию стопорного устройства, описанного в публикации ЕР 1498579 A1. Такое устройство позволяет удерживать кольцевой фланец на радиальной поверхности диска ротора, причем указанный диск содержит на радиальной поверхности кольцевой паз, образованный множеством стенок, одна из которых образована внутренней поверхностью обода, который выступает по радиусу наружу, при этом указанный фланец имеет на своем внутреннем по радиусу участке кольцевое основание, которое прижимается к внешней по радиусу стенке паза, и хвостовик, который выступает из основания по радиусу внутрь в паз в диске. Согласно изобретению стопорное устройство дополнительно содержит стопорное кольцо, состоящее из разделенного кольца, расположенного в пазу диска ротора, при этом стопорное кольцо имеет наружную по оси поверхность, которая опирается на внутреннюю по оси поверхность обода, внутреннюю по оси поверхность, которая опирается на наружную по оси поверхность хвостовика, и внешнюю по радиусу поверхность, которая опирается на внутреннюю по радиусу поверхность основания фланца.
Такое стопорное устройство и, в частности, стопорное кольцо являются простыми и недорогим при изготовлении и облегчают установку и снятие деталей. Тем не менее, оно имеет определенные недостатки. В частности, при работе фланец подвергается осевой тяге, которая может привести к отклонению стопорного кольца наружу из паза в диске ротора. Такое отклонение стопорного кольца может привести к ударному износу диска ротора или даже его разрыву. Отклонение стопорного кольца может также привести, после ударного износа, к его отцеплению от паза, что, в свою очередь, может привести к выходу фланца из его корпуса.
Таким образом, основной задачей настоящего изобретения является устранение таких недостатков посредством создания стопорного устройства для осевого удержания фланца диска ротора, которое позволяет избежать какого-либо риска отклонения стопорного кольца.
Указанная задача решается посредством создания устройства для осевого удержания фланца диска ротора, содержащего диск ротора, имеющий радиальную поверхность с кольцевым пазом, образованным множеством стенок, одна из которых образована поверхностью обода, который выступает по радиусу наружу, кольцевой фланец, содержащий, на своем внутреннем по радиусу участке, кольцевое основание, прижимающееся к внешней по радиусу стенке паза, и хвостовик, который выступает из основания по радиусу внутрь в паз в диске, и разделенное круговое стопорное кольцо, расположенное в пазу диска ротора и имеющее наружную по оси поверхность, которая опирается на внутреннюю по оси поверхность обода, в результате чего возникает первая осевая сила, действующая в по существу осевом направлении, и внутреннюю по оси поверхность, которая опирается на наружную по оси поверхность хвостовика, в результате чего возникает вторая осевая сила, действующая в направлении, которое является по существу осевым и противоположным первой осевой силе, при этом осевые силы смещены по радиусу относительно друг друга, и внешнюю по радиусу поверхность, которая опирается на внутреннюю по радиусу поверхность основания фланца, в результате чего возникает радиальная сила, действующая в по существу радиальном направлении, при этом внешняя по радиусу поверхность стопорного кольца имеет кольцевой уступ, так что радиальная сила, получающаяся в результате опоры указанной поверхности на внутреннюю по радиусу поверхность основания фланца, располагается в плоскости, которая смещена по оси относительно радиальной плоскости, проходящей через центр тяжести стопорного кольца, для получения механического равновесия между силами, воздействующими на стопорное кольцо.
Осевые силы, которые воздействуют на стопорное кольцо, возникают благодаря установке фланца на диск ротора с предварительным напряжением. Радиальное смещение между этими силами возникает из-за того, что необходимо провести хвостовик фланца через обод диска, причем как в ходе установки, так и в ходе демонтажа фланца. Радиальная сила, воздействующая на внешнюю по радиусу поверхность кольца, возникает из-за центробежной силы, которая получается в результате вращения диска ротора. Путем обеспечения кольцевого уступа на внешней по радиусу поверхности стопорного кольца можно сместить по оси направление радиальной силы, воздействующей на указанную поверхность, для компенсации крутящего момента, создаваемого радиальным смещением между осевыми силами. В результате можно достичь механического равновесия между силами, воздействующими на различные поверхности стопорного кольца, таким образом предотвращая его отклонение при работе.
Радиальная сила, получающаяся в результате того, что внешняя по радиусу поверхность стопорного кольца опирается на внутреннюю по радиусу поверхность основания фланца, находится в радиальной плоскости, которая предпочтительно расположена между наружной по оси и внутренней по оси поверхностями стопорного кольца.
Когда вторая осевая сила, получающаяся в результате того, что внутренняя по оси поверхность кольца опирается на наружную по оси поверхность хвостовика, смещена по радиусу наружу относительно первой осевой силы, получающейся в результате того, что наружная по оси поверхность кольца опирается на внутреннюю по оси поверхность фланца, осевой уступ на внешней по радиусу поверхности стопорного кольца предпочтительно расположен так, чтобы радиальная сила находилась в плоскости, которая смещена по радиусу к внутренней поверхности кольца относительно радиальной плоскости, проходящей через центр тяжести кольца.
Предпочтительно, внутренний по радиусу участок стопорного кольца размещен в канавке, выполненной за ободом диска ротора.
Предпочтительно, кольцевой уступ во внешней по радиусу поверхности стопорного кольца расположен так, что радиальная сила находится в плоскости, которая смещена к внутренней по оси поверхности кольца относительно радиальной плоскости, проходящей через центр тяжести кольца, когда вторая осевая сила, получаемая в результате опоры внутренней по оси поверхности кольца на наружную по оси поверхность хвостовика, смещена по радиусу наружу относительно первой осевой силы, получающейся в результате опоры наружной по оси поверхности кольца на внутреннюю по оси поверхность обода.
Предпочтительно, радиальная сила, которая получается в результате опоры внешней по радиусу поверхности стопорного кольца на внутреннюю по радиусу поверхность основания фланца, находится в радиальной плоскости, которая располагается между наружной по оси и внутренней по оси поверхностями стопорного кольца.
Согласно настоящему изобретению также созданы турбина и турбомашина, содержащие, по меньшей мере, одно описанное выше устройство для удержания.
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными после прочтения нижеприведенного подробного описания неограничивающих вариантов осуществления изобретения, выполненного со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - частичный вид в перспективе устройства согласно изобретению для удержания фланца диска ротора турбомашины; и
Фиг.2 - частичный вид в разрезе устройства с фиг.1 в плоскости, включающей ось вращения диска ротора.
На чертежах показана часть диска 1 турбомашины, например диска ротора турбины высокого давления.
Диск 1 включает в себя множество по существу осевых пазов 2, каждый из которых выполнен с возможностью размещения хвостовика лопасти (не показано). Кольцевой фланец 3, установленный на поверхности 4 диска, предназначен для предотвращения осевого перемещения лопастей относительно диска. Внутренний по радиусу участок 5 фланца 3 размещен в кольцевом пазу 6, выполненном в поверхности 4 диска, и удерживается в нем при помощи стопорного кольца, которое имеет форму разделенного кольца 7.
Далее, термины «внутренний» и «внешний» (по радиусу) обозначают стенку или поверхность, соответственно, ближнюю или дальнюю от оси вращения диска 1, в то время как термины «внутренний» и «наружный» (по оси) обозначают стенку или поверхность, соответственно, ближнюю или дальнюю от средней плоскости диска.
Как показано на фиг.2, кольцевой паз 6 по радиусу снаружи образован стенкой 8, которая является по существу цилиндрической и которая соединяется по изогнутой поверхности 9 с кольцевой канавкой 10 участка каналов, который расположен за кольцевым ободом 11 диска. Обод 11 проходит по радиусу наружу и имеет диаметр, который немного превышает диаметр плеча 12, выполненного между изогнутой поверхностью 9 и дном канавки 10.
В примере, показанном на чертежах, канавка 10 и обод 11 проходят от поверхности 4 диска 1. Тем не менее, такая конфигурация не является существенной для реализации изобретения.
Внутренний по радиусу участок 5 фланца 3 имеет кольцевое основание 13, которое выступает в паз 6 диска, и имеет внешнюю поверхность 14, которая является цилиндрической и которая опирается на цилиндрическую стенку 8 диска.
Внутренний по радиусу участок 5 фланца 3 также имеет хвостовик 15, расположенный под основанием 13 и проходящий по радиусу внутрь. Для обеспечения размещения внутреннего по радиусу участка 5 фланца 3 в пазу 6 при сборке или для обеспечения его демонтажа диаметр 16 скважины хвостовика 15 по существу равен или слегка превышает внешний диаметр обода 11.
Хвостовик 15 внутреннего по радиусу участка 5 фланца 3 имеет наружную по оси поверхность 17, находящуюся в радиальной плоскости, проходящей через канавку 10 вблизи плеча 12. Эта наружная поверхность 17 соединена с внутренней по радиусу поверхностью 25 основания 13 и сообщается с ней для образования выемки 18.
Стопорное кольцо 7 расположено в пазу 6 таким образом, что его внешний по радиусу участок размещен в выемке 18, а его внутренний по радиусу участок частично размещен в канавке 10.
Стопорное кольцо 7 имеет правильное сечение, которое является по существу прямоугольным. Оно имеет две взаимно параллельные осевые поверхности, которые перпендикулярны оси вращения диска 1, то есть наружную по оси поверхность 19 и внутреннюю по оси поверхность 20. Дополнительно, на своем внешнем по радиусу участке, размещенном в выемке 18, стопорное кольцо имеете внешнюю по радиусу поверхность 21.
Как показано на фиг.2, наружная по оси поверхность 19 стопорного кольца 7 опирается на внутреннюю по оси поверхность 22 обода 11. Этот осевой контакт является результатом силы реакции, результирующая которой показана стрелкой F1. Эта осевая сила F1 проходит в по существу осевом направлении и направлена внутрь.
Подобным образом, внутренняя по оси поверхность 20 стопорного кольца 7 опирается на наружную по оси поверхность 17 хвостовика 15 фланца 3, и результирующая сила реакции обозначена стрелкой F2. Эта другая осевая сила F2 действует в направлении, которое является по существу осевым и противоположным направлению осевой силы F1, то есть направлена наружу.
Как будет объяснено далее, осевые силы F1 и F2, воздействующие на осевые поверхности кольца 7, возникают из-за того, что фланец 3 прикреплен в предварительном напряжении к осевой поверхности 4 диска 1.
Из-за определенного расположения различных элементов стопорного устройства, необходимого для обеспечения установки и демонтажа фланца, следует отметить, что осевая сила F2 смещена по радиусу наружу относительно другой осевой силы F1 (это радиальное смещение обозначено длиной L на фиг.2). Без такого радиального смещения L будет невозможно провести хвостовик 15 фланца 3 за обод 11 при установке или демонтаже этого фланца.
Также следует отметить, что осевые силы F1 и F2 давят на осевые поверхности 19, 20 стопорного кольца 7 вдоль линий, расположенных радиально с каждой стороны осевой геометрической линии 24 построения, проходящей через центр тяжести кольца. На фиг.2 точкой G схематично обозначено радиальное смещение центра тяжести кольца по линии 28 от центра кольца 7.
Внешняя по радиусу поверхность 21 стопорного кольца 7 опирается на внутреннюю по радиусу поверхность 25 основания 13 фланца 3 (поверхность 25 образована в выемке 18). Такой радиальный контакт обеспечивает силу реакции, имеющую результирующую, обозначенную стрелкой F3 на фиг.2. Эта радиальная сила F3 воздействует в по существу радиальном направлении, которое направлено внутрь, и возникает благодаря центробежной силе, получающейся в результате вращения диска 1 вокруг его оси.
Следует отметить, что благодаря форме стопорного кольца 7 и благодаря его определенному расположению относительно фланца 3 и обода 11 на диске радиальная сила F3 предпочтительно воздействует в радиальной плоскости, которая находится между двумя параллельными осевыми поверхностями 19 и 20 стопорного кольца.
При этом из-за радиального смещения, которое существует между осевыми силами F1 и F2, воздействующими на осевые поверхности 19 и 20 стопорного кольца 7, и из-за того, как они распределены вокруг осевой линии 24, проходящей через центр тяжести стопорного кольца, возникает опасность отклонения стопорного кольца относительно его центра тяжести.
Для устранения этой опасности согласно изобретению обеспечивается то, что внешняя по радиусу поверхность 21 стопорного кольца 7 имеет такой кольцевой уступ (или обжатие) 26, что радиальная сила F3, получающаяся в результате того, что указанная поверхность 21 опирается на внутреннюю по радиусу поверхность 25 основания 13, находится в плоскости 27, смещенной по оси относительно радиальной плоскости 28, проходящей через центр тяжести стопорного кольца.
Путем регулирования положения поверхности контакта между внешней по радиусу поверхностью 21 стопорного кольца 7 и внутренней по радиусу поверхностью 25 основания 13 можно получить механическое уравновешивание между силами F1-F3, воздействующими на стопорное кольцо. Такое регулирование достигается путем обеспечения кольцевого уступа 26 большей или меньшей глубины (в осевом направлении) на внешней по радиусу поверхности 21 стопорного кольца 7.
Как показано на фиг.2, когда осевая сила F2 смещена по радиусу наружу относительно осевой силы F1, кольцевой вырез 26 выполнен так, чтобы радиальная сила F3 находилась в плоскости 27, которая смещена по оси к внутренней по оси поверхности 20 стопорного кольца 7 относительно радиальной плоскости 28, проходящей через центр тяжести стопорного кольца. Это позволяет установить механическое равновесие между силами F1-F3, действующими на стопорное кольцо.
Очевидно, что в обратной ситуации, то есть если осевая сила F2 была смещена внутрь по радиусу относительно осевой силы F1, кольцевой вырез будет выполнен таким образом, чтобы радиальная сила F3 находилась в плоскости, смещенной по оси к наружной по оси поверхности 19 стопорного кольца относительно радиальной плоскости 28, также для обеспечения механического равновесия между силами F1-F3, действующими на стопорное кольцо.
Следует отметить, что присутствие такого кольцевого выреза 26 на внешней по радиусу поверхности 21 стопорного кольца 7 обеспечивает другое преимущество, а именно - возможность проверки правильности расположения стопорного кольца после сборки фланца путем помещения щупа в вырез.
Также следует отметить, что фланец 3 устанавливают и демонтирую таким же образом, что и стопорное устройство согласно ЕР 1498579 A1.
Вкратце, в ходе установки или демонтажа фланца стопорное кольцо 7 втягивается в канавку 10 при помощи опрессовочных инструментов. Для этого, как показано на фиг.1, обод 11 и стопорное кольцо 7 имеют множество сопрягающихся зарубок (29 на ободе 11 и 30 на стопорном кольце), в которые помещаются захваты опрессовочных инструментов.
До размещения фланца 3 по месту стопорное кольцо 7 вводится в паз 6, причем его внутренний по радиусу участок предпочтительно размещается в канавке 10. При помощи опрессовочных инструментов стопорное кольцо 7 втягивается в канавку 10, и затем фланец 3 помещается на место, вынуждая его хвостовик 15 проходить за обод 11, стопорное кольцо 7 и захваты. Фланец 3 затем прижимается к осевой поверхности 4 диска 1 путем приложения к нему осевого давления. Стопорное кольцо 7 затем расширяется так, чтобы его внешняя по радиусу поверхность 21 опиралась на основание 13. В итоге, осевое давление, оказываемое на фланец 3, прекращается, и стопорное кольцо 7 зажимается между хвостовиком 15 и ободом 11 (благодаря такому сжатию возникают осевые силы F1 и F2, показанные на фиг.2). Фланец может быть демонтирован при помощи такого же процесса, осуществляемого в обратном порядке.