РАБОЧЕЕ КОЛЕСО КОМПРЕССОРА ТУРБОМАШИНЫ
TURBOMACHINE COMPRESSOR IMPELLER

Изобретение относится к области турбостроения, к противовибрационным средствам, в частности к средствам демпфирования колебаний лопаток рабочего колеса компрессора.
Системы лопаток, применяемые в турбомашинах, таких как компрессоры, снабжаются демпфирующими элементами, которые служат для демпфирования нежелательных изгибных и крутильных колебаний, возникающих во время работы турбомашины за счет различных возбуждений. Это позволяет предотвращать обусловленные большими амплитудами колебаний повреждения, связанные с «циклической усталостью», или приводит к преждевременной усталости материала и к сокращению срока службы лопаток. Демпфирующие элементы расположены между отдельными лопатками. В качестве демпфирующих элементов применяются, как правило, незакрепленные тела, которые в состоянии покоя сначала лежат между основаниями лопаток на диске, а во время работы рабочего колеса вследствие действующей в радиальном направлении центробежной силы прижимаются к нижней стороне полок лопаток. Каждый демпфирующий элемент находится одновременно в контакте с двумя соседними полками лопаток. Это ослабляет колебания и приводит в целом к меньшей колебательной нагрузке на систему лопаток.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является известное рабочее колесо турбомашины, содержащее диск с лопатками, расположенными друг за другом по его окружности, установленными с возможностью непосредственного взаимодействия между полками смежных лопаток, по меньшей мере, один демпфирующий элемент, установленный под полками смежных лопаток с возможностью контакта с ними, при этом хвостовики лопаток зафиксированы замковым соединением на диске /EP 0509838 МПК F01D 5/26 Опубл. 21.10.1992 г./.
Рабочее колесо с установленным в нем известным демпфирующим элементом обладает пониженным к.п.д., вследствие значительного веса демпфирующего элемента. Известный демпфирующий элемент невозможно применить на рабочих колесах с диском, имеющим кольцевой паз и конструкцию лопаток, разработанную для установки в нем, обычно это соединение имеет недостаточную площадь контакта полок и поверхностей демпфера.
Задачей изобретения является разработка рабочего колеса турбины с кольцевым пазом и демпфером, обеспечивающим эффективное демпфирование нежелательных колебаний.
Ожидаемый технический результат - уменьшение веса демпфера в рабочем колесе и повышение срока службы лопаток за счет эффективного демпфирования нежелательных колебаний, повышение кпд турбомашины.
Ожидаемый технический результат достигается тем, что в известном рабочем колесе компрессора турбомашины, содержащем диск с лопатками, расположенными друг за другом по его окружности, установленными с возможностью непосредственного взаимодействия между полками смежных лопаток, содержащем, по меньшей мере, один демпфирующий элемент, установленный под полками смежных лопаток с возможностью контакта с ними и при том, что хвостовики лопаток зафиксированы замковым соединением на диске, по изобретению, хвостовики лопаток зафиксированы в кольцевом пазе, выполненном в диске, а демпфирующий элемент выполнен в виде полого цилиндра ограниченного сверху плоской пластиной с расположенными на ней двумя опорными выступами, а снизу кольцевой обечайкой с фаской, при этом элемент установлен с возможностью контакта с полками каждой из смежных лопаток через опорные выступы и с возможностью контакта поверхностей кольцевой обечайки с боковой поверхностью и/или днищем кольцевого паза, причем по бокам плоской пластины элемента выполнены срезы, параллельные, и/или срезы, перпендикулярные опорным выступам для фиксирования демпфирующего элемента в кольцевом пазе и между хвостовиками лопаток, а диаметр отверстия в полом цилиндре равен 3…5 диаметрам отверстия в плоской пластине с опорными выступами.
Выполнение демпфирующего элемента в виде полого цилиндра позволяет значительно уменьшить вес вращающегося рабочего колеса компрессора и тем самым повысить эффективность его работы.
Конструкция предложенного демпфирующего элемента, в зависимости от конфигурации опорной поверхности выступов, обеспечивает его контакт с полками лопаток в диапазоне от линейного до поверхностного, определяемого размерами выступа. Таким образом, с помощью имеющих подходящую поверхность и форму опорных выступов можно эффективно демпфировать различные моды колебаний, которые в процессе работы ротора могут изменяться и при остающейся неизменной форме всех демпфирующих элементов, далее не могут эффективно демпфироваться.
Демпфирующие элементы могут изготавливаться из различных материалов, например: цветные или черные сплавы и металлы, сталь, керамика и другие. Изготовленные из различных материалов демпфирующие элементы в зонах контакта с полками лопаток оказывают влияние на коэффициент трения пары, шершавость поверхности, и в сочетании с теплопроводностью и теплоемкостью материалов демпфирующих элементов обеспечивают целенаправленное демпфирование мод, например в верхних частотных диапазонах, и эффективность преобразования кинетической энергии вибрации в тепловую энергию.
Для исключения возможности перекоса и заклинивания демпфирующего элемента по бокам верхней плоской пластины элемента выполнены срезы параллельные опорным выступам и/или перпендикулярные опорным выступам, которые свободно фиксируют демпфирующий элемент между хвостовиками лопаток и разрешают только его радиальное перемещение.
Для обеспечения условий размещения опорных выступов, достаточной прочности плоской пластины и оптимального интервала демпфируемых мод частот колебаний диаметр отверстия в полом цилиндре может в 3…5 раз превышать диаметр отверстия в пластине. Увеличение диаметра отверстия в цилиндре более 5 раз нецелесообразно из возможного нарушения спектра демпфируемых частот. Такое же нарушение спектра частот наблюдается при уменьшении менее 3 раз диаметра отверстия в цилиндре по отношению диаметру отверстия в пластине.
Фиг.1 - фрагмент рабочего колеса в сборе в плоскости разреза, перпендикулярной оси ротора;
Фиг.2 - схема установки демпфирующего элемента, вид в продольной плоскости к оси ротора;
Фиг.3 - демпфирующий элемент;
Фиг.4 - демпфирующий элемент.
Рабочее колесо компрессора содержит диск 1, лопатки 2, каждая из которых имеет полку 3, хвостовик 4. В диске 1 выполнен паз 5, в который установлены лопатки 2 и демпфирующий элемент 6. Демпфирующий элемент 6 содержит цилиндр 7 с отверстием 8, ограниченный сверху плоской пластиной 9 с опорными выступами 10 и отверстием 11, и ограниченный снизу кольцевой обечайкой 12 с фаской 13. По бокам плоской пластины элемента выполнены срезы, параллельные 14 и перпендикулярные 15 опорным выступам. Приспособление 16 для фиксирования лопаток и демпферов на диске.
Демпфирующий элемент 6 установлен в паз 5 так, что в состоянии покоя рабочего колеса компрессора в верхнем положении он контактной поверхностью фаски 13 кольцевой обечайки 12 опирается на боковую поверхность паза 5 или днище кольцевого паза или одновременно на боковую поверхность и днище кольцевого паза. В нижнем положении элемент через опорные выступы 10 опирается на полки 3 каждой из смежных лопаток 2. При рабочем режиме компрессора все демпфирующие элементы 6, перемещаясь под действием центробежной силы, входят во взаимодействие с полками 3 смежных лопаток 2. Образуемая в результате вибрационного относительного движения между лопатками кинетическая энергия, преобразуется в тепловую энергию, вследствие трения между соответствующими полками и прилегающим к ним демпфирующим элементом.
Использование изобретения позволяет за счет уменьшения веса демпфера в рабочем колесе повысить эффективность работы турбомашины, позволяет настраивать демпфер на определенный спектр мод нежелательных колебаний и повысить срок службы лопаток за счет их эффективного демпфирования.