Узел крепления рабочего колеса высокооборотной турбомашины на валу

Полезная модель относится к турбомашиностроению (компрессоростроению, турбиностроению, насосостроению и вентиляторам) и может быть преимущественно использована в турбинных ступенях, в частности, турбодетандерного типа, а также в установках, предназначенных для экспериментальных исследований аэродинамической эффективности рабочих колес и ступеней турбомашин.
Из уровня техники известен способ и покрывающий элемент для защиты рабочего колеса от повреждений (см. патент РФ № 2548214, опубл. 20.04.2015 по классу МПК F04D 29/28). Покрывающий элемент содержит съемную основную часть, имеющую первую поверхность, вторую поверхность, противоположную первой поверхности и выполненную так, что она соответствует передней поверхности рабочего колеса компрессора, и переднюю часть, покрывающую всю переднюю часть рабочего колеса компрессора, и крепежное приспособление, присоединенное к съемной основной части и выполненное с возможностью крепления покрывающего элемента к рабочему колесу компрессора. Покрывающий элемент является сменным. К недостаткам следует отнести отсутствие возможности обеспечивать прочностную надежность покрывной части рабочего колеса в случае выполнения покрывающего элемента из полимерных материалов при сильном понижении температуры рабочего тела на входе в турбомашину (центробежный компрессор) вследствие наличия концентраторов (отверстий) в конструкции покрывного диска; отсутствие возможности существенного изменения геометрии пластмассовой покрывной части и самого рабочего колеса при вариантных испытаниях турбомашины.
Известен узел крепления рабочего колеса насоса на валу (см. патент РФ № 2293884, опубл. 20.02.2007 по классу МПК F04D 29/20). Узел крепления рабочего колеса насоса на валу содержит обтекатель, в котором соосно с валом насоса выполнено гладкое отверстие для центрального винта, своей головкой замыкающего поверхность обтекателя, а на торце которого, предназначенном для взаимодействия с ведущим диском рабочего колеса, выполнен фиксирующий кольцевой выступ, предназначенный для сопряжения своей наружной радиальной поверхностью с ответной поверхностью стенки выполненного в ведущем диске рабочего колеса аксиального углубления, отличающийся тем, что фиксирующий кольцевой выступ на торце обтекателя и аксиальное углубление в ведущем диске рабочего колеса выполнены с возможностью относительного осевого смещения указанных торца и диска, резьбовое отверстие для центрального винта выполнено в торце вала насоса, снабжен фланцем, охватывающим центральный винт и предназначенным для сопряжения с ответной поверхностью торца вала насоса с помощью винтового соединения, у которого резьбовые отверстия выполнены в торце вала насоса, а гладкие - в указанном фланце, на стержне винта под его головкой выполнен радиальный выступ с возможностью осевого упругого взаимодействия с указанным фланцем при деформации указанного радиального выступа. В качестве материала рабочего колеса ГЦН АЭС традиционно используется нержавеющие стали типа 10Х18Н9Т (Митенков Ф.М., Будов В.М. Новинский Э.Г. Главные циркуляционные насосы АЭС. – М.: Энергоатомиздат. 1990). Заявленная конструкция узла требует только вертикального расположения оси вала насоса, а также ограничение по возможности крепления рабочих колес различной геометрии. Необходимо значительное количество комплектующих элементов узла крепления рабочего колеса; невозможность применения в узле рабочего колеса, изготовленного из пластмассы.
Из патента РФ № 62177, опубл. 27.03.2007 по классу МПК F04D 29/20, известен узел крепления рабочего колеса на валу, содержащий рабочее колесо с продольным пазом по поверхности центрального отверстия, шпонку, вал, гайку и контргайку. Рабочее колесо дополнительно прижимают к упору гайкой и прижимают контгайкой. Узел соединения отличается тем, что рабочее колесо в области ступицы имеет существенный концентратор напряжения около шпоночного паза. Узел крепления не может быть использован в высокооборотных ступенях турбомашин вследствие высокой концентрации напряжений на поверхности центрального отверстия колеса и при низких температурах рабочего тела.
Известна одноразовая стоматологическая турбинная бормашина по патенту РФ № 2531525, опубл. 20.10.2014 по классу МПК A61C 1/05. Полый вал турбины установлен на подшипниках и выполнен из пластмассы. На наружную цилиндрическую поверхность вала надето рабочее колесо турбины - крыльчатка, изготовленная из стали для повышения момента инерции и плавности работы роторного устройства, включающее медицинский бор. Бор выполнен из стали и вставлен во внутреннее отверстие пластмассового ротора турбины. Крыльчатка закреплена по своему внутреннему отверстию на валу с помощью плотной посадки. Плотность посадки обеспечена натягом в системе бор, полый пластмассовый вал, внутреннее отверстие рабочего колеса - крыльчатки.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является узел крепления колеса на валу по патенту РФ № 46821, опубл. 27.07.2005 по классу МПК F04D 29/20. Узел крепления колеса на валу содержит вал с резьбой и уступом, рабочее колесо, навинченное на резьбу вала и распорное приспособление, установленное между уступом вала и торцом рабочего колеса. Распорное приспособление выполнено в виде неразборного кольца, имеющего форму усеченного конуса, на котором со стороны конической поверхности закреплены два или более клина. Узел крепления рабочего колеса на валу отличается тем, что Г-образные клинья выполнены в виде секторов кольца, имеющего форму усеченного конуса и дополнительно содержат радиальные сквозные резьбовые отверстия под болты–съемники. Описанный узел крепления рабочего колеса отличается компактностью и обеспечивает простоту процесса отсоединения-присоединения рабочего колеса к валу; при этом ось вала расположена горизонтально. Конструкция узла соединения предполагает изготовление элементов резьбового соединения рабочего колеса и вала из материалов с одинаковым коэффициентом теплового расширения, например, из стали или из пластмассы.
В настоящее время в турбомашиностроении существует проблема поиска новых материалов, выдерживающих большие нагрузки и обладающих невысокой плотностью и достаточной прочностью, для изготовления вращающихся деталей турбинной установки.
В экспериментальном турбомашиностроении, а также в турбодетандерах и центробежных компрессорах все чаще стали применяться рабочие колеса, изготовленные из полимерных материалов, обладающих высокими эксплуатационными свойствами. Использование рабочих колес, изготовленных из полимерных материалов, при проведении вариантных аэродинамических испытаний турбомашин обусловлено снижением трудоемкости и затрат при смене или замене поврежденных рабочих колес и других деталей.
Одним из методов изготовления таких рабочих колес является селективное лазерное спекание (selective laser sintering, SLS), а также лазерная стереолитография (Stereolithography, SLA). Эти методы позволяют изготовить с высокой точностью рабочие колеса по цифровым моделям с требуемыми параметрами. С помощью перечисленных технологических методов можно получить единую конструкцию рабочего колеса требуемой конфигурации, например, с единым бандажом и при наличии межлопаточных каналов повышенной точности. В этом случае могут быть обеспечены весьма малые безопасные радиальные и осевые зазоры в проточной части ступени, что приводит к повышенному КПД турбомашины. Методы лазерного спекания и лазерной стереолитографии позволяют обеспечить изготовление рабочего колеса заданной оптимальной геометрии в соответствии с расчетными параметрами турбомашины.
Рабочие колеса, изготовленные селективным лазерным спеканием и лазерной стереолитографией из фотополимеров, нередко имеют неровную поверхность в центральной части диска: в области утолщенной втулки рабочего колеса. Неоднородная поверхность утолщенной втулки затрудняет центровку рабочего колеса по внутреннему отверстию диска, за счет чего возникает повышенная вибрация при работе турбомашины.
Задачей заявляемой полезной модели является создание надежного узла крепления рабочего колеса из полимерного материала, на металлическом валу турбомашины, работающей при низких температурах рабочего тела, с возможностью оперативной и не трудоемкой замены рабочего колеса при вариантных аэродинамических испытаниях.
Технический результат – увеличение надежности и срока эксплуатации высокооборотной турбомашины за счет снижения концентрации напряжений в соединяемых вращающихся деталях узла.
Узел крепления рабочего колеса высокооборотной турбомашины на валу, содержащий вал, выполненный с фланцем, рабочее колесо, выполненное в виде диска из фотополимера с центральным отверстием на утолщенной втулке, расположенной со стороны фланца вала, прижимную шайбу, выполненную с буртиком, диаметр которого больше диаметра центрального отверстия в диске рабочего колеса в 2,5-3,0 раза, при этом рабочее колесо закреплено на фланце вала с помощью осевых винтов, расположенных с одинаковым шагом в сквозных отверстиях в утолщенной втулке диска и в прижимной шайбе и ввинченных во фланец вала, причем прижимная шайба расположена на торцевой поверхности рабочего колеса со стороны, противоположной фланцу вала, а наружный диаметр прижимной шайбы больше диаметра фланца вала в 1,2-1,5 раза.
Конструктивные размеры деталей узла крепления были подобраны авторами на основе вариантных прочностных расчетов, а также в результате проведенных экспериментов.
В заявляемой полезной модели рабочее колесо выполнено из фотополимера Accura Xtreme (производство компании «3D Systems») методом лазерной стереолитографии (Stereolithography, SLA) с использованием ультрафиолетового лазера на стереолитографическом принтере 3D Systems iPro9000 (SLA-Stereo Lithography Apparatus; тип: машина послойного синтеза). Accura Xtreme – серый непрозрачный фотополимер, обладающий высокими показателями жесткости и прочности (модуль упругости на растяжение 1790-1980 МПа, модуль упругости при изгибе 1520-2070 МПа), близкий по свойствам к полипропилену и ABS-пластику.
Снижение значительной концентрации напряжений в узле крепления рабочего колеса на валу позволяет расширить диапазон температуры рабочего тела (до -40…-50°С) при эксплуатации турбомашины. Кроме этого, при аэродинамических испытаниях турбомашины в случае значительного повреждения или разрушения ступени турбомашины замене подлежит только рабочее колесо, выполненное из фотополимера.
Полезная модель поясняется чертежами:
- на Фиг. 1 схематично изображен общий вид узла крепления рабочего колеса на валу, где 1 - рабочее колесо, 2 – фланец вала, 3 - стальная прижимная шайба, выполненная с буртиком, 4 - осевой винт, 5 - межлопаточные каналы, 6 – бандажное кольцо, 7 - утолщенная втулка диска рабочего колеса 1;
- на Фиг. 2 представлена фотография рабочего колеса 1, изготовленного с помощью 3D печати (методом SLA).
Крепление рабочего колеса осуществляется следующим образом.
Рабочее колесо 1 крепят к стальному фланцу вала 2 с помощью прижимной шайбы 3 и осевых винтов 4. Осевые прижимные винты 4 выполнены с потайной головкой и расположены с одинаковым шагом в сквозных отверстиях в утолщенной втулке 7 диска рабочего колеса 1 и в прижимной шайбе 3. Осевые прижимные винты 4 ввинчены во фланец вала 2. С помощью прижимной шайбы 3 с буртиком обеспечивается равномерное давление на утолщенную втулку 7 диска и центрирование рабочего колеса 1 на валу. Прижимная шайба 3 с буртиком расположена на торцевой поверхности рабочего колеса 1 со стороны, противоположной фланцу вала 2 и межлопаточным каналам 5. Наружный диаметр прижимной шайбы 3 больше диаметра фланца вала 2 в 1,2 - 1,5 раза.
Равномерно распределенное боковое давление на утолщенную втулку 7 диска рабочего колеса 1, оказываемое осевыми прижимными винтами 4 и прижимной шайбой 3 с буртиком, обеспечивает снижение концентрации напряжений в заявляемом узле крепления, что в свою очередь увеличивает надежность работы высокооборотной турбомашины при увеличении нагрузок на вращающиеся детали, в том числе при повышенных перепадах температуры рабочего тела между входом и выходом из межлопаточных каналов 5. Кроме этого, снижение концентрации напряжений позволяет увеличить срок эксплуатации турбомашины за счет замедления процесса охрупчивания вращающихся деталей.
Заявляемая конструкция узла крепления предусматривает перенос центрирующей поверхности рабочего колеса на максимальный радиус, соответствующий уменьшенной толщине тела диска и определяемый геометрической конфигурацией рабочего колеса. Такой центрирующей поверхностью является цилиндрическая поверхность буртика на шайбе 3 и соответствующая ей цилиндрическая поверхность на рабочем колесе 1. Указанный положительный эффект связан с тем, что в заявляемом узле крепления снижаются негативные последствия возможного охрупчивания (образование и рост микротрещин) полимерного диска рабочего колеса при отрицательных температурах рабочего тела.
Наличие прижимной шайбы 3 устраняет концентрацию напряжений, создаваемую головками осевых винтов 4 в месте их контакта с рабочим колесом 1. Наличие буртика на прижимной шайбе 3 ограничивает радиальное удлинение рабочего колеса 1, возникающее под воздействием центробежных сил, появляющихся при вращении ротора с рабочим колесом.
3
о
о
о
Заявляемая конструкция узла крепления была испытана на стенде высокооборотной турбомашины при наружном диаметре рабочего колеса 93 мм и среднем диаметре межлопаточных каналов 5, равном 86 мм, а также при средней ширине межлопаточных каналов 5, равной 1,6 мм, на скорости вращения от 3000 до 36000 об/мин. Давление рабочего тела (природного газа) на входе в турбомашину составляло величину 0,2…0,3 МПа. Степень понижения давления рабочего тела (природного газа) при прохождении через турбинную ступень составила величину 2…3. Расход рабочего тела (природного газа) через межлопаточные каналы рабочего колеса турбины составил величину 20…60 норм. м/час; температура газа на входе в рабочее колесо турбины ~0С, при этом температура газа на выходе из рабочего колеса турбины составила величину -25С…-30С.
По результатам испытаний КПД высокооборотной турбомашины при номинальной (расчетной) скорости вращения 15000 об./мин обеспечивается надежная работа турбомашины с максимальным КПД, равным 65%, без повреждения вращающихся деталей.