RU2450407C2 - Rotor of turbo-machine - Google Patents

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: turbo-machine rotor comprises a shell whose end faces are rigidly attached to end caps fitted with pins resting on bearings, while the shell outer surface is fitted with means of securing the blades different by the fact the coaxial shaft and the shell are rigidly fastened together by at least two jumpers equidistant from each another and made in the form of plates of uniform thickness whose length corresponds to the length of the shell and which are directed along the longitudinal axis of the turbo-machine rotor while thickness of the jumpers gradually increases towards the surfaces being in contact with the shaft and the shell at the junctions with them. In this case the shaft is made hollow and the jumpers are oriented radially. In addition, areas of conjugation of the jumpers with the shaft and the shell are given a rounded shape of the surface. At the same time the means of securing the blades on the rotor are made in the form of a fish-bone lock. In addition, cross-section of the shell along its longitudinal axis is variable. In this case end caps are additionally fastened rigidly to the jumpers.

EFFECT: increase in the permissible peripheral velocity, axial and radial stiffness of the rotor, ensuring minimal weight and mass moments of inertia.

7 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области турбостроения и может быть использовано при проектировании, например, газотурбинных установок.The invention relates to the field of turbine engineering and can be used in the design, for example, of gas turbine plants.

Конструкции роторов турбомашин подразделяются на роторы дискового, барабанного и смешанного типа (см. Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. М.: Машиностроение, 1969, рис.3.06).The design of the rotors of turbomachines are divided into rotors of disk, drum and mixed type (see. Skubachevsky G. Aircraft gas turbine engines. Design and calculation of parts. M .: Mashinostroenie, 1969, Fig. 3.06).

Известен ротор турбомашины, содержащий цилиндрическую или коническую обечайку с закрепленными на ней несколькими рядами лопаток. Две стальные крышки закрывают обечайку с торцов и имеют цапфы, которыми ротор опирается на подшипники (см. Шварц В.А. Конструкции газотурбинных установок. М.: Машиностроение, 1970, рис.121).Known rotor of a turbomachine containing a cylindrical or conical shell with several rows of blades fixed to it. Two steel covers cover the shell from the ends and have trunnions, which the rotor rests on bearings (see Schwartz V.A. Designs of gas turbine units. M .: Mashinostroenie, 1970, Fig. 121).

При высоких оборотах у ротора снижается надежность работы из-за повышенных механических напряжений в обечайке. Ротор барабанного типа имеет предельную окружную скорость 180…200 м/с.At high speeds, the rotor decreases reliability due to increased mechanical stresses in the shell. The drum-type rotor has a limiting peripheral speed of 180 ... 200 m / s.

Наиболее близким к данному изобретению устройством является ротор турбокомпрессора, содержащий обечайку, торцовые грани которой жестко скреплены с торцовыми крышками, снабженными цапфами, опирающимися на подшипники, при этом внешняя поверхность обечайки снабжена средствами закрепления лопаток (см. Шварц В.А. Конструкции газотурбинных установок. М.: Машиностроение, 1970, рис.121в).The closest device to this invention is a turbocharger rotor containing a shell, the end faces of which are rigidly fastened with end caps equipped with trunnions resting on bearings, while the outer surface of the shell is provided with means for securing the blades (see Schwartz V.A. Designs of gas turbine units. M .: Engineering, 1970, Fig. 121c).

Недостатком известного устройства является невозможность обеспечения высокой окружной скорости, которую можно было бы получить за счет повышения частоты вращения ротора, в связи с недостаточной механической прочностью ротора, приводящей к возможности его разрушения при эксплуатации в режиме повышенных частот вращения.A disadvantage of the known device is the inability to provide a high peripheral speed, which could be obtained by increasing the rotor speed, due to the insufficient mechanical strength of the rotor, leading to the possibility of its destruction during operation in the mode of high speeds.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение механической прочности ротора, обеспечивающей возможность его использования в режиме повышенной окружной скорости с уменьшением его массы, повышением жесткости ротора и упрощением технологии изготовления.The task to which the proposed technical solution is directed is to increase the mechanical strength of the rotor, which makes it possible to use it in the mode of increased peripheral speed with a decrease in its weight, increase the stiffness of the rotor and simplify the manufacturing technology.

Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в повышении допустимой окружной скорости, осевой и радиальной жесткости ротора при обеспечении минимальной массы.The technical result that is achieved when solving the problem is expressed in increasing the permissible peripheral speed, axial and radial stiffness of the rotor while ensuring a minimum mass.

Поставленная задача решается тем, что ротор турбомашины, содержащий обечайку, торцовые грани которой жестко скреплены с торцовыми крышками, снабженными цапфами, опирающимися на подшипники, при этом внешняя поверхность обечайки снабжена средствами закрепления лопаток, отличается тем, что соосные вал и обечайка жестко скреплены, по меньшей мере, двумя равноудаленными друг от друга перемычками, выполненными в виде пластин одинаковой толщины, длина которых соответствует длине обечайки, которые ориентированы вдоль продольной оси ротора турбомашины, при этом на сопряжениях с валом и обечайкой толщина перемычек плавно увеличивается к контактируемым с ними поверхностям. При этом вал выполнен полым. Кроме того перемычки ориентированы радиально. Кроме того, участкам сопряжения перемычек с валом и обечайкой придана округлая форма поверхности. При этом средства закрепления лопаток на роторе выполнены в виде замка «елочного» типа.The problem is solved in that the rotor of the turbomachine containing the shell, the end faces of which are rigidly fastened with end caps equipped with trunnions resting on bearings, while the outer surface of the shell is equipped with means for securing the blades, characterized in that the coaxial shaft and the shell are rigidly fastened at least two jumpers equidistant from each other, made in the form of plates of the same thickness, the length of which corresponds to the length of the shell, which are oriented along the longitudinal axis of the rotor bomashiny, wherein on the mating with the shaft and the shell thickness increases smoothly webs to be contacted with the surfaces of them. The shaft is hollow. In addition, the jumpers are oriented radially. In addition, the sections of the interface of the jumpers with the shaft and the shell are given a rounded surface shape. In this case, the means of fixing the blades on the rotor are made in the form of a “Christmas tree” type lock.

Кроме того, поперечное сечение обечайки вдоль ее продольной оси выполнено переменным. При этом торцовые крышки дополнительно жестко скреплены по всей площади контакта с обечайкой, валом и перемычками.In addition, the cross section of the shell along its longitudinal axis is made variable. In this case, the end caps are additionally rigidly bonded over the entire area of contact with the shell, shaft and jumpers.

Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков предлагаемого технического решения и совокупности существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».A comparative analysis of the set of essential features of the proposed technical solution and the set of essential features of the prototype and analogues indicates its compliance with the criterion of "novelty".

При этом существенные признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.In this case, the essential features of the characterizing part of the claims solve the following functional tasks.

Признаки «…вал и обечайка жестко скреплены, по меньшей мере, двумя равноудаленными друг от друга перемычками, выполненными в виде пластин одинаковой толщины, длина которых соответствует длине обечайки, которые ориентированы вдоль продольной оси ротора турбомашины…» образуют монолитную конструкцию ротора при минимальной массе и массовых моментах инерции ротора турбомашины, обеспечивают равномерное распределение механических напряжений и, тем самым, увеличивают его прочность, радиальную и осевую жесткость.The signs "... the shaft and the shell are rigidly fastened by at least two jumpers equally spaced from each other, made in the form of plates of the same thickness, the length of which corresponds to the length of the shell, which are oriented along the longitudinal axis of the turbomachine rotor ..." form a monolithic rotor design with a minimum weight and mass moments of inertia of the rotor of the turbomachine, provide a uniform distribution of mechanical stresses, and thereby increase its strength, radial and axial stiffness.

Признак «…на сопряжениях с валом и обечайкой толщина перемычек плавно увеличивается к контактируемым с ними поверхностям» позволяет уменьшить концентрацию напряжений в зоне перемычек.The sign "... at the interfaces with the shaft and the shell, the thickness of the jumpers gradually increases to the surfaces in contact with them" allows you to reduce the stress concentration in the area of the jumpers.

Признак «…вал выполнен полым…» позволяет уменьшить массу и массовые моменты инерции ротора и, тем самым, снизить нагрузки на подшипники, обусловленные весом и гироскопическим моментом ротора при вибрации корпуса турбомашины.The sign "... the shaft is made hollow ..." allows you to reduce the mass and mass moments of inertia of the rotor and, thereby, reduce the load on the bearings due to the weight and gyroscopic moment of the rotor during vibration of the turbomachine body.

Признак «…перемычки ориентированы радиально…» позволяет снизить напряжения в обечайке от центробежных сил.The sign "... jumpers are oriented radially ..." allows you to reduce stress in the shell from centrifugal forces.

Признак «…участкам сопряжения перемычек с валом и обечайкой придана округлая форма поверхности…» позволяет уменьшить концентрацию напряжений в зонах примыкания перемычек с валом и обечайкой.The sign "... the sections of the interface of the jumpers with the shaft and the casing are given a rounded shape of the surface ..." allows you to reduce the stress concentration in the areas adjacent to the jumpers with the shaft and the casing.

Признак «…средства закрепления лопаток на роторе выполнены в виде замка «елочного» типа…» позволяет создать наилучшее соединение лопаток с обечайкой.The sign "... the means of securing the blades on the rotor are made in the form of a" Christmas tree "type lock ..." allows you to create the best connection of the blades with the shell.

Признак «…поперечное сечение обечайки вдоль ее продольной оси выполнено переменным…» позволяет профилировать проточную часть турбомашины необходимым образом.The sign "... the cross section of the shell along its longitudinal axis is made variable ..." allows you to profile the flow part of the turbomachine as necessary.

Признак «…торцовые крышки дополнительно жестко скреплены по всей площади контакта с обечайкой, валом и перемычками…» позволяет дополнительно повысить прочность и жесткость ротора как в радиальном, так и в осевом направлениях.The sign “... end caps are additionally rigidly bonded over the entire contact area with the shell, shaft and jumpers ...” allows you to further increase the strength and stiffness of the rotor in both radial and axial directions.

На фиг.1 показан поперечный разрез ротора турбомашины, а на фиг.2 - продольный разрез.Figure 1 shows a cross section of a rotor of a turbomachine, and figure 2 is a longitudinal section.

На чертежах показаны вал 1, обечайка 2, торцовые крышки 3, цапфы 4, лопатки 5, перемычки 6, формирующие пазы 7 грушевидной формы.The drawings show a shaft 1, a shell 2, end caps 3, trunnions 4, blades 5, jumpers 6, forming grooves 7 pear-shaped.

Ротор турбомашины может быть выполнен, например, из стали и содержит соосные вал 1 и обечайку 2, торцовые грани которых жестко скреплены с торцовыми крышками 3, снабженными цапфами 4, опирающимися на подшипники. Вал 1 выполнен полым, а поперечное сечение обечайки 2 вдоль ее продольной оси выполнено переменным. Внешняя поверхность обечайки 2 снабжена средствами закрепления лопаток 5. Средства закрепления лопаток 5 на роторе выполнены в виде замка «елочного» типа. Вал 1 и обечайка 2 жестко скреплены, по меньшей мере, двумя равноудаленными друг от друга перемычками 6, выполненными в виде пластин одинаковой толщины, длина которых соответствует длине обечайки 2, которые ориентированы радиально и вдоль продольной оси ротора турбомашины. При этом на сопряжениях с валом 1 и обечайкой 2 толщина перемычек 3 плавно увеличивается к контактируемым с ними поверхностям. Кроме того, участкам сопряжения перемычек 6 с валом 1 и обечайкой 2 придана округлая форма поверхности. При этом торцовые крышки 3 дополнительно жестко скреплены по всей площади контакта с обечайкой 2, валом 1 и перемычками 6.The rotor of the turbomachine can be made, for example, of steel and contains a coaxial shaft 1 and a shell 2, the end faces of which are rigidly fastened to the end caps 3, equipped with trunnions 4, which are supported by bearings. The shaft 1 is hollow, and the cross section of the shell 2 along its longitudinal axis is made variable. The outer surface of the shell 2 is equipped with means for securing the blades 5. Means for securing the blades 5 on the rotor are made in the form of a "Christmas tree" type lock. The shaft 1 and the shell 2 are rigidly fastened by at least two jumpers 6 equally spaced from each other, made in the form of plates of the same thickness, the length of which corresponds to the length of the shell 2, which are oriented radially and along the longitudinal axis of the turbomachine rotor. In this case, at the interfaces with the shaft 1 and the shell 2, the thickness of the jumpers 3 gradually increases to the surfaces in contact with them. In addition, the interface between the jumpers 6 with the shaft 1 and the shell 2 is given a rounded surface. In this case, the end caps 3 are additionally rigidly bonded over the entire area of contact with the shell 2, shaft 1 and jumpers 6.

Ротор турбомашины изготавливают в следующем порядке. Заготовку в виде цилиндра, который может иметь внутреннее отверстие, подвергают механической обработке с целью формирования пазов 7 грушевидной формы, например, сверлением с последующим фрезерованием. Торцовые крышки 3 с цапфами 4 крепят к торцам ротора, например, вакуумно-диффузионной сваркой. На наружной поверхности внешнего цилиндра фрезеруют пазы, например, в виде замка «елочного типа» для установки и крепления лопаток 5, в которые устанавливают лопатки 5.The rotor of a turbomachine is made in the following order. A blank in the form of a cylinder, which may have an inner hole, is machined to form pear-shaped grooves 7, for example, by drilling and subsequent milling. End caps 3 with pins 4 are attached to the ends of the rotor, for example, by vacuum diffusion welding. On the outer surface of the outer cylinder, grooves are milled, for example, in the form of a “Christmas tree-type” lock for mounting and fixing the blades 5 into which the blades 5 are mounted.

Турбомашина работает следующим образом. При вращении ротора в подшипниках корпуса турбомашины в вале 1, обечайке 2 и перемычках 6 возникают напряжения от центробежных сил и они тем больше, чем выше частота вращения ротора. Продольные перемычки 6 и вал 1 разгружают обечайку 2 от действия центробежных сил и, тем самым, снижают эквивалентные напряжения в роторе. При отсутствии центрального отверстия в вале 2 напряжения минимальны (отсутствует эффект «булавочного укола»). Профилируя соответствующим образом перемычки 6, можно уменьшить массу ротора почти в два раза (при полом вале) при незначительном снижении прочности ротора по сравнению со сплошным цельнокованым ротором.Turbomachine works as follows. When the rotor rotates in the bearings of the turbomachine body in the shaft 1, casing 2 and jumpers 6, stresses arise from centrifugal forces and they are the greater, the higher the rotor speed. The longitudinal jumpers 6 and the shaft 1 unload the shell 2 from the action of centrifugal forces and, thereby, reduce the equivalent voltage in the rotor. In the absence of a central hole in the shaft 2, the stresses are minimal (there is no “pin prick” effect). By profiling accordingly the jumpers 6, it is possible to reduce the rotor mass by almost half (with a hollow shaft) with a slight decrease in the strength of the rotor compared to a solid forged rotor.

Claims (7)

1. Ротор турбомашины, содержащий обечайку, торцовые грани которой жестко скреплены с торцовыми крышками, снабженными цапфами, опирающимися на подшипники, при этом внешняя поверхность обечайки снабжена средствами закрепления лопаток, отличающийся тем, что соосные вал и обечайка жестко скреплены, по меньшей мере, двумя равноудаленными друг от друга перемычками, выполненными в виде пластин одинаковой толщины, длина которых соответствует длине обечайки, которые ориентированы вдоль продольной оси ротора турбомашины, при этом на сопряжениях с валом и обечайкой толщина перемычек плавно увеличивается к контактируемым с ними поверхностям.1. The rotor of a turbomachine containing a shell, the end faces of which are rigidly fastened with end caps equipped with trunnions resting on bearings, while the outer surface of the shell is provided with means for securing the blades, characterized in that the coaxial shaft and the shell are rigidly fastened by at least two jumpers equally spaced from each other, made in the form of plates of the same thickness, the length of which corresponds to the length of the shell, which are oriented along the longitudinal axis of the rotor of the turbomachine, while at the mates with a shaft and a shell, the thickness of the jumpers gradually increases to the surfaces in contact with them. 2. Ротор по п.1, отличающийся тем, что вал выполнен полым.2. The rotor according to claim 1, characterized in that the shaft is made hollow. 3. Ротор по п.1, отличающийся тем, что перемычки ориентированы радиально.3. The rotor according to claim 1, characterized in that the jumpers are oriented radially. 4. Ротор по п.1, отличающийся тем, что участкам сопряжения перемычек с валом и обечайкой придана округлая форма поверхности.4. The rotor according to claim 1, characterized in that the sections of the interface of the jumpers with the shaft and the shell are given a rounded surface shape. 5. Ротор по п.1, отличающийся тем, что средства закрепления лопаток на роторе выполнены в виде замка «елочного» типа.5. The rotor according to claim 1, characterized in that the means for securing the blades on the rotor are made in the form of a "Christmas tree" type lock. 6. Ротор по п.1, отличающийся тем, что поперечное сечение обечайки вдоль ее продольной оси выполнено переменным.6. The rotor according to claim 1, characterized in that the cross section of the shell along its longitudinal axis is made variable. 7. Ротор по п.1, отличающийся тем, что торцовые крышки дополнительно жестко скреплены по всей площади контакта с обечайкой, валом и перемычками. 7. The rotor according to claim 1, characterized in that the end caps are additionally rigidly fastened over the entire area of contact with the shell, shaft and jumpers.

Images