РОТОР ТУРБОМАШИНЫ
ROTOR OF TURBO-MACHINE

Изобретение относится к области турбостроения и может быть использовано при проектировании, например, газотурбинных установок.
Конструкции роторов турбомашин подразделяются на роторы дискового, барабанного и смешанного типа (см. Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. М.: Машиностроение, 1969, рис.3.06).
Известен ротор турбомашины, содержащий 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 оборотах у 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 ротор турбокомпрессора, содержащий обечайку, торцовые грани которой жестко скреплены с торцовыми крышками, снабженными цапфами, опирающимися на подшипники, при этом внешняя поверхность обечайки снабжена средствами закрепления лопаток (см. Шварц В.А. Конструкции газотурбинных установок. М.: Машиностроение, 1970, рис.121в).
Недостатком известного устройства является невозможность обеспечения высокой окружной скорости, 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 ротор турбомашины, содержащий обечайку, торцовые грани которой жестко скреплены с торцовыми крышками, снабженными цапфами, опирающимися на подшипники, при этом внешняя поверхность обечайки снабжена средствами закрепления лопаток, отличается тем, что соосные вал и обечайка жестко скреплены, по меньшей мере, двумя равноудаленными друг от друга перемычками, выполненными в виде пластин одинаковой толщины, длина которых соответствует длине обечайки, которые ориентированы вдоль продольной оси ротора турбомашины, при этом на сопряжениях с валом и обечайкой толщина перемычек плавно увеличивается к контактируемым с ними поверхностям. При этом вал выполнен полым. Кроме того перемычки ориентированы радиально. Кроме того, участкам сопряжения перемычек с валом и обечайкой придана округлая форма поверхности. При этом средства закрепления лопаток на роторе выполнены в виде замка «елочного» типа.
Кроме того, поперечное сечение обечайки вдоль ее продольной оси выполнено переменным. При этом торцовые крышки дополнительно жестко скреплены по всей площади контакта с обечайкой, валом и перемычками.
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 «…вал и обечайка жестко скреплены, по меньшей мере, двумя равноудаленными друг от друга перемычками, выполненными в виде пластин одинаковой толщины, длина которых соответствует длине обечайки, которые ориентированы вдоль продольной оси ротора турбомашины…» образуют монолитную конструкцию ротора при минимальной массе и массовых моментах инерции ротора турбомашины, обеспечивают равномерное распределение механических напряжений и, тем самым, увеличивают его прочность, радиальную и осевую жесткость.
Признак «…на сопряжениях с валом и обечайкой толщина перемычек плавно увеличивается к контактируемым с ними поверхностям» позволяет уменьшить концентрацию напряжений в зоне перемычек.
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 корпуса 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 зонах примыкания перемычек с валом и обечайкой.
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 проточную часть турбомашины необходимым образом.
Признак «…торцовые крышки дополнительно жестко скреплены по всей площади контакта с обечайкой, валом и перемычками…» позволяет дополнительно повысить прочность и жесткость ротора как в радиальном, так и в осевом направлениях.
На фиг.1 показан поперечный разрез ротора турбомашины, а на фиг.2 - продольный разрез.
На чертежах показаны вал 1, обечайка 2, торцовые крышки 3, цапфы 4, лопатки 5, перемычки 6, формирующие пазы 7 грушевидной формы.
Ротор турбомашины может быть выполнен, например, из стали и содержит соосные вал 1 и обечайку 2, торцовые грани которых жестко скреплены с торцовыми крышками 3, снабженными цапфами 4, опирающимися на подшипники. Вал 1 выполнен полым, а поперечное сечение обечайки 2 вдоль ее продольной оси выполнено переменным. Внешняя поверхность обечайки 2 снабжена средствами закрепления лопаток 5. Средства закрепления лопаток 5 на роторе выполнены в виде замка «елочного» типа. Вал 1 и обечайка 2 жестко скреплены, по меньшей мере, двумя равноудаленными друг от друга перемычками 6, выполненными в виде пластин одинаковой толщины, длина которых соответствует длине обечайки 2, которые ориентированы радиально и вдоль продольной оси ротора турбомашины. При этом на сопряжениях с валом 1 и обечайкой 2 толщина перемычек 3 плавно увеличивается к контактируемым с ними поверхностям. Кроме того, участкам сопряжения перемычек 6 с валом 1 и обечайкой 2 придана округлая форма поверхности. При этом торцовые крышки 3 дополнительно жестко скреплены по всей площади контакта с обечайкой 2, валом 1 и перемычками 6.
Ротор турбомашины изготавливают в следующем порядке. Заготовку в виде цилиндра, который может иметь внутреннее отверстие, подвергают механической обработке с целью формирования пазов 7 грушевидной формы, например, сверлением с последующим фрезерованием. Торцовые крышки 3 с цапфами 4 крепят к торцам ротора, например, вакуумно-диффузионной сваркой. На наружной поверхности внешнего цилиндра фрезеруют пазы, например, в виде замка «елочного типа» для установки и крепления лопаток 5, в которые устанавливают лопатки 5.
Турбомашина работает следующим образом. При вращении ротора в подшипниках корпуса турбомашины в вале 1, обечайке 2 и перемычках 6 возникают напряжения от центробежных сил и они тем больше, чем выше частота вращения ротора. Продольные перемычки 6 и вал 1 разгружают обечайку 2 от действия центробежных сил и, тем самым, снижают эквивалентные напряжения в роторе. При отсутствии центрального отверстия в вале 2 напряжения минимальны (отсутствует эффект «булавочного укола»). Профилируя соответствующим образом перемычки 6, можно уменьшить массу ротора почти в два раза (при полом вале) при незначительном снижении прочности ротора по сравнению со сплошным цельнокованым ротором.