Uprawniony z patentu: Eduard Grigorievch Bulavin, Jury Evgenievich Sljusarev, Zaporoze (Zwiazek Socjalistycznych Republik Radzieckich) Stojan wielostopniowej maszyny wirnikowej Przedmiotem wynalazku jest stojan wielostopniowej maszyny wirnikowej. Przedmiot wynalazku znajduje zastosowanie zwlaszcza jako podzespól w osiowych sprezarkach i turbinach silników gazowo-turbinowych.Znane sa stojany wielostopniowych sprezarek, które zawieraja kadlub sprezarki, z umieszczonymi we¬ wnatrz niego roboczymi pierscieniami kilku stopni, wewnatrz których obracaja sie robocze lopatki, oraz z me- chamizmami prowadniczymi tych stopni/posiadajacymi nieruchome lopatki, polaczone z zewnetrznymi pierscie¬ niami.Mechanizmy prowadnicze sa podzielone w plaszczyznie srednicowej.W znanych stojanach robocze pierscienie i zewnetrzne pierscienie mechanizmów prowadniczych sa ze soba polaczone w ten sposób, ze ich wewnetrzne powierzchnie tworza ciagly, bez wystepów obrys, ograniczajacy droge powietrza, zewnetrzne zas powierzchnie tych pierscieni sa wspólsrodkowe.Zewnetrzny pierscien mechanizmu prowadniczego kazdego stopnia posiada na kazdej czolowej stronie zgrubienie, umieszczone wzdluz obwodu pierscienia. Zgrubienia na czolowej stronie zewnetrznego pierscienia, zwróconego do roboczego pierscienia jednoimiennego stopnia stanowi przedluzenie zewnetrznej powierzchni pierscienia, a zgrubienie na drugiej czolowej stronie zewnetrznego pierscienia, zwróconego do roboczego pierscie¬ nia sasiadujacego stopnia, stanowi przedluzenie jego wewnetrznej powierzchni. Roboczy pierscien kazdego stop¬ nia posiada na kazdej czolowej stronie kanalik, umieszczony wzdluz obwodu roboczego pierscienia, który kanalik otacza zgrubienie.Wada znanego stojana jest to, ze robocze pierscienie wewnatrz których wiruja z niewilkim luzem robocze lopatki, odbieraja sile obwodowa, powstajaca od tarcia porywanego przez lopatki powietrza o wewnetrzna powierzchnie pierscienia. Ponadto w znanych stopniach lopatki maja tendencje do zaczepiania o powierzchnie roboczego pierscienia, wskutek czego powstaje dodatkowa sila obwodowa, która sumujac sie z pierwsza usiluje obrócic pierscien. Obracanie pierscienia wywoluje wskutek tarcia o korpus statora dodatkowe wydzielanie cie¬ pla, które prowadzi do deformacji samego pierscienia i korpusu. Powoduje to koniecznosc ustalenia pierscienia roboczego w kierunku obwodowym.Mechanizmy prowadnicze kazdego stopnia, których nieruchome lopatki znajduja sie w strefie przemiesz¬ czajacego sie strumienia powietrza, odbieraja dzialanie sily stanowiacej sume wszystkich aerodynamicznych sil,2 78481 dzialajacych na kazda lopatke z osobna. Sila ta posiada osiowa i obwodowa skladowa. Osiowa skladowa prze¬ mieszcza mechanizm prowadniczy wzdluz jego podluznej osi, obwodowa zas — obraca mechanizm prowadniczy wokól osi. Osiowa skladowa skierowana jest przeciwlegle do ruchu strumienia powietrza w sprezarce i jest przekazywana w znanym stojanie kolejno przez wszystkie robocze pierscienie i mechanizmy prowadnicze od ostatniego stopnia do stopnia pierwszego i dalej na korpus sprezarki. Obwodowa skladowa w opisywanym przykladzie jest przekazywana kolejno przez styki robocze pierscienia pierwszego stopnia do zewnetrznego pierscienia mechanizmu prowadniczego pierwszego stopnia, dalej, do roboczego pierscienia drugiego stopnia i tak dalej do roboczego pierscienia ostatniego stopnia, a z niego na korpus.Przekazywana sila obwodowa wzrasta przy tym ciagle od pierwszego stopnia az do ostatniego. Na ostatnim stopniu sila ta stanowi sume wszystkich sil, dzialajacych na roboczy pierscien i mechanizm prowadniczy kazde¬ go stopnia. Przekazywanie sily obwodowej o odpowiedniej wielkosci na kazdym styku odbywa sie za pomoca trzpieni, z których kazdy jest wcisniety jednym koncem w jedno z czól zewnetrznego pierscienia mechanizmu V prowadniczego, a drugi koniec wchodzi w otwór wykonany na czolowej stronie roboczego pierscienia.Ilosc trzpieni na kazdym styku okresla sie w zaleznosci od wielkosci przekazywanej sily obwodowej.Taki sposób przekazywania sily obwodowej pomiedzy roboczymi pierscieniami i zewnetrznymi pierscie¬ niami mechanizmów prowadniczych posiada nastepujace niedogodnosci: istnienie zdwojonego osiowania na styku roboczego pierscienia i zewnetrznego pierscienia mechanizmu prowadniczego: trzpienia i zgrubienia, centrujacych kazdy we wszystkich kierunkach — wywoluje dodatkowe naprezenia w trzpieniu i jego osadzeniu w zewnetrz¬ nym pierscieniu mechanizmu prowadniczego. Poniewaz czesci na styku odznaczaja sie wysoka miejscowa sztywnoscia, naprezenia te moga byc wielkie. Z drugiej strony, istnienie na styku kilku trzpieni wymaga ich dokladnego rcumieszczenia tak w kierunku promieniowym jak i obwodowym, a takze dokladnego rozmieszcze¬ nia otworów na roboczym pierscieniu, w przeciwnym bowiem wypadku, z przyczyn wyzej wymienionych, pow¬ staja w trzpieniach i ich osadzeniach dodatkowe naprezenia montazowe. Obniza to znacznie niezawodnosc i dlu¬ gowiecznosc stojana. Przy rozmieszczeniu trzpieni i otworów z róznym odchyleniem w stosunku do podzialki, rózne trzpienie beda odbieraly odmienne wisi kosci sil obwodowych. Stad wymóg dokladnego rozmieszczenia trzpieni i otworów czyni ten styk niedostatecznie latwym do wykonania, co podwyzsza koszt wykonania tego zespolu.Glebokosc osadzenia trzpieni w zewnetrznym pierscieniu mechanizmu prowadniczego jest odwrotnie pro¬ porcjonalna do naprezen powstajacych w zaglebionej czesci trzpienia i w materiale otaczajacym. Inaczej mówiac, w rozpatrywanym przykladzie szerokosc miejsc osadzenia trzpieni w zewnetrznym pierscieniu mechanizmu pro¬ wadniczego musi byc wieksza, co powoduje zwiekszenie ciezaru stojana.Znane sa stojany, w których próbowano zwiekszyc niezawodnosc i dlugowiecznosc stojanów na drodze obnizenia naprezenia w elementach laczacych roboczych pierscieni i zewnetrznych pierscieni mechanizmów pro¬ wadniczych.Stojan sprezarki wielostopniowej obejmuje korpus sprezarki z rozmieszczonymi wewiatrz niego roboczymi pierscieniami kilku stopni, wewnatrz których wiruja robocze lopatki, oraz mechanizmami prowadniczymi tych stopni z nieruchomymi lopatkami, polaczonymi z zewnetrznymi pierscieniami.W znanym stojanie zewnetrzne pierscienie mechanizmów prowadniczych sa polaczone ze soba w ten spo¬ sób, ze ich wewnetrzne plaszczyzny tworza ciagly, bez wystepów obrys, ograniczajacy droge powietrza, zas zewnetrzne powierzchnie tych pierscieni sa wspólsrodkowe.Zewnetrzny pierscien mechanizmu prowadniczego kazdego stopnia posiada po kazdej czolowej stronie wystepy. Roboczy pierscien kazdego stopnia posiada po kazdej czolowej stronie wkleslosci. Przy polaczeniu roboczego pierscienia i zewnetrznego pierscienia mechanizmu prowadniczego tworzy sie zwykle prostozebne rowkowe polaczenie.Ogólnie wiadomo, ze w takim polaczeniu, z powodu znacznej powierzchni styku zebów i ich duzej sztywnosci w kierunku dzialania sily, przy przekazywaniu sily obwodowej powstaja w plaszczyznie styku i pod¬ stawie zeba niewielkie naprezenia. Jednakze takie rozwiazanie stojana nie jest latwe do wykonania, gdyz wyko¬ nanie wiekszej ilosci wystepów w jednej czesci i zaglebien w drugiej czesci jest pracochlonne i drogie. Tojeszcze bardziej poteguje sie koniecznoscia dokladnego wykonania wymienionych elementów.Znany jest takze stojan sprezarki wielostopniowej, który zawiera korpus sprezarki z umieszczonym we¬ wnatrz niego roboczym pierscieniem kazdego stopnia, wewnatrz którego wiruja robocze lopatki, oraz mecha¬ nizmem prowadniczym kazdego stopnia z nieruchomymi lopatkami. Mechanizm prowadniczy jest rozdzielony w plaszczyznie srednicowej. Zewnetrzny pierscien mechanizmu prowadniczego kazdego stopnia posiada kanalik umieszczony na obwodzie zewnetrznego pierscienia. Roboczy pierscien kazdego stopnia posiada na kazdej czolo¬ wej stronie polozone wzdluz obwodu zgrubienie, obejmowane przez kanalik zewnetrznego pierscienia. Tego78481 3 rodzaju polaczenie zewnetrznego pierscienia mechanizmu prowadniczego z roboczym pierscieniem ogranicza ich wzajemne promieniowe przemieszczenie. Zgrubienie roboczego pierscienia posiada promieniowe wystepy, a ze¬ wnetrzny pierscien mechanizmu prowadniczego posiada promieniowe zaglebienia, w które wchodza promienio¬ we wystepy. Tego rodzaju polaczenie zewnetrznego pierscienia mechanizmu prowadniczego z roboczym pierscie¬ niem ogranicza obwodowe przemieszczenie roboczego pierscienia wzgledem zewnetrznego pierscienia.Promieniowe wystepy sluza jednoczesnie do centrowania roboczych pierscieni w korpusie.Przekazywanie sil obwodowych w opisywanym przykladzie nastepuje kolejno przez styki roboczego piers¬ cienia pierwszego stopnia do zewnetrznego pierscienia mechanizmu prowadniczego pierwszego stopnia, nastepnie do roboczego pierscienia drugiego stopnia i tak dalej do roboczego pierscienia ostatneigo stopnia a z niego na korpus.Opisane wyzej polaczenie roboczego pierscienia i zewnetrznego pierscienia mechanizmu prowadniczego jest w swej istocie polaczeniem rowkowym.Ogólnie wiadomo, ze w takim polaczeniu przy przekazywaniu sily obwodowej, wskutek znacznej powierz¬ chni styku zebów, a takze ich wielkiej sztywnosci w kierunku dzialania sily, powstaja w plaszczyznie styku i podstawie zeba niewielkie naprezenia. Jednakze wykonanie takiego polaczenia roboczych pierscieni i zewnetrz¬ nych pierscieni mechanizmów prowadniczych jest technologicznie trudne, zas wykonanie promieniowych wystepów na zgrubieniach roboczych pierscieni jest pracochlonne, co podnosi koszt stojana. Z drugiej strony przerywany styk wystepów z korpusem sprezarki przy wystepujacych drganiach, powoduje miejscowe zgniatanie powierzchni korpusu.Celem wynalazku jest stworzenie takiego stojana wielostopniowej maszyny wirnikowej, w którym zostalo¬ by wyeliminowane obwodowe przemieszczenie roboczego pierscienia wzgledem zewnetrznego pierscienia mecha¬ nizmu prowadniczego tak, aby w elementach stojana wystepowaly minimalne naprezenia.Zadanie to zostalo rozwiazane w ten sposób, ze w stojanie wielostopniowej maszyny wirnikowej, zawieraja¬ cym korpus, w którym jest umieszczony mechanizm prowadniczy kazdego stopnia z nieruchomymi lopatkami, zewnetrzny pierscien którego na kazdej czolowej stronie posiada zgrubienie umieszczone wzdluz obwodu wy¬ mienionego pierscienia, oraz roboczy pierscien kazdego stopnia, wewnatrz którego wiruja robocze lopatki, który pierscien jest wyposazony w czlon ograniczajacy obwodowe przemieszczenie roboczego pierscienia wzgledem zewnetrznego pierscienia, posiadajacy na kazdej czolowej stronie kanalik umieszczony wzdluz obwodu robocze¬ go pierscienia i obejmujacy zgrubienie zewnetrznego pierscienia, wedlug wynalazku czlon ograniczajacy wykona¬ ny jest w postaci trzpienia umieszczonego w roboczym pierscieniu w ten sposób, ze jeden jego koniec jest pola¬ czony z zewnetrznym pierscieniem mechanizmu prowadniczego jednoimiennego stopnia, a drugi koniec jest pola- czony z zewnetrznym pierscieniem mechanizmu prowadniczego stopnia sasiadujacego.Jest celowe, aby kazde zgrubienie zewnetrznego pierscienia mechanizmu prowadniczego posiadalo promie¬ niowe wyzlobienia, os kazdego z których, równolegla z osia maszyny wirnikowej, powinna byc zgodna z osia podluzna trzpienia.Pozadane jest, aby roboczy pierscien posiadal otwory do umieszczania trzpieni, podluzna os kazdego z których powinna byc polozona wewnatrz kazdego kanalika.Korzystnie jest, aby srednica trzpienia byla nieco wieksza od szerokosci kanalika.Wykonany w ten sposób stojan zmniejsza naprezenia w jego elementach. Osiaga sie to skutkiem tego, ze trzpien umieszczony w roboczym pierscieniu, z uwagi na umiejscowienie jednego jego konca w otworze zewnetrz¬ nego pierscienia mechanizmu prowadniczego jednoimiennego stopnia i drugiego konca w otworze zewnetrznego pierscienia mechanizmu prowadniczego stopnia sasiadujacego, posiada osadzenie na calej swej dlugosci, lub co najmniej na odcinkach umieszczonych bezposrednio przy jego koncach. To znaczy, ze ta czesc trzpienia, która odbiera sile od sasiadujacego zewnetrznego pierscienia mechanizmu prowadniczego jest kilka razy mniejsza od dlugosci osadzenia trzpienia, lub odstep miedzy odcinkami osadzenia.Ogólnie wiadomo, ze w takim wypadku zarówno w trzpieniu jak i w otworze, w którym jest umieszczony trzpien, powstaja minimalne naprezenia. Z drugiej strony, jezeli os trzpienia znajduje sie wewnatrz kanalika, a srednica trzpienia jest wieksza od szerokosci kanalika, to mimo to, ze trzpien posiada wyzej opisane osadzenie, jego czesci odbierajace sile od mechanizmów prowadniczych, takze okazuja sie byc osadzonymi w materiale roboczego pierscienia dwoma segmentami wzdluz tworzacych. To jeszcze bardziej obniza naprezenie w samym trzpieniu i w roboczym pierscieniu. Poniewaz trzpien wchodzi w wyzlobienie, umieszczone promieniowo w sto¬ sunku do roboczego pierscienia, to w tym kierunku nie wystepuja w nim naprezenia.W zwiazku z majacym miejsce obnizeniem naprezen w elementach stojana nastepuje poprawa niezawod¬ nosci jego pracy.4 78481 Dzieki takiemu wykonaniu stojana, poprawia sie jego technologicznosc, gdyz wykonanie otworów pod trzpienie oraz ich umieszczenie stanowi prosta operacje technologiczna. Wraz z poprawieniem technologicznosci konstrukcji obnizaja sie koszty wykonania stojana/ Ponadto takie wykonanie stojana obniza jego ciezar, gdyz opisane wyzej osadzenie trzpieni pozwala na zmniejszenie zgrubien roboczych pierscieni, w których wykonuje sie otwory do trzpieni, do minimalnych wielkosci.Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykladzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedsta¬ wia schematyczny przekrój osiowy stojana wielostopniowej maszyny wirnikowej wedlug wynalazku, fig. 2 — przekrój osiowy czesci stojana z roboczym pierscieniem i mechanizmem prowadniczym wedlug wyna¬ lazku, w powiekszonej skali, fig. 3 — przekrój III—III fig. 2, w powiekszonej skali.Stojan wielostopniowej maszyny wirnikowej, na przyklad sprezarki, zawiera korpus 1 (fig. 1), w którym jest umieszczony mechanizm prowadniczy 2 kazdego stopnia z nieruchomymi lopatkami 3 i roboczy pierscien 4 kazdego stopnia, wewnatrz którego wiruja robocze lopatki 5. Mechanizm prowadniczy 2 posiada zewnetrzny pierscien 6 ze zgrubieniami 7 na kazdej czolowej stronie, umieszczonymi wzdluz obwodu pierscienia 6.Roboczy pierscien 4 posiada promieniowe kolnierze 8, na kazdym z których sa wykonane kanaliki 9 (fig. 2), umieszczone wzdluz obwodu pierscienia 4. Kanaliki 9 roboczego pierscienia 4 obejmuja zgrubienia 7 zewnetrznego pierscienia 6 mechanizmu prowadniczego 2. Kolnierze 8 posiadaja wspólosiowe otwory 10, w których umieszczone sa trzpienie 11. Zgrubienia 7 posiadaja promieniowe wyzlobienie 12 (fig. 3), os kazdego z których, równolegla z osia maszyny wirnikowej, jest zgodna z podluzna osia trzpienia 11. Trzpienie 11 sa umieszczone w wyzlobieniach 12. Korpus 1 (fig. 1) posiada pierscienie wiodace 13, wedlug których ustawia sie robocze pierscienie 4.Powyzsze zapewnia wzajemne polozenie wewnetrznej powierzchni roboczych pierscieni 4 i zewnetrznych pierscieni 6 mechanizmów prowadniczych 2, tworzacych ciagle ograniczenie drogi powietrza. Kazdy mechanizm prowadniczy 2 stojacy zaraz za roboczym pierscieniem 4 jest przyporzadkowany temu samemu stopniowi, co i wspomniany roboczy pierscien 4. Kazdy roboczy pierscien 4, który znajduje sie zaraz za mechanizmem prowad¬ niczym 2, jest przyporzadkowany kolejno kazoemu stopniowi.W czasie pracy wielostopniowej sprezam, sily obwodowe sa przekazywane od roboczego pierscienia 4 pierwszego stopnia do zewnetrznego pierscienia 6 mechanizmu prowadniczego 2 pierwszego stopnia, dalej do roboczego pierscienia 4 drugiego stopnia i tak dalej do roboczego pierscienia 4 ostatniego stopnia. Roboczy pierscien 4 ostatniego stopnia posiada kolnierz 14, przez który przekazuje sie sumaryczna sile obwodowa za posrednictwem sworzni 15 na korpus 1 sprezarki. Przekazywanie obwodowej sily realizuje sie przez trzpien 11 (fig. 3), powierzchnie 16 wyzlobienia 12 stykajaca sie z trzpieniem 11.Trzpienie 11 posiadaja srednice wieksza od szerokosci kanalika 9, w ten sposób trzpien staje sie sztywniej- szy i otrzymuje wieksza powierzchnie oparcia w roboczym pierscieniu 4, co lacznie z osadzeniem trzpienia 11 w dwóch miejscach, oddalonych od siebie w sporym odstepie, znacznie obniza naprezenia w samym trzpieniu 11 i w materiale otaczajacym roboczego pierscienia 4.Promieniowe wyzlobienia 12 sa szersze od srednicy trzpieni, stad przy skladaniu stojana nie wystepuja naprezenia montazowe w trzpieniu 11 i w roboczym pierscieniu 4, a takze w zewnetrznym pierscieniu 6 mecha¬ nizmu prowadniczego 2 w kierunku obwodowym. Z uwagi na to, ze wyzlobienie 12 umieszczone jest promienio¬ wo, tak wiec i w kierunku promieniowym nie wystepuja montazowe naprezenia we wspomnianych wyzej ele¬ mentach.Poniewaz trzpienie 11 i wyzlobienia 12 sa rozlozone wzdluz obwodu pierscieni nierównomiernie w do¬ puszczalnych granicach tolerancji wykonawczych, to wykazuja one rózne obciazenia przy przekazywaniu sily obwodowej, stad tez wystepuja rózne naprezenia, powstajace w trzpieniach 11 i ich osadzeniu.W celu wyrównania naprezen, powstajacych od sil obwodowych, w róznie rozmieszczonych na obwodzie trzpieniach 11 tylko jedna strona wyzlobienia 12, mianowicie strona robocza, po której wystepuje stykanie sie z trzpieniem 11 w czasie pracy, powinna byc dokladnie rozmieszczona wzdluz obwodu. Takie wykonanie wyzlobienia 12 podnosi jego technologicznosc, gdyz wyzlobienie, posiadajace umieszczona dokladnie jedna strone jest proste w wykonaniu. Jest samo przez sie zrozumiale, ze wszystkie wymienione rozwazania w takim samym stopniu maja zastosowanie do stojana, gdyby trzpienie i kanaliki byly przyporzadkowane zewnetrznym pierscieniom mechanizmów prowadniczych, a otwory i zgrubienia roboczym pierscieniom. PL PL