RU2623618C1

RU2623618C1 - Joint of compressor rotors and gas turbine engine turbine

Info

Publication number: RU2623618C1
Application number: RU2016127610A
Authority: RU
Inventors: Сергей Николаевич Донцов; Николай Владимирович Кикоть; Андрей Валерьевич Узбеков
Original assignee: Публичное акционерное общество "Уфимское моторостроительное производственное объединение" ПАО "УМПО"
Priority date: 2016-07-08
Filing date: 2016-07-08
Publication date: 2017-06-28

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: joint of compressor rotors and gas turbine engine turbine comprises of a compressor shaft and a turbine shaft connected by a flange connection, in which the ends of the flanges are directed into the shafts. The joint is equipped with a split ring, set in an annular groove, made in flanges butting position, from their inner surfaces. The outer surface of the split ring and annular groove mating surfaces are wedge-shaped. The compressor shaft or turbine shaft are equipped with an annular centring collar covering the area of the neighbouring shaft along its outer diameter. Furthermore, the above shafts are made of materials with different coefficients of thermal expansion.

EFFECT: extension of the application area of joints of compressor and turbine shafts due to the fact that the claimed joint may be used with shafts made of materials with different coefficients of thermal expansion, while maintaining the alignment of the shafts and avoiding excessive vibrations in all engine operation modes.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к газотурбинному двигателестроению и может найти применение в двигателях авиационного и наземного применения.The invention relates to gas turbine engine building and may find application in aircraft and ground-based engines.

Известен узел соединения роторов компрессора и турбины газотурбинного двигателя, содержащий вал компрессора и вал турбины, соединенные посредством фланцевого соединения, в котором концы фланцев направлены внутрь валов, при этом совместное центрирование валов осуществляется посредством центрирующего пояска, выполненного на внутреннем диаметре фланца вала компрессора (патент на ПМ №109224).A known connection node of the compressor rotors and the turbine of a gas turbine engine, comprising a compressor shaft and a turbine shaft connected by a flange connection in which the ends of the flanges are directed inside the shafts, the shaft is jointly centered by a centering belt made on the inner diameter of the compressor shaft flange (patent for PM No. 109224).

Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.This technical solution is selected as a prototype.

Недостатком данного узла соединения является ограниченность области применения, а именно фланцы валов компрессора и турбины должны быть выполнены из материалов с идентичными или очень близкими коэффициентами температурного расширения. В противном случае, с повышением температуры в узле на рабочих режимах работы двигателя происходит либо образование зазора между посадочными поверхностями в области упомянутого центрирующего пояска, что приведет к потерям соосности валов и повышению уровня вибраций двигателя. Либо образование повышенного натяга по посадочным поверхностям в области упомянутого центрирующего пояска, что приведет к увеличению контактных напряжений с возможным их разрушением.The disadvantage of this connection node is the limited scope, namely, the flanges of the compressor and turbine shafts should be made of materials with identical or very close coefficients of thermal expansion. Otherwise, with an increase in temperature in the assembly, at the engine operating conditions, either a gap forms between the seating surfaces in the region of the centering belt mentioned, which will lead to shaft alignment loss and an increase in the level of engine vibrations. Or the formation of increased interference on the seating surfaces in the region of the aforementioned centering belt, which will lead to an increase in contact stresses with possible destruction.

Кроме того, жесткие требования к выполнению посадочных поверхностей по центрирующему пояску узла соединения усложняют проведение замены одного вала компрессора или турбины на другой.In addition, the stringent requirements for the seating surfaces along the centering belt of the connection node complicate the replacement of one compressor or turbine shaft with another.

Техническим результатом, достигаемым при использовании настоящего изобретения, является расширение области применения узла соединения валов компрессора и турбины за счет того, что в заявленном узле возможно использование валов, выполненных из материалов с различными коэффициентами температурного расширения, с сохранением соосности валов и отсутствием повышенных вибраций на всех режимах работы двигателя.The technical result achieved by using the present invention is to expand the scope of the node connecting the compressor shafts and turbines due to the fact that in the claimed site it is possible to use shafts made of materials with different coefficients of thermal expansion, while maintaining the alignment of the shafts and the absence of increased vibrations at all engine operating modes.

Указанный технический результат достигается тем, что известный узел соединения роторов компрессора и турбины газотурбинного двигателя, содержащий вал компрессора и вал турбины, соединенные посредством фланцевого соединения, в котором концы фланцев направлены внутрь валов, согласно настоящему изобретению он дополнительно снабжен разрезным кольцом, установленным в кольцевой канавке, выполненной в месте стыка фланцев со стороны их внутренних поверхностей, причем наружная поверхность разрезного кольца и ответные поверхности кольцевой канавки выполнены клиновидной формы, при этом вал компрессора или вал турбины снабжен кольцевым центрирующим пояском, охватывающим участок соседнего вала по его наружному диаметру, кроме того, упомянутые валы выполнены из материалов с различными коэффициентами теплового расширения.The specified technical result is achieved by the fact that the known connection unit of the compressor rotors and the turbine of a gas turbine engine, comprising a compressor shaft and a turbine shaft connected by a flange connection in which the ends of the flanges are directed inside the shafts, according to the present invention, it is further provided with a split ring installed in the annular groove made at the junction of the flanges on the side of their inner surfaces, the outer surface of the split ring and the mating surfaces the grooves are wedge-shaped, with the compressor shaft or turbine shaft provided with an annular centering girdle covering a portion of the adjacent shaft along its outer diameter, in addition, the said shafts are made of materials with different coefficients of thermal expansion.

Такое выполнение устройства позволяет расширить область применения заявленного узла соединения валов компрессора и турбины за счет возможности выполнения упомянутых валов из материалов с любыми коэффициентами температурного расширения, с сохранением соосности валов и отсутствием повышенных вибраций на всех режимах работы двигателя. Наличие центрирующего пояска необходимо только для начальной центрации валов, посадка по которой осуществляется с минимальным натягом, что положительно сказывается отсутствием повреждений посадочных поверхностей при частых сборках и разборках двигателя. Затем, при разогреве узла соединения на любых режимах работы двигателя натяг по центрирующему пояску может исчезать. При этом в то же время всегда возникает необходимый натяг от разрезного кольца, установленного в кольцевой канавке, за счет центробежных сил, возникающих от массы разрезного кольца и растущих с увеличением режима работы, т.е. центрация валов при работе узла происходит через разрезное кольцо, в результате чего исключаются потеря соосности валов и повышенные вибрации на всех режимах работы двигателя.This embodiment of the device allows you to expand the scope of the claimed node connecting the shafts of the compressor and the turbine due to the possibility of performing the said shafts from materials with any coefficients of thermal expansion, while maintaining the alignment of the shafts and the absence of increased vibrations in all engine operating modes. The presence of a centering belt is necessary only for the initial centering of the shafts, landing on which is carried out with minimal interference, which positively affects the absence of damage to the seating surfaces during frequent assembly and disassembly of the engine. Then, when the connection unit is heated in any engine operation modes, the interference with the centering belt may disappear. In this case, at the same time, the necessary interference always arises from the split ring installed in the annular groove due to centrifugal forces arising from the mass of the split ring and growing with an increase in the operating mode, i.e. the shaft alignment during operation of the unit occurs through a split ring, which eliminates the loss of shaft alignment and increased vibration in all engine operating modes.

Также следует отметить, что в заявленном узле соединения возможно использовать любой вал компрессора с любым валом турбины, т.е. не требуется обеспечивать необходимые размеры для образования нужного натяга по посадочным поверхностям.It should also be noted that in the claimed connection node it is possible to use any compressor shaft with any turbine shaft, i.e. it is not necessary to provide the necessary dimensions for the formation of the necessary interference on the seating surfaces.

В частном случае реализации на разрезном кольце со стороны его внутреннего диаметра закреплены грузы.In the particular case of implementation, loads are fixed on the split ring from the side of its inner diameter.

Данные грузы позволяют настроить необходимую силу натяга на фланцевое соединение от разрезного кольца в процессе доводки двигателя.These loads allow you to adjust the necessary interference force to the flange connection from the split ring during engine refinement.

На фигуре чертежа представлен продольный разрез узла соединения роторов компрессора и турбины газотурбинного двигателя.The figure of the drawing shows a longitudinal section of the node connecting the rotors of the compressor and turbine of a gas turbine engine.

Узел соединения валов компрессора и турбины газотурбинного двигателя, выполненных из материалов с различными коэффициентами теплового расширения, содержащий вал компрессора 1 и вал турбины 2, соединенные посредством фланцевого соединения, например, болтами 3, в котором концы фланцев 4 и 5 направлены внутрь валов 1 и 2, разрезное кольцо 6, установленное в кольцевой канавке, выполненной в месте стыка фланцев 4 и 5, со стороны их внутренних поверхностей, причем наружная поверхность разрезного кольца 6 и ответные поверхности кольцевой канавки выполнены клиновидной формы. Вал турбины 2 снабжен кольцевым центрирующим пояском 7, охватывающим участок вала компрессора 1 по его наружному диаметру (возможно также центрирующий поясок 7 выполнить на валу компрессора 1, при этом он будет охватывать участок вала турбины 2).A node for connecting the compressor shafts and the turbine of a gas turbine engine made of materials with different coefficients of thermal expansion, comprising a compressor shaft 1 and a turbine shaft 2, connected by a flange connection, for example, bolts 3, in which the ends of the flanges 4 and 5 are directed inside the shafts 1 and 2 , a split ring 6 mounted in an annular groove made at the junction of the flanges 4 and 5, from the side of their inner surfaces, the outer surface of the split ring 6 and the mating surfaces of the annular groove ying wedge shape. The shaft of the turbine 2 is equipped with an annular centering girdle 7, covering the portion of the shaft of the compressor 1 in its outer diameter (it is also possible to center the girdle 7 on the shaft of the compressor 1, while it will cover the portion of the shaft of the turbine 2).

На внутреннем диаметре разрезного кольца 6 выполнен кольцевой радиальный выступ 8, на котором закреплены грузы 9.An annular radial protrusion 8 is made on the inner diameter of the split ring 6, on which loads 9 are fixed.

В процессе монтажа первоначальное центрирование вала компрессора 1 и вала турбины 2 осуществляется посредством центрирующего пояска 7, создающим минимальным натяг по посадочным поверхностям. С повышением частоты вращения валов до рабочих режимов и повышением температуры возможно образование зазора между центрирующим пояском 7 и участком наружной поверхности вала компрессора 1. В то же время всегда возникает необходимый натяг от разрезного кольца 6, установленного в кольцевой канавке, за счет центробежных сил, возникающих от массы разрезного кольца 6 и растущих с увеличением режима работы. Т.е. центрация валов 1 и 2 происходит через разрезное кольцо 6, что исключает потери соосности валов и повышенных вибраций двигателя во время его работы.During installation, the initial centering of the compressor shaft 1 and the turbine shaft 2 is carried out by means of a centering girdle 7, which creates minimal interference with the seating surfaces. With an increase in the shaft rotation speed to operating conditions and an increase in temperature, a gap may form between the centering belt 7 and the portion of the outer surface of the compressor shaft 1. At the same time, the necessary interference always arises from the split ring 6 installed in the annular groove due to centrifugal forces arising by the mass of the split ring 6 and growing with an increase in the operating mode. Those. the centering of the shafts 1 and 2 occurs through a split ring 6, which eliminates the loss of alignment of the shafts and increased vibration of the engine during its operation.

Claims

1. The connection node of the rotors of the compressor and turbine of a gas turbine engine, comprising a compressor shaft and a turbine shaft connected by a flange connection in which the ends of the flanges are directed inside the shafts, characterized in that it is equipped with a split ring installed in an annular groove made at the junction of the flanges with sides of their inner surfaces, the outer surface of the split ring and the counter surfaces of the annular grooves are wedge-shaped, while the compressor shaft or the turbine shaft is provided with a central centering belt covering a portion of the adjacent shaft along its outer diameter, in addition, the said shafts are made of materials with different coefficients of thermal expansion.

2. The connection node of the compressor rotors and turbines of a gas turbine engine according to claim 1, characterized in that the loads are fixed on the split ring from the side of its inner diameter.