UA72575C2 - Фланець роторного диска, що несе лопатки, та відповідне компонування - Google Patents

Abstract

Фланець (10) закриває диск (3) лопатки (4) турбіни, для забезпечення її вентиляції (27, 29). На відхилюваній стороні (24) диска (3) встановлений лабіринтовий ущільнювач (20) з ковзними крайками (23), призначеними для утворення ущільнення. Різальні частини (37) ковзних крайок (23) нахилені уздовж осі і розміщені ступінчасто уздовж осі і радіально для зміщення центра ваги гнучкої стінки (14) диска і для деформування цієї стінки (14) в напрямку диска (3) під дією відцентрових сил для підсилення контакту натискної фаски (15) з притискною пластиною (16) диска (3).

Description

Даний винахід стосується фланця роторного диска, що несе лопатки, і його компонування в турбодвигунах.

В турбінах реакторів часто потребується забезпечувати охолодження для протистояння нагріву під дією газу, що виходить із камери згорання і плине уздовж турбіни і особливо у перших її каскадах. Для цього була розроблена система охолодження за допомогою вентиляції, при застосуванні якої охолоджувальний газ випускали з частини машини вверх від камери згорання так, що він обдував наражені на нагрів деталі турбини.

У деяких спеціальних варіантах компонування фланець, встановлений, на роторі, закривав диск обертання, вентиляція якого здійснювалася, нижче хвостовиків лопаток, і газ продували між фланцем і диском, аж поки він не виходив крізь отвори, що проходили через зовнішнє коло диска між лопатками. При цьому забезпечувалася добра вентиляція диска і, передусім, його найбільш гарячих частин у зоні зовнішнього кола.

Такий фланець проходить від втулки, закріпленої на роторі, аж до вільної ділянки зовнішнього кола, що знаходиться поблизу диска, і повинен утримуватися поблизу нього для запобігання витіканню вентиляційного газу. У відомому рівні техніки відцентрові сили, утворювані при роботі машини, деформують фланець, відокремлюючи його від диска, що порушує ущільнення і потребує використання зачепів на диску для запобігання цього явища, за допомогою яких крайка фланця зачіплюється за диск. Проте з використанням зачепів зв'язаний той недолік, що вони підвищують вартість виробництва диска і є крихкими елементами.

У патенті США Мо4,466,239 описаний вузол фланця, крайка якого утримується на диску за допомогою зачепів, а рланець має практично плоску форму.

Аналіз дії віддентрових сил потребує детального розгляду форми фланця. У загальному випадку існує основна зона вигину секцій фланця в осьовій площині, саме положенням якої, головним чином, і визначається поведінка вузла фланця під дією відцентрових сил, навіть якщо вони чинять вплив на всі частини фланця. Ця зона відповідає осі повороту, нижче якої фланець залишається приблизно недеформовним, і за межами якої він деформується у значно більшому ступені через його гнучкість або внаслідок збільшення відстані від осі обертання. Таким чином, нормальна форма фланця містить площину плоскої втулки, за допомогою якої він закріплюється на роторі, плече у формі трубчастої муфти і далі приблизно плоску стінку. Плече виконується полегшеним таким чином, що його товщина практично збігається з товщиною стінки, при цьому існує тенденція встановлення основної зони вигину на плечі, яке деформується на ділянці його розкриття на боці стінки, яка, у свою чергу, нахиляється, відходячи від диска.

З цього приводу в патенті М/О9932761 запропонована інше компонування, в котрому фланець виконаний по суті без муфти, а після втулки містить дуже жорстку опуклу частину і далі поступово стоншувану стінку, встановлену з нахилом так, що вона відхиляється від диска. Зона вигину нахилена так, що вона відходить від диска ротора. Основна зона вигину при цьому створюється на стінці. Крім того, на фланці, поблизу зовнішнього кола стінки, за межами основної зони вигину, встановлений відцентровий вантаж, який виступає на відхилюваній стороні диска ротора, при цьому відцентрова сила приводить до розпрямлювання фланця, зменшуючи ступінь нахилу частини, що включає у себе відцентровий вантаж, щільно притискуючи, таким чином, вільний кінець фланця до диска ротора. При цьому утримувальні зачепи стають зайвими. А втім, відцентровий вантаж являє собою суттєву додаткову масу для фланця.

Таким чином, даний винахід спрямований на забезпечення аналогічного ефекту, а саме нахилення фланця під дією відцентрових сил, але так, що цей ефект створюється без застосування спеціальної деталі.

Замість неї пропонується застосовувати деталь, що зветься лабіринтовими ущільнювальними ковзними крайками і часто використовується в турбореакторах для формування ущільнення по всій довжині фланця.

Ковзні крайки лабіринтового ущільнювача містять частину встановлення на муфті або частину з'єднання з опорною частиною ковзної крайки, а також різальну частину, що звужується у напрямку вільного кінця і створює ущільнення, проникаючи в масу ободу із легсозношуваного матеріалу («матеріалу, який стирається»), закріпленого на іншій частині за допомогою кріплення. На відміну від звичайної конструкції, де ножі ковзної крайки розміщені радіально назовні в напрямку зовнішнього простору, в даній конструкції вони розташовані під нахилом до осі, відходячи від поверхні диска зі зміщенням їх від центра і, таким чином, збільшують момент нахилу в напрямку диска, створюваний віддцдентровими силами на крайці фланця. Крім того, осьовий і радіальний зсуви різальних частин ковзних крайок виконані таким чином, що вони підсилюють зміщення центра ковзних крайок і регулюють загальну дію відцентрових сил, розподіляючи їх по диску. Нижче буде показано, що таке ступінчасте компонування також полегшує виготовлення ковзної крайки.

У цілому даний винахід у його найбільш загальній формі стосується фланця роторного диска, що несе лопатки і містить втулку, закріплену на роторі, і стінку, що закриває одну сторону диска, внаслідок чого зовнішнє коло стінки знаходиться поблизу диска, і відрізняється тим, що він містить на одній стороні відхиленої стінки диска безліч ковзних крайок лабіринтового ущільнення, які мають різальні частини, нахилені відносно осьового напрямку ротора і відхилені від фланця в напрямку їхніх звужених кінців, причому згадані різальні частини ковзних крайок розміщені ступінчасто уздовж осі і радіально по відношенню одна до одної, при цьому в осьовому перерізі центр інерції стінки і ковзних крайок зміщений від диска на величину радіуса, що проходить через основну зону вигину фланця.

Відповідно до даного винаходу стінка фланця являє собою частину зовнішнього кола цього фланця, яка накриває диск ротора і відрізняється більшою шириною по радіусу, і виконана достатньо тонкою так, що вона може згинатися під дією відцентрових сил від ротора. Таким чином, вона має основну зону вигину і зони, розташовані за її межами, такі, як крайка фланця.

Частина стінки, на котрій знаходяться ковзні крайки, може бути нахилена в осьовому напрямку ротора, відходячи від диска ротора і проходячи в напрямку зовнішнього кола, розміщеного поблизу диска, для випрямляння стінки диска під дією віддентрових сил і для підсилення натиску частини зовнішнього кола фланця на диск.

Інші, але не менш корисні варіанти компонування згідно з даним винаходом дозволяють регулювати або підсилювати ступінь вигину стінки диска у потрібному напрямку при забезпеченні його ефективної вентиляції.

Нижче даний винахід, його особливості та переваги розглянуто більш докладно з поясненнями на доданих кресленнях, де: - на Фіг.1 показаний спеціальний варіант компонування фланця згідно з винаходом; - на Фіг.2 показаний ще один варіант компонування фланця.

На Фіг.1 ротор позначений поз. 1 і містить, зокрема, секцію 2 з диском 3, на якому встановлений набір лопаток 4, що проходять у потік 5 циркуляції газу безпосередньо після камери згорання 6, в результаті чого лопатки 4 і диск З у значній мірі нагріваються. Секція 2 закінчується затискачами 7 і 8, за допомогою яких вона з'єднана болтами з іншими секціями ротора, але між затискачем 7 і затискачем 11 секції ротора поблизу секції 2 встановлена втулка 9, котра становить собою внутрішню частину фланця 10 так, що вона зафіксована болтами 12. Від втулки 9 фланець проходить у формі плеча 13, потім як стінка 14, що утворює ефективну частину фланця і закриває більшу частину поверхні диска 3, зверненої до камери згорання 6; при цьому зовнішнє коло стінки 14 виконане вільним і має форму натискної фаски 15 на притискній пластині 16 диска 3,

Колінчасте з'єднання 45, виконане товстим і дуже жорстким, з'єднує найближчу до нього частину трубчастого плеча 13 з найближчою частиною плоскої стінки 14, за винятком ділянки, розміщеної поблизу кінця 15, де вона нахилена в напрямку притискної пластини 16 так, що торкається неї. Плоска форма стінки 14 подана тут як краща для забезпечення потрібної деформації; при цьому нахилена форма, яка відходить від диска 3, ясно показана на Фіг.2, дозволяє забезпечувати ще кращі результати.

Частина 17 статора проходить перед диском 10 і створює з ним камеру 18, при цьому простий лабіринтовий ущільнювач 19 визначає камеру 18 на стороні ротора 1, а складний лабіринтовий ущільнювач 20 визначає її на стороні 5 потоку газу. Простий лабіринтовий ущільнювач 19 має кругові ковзні крайки 21, що звужуються в напрямку різальної частини, сформованої навколо втулки 9, а також обід із матеріалу 22, що стирається, який, в цілому, сформований у вигляді стільниковидного або іншого матеріалу, що стирається, закріплений на частині 17 ротора навколо ковзних крайок 21. Таким чином, як відомо фахівцям у даній галузі техніки, теплове розширення, що виникає під час роботи машини і, зокрема, ротора 1 приводить до того, що ковзні крайки 21 входять в обід із матеріалу 22, що стирається, і створюють у ньому канавки. При цьому зазор між ковзними крайками і основою канавок ободу 22, що стирається, залишається мінімальним, що у сполученні зі звивистим шляхом, який повинні проходити гази для виходу через простий лабіринтовий ущільнювач 19, значно зменшує потік цих газів.

Аналогічно з цим складний лабіринтовий ущільнювач 20 має ковзні крайки 23 (тут використовуються три ковзні крайки), сформовані на стороні 24 стінки 14, яка відхиляється від диска 3, а також ободи із матеріалу 25, що стирається, встановлені один за одним уздовж радіуса, при цьому ковзна крайка 23 у даному варіанті здійснення з'єднана з відповідним ободом 25, у той час як окремий обід 22 виконаний спільним для ковзних крайок іншого ущільнювача 19. Проте підвищення щільності ущільнення в обох випадках забезпечується використанням безлічі ковзних крайок. Крім того, кінці ковзних крайок 23 складного ущільнення 20 також розміщені ступінчасто уздовж обі.

Газ продувають за допомогою пристрою, у якого показані тільки крайні деталі. До них належить труба 26, діаметр якої є значно меншим за довжину і яка виходить у камеру 18 без переходу. Вентиляційний газ, який надходить з іншої частини реактора і проходить шляхом, позначеним стрілками 27, при входженні в камеру 18 розширюється і починає обертатися разом із ротором, а його температура при цьому суттєво знижується.

Потім він може пройти уздовж стінки 14 фланця 10 по проходах 28 перед тим, як увійти до відцентрового потоку, позначеного стрілками 29, охоплюючи зовнішнє коло диска З перед входженням в отвір 30, вентилюючи, таким чином, осердя диска З у частинах, розміщених поблизу лопаток 4.

Краще сформувати в плечі 13 додаткові отвори 31, призначені для створення шляху повороту потоку, позначеного стрілками 32 і 33, усередині камери 10, який проходить поблизу простого лабіринтового ущільнювача 19 і далі між фланцем 10 і основою диска 3. При цьому також забезпечується вентиляція самої втулки 9, незважаючи на наявність більш гарячого газу у підстаторній порожнині 34, відокремленій від камери 18 ущільнювачем 19.

У деяких варіантах конструкції газ, що знаходиться у цій підстаторній порожнині 34, проте, може бути достатньо холодним, і, таким чином, допоміжні отвори 31 тут будуть непотрібними. При цьому їх можна навіть закрити і замінити на отвори 35, з'єднуючи порожнину 34 безпосередньо з простором, замкненим між з'єднувальним плечем 13 фланця 10 і секцією 2 ротора через втулку 9 так, що газ, який знаходиться у підстаторній порожнині 34, також буде сприяти вентиляції фланця 10 і диска 3.

Головна функція складного лабіринтового ущільнювача 20 полягає в ізолюванні камери 18 від порожнини, розташованої під потоком 36 газу поблизу лопаток 4 і заповненої гарячим газом. Втім, у даному випадку це сприяє кращій деформації стінки 14 фланця 10 під дією відцентрових сил, створюваних при обертанні ротора 1, на відміну від ситуації, що часто виникає на практиці, коли ковзні крайки являють собою просто радіально орієнтовану різальну частину, з'єднану з опорною частиною за допомогою муфти циліндричної форми, різальні частини 37 ковзних крайок 23 знаходяться під крутим кутом нахилу в напрямку осі ХХ ротора і розміщені поблизу і уздовж муфт 38, що зміщує центр ваги ковзних крайок 23 від стінки 14. Відцентрові сили, що діють на ковзні крайки 23, приводять до сильнішого притискання стінки 14 до диска З, підсилюючи контакт між натискною фаскою 15 і притискною пластиною 16. Такий ефект згинання може бути підсилений, якщо стінка 14 або принаймні частина, на котрій розміщені ковзні крайки 23, також буде нахилена в осьовому напрямку, відхиляючись від диска З при дослідженні його зміщення від осі ХХ, при цьому відцентрові сили, що виникають у стінці 14, прагнуть випрямити її у простій радіальній площині, примушуючи її вигинатися навколо місця з'єднання зі з'єднувальним плечем 13, що зміщує її ближче до диска 3.

Тут основна зона вигину, позначена поз. 46, являє собою перехід між стінкою 14 і дуже товстим коліном 45. Кожна із ковзних крайок 23 прагне розпрямитися під дією відцентрових сил і, таким чином, прикладає момент вигинання до стінки 14 у тому місці, де вона з'єднана з ним. Величина цього моменту і його дія на деформацію стінки 14 залежать від маси ковзної крайки 23 і її радіуса, нахилу і товщини стінки 14 у даному місці. Проміжок між ковзними крайками 23 у радіальному напрямку являє собою важливий засіб регулювання вигину стінки 14 у цілому. Таким самим чином площа поверхні отвору і кількість проходів 28, розміщених дуже близько до основної зони 46 вигину, чинять суттєву дію на гнучкість стінки 14.

На контакт натискної фаски 15 можуть також впливати конструкція плеча 13, його довжина і жорсткість, а також форми його з'єднання зі стінкою 14. Якщо воно буде виконане тонким і в ньому будуть сформовані додаткові отвори 31, то плече буде мати змогу розкриватися під дією відцентрових сил, а його переріз, що має вторинну зону 47 вигину, в цілому не буде занадто чутливим, оскільки плече 13 буде виконане жорсткішим за стінку 14 і буде мати менший радіус. Слід також зауважити, що вигин навколо зони 47 приводить у даному випадку до зміщення стінки 14 від диска 3, таким чином, він відіграє негативну роль, але цей вигин можна не враховувати, якщо він залишиться у прийнятних межах.

Крім того, можливо краще встановлювати різальні частини 37 ковзних крайок 23 не тільки на різних радіусах, але також у різних місцях уздовж осі ХХ і так, щоб вони не були вирівняні, оскільки таке компонування дозволяє формувати їх простіше, застосовуючи гартування за допомогою плазмового пальника або інших відповідних засобів. Таке нерівне компонування ясно показане на Ффіг.2. Крім того, лабіринтовий ущільнювач, як і в попередньому прикладі, містить тут три групи ковзних крайок 23, але якщо зовнішня група 37 містить одну ковзну крайку 23, то проміжна група 38 і внутрішня група 39 мають кожна дві ковзні крайки.

При цьому кожна з груп 37, 38 і 39 зв'язана з відповідним ободом із матеріалу 25, що стирається. Добавлення додаткових ковзних крайок однакового радіуса підвищує ступінь ущільнення при використанні такої самої кількості ободів із матеріалу 25, що стирається.

На Фіг.2 також показано, що вентиляція між плечем 13 і секцією 2 ротора може забезпечуватися потоком у напрямку, позначеному стрілками 40 і 41, шляхом формування канавок 42 у місцях з'єднання між затискачем 7 і втулкою 9, виконаними, наприклад, в останній так, що вентиляційний газ із фланця 10, що надходить, наприклад, по проходах 28, усмоктується в порожнину 50 ротора, проходячи через внутрішній простір плеча 13.

І нарешті, на Фіг.2 показаний радіус 48, який проходить через основну зону 46 вигину. Тут ясно видно, що центр інерції 49 частини фланця 10, яка знаходиться за межами зони 46 (котра відповідає приблизно стінці 14), розміщений на іншій від диска З стороні відносно радіуса 48, що створює умови для вигину у потрібному напрямку, а нахил стінки 14 при відхиленні її від диска З стає очевидним. ог ня ак. в яд га мя уд шкал ен ик а АМУЯ вен ан А По ЖИ сови: Й Поліни о а

Мн вв в, ки він

Й пев ШК о Ой шах дити я ех й - а Ек Й Со ши Вис МНН

С Ка шипи о Фк -»8 й 25, я и лу йо с ше 25-Щ -5 й хи -38

Я М и

ПО

Чев че

Ша ва

Ек ТМ я,

У ке т зд « 35 23 дощ ав

СУ й -У ! 8- Те Зо урн» ве і

Ху ПИ сш

Claims (8)

1. Фланець роторного диска, що несе лопатки, який містить втулку (9), закріплену на роторі (1), і стінку (14), що закриває одну сторону диска (3) так, що зовнішнє коло стінки (14) розміщене поблизу диска, який відрізняється тим, що містить на одній стороні (24) стінки, що відхиляється від диска, безліч ковзних крайок (23) лабіринтового ущільнювача (20), які мають різальні частини, нахилені в напрямку осьового напрямку ротора і відхилені від фланця (10) у напрямку звужених кінців різальних частин, причому різальні частини ковзних крайок розміщені ступінчасто уздовж осі і радіально по відношенню одна до одної, а в осьовому перерізі центр інерції (49) стінки і ковзних крайок зміщений від диска на величину радіуса (48), що проходить через основну зону (46) вигину фланця.

2. Фланець за п. 1, який відрізняється тим, що частина стінки, на котрій встановлені ковзні крайки, нахилена в осьовому напрямку ротора, відхиляючись від диска у напрямку зовнішнього кола, розміщеного поблизу диска.

3. Компонування фланця за одним із попередніх пунктів, яке відрізняється тим, що містить частину (17) статора, розташовану перед відхилюваною стороною стінки диска, причому на зазначеній частині встановлені додаткові частини (25) ковзних крайок (23) лабіринтового ущільнювача, засіб (26) для вдування холодного газу, що входить у камеру (18), розташовану між фланцем (10) і частиною (17) статора, а у фланці висвердлені проходи (28) для холодного газу в напрямку диска (3).

4. Компонування фланця за п. 3, яке відрізняється тим, що проходи (28) виконані з можливістю функціонування через основну зону вигину фланця.

5. Компонування фланця за п. 4, яке відрізняється тим, що засіб вдування закінчується в камері в нагнітальній трубі.

6. Компонування фланця за будь-яким з пп. 3-5, яке відрізняється тим, що містить проходи (31), котрі перетинають трубчасту частину (13) фланця, котра знаходиться між втулкою (9) і стінкою (14), причому між втулкою (9) фланця і частиною (17) статора встановлений інший лабіринтовий ущільнювач (19).

7. Компонування фланця за будь-яким з пп. 3-5, яке відрізняється тим, що містить канавки (42) для виходу газу, які формуються при контактному з'єднанні втулки (9) фланця і затискача (7) для закріплення диска.

8. Компонування фланця за будь-яким з пп. 1-7, яке відрізняється тим, що лабіринтові ущільнювачі містять, крім ковзних крайок, частини із матеріалу (22, 25), що стирається.