РОТОР
ROTOR

Изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано при разработке и производстве высокооборотных роторов газотурбинных двигателей, содержащих осевой компрессор и приводящую его газовую турбину средней или большой мощности (N≥25000).
Известен ротор, в котором цилиндр компрессора состоит из дисков и проставок, соединенных болтами (см. Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. М., «Машиностроение», 1969 г., стр.64…67, рис.3.13).
Недостатком такой конструкции является то, что ротор по этой схеме может быть выполнен, если осевое расстояние между лопатками позволяет между внутренними ребрами проставки иметь осевой размер, необходимый для заводки призонного болта крепления очередного диска.
Известен ротор с соединением секций цилиндра компрессора с помощью торцевых треугольных шлицев и центральной шпильки (стяжки) (см. там же, стр.71, рис.3.16).
Конструкция этого ротора имеет следующий недостаток:
центральная шпилька растянута большим усилием (десятки тонн) из-за чего она имеет значительный диаметр и для ее прохода через цапфу ротора цапфа должна иметь увеличенный диаметр и один свободный конец ротора для размещения гайки большого размера.
Наиболее близким по конструктивной схеме (прототипом) является ротор, в котором выполнены удлиненные цилиндрические части дисковых секций компрессора.
Соединение и центрирование секций осуществляется с помощью длинных призонных болтов (стяжек) и втулок.
Передача крутящего момента осуществляется с помощью втулок, работающих на срез (см. Манушин Э.А., Суровцев И.С. Конструирование и расчет на прочность турбомашин. - М., Машгиз, 1990 г., стр.159…160, рис.120, в).
Недостатком конструкции этого ротора является то, что длинная стяжка представляет собой многоопорную балку, которая при вращении ротора в местах опор (втулок) подвергается изгибным усилиям от действия центробежных сил неопертых участков стяжки.
В связи с чем стяжка выполнена увеличенного диаметра и жесткость соединения дисков одинакова на всех участках ротора.
Известно, что наибольшая нагрузка на соединения дисков действует в месте расположения центра массы ротора, исходя из величины которой определен необходимый диаметр стяжки. При этом в других местах жесткость соединений дисков ротора выполнена неоптимальной.
Задачей заявляемого изобретения является оптимизация жесткости соединения дисков ротора, для чего жесткость соединения дисков корректируется в зависимости от действующей нагрузки на каждом участке.
Для достижения указанной задачи предложен ротор, содержащий цапфы подшипников, цилиндр с лопатками осевого компрессора, выполненный из отцентрованных и скрепленных между собой дисков, и приводящую его газовую турбину средней или большой мощности (N≥25000 кВт), соединенную с цилиндром. Диски ротора соединены стяжками разных или равных диаметров; при этом стяжка следующего диска ввернута в развитую головку предыдущего диска и между головкой стяжки и следующим диском установлена компенсирующая шайба, толщина которой определяется при сборке ротора.
На Фиг.1 изображен ротор высокооборотного газотурбинного двигателя, выполненный согласно предлагаемому изобретению; на Фиг.2 - выноска А, на которой изображены детали крепления дисков компрессора между собой.
Ротор высокооборотного (n≥3000 об/мин) газотурбинного двигателя средней или большой мощности (N≥25000 кВт) содержит цапфу переднего подшипника 1, цапфу заднего подшипника 2, цилиндр, выполненный из дисков компрессора 3, лопатки ступеней компрессора 4, диски турбины 5, лопатки ступеней турбины 6, барабан 7, соединяющий диски компрессора 3 и диски турбины 5, стяжки 8, компенсирующие шайбы 9 и болты 10, прикрепляющие диски турбины 5 к барабану 7.
Диски компрессора 3 и диски турбины 5 выполнены на периферии с центрующим пояском или треугольными шлицами 11 и призонными отверстиями Б для прохода стяжек или болта 10.
Стяжки 8 имеют призонный участок и развитую головку В с внутренней резьбой для ввинчивания в нее следующей стяжки.
Сборка ротора производится в следующем порядке. Диск последней ступени компрессора 3 крепится соосно к барабану 7 стяжками 8. Диск следующей ступени компрессора 3 центруется к последнему диску посредством торцевых шлицев 11 и крепится стяжками 8, ввинчиваемыми в развитую головку стяжки крепления диска последней ступени.
В просвет Г между головкой стяжки 8 последней ступени и устанавливаемым диском предпоследней ступени 3 устанавливается с небольшим натягом, величина которого определяется опытным путем известным образом, компенсирующая шайба 9, что позволяет распределить осевое усилие, действующее на шайбу 9 и центрующие треугольные шлицы.
Диски следующих ступеней компрессора собираются аналогично.
Диск первой ступени компрессора (устанавливаемый последним при сборке) крепится известным образом, например, призонными болтами 12, заодно с фланцем цапфы 1.
Диски ступеней турбины 5 отцентрованы посредством шлицев 11 и прикреплены болтами 10 к барабану 7 подобным образом заодно с фланцем цапфы 2.
При использовании заявляемого по изобретению ротора, например, в составе газотурбинного двигателя для привода электрического генератора, установленного со стороны компрессора и соединенного через понижающий редуктор с фланцем передней цапфы 1, наибольшие напряжения при работе двигателя будут испытывать участки ротора в месте последних ступеней компрессора по следующим обстоятельствам.
Первое - из практики известно, что у роторов такого типа центр массы находится в этом месте, и ротор испытывает наибольшие изгибающие напряжения; второе - этим же участком ротора передается наибольший крутящий момент от развиваемой газовой турбиной мощности (примерно 2/3 мощности тратится на привод компрессора и 1/3 - на привод генератора).
Кроме сил от массы ротора на напряжения в этом участке влияние оказывает сила от его динамической неуравновешенности, что в сумме определяет величину максимального прогиба и влияет на надежность его работы.
Существенным отличительным признаком предлагаемого изобретения от прототипа является использование для соединения дисков компрессора коротких стяжек с внешней и внутренней резьбой.
Исполнение ротора с соединением дисков компрессора согласно предлагаемому изобретению позволяет упростить конструкцию цилиндра компрессора без снижения его продольной жесткости путем установки стяжек уменьшенного диаметра в местах действия пониженной нагрузки (технический результат).