ПАКЕТЫ РАБОЧИХ ЛОПАТОК С КОМБИНИРОВАННЫМИ ХВОСТОВИКАМИ
PACKAGES OF WORKING BLADES WITH COMBINED SHANKS

Изобретение относится к теплоэнергетике, к проектированию пакетов рабочих лопаток паровых и газовых турбин.
Пакеты рабочих лопаток используются в высоконагруженных ступенях, прежде всего с парциальным подводом пара, который приводит к увеличенным динамическим нагрузкам на лопатки и диски. Допустимое напряжение от изгиба не должно превышать 25 МПа, в то время как в ступени без парциального подвода предельное значение напряжений равно 40 МПа. Для понижения динамических напряжений используются цельнофрезерованные или сварные пакеты рабочих лопаток.
За прототип принимаем сдвоенные пакеты с Т-образными хвостовиками (Баринберг Г.Д. и др. «Паровые турбины и турбоустановки Уральского турбинного завода". Екатеринбург, «Апри». 2007. 460 с. Рис. 4.63). Его недостатками являются:
- Замковый сдвоенный пакет имеет 4 заклепки, расположенные достаточно близко, что вызывает повышенную концентрацию напряжений в хвостовике и диске.
- При каждом ремонтном переоблопачивании (обычно один раз в 4-5 лет) отверстия под заклепки увеличиваются и сближаются, что приводит к еще большей концентрации напряжений. После 3-4 ремонтов необходимо менять диск или применять ремонтные спецпакеты.
- Количество лопаток в пакете невозможно увеличивать, так как в замковой лопатке проблема с близко расположенными отверстиями под заклепки только усугубляется.
Целью данного изобретения является разработка новой конструкции пакетов рабочих лопаток, не имеющих перечисленных недостатков или с существенно уменьшенным их влиянием, что достигается комбинированием хвостовиков типа Т с радиальной установкой и тангенциальной заводкой (Т-образный или грибовидный, или зубчиковый) с хвостовиками типа В, образованными удалением опорных поверхностей в хвостовике типа Т.
Рассмотрим варианты расположений хвостовиков типа Т и типа В в пакете:
1. Т+В и ему симметричный В+Т
2. Т+В+Т
3. Т+В+Т+В и ему симметричный В+Т+В+Т
4. В+Т+В+Т+В
5. Т+В+Т+В+Т и др.
Даже первый вариант пакета с двумя лопатками имеет преимущества с прототипом, так как будет иметь две одиночные вильчатые замковые лопатки и отверстия под заклепки будут расположены на значительном расстоянии.
Рассмотрим подробно второй вариант на примере Т-образного хвостовика. Во-первых, увеличено количество лопаток в пакете до трех. На фиг. 1а показано расположение пакетов по окружности, лопатки и диск не показаны, в хвостовиках типа В заклепки показаны окружностями, хвостовики внутри пакета разделены штриховыми линиями. При этом используются две вильчатые замковые лопатки 1. Пакет Т+В+Т изготовляется из цельнофрезерованных или сварных трех лопаток с Т-образными хвостовиками. Как было указано, хвостовик средней лопатки превращается в хвостовик типа В удалением опорных поверхностей. Для установки такого пакета кроме основного паза 2 для вильчатой замковой лопатки необходимо через шаг от нее выполнить дополнительный паз 3 для радиальной установки второго хвостовика типа Т пакета. Симметрично выполняются такие же пазы с противоположной стороны диска. Таким образом, необходимо выполнить четыре паза для радиальной установки пакетов.
При сборке хвостовики типа Т пакета радиально устанавливаются в пазы 2 и 3, а затем передвигаются в окружном направлении до нужного места. Так как два хвостовика типа Т пакета устанавливаются одновременно, то пазы 3 необходимо выполнить несимметричными с дополнительным срезом угла Δα (фиг. 1б). Дополнительный угол среза для пакета с m хвостовиками типа Т и общим количеством лопаток z на диске рассчитывается по формуле: Δα=(m-1/2)×360/z, то есть для данного случая при z=98 получаем Δα=5,51 градуса. Это обстоятельство ограничивает количество хвостовиков типа Т пакета, но с учетом большого количества лопаток z на диске угол вполне допустим.
Когда установлены все пакеты, устанавливаются две вильчатые замковые лопатки 1 с соответствующим натягом по окружности. Так как по соседству с вильчатой замковой лопаткой находится лопатка с хвостовиком типа Т пакета, то отверстие под заклепку можно увеличивать, не выполняя углубление паза, которое ослабляет диск. Для более надежного крепления вильчатую замковую лопатку рекомендуется выполнить с боковыми выступами для соединения с соседними пакетами, как по хвостовику, так и по бандажу.
Отметим, что хвостовики вильчатых замковых лопаток полностью заполняют пазы, в то время как хвостовики типа В пакета имеют толщину, равную толщине шейки хвостовика типа Т, но этого достаточно, так как пакеты рабочих лопаток в основном применяются для регулирующих ступеней с парциальным подводом пара, имеющих относительно небольшую высоту и соответственно небольшие центробежные силы. Поэтому во многих случаях заклепку на среднюю лопатку пакета можно не ставить, а центробежная сила от нее распределится на соседние два хвостовика типа Т. Основное назначение пакетов - восприятие неравномерной осевой и тангенциальной нагрузки от парциального подвода пара. Чем больше лопаток в пакете, тем более равномерно перераспределится нагрузка. При количестве хвостовиков типа В в пакете больше одного заклепку можно ставить только на одном хвостовике для фиксации в тангенциальном направлении.
Если сдвоенные пакеты при рабочих оборотах могут иметь ослабление натяга и даже зазоры в окружном направлении, что приводит к повышению динамических напряжений, то предлагаемый пакет будет жестко закреплен в хвостовике типа В и в меньшей мере зависит от качества сборки.
Отметим некоторые особенности других пакетов. Чем больше лопаток в пакете, тем он более надежен. Недостаток вариантов с количеством хвостовиков типа В в пакете больше одного в том, что в заклепках при рабочем числе оборотов будут действовать тангенциальные усилия, которые можно уменьшить, выполнив радиальные лыски в заклепках или овальные отверстия в диске с меньшей осью по радиусу. Эти приемы могут уменьшить напряжения, возникшие от вращения. С другой стороны, в замковых лопатках прототипа эти напряжения присутствуют и никаких конструктивных приемов по их уменьшению не применяется. Для обеспечения симметрии можно применить комбинацию пакетов, например из вариантов Т+В и В+Т+В+Т+В, таким образом, чтобы возле вильчатых замковых лопаток находились хвостовики типа Т пакетов. Для вариантов Т+В и Т+В+Т+В необходимо пакеты располагать симметрично от каждой вильчатой замковой лопатки, при этом на стыке пакетов сойдутся две лопатки с хвостовиками типа В. На фиг. 2 показано расположение пакетов для варианта Т+В+Т+В. В этом случае, а также других подобных необходимо на два соседних хвостовика типа В устанавливать между ними одну заклепку 4 увеличенного диаметра, остальные позиции обозначают те же элементы (фиг. 2).
Достоинства предложенной конструкции пакетов с комбинированными хвостовиками:
- Количество лопаток в пакете больше двух, что приводит к более равномерному распределению паровой нагрузки при парциальном подводе и повышает надежность облопачивания.
- Отверстия в диске располагаются на значительном расстоянии (через лопатку), что уменьшает концентрацию напряжений и повышает ремонтопригодность дисков и роторов.
- Пакет рабочих лопаток фиксируется от тангенциального смещения заклепкой, что предотвращает его смещение и уменьшает ударные нагрузки при парциальном подводе.