Разрезной пустотелый диск

Полезная модель относится к авиационной технике, а именно к разрезным пустотелым дискам, и может найти применение при изготовлении дисков турбин газотурбинных двигателей.
Повышение прочности дисков и снижение их массы возможно вследствие оптимизации их конструктивного облика, применения новых материалов и/или использования новых конструктивно-технологических решений.
Одним из таких решений является пустотелый диск, включающий ободную часть, полотна и ступицу.
В большинстве случаев известные технические решения предлагают использовать пустотелую конструкцию диска для подвода охлаждающего воздуха в лопатки через ступицу по полости между полотнами и далее через вертикальные отверстия в ободе. Однако отверстия в ступице и ободе создают концентраторы напряжений, которые значительно снижают статическую и циклическую прочность диска. Существенным недостатком при использовании пустотелого диска для подвода охлаждающего воздуха в лопатки является недостаточное для полноценного охлаждения количество воздуха, которое можно подать через пространство между валом (низкого или среднего давления) и ступицей диска турбины в отверстие в ступице. Для этого необходимо уменьшать диаметр вала, что приводит к снижению его прочности и к необходимости существенного пересмотра схемы всего двигателя.
Другой областью применения пустотелой конструкции является снижение массы диска за счет разделения полотна на две части и их оптимального расположения вдоль обода, что обеспечивает равномерность передачи контурной нагрузки на ступицу. Это позволяет уменьшить габариты последней и снизить массу рабочего колеса в целом.
Известен ротор турбомашины, содержащий разрезной пустотелый диск, включающий ободную часть, полотна и ступицу (SU 1201528, 1985). Конструкция диска в известном техническом решении обеспечивает возможность раздельного изготовления его элементов с применением традиционных технологий, с последующим жестким соединением при помощи сварки, что позволяет существенно снизить массу диска. Недостатком известного технического решения являются сложность обработки внутренней поверхности полости диска после соединения конструктивных элементов диска, а также прочность и качество сварного шва.
Известен многосекционный разрезной пустотелый диск, включающий ободную часть, полотна и ступицу со сквозной радиальной прорезью (US 4102603, 1978). В известном техническом решении диск выполнен в виде набора полотен, которые скрепляются между собой болтовыми соединениями в середине полотен и в ободной части, при этом ступицы дисков контактируют свободно. Для формирования полости в зоне болтовых соединений полотна утолщаются, что позволяет равномерно передавать нагрузку от обода к ступице, а также улучшить прогрев. Недостатком известного технического решения является наличие отверстий для болтовых соединений, снижающих прочность диска.
Известен разрезной пустотелый диск, включающий ободную часть, полотна и ступицу со сквозной радиальной прорезью (US 5961287, 1999). В известном техническом решении в прорези ступицы размещены втулки, предназначенные для подачи охлаждающего воздуха. Недостатком известного технического решения является наличие концентраторов напряжений в виде втулок. Кроме того, увеличенная масса ступицы приводит к увеличению осевых напряжений, ухудшению прогрева ступицы и как следствие к увеличению температурных напряжений.
Наиболее близким по технической сущности и назначению к предлагаемой полезной модели является разрезной пустотелый диск, включающий ободную часть, полотна, ступицу со сквозной радиальной прорезью и вставки, размещенные в радиальной прорези ступицы (US 3982852, 1976). В известном техническом решении вставки используются для организации подвода воздуха в полость между полотнами, а также для исключения смыкания половинок ступиц под действием центробежных сил. При этом не рассматривается вопрос сборки конструкции, поскольку нет объяснения, как осуществляется установка вставок в прорезь ступицы. Замыкающую вставку сложно установить, поскольку длина окружности верхней поверхности будет больше, чем имеющееся свободное пространство. При этом фиксация вставок в радиальном и окружном направлении не осуществляется, что при отсутствии нагрузки приводит к тому, что вставки могут свободно смещаться и выпадать из прорези. Кроме того, в известном техническом решении вставки содержат сквозные отверстия, предназначенные для подачи охлаждающего воздуха, представляющие из себя концентраторы напряжений, т.е. существенным недостатком известного технического решения является недостаточная прочность конструкции.
Таким образом, известные технические решения обеспечивают выполнение условия снижения массы диска. Общим существенным недостатком известных технических решений является недостаточный уровень статической и циклической прочности конструкции диска в процессе эксплуатации, обусловленный наличием концентраторов напряжений.
Техническая проблема, решаемая созданием заявляемой полезной модели, заключается в повышении длительной прочности конструкции разрезного пустотелого диска в процессе эксплуатации при сохранении условия снижения его массы.
Технический результат, обеспечиваемый предлагаемой полезной моделью, заключается в снижении напряжений путем исключения концентраторов напряжений в конструкции разрезного пустотелого диска.
Заявленный технический результат достигается тем, что в разрезном пустотелом диске, включающем ободную часть, полотна, ступицу со сквозной радиальной прорезью и вставки, размещенные в радиальной прорези ступицы, на обращенных друг к другу внутренних поверхностях прорези ступицы выполнены упорные кольцевые бурты, ширина и высота которых находится в диапазоне от 0,1 до 0,3 соответственно ширины обода и высоты ступицы диска, вставки выполнены в виде сегментов разрезного кольца, ширина и высота которых находится в диапазоне от 0,3 до 0,5 соответственно ширины обода и высоты ступицы диска, сегменты размещены в прорези с натягом и с упором в бурты, а на внутренней радиальной поверхности сегментов разрезного кольца выполнены радиальные пазы, в которых размещено разжимное кольцо.
Совокупность существенных признаков достаточна для решения указанной технической проблемы и достижения заявленного технического результата.
Выполнение вставок в виде сегментов разрезного кольца, размещение сегментов в прорези с натягом и с упором в бурты, выполнение на внутренней радиальной поверхности сегментов радиальных пазов, в которых размещено разжимное кольцо, позволяет упростить процесс сборки диска, обеспечивает фиксацию сегментов в прорези ступицы и исключает возможность смыкания кромок прорези под действием центробежных сил, что обеспечивает повышение длительной прочности конструкции разрезного пустотелого диска за счет исключения концентраторов напряжений при сохранении условия снижения его массы в процессе эксплуатации.
Выполнение на обращенных друг к другу внутренних поверхностях прорези ступицы упорных кольцевых буртов, ширина и высота которых находится в диапазоне от 0,1 до 0,3 соответственно ширины обода и высоты ступицы диска, и выбор ширины и высоты сегментов в диапазоне от 0,3 до 0,5 соответственно ширины обода и высоты ступицы диска обеспечивают повышение длительной прочности конструкции разрезного пустотелого диска за счет исключения концентраторов напряжений.
Предложенное техническое решение поясняется последующим подробным описанием конструкции разрезного пустотелого диска и его работы со ссылкой на фиг. 1-5, где:
- на фиг. 1 изображена схема разрезного пустотелого диска;
- на фиг. 2 изображена схема размещения разжимного кольца в пазах сегментов;
- на фиг. 3 изображена схема типового оптимизируемого диска;
- на фиг. 4 изображена схема распределения напряжений в результате оптимизации конструкций диска (а - стандартная конфигурация; б - сплошная пустотелая конфигурация с прорезью; в - конфигурация диска в соответствии с предлагаемой полезной моделью);
- на фиг. 5 приведена таблица сравнительных результатов оптимизации.
Разрезной пустотелый диск включает в себя ободную часть 1, полотна 2 и ступицу 3, образующие внутреннюю полость 4 (см. фиг. 1, 2). В ступице 3 выполнена сквозная радиальная прорезь 5, а на обращенных друг к другу внутренних поверхностях прорези 5 выполнены соответствующие упорные кольцевые бурты 6. В радиальной прорези ступицы 3 размещены вставки, выполненные в виде сегментов 7, образующих разрезное кольцо. Сегменты 7 размещены в прорези 5 с натягом и с упором в бурты 6. На внутренней радиальной поверхности сегментов 7 выполнены радиальные пазы 8, в которых размещено разжимное кольцо 9.
Сборка пустотелой разрезной конструкции диска осуществляется следующим образом. В радиальной прорези 5 ступицы 3 последовательно размещают сегменты 7 до упора в кольцевые бурты 6. Чтобы в процессе работы двигателя сегменты 7 не проворачивались в окружном направлении, их устанавливают с небольшим натягом относительно торцевых внутренних поверхностей ступицы 3. Анализ экспериментальных данных показал, что рекомендуемое значение натяга составляет от 3 до 5 мкм. В процессе работы сегменты 7 будут сжиматься внутренними поверхностями прорези 5, кромки которой под действием центробежных сил стремятся сблизиться друг с другом. Посадка с натягом гарантирует отсутствие окружных смещений сегментов 7, как при наличии нагрузки, так и при ее отсутствии. После установки сегментов 7 они фиксируются в радиальном направлении при помощи разжимного кольца 9.
Границы размеров сегментов 7 и буртов 6 обуславливаются требованиями обеспечения условий прочности, технологических и конструктивных ограничений. Геометрические размеры сегментов 7 и упорных кольцевых буртов 6 определяются относительно значений ширины обода 1 диска и высоты ступицы 3. Ширина и высота буртов 6 находится в диапазоне от 0,1 до 0,3 соответственно ширины обода 1 и высоты ступицы 3 диска, ширина и высота сегментов 7 находится в диапазоне от 0,3 до 0,5 соответственно ширины обода 1 и высоты ступицы 3. При этом конкретные размеры для каждой конструкции определяются в указанных пределах в процессе проектирования при помощи параметризованных моделей и методов многокритериальной оптимизации. Размеры разжимного кольца 9 определяются конструктивно, его геометрические размеры выбираются относительно значений ширины и высоты сегментов 7.
Пример. Проведен анализ преимуществ описанной в предложенной полезной модели разрезной пустотелой конструкции диска по сравнению с использованием диска сплошной пустотелой и стандартной (одно полотно) конфигурации с точки зрения снижения массы. Для этого осуществлена оптимизация конструкции типового диска турбовинтового двигателя для трех предложенных типов конструкций.
Габаритные размеры оптимизируемого диска приведены на фиг. 3.
Условия работы диска:
- частота вращения - 30000 об/мин.;
- контурная нагрузка на обод - 180 МПа;
- перепад температур ступица-обод: 180-650°C;
- материал диска - никелевый сплав.
Задачей оптимизации является обеспечение требования длительной прочности диска при условии минимизация его массы.
В качестве ограничений используются следующие условия:
- уровень эквивалентных напряжений по Мизесу в диске (зоны ступицы, полотен и обода) не выше 850 МПа;
- значения запаса по несущей способности не менее 1,4.
Распределение напряжений, полученных в результате оптимизации рассмотренных конструкций дисков, приведены на фиг. 4.
Сравнительные результаты оптимизации рассмотренных конструкций дисков приведены на фиг. 5, из которых следует, что применение пустотелой конструкции (как разрезной, так и сплошной) для данного диска позволяет уменьшить его массу на 12%. При этом уровень напряжений в разных типах конструкций диска одинаковый. Габариты ступиц оптимизированных пустотелых дисков больше, чем габариты ступицы оптимизированного диска стандартной конфигурации, однако они не превышают значения габаритного размера оптимизированного диска стандартной конфигурации (60 мм).
Анализ прочности сегментов разрезного кольца с использованием 3D конечно-элементной модели всего диска показывает, что в диске не возникают опасные напряжения, разжимное кольцо работает в упругой области. Так как разрезной пустотелый диск имеет сложную топологию (криволинейные полотна, сложная конструкция уступов и ступицы и т.д.), то при проектировании необходимо использовать автоматизированные параметризованные модели и современные методы многокритериальной оптимизации.
Таким образом, предлагаемая полезная модель обеспечивает снижение напряжений путем исключения концентраторов напряжений в конструкции разрезного пустотелого диска, что в результате позволяет решить проблему повышения длительной прочности конструкции разрезного пустотелого диска в процессе эксплуатации при сохранении условия снижения массы диска.