RU2570087C1

RU2570087C1 - Impeller of rotor of gas turbine engine with dampening of vibration oscillations

Info

Publication number: RU2570087C1
Application number: RU2014134295/06A
Authority: RU
Inventors: Тамара Петровна Коновалова; Андрей Викторович Узбеков; Валерия Андреевна Узбекова
Original assignee: Открытое акционерное общество "Уфимское моторостроительное производственное объединение" ОАО "УМПО"
Priority date: 2014-08-22
Filing date: 2014-08-22
Publication date: 2015-12-10

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: impeller of rotor of gas turbine engine contains the rotor disk with ring groove, in which by means of the shanks the rotor blades, and, at least one lock device are secured. The impeller is equipped with at least one hole, made in the base of the disk groove, and rotor blades are interfaced with each other along the flange ends. The lock device contains lock and lock element with thread and smooth areas, at that the lock element is installed in hole by the smooth area. The lock is made in form of the wedge located in the thread area of the lock element by larger side along direction to the disk axis, and creates wedge joint between the adjacent shanks.

EFFECT: invention ensures minimum dimensions and weight of the rotor at required safety factor, increases endurance of gas turbine engine due to implementation of the dampening system of blades oscillation without use of the additional parts and elements.

4 dwg

Description

Изобретение относится к области турбомашиностроения и, в частности, может быть реализовано в конструкции роторов осевых компрессоров и турбин.The invention relates to the field of turbomachinery and, in particular, can be implemented in the design of rotors of axial compressors and turbines.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявленному изобретению является рабочее колесо ротора газотурбинного двигателя, описанное в пат. DE 1024983 (F01D 5/30, 27.02.1958), включающее диск ротора с кольцевой канавкой, в которой посредством хвостовиков закреплены множество лопаток ротора, и фиксирующие устройства. Контакт между соседними лопатками осуществляется за счет клиновых соединений, количество которых должно совпадать с количеством лопаток, что утяжеляет конструкцию. При этом контакт между элементами рабочего колеса возникает только при вращении ротора во время работы двигателя.The closest in technical essence and the achieved technical result to the claimed invention is the impeller of the rotor of a gas turbine engine, described in US Pat. DE 1024 983 (F01D 5/30, 02.27.1958), comprising a rotor disk with an annular groove in which a plurality of rotor blades are fixed by means of shanks, and fixing devices. The contact between adjacent blades is due to wedge connections, the number of which should coincide with the number of blades, which makes the structure heavier. In this case, contact between the elements of the impeller occurs only when the rotor rotates during engine operation.

Однако в известном решении для обеспечения требуемых запасов прочности при отсутствии демпфирования колебаний лопаток ротор имеет увеличенную массу из-за переразмеренных габаритов и массы хвостовиков лопаток.However, in the known solution to ensure the required safety margins in the absence of damping of the oscillations of the blades, the rotor has an increased mass due to oversized dimensions and the mass of the shanks of the blades.

Задачей настоящего изобретения является снижение вибронапряжений на лопатках. Технический результат - обеспечение минимальных габаритов и массы ротора при требуемых запасах прочности, увеличение ресурса газотурбинного двигателя за счет внедрения системы демпфирования колебаний лопаток без использования дополнительных деталей и элементов.The objective of the present invention is to reduce vibration stresses on the blades. The technical result is the provision of minimum dimensions and mass of the rotor with the required safety margins, an increase in the resource of a gas turbine engine due to the introduction of a damping system for vibration of the blades without the use of additional parts and elements.

Технический результат достигается тем, что в рабочем колесе ротора газотурбинного двигателя содержится диск ротора с кольцевой канавкой, в которой посредством хвостовиков закреплены лопатки ротора, и, по крайней мере, одно фиксирующее устройство. Колесо ротора снабжено, по крайней мере, одним отверстием, выполненным в основании канавки диска, лопатки ротора сопряжены между собой по торцам полок, а фиксирующее устройство содержит фиксатор и стопорный элемент с резьбовым и гладким участками. При этом стопорный элемент гладким участком установлен в отверстии, а фиксатор выполнен в виде клина, размещен на резьбовом участке стопорного элемента большей стороной по направлению к оси диска и образует между соседними хвостовиками лопаток клиновое соединение.The technical result is achieved by the fact that the rotor disk of the gas turbine engine contains a rotor disk with an annular groove in which rotor blades are fixed by means of shanks, and at least one fixing device. The rotor wheel is provided with at least one hole made at the base of the disk groove, the rotor blades are interconnected at the ends of the shelves, and the locking device contains a latch and a locking element with threaded and smooth sections. In this case, the locking element is installed in the hole in a smooth section, and the latch is made in the form of a wedge, placed on the threaded section of the locking element with the greater side towards the axis of the disk and forms a wedge connection between adjacent blade shafts.

При работе газотурбинного двигателя возникают нежелательные колебания лопаток, в результате которых на лопатки действуют переменные механический нагрузки, снижающие надежность работы газотурбинного двигателя и ограничивающие его ресурс. Процесс демпфирования снижает уровень колебаний. Демпфирование колебаний лопаток газотурбинного двигателя возможно организовать за счет создания трения между лопатками в месте их сопряжения по торцам полок. Для обеспечения трения необходимо создать контактное усилие в стыках полок, для чего необходимо прижать соседние лопатки друг к другу.During operation of a gas turbine engine, undesirable vibrations of the blades occur, as a result of which variable mechanical loads act on the blades, which reduce the reliability of the gas turbine engine and limit its life. The damping process reduces vibration. It is possible to organize vibration damping of the blades of a gas turbine engine by creating friction between the blades at the place of their mating at the ends of the shelves. To ensure friction, it is necessary to create a contact force at the joints of the shelves, for which it is necessary to press adjacent blades to each other.

В предлагаемом изобретении фиксирующее устройство выполняет следующие функции. Во-первых, фиксирующее устройство осуществляет передачу окружных усилий от лопаток к диску через стопорный элемент для фиксации лопаток от перемещения в окружном направлении. Во-вторых, фиксирующее устройство способствует преобразованию центробежной силы, действующей на него, в окружное усилие, прижимающее лопатки друг к другу. Для реализации указанных функций фиксирующие устройства имеют фиксаторы, которые выполняют в форме клина и устанавливают на стопорных элементах большей стороной по направлению к оси диска, при этом стопорные элементы размещены в отверстиях, выполненных в канавке диска. Установка фиксатора большей стороной по направлению к оси диска является одним из условий создания клинового соединения. Поскольку в клиновом соединении контактные поверхности располагаются под углом к радиальным осям рабочего колеса, то центробежная сила, действующая на фиксирующий элемент при работе газотурбинного двигателя, раскладывается в окружном направлении и прижимает лопатки друг к другу. Для обеспечения контакта хвостовиков лопаток с фиксирующими устройствами по плоскости смежные с ними грани хвостовиков выполняют под углом к вертикальной оси хвостовика. Дополнительно, для гарантированного контакта в клиновом соединении хвостовиков лопаток с фиксатором между фиксатором и контактными гранями канавки диска обеспечивают наличие зазора. Стопорный элемент через отверстия в фиксаторе и диске удерживает фиксатор и лопатки рабочего колеса в заданном положении. Таким образом, выполнение фиксирующего элемента согласно предлагаемому изобретению позволяет одновременно зафиксировать лопатки от перемещения в окружном направлении и обеспечить прижатие лопаток друг к другу без внедрения дополнительных деталей. При работе газотурбинного двигателя контактное усилие в стыках полок лопаток возрастает за счет воздействия на фиксаторы центробежной силы и преобразования ее через клиновое соединение в контактное усилие. Тем самым на всех режимах работы газотурбинного двигателя обеспечивается требуемое контактное усилие для надежного демпфирования лопаток. Количество фиксирующих устройств и стопорных элементов зависит от количества лопаток, размеров хвостовиков, габаритов рабочего колеса.In the present invention, the locking device performs the following functions. Firstly, the locking device transmits circumferential forces from the blades to the disk through the locking element to fix the blades from moving in the circumferential direction. Secondly, the locking device helps to transform the centrifugal force acting on it, in the circumferential force, pressing the blades to each other. To implement these functions, the locking devices have clamps that are wedge-shaped and are mounted on the locking elements with the greater side towards the axis of the disk, while the locking elements are placed in holes made in the groove of the disk. Installing the latch with the larger side in the direction of the axis of the disk is one of the conditions for creating a wedge joint. Since in the wedge connection the contact surfaces are at an angle to the radial axes of the impeller, the centrifugal force acting on the locking element during operation of the gas turbine engine is expanded in the circumferential direction and presses the blades against each other. To ensure contact between the shanks of the blades and the fixing devices on a plane, adjacent faces of the shanks are made at an angle to the vertical axis of the shank. Additionally, for guaranteed contact in the wedge connection of the shanks of the blades with the latch between the latch and the contact faces of the disk grooves provide a gap. The locking element through the holes in the latch and the disk holds the latch and the blades of the impeller in a predetermined position. Thus, the implementation of the locking element according to the invention allows to simultaneously lock the blades from moving in the circumferential direction and to ensure that the blades are pressed against each other without introducing additional parts. During the operation of a gas turbine engine, the contact force at the joints of the shelves of the blades increases due to the action of the centrifugal force on the clamps and its transformation through the wedge connection into the contact force. Thus, at all operating modes of the gas turbine engine, the required contact force is provided for reliable damping of the blades. The number of locking devices and locking elements depends on the number of blades, the size of the shank, the dimensions of the impeller.

Изобретение проиллюстрировано чертежами 1-4The invention is illustrated by drawings 1-4

Фиг. 1 - продольный разрез замкового соединения;FIG. 1 is a longitudinal section through a castle joint;

Фиг. 2 - замковое соединение в поперечном сечении ротора;FIG. 2 - locking connection in the cross section of the rotor;

Фиг. 3 - вид А на наружную поверхность рабочего колеса;FIG. 3 - view And on the outer surface of the impeller;

Фиг. 4 - 3D изображение фрагмента рабочего колеса.FIG. 4 - 3D image of a fragment of the impeller.

1 - диск ротора; 2 - канавка диска; 3 - лопатка; 4 - хвостовик; 5 - фиксатор; 6 - зазор; 7 - стопорный элемент; 8 - резьбовая часть стопорного элемента; 9 - гладкая часть стопорного элемента; 10 - отверстие в канавке диска, 11 - полка лопатки.1 - rotor disk; 2 - disk groove; 3 - scapula; 4 - shank; 5 - a clamp; 6 - clearance; 7 - locking element; 8 - threaded part of the locking element; 9 - smooth part of the locking element; 10 - hole in the groove of the disk, 11 - shelf blades.

Диск ротора 1 имеет кольцевую канавку 2, в которой закрепляют лопатки 3 посредством хвостовиков 4. В канавке 2 диска 1 между хвостовиками 4 лопаток 3 размещен фиксатор 5. Между фиксатором 5 и контактными гранями канавки 2 диска 1 имеется зазор 6. Фиксатор 5 закреплен в канавке 2 диска 1 с помощью стопорного элемента 7. Стопорный элемент 7 имеет резьбовую часть 8 и гладкую часть 9. Гладкая часть 9 размещена в отверстии 10, выполненном в канавке 2 диска 1. Верхняя часть стопорного элемента 7 зафиксирована в полках 11 лопаток 3.The rotor disk 1 has an annular groove 2 in which the blades 3 are fixed by means of shanks 4. In the groove 2 of the disk 1 between the shanks 4 of the blades 3 there is a latch 5. There is a gap 6 between the latch 5 and the contact faces of the grooves 2 of the disk 1. The latch 5 is fixed in the groove 2 of the disk 1 using the locking element 7. The locking element 7 has a threaded part 8 and a smooth part 9. The smooth part 9 is located in the hole 10 made in the groove 2 of the disk 1. The upper part of the locking element 7 is fixed in the shelves 11 of the blades 3.

Предлагаемое изобретение реализуют следующим образом. В заводное окно канавки 2 диска 1 последовательно устанавливают лопатки 3 и фиксаторы 5. В одном из вариантов исполнения фиксатор 5 имеет трапецеидальное продольное сечение, внешняя поверхность фиксатора 5 повторяет форму хвостовиков 4 лопаток 3. Фиксатор 5 размещают между лопатками 3 и создают с хвостовиками 4 лопаток 3 клиновое соединение. Фиксатор 5 закрепляют в канавке 2 диска 1 с помощью стопорного элемента 7, который размещают в сквозном отверстии, выполненном в фиксаторе 5. Стопорный элемент 7 посредством резьбовой части 8 крепят к фиксатору 5. Гладкую часть 9 стопорного элемента 7 размещают в отверстии 10 канавки 2 диска 1. От вворачивания стопорный элемент 7 стопорится за счет развальцовки внешней части в специальных фрезеровках, выполненных в полках 11 замковых лопаток 3. Между фиксатором 5 и контактными гранями канавки 2 диска 1 обеспечивают наличие зазора 6. Данная конструкция является наиболее технологичной и надежной, обеспечивает демпфирование лопаток без внедрения дополнительных элементов.The invention is implemented as follows. In the winding window of the groove 2 of the disk 1, the blades 3 and the latches 5 are installed in series. In one embodiment, the retainer 5 has a trapezoidal longitudinal section, the outer surface of the retainer 5 repeats the shape of the shanks of the 4 blades 3. The retainer 5 is placed between the blades 3 and create 4 blades with shanks 4 3 wedge connection. The latch 5 is fixed in the groove 2 of the disk 1 using the locking element 7, which is placed in the through hole made in the latch 5. The locking element 7 by means of a threaded part 8 is attached to the latch 5. A smooth part 9 of the locking element 7 is placed in the hole 10 of the groove 2 of the disk 1. The locking element 7 is prevented from screwing due to the expansion of the outer part in special milling performed in the shelves 11 of the lock blades 3. Between the latch 5 and the contact faces of the grooves 2 of the disk 1, there is a gap 6. This design It is the most technologically advanced and reliable damping blades without introduction of additional elements.

Лопаточный венец смещают на ¹/₂ расстояния между соседними лопатками 3 до совмещения отверстий 10 под стопорные элементы 7 в канавке 2 диска 1 и отверстий в фиксаторе 5. В резьбовую часть 8 совмещенного отверстия, выполненного в фиксаторе 3, заворачивают стопорный элемент 7 до упора в дно отверстия 10 в канавке 2 диска 1. Фиксатор 5 поджимают к хвостовикам 4 лопаток 3, образуя клиновое соединение и обеспечивая монтажное контактное усилие по смежным поверхностям полок 11 лопаток 3.Paddle crown is displaced by ^_half the distance between the adjacent blades 3 to the alignment holes 10 for the locking elements 7 in the groove 2 of the disc 1 and the openings in the retainer 5. In the threaded portion of the combined holes 8 made in the latch 3, the locking member 7 is wrapped all the way into the bottom of the hole 10 in the groove 2 of the disk 1. The latch 5 is pressed against the shanks 4 of the blades 3, forming a wedge connection and providing mounting contact force on the adjacent surfaces of the shelves 11 of the blades 3.

На хвостовиках 4 рабочих лопаток 3 устанавливают тензодатчики и на рабочих оборотах замеряют механическое напряжение в хвостовиках, значение которого составляет 22 кгс/мм². Для прототипа механическое напряжение в хвостовиках рабочих лопаток составляет 25 кгс/мм².Strain gages are installed on the shanks of 4 working blades 3 and, at working revolutions, the mechanical stress in the shanks is measured, the value of which is 22 kgf / mm ² . For the prototype, the mechanical stress in the shanks of the blades is 25 kgf / mm ² .

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет снизить вибронапряжения на лопатках на 10%, что увеличивает ресурс двигателя минимум на 300 ч.Thus, the use of the invention allows to reduce vibration stress on the blades by 10%, which increases the engine resource by at least 300 hours

Claims

An impeller of a rotor of a gas turbine engine, comprising a rotor disk with an annular groove in which rotor blades are fixed by means of shanks, and at least one fixing device, characterized in that the wheel is provided with at least one hole made in the base of the disk groove , the rotor blades are interconnected at the ends of the shelves, and the locking device comprises a latch and a locking element with a threaded and smooth sections, while the locking element is installed in a hole in a smooth section, and the locking p is in the form of a wedge is arranged in the threaded portion of the locking element side more toward the disk axis and forming between adjacent blade roots wedge connection.