Устройство демпфирования колебаний ротора газотурбинного двигателя
DEVICE FOR DAMPING VIBRATIONS OF GAS TURBINE ENGINE ROTOR

Изобретение относится к области антивибрационных устройств газотурбинных двигателей с охлаждаемыми рабочими лопатками.
Устройство демпфирования колебаний рабочих колес включает демпфирующий элемент, выполненный в виде дефлектора специальной сферической формы, установленный под корневыми полками охлаждаемых рабочих лопаток, внешняя поверхность которого на участке охлаждения хвостового соединения имеет штырьковую матрицу. Каждая ножка лопатки выполняется с отверстием, которое соединяет межхвостовую полость смежных рабочих лопаток с охлаждающим каналом.
На участке канала охлаждения демпфер имеет широкую канавку, вход воздуха в которою выполнен напротив отверстия в ножке лопатки, а выход - в область зазора между корневыми полками смежных лопаток. На поверхности охлаждаемого канала хвостового соединения и штырьков матрицы нанесен износостойкий материал методом холодного газодинамического напыления, что обеспечит их надежный контакт при эксплуатации двигателя. В качестве материала сферического демпфера принят никелид титана - сплав, обладающий эффектом памяти формы.
Использование такой конструктивной композиции позволит повысить надежность, экологичность и долговечность энергоустановок, снизить виброакустическую активность и теплонапряженность рабочих колес газотурбинных двигателей.
Известен ротор турбины, содержащий рабочие лопатки, установленные замковой частью в пазах диска, имеющие корневые полки, вдоль внутренней поверхности которых установлены демпфирующие тонкостенные коробчатые элементы (см. патент Японии №11062502, МПК F01D 5/10, опубл. 05.03.1999 г.).
Это техническое решение применимо для турбин с невысокими параметрами рабочего тела. При его использовании в роторах высокотемпературных турбин возможны разрушения корневых полок рабочих лопаток вследствие высоких термоциклических воздействий потока и теплонапряженности, вызванной разноудаленностью их участков от системы охлаждения, размещенной в пере профиля.
Известна также конструкция, в которой для демпфирования колебаний в хвостовой области устанавливается тонкостенный коробчатый демпфер, в котором со стороны поверхности хвостового соединения выполнена узкая канавка, обеспечивающая вход охлаждающего воздуха напротив отверстия в ножке лопатки, и выход - в область зазора между полками смежных лопаток (патент RU №2460886; МПК: F01D 5/08, F01D 5/16).
Недостатком такой конструкции, принятой за прототип, является наличие тонкостенного коробчатого демпфера, поверхность которого при эксплуатации будет разрушаться за счет действия сил трения, что приведет к снижению эффекта демпфирования колебаний рабочего венца и, следовательно, снижению вибронадежности ротора двигателя. К недостаткам следует также отнести малый размер канавок для подвода охлаждающего воздуха к теплонапряженным участкам хвостовиков и полок рабочих лопаток, что не обеспечит их качественное охлаждение.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении надежности рабочих колес газотурбинных двигателей за счет высокой эффективности демпфирования колебаний посредством использования для изготовления дефлектора материала с эффектом памяти формы, увеличении конвективного съема тепла на больших участках охлаждения хвостовых соединений за счет использования в этих каналах в качестве демпфирующего устройства штырьковой матрицы на дефлекторе.
Указанный технический результат заявляемого изобретения достигается тем, что в устройстве демпфирования колебаний ротора газотурбинного двигателя, выполняющемся в виде демпферов, имеющих со стороны лопаток охлаждающие канавки, вход воздуха в которые размещен напротив отверстий в ножках лопаток, а выход - в области зазора между полками смежных профилей лопаток, согласно изобретению в качестве демпферов используются дефлекторы, выполненные из материала с эффектом памяти формы, при этом на обращенной к лопаткам поверхности дефлекторы оснащены штырьковой матрицей с высотой штырьков, соответствующей глубине охлаждающих канавок, а торцевые поверхности штырьков покрыты износостойким материалом, что обеспечит их надежный контакт при эксплуатации. В качестве материала дефлектора используется никелид титана - сплав, обладающий эффектом памяти формы, высокими антикоррозионными свойствами, обеспечивающий стабильность демпфирования колебаний в процессе эксплуатации агрегата.
Как видно, выполнение дефлектора из никелида титана со штырьковой матрицей с высотой штырьков, соответствующей глубине охлаждающих канавок, обеспечит на рабочем режиме газотурбинного двигателя его плотный контакт по всему контуру хвостовых камер смежных лопаток, что создаст высокую эффективность демпфирования колебаний, исключит зависимость этого процесса от износа материала и, как следствие, существенно снизит виброакустическую активность рабочих колес.
Выполнение в дефлекторе штырьковой матрицы на внешней поверхности участка охлаждения наряду с обеспечением процесса демпфирования будет способствовать турбулизации потока, за счет чего возрастет конвективный съем тепла на участках охлаждения хвостовых соединений (в канале между их поверхностью и штырьковой матрицей дефлектора).
Охлаждающая канавка в дефлекторе позволяет пропускать охлаждающий агент к поверхности корневых участков и хвостовиков рабочих лопаток для снижения их теплонапряженности.
Дефлектор, оснащенный штырьковой матрицей на внешней поверхности участка охлаждения с высотой штырьков, соответствующей глубине охлаждающих канавок, изготовленный из материала с высоким внутренним трением - никелида титана, обеспечит высокую эффективность гашения колебательных процессов в диске за счет свойственных этому сплаву дополнительных механизмов демпфирования - высокой коррозионной стойкости, включая высокотемпературную и ванадиевую коррозию, а также эффекта памяти формы. Предлагаемое конструктивное решение позволит повысить надежность, экономичность и долговечность газотурбинных двигателей.
На фиг. 1 показан продольный разрез ротора.
На фиг. 2 показан поперечный разрез по рабочим лопаткам и дефлектору.
На фиг. 3 показан вид на штырьковую матрицу дефлектора на внешней стороне участка охлаждения.
На роторе турбины рабочие лопатки 1 (фиг. 1) установлены замковыми частями 2 в елочные пазы 3 диска 4, имеют корневые полки 5 на ножках 6 замковой части (хвостовом соединении). Дефлектор 7 со штырьковой матрицей 8 изготовлен из материала с эффектом памяти формы и установлен вдоль внутренней поверхности ножек 6 рабочих лопаток 1 с корневыми полками 5. От смещения на диске лопатки защищены фиксирующими пластинами 9 и 10.
На дефлекторе 7 со стороны поверхности рабочих лопаток 1 выполнена штырьковая матрица 8 (фиг. 2, фиг. 3), образующая достаточной ширины охлаждающую канавку 11, вход охлаждающего агента в которую размещен напротив отверстия 12 в ножке 6 лопатки, а выход - в область зазора 13 между корневыми полками 5 смежных рабочих лопаток 1. Отверстия 12, соединяющие каналы охлаждения 14 рабочих лопаток 1 с полостями 15, размещены в области теплонапряженных участков корневых полок 5.
При работе двигателя охлаждающий воздух через отверстие 12 в рабочей лопатке 1 (фиг. 2) попадает в полость 15, образованную диском 4, ножками 6 рабочих лопаток 1, дефлекторами 7 и фиксирующими пластинами 9 и 10 (фиг. 1). Часть воздуха по охлаждающей канавке 11 (фиг. 2) дефлектора 7 проходит через штырьковую матрицу 8, турбулизирующую поток, и перетекает, снижая температуру канала, к зазору 13 между корневыми полками 5, попадая далее в проточную часть турбины.
Это позволит значительно снизить теплонапряженность хвостовых соединений и корневых полок рабочих венцов за счет увеличения конвективного съема тепла в их высокотемпературной зоне, исключив разрушение в процессе эксплуатации. Наряду с этим, за счет высокой центробежной силы и эффекта памяти формы материала демпфера 7, а также выполнения на его внешней поверхности (на участке охлаждения) штырьковой матрицы 8, обеспечивается плотный контакт демпфера по всему контуру хвостовых камер смежных лопаток и, как следствие, снижение виброакустической активности ротора.