ЛОПАТОЧНЫЙ АППАРАТ
BLADE DEVICE

Изобретение относится к лопаточному аппарату в соответствии с ограничительной частью п.1 формулы.
Такие лопаточные аппараты наилучшим образом известны из обширного уровня техники. Известные лопаточные аппараты используются как для рядов направляющих лопаток, так и для рядов направляющих лопаток компрессоров, причем в ободе выполнен периферийный паз для размещения всех лопаток ряда. Их закрепление в периферийном пазу осуществляется с помощью соединения с геометрическим замыканием в форме молотка или ласточкина хвоста за счет того, что соответственно выполненные ножки лопаток охватывают сзади выступы на боковых стенках удерживающего паза. Для надежного натяга лопаток в удерживающем пазу без люфтов и с малым износом известно, что между нижней стороной ножки лопатки и дном паза помещаются опоры в виде призматических шпонок, пружинящих элементов в форме спиральной пружины или разрезанной вдоль или поперек зажимной втулки. Таким образом, можно компенсировать имеющиеся в радиальном направлении монтажные и технологические люфты между лопаткой и пазом, что обеспечивает простые изготовление и монтаж. Проблема в том, что люфты в радиальном направлении могут вызвать трудности при обеспечении допусков в направлении периферии паза. Поэтому известно, что для настройки радиальных зазоров между вершиной брюшка лопатки и непосредственно противоположным ей ограничением канала концы профиля прошлифовываются или за счет обточки доводятся до нужного размера, причем тем временем установленные в пазу лопатки выдавлены наружу. Несмотря на это, нередко возникает проблема достижения возможности простых монтажа и демонтажа лопаток и опор при небольших производственных издержках.
Задачей изобретения является создание лопаточного аппарата, который обеспечивал бы долговременное и одновременно надежное закрепление лопаток в периферийном пазу при простых монтаже и демонтаже.
Эта задача решается посредством лопаточного аппарата с признаками п.1 формулы. Предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в зависимых пунктах, которые можно комбинировать между собой произвольным образом.
Согласно изобретению предусмотрено, что каждый элемент выполнен в виде пластины, в проекции брюшка лопатки в направлении дна паза имеет, по меньшей мере, один, расположенный под брюшком лопатки желобок для прижатия лопатки в пазу и в продольном направлении удерживающего паза лишь частично закрыт прижатой элементом ножкой лопатки.
С помощью предложенного элемента возможно, чтобы он имел особенно подходящую форму, которая обеспечивает локально пружинящую опору, а в другом локальном месте - жестко действующую опору. К тому же элемент можно, с одной стороны, особенно просто изготавливать, а, с другой стороны, в то же время - особенно просто монтировать и демонтировать. Придающее жесткость действие создается одним или несколькими желобками. Возможность простых монтажа и демонтажа достигается за счет того, что в продольном направлении удерживающего паза соответствующий элемент лишь частично закрыт прижатой им ножкой лопатки. Таким образом, всегда выдается участок элемента, который особенно легко доступен для демонтажного инструмента. Кроме того, пластинчатая геометрия элемента обеспечивает компактные конструкцию и расположение лопаток.
Особенно предпочтителен вариант, в котором в удерживающем пазу между каждыми двумя лопатками помещена цельная или составная проставка, которая не закрытой ножкой лопатки частью элемента прижата к выступам. В этом случае лопатки, проставки и элементы присутствуют в одинаковом количестве, продольная протяженность элементов равна продольной протяженности ножки лопатки и проставки. Монтаж элементов осуществляется со смещением по отношению к проставкам и лопаткам, так что элемент, если смотреть в продольном направлении удерживающего паза, проходит полностью под ножкой лопатки и частично под обеими, соседними с ножкой лопатки проставками. Следовательно, каждая проставка прижата двумя элементами к выступам удерживающего паза.
Преимущественно элементы выполнены таким образом, что соответствующие проставки прижимаются к выступам с меньшим усилием, чем ножка лопатки, прижатая соответствующим элементом к выступам. В частности, это позволяет особенно предпочтительно использовать различную жесткость элемента для различных требований. Для монтажа проставок желательно меньшее пружинящее усилие элемента, поскольку при эксплуатации на проставку также не воздействуют высокие усилия. Напротив, зажатые в ободе лопатки подвержены при эксплуатации силам течения. Это требует надежного закрепления лопаток на ободе, что, в свою очередь, требует большего прижимного усилия. Большее прижимное усилие достигается за счет локально большей жесткости элемента. Она вызвана выполненным/выполненными в элементе желобком/желобками.
В случае более жесткой опоры лопатки для монтажа и последующей эксплуатации могут использоваться функциональные принципы предпочтительно разного действия. Во-первых, предусмотрена локальная пластификация материала желобка для компенсации производственных допусков при монтаже. Во-вторых, предусмотрено использование остаточной упругости для восприятия затем эксплуатационных сил. С этой целью для элемента применяется материал, отличающийся относительно высоким отношением параметра максимального предела прочности при растяжении (Rmax) к пределу текучести (RP0.2) (Rmax/Rp0.2>1,5), причем при выборе материала предел текучести должен быть одновременно достаточно высоким для эксплуатационной силы.
Локально более жесткий участок элемента выполняется преимущественно в виде желобка. Особенно предпочтительно его выполнение таким образом, что возникает ломаная кривая в характеристике сила-путь. За счет этого гарантируется остаточная упругость в широком диапазоне для восприятия эксплуатационных сил. Это может быть достигнуто с помощью первой геометрической формы желобка, при которой элемент имеет толщину s, а желобок имеет в сечении ширину b, а также два выпуклых участка радиусом R2 и расположенный между ними вогнутый участок радиусом R1 с длиной а хорды, для которых справедливо:
R1>1,5s,
3R2>R1<0,7R2,
10b-1,7b>a.
Вторая геометрическая форма желобка с аналогичными свойствами достигается в том случае, если R1>5s, 3R2>R1 и a <0,9b.
Третья геометрическая форма желобка в качестве комбинации первых двух геометрических форм с аналогичными свойствами приводит к двойному желобку, который имеет увеличенный упругий участок.
Преимущественно желобки выполнены в элементе таким образом, что они в проекции брюшка лопатки в направлении дна паза расположены под брюшком лопатки. Другими словами: поскольку элементы расположены вдоль периферийного паза всегда со смещением относительно лопаток, желобки выполнены, в принципе, на внутреннем участке элемента или на его краю. Это обеспечивает простые монтаж и демонтаж элементов.
Далее элемент имеет на своем не закрытом ножкой лопатки участке предпочтительно, по меньшей мере, одно отверстие. В него может быть вставлен демонтажный крюк или инструмент для демонтажа элемента из его рабочего положения.
Возможность простого монтажа элемента достигается тогда, когда на дне удерживающего паза или на нижней стороне ножки лопатки выполнен проходящий вдоль удерживающего паза демонтажный паз. При демонтаже в это место можно относительно просто упереть скользящий молоток, а при монтаже вдавливание элемента между лопаткой и пазом упрощается за счет толкателя.
Целесообразно, если элемент в проекции брюшка лопатки в направлении дна паза (радиальная видимая ось), в основном, прямоугольный внешний контур. В этой проекции элемент лишь наполовину закрыт прижатой им лопаткой. Элементы с таким контуром особенно недороги и просты в изготовлении.
Особенно предпочтителен вариант, в котором отогнута, по меньшей мере, одна продольная кромка элемента, которая прилегает с натягом к соответственно выполненным ножкам лопаток. При использовании проставок в лопаточном аппарате отогнутые продольные кромки могут прилегать с натягом также к соответственно выполненным проставкам. Благодаря этому лопатки выверяются не только на основе геометрических форм паза и ножек, но и с помощью соответствующей соседней детали - лопатки или проставки. Этот признак служит для предпочтительного снижения контактного износа.
Далее элемент имеет, по меньшей мере, на одном краю предпочтительно, по меньшей мере, один дополнительный желобок для придания локальной жесткости и ведения элемента в направляющем пазу. Этот дополнительный желобок на краю, преимущественно на поперечной кромке, может упростить монтаж, поскольку в это место локальной жесткости можно упереть толкатель для забивания/вдавливания элемента между нижней стороной ножки лопатки и дном паза, что исключает локальное изгибание элемента при последующем забивании.
Особенно предпочтителен вариант, в котором желобок выполнен в виде внутреннего желобка во внешнем желобке, по меньшей мере, частично окружающем его. Этот называемый двойным желобок обеспечивает дальнейшее увеличение упругого участка элемента. Точно так же возможно использование тройных или даже n-ых желобков, у которых соответствующее число желобков расположено изнутри наружу как бы или иерархически.
Особенно предпочтителен вариант, в котором лопаточный аппарат используется в компрессоре газовой турбины с осевым протеканием либо для венца рабочих и/или направляющих лопаток. Это обеспечивает надежную и особенно эффективную эксплуатацию газовой турбины, поскольку в этом варианте радиальные зазоры между вершинами брюшек лопаток и противоположной стенкой проточного канала компрессора можно выполнить особенно маленькими.
Изобретение более подробно поясняется на нескольких, не ограничивающих его примерах осуществления, со ссылкой на прилагаемые чертежи. При этом указаны дальнейшие признаки и преимущества. На чертежах изображают:
фиг.1 - частичный продольный разрез газовой турбины;
фиг.2 - вид сверху на фрагмент лопаточного аппарата в первом выполнении;
фиг.3 - сечение лопаточного аппарата из фиг.2 по линии III-III;
фиг.4 - продольный разрез фрагмента лопаточного аппарата из фиг.2 по линии IV-IV;
фиг.5, 6 - сечения лопаточного аппарата аналогично линии IV-IV во втором и третьем выполнениях;
фиг.7 - сверху на фрагмент лопаточного аппарата в четвертом выполнении (без проставок);
фиг.8, 9 - два варианта четвертого выполнения из фиг.7 в сечении по линии III-III;
фиг.10 - сверху на фрагмент лопаточного аппарата в пятом выполнении (без проставок);
фиг.11, 12 - два варианта пятого выполнения из фиг.7 в сечении по линии III-III;
фиг.13 - диаграмма сила-упругость;
фиг.14, 15 - сечение элемента с желобками разных геометрических форм;
фиг.16 - сечение желобка в виде двойного желобка.
На чертежах идентичные признаки обозначены одинаковыми ссылочными позициями.
На фиг.1 в продольном частичном разрезе изображена стационарная газовая турбина 10. Внутри нее с возможностью вращения вокруг оси 12 установлен ротор 14. Вдоль него друг за другом последовательно установлены всасывающий корпус 16, осевой турбокомпрессор 18, тороидная кольцевая камера сгорания 20 с несколькими расположенными вращательно-симметрично по отношению друг к другу горелками 22, турбинный блок 24 и корпус 26 для выпуска ОГ.
Осевой турбокомпрессор 18 включает в себя кольцеобразный канал с последовательно расположенными в виде каскада ступенями из венцов рабочих и направляющих лопаток. Свободно заканчивающиеся вершины 29 брюшек расположенных на роторе 14 рабочих лопаток 27 противоположны внешней стенке 42 канала. В него направлены также направляющие лопатки 25, закрепленные на внешней стенке 42 канала или на ободе. Канал заканчивается через выходной диффузор 36 в полости 38. В ней предусмотрена кольцевая камера сгорания 20 с ее камерой сжигания 28, которая сообщена с кольцеобразным каналом 30 турбинного блока 24 для горячего газа. В турбинном блоке 24 друг за другом расположены четыре ступени 32. К ротору 14 присоединен генератор или приводной двигатель (ни тот, ни другой не показаны).
При работе газовой турбины 10 осевой турбокомпрессор 18 всасывает через всасывающий корпус 16 окружающий воздух 34 в качестве сжимаемой среды и сжимает его. Сжатый воздух направляется через выходной диффузор 36 в полость 38, откуда он попадает в горелки 22. Через них в камеру сжигания 28 попадает также топливо. В ней топливо с добавлением сжатого воздуха сжигается в горячий газ М. Горячий газ М течет затем в канал 30, где он расширяется на лопатках турбинного блока 24, совершая работу. Высвобожденная тем временем энергия поглощается ротором 14 и используется, с одной стороны, для привода осевого турбокомпрессора 18, а, с другой стороны, для привода рабочей машины или электрогенератора.
На фиг.2 при виде сверху изображен фрагмент лопаточного аппарата 40, у которого схематично показаны лишь две лопатки 25, 27 с расположенной между ними проставкой 44 и двумя расположенными под ними элементами 46. На лопатках 25, 27 схематично показаны брюшко 48 и ножка 50. Вид сверху показан в радиальном направлении газовой турбины 10, т.е. от брюшка лопатки в направлении ее ножки. На фиг.2 не показаны обод и выполненный в нем удерживающий паз. Элементы 46 имеют прямоугольный внешний контур и выполнены в виде пластины. В первом примере (фиг.2) ножки 50 лопаток 25 27 и сами лопатки 25, 27 лопаточного аппарата расположены наискось к продольной протяженности удерживающего паза или периферийному направлению U. Такое расположение типично для рабочих лопаток.
Каждый элемент 46 имеет два желобка 52 и два отверстия 54. Длина элементов 46 в периферийном направлении U равна сумме длин ножки 50 лопатки и проставки 44. Однако элементы 46 расположены посередине под соответствующей лопаткой 25, 27, так что два соседних элемента 46 своими противоположными концами заканчиваются посередине под проставками 44.
На фиг.3 изображено сечение ножки 50 лопатки 25, 27 и обода 56 по линии III-III. Брюшко лопатки на фиг.3 (а также на фиг.5, 6, 8, 9, 11 и 12) не показано. В ободе 56 выполнен удерживающий паз 58, в который с геометрическим замыканием вставлены лопатки 25, 27, а именно их ножки 50. Для создания геометрического замыкания боковые стенки 60 удерживающего паза 58 имеют проходящие вдоль выступы 62, которые образуют поднутрения 64. В них входят ответные молоткообразные участки 66 ножек.
Между нижней стороной 68 ножки и дном 70 удерживающего паза 58 зажат элемент 46. Кроме того, в дне 70 выполнен проходящий вдоль удерживающего паза 58 демонтажный паз 72. Он служит для упора демонтажного инструмента, например скользящего молотка.
Толщина S элемента 46 (фиг.14) меньше размера зазора между нижней стороной 68 ножки лопатки и дном 70 удерживающего паза. Желобки 52, выполненные в элементе 46 глубокой вытяжкой или выдавливанием, увеличивают его высоту Н сверх размера зазора, так что ножка 50 лопатки прижимается к выступам 62. Это приводит к однозначному определенному положению лопаток 25, 27 в удерживающем пазу 58.
На фиг.4 изображен продольный разрез выполнения из фиг.2 по линии IV-IV. В изображенном на фиг. 2-4 выполнении лопаточного аппарата 40 речь идет о фрагменте венца направляющих лопаток компрессора 12 газовой турбины 10. В соответствии с этим обод 56 образован диском ротора, а лопатки 25, 27 выполнены в виде рабочих лопаток.
Элементы 46 выполнены, в основном, плоскими и, следовательно, не повторяют кривизну удерживающего паза 58. За счет этого элементы 46 своим средним участком, на котором выполнены желобки 52, с большим усилием прижимают друг к другу нижнюю сторону 68 ножки лопатки и дно 70 удерживающего паза. Из-за плоского выполнения элементов 46 и криволинейного удерживающего паза 58 примыкающие к поперечным кромкам 82 участки элементов 46 подпружиненно прилегают к нижним сторонам проставок 44 с меньшим усилием. Следовательно, из-за локально разной жесткости элемент 46 прижимает проставки 44 и лопатки 25, 27 к выступам 62 удерживающего паза 58 с разными усилиями.
Второе выполнение лопаточного аппарата 40 изображено на фиг.5. На ней показано, в основном, сечение из фиг.3. При этом на фиг.3 и 5 идентичные признаки обозначены теми же ссылочными позициями. Для описания фиг.5 следует в самой значительной степени сослаться на описание фиг.3. Согласно второму выполнению продольные кромки 74 элемента 46 отогнуты к отверстию удерживающего паза 58. Отогнутые продольные кромки 74 (фиг.2) прилегают с натягом к фаскам 76 нижней стороны ножки лопатки. Поскольку проставки 44 выполнены аналогично ножкам 50 лопаток 25, 27, лежащие под проставкой 44 участки продольных кромок 74 элемента 46 прилегают к соответствующим фаскам также с натягом. Отогнутые продольные кромки 74 элемента 46 и прилегание элементов 46 к ножкам 50 лопаток и проставкам 44 создают соединение соседних деталей - ножки 50 лопатки и проставки 44 - с геометрическим замыканием, которое улучшает их ориентирование и уменьшает контактный износ между деталями.
Третье выполнение лопаточного аппарата 40 схематично изображено на фиг.6. Также на фиг.6 показано, в основном, такое же сечение, что и на фиг.3, так что идентичные признаки обозначены теми же ссылочными позициями. В отличие от выполнения на фиг.3 в выполнении на фиг.6 на нижней стороне 68 ножки лопатки выполнен сравнительно широкий, однако небольшой глубины паз 78, проходящий в продольном направлении удерживающего паза 58. Паз 78 служит для размещения элемента 46, так что глубина паза 78, в основном, соответствует толщине s элемента 46. Продольные кромки 74 элемента 46 (фиг.2) прилегают к наклонным боковым стенкам паза 78. Так же, как и у ножки 50 лопатки, на нижней стороне проставок 44 выполнен паз 78, так что продольные кромки 74 элемента 46 прилегают к боковым стенкам выполненного в проставке 44 паза 78. Одновременное прилегание элементов 46 к лопатке 25, 27 и проставке 44 вызывает соединение соседних деталей лопаточного венца, что уменьшает износ, в частности контактный износ. На фиг.5 и 6 лопатки выполнены в виде рабочих лопаток 27.
На фиг.8 и 9 аналогично сечению на фиг.3 изображено сечение лопаточного аппарата 40. В противоположность описанным выше выполнениям лопаточные аппараты на фиг.7-9 выполнены в виде венцов направляющих лопаток, а не рабочих лопаток. За счет этого контуры сечений удерживающего паза 58 и ножки 50 лопатки незначительно отличаются. Другое отличие от описанных выше выполнений заключается в том, что между соседними направляющими лопатками 25 проставки 44 отсутствуют. В соответствии с этим лопатки 25, как показано на фиг.7, прилегают друг к другу плашмя и без регулировки ножек 50. В этом случае элементы 46 расположены под каждой парой соседних лопаток 25 соответственно наполовину. Из этого следует, что придающие жесткость желобки 52 выполнены не на внутреннем участке элемента 46, а на двух противоположных поперечных кромках 82. В остальном первый вариант четвертого выполнения на фиг.8 имеет такую же конструкцию, что и второе выполнение на фиг.5 с отогнутыми продольными кромками 74 элемента 46. Второй вариант четвертого выполнения на фиг.9, в основном, соответствует третьему выполнению на фиг.6, в котором элемент 46 большей частью утоплен в паз 78 на нижней стороне 68 ножки лопатки.
На фиг.10 при виде сверху изображен лопаточный аппарат 40 в пятом выполнении с двумя вариантами в сечении на фиг.11, 12. Пятое выполнение базируется, в основном, на первом выполнении на фиг.2. Однако дополнительно к выполненным на внутреннем участке элемента 46 желобкам 52 на поперечных кромках 82 предусмотрены желобки 86 аналогично четвертому выполнению на фиг.7. Использование дополнительных желобков 86 на краю позволяет при расположении элемента 46 между нижней стороной 68 ножки лопатки и дном 70 паза надежно избежать изгибания элемента 46. В то же время дополнительные желобки 86 входят либо в демонтажный шов 72 (фиг.11), либо в выполненный на нижней стороне ножки лопатки шов 78 (фиг.12) для ориентирования или ведения элементов 46.
На фиг.14, 15 изображено выполнение элемента 46 в сечении по линии III-III из фиг.2. В противоположность элементу 46 на фиг.2 здесь предусмотрен только один желобок 52, а не два. Он имеет два выпуклых Х и расположенный между ними вогнутый V участки. Выпуклые участки Х имеют радиус R2, а вогнутый участок V - радиус R1. Вогнутый участок V имеет длину а хорды, причем желобок 52 имеет ширину b. Чтобы получить желобок 52 с зоной пластической деформации с более высокими нагрузочным усилием и модулем упругости, а также зоной упругой деформации с более низким модулем упругости, предложены два варианта элемента. Первый вариант достигается тогда, когда R1>1,5s, 3R2>R1>0,7R2 и 10b-1,7b>a.
Например, параметры могут иметь следующие размеры:
R1=2 мм; R2=2 мм; s=1 мм; a=3,5 мм и b=10 мм.
Второй вариант элемента 46 предусматривает, что R1>5s, 3R2<R1 и a<0,9b.
Например, параметры могут иметь следующие размеры:
R1=20 мм; R2=2 мм; s=1 мм; a=6 мм и b=10 мм.
С помощью показанного выполнения возможно, чтобы участок V представлял собой зону пластической деформации с более высокими нагрузочным усилием и модулем упругости, а участки Х представляли собой зону упругой деформации с более низким модулем упругости, как это показано также на фиг.13.
На фиг.16 изображено сечение желобка особой геометрической формы. Речь идет о составном желобке 55, у которого внутренний желобок 55i окружен одним или несколькими желобками 55a. Желобки 55i, 55а составного желобка 55 расположены как бы штабелем или иерархически с общей серединой М. Составной желобок 55 представляет собой двойной желобок. Это означает, что на принципиально вогнутом участке Va первого (внешнего) желобка 55а выполнен второй (внутренний) желобок 55i. По сравнению с приведенными выше геометрическими формами, которые можно назвать также одинарными желобками, эта комбинация желобков обладает повышенной упругостью, благодаря чему ножки 50 лопаток, при необходимости, проставки 44 и удерживающий паз 58 могут иметь большие производственные допуски. Желобок на фиг.6 имеет, например, следующие размеры:
a
a
i
i
R20=20 мм; R1.2=2 мм; R2=2 мм; b=11 мм; a=b=7,4 мм, R3=2 мм и a=3,2 мм.
В общем, изобретение относится к лопаточному венцу 40 с ободом 56 и выполненным в нем удерживающим пазом 58, который имеет на своих боковых стенках 60 проходящие вдоль выступы 62, образующие поднутрения 64, и в который помещено определенное число лопаток 25, 27, образующих лопаточный венец турбомашины, причем каждая лопатка 25, 27 помимо брюшка 48 имеет для закрепления молоткообразную, входящую в поднутрения 64 ножку 50 и прижата к выступам 62 посредством элемента 46, расположенного между нижней стороной 68 ножки лопатки и дном 70 удерживающего паза 58. Чтобы достичь особенно надежного, долговременного и малоизнашивающегося закрепления, которое обеспечивало бы особенно простые монтаж и демонтаж, предусмотрено, что каждый элемент 46 выполнен пластинообразным, в проекции брюшка 48 лопатки в направлении дна 70 удерживающего паза 58 имеет, по меньшей мере, один, выполненный под брюшком 48 лопатки желобок 52 для прижатия и в продольном направлении удерживающего паза 58 лишь частично закрыт прижатой им ножкой 50 лопатки.