RU2030600C1

RU2030600C1 - Metal ceramic rotor for turbo compressor

Info

Publication number: RU2030600C1
Authority: RU
Original assignee: Некрасов Валерий Владимирович; Васильев Алиаскар Константинович; Шанин Сергей Николаевич; Кохан Анатолий Андреевич
Priority date: 1991-03-11
Filing date: 1991-03-11
Publication date: 1995-03-10

Abstract

FIELD: gas turbine engine engineering. SUBSTANCE: conical journal 2 of ceramic turbine 1 is arranged in the space defined by bore of sleeve 5 of metal shaft 4 of compressor 5. The sleeve and journal are interconnected with bayonet joint formed by projections and hollows. Metal stop ring 10 having radial recesses 14 on face 13 is secured inside the sleeve by pins 11. The overrunning thrust clutch is formed by race 16 with rolling bodies and recess 14 on pin 2 and disk 10. The centering conjugated surfaces 19,20 of journal 2 and sleeve 5 can be spherical. The torque is transmitted from turbine 1 to compressor 3 through rolling bodies 15 and pins 11. EFFECT: enhanced reliability. 5 dwg

Description

Изобретение относится к турбостроению, в частности к керамическим газотурбинным двигателям с металлокерамическим ротором. The invention relates to turbine construction, in particular to ceramic gas turbine engines with a ceramic-metal rotor.

Известна конструкция металлокерамического ротора, описанная в патенте США N 4778345. Ротор содержит керамический диск турбины с цапфой и металлическое колесо компрессора с валом, торец которого жестко соединен с торцом керамической цапфы турбины диффузионной сваркой. Недостатком ротора является низкая надежность сварочного соединения валов. A known design of a ceramic-metal rotor described in US patent N 4778345. The rotor contains a ceramic turbine disk with a pin and a metal compressor wheel with a shaft, the end of which is rigidly connected to the end of the ceramic journal of the turbine by diffusion welding. The disadvantage of the rotor is the low reliability of the welding connection of the shafts.

Известна также конструкция шлицевого соединения соосных валов и способ их центрирования (Орлов П. И. Основы конструирования. М., Машиностроение, 1977 г. т. 2, с. 270-280). В указанном аналоге один из валов снабжен пазами, расположенными на конце вала, а другой вал снабжен соответствующими пазам выступами. Недостаток аналогов состоит в том, что они не могут быть использованы для соединения металлического вала с керамическим из-за возникновения на зубьях шлицевого соединения больших напряжений изгиба снижающих надежность соединения валов. Also known is the design of the splined joint of the coaxial shafts and the method of centering them (P. Orlov. Fundamentals of Design. M., Mechanical Engineering, 1977, vol. 2, pp. 270-280). In this analogue, one of the shafts is provided with grooves located at the end of the shaft, and the other shaft is provided with protrusions corresponding to the grooves. The disadvantage of analogues is that they cannot be used to connect a metal shaft with a ceramic one due to the appearance of large bending stresses on the teeth of the spline connection, which reduce the reliability of the connection of the shafts.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является конструкция металлокерамического ротора турбокомпрессора (патент США N 4639194). В прототипе ротор содержит металлокерамический вал компрессора с торцевой проточкой и керамический диск рабочего колеса турбины с конической цапфой, установленной в проточке металлического вала. В прототипе не обеспечивается высокой точности центрирования валов особенно во время работы на переходных режимах. The closest technical solution adopted for the prototype is the design of the cermet rotor of the turbocharger (US patent N 4639194). In the prototype, the rotor comprises a ceramic-metal compressor shaft with an end groove and a ceramic disk of the turbine impeller with a conical pin mounted in the groove of the metal shaft. The prototype does not provide high precision centering of the shafts, especially during operation in transient conditions.

В предлагаемом техническом решении ставится задача повышения точности центрирования валов. In the proposed technical solution, the task is to increase the accuracy of centering the shafts.

Поставленная задача решается за счет того, что ротор снабжен обгонной упорной муфтой и металлическим упорным диском, установленным в полости проточки металлического вала и закрепленным на ее стенках радиальными штифтами. Кроме того внутренняя, обращенная к цапфе диска турбины, поверхность проточки выполнена конической, и на наружной поверхности цапфы выполнены выступы, а на обращенной к ней поверхности проточки - ответные им пазы, причем цапфа соединена со стенками проточки байонетно. Обгонная муфта выполнена в виде равномерно расположенных по окружности сегментных выточек, образующих совместно пазы, выполненные на обращенных друг к другу поверхностях упорного диска и торцевой поверхности цапфы, размещенных в пазах тел вращения. The problem is solved due to the fact that the rotor is equipped with an overrunning thrust clutch and a metal thrust disk installed in the cavity of the groove of the metal shaft and mounted on its walls with radial pins. In addition, the inner surface of the groove of the turbine disk is conical, and protrusions are made on the outer surface of the trunnion, and grooves are provided on the surface of the groove facing it, and the trunnion is connected bayonetally to the walls of the groove. The overrunning clutch is made in the form of segmented grooves evenly spaced around the circumference, forming joint grooves made on the surfaces of the thrust disc and the end surface of the axle facing each other, located in the grooves of the bodies of revolution.

На фиг. 1 показан общий вид устройства; на фиг. 2 - устройство шлицевого байонетного соединения полувалов ротора; на фиг. 3 - устройство для крепления тел вращения обгонной упорной муфты; на фиг. 4 - схема соединения сферической цапфы турбины с полувалом компрессора; на фиг. 5 - условная развертка по окружности одного из возможных вариантов соединения полувалов и схема распределения в нем усилий при передаче крутящего момента от турбины. На фиг. 1 полувалы турбины и компрессора, а также упорное кольцо заштрихованы на половину. In FIG. 1 shows a general view of the device; in FIG. 2 - a device for splined bayonet connection of the rotor half shafts; in FIG. 3 - a device for mounting bodies of rotation of an overrunning thrust clutch; in FIG. 4 is a diagram of a connection of a spherical journal of a turbine with a compressor half shaft; in FIG. 5 - conditional scan around the circumference of one of the possible options for connecting the half-shafts and the distribution scheme of the forces in it when transmitting torque from the turbine. In FIG. 1 half-shafts of the turbine and compressor, as well as the thrust ring, are half shaded.

Турбокомпрессор содержит колесо 1 керамической турбины с цапфой (полувалом) 2, колесо 3 компрессора с металлическим валом (полувалом) 4, снабженным на конце расточкой, образующей полый стакан 5 с боковыми цилиндрическими стенками 6, торцом 7 и упорным на выходе буртом 8. Между торцом 9 цапфы 2 и торцом (донышком) 7 стакана 6 расположен упорный диск 10, жестко закрепленный штифтами 11 в стенках 6. Между торцом 7 и диском 10 может быть заведено установочное упорное разъемное кольцо 12. На торцевых упорных поверхностях 13 и 9 диска 10 и цапфы 2 выполнены радиальные сегментные выточки (кружала) 14, в которых расположены тела вращения 15 (например, сферические, цилиндрические или конические тела, выполненные из керамики или металла). Тела 15 могут быть закреплены в обойме 16, включающей радиальные стержни 17. Вал 4 компрессора может быть снабжен осевыми отверстиями 18 для подвода воздуха от напорной полости компрессора (на фиг. не показано) в полость А, расположенную между донышком 7 и диском 10. В бурте 8 стакана 6 и на периферии цапфы 2 образованы выступы 21, 22 и конгруэнтные пазы 23, 24. Обойма 16 может быть выполнена в виде диска 25 с осевым центрирующим отверстием 26 и радиальными стержнями 17, снабженными на концах упорными головками 27. В этом случае диск 10 должен быть снабжен осевым центрирующим выступом (на фиг. не показан). Сопряженные поверхности 19 и 20 цапфы 2 турбины и стакана 5 могут быть выполнены сферическими. The turbocompressor comprises a ceramic turbine wheel 1 with a pin (half shaft) 2, a compressor wheel 3 with a metal shaft (half shaft) 4, provided at the end with a bore forming a hollow glass 5 with cylindrical side walls 6, end 7 and an outlet shoulder 8. 9 axles 2 and the end (bottom) 7 of the glass 6, there is a thrust disk 10, rigidly fixed with pins 11 in the walls 6. Between the end 7 and the disk 10 can be installed mounting thrust split ring 12. On the end thrust surfaces 13 and 9 of the disk 10 and the axle 2 made radial segmented recesses (circles) 14 in which the bodies of revolution 15 are located (for example, spherical, cylindrical or conical bodies made of ceramic or metal). The bodies 15 can be fixed in a ferrule 16, including radial rods 17. The compressor shaft 4 can be provided with axial holes 18 for supplying air from the pressure cavity of the compressor (not shown in Fig.) To the cavity A located between the bottom 7 and the disk 10. B the collar 8 of the cup 6 and protrusions 21, 22 and congruent grooves 23, 24 are formed on the periphery of the axle 2. The holder 16 may be made in the form of a disk 25 with an axial centering hole 26 and radial rods 17 provided with stop heads 27 at the ends. In this case the disk 10 must be provided with an axial entriruyuschim protrusion (Fig. not shown). The mating surfaces 19 and 20 of the axle 2 of the turbine and the glass 5 can be made spherical.

Предложенное устройство может быть выполнено и в более простом исполнении узла соединения полувалов турбины и компрессора (фиг. 5). В такой конструкции соединение выполнено в виде торцевой храповой муфты и на торцевых поверхностях 7 и 9 полувалов 4, 2 выполнены расположенные по периферии наклонные упоры 28, 29, контактирующие между собой по наклонным поверхностям 30, 31. На последних при вращении по стрелке "С" и передаче крутящих моментов обозначены нормальные силы Р_н и составляющие Р_о, под воздействием которых осуществляют прижатие поверхностей 19, 20 друг к другу.The proposed device can be performed in a simpler version of the node connecting the half-shafts of the turbine and compressor (Fig. 5). In such a design, the connection is made in the form of an end ratchet clutch and on the end surfaces 7 and 9 of the half-shafts 4, 2, inclined stops 28, 29 located on the periphery are made, contacting each other along the inclined surfaces 30, 31. On the latter, when rotating along the arrow “C” and transmission of torques the normal forces P _n and the components P _{o are indicated} , under the influence of which the surfaces 19, 20 are pressed against each other.

Монтаж металлокерамического ротора турбокомпрессора осуществляют следующим образом. На упорном кольце 10 соосно крепят обойму 16 с телами 15 и затем их совместно вводят в пазы 23 бурта 8 стакана 5 (фиг. 2, а). После этого цапфу 2 совместно с кольцом 10 и обоймой 16 проворачивают и совмещают выступы 22 и 21 байонетного соединения (фиг. 2, в). В таком положении устанавливают упорное кольцо 12 (или клинья), создают расчетные напряжения сжатия между телами качения 15 и поверхностями 14 цапфы 2 и кольца 10. После этого кольцо 10 штифтами 11 жестко крепят в стакане 5. Installation of a ceramic-metal rotor of a turbocompressor is carried out as follows. On the thrust ring 10 coaxially fasten the cage 16 with the bodies 15 and then they are jointly inserted into the grooves 23 of the shoulder 8 of the glass 5 (Fig. 2, a). After that, the pin 2 together with the ring 10 and the cage 16 is rotated and combine the protrusions 22 and 21 of the bayonet connection (Fig. 2, c). In this position, set the thrust ring 12 (or wedges), create the calculated compressive stress between the rolling bodies 15 and the surfaces 14 of the axle 2 and the ring 10. After that, the ring 10 with pins 11 is rigidly fixed in the glass 5.

Предложенная конструкция работает следующим образом. В холодном состоянии ротора, т. е. в начальный момент пуска турбокомпрессора, поверхность 19 цапфы плотно без зазоров за счет монтажных напряжений сжатия прижата к конической поверхности 20 бурта 8 стакана 5. Именно за счет этого, в период пуска турбокомпрессора обеспечивается соосность полувалов 4 и 2 компрессора и турбины. После запуска в процессе работы турбокомпрессора происходит нагрев цапфы 2, стакана 5 и вала 4, при этом в результате различного расширения металла и керамики между поверхностями 19 и 20 может образоваться радиальный зазор. Однако при передаче крутящего момента от турбины 1 к колесу 3 компрессора в результате взаимодействия тел качения 15 с выточками 14 диска 10 и цапфы (выступы 28, 29, фиг. 5) возникают осевые усилия Р_о, под воздействием которых происходит прижатие поверхностей 19 к поверхностям 20. Таким образом исключается опасность образования радиального зазора в соединении валов и обеспечивается сохранение их соосности при различном расширении металлического стакана 5 и керамической цапфы 2.The proposed design works as follows. In the cold state of the rotor, that is, at the initial moment of starting the turbocharger, the trunnion surface 19 is tightly without gaps due to mounting compression stresses pressed against the conical surface 20 of the shoulder 8 of the cup 5. It is due to this that the alignment of the half-shafts 4 and 2 compressors and turbines. After starting up the turbocharger during operation, the pin 2, cup 5 and shaft 4 are heated, and a radial clearance may form between surfaces 19 and 20 as a result of various expansion of metal and ceramics. However, when the torque is transmitted from the turbine 1 to the compressor wheel 3 as a result of the interaction of the rolling elements 15 with the recesses 14 of the disk 10 and the journal (protrusions 28, 29, Fig. 5), axial forces P _o arise, under the influence of which the surfaces 19 are pressed against the surfaces 20. This eliminates the risk of a radial clearance in the connection of the shafts and ensures their coaxiality with different expansion of the metal cup 5 and ceramic pin 2.

Крутящий момент передается через штифты 11. При частоте вращения турбокомпрессора в диапазоне 50-100000 об/мин величина крутящего момента (М_кр) и осевое усилие Р_о становятся незначительными. Для увеличения осевого усилия от диска 10 на тела качения 15 полость "А" сообщают с напорной полостью компрессора. В этом случае диск 10 и стакан 5 работают как поршневая пара и за счет проточек воздуха через неплотности охлаждается металлический стакан 5.The torque is transmitted through the pins 11. At a turbocharger speed of 50-100000 rpm, the magnitude of the torque (M _cr ) and axial force P _about become insignificant. To increase the axial force from the disk 10 on the rolling elements 15, the cavity "A" is communicated with the pressure cavity of the compressor. In this case, the disk 10 and the cup 5 operate as a piston pair and, due to air leaks through leaks, the metal cup 5 is cooled.

При передаче крутящего момента на трех и более телах качения 15 могут возникнуть неодинаковые осевые усилия, что приведет к возникновению концентраций напряжений в керамической цапфе. При использовании в соединении сферических поверхностей 19 и 20 за счет поворота относительно друг друга обеспечивается равномерное распределение осевых усилий по телам качения. When transmitting torque on three or more rolling bodies 15, unequal axial forces can occur, which will lead to stress concentrations in the ceramic journal. When used in the connection of spherical surfaces 19 and 20 due to rotation relative to each other, a uniform distribution of axial forces across the rolling bodies is ensured.

Преимущество изобретения по сравнению с прототипом заключается в том, что в роторе с уравновешенными осевыми усилиями, несмотря на различное тепловое расширение металлического и керамического полувалов компрессора и турбины, на всех рабочих режимах обеспечивается прижатие друг к другу центрирующих конических поверхностей, при этом исключается опасность появления в соединении радиальных зазоров и сохраняется соосность полувалов. The advantage of the invention compared with the prototype is that in the rotor with balanced axial forces, despite the different thermal expansion of the metal and ceramic half-shafts of the compressor and the turbine, in all operating modes the centering conical surfaces are pressed against each other, while eliminating the risk of connection of radial gaps and coaxiality of half-shaft remains.

Claims

METAL-CERAMIC TURBO COMPRESSOR ROTOR, comprising a compressor metal shaft with an end groove and a ceramic disk of a turbine impeller with a conical pin mounted in the shaft groove, characterized in that, in order to improve the alignment of the shafts, the rotor is equipped with an overrunning stop clutch and a metal stop disc installed in the cavity of the groove and fixed on its walls with the help of radial pins, the inner surface of the groove facing the trunnion is made conical, on the outer surface of the trunnions The protrusions are made, and on the surface of the groove facing it, the grooves corresponding to them, the trunnion is connected bayonetally to the walls of the groove, and the overrunning clutch is made in the form of segmented grooves evenly spaced around the circumference, forming joint grooves made on the surfaces of the thrust disc facing one another and end surface of the journal and placed in the grooves of the bodies of revolution.