ТУРБИННАЯ ЛОПАТКА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
TURBINE BLADE AND PROCEDURE FOR ITS MANUFACTURE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к рабочей лопатке с бандажом, которая применяется в турбомашине, в частности в турбине.
Известный уровень техники
Ступени турбины, в частности конечные ступени типичной турбомашины, содержат длинные рабочие лопатки. Бандажи рабочих лопаток последней ступени являются сопрягаемыми, что способствует улучшению характеристик, в частности вибрационных характеристик рабочих лопаток. Как правило, бандаж имеет утолщенную часть и стенки с вырезом, чтобы смежные рабочие лопатки могли сопрягаться.
Предназначение бандажа заключается в предотвращении утечки на конце лопатки, повышении эффективности турбины и улучшении динамических и вибрационных характеристик рабочей лопатки. Сопряжение бандажей смежных лопаток происходит по опорным поверхностям. Посредством сопряжения опорных поверхностей бандажей обеспечивается амортизация колебаний. Дополнительным устройством, предусмотренным на вершине рабочей лопатки, является ребро. В зависимости от размера бандажа лопатки могут иметь одно или несколько ребер.
Ребра способствуют созданию уплотнений для снижения вторичного потока воздуха, проходящего через концы лопаток. Ребра должны иметь такую высоту, при которой обеспечивается требуемое сопротивление изгибу, позволяющее противостоять центробежным силам, возникающим при движении лопаток.
В настоящее время бандажи для рабочих лопаток последней ступени являются достаточно массивными. Бандаж создает дополнительную нагрузку на лопатку и ротор. Перо и хвостовик лопатки несут вес бандажа. Это приводит к необходимости увеличить поперечное сечение пера лопатки, в результате чего возрастает вес пера и хвостовика. Лопатки, вращающиеся во время работы с большими скоростями вокруг оси турбины, удерживаются в роторе с помощью хвостовика лопатки, который механически сцепляется с ротором. Центробежные силы, возникающие при вращении лопатки, принуждают лопатку вытягиваться в радиальном направлении, в результате чего увеличивается нагрузка на ротор.
Величина нагрузки на ротор и, следовательно, на хвостовик, который удерживает лопатку в роторе, зависит от веса лопатки. Тяжелая лопатка создает большие напряжения на границе раздела между хвостовиком лопатки и ротором, и на ротор действуют большие общие радиальные силы. Вес бандажей увеличивает радиальную нагрузку на ротор, которая может достичь критического значения. Указанные нагрузки влияют на эксплуатационные характеристики турбины и могут сократить общий срок службы хвостовика лопатки и ротора.
Для повышения эффективности турбомашин, в частности паровых турбин, используются длинные лопатки, благодаря чему можно увеличить выходную ометаемую лопатками область. За счет увеличения ометаемой лопатками области можно обеспечить большой массовый расход. Для ометания больших областей используются длинные лопатки, однако они имеют большой вес. Как правило, применяемые в настоящее время лопатки имеют на конце монолитные бандажи с ребрами, благодаря чему лучше регулируется вибрация и снижаются потери, связанные с концевой протечкой.
Обычно для снижения протечки, происходящей во время работы турбины, напротив ребра лопатки устанавливают сотовую конструкцию. Во время работы турбины ребро лопатки врезается в соты.
Эффективность современных турбин и компрессоров зависит от герметичного уплотнения между вращающимися элементами (лопатками) и неподвижным элементом. Указанное уплотнение обеспечивается благодаря тому, что ребра лопаток прорезают (протирают) в истираемом уплотняющем материале, который препятствует протеканию значительного объема воздуха мимо концевого участка лопатки. Как правило, уплотняющие материалы являются сотовыми уплотнениями или содержат спеченные металлические частицы и припаиваются на месте. Чтобы обеспечить безопасную эксплуатацию турбины, ребро лопатки должно обладать достаточной прочностью, чтобы оно врезалось в уплотняющий материал.
Кроме того, ребра лопаток должны обладать достаточной прочностью, чтобы обеспечивать амортизацию, когда смежные лопатки во время работы сопрягаются друг с другом.
Чтобы избежать ползучести ребер в высокотемпературных эксплуатационных условиях и увеличить срок службы лопаток, согласно документу DE №19904229 предложено проводить охлаждение ребер. Кроме того, было отмечено, что вес ребер можно уменьшить за счет просверленных отверстий в ребре. Однако достигаемое снижение веса за счет просверленных отверстий является ограниченным. Кроме того, отверстия могут сократить срок службы лопатки в связи с тем, что они создают эффект надреза, который может создать концентрацию напряжений и, следовательно, привести к появлению высоких локальных максимумов в распределении напряжений в ребре.
Раскрытие изобретения
В связи с вышеизложенным задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить усовершенствованную и облегченную рабочую лопатку с уменьшенной общей массой, снизить радиальные силы, действующие на ротор, не в ущерб прочности и сроку службы лопаток.
Другая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить усовершенствованную и облегченную рабочую лопатку, в которой не ухудшается распределение изгибающих напряжений, действующих на бандаж.
Еще одна задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить усовершенствованную и облегченную рабочую лопатку, бандаж которой будет сопрягаться с бандажами смежных лопаток.
Эти и другие задачи настоящего изобретения решаются посредством усовершенствованной рабочей турбинной лопатки. Рабочая лопатка, как правило, содержит хвостовик, полку, соединенную с хвостовиком, и перо, продолжающееся от полки к вершине, причем вершинный участок лопатки противоположен концу пера, соединенному с полкой. Кроме того, турбинная лопатка содержит бандаж, продолжающийся от вершинного конца лопатки наружу и закрепленный на нем, и, по меньшей мере, одно ребро, продолжающееся в радиальном направлении наружу.
Согласно первому варианту осуществления изобретения ребро имеет первую боковую стенку и вторую боковую стенку, которые являются разнесенными друг от друга и соединены с бандажом, а также имеет режущую кромку, которая соединена с первой боковой стенкой и со второй боковой стенкой, в результате чего между боковыми стенками, бандажом и режущей кромкой образуется полость. Кроме того, режущая кромка продолжается от первой боковой стенки и второй боковой стенки в радиальном направлении.
Согласно одному из вариантов осуществления изобретения первая боковая стенка и вторая боковая стенка отдалены друг от друга на участке соединения с бандажом и профилированы таким образом, что сливаются вместе, образуя край ребра, который радиально отдален от бандажа.
Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения первая боковая стенка и вторая боковая стенка бесшовно соединены с режущей кромкой.
Согласно одному из вариантов осуществления изобретения полость между боковыми стенками ребра образована так, чтобы направление центробежных сил, пропорциональных массе ребра и/или бандажа, выравнивалось с направлением нейтральной оси лопатки, в результате чего не возникает какой-либо изгибающий момент, нагружающий лопатку при вращении турбины.
Согласно другому частному варианту осуществления изобретения вдоль нейтральной оси ребра образована полость. Согласно еще одному варианту осуществления изобретения полость, образованная вдоль нейтральной оси ребра, является симметричной.
Согласно одному из вариантов осуществления изобретения полое ребро содержит две тонкие боковые стенки, соединенные с бандажом по внутреннему радиусу и соединенные с прочными режущими кромками по внешнему радиусу. Режущая кромка представляет собой прочное металлическое тело и конфигурирована так, что способна врезаться в соты, закрепленные на стенках статора, окружающих ступень турбины. Соты и ребра совместно формируют сотовое уплотнение.
Согласно другому варианту осуществления изобретения полое ребро является, по существу, v-образным. Причем v-образное ребро, расположенное на бандаже, имеет вид перевернутой буквы «v» и заостренный конец ребра направлен от бандажа. Расположенное на бандаже v-образное ребро соединяется с бандажом концами двух ножек v-образного ребра. Ножки v-образного ребра являются боковыми стенками ребра. Заостренный конец ребра, продолжающийся в радиальном направлении, может быть усилен для формирования режущей кромки, которая является достаточно прочной и может врезаться в соты, закрепленные на стенках статора, окружающих ступень, в результате чего формируется сотовое уплотнение.
Кроме того, предлагается конфигурация полого ребра, обеспечивающая прохождение охлаждающего потока через полое ребро. Лопатки с охлаждаемыми ребрами могут применяться, например, в газотурбинных устройствах.
Способ изготовления усовершенствованной и облегченной рабочей лопатки включает этап литья, при котором лопатка отливается целиком с полым ребром.
Один из способов изготовления усовершенствованной и облегченной рабочей лопатки включает этап штамповки лопатки и этап формирования полости ребра посредством удаления материала.
Полые облегченные ребра согласно настоящему изобретению обеспечивают достаточный второй момент инерции, не в ущерб жесткости в круговом направлении (в условиях изгиба и кручения), таким образом гарантируя хорошее сопряжение бандажей смежных лопаток.
Для изготовления полого бандажа необходимо из ребра удалить лишний материал. Благодаря указанным полым и облегченным ребрам достигается снижение веса лопатки. Снижение веса непосредственно ребра также положительно сказывается на пере и хвостовике, поскольку они должны нести уменьшенный вес ребра. В результате можно изготовить облегченные лопатки и улучшить конструкцию удлиненных лопаток, что, в свою очередь, позволяет увеличить область потока, повысить мощность турбины и ее эффективность.
Дополнительные признаки и преимущества изобретения будут понятны из следующего описания вариантов осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Краткое описание чертежей
Изобретение, его сущность, а также его преимущества будут описаны более подробно ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Фиг.1 - схематичный вид в перспективе одного из вариантов лопатки, имеющей бандаж и ребро.
Фиг.2 - схематичный вид в перспективе ребра, имеющего прямолинейную первую боковую стенку, прямолинейную вторую боковую стенку и режущую кромку.
Фиг.2а - схематичный вид в поперечном разрезе вершины лопатки, которая содержит ребро, имеющее прямолинейную первую боковую стенку, прямолинейную вторую боковую стенку и режущую кромку.
Фиг.2b - схематичное изображение распределения растягивающих напряжений на одной из боковых стенок.
Фиг.3 - схематичный вид в перспективе вершины лопатки, которая содержит ребро, имеющее изогнутую первую боковую стенку, изогнутую вторую боковую стенку и режущую кромку.
Фиг.3а - схематичный вид в поперечном разрезе ребра, имеющего изогнутую первую боковую стенку, изогнутую вторую боковую стенку и режущую кромку.
Фиг.3b - схематичное изображение распределения растягивающих напряжений на одной из боковых стенок.
Фиг.4 - схематичное изображение третьего варианта лопатки.
Фиг.5 - схематичный вид в перспективе соединенных вершин двух лопаток, содержащих сопрягаемые ребра.
Фиг.6 - схематичный вид в перспективе вершины лопатки, содержащей ребро с пластинами, обеспечивающими сопряжение на концах ребра.
Фиг.7 - схематичный вид сбоку вершины лопатки, содержащей ребро с пластинами, обеспечивающими сопряжение на концах ребра.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 позицией 1 обозначена лопатка, имеющая хвостовик 2, от которого по направлению наружу продолжается хвостовая область 12. Хвостовик 2 имеет обработанные поверхности 16, которые входят в зацепление с соответствующим профилем ротора 8, благодаря чему лопатка 1 фиксируется на роторе 8 турбины под действием центробежной силы. Полка 4 выступает наружу из хвостовика 2 лопатки и хвостовой области 12 и соединена с хвостовиком 2. Перо 3 продолжается наружу от полки 4. Перо 3 имеет конец, соединенный с полкой 4 и вершинный конец. Бандаж 5 соединен с вершинным концом пера и продолжается от вершинного конца пера наружу. Бандаж содержит, по меньшей мере, одно ребро 6.
На фиг.2 показан бандаж 5, продолжающийся от вершинного конца пера 3 наружу. Бандаж 5 имеет внутреннюю поверхность 14, которая соединяется с вершинным концом пера 3, и наружную поверхность 15, которая покрывает внутреннюю поверхность 14. Боковая стенка 17, соединяющая внутреннюю поверхность 14 и наружную поверхность 15, как правило, перпендикулярна обеим поверхностям.
Лопатка также содержит, по меньшей мере, одно ребро 6, которое продолжается от бандажа 5 в радиальном направлении. Ребро 6 имеет первую боковую стенку 9 и вторую боковую стенку 10, которые отстоят параллельно друг другу и соединены с бандажом 5. Кроме того, ребро имеет режущую кромку 18, которая соединена с первой боковой стенкой 9 и со второй боковой стенкой 10, вследствие чего между боковыми стенками 9, 10, бандажом 5 и режущей кромкой 18 образуется полость. Режущая кромка 18 продолжается от первой боковой стенки 9 и второй боковой стенки 10 в радиальном направлении.
На фиг.2а схематично представлен вид в поперечном разрезе вершины лопатки, которая содержит ребро 6, имеющее прямолинейную первую боковую стенку 9, прямолинейную вторую боковую стенку 10 и режущую кромку 18. На фиг.2b схематично и упрощенно показан пример распределения 19 растягивающих напряжений в первой боковой стенке 9 ребра во время работы лопатки.
В результате действия изгибающих сил растягивающие напряжения в поперечном сечении стенки ребра не являются постоянными и возникает локальное максимальное растягивающее напряжение 19, как показано на фиг.2b. Локальное максимальное растягивающее напряжение 19 превышает среднее растягивающее напряжение 20, которое показано на фиг.2b для сравнения.
Согласно одному из вариантов осуществления изобретения режущая кромка 18 является сплошной. Согласно другому варианту осуществления изобретения режущая кромка 18 содержит охлаждающие отверстия и/или отверстия для продувки воздуха.
Согласно другому варианту осуществления изобретения бандаж 5 содержит несколько ребер, которые продолжаются наружу в радиальном направлении и параллельны друг другу, при этом, по меньшей мере, некоторые из них являются полыми и облегченными. Ребра, как правило, имеют заостренные кромки или острые кромки, которые продолжаются от наружной поверхности 15 бандажа 5 наружу. Рабочую лопатку 1 отливают целиком, ребро 6 формируется как неотъемлемая часть лопатки, при этом размер ребра, например, сравнительно с размером пера 3 составляет, как правило, менее одной десятой.
Для минимизации локальных максимумов напряжения боковые стенки 9, 10 могут быть профилированы или изогнуты соответственно линии силы, которая является результирующей сил, которые действуют на ребро 6, как показано на фиг.3. С этой целью первая боковая стенка 9 и вторая боковая стенка 10 отстоят друг от друга на участке соединения с бандажом 5 и спрофилированы таким образом, что соединяются вместе, образуя край ребра на бандаже 5.
Как показано на фиг.3, для подачи большего объема охлаждающего воздуха или продуваемого воздуха в полость ребра ширина ребра 6 может быть локально увеличена, т.е. может быть выполнено уширение 23, для подачи воздуха в центральную область ребра 6. К тому же указанное уширение 23 может способствовать повышению жесткости, поскольку в центральной области ребра возникают максимальные изгибающие моменты, вызванные действием центробежных сил, а также уменьшению локальных напряжений благодаря тому, что силы перераспределяются в пере 3 лопатки.
На фиг.3а схематично показано поперечное сечение ребра, имеющего изогнутую первую боковую стенку 9, изогнутую вторую боковую стенку 10 и режущую кромку 18. На фиг.3b показано соответствующее распределение 19 растягивающих напряжений в боковой стенке 9. В идеальном случае локальное растягивающее напряжение 19 является постоянным и равно среднему растягивающему напряжению 20 в боковой стенке.
Согласно одному из вариантов осуществления изобретения первая боковая стенка 9 и вторая боковая стенка 10 изогнуты так, что при работе лопатки линия результирующей центробежных сил и изгибающих сил, действующих на режущую кромку 18, первую боковой стенку 9 и вторую боковую стенку 10, ориентируется таким образом, чтобы локальное максимальное растягивающее напряжение составляло менее 1,3 среднего растягивающего напряжения. Предпочтительно изгиб стенок оптимизирован так, чтобы локальное максимальное растягивающее напряжение составляло менее 1,1 среднего растягивающего напряжения.
Согласно одному из вариантов осуществления изобретения первая боковая стенка 9 и вторая боковая стенка 10 изогнуты так, что при работе лопатки линия результирующей центробежных сил и изгибающих сил, действующих на режущую кромку 18, первую боковую стенку 9 и вторую боковую стенку 10, ориентируется параллельно радиусу кривизны соответствующей боковой стенки 9 или 10.
На фиг.4 показана «равностенная» полость, образованная в ребре. Указанная «равностенная» полость продолжается от первого конца 13 ребра вдоль ребра 6 до его второго конца 11 в круговом направлении. Термин «равностенная» в этом контексте означает, что толщина боковых стенок 9, 10 ребра является, в общем, постоянной. Стенки имеют постоянную толщину в радиальном направлении, по меньшей мере, до 50% высоты боковых стенок. Например, стенки могут иметь постоянную толщину до 80% или даже до 90% и более высоты боковых стенок 9, 10.
Ребро 6 выполнено полым за счет удаления по длине ребра 6 материала, окружающего его нейтральную ось, благодаря чему снижается вес и образуется полость, продолжающаяся от первого конца 13 или от второго конца 11 или от обоих концов ребра.
На фиг.5 показаны сопряженные бандажи с полыми ребрами 6 смежных лопаток. Бандажи с полыми ребрами 6 имеют достаточную жесткость для выполнения сопряжения смежных лопаток. Удаление материала вокруг нейтральной оси ребра незначительно влияет на жесткость, или это влияние компенсируется небольшим увеличением наружного размера ребра, при этом благодаря образованию полости обеспечивается большой положительный эффект, поскольку снижается вес ребра 6 и общий вес рабочей лопатки 1.
Полость в ребре 6 может продолжаться от первого конца 13 до второго конца 11 ребра.
Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения, представленному на фиг.6, пластина 21, обеспечивающая сопряжение, закрывает ребро 6 на первом периферийном конце 13 и/или на втором периферийном конце 11 ребра 6.
Кроме того, как показано на фиг.6 и 7, охлаждающие отверстия 22 могут быть предусмотрены, по меньшей мере, на одной из боковых стенок 9, 10. Указанные отверстия обеспечивают охлаждение ребра.
Согласно одному из вариантов осуществления изобретения рабочие лопатки 1 изготавливают литьем. Способ включает формирование восковой модели рабочей лопатки 1 и изготовление покрытого обычным глиноземом или кремнеземом основного керамического стержня.
Согласно одному из вариантов осуществления изобретения полость ребра может быть выполнена посредством водоструйной резки, эрозионной обработки, лазерной обработки и посредством любого их сочетания.
Согласно одному из вариантов осуществления изобретения рабочие лопатки 1 изготавливают штамповкой монолитной металлической заготовки, а полость в ребре 6 образуют посредством механической обработки.
Ребро 6 бандажа 5 выполняется полым и облегченным, без нарушения размеров и скорости вращения лопатки с достаточным модулем продольного сечения, в результате чего можно создать облегченную лопатку 1, обладающую высокой эффективностью.
Как правило, нейтральная ось при изгибе ребра перпендикулярна центробежным силам, действующим на ребро при работе лопатки.
Настоящее изобретение применимо для лопаток задних ступеней, в частности для лопаток последней ступени. В случае необходимости для увеличения сцепляемой поверхности концы могут быть закрыты пластиной с применением различных технологических методов, подобных пайке твердым припоем, сварке и т.д. При уменьшении центробежных сил значительно увеличивается срок службы лопатки в области ползучести.
Многочисленные модификации и усовершенствования настоящего изобретения будут очевидны специалистам в данной области техники, при этом подразумевается, что нижеследующая формула изобретения охватывает все подобные модификации и усовершенствования, не выходящие за рамки объема изобретения.
Перечень ссылочных позиций
1 Лопатка
2 Хвостовик
3 Перо
4 Полка
5 Бандаж
6 Ребро
7 Сопрягаемая поверхность
8 Ротор
9 Первая боковая стенка
10 Вторая боковая стенка
11 Второй конец
12 Хвостовая область
13 Первый конец
14 Внутренняя поверхность
15 Наружная поверхность
16 Обработанная поверхность
17 Боковая стенка полки
18 Режущая кромка
19 Результирующее локальное напряжение в боковой стенке во время работы лопатки
20 Среднее напряжение в боковой стенке во время работы лопатки
21 Пластина, обеспечивающая сопряжение
22 Охлаждающее отверстие и/или отверстие для продувки воздуха
23 Уширение для протока воздуха