ротор турбомашины

Формула изобретения

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.

2. Ротор по п.1, отличающийся тем, что вал выполнен полым.

3. Ротор по п.1, отличающийся тем, что перемычки ориентированы радиально.

4. Ротор по п.1, отличающийся тем, что участкам сопряжения перемычек с валом и обечайкой придана округлая форма поверхности.

5. Ротор по п.1, отличающийся тем, что средства закрепления лопаток на роторе выполнены в виде замка «елочного» типа.

6. Ротор по п.1, отличающийся тем, что поперечное сечение обечайки вдоль ее продольной оси выполнено переменным.

7. Ротор по п.1, отличающийся тем, что торцовые крышки дополнительно жестко скреплены по всей площади контакта с обечайкой, валом и перемычками.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области турбостроения и может быть использовано при проектировании, например, газотурбинных установок.

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).

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).

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.

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).

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.

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.

Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в повышении допустимой окружной скорости, осевой и радиальной жесткости ротора при обеспечении минимальной массы.

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.

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.

Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков предлагаемого технического решения и совокупности существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

При этом существенные признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

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.

Признак « на сопряжениях с валом и обечайкой толщина перемычек плавно увеличивается к контактируемым с ними поверхностям» позволяет уменьшить концентрацию напряжений в зоне перемычек.

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.

Признак « перемычки ориентированы радиально » позволяет снизить напряжения в обечайке от центробежных сил.

Признак « участкам сопряжения перемычек с валом и обечайкой придана округлая форма поверхности » позволяет уменьшить концентрацию напряжений в зонах примыкания перемычек с валом и обечайкой.

Признак « средства закрепления лопаток на роторе выполнены в виде замка «елочного» типа » позволяет создать наилучшее соединение лопаток с обечайкой.

Признак « поперечное сечение обечайки вдоль ее продольной оси выполнено переменным » позволяет профилировать проточную часть турбомашины необходимым образом.

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.

На фиг.1 показан поперечный разрез ротора турбомашины, а на фиг.2 - продольный разрез.

На чертежах показаны вал 1, обечайка 2, торцовые крышки 3, цапфы 4, лопатки 5, перемычки 6, формирующие пазы 7 грушевидной формы.

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.

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.

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.