ТУРБИННАЯ ЛОПАТКА (ВАРИАНТЫ) И РОТОР
TURBINE BUCKET (VERSIONS) AND ROTOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Варианты выполнения данного изобретения, в целом, относятся к турбинным лопаткам и роторам и, в особенности, к турбинным лопаткам, имеющим, помимо прочего, выполненные за одно целое бандажные части и основания взаимодополняющей формы, способные повысить жесткость и демпфирующие свойства с одновременным уменьшением вибрационного напряжения.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] Использование турбинных лопаток, например, таких, как раскрытые в документе US 4714410 А, широко распространено в промышленности. При этом турбинные лопатки, особенно лопатки, которые работают при высоких скоростях и/или испытывают действие высоких нагрузок, подвергаются воздействию напряжений, включая вибрационное напряжение, которые могут снизить общую эффективность турбины, уменьшить срок службы турбинных лопаток или других компонентов ротора, а в некоторых случаях привести к разрушению самой турбинной лопатки и/или других компонентов ротора. По существу, турбинные лопатки, обладающие улучшенной жесткостью или улучшенными демпфирующими свойствами или подвергающиеся уменьшенному вибрационному напряжению, в целом, способны работать при более высоких скоростях и/или выдерживать более высокие нагрузки и демонстрируют улучшенную эффективность и увеличенный срок службы.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0003] Целью изобретения является создание турбинных лопаток, обладающих улучшенной жесткостью или улучшенными демпфирующими свойствами или подвергающихся уменьшенному вибрационному напряжению, в целом, которые способны работать при более высоких скоростях и/или выдерживать более высокие нагрузки и демонстрировать улучшенную эффективность и увеличенный срок службы. Указанная цель достигается посредством предложенных турбинных лопаток, которые в состоянии, когда ротор собран, обеспечивают посадку с натягом. В одном аспекте изобретения предлагается турбинная лопатка, содержащая удлиненную лопасть, имеющую закрученную конфигурацию относительно продольной оси, причем удлиненная лопасть имеет переднюю поверхность и заднюю поверхность, основание, расположенное на ближнем к месту крепления конце удлиненной лопасти и имеющее по существу плоский элемент, проходящий по существу перпендикулярно продольной оси удлиненной лопасти, выступ, расположенный на задней поверхности указанного плоского элемента и поддерживающий часть ближнего к месту крепления конца удлиненной лопасти, проходящей за пределы указанного плоского элемента вследствие закрученной конфигурации фасонной части, которая расположена на передней поверхности указанного плоского элемента и форма которой, по существу, является взаимодополняющей для формы выступа, и элемент для пазового соединения, расположенный на поверхности плоского элемента, противоположной удлиненной лопасти, причем указанный элемент для пазового соединения расположен ближе к передней поверхности, чем задней поверхности плоского элемента, и бандажный элемент, расположенный на периферическом конце удлиненной лопасти, проходящий, по существу, перпендикулярно продольной оси удлиненной лопасти и имеющий переднюю поверхность и заднюю поверхность, при этом формы передней и задней поверхностей являются, по существу, взаимодополняющими. В одном варианте продольная ось бандажного элемента, по существу, перпендикулярна продольной оси плоского элемента. В одном варианте на передней поверхности бандажного элемента имеется впадина, а на задней поверхности бандажного элемента имеется заострение, по существу, взаимодополняющее по форме впадину. В одном варианте бандажный элемент при раскручивании удлиненной лопасти может перемещаться в направлении, противоположном направлению, в котором удлиненная лопасть закручена вокруг ее продольной оси. В еще одном варианте удлиненная лопасть дополнительно имеет по меньшей мере одну удлиненную канавку, расположенную по длине ее передней поверхности. При этом первый конец по меньшей мере одной удлиненной канавки может быть расположен между примерно одной третью и примерно половиной радиальной высоты удлиненной лопасти, а второй конец расположен на периферическом конце удлиненной лопасти. Кроме того, бандажный элемент может быть расположен смежно со вторым концом указанной по меньшей мере одной удлиненной канавки, но не закрывает его. В одном варианте по меньшей мере одна удлиненная канавка подвергнута пламенной закалке. В другом варианте передняя поверхность удлиненной лопатки подвергнута пламенной закалке. В одном варианте элемент для пазового соединения имеет крюки. При этом крюки могут иметь аналогичную форму, но разные размеры.
[0004] В другом аспекте данного изобретения предлагается турбинная лопатка, имеющая удлиненную лопасть, имеющую закрученную конфигурацию относительно своей продольной оси, причем удлиненная лопасть имеет переднюю поверхность и заднюю поверхность, основание, расположенное на ближнем к месту крепления конце удлиненной лопасти и имеющее по существу плоский элемент, проходящий, по существу, перпендикулярно продольной оси удлиненной лопасти, и элемент для пазового соединения, расположенный на поверхности плоского элемента, противоположной удлиненной лопасти, и бандажный элемент, расположенный на периферическом конце удлиненной лопасти и имеющий переднюю поверхность и заднюю поверхность. В одном варианте удлиненная лопасть дополнительно имеет по меньшей мере одну удлиненную канавку, расположенную по длине ее передней поверхности.
[0005] В еще одном аспекте данного изобретения предлагается ротор, содержащий роторное колесо, имеющее ориентированные в осевом направлении выемки для пазового соединения, и турбинные лопатки, каждая из которых имеет удлиненную лопасть, имеющую закрученную конфигурацию относительно ее продольной оси, основание, расположенное на ближнем к месту крепления конце удлиненной лопасти и имеющее, по существу, плоский элемент, расположенный, по существу, перпендикулярно продольной оси удлиненной лопасти, и элемент для пазового соединения, который расположен на поверхности плоского элемента, противоположной удлиненной лопасти, и форма которого является взаимодополняющей для формы по меньшей мере одной из указанных ориентированных в направлении оси выемок, и бандажный элемент, расположенный на периферическом конце удлиненной лопасти, проходящий, по существу, перпендикулярно продольной оси удлиненной лопасти и имеющий переднюю поверхность и заднюю поверхность, при этом формы передней и задней поверхностей являются, по существу, взаимодополняющими. В одном варианте плоский элемент имеет выступ на задней поверхности и фасонную часть на передней поверхности, причем формы выступа и фасонной части являются, по существу, взаимодополняющими. В еще одном варианте удлиненная лопасть имеет переднюю поверхность и заднюю поверхность, при этом передняя поверхность имеет по меньшей мере одну удлиненную канавку, расположенную по ее длине. При этом первый конец указанной по меньшей мере одной удлиненной канавки может быть расположен между примерно одной третью и примерно половиной радиальной высоты удлиненной лопасти, а второй конец может быть расположен на периферическом конце удлиненной лопасти. При этом передняя поверхность удлиненной лопатки и указанная по меньшей мере одна удлиненная канавка могут быть подвергнуты пламенной закалке. В одном варианте элемент для пазового соединения имеет крюки. При этом крюки могут иметь аналогичную форму, но разные размеры.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0006] Эти и другие свойства данного изобретения будут более понятны из последующего подробного описания различных аспектов данного изобретения совместно с сопроводительными чертежами, которые изображают различные варианты выполнения данного изобретения и на которых
[0007] Фиг. 1 показывает вид в аксонометрии турбинной лопатки в соответствии с одним вариантом выполнения данного изобретения;
[0008] фиг. 2 показывает вид сверху турбинной лопатки, показанной на фиг. 1;
[0009] фиг. 3 показывает вид сбоку двух турбинных лопаток в соответствии с вариантами выполнения данного изобретения, расположенных, по существу, так, как они установлены в роторном колесе;
[0010] фиг. 4 показывает частичный вид сбоку турбинной лопатки, показанной на фиг. 1; и
[0011] фиг. 5 и 6 показывают, соответственно, полный и частичный виды в разрезе роторного колеса, в котором могут быть установлены турбинные лопатки в соответствии с вариантами выполнения данного изобретения.
[0012] Отметим, что чертежи данного изобретения выполнены не в масштабе. Данные чертежи предназначены для изображения только типичных аспектов данного изобретения и поэтому не должны рассматриваться как ограничивающие объем правовой охраны изобретения. На всех чертежах одинаковые номера позиций обозначают одинаковые элементы.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0013] Фиг. 1 показывает вид в аксонометрии турбинной лопатки 100 в соответствии с вариантом выполнения изобретения. Лопатка 100 имеет удлиненную лопасть 10, имеющую закрученную конфигурацию относительно ее продольной оси 12, основание 30, расположенное на ближнем к месту крепления конце 13 лопасти 10, элемент 40 для пазового соединения, предназначенный для сопряжения лопатки 100 с роторным колесом (не показано), и выполненную за одно целое бандажную часть 60, расположенную на периферическом конце лопасти 10. Под используемым здесь термином «закрученная» в отношении конфигурации лопасти 10 понимается неодинаковый изгиб, поворот или заворот лопасти 10 относительно ее радиальной высоты 80. То есть, как показано на фиг. 1, периферический конец 19 лопасти 10 повернут или завернут относительно продольной оси 12 в большей степени, чем ее ближний к месту крепления конец 13.
[0014] По существу перпендикулярно продольной оси 12 лопасти 10 расположен по существу плоский элемент 32. То есть, хотя поверхность плоского элемента 32 может иметь слегка дугообразную форму, чтобы его можно было вставить в роторное колесо (более подробно рассмотрено ниже), поверхность, которой она стыкуется с лопастью 10, является, по существу, плоской, так что продольная ось 12 лопасти 10 образует угол около 90° с плоским элементом 32. Бандажная часть 60 ориентирована так, что ее продольная ось 66 проходит, по существу, перпендикулярно продольной оси 12 лопасти 10.
[0015] При эксплуатации турбинная лопатка 100 перемещается в направлении А. По существу, лопасть 10 имеет переднюю поверхность 14 и заднюю поверхность 16. Основание 30 имеет, по существу, плоский элемент 32, имеющий переднюю поверхность 35 и заднюю поверхность 33, а бандажная часть 60 имеет переднюю поверхность 62 и заднюю поверхность 64. В некоторых вариантах выполнения передняя поверхность 14 лопасти 10 подвергнута пламенной закалке.
[0016] Плоский элемент 32 имеет фасонную часть 36 или углубление, расположенное на его передней поверхности 35, и выступ 34 взаимодополняющей формы, расположенный вдоль его задней поверхности 33, так что (как будет рассмотрено более подробно ниже) смежные турбинные лопатки 100 образуют сопряженную кромку. Элемент 40 для пазового соединения, расположенный, как отмечено выше, под плоским элементом 32, способствует сопряжению лопатки 100 с роторным колесом. Крюки 42, 44, 46 имеют форму, взаимодополняющую форму ориентированных в осевом направлении выемок для пазового соединения, выполненных в роторном колесе. При эксплуатации крюки 42, 44, 46 служат для передачи нагрузки на ротор от лопатки 100 к роторному колесу известным способом.
[0017] Несмотря на то, что элемент 40 показан на фиг. 1, как имеющий три крюка 42, 44, 46, это не влияет на сущность изобретения, поэтому возможно использование любого количества крюков. Подобным образом, несмотря на то, что крюки 42, 44, 46 показаны как имеющие аналогичную форму, но различные размеры, это также не является существенным. То есть, крюки 42, 44, 46 могут иметь различные формы и/или одинаковые размеры. В подобных случаях, ориентированные в осевом направлении выемки в роторном колесе имеют взаимодополняющую форму и размеры.
[0018] Фиг. 2 показывает вид сверху лопатки 100. Передняя поверхность 62 бандажной части 60 показана с впадиной 62А, форма которой, по существу, является взаимодополняющей формы заострения 64А задней поверхности 64. Таким образом, пара лопаток 100, установленных смежно в роторном колесе, образует посадку с натягом (более подробно рассмотрено ниже) между задней поверхностью 64 одной лопатки и передней поверхностью 62 смежной лопатки. По мере «раскручивания» лопасти 10 под действием увеличивающейся нагрузки бандажная часть 60 каждой лопатки 100 поворачивается в направлении В, усиливая натяг.
[0019] Фиг. 3 показывает вид сбоку двух турбинных лопаток 200, 300, расположенных, по существу, так, как они будут установлены в смежных положениях в роторном колесе (не показано). При таком расположении выступ 334 лопатки 300 закрывает фасонную часть (не видна) турбинной лопатки 200. Аналогичным образом, такой же выступ следующей турбинной лопатки, установленной смежно с лопаткой 300 (т.е. на ее стороне, противоположной лопатке 200), будет закрывать фасонную часть 336 лопатки 300.
[0020] Как можно видеть на фиг. 3, передняя поверхность 262 лопатки 200 образует посадку 390 с натягом с задней поверхностью 364 лопатки 300. Когда ротор собран (т.е., когда во все имеющиеся указанные выемки для пазового соединения в роторном колесе помещены подобные турбинные лопатки), указанная посадка с натягом обеспечивает сплошное соединение лопаток, обеспечивая в результате повышенные жесткость и демпфирующие свойства и низкое вибрационное напряжение по сравнению со «свободностоящими» конструкциями, в которых отсутствует подобная посадка с натягом.
[0021] При эксплуатации по мере увеличения нагрузки на лопатки 200, 300 лопасти 210, 310 будут деформироваться, т.е. будут «раскручиваться», соответственно, относительно их продольных осей 212, 312. В результате, бандажная часть 260 лопатки 200 будет перемещаться в направлении С (т.е. вокруг продольной оси 212 в направлении, противоположном закручиванию лопасти 210), а бандажная часть 360 лопатки 200 будет перемещаться в направлении D (т.е. вокруг продольной оси 312 в направлении, противоположном закручиванию лопасти 310), тем самым усиливая натяг в посадке 390, что обеспечивает, в результате, увеличение жесткости и демпфирования и уменьшение вибрационного напряжения в собранном роторе.
[0022] На фиг. 4 показан частичный вид сбоку лопатки 100, показанной на фиг. 1. Как можно видеть, вдоль передней поверхности 14 лопасти 10 расположена группа 70 продольных канавок 72, 74, 76, предназначенных для удаления влаги, которая может образовываться на передней поверхности 14 во время работы. Первый конец 72А, 74А, 76А каждой продольной канавки 72, 74, 76 расположен между примерно одной третью и примерно половиной радиальной высоты 80 (фиг. 1) лопасти 10, если измерять от периферического конца 19 лопасти 30, а второй конец 72В, 74В, 76В находится на периферическом конце 19 лопасти 30. По существу, продольные канавки 72, 74, 76 проходят на длину приблизительно от одной трети до половины радиальной высоты 80 лопасти 10. В некоторых вариантах выполнения продольные канавки 72, 74, 76 проходят примерно на 40% радиальной высоты 80 лопасти 10. Как было отмечено выше, передняя поверхность 14 может быть подвергнута пламенной закалке. Подобным образом, канавки 72, 74, 76 могут быть подвергнуты пламенной закалке, которая препятствует образованию эрозии во время удаления влаги с передней поверхности 14.
[0023] В некоторых вариантах выполнения изобретения группа 70 канавок 72, 74, 76 расположена ближе к передней кромке 15, чем к задней кромке 17 лопасти 10. По существу, вторые концы 72В, 74В, 76В канавок 72, 74, 76 предпочтительно не закрыты бандажной частью 60, которая будет мешать удалению влаги с передней поверхности 14.
[0024] Фиг. 5 и 6 показывают, соответственно, полный и частичный виды роторного колеса 400 в соответствии с вариантами выполнения изобретения. На фиг. 5 показано, что колесо 400 содержит круговой корпус 402 и ориентированные в осевом направлении выемки 410A, 410В, 410С, …, 410n, расположенные по его окружности. Каждая из выемок 410A, 410В, 410С, …, 410n имеет форму, взаимодополняющую форму элемента 40 (фиг. 1) лопатки 100, с обеспечением возможности введения лопатки 100 в осевом направлении, например, в выемку 410А.
[0025] Фиг. 6 показывает более подробно вид части колеса 400. Выемка 410А, как можно видеть на чертеже, имеет несколько пазов 412А, 414А, 416А, имеющих форму, взаимодополняющую форму крюков 42, 44, 46 элемента 40 лопатки 100 (фиг. 1). Следует отметить, что количество выемок 410А, 410В, 410С, …, 410n показано лишь с иллюстративной целью. Роторное колесо в соответствии с данным изобретением может иметь любое количество ориентированных в осевом направлении выемок для пазового соединения. Подобным образом, несмотря на то, что каждая из выемок 410A. 410В, 410С, …, 410n, показанных на фиг. 5 и 6, имеет поперечное сечение по существу одинаковой формы, это не является существенным. То есть указанные выемки могут иметь различные формы, но такую, чтобы каждая выемка являлась взаимодополняющей для соответствующего элемента для пазового соединения, чтобы турбинную лопатку можно было полностью установить в роторное колесо.
[0026] Терминология, используемая в данном документе, применяется только с целью описания конкретных вариантов выполнения и не предназначена для ограничения данного описания. Используемые в данном документе существительные в единственном числе охватывают обозначаемые объекты во множественном числе, если контекст с очевидностью не требует иного. Следует также понимать, что используемые в данном описании термины «содержит», «имеет» и/или «содержащий», «имеющий» определяют наличие указанных свойств, целых чисел, этапов, операций, элементов и/или компонентов, но не исключают наличие или добавление одного или более других свойств, целых чисел, этапов, операций, элементов, компонентов и/или составленных из них групп.
[0027] В изложенном описании используются примеры, характеризующие данное изобретение, содержащие предпочтительные варианты выполнения, а также создающие возможность любому специалисту осуществить на практике данное изобретение, включая выполнение и использование любых устройств или систем, а также выполнение любых относящихся к этому или включенных способов. Объем правовой охраны данного изобретения определен формулой изобретения, при этом он может включать другие примеры, очевидные специалистам. Подразумевается, что подобные другие примеры подпадают под объем правовой охраны формулы изобретения, если они содержат конструктивные элементы, которые не отличаются от элементов, описанных в формуле изобретения, или, если они содержат эквивалентные конструктивные элементы с несущественными отличиями от элементов, описанных в формуле изобретения.
Перечень элементов
Турбинная лопатка
100, 200, 300
Удлиненная лопасть
10, 210, 310
Продольная ось (удлиненной лопасти)
12, 212, 312
Ближний к месту крепления конец
13
Передняя поверхность (удлиненной лопасти)
14
Передняя кромка (удлиненной лопасти)
15
Задняя поверхность (удлиненной лопасти)
16
Задняя кромка (удлиненной лопасти)
17
Периферический конец
19
Основание
30
Плоский элемент
32
Передняя поверхность (плоского элемента)
35
Задняя поверхность (плоского элемента)
33
Фасонная часть
36, 336
Выступ
34, 334
Элемент для пазового соединения
40
Крюки
42, 44, 46
Бандажная часть
60, 260, 360
Передняя поверхность (бандажной части)
62, 262
Впадина
62А
Заострение
64А
Задняя поверхность (бандажной части)
64, 364
Продольная ось (бандажной части)
66
Группа продольных канавок
70
Продольные канавки
72, 74, 76
Первый конец продольной канавки
72А, 74А, 76А
Второй конец продольной канавки
72В, 74В, 76В
Радиальная высота
80
Посадка с натягом
390
Роторное колесо
400
Корпус ротора
402
Ориентированные в осевом направлении
Выемки для пазового соединения
410A, 410В, 410С, 410n
Пазы
412А, 414А, 416А