RU2209318C1 - Несущий элемент ротора турбомашины - Google Patents
Несущий элемент ротора турбомашины Download PDFInfo
- Publication number
- RU2209318C1 RU2209318C1 RU2001129520A RU2001129520A RU2209318C1 RU 2209318 C1 RU2209318 C1 RU 2209318C1 RU 2001129520 A RU2001129520 A RU 2001129520A RU 2001129520 A RU2001129520 A RU 2001129520A RU 2209318 C1 RU2209318 C1 RU 2209318C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- shell
- rotation
- rotor
- meridian
- bearing element
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области энергомашиностроения, в частности к роторам турбомашин. Несущий элемент ротора турбомашины содержит оболочку вращения с криволинейной формой меридиана срединной поверхности и одним или несколькими кольцевыми поясами для крепления лопаточных венцов, а также осевым распорным элементом. В зависимых пунктах даны математические формулы для обеспечения условий равнонапряженности оболочки в окружном и меридиональном направлениях под действием центробежных сил. Изобретение позволяет снизить вес, стоимость и повысить надежность ротора при работе с большими окружными скоростями - свыше 250 м/с. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к области энергомашиностроения, в частности к роторам турбомашин.
Известен ротор барабанного типа, содержащий несколько рядов лопаток, закрепленных на барабане, представляющем собой цилиндрическую или близкую к ней оболочку вращения. Барабан изготавливается из поковки и может быть выполнен с кольцевыми ребрами, подкрепляющими оболочку (см. Г.С. Скубачевский. Авиационные газотурбинные двигатели. М.: Машиностроение, 1969, с. 68, 72, рис. 3.18).
Несмотря на то, что известный ротор турбомашины обладает высокой поперечной жесткостью, его недостаток заключается в том, что при сосредоточении основной массы в наиболее нагруженной периферийной части, поддерживаемой только за счет окружных усилий, барабан нельзя использовать в быстроходных роторах. Поскольку размеры ребер ограничены поковкой или технологическими возможностями, окружная скорость на наружном диаметре барабана допускается из условий прочности материала - стали или легких сплавов - не более 180-250 м/с.
Известен составной ротор дискового типа турбомашины, содержащий соединенные с валом специально спрофилированные диски, на периферии которых закреплены рабочие лопатки. Крутящий момент от каждой ступени передается через вал (см. Г.С. Скубачевский. Авиационные газотурбинные двигатели. М.: Машиностроение, 1969, с. 72, рис. 3.19).
Недостатками данного ротора являются относительно небольшая поперечная жесткость вала и как следствие ухудшение динамических характеристик ротора при значительном весе большого количества дисков. Для повышения жесткости ротора необходимо увеличивать диаметр вала, но при этом увеличиваются центральные отверстия дисков, что приводит к снижению их прочности.
Известен дисково-барабанный ротор многоступенчатой турбомашины, содержащий лопатки, закрепленные на дисках, и присоединенную к последним тонкостенную оболочку - часть барабана, обеспечивающую требуемую жесткость ротора (см. Известия Академии инженерных наук Украины. НПП "Машпроект" 45 лет (Сборник статей) Специальное тематическое приложение отделения машиностроения и прогрессивных технологий. Выпуск 1/1999, стр.164, рис.1).
Недостатки известного ротора при окружных скоростях свыше 250 м/с связаны с функциональной перегрузкой дисков, каждый из которых несет не только лопатки, но и поддерживает участки барабана. При большом количестве дисков конструкция характеризуется значительным весом и повышенной стоимостью заготовок. Применение менее дорогостоящих материалов приводит к снижению прочности или росту осевых габаритов дисков. Уменьшение их числа также ведет к увеличению массы дисково-барабанного ротора, так как помимо соответствующего усиления оставшихся дисков возрастает величина пролетов между ними и для обеспечения прочности оболочки, подверженной изгибу центробежными силами, требуется ее существенное утолщение.
Среди аналогов не выявлено прототипа, так как в указанных выше технических решениях оболочки вращения роторов являются, в основном, соединительными элементами для передачи крутящего момента и придания ротору изгибной жесткости, несущая же способность оболочек от действия центробежных нагрузок обеспечена лишь частично, только за счет окружных усилий.
Задача изобретения - снижение веса, стоимости и повышение надежности ротора при работе с большими окружными скоростями - свыше 250 м/с.
Указанный технический результат достигается тем, что несущий элемент ротора турбомашины содержит оболочку вращения с криволинейной формой меридиана срединной поверхности и одним или несколькими кольцевыми поясами для крепления лопаточных венцов, а также осевой распорный элемент оболочки.
Такое выполнение несущего элемента ротора позволяет, отказавшись от стандартных дисков, снизить вес ротора и уменьшить количество дорогостоящих поковок, заменив их раскатными кольцами. Под действием центробежных нагрузок в соосной системе "оболочка - распорный элемент" при достаточной продольной жесткости последнего возникает осевая сила и как следствие в оболочке несущего элемента развиваются меридиональные усилия растяжения, которые совместно с окружными усилиями обеспечивают поддержку собственно оболочки и в конечном счете лопаточных венцов через элементы их крепления в кольцевых поясах - местных утолщениях оболочки.
Меридиан срединной поверхности оболочки несущего элемента может иметь изломы, каждый из которых расположен в пределах одного кольцевого пояса для крепления лопаточного венца или в пределах кольцевой зоны, объединяющей два соседних кольцевых пояса для крепления лопаточных венцов.
Скачкообразное изменение кривизны - излом меридиана оболочки с увеличением его наклона к оси вращения ротора в области кольцевого пояса - месте приложения сосредоточенной нагрузки от лопаточного венца - обеспечивает возрастание поддерживающего эффекта от меридиональных усилий в оболочке и повышение ее несущей способности.
Конструкция несущего элемента ротора может включать развитую в меридиональном сечении кольцевую зону, объединяющую два соседних кольцевых пояса для крепления лопаточных венцов и пересекающую оболочку. В этом случае в оболочке несущего элемента для восприятия нагрузки от двух лопаточных венцов достаточно иметь один излом меридиана срединной поверхности, расположенный в пределах указанной выше кольцевой зоны.
В каждой точке излома меридиана срединной поверхности оболочки несущего элемента ориентация ее участков может определяться выражением:
Q/P = ctgθ +ctgθ ;
где θ и θ - углы между осью вращения и нормалью к срединной поверхности соответственно носового и кормового участков оболочки, пересекающихся на радиусе вращения R;
Q - максимальная при заданной осевой силе Р от распорного элемента величина суммарной радиальной нагрузки от рабочих лопаток, приложенная к поясу их крепления или двум поясам, в пределах которых находится эта точка излома.
Q/P = ctgθ
где θ
Q - максимальная при заданной осевой силе Р от распорного элемента величина суммарной радиальной нагрузки от рабочих лопаток, приложенная к поясу их крепления или двум поясам, в пределах которых находится эта точка излома.
Данное выражение определяет наибольшую из возможных нагрузок на несущий элемент ротора и является условием отсутствия перерезывающих усилий в оболочке в окрестности точки излома меридиана срединной поверхности.
Участки оболочки несущего элемента вне точек излома меридиана ее срединной поверхности могут иметь торообразную форму, а геометрические параметры этих участков при минимальной массе могут определяться выражениями:
sinθ = (R/r)exp[-ρω2(R2-r2)/2σ]sinθR;
h = P/2πrσsinθ,
где R - максимальный радиус вращения срединной поверхности участка оболочки;
r - произвольный радиус вращения на участке срединной поверхности оболочки;
h - толщина оболочки на радиусе r;
θ - угол между осью вращения ротора и нормалью к срединной поверхности оболочки на радиусе r;
ρ - плотность материала;
σ - напряжение, допустимое по условиям прочности;
ω - расчетная частота вращения.
sinθ = (R/r)exp[-ρω2(R2-r2)/2σ]sinθR;
h = P/2πrσsinθ,
где R - максимальный радиус вращения срединной поверхности участка оболочки;
r - произвольный радиус вращения на участке срединной поверхности оболочки;
h - толщина оболочки на радиусе r;
θ - угол между осью вращения ротора и нормалью к срединной поверхности оболочки на радиусе r;
ρ - плотность материала;
σ - напряжение, допустимое по условиям прочности;
ω - расчетная частота вращения.
Данные формулы обеспечивают выполнение условий равнонапряженности и отсутствия изгиба оболочки в окружном и меридиональном направлениях под действием центробежных сил.
Осевой распорный элемент оболочки может быть связан с оболочкой несущего элемента ротора посредством резьбового соединения, что обеспечивает технологичность конструкции при сборке, а также дает возможность удаления подложек сварных швов во внутренней полости после сварки оболочки.
Соединение осевого распорного элемента оболочки с оболочкой может быть и неразъемным, например сварным; при достаточной продольной жесткости, не превышающей собственную жесткость оболочки, не имеет существенного значения и конструктивное исполнение осевого распорного элемента оболочки: стержень постоянного или переменного сечения, цилиндрическая или коническая втулка и т. п. , важно лишь, чтобы ось распорного элемента, упирающегося концами в оболочку, располагалась вдоль оси вращения несущего элемента ротора.
На фиг. 1 изображен несущий элемент ротора турбомашины, меридиональное сечение;
на фиг.2 - узел А на фиг.1.
на фиг.2 - узел А на фиг.1.
Несущий элемент ротора турбомашины содержит оболочку 1 вращения с кольцевыми поясами 2 крепления лопаточных венцов 3, осевой распорный элемент 4 оболочки 1. Для крепления осевого распорного элемента 4 оболочки 1 в распор имеются упоры 5 и 6, последний из которых выполнен с резьбой; в местах упоров оболочка 1 имеет усиления, снижающие концентрацию напряжений. Кольцевая зона 7, объединяющая два кольцевых пояса 2 крепления лопаточных венцов 3, пересекается в меридиональном сечении с оболочкой 1. Элементы 8 и 9 - для передачи крутящего момента в остальные части ротора.
Площадь поперечного сечения осевого распорного элемента 4 оболочки 1 определяется условиями прочности и устойчивости при действии сжимающего усилия Р в продольном направлении, а ось осевого распорного элемента 4 оболочки 1 совпадает с осью вращения несущего элемента. Последний может быть как в единственном числе, так и входить в каскад аналогичных несущих элементов, передавая крутящий момент в остальные части ротора посредством элементов 8 и 9 штифтовых соединений.
На фиг.2 схематично показаны внешние усилия, действующие на секцию оболочки несущего элемента: осевое Р от распорного элемента и суммарная центробежная нагрузка Q от лопаточных венцов и элементов их крепления. Выделенная секция включает носовой (н) и кормовой (к) участки оболочки 1 несущего элемента, сходящиеся на радиусе R соответственно под углами θ и θ к плоскости действия контурной нагрузки Q. Величина θ изменяется в зависимости от радиуса r и определяется углом между нормалью к срединной поверхности и направлением оси вращения X; ориентация вектора задается поворотом по часовой стрелке от указанного выше направления ветвей. Форма оболочки с переменной толщиной h вдоль ее образующей в результате равнопрочного профилирования обеспечивает минимальный вес несущего элемента ротора.
При работе турбомашины оболочка 1 несущего элемента под нагрузкой от лопаточных венцов 3 и собственных центробежных сил стремится растянуться в радиальном и сжаться в осевом направлении. Осевой распорный элемент 4 оболочки 1, обладая продольной жесткостью, существенно превышающей жесткость оболочки, ограничивает деформацию последней, что приводит к возникновению реактивной осевой силы Р в местах упоров 5 и 6 осевого распорного элемента 4 оболочки 1, уравновешивающей соответствующие меридиональные усилия растяжения в оболочке 1 несущего элемента.
Равнопрочное профилирование участков оболочки 1 позволяет обеспечить оптимальную форму меридионального сечения несущего элемента и ориентацию меридиональных усилий в оболочке 1 с поддерживающим эффектом, дополняющим действие окружных усилий и даже соизмеримым с последними.
Claims (5)
1. Несущий элемент ротора турбомашины, содержащий оболочку вращения с криволинейной формой меридиана срединной поверхности и одним или несколькими кольцевыми поясами для крепления лопаточных венцов, а также осевым распорным элементом.
2. Несущий элемент по п. 1, отличающийся тем, что меридиан срединной поверхности оболочки имеет изломы, каждый из которых расположен в пределах одного кольцевого пояса для крепления лопаточного венца или в пределах кольцевой зоны, объединяющей два соседних кольцевых пояса для крепления лопаточных венцов.
3. Несущий элемент по п.2, отличающийся тем, что в каждой точке излома меридиана срединной поверхности оболочки ориентация ее участков определяется выражением
Q/P = ctgθ +ctgθ ,
где θ и θ - углы между осью вращения и нормалью к срединной поверхности соответственно носового и кормового участков оболочки, пересекающихся на радиусе вращения R;
Q - максимальная при заданной осевой силе Р от распорного элемента величина суммарной радиальной нагрузки от рабочих лопаток, приложенная к поясу их крепления или двум поясам, в пределах которых находится эта точка излома.
Q/P = ctgθ
где θ
Q - максимальная при заданной осевой силе Р от распорного элемента величина суммарной радиальной нагрузки от рабочих лопаток, приложенная к поясу их крепления или двум поясам, в пределах которых находится эта точка излома.
4. Несущий элемент по п.3, отличающийся тем, что участки оболочки вне точек излома меридиана ее срединной поверхности имеют торообразную форму, а геометрические параметры этих участков при минимальной массе определяются выражениями:
sinθ = (R/r)exp[-ρω2(R2-r2)/2σ]sinθR;
h = P/2πrσsinθ,
где R - максимальный радиус вращения срединной поверхности участка оболочки;
r - произвольный радиус вращения на участке срединной поверхности оболочки;
ω - расчетная частота вращения;
ρ - плотность материала;
θ - угол между осью вращения ротора и нормалью к срединной поверхности оболочки на радиусе r;
σ - напряжение, допустимое по условиям прочности;
h - толщина оболочки на участке радиуса r.
sinθ = (R/r)exp[-ρω2(R2-r2)/2σ]sinθR;
h = P/2πrσsinθ,
где R - максимальный радиус вращения срединной поверхности участка оболочки;
r - произвольный радиус вращения на участке срединной поверхности оболочки;
ω - расчетная частота вращения;
ρ - плотность материала;
θ - угол между осью вращения ротора и нормалью к срединной поверхности оболочки на радиусе r;
σ - напряжение, допустимое по условиям прочности;
h - толщина оболочки на участке радиуса r.
5. Несущий элемент по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что осевой распорный элемент связан с оболочкой посредством резьбового соединения.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2001129520A RU2209318C1 (ru) | 2001-11-02 | 2001-11-02 | Несущий элемент ротора турбомашины |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2001129520A RU2209318C1 (ru) | 2001-11-02 | 2001-11-02 | Несущий элемент ротора турбомашины |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2001129520A RU2001129520A (ru) | 2003-06-20 |
RU2209318C1 true RU2209318C1 (ru) | 2003-07-27 |
Family
ID=29210775
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2001129520A RU2209318C1 (ru) | 2001-11-02 | 2001-11-02 | Несущий элемент ротора турбомашины |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2209318C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2453708C1 (ru) * | 2010-12-22 | 2012-06-20 | Открытое акционерное общество "Авиадвигатель" | Ротор двухступенчатой турбины |
-
2001
- 2001-11-02 RU RU2001129520A patent/RU2209318C1/ru active
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2453708C1 (ru) * | 2010-12-22 | 2012-06-20 | Открытое акционерное общество "Авиадвигатель" | Ротор двухступенчатой турбины |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4101496B2 (ja) | ファン連結解除ヒューズ | |
US5443590A (en) | Rotatable turbine frame | |
JP6271861B2 (ja) | 捩じり剛性を有するスポーク付き回転子を含む制御モーメントジャイロスコープおよびその製造方法 | |
DK1741940T3 (en) | Barrel-shaped bearing | |
US5628621A (en) | Reinforced compressor rotor coupling | |
US3625634A (en) | Turbomachine rotor | |
JP6189629B2 (ja) | 放射状に適合したスポークを有するロータを含む制御モーメントジャイロスコープ、およびその製造方法 | |
US4784572A (en) | Circumferentially bonded rotor | |
EP0747573B1 (en) | Gas turbine rotor with remote support rings | |
GB2322914A (en) | Gas turbine engine with emergency bearing support | |
US6443701B1 (en) | Blade root for propeller and rotor blades | |
JP2003328988A (ja) | 多段軸流形式の構造のコンプレッサ | |
JP5908608B2 (ja) | ターボシャフトエンジンの高温部の軸受支持体および関連するターボシャフトエンジン | |
US4397609A (en) | Bandage for radially stressing the segments of a compressor rotor for a turbine | |
US5971706A (en) | Inter-rotor bearing assembly | |
US4008000A (en) | Axial-flow rotor wheel for high-speed turbomachines | |
US3519368A (en) | Composite turbomachinery rotors | |
US20080247515A1 (en) | Rotor | |
RU2209318C1 (ru) | Несущий элемент ротора турбомашины | |
US5273401A (en) | Wrapped paired blade rotor | |
JPH05263601A (ja) | オーバースピードでのインペラー応力の改良 | |
US5082424A (en) | Connection system for aircraft propeller blades | |
US20110318185A1 (en) | Lightened Axial Compressor Rotor | |
US4361416A (en) | Rotor for axial-flow turbomachines | |
US20160245087A1 (en) | Rotor stage of axial turbine with improved chord/pitch ratio |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PD4A | Correction of name of patent owner | ||
PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20151109 |
|
PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20190802 |