RU2570088C1

RU2570088C1 - Impeller of rotor of gas turbine engine with compensation of centrifugal loads

Info

Publication number: RU2570088C1
Application number: RU2014134294/06A
Authority: RU
Inventors: Тамара Петровна Коновалова; Андрей Валерьевич 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 has blades secured on the rotor disk using the ring locks "dovetail", O-rings, and seal plate, and has compensation hole on the disk rim. The seal plate is located on the internal surface of the blade flange, repeats its shape, and is made with possibility of gaps coverage between the blades. The compensation hole made in the disk rim connects the lock cavity with the internal cavity of the rotor with pressure reduced in comparison with the pressure in through part.

EFFECT: invention reduces weight and overall dimensions of the rotor elements.

3 dwg

Description

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

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является рабочее колесо ротора газотурбинного двигателя, включающее лопатки, закрепленные на диске барабана с помощью кольцевых замков «ласточкин хвост», и уплотнительные кольца. Уплотнительные кольца размещены в канавках. В процессе работы двигателя центробежная сила воздействует на уплотнительные кольца таким образом, что заставляет их перемещаться и образовывать плотный контакт со стенками канавки. Это позволяет снизить разницу давлений и утечку рабочего тела, что в конечном итоге способствует понижению износа внутренней поверхности полки лопатки. /US 637429 B1, F01D 5/22, 23.04.2002/ - прототип.The closest in technical essence and the achieved technical result is the impeller of the rotor of a gas turbine engine, including blades mounted on a drum disc with dovetail ring locks and o-rings. O-rings are located in the grooves. During engine operation, centrifugal force acts on the o-rings in such a way that makes them move and form tight contact with the walls of the groove. This allows you to reduce the pressure difference and leakage of the working fluid, which ultimately helps to reduce wear on the inner surface of the blade shelf. / US 637429 B1, F01D 5/22, 04/23/2002 / - prototype.

Однако конструкция рабочего колеса ротора по прототипу не предусматривает компенсацию центробежных сил, действующих на ротор от лопаток, что увеличивает массу ротора.However, the design of the rotor impeller of the prototype does not provide for the compensation of centrifugal forces acting on the rotor from the blades, which increases the mass of the rotor.

Задачей изобретения является повышение удельных характеристик компрессора и турбины.The objective of the invention is to increase the specific characteristics of the compressor and turbine.

Технический результат - снижение массы и габаритов элементов ротора.EFFECT: reduced weight and dimensions of rotor elements.

Технический результат достигается тем, что рабочее колесо ротора газотурбинного двигателя содержит лопатки, закрепленные на диске ротора с помощью кольцевых замков «ласточкин хвост», уплотнительные кольца, по крайней мере одно компенсационное отверстие и по крайней мере одну уплотнительную пластину, расположенную на внутренней поверхности полки лопатки, повторяющей ее форму и выполненную с возможностью перекрытия зазоров между лопатками. Компенсационное отверстие выполнено в ободе диска и соединяет полость замка с внутренней полостью ротора, имеющей давление, пониженное по сравнению с давлением в проточной части. Уплотнительные кольца выполнены разъемными и имеют z-образный замок.The technical result is achieved by the fact that the impeller of the rotor of a gas turbine engine contains blades mounted on the rotor disk using dovetail ring locks, o-rings, at least one compensation hole and at least one sealing plate located on the inner surface of the blade shelf repeating its shape and made with the possibility of overlapping gaps between the blades. The compensation hole is made in the rim of the disk and connects the cavity of the lock with the inner cavity of the rotor having a pressure lower than the pressure in the flow part. O-rings are detachable and have a z-shaped lock.

Для снижения массы и габаритов конструкции необходимо снизить силы, действующие на элементы конструкции. Основной силой, действующей на рабочее колесо ротора, является центробежная сила. Кроме того, конструкция роторов и опор компрессоров и турбин современных газотурбинных двигателей обеспечивает наличие внутри ротора полости с пониженным относительно проточной части давлением воздуха. Частичная компенсация центробежных нагрузок в предлагаемом изобретении обеспечивается за счет создания в полости замковой части рабочего колеса ротора зоны пониженного давления по сравнению с давлением в проточной части компрессора или турбины. В результате этого возникает сила, частично компенсирующая центробежные силы, воздействующие на рабочие лопатки компрессора или турбины. Зона пониженного давления в полости замковой части ротора организуется путем сообщения ее, при помощи компенсационных отверстий, выполненных в ободе диска, с внутренней полостью ротора, в которой создано пониженное давление (по сравнению с давлением в проточной части компрессора или турбины) за счет установки уплотнений в опорах ротора. Компенсационные отверстия наиболее целесообразно размещать с внешней стороны относительно контактных выступов замкового паза. Количество компенсационных отверстий обусловлено габаритами рабочего колеса, но, по крайней мере, одно на рабочее колесо.To reduce the weight and dimensions of the structure, it is necessary to reduce the forces acting on the structural elements. The main force acting on the impeller of the rotor is centrifugal force. In addition, the design of the rotors and bearings of the compressors and turbines of modern gas turbine engines ensures the presence of a cavity inside the rotor with a reduced air pressure relative to the flow part. Partial compensation of centrifugal loads in the present invention is achieved by creating in the cavity of the locking part of the impeller of the rotor of the zone of reduced pressure compared to the pressure in the flow part of the compressor or turbine. As a result of this, a force arises that partially compensates for the centrifugal forces acting on the working blades of the compressor or turbine. The zone of reduced pressure in the cavity of the castle part of the rotor is organized by communicating it, using compensation holes made in the rim of the disk, with the internal cavity of the rotor, in which a reduced pressure is created (compared with the pressure in the flow part of the compressor or turbine) by installing seals in rotor bearings. Compensation holes are most appropriate to be placed on the outside relative to the contact protrusions of the locking groove. The number of compensation holes is determined by the dimensions of the impeller, but at least one per impeller.

Для герметизации полости замковой части рабочего колеса ротора под полки лопаток устанавливают уплотнительные кольца (по одному со стороны входа и выхода), а на внутренние поверхности полок рабочих лопаток закрепляют уплотнительные пластины, форма которых повторяет форму внутренней поверхности полки лопатки. В одном из вариантов исполнения уплотнительная пластина выполнена в виде двух стыкующихся элементов, один из которых имеет паз под второй элемент, а уплотнительные кольца выполнены разъемными и имеют z-образный замок. Данные элементы перекрывают зазоры между полками соседних лопаток и поверхностями диска и за счет этого устраняют перетечки рабочего тела из проточной части в замковую полость. Кроме того, стыки уплотнительных колец и пластин выполнены с возможностью перекрытия друг друга после сборки рабочего колеса, что способствует наилучшей герметизации замковой полости со стороны проточной части. Количество устанавливаемых уплотнительных пластин соответствует количеству стыков между лопатками.To seal the cavity of the locking part of the impeller of the rotor, sealing rings are installed under the shelfs of the blades (one from the inlet and outlet sides), and sealing plates are fixed on the inner surfaces of the shelves of the working blades, the shape of which repeats the shape of the inner surface of the blade shelf. In one embodiment, the sealing plate is made in the form of two joined elements, one of which has a groove for the second element, and the sealing rings are made detachable and have a z-shaped lock. These elements overlap the gaps between the shelves of adjacent blades and the surfaces of the disk and due to this eliminate the leakage of the working fluid from the flowing part into the castle cavity. In addition, the joints of the sealing rings and plates are made with the possibility of overlapping each other after the assembly of the impeller, which contributes to the best sealing of the castle cavity from the flow part. The number of installed sealing plates corresponds to the number of joints between the blades.

Реализация предлагаемого изобретения целесообразна в конструкции роторов газотурбинных двигателей с замком типа кольцевой «ласточкин хвост», поскольку она требует минимального количества уплотнений компенсационных отверстий.The implementation of the invention is advisable in the design of rotors of gas turbine engines with a lock of the ring type dovetail, since it requires a minimum number of seals of the compensation holes.

Изобретение проиллюстрировано фиг. 1-3:The invention is illustrated in FIG. 1-3:

фиг. 1 - фрагмент внешней части ротора;FIG. 1 - a fragment of the outer part of the rotor;

фиг. 2 - замковое соединение в поперечном сечении А-А ротора;FIG. 2 - locking connection in the cross section aa rotor;

фиг. 3 - вид Б на внутреннюю поверхность полки лопатки.FIG. 3 - view B on the inner surface of the shelf of the scapula.

1 - ротор; 2 - диск; 3 - хвостовик лопатки; 4 - замковая часть лопатки; 5 - лопатка; 6 - компенсационное отверстие; 7 - полка лопатки; 8 - уплотнительные кольца, 9 -уплотнительная пластина.1 - rotor; 2 - disk; 3 - shank of the blade; 4 - the locking part of the scapula; 5 - scapula; 6 - compensation hole; 7 - shelf scapula; 8 - sealing rings, 9 - sealing plate.

Ротор 1 имеет диск 2, на котором посредством хвостовиков 3 в замковой части 4 закреплены лопатки 5. В ободе диска 2 выполнено компенсационное отверстие 6, сообщающее между собой замковую часть 4 и внутреннюю полость ротора 1. Под полками 7 лопаток 5 размещены уплотнительные кольца 8, на внутренней поверхности полок 7 закреплены уплотнительные пластины 9.The rotor 1 has a disk 2 on which, by means of shanks 3, blades 5 are fixed in the locking part 4. A compensation hole 6 is made in the rim of the disk 2, communicating between the locking part 4 and the inner cavity of the rotor 1. O-rings 8 are placed under the shelves 7 of the blades 5, on the inner surface of the shelves 7 are fixed sealing plates 9.

Предлагаемое изобретение реализуют следующим образом. При работе турбомашины на детали и элементы ротора 1 воздействуют центробежные силы. Внутреннюю полость ротора 1 отделяют от проточной части с помощью уплотнений в опорах ротора, что обеспечивает в ней пониженное давление. Частичную компенсацию центробежной нагрузки, действующей на ротор 1 от рабочих лопаток 5 компрессора, обеспечивают за счет снижения давления в полости замковой части 4 ротора 1. Для этого замковую часть 4 лопатки 5 и внутреннюю полость ротора 1 сообщают друг с другом при помощи компенсационных отверстий 6. При этом на полке 7 рабочей лопатки 5 возникают перепад давления и сила, направленная противоположно центробежной. Для исключения утечек рабочего тела из проточной части через зазоры между полками 7 соседних лопаток 5 и диском 2 под полки 7 рабочих лопаток 5 в проточки в диске 2 устанавливают уплотнительные кольца 8. На внутренних поверхностях полок 7 рабочих лопаток 5 закрепляют уплотнительные пластины 9, повторяющие их форму, которые после сборки рабочего колеса устанавливают с перехлестом.The invention is implemented as follows. During operation of the turbomachine, centrifugal forces act on the parts and elements of the rotor 1. The inner cavity of the rotor 1 is separated from the flow part by means of seals in the bearings of the rotor, which provides a reduced pressure in it. Partial compensation of the centrifugal load acting on the rotor 1 from the compressor working blades 5 is provided by reducing the pressure in the cavity of the locking part 4 of the rotor 1. For this, the locking part 4 of the blades 5 and the inner cavity of the rotor 1 are communicated with each other using compensation holes 6. Thus on the shelf 7 of the working blade 5 there is a pressure drop and a force directed opposite to the centrifugal. To prevent leakage of the working fluid from the flowing part through the gaps between the shelves 7 of the adjacent blades 5 and the disk 2, sealing rings 8 are installed in the grooves in the disk 2 under the shelves 7 of the working blades 5. On the inner surfaces of the shelves 7 of the working blades 5 are fixed sealing plates 9, repeating them form, which, after assembling the impeller, is installed with overlap.

На хвостовиках 3 рабочих лопаток 5 устанавливают тензодатчики и на рабочих оборотах замеряют механические напряжения в хвостовиках, значение которого составляет 52 кгс/мм². Для прототипа механическое напряжение в хвостовиках рабочих лопаток компрессора составляет 60 кгс/мм².Strain gages are installed on the shanks of 3 working blades 5 and, at working revolutions, the mechanical stresses in the shanks are measured, the value of which is 52 kgf / mm ² . For the prototype, the mechanical stress in the shanks of the compressor blades is 60 kgf / mm ² .

Таким образом, реализация предлагаемого изобретения позволяет уменьшить результирующую силу, воздействующую на лопатки 5. Это позволяет уменьшить габариты и массу хвостовиков 3 лопаток 5 и дисков 2 ротора 1 при сохранении требуемой прочности и, следовательно, повысить удельные параметры компрессора и турбины, что приводит к снижению расхода топлива, увеличению дальности полета для летательного аппарата, повышению его ресурса.Thus, the implementation of the present invention allows to reduce the resulting force acting on the blades 5. This allows to reduce the dimensions and mass of the shanks 3 of the blades 5 and disks 2 of the rotor 1 while maintaining the required strength and, therefore, to increase the specific parameters of the compressor and turbine, which leads to a decrease fuel consumption, increase flight range for an aircraft, increase its resource.

Реализация предлагаемого изобретения в конструкциях роторов газотурбинных двигателей обеспечивает снижение их массы до 20%.The implementation of the invention in the design of the rotors of gas turbine engines provides a reduction in their mass up to 20%.

Claims

The rotor impeller of a gas turbine engine, containing blades mounted on the rotor disk using dovetail ring locks, O-rings, characterized in that it is provided with at least one compensation hole and at least one sealing plate located on the inner surface of the shelf the blade, repeating its shape and made with the possibility of overlapping gaps between the blades, and the compensation hole is made in the rim of the disk and connects the cavity of the castle with the inner strips Strongly rotor having a pressure lower than the pressure in the flow section.