ТУРБОМАШИНА, ЗАМКОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛОПАТОК И СПОСОБ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ЛОПАТКИ
TURBOMACHINE, LOCKING DEVICE FOR BLADES AND METHOD OF FIXING BLADE

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Раскрытое в данном документе изобретение относится к замковым устройствам для лопаток, предназначенным для закрепления лопаток в турбомашинах, к способам закрепления и к турбомашинам.
Турбомашины, такие как осевые компрессоры и турбины (например, газотурбинные осевые компрессоры, паровые турбины и т.д.) могут, в целом, содержать роторную часть, вращающуюся вокруг оси во время работы установки. Например, в осевом компрессоре или паровой турбине роторная часть (например, рабочее колесо ступени) может содержать лопатки (например, вращающиеся лопатки), расположенные вокруг вала. Лопатки расположены по окружности рядом друг с другом вокруг роторной части. Часто эти лопатки заводят на роторную часть в тангенциальном направлении. Последняя лопатка, заводимая на роторную часть, называется замыкающей лопаткой. Замыкающую лопатку прикрепляют к роторной части для фиксации лопаток на своем месте на роторе и для блокирования окружного перемещения лопаток по роторной части (т.е. относительно роторной части).
В документе US 2010/0296936 описаны устройство и способ для соединения лопаток с пазом ротора турбомашины и удержания указанных лопаток в пазу ротора при работе турбомашины. В соответствии с данным решением, лопатки заводят в паз ротора, причем корневые части лопаток имеют конфигурацию с расширенной нижней частью. Корневые части лопаток совместно с пазом образуют соединение типа «ласточкин хвост», обеспечивающее удержание лопаток в пазу ротора и исключающее выход лопаток из паза в радиальном направлении при работе турбомашины. После вставки лопаток в паз устанавливают замыкающую лопатку, корневую часть которой плотно зажимают между двумя крюкообразными удерживающими приспособлениями, расположенными в пазу и проходящими вдоль указанного паза, с помощью регулировочных винтов, проходящих через удерживающие приспособления. При этом после установки замыкающей лопатки ее корневая часть контактирует с поверхностью паза не непосредственно, а косвенно, через удерживающие приспособления и, в частности, через регулировочные винты этих приспособлений. Плотно закрепленная замыкающая лопатка предотвращает окружное перемещение других лопаток вдоль паза ротора.
Однако приспособления, используемые для крепления замыкающей лопатки к роторной части, в частности регулировочные винты этих приспособлений, могут привести к концентрации напряжений в роторе и/или к значительной повторной обработке ротора во время повторного монтажа ступени (например, ступени паровой турбины или ступени компрессора).
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ниже приведено описание конкретных вариантов выполнения в соответствии с объемом охраны заявленного изобретения. Предполагается, что эти варианты выполнения не ограничивают объем охраны изобретения, точнее, подразумевается, что они только представляют возможные варианты данного изобретения в кратком изложении. В действительности изобретение может охватывать множество вариантов, которые могут быть аналогичными рассмотренным ниже вариантам выполнения или отличаться от них.
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предложена турбомашина, содержащая
по меньшей мере один роторный диск, имеющий периферическую часть, которая расположена вокруг оси вращения указанного по меньшей мере одного роторного диска и имеет паз, проходящий вокруг нее в окружном направлении и имеющий первую поверхность и вторую поверхность, расположенную напротив первой поверхности, причем первая поверхность паза имеет одно или более углублений, проходящих в осевом направлении на указанной первой поверхности паза, а вторая поверхность паза имеет углубление, проходящее в осевом направлении на указанной второй поверхности паза,
по меньшей мере одну лопатку, расположенную в указанном пазу, замыкающую лопатку, имеющую первую поверхность, взаимодействующую с первой поверхностью паза, и вторую поверхность, расположенную напротив первой поверхности замыкающей лопатки, причем первая поверхность замыкающей лопатки имеет один или более выступов, проходящих в осевом направлении от указанной первой поверхности замыкающей лопатки, а вторая поверхность замыкающей лопатки имеет углубления, проходящие в осевом направлении на указанной второй поверхности замыкающей лопатки, и замыкающая лопатка расположена в указанном пазу смежно с указанной по меньшей мере одной лопаткой таким образом, что выступы первой поверхности замыкающей лопатки взаимодействуют с соответствующими углублениями первой поверхности паза, при этом замыкающая лопатка блокирует окружное перемещение указанной по меньшей мере одной лопатки внутри паза относительно указанного по меньшей мере одного роторного диска, и
одиночный клин, расположенный между второй поверхностью замыкающей лопатки и второй поверхностью паза и находящийся в контакте с ними для обеспечения закрепления замыкающей лопатки внутри паза, при этом одиночный клин имеет первую поверхность, находящуюся в контакте с углублением второй поверхности замыкающей лопатки, и вторую, противоположную, поверхность, находящуюся в контакте с упомянутым углублением второй поверхности паза, причем одиночный клин выполнен с возможностью расположения в пазу до введения замыкающей лопатки, при этом замыкающая лопатка и одиночный клин выполнены с возможностью расположения в одной и той же части паза, и
ненагруженный снабженный резьбой крепежный элемент, проходящий через указанный одиночный клин для обеспечения возможности перемещения одиночного клина в радиальном направлении c обеспечением его взаимодействия со второй поверхностью замыкающей лопатки и второй поверхностью паза с обеспечением закрепления замыкающей лопатки внутри паза.
В предложенной турбомашине указанный паз может иметь первую часть с первой площадью поперечного сечения в первом окружном местоположении вокруг указанной периферической части и вторую часть со второй площадью поперечного сечения, превышающей первую площадь поперечного сечения, во втором окружном местоположении вокруг указанной периферической части, отличающемся от указанного первого окружного местоположения.
Указанная по меньшей мере одна лопатка может быть выполнена с возможностью тангенциального введения в указанную первую часть или извлечения из нее с использованием указанной второй части паза.
Замыкающая лопатка и одиночный клин могут быть расположены во второй части паза.
В предложенной турбомашине паз может иметь третью поверхность, расположенную между первой и второй поверхностями паза, при этом одиночный клин выполнен с возможностью перемещения в радиальном направлении от третьей поверхности паза для взаимодействия со второй поверхностью замыкающей лопатки и второй поверхностью паза для закрепления замыкающей лопатки во второй части паза.
Ненагруженный снабженный резьбой крепежный элемент может быть выполнен с возможностью вращения для обеспечения перемещения указанного одиночного клина в радиальном направлении.
Одиночный клин может быть выполнен с возможностью восприятия осевого усилия и передачи его ко второй поверхности паза. Кроме того, одиночный клин может иметь коэффициент теплового расширения, превышающий коэффициент теплового расширения замыкающей лопатки.
Замыкающая лопатка может содержать охватываемую часть пазового замка, выполненную с возможностью введения внутрь паза.
Предложенная турбомашина может быть компрессором, турбиной или их комбинацией.
В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предложено замковое устройство для лопаток, предназначенное для закрепления лопаток в пазу роторного диска турбомашины для блокирования окружного перемещения указанных лопаток относительно роторного диска внутри указанного паза, первая поверхность которого имеет одно или более углублений, проходящих в осевом направлении на указанной первой поверхности паза, а вторая поверхность паза имеет углубление, проходящее в осевом направлении на указанной второй поверхности паза, причем указанное замковое устройство содержит
замыкающую лопатку, имеющую первую поверхность, выполненную с возможностью взаимодействии с первой поверхностью паза, и вторую поверхность, расположенную напротив первой поверхности указанной замыкающей лопатки, причем первая поверхность замыкающей лопатки имеет один или более выступов, проходящих в осевом направлении от указанной первой поверхности замыкающей лопатки, а вторая поверхность замыкающей лопатки имеет углубления, проходящие в осевом направлении на указанной второй поверхности замыкающей лопатки, и замыкающая лопатка расположена в указанном пазу между указанными лопатками и смежно с ними таким образом, что выступы первой поверхности замыкающей лопатки взаимодействуют с соответствующими углублениями первой поверхности паза, при этом замыкающая лопатка выполнена с возможностью блокирования окружного перемещения указанных лопаток в пазу относительно роторного диска,
одиночный клин, выполненный с возможностью размещения между второй поверхностью замыкающей лопатки и второй поверхностью паза и нахождения в контакте с ними с обеспечением закрепления замыкающей лопатки внутри паза, при этом первая поверхность клина находится в контакте с углублением второй поверхности замыкающей лопатки, а вторая, противоположная, поверхность клина находится в контакте с упомянутым углублением второй поверхности паза, причем одиночный клин испытывает воздействие осевого усилия со стороны второй поверхности замыкающей лопатки для закрепления замыкающей лопатки внутри паза, при этом одиночный клин выполнен с возможностью расположения в пазу до введения замыкающей лопатки, при этом как замыкающая лопатка, так и одиночный клин выполнены с возможностью расположения в одной и той же части паза, и
ненагруженный снабженный резьбой крепежный элемент, проходящий через указанный одиночный клин для обеспечения возможности перемещения одиночного клина в радиальном направлении c обеспечением его взаимодействия со второй поверхностью замыкающей лопатки и второй поверхностью паза для закрепления замыкающей лопатки внутри паза.
В предложенном замковом устройстве одиночный клин может быть выполнен с возможностью расположения в пазу до введения замыкающей лопатки.
В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения предложен способ закрепления лопатки в пазу роторного диска турбомашины, в котором располагают одиночный клин в замыкающей части паза, содержащей первую поверхность, вторую поверхность, расположенную напротив указанной первой поверхности паза, причем первая поверхность паза имеет одно или более углублений, проходящих в осевом направлении на указанной первой поверхности паза, а вторая поверхность паза имеет углубление, проходящее в осевом направлении на указанной второй поверхности паза, и третью поверхность, расположенную между указанными первой и второй поверхностями паза и проходящую от первой поверхности паза ко второй поверхности паза, при этом одиночный клин располагают между первой и второй поверхностями паза напротив третьей поверхности паза, находящейся между указанными первой и второй поверхностями паза, причем указанная первая поверхность паза содержит углубления, при этом одиночный клин содержит первую поверхность и вторую поверхность,
после расположения в замыкающей части паза одиночного клина вводят в замыкающую часть паза в радиальном направлении замыкающую лопатку, имеющую первую поверхность и вторую поверхность, расположенную напротив указанной первой поверхности замыкающей лопатки, причем первая поверхность замыкающей лопатки имеет один или более выступов, проходящих в осевом направлении от указанной первой поверхности замыкающей лопатки, а вторая поверхность замыкающей лопатки имеет углубления, проходящие в осевом направлении на указанной второй поверхности замыкающей лопатки,
замыкающую лопатку смещают в осевом направлении до тех пор, пока ее первая поверхность не войдет в контакт с первой поверхностью паза, замыкающую лопатку смещают в радиальном направлении до совмещения выступов первой поверхности замыкающей лопатки с углублениями первой
поверхности паза,
замыкающую лопатку смещают в осевом направлении до обеспечения взаимодействия первой поверхности лопатки с первой поверхностью паза и вхождения выступов первой поверхности замыкающей лопатки в указанные углубления первой поверхности паза, и одиночный клин смещают в радиальном направлении, так чтобы он не контактировал непосредственно с третьей поверхностью паза, пока первая поверхность клина не войдет в непосредственный контакт с углублением второй поверхности замыкающей лопатки и пока вторая, противоположная, поверхность клина не войдет в непосредственный контакт с углублением второй поверхности паза, для закрепления замыкающей лопатки внутри замыкающей части паза для блокирования окружного перемещения указанных лопаток относительно роторного диска.
При этом одиночный клин может содержать ненагруженный снабженный резьбой крепежный элемент, проходящий через указанный одиночный клин, при этом при смещении одиночного клина в радиальном направлении поворачивают ненагруженный снабженный резьбой крепежный элемент для смещения одиночного клина в радиальном направлении, так чтобы одиночный клин не контактировал непосредственно с третьей поверхностью паза, пока первая поверхность клина не войдет в непосредственный контакт с углублением второй поверхности замыкающей лопатки и пока вторая, противоположная, поверхность клина не войдет в непосредственный контакт с углублением второй поверхности паза.
Указанный способ может содержать этап, на котором в замыкающую часть паза вставляют в радиальном направлении по меньшей мере одну лопатку и смещают в тангенциальном направлении указанную по меньшей мере одну лопатку в другую часть паза, площадь поперечного сечения которой меньше площади поперечного сечения замыкающей части паза.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие свойства, аспекты и преимущества данного изобретения будут более понятны из прочтения нижеследующего подробного описания со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых одинаковыми номерами позиции обозначены одинаковые компоненты и на которых
фиг. 1 изображает вид сбоку в разрезе варианта выполнения турбоустановки (например, газотурбинной установки), содержащей компрессор с ротором, содержащим присоединенные рабочие колеса и самозапирающееся устройство замковой лопатки для каждого рабочего колеса;
фиг.2 изображает частичный вид сбоку в аксонометрии варианта выполнения самозапирающегося устройства замыкающей лопатки, расположенного внутри паза роторного диска;
фиг.3 изображает частичный вид сзади в аксонометрии варианта выполнения самозапирающегося устройства замыкающей лопатки, показанного на фиг.2, расположенного внутри паза роторного диска между смежными лопатками;
фиг.4 изображает частичный вид спереди в аксонометрии варианта выполнения самозапирающегося устройства замыкающей лопатки, показанного на фиг.2, расположенного внутри паза роторного диска между смежными лопатками;
фиг.5 изображает вид сверху варианта выполнения самозапирающегося устройства замыкающей лопатки, показанного на фиг.2, расположенного внутри паза роторного диска;
фиг.6 изображает вид сбоку в разрезе варианта выполнения части паза для лопаток по линии 6-6 на фиг.5;
фиг.7 изображает вид сбоку в разрезе варианта выполнения части паза для самозапирающегося устройства замыкающей лопатки по линии 7-7 на фиг.5;
фиг.8A-F изображает частичные виды сбоку, иллюстрирующие монтаж самозапирающегося устройства замыкающей лопатки, показанного на фиг.2, в части паза для замыкающей лопатки в соответствии с вариантом выполнения;
фиг.9 изображает продольный разрез варианта выполнения турбоустановки (например, газотурбинной установки), содержащей компрессор с цельным ротором, содержащим самозапирающееся устройство замыкающей лопатки, показанное на фиг.2, для каждого рабочего колеса; и
фиг.10 изображает частичный продольный разрез турбоустановки (например, паротурбинной установки), содержащей турбину с цельным ротором, содержащим самозапирающееся устройство замыкающей лопатки, показанное на фиг.2, для каждого рабочего колеса.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ниже приведено описание одного или более конкретных вариантов выполнения данного изобретения. Стремление создать сжатое описание этих вариантов выполнения обусловливает то обстоятельство, что не все свойства фактической реализации изобретения могут быть приведены в данном описании. Следует понимать, что при разработке любой такой фактической реализации, как и в любой инженерной или проектно-конструкторской разработке, необходимо принять множество решений по конкретной реализации для достижения конкретных целей разработчика, таких как соответствие системных и производственных сдерживающих факторов, которые могут изменяться от одной реализации к другой. Кроме того, следует понимать, что такие проектно-конструкторские работы могут быть сложными и трудоемкими, но, тем не менее, они являются обычной работой по проектированию, конструированию и изготовлению для средних специалистов в данной области техники, получающих пользу от этого изобретения.
При представлении элементов различных вариантов выполнения данного изобретения подразумевается, что упоминание этих элементов в единственном числе и термин «указанный» обозначают наличие одного или более данных элементов. Подразумевается, что термины «содержащий», «включающий» и «имеющий» носят охватывающий характер, т.е. в данном случае возможно использование дополнительных элементов, отличающихся
от элементов, перечисленных в данном документе.
Данное изобретение относится к турбомашинам, содержащим самозапирающиеся устройства замыкающей лопатки. Например, турбомашина может быть газотурбинным двигателем, паротурбинным двигателем, компрессором или роторной машиной другого типа (например, турбомашиной). Самозапирающееся устройство замыкающей лопатки может быть использовано для блокирования окружного перемещения других лопаток (например, лопаток с пазовым замком и тангенциальным вводом) внутри паза роторного диска (например, того же ряда). В частности, самозапирающееся устройство замыкающей лопатки содержит замыкающую лопатку (например, вращающуюся лопатку с монтажной корневой частью) и лишь одиночный клин, расположенный внутри той же части паза (например, части паза для замыкающей лопатки) для закрепления замыкающей лопатки в этом пазу. Часть паза для замыкающей лопатки имеет первую поверхность, вторую поверхность, расположенную напротив первой поверхности паза, и третью поверхность, расположенную между первой и второй поверхностями паза. Замыкающая лопатка имеет первую поверхность (например, охватываемую часть пазового замка с выступами), взаимодействующую с первой поверхностью паза (например, имеющей углубления для выступов), и вторую поверхность, расположенную напротив первой поверхности и предназначенную для вхождения в контакт с одиночным клином или для взаимодействия с ним. Клин может быть предварительно вставлен или расположен в части паза для замыкающей лопатки (например, напротив третьей поверхности паза). Устройство замыкающей лопатки может содержать не несущий нагрузки винт (например, снабженный резьбой крепежный элемент), проходящий через клин вдоль его продольной оси. Винт обеспечивает возможность радиального смещения клина от третьей поверхности паза к местоположению между замыкающей лопаткой и частью паза для замыкающей лопатки. Например, радиально смещенный клин может взаимодействовать или контактировать как со второй поверхностью замыкающей лопатки, так и со второй поверхностью паза для замыкающей лопатки. В рабочих состояниях закрепление замыкающей лопатки внутри ее паза обеспечивается осевым усилием, действующим на одиночный клин со стороны второй поверхности замыкающей лопатки (и второй поверхности паза для замыкающей лопатки), наряду с центробежной силой. Самозапирающееся устройство замыкающей лопатки обеспечивает возможность закрепления замыкающей лопатки внутри ее паза без использования крепежного винта, проходящего через замыкающую лопатку (например, часть пазового замка) в ротор (например, роторный диск). В результате такого решения можно избежать возникновения концентраций напряжений в роторе, обусловленных наличием обычного крепежного винта. Дополнительно, самозапирающееся устройство замыкающей лопатки может обеспечить возможность повторного монтажа ступени или ряда лопаток без повреждения или повторной обработки ротора (например, во время технического обслуживания ступени турбины или компрессора).
Обратимся теперь к чертежам. Фиг.1 иллюстрирует вариант выполнения турбоустановки 10 (например, газотурбинной установки, содержащей осевой компрессор 14 с ротором с присоединенными рабочими колесами), содержащим самозапирающееся устройство замыкающей лопатки (например, замковое устройство лопатки) для каждого рабочего колеса 12. В самозапирающемся устройстве замыкающей лопатки, описанном подробнее в дальнейшем, используется центробежный момент, который действует на замыкающую лопатку, вследствие ее асимметричной формы, для закрепления самой замыкающей лопатки внутри паза соответствующего роторного диска 12 и для блокирования окружного перемещения других лопаток в пределах того же ряда лопаток, ступени или паза.
Назначение клина заключается в создании реакции на осевое усилие, являющееся следствием центробежного момента замыкающей лопатки, и для передачи осевого усилия к пазу (например, расположенной ниже по потоку поверхности паза). Для самозапирающегося устройства замыкающей лопатки отпадает необходимость в наличии крепежного винта, проходящего через часть пазового замка для замыкающей лопатки в роторный диск 12.
Соответственно, можно избежать возникновения возможных концентраций напряжений, обусловленных таким фиксирующим винтом. Кроме того, самозапирающееся устройство замыкающей лопатки обеспечивает возможность повторного монтажа ступени без повреждения или повторной обработки роторного диска 12. Самозапирающееся устройство замыкающей лопатки может быть использовано в любой турбомашине, такой как, но без ограничения этим, газотурбинные двигатели, паротурбинные двигатели, гидротурбины, компрессоры или любые другие роторные машины.
Установка 10 содержит компрессор 14 (например, роторную машину) и турбину 20. В проиллюстрированном варианте выполнения компрессор 14 содержит лопатки или рабочие лопатки 32. Рабочие лопатки 32 внутри компрессора 14, присоединенные к роторному диску 12, вращаются при приведении во вращение турбиной 20 рабочего колеса 12 компрессора 14 (образующей вал). Помимо осевого компрессора 14 установки 10, показанной на фиг.1, самозапирающееся устройство замыкающей лопатки также может быть использовано в осевом компрессоре 14, показанном на фиг.9, иллюстрирующем газотурбинную установку 150, содержащую осевой компрессор 14 с цельным ротором 152. Кроме того, самозапирающееся устройство замыкающей лопатки также может использоваться в паротурбинной установке 160 (например, осевой турбине на отработанном паре), содержащей цельный ротор 162, как проиллюстрировано на фиг.10. Паротурбинная установка, показанная на фиг.10, содержит турбинную секцию 164, содержащую несколько ступеней 166. Каждая ступень 166 содержит лопатки 168, расположенные рядами, проходящими в окружном направлении вокруг вала 318. В дальнейшем могут упоминаться различные направления относительно продольной оси 28 или оси вращения установки 10, такие как осевое направление или ось 38, радиальное направление или ось 40 и окружное направление или ось 42.
Фиг.2 представляет собой частичный вид сбоку в аксонометрии варианта выполнения самозапирающегося устройства 44 замыкающей лопатки, расположенного внутри паза 46 (например, в части 48 паза для замыкающей лопатки) роторного диска 12. Паз 46 проходит в окружном направлении 42 вдоль периферической части 50, расположенной вокруг оси 28 вращения рабочего колеса 12 (см. фиг.1). Паз 46 имеет поверхности 52, 54, 56, при этом поверхность 52 расположена напротив поверхности 54, а поверхность 56 расположена в основании или нижнем участке 58 паза 46 между поверхностями 52, 54. Поверхность 52 паза 48 имеет углубления 60 (например, крюковидные части), проходящие в осевом направлении 38 в поверхности 52 паза (см. фиг.7). Количество углублений 60 может изменяться от 1 до 5 или более. Как изображено, поверхность 52 паза имеет два углубления 60. Поверхность 54 паза 48 имеет одно углубление 62, проходящее в осевом направлении 38 внутри поверхности 54 (см. фиг.7). Поверхности 52, 54 паза совместно образуют осевую площадку 63, взаимодействующую с устройством 44 замыкающей лопатки для закрепления устройства 44 внутри паза 48. Как изложено более подробно далее, площадь поперечного сечения паза 48 превышает площадь поперечного сечения части паза для других лопаток.
Устройство 44 содержит лопатку 64 (например, замыкающую лопатку 64), одиночный клин 66 и снабженный резьбой крепежный элемент или винт 68 (например, фиксирующий винт, не несущий нагрузку), расположенный внутри той же части 48 паза для замыкающей лопатки (в отличие от смежных частей паза в осевом направлении, проходящих в окружном направлении 42). Лопатка 64 имеет верхнюю часть 65 (например, лопатку или аэродинамический профиль 67) и нижнюю часть 69 (например, монтажную часть или охватываемую часть 70 пазового замка). Нижняя часть 69 имеет поверхность 71 (например, верхнюю по потоку поверхность) и поверхность 72 (например, нижнюю по потоку поверхность). Поверхность 71 имеет несколько выступов 74 (например, осевых выступов или крюковидных частей), проходящих в осевом направлении 38 от поверхности 71. Количество выступов 74 может изменяться от 1 до 5 или более того. Как изображено, поверхность 52 паза имеет три выступа 74. По меньшей мере некоторые из выступов 74 выполнены с возможностью размещения в углублениях 60 поверхности 52 паза для блокирования перемещения замыкающей лопатки 64 в радиальном направлении 40, тогда как другие выступы 74 могут прилегать к поверхности 52 паза без взаимодействия с углублениями 60. Поверхность 72 имеет несколько углублений 76, проходящих в осевом направлении на поверхности 72. Одно из углублений 76 взаимодействует с клином 66. Лопатка 64 выполнена с возможностью ее радиального 40 введения, а затем, посредством ряда осевых 38 и радиальных 40 перемещений лопатки 64, ее установки внутри паза 48 для блокирования окружного перемещения 42 других лопаток внутри паза 46 относительно рабочего колеса 12.
Клин 66 имеет поверхности 78, 80, 82, 84. Поверхность 78 клина расположена напротив поверхности 80, тогда как поверхность 82 (например, верхняя поверхность) расположена напротив поверхности 84 (например, нижней поверхности). Поверхности 78, 80 клина проходят между поверхностями 82 и 84. Винт 68 проходит через клин 66 вдоль его продольной оси 5. Винт 68 выполнен с возможностью радиального 40 смещения клина 66 за счет вращения 88 винта 68 вокруг продольной оси 85. В дополнение к этому, винт 68 необходим лишь для того, чтобы избежать ослабления рабочего положения клина 66, когда рабочее колесо 12 не совершает вращения. Винт 68 не является несущим нагрузку винтом (т.е. никакие усилия не воздействуют на винт 68). Таким образом, во время вращения 88 винта 68 он не испытывает напряжения. В конкретных вариантах выполнения винт 68 может иметь шестиугольное гнездо 81 (или другое подходящее для инструмента средство сопряжения), расположенное в верхнем конце 83 винта 68, для обеспечения возможности инструменту (например, шестигранному ключу) поворачивать винт 68 для перемещения клина 66 вверх и/или вниз по винту 68. Клин 66 выполнен с возможностью его введения в часть 48 паза для замыкающей лопатки, до введения лопатки 64, с вхождением поверхности 84 в контакт с поверхностью 56 паза, при этом клин 66 расположен на нижней части 86 винта 68 (см. фиг.8). При повороте 88 винта 68 клин 66 перемещается радиально к верхней части 89 винта 68 до тех пор, пока поверхность 78 клина не войдет в контакт с поверхностью 72 лопатки 64 или не будет с ней взаимодействовать (например, с одним из углублений 68), при этом поверхность 80 клина входит в контакт с поверхностью 54 паза (например, углублением 62) или взаимодействует с ней, как изображено на фиг.2. Обе поверхности 54, 72 блокируют дальнейшее радиальное 40 перемещение клина 66. При радиальном 40 смещении к контактной поверхности 54, 72 верхняя часть 90 клина 66 расположена между лопаткой 64 и поверхностью 54 паза и находится с ними в контакте. В этом положении в условиях эксплуатации верхняя часть 90 клина подвергается воздействию осевого усилия (обусловленного центробежным моментом замыкающей лопатки) со стороны поверхности 54 паза. В сочетании с центробежной силой, воздействующей на лопатку 64 во время кругового 42 вращения рабочего колеса 12, а также лопатки 64, осевое усилие, воздействующее на клин 66, закрепляет замыкающую лопатку 64 внутри паза 48. Такое решение позволяет избежать использования крепежного винта, проходящего через лопатку 64 в ротор 12, а также возникновения любой обусловленной этим концентрации напряжений в роторе 12. В дополнение к этому, ступень из лопаток может быть повторно смонтирована без повреждения или повторной обработки ротора 12.
В конкретных вариантах выполнения материал клина 66 может иметь коэффициент теплового расширения, отличный от коэффициента теплового расширения лопатки 64. Например, коэффициент теплового расширения клина 66 может превышать коэффициент теплового расширения лопатки 64. Больший коэффициент теплового расширения клина 66 может обеспечивать возможность клину 66 (также при более высоком трении клина 66) расширяться в большей степени во время работы турбоустановки 10 для оказания даже большего осевого 36 усилия как на лопатку 64, так и на ее паз 48. В некоторых вариантах выполнения клин 66 и/или лопатка 64 могут быть заморожены (например, жидким азотом) до монтажа устройства 44 для временной усадки клина 66 и/или лопатки 64 для обеспечения лучшей посадки с натягом после отогревания и расширения клина 66 и лопатки 64.
Фиг.3 и 4 представляют собой частичные виды сзади (например, ниже по потоку) и спереди (например, выше по потоку) в аксонометрии варианта выполнения самозапирающегося устройства 44 замыкающей лопатки, показанного на фиг.2, расположенного внутри паза 46 роторного диска 12 между смежными лопатками 92. Как показано, лопатка 64 примыкает к смежным лопаткам 92, блокируя окружное перемещение 42 лопаток 92 относительно рабочего колеса 12. Смежные лопатки 92 являются лопатками с пазовым замком с тангенциальным вводом. Подобно замыкающей лопатке 64 каждая из лопаток 92 имеет верхнюю часть 94 (например, вращающуюся лопатку или аэродинамический профиль 96) и нижнюю часть 98 (например, монтажную часть или охватываемую часть 100 пазового замка). Нижняя часть 98 выполнена с возможность введения в паз 48 паза 12 или извлечения из него до тангенциального введения в часть 102 паза 12 или извлечения из нее. Часть 102 паза проходит в окружном направлении 42 вдоль паза 12 от одной стороны 104 части 48 паза к другой его стороне 106. Часть 102 паза имеет поверхности 52, 54. Часть 48 паза имеет площадь поперечного сечения, превышающую площадь поперечного сечения части 102 паза (см. фиг.6 и 7). Меньшая площадь поперечного сечения части 102 паза (а также расположение) блокирует окружное 42 перемещение замыкающей лопатки 64 из части 48 к части 102 паза.
Нижняя часть 98 каждой лопатки 92 имеет поверхность 108 (например, верхнюю по потоку поверхность) и поверхность 110 (например, нижнюю по потоку поверхность). Подобно замыкающей лопатке 64 нижняя часть 98 каждой лопатки 92 имеет выступы 112 (например, осевые выступы), проходящие в осевом наружном направлении 38 от обеих поверхностей 108, 110. Количество выступов 112, проходящих от каждой поверхности 108, 110, может изменяться от 1 до 5 или более того. Как изображено, поверхность 108 каждой лопатки 92 имеет верхний осевой выступ 114 и нижний осевой выступ 116, тогда как поверхность 110 каждой лопатки 92 также имеет верхний осевой выступ 118 и нижний осевой выступ 120. Часть 102 паза имеет углубления 122 для размещения выступов 112 лопаток 92. Например, поверхность 52 части 102 паза имеет углубления 124, 126, а поверхность 54 части 102 паза имеет углубления 128, 130. В углубления 124, 126, 128, 130 входят, соответственно, осевые выступы 114, 116, 118, 120. Совместно поверхности 52, 54 образуют осевую площадку 63, взаимодействующую с каждой лопаткой 92 и закрепляющую ее внутри части 102 паза. Например, расположение нижних осевых выступов 116, 120 внутри углублений 116, 120 блокирует радиальное перемещение 40 каждой лопатки 92.
Как изображено, нижняя часть 69 лопатки 64 и клин 66 расположены под углом 132 относительно центральной линии 134 паза 46, проходящей по окружности 42 вокруг роторного диска 12 (см. фиг.5, показывающий вид сверху самозапирающегося устройства 44, расположенного внутри паза 48) внутри части 48 паза. Нижние части 69, 98 соответствующих лопаток 64, 92 расположены под тем же углом 132 относительно центральной линии 134. Диапазон угла 132 может приблизительно составлять от 0° до 60°, 0° до 30°, от 30° до 60°, от 14° до 45°, а также все поддиапазоны между ними. Например, угол 132 может составлять приблизительно 0°, 5°, 10°, 15°, 20°, 25°, 30°, 35°, 40°, 45°, 50°, 55° или 60° или может быть каким-либо другим углом.
Фиг.6 представляет собой вид сбоку в разрезе варианта выполнения части 102 паза для лопаток 92 по линии 6-6 на фиг.5, тогда как фиг.7 представляет собой вид сбоку в разрезе варианта выполнения части 48 паза для устройства 44 по линии 7-7 на фиг.5. Часть 48 паза для замыкающей лопатки и часть 102 паза являются такими же, как изложено выше в соответствии с фиг.2 - 5. В дополнение к этому глубина или высота 136 каждой части 48, 102 паза являются одинаковыми от верхней части 138 частей 48, 102 паза до нижней части 58. Как показано на фиг.6, часть 102 паза имеет ширину 140 между поверхностями 52, 54 в углублениях 124, 128 и ширину 142 между поверхностями 52, 54 в углублениях 126, 130, причем ширина 140 превышает ширину 142. Как показано на фиг.7, часть 48 паза для замыкающей лопатки имеет ту же ширину 140 между поверхностями 52, 54 над углублениями 60, 62, смежными с верхней частью 138. В конкретных вариантах выполнения ширина 140 может изменяться. Часть 48 паза имеет ширину 144 между поверхностями 52, 54, начиная с верхнего углубления поверхности 52 и заканчивая нижней частью 58. Ширина 142 части 102 паза изображена внутри части 48 паза. Как проиллюстрировано, ширина 144 части 48 от верхнего углубления 60 до нижней части 58 больше, чем ширина 142 части 102 паза. Дополнительно, как упомянуто выше, площадь 146 поперечного сечения части 48 паза превышает площадь 148 поперечного сечения части 102 паза. Меньшая площадь 148 поперечного сечения части 102 паза (а также расположение) блокирует окружное 42 перемещение лопатки 64 из части 48 паза к части 102 паза. Дополнительно, большая площадь 146 поперечного сечения части 48 паза обеспечивает возможность тангенциального введения и извлечения лопаток 92 из части 102 паза в часть 48 паза.
Фиг.8A-F представляют собой частичные виды сбоку, иллюстрирующие монтаж устройства 44, показанного на фиг.2, в части 48 паза роторного диска 12. Устройство 44 и часть 48 паза являются такими же, как упомянуто выше. Как изображено на фиг.8А, клин 66 вставляют в часть 48 паза, до введения замыкающей лопатки 64, с вхождением поверхности 84 в контакт с поверхностью 56 паза внутри углубления 62, при этом клин 66 расположен на нижней части 86 винта 68. На фиг.8В показано, что замыкающую лопатку 64 вводят в радиальном направлении в часть 48 паза до тех пор, пока поверхность 72 (например, верхнее углубление 76) не войдет в контакт с роторным диском 1 2 или не упрется в роторный диск 12. На фиг.8С показано, что замыкающую лопатку 64 сдвигают или смещают в осевом направлении 38 до вхождения поверхности 71 (например, среднего выступа 74) в контакт с поверхностью 52 паза или с прилеганием к ней. На фиг.8D показано, что замыкающую лопатку 64 сдвигают или смещают в радиальном направлении 40 до совмещения выступов 74 (например, среднего и нижнего выступов 74) с соответствующими углублениями 60 на поверхности 52 паза. На фиг.8Е показано, что замыкающую лопатку 64 сдвигают или смещают в осевом направлении 38 до вхождения выступов 74 (например, среднего и нижнего выступов 74) в контакт с поверхностью 52 паза с их расположением в соответствующих углублениях 60. На фиг.8F показано, что винт 68 поворачивают 88 (например, с помощью инструмента, такого как шестигранный ключ) вокруг продольной оси 85 для радиального 40 перемещения верхней части 89 клина 66 до вхождения в контакт поверхности 78 клина с поверхностью 72 (например, одного из углублений 68) замыкающей лопатки или для взаимодействия с ней, при этом поверхность 80 клина входит в контакт с поверхностью 54 паза (например, углубления 62) или взаимодействует с ней. Обе поверхности 54, 72 блокируют дальнейшее радиальное 40 перемещение клина 66. В этом положении в условиях эксплуатации верхняя часть 90 клина 66 испытывает воздействие осевого усилия (обусловленного центробежным моментом замыкающей лопатки) со стороны поверхности 54 паза. В сочетании с центробежной силой, действующей на лопатку 64 во время кругового 42 вращения рабочего колеса 1 2, а также лопатки 64, осевое усилие, воздействующее на клин 66, закрепляет лопатку 64 внутри паза 48. Такое решение позволяет избежать использования крепежного винта, проходящего через лопатку 64 в ротор 12, а также любую обусловленную этим концентрацию напряжений в роторе 12. В дополнение к этому, ступень из лопаток может быть повторно смонтирована без повреждения или повторной обработки ротора 12. Демонтаж устройства 44 может происходить с использованием некоторых или всех вышеуказанных этапов, но в обратном порядке.
Кроме того, как упомянуто выше, коэффициент теплового расширения клина 66 может превышать коэффициент теплового расширения лопатки 64. Кроме того, в некоторых вариантах выполнения клин 66 и/или лопатка 64 могут быть заморожены (например, жидким азотом) до монтажа устройства 44 для временной усадки клина 66 и/или лопатки 64 для обеспечения лучшей посадки с натягом после отогревания и расширения клина 66 и лопатки 64.
Технический эффект рассмотренных вариантов выполнения заключается в обеспечении самозапирающегося устройства 44 замыкающей лопатки для блокирования окружного перемещения лопаток 92 внутри того же паза 42 (например, ряда) роторного диска или колеса 12. В частности, устройство 44 содержит замыкающую лопатку 64, клин 66 и винт 68 (например, фиксирующий винт, не несущий нагрузку), выполненный с возможностью расположения внутри той же части 48 паза. При радиальном 40 смещении клина 66 (например, с помощью винта 68) между поверхностью 72 лопатки 64 и поверхностью 54 паза клин 66 в осевом направлении 38 оказывает давление как на лопатку 64 (например, на поверхность 72), так и на поверхность 54 ротора. В этом положении в условиях эксплуатации верхняя часть 90 клина 66 подвергается воздействию осевого усилия (обусловленного центробежным моментом замыкающей лопатки) со стороны поверхности 54 паза. Такое решение позволяет избежать использования крепежного винта, проходящего через лопатку 64 в ротор 12, а также обусловленных этим любых концентраций напряжений в роторе 12. В дополнение к этому, ступень из лопаток может быть повторно смонтирована без повреждения или повторной обработки ротора 12.
В изложенном описании используются примеры, характеризующие изобретение, включая предпочтительный вариант выполнения, а также дающие возможность любому специалисту осуществить на практике изобретение, включая выполнение и использование любых устройств или систем, а также выполнение любых относящихся к этому способов. Объем охраны изобретения определен формулой изобретения, при этом он может включать другие примеры, которые встретятся специалистам. Подразумевается, что такие другие примеры подпадают под объем охраны формулы изобретения, если они содержат конструктивные элементы, которые не отличаются от буквального изложения в формуле изобретения, или если они содержат эквивалентные конструктивные элементы с несущественными отличиями от буквального изложения в формуле изобретения.