РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ОСЕВОЙ ТУРБОМАШИНЫ

Заявляемое техническое решение относится к газотурбинной технике, а именно к газотурбинным двигателям, в частности, к рабочим колесам осевых турбин, как роторным узлам, несущим рабочие лопатки, зафиксированные в диске комлевыми частями как в радиальном, так и в осевом направлениях.
В роторах тихоходных турбин, к которым можно отнести, в частности, турбины низкого давления, свободные турбины, в качестве элементов уплотнения замковой части колес и фиксации рабочих лопаток в осевом направлении часто используются уплотнительные пластины. Установленный в колесе комплект таких пластин образует сплошное кольцо, перекрывающее на всю высоту замковую часть колеса. Эффективность такого уплотнения достигается прилеганием пластин по боковым поверхностям.
2
Известно устройство для фиксации лопаток в диске турбомашины (см. описание и фигуры к авторскому свидетельству N533738 (№ з. 2019645/06), опубликованному 03.10.1976, М. Кл F01D 5/32), где лопатки удерживаются в осевом направлении комплектом уплотнительных пластин.
В известном рабочем колесе имеется обращенная к оси колеса кольцевая канавка, образованная совмещенными канавками на полках хвостовиков рабочих лопаток.
Сбоку, на кольцевом выступе обода диска выполнена также кольцевая канавка, направленная наружу и навстречу упомянутой выше канавке полок хвостовиков.
В упомянутые кольцевые канавки введены уплотнительные пластины в виде прилегающих друг к другу секторов. Пластины, находясь одновременно в зацеплении с канавками на полках хвостовиков рабочих лопаток и канавкой на кольцевом выступе диска, фиксируют рабочие лопатки в осевом направлении. Бурт, ограничивающий упомянутую кольцевую канавку на диске, имеет несколько пазов, ширина которых несколько больше ширины уплотнительной пластины. Пазы обеспечивают установку комплекта уплотнительных пластин в колесе. В месте расположения каждого такого паза введена замковая уплотнительная пластина.
Замковая уплотнительная пластина, как и каждая штатная уплотнительная пластина, введена в канавки полок хвостовиков рабочих лопаток своей наружной кромкой, а внутренней кромкой входит в зацепление с пластинчатым замком, который, в свою очередь, входит в зацепление с радиальным выступом, расположенным сбоку на упомянутом кольцевом выступе диска. Упомянутые пластинчатые замки своими отогнутыми концами удерживают замковые уплотнительные пластины в окружном направлении, а вместе с ними и весь комплект уплотнительных пластин.
Детали устройства достаточно технологичны в изготовлении. Устройство, как составная часть конструкции рабочего колеса, не вызывает трудностей при сборке-разборке последнего.
Однако известное рабочее колесо турбины имеет некоторые недостатки.
Один из них состоит в том, что осевая фиксация внутренней кромки замковой уплотнительной пластины обеспечивается за счет ее упора в пластинчатый замок, который в свою очередь упирается в радиальный выступ диска.
Использование пластинчатого замка, как промежуточной детали между замковой уплотнительной пластиной и упомянутым радиальным выступом диска, приводит к повышенным зазорам, что снижает качество сборки и работоспособность устройства.
Как показал опыт эксплуатации таких рабочих колес, надежная работа конструкции достигается за счет высокой точности изготовления деталей, их подгонки или подбора по градациям размеров, определяющих качество сборки.
Другим недостатком является ненадежная фиксация замковых уплотнительных пластин, а, следовательно, и всего комплекта уплотнительных пластин, в окружном направлении, поскольку фиксация обеспечивается отогнутыми концами пластинчатых замков. В практике отмечены случаи отгибки концов пластинчатых замков с последующей потерей окружной фиксации уплотнительных пластин.
Еще одним недостатком является значительное выступание элементов крепления замковых уплотнительных пластин, расположенных как непосредственно на самих замковых уплотнительных пластинах, так и на кольцевом выступе обода диска, что создает дополнительные вентиляционные потери. Кроме того эти элементы, расположенные на замковых уплотнительных пластинах, значительно увеличивают массу последних, что приводит к дополнительным нагрузкам на полки хвостовиков рабочих лопаток, располагающихся в районе замковых уплотнительных пластин.
Более того, выступающие элементы замковых уплотнительных пластин смещают центр масс, что в работе приводит к нежелательному возникновению момента, который нагружает упомянутый пластинчатый замок и стремится вывести замковую уплотнительную пластину из зацепления.
Известно также рабочее колесо турбины, представленное в описании к авторскому свидетельству N1306212, F01D 5/32, в котором недостатки приведенной выше конструкции устранены. Это достигнуто тем, что замковая уплотнительная пластина фиксируется в радиальном направлении за счет непосредственного упора ее нижней кромки в радиальный выступ диска, а в окружном направлении - с помощью двух ее параллельных между собой выступов, направленных к оси колеса. Эти выступы введены в пазы, выполненные в кольцевом выступе диска.
Как и в предыдущем случае, весь комплект уплотнительных пластин фиксируется в окружном направлении посредством замковой уплотнительной пластины (или нескольких таких пластин). Пластина эта установлена в месте двух параллельных между собой и радиальной оси колеса пазов прорезанных в кольцевом выступе обода диска по обе стороны от места установки пластинчатого замка.
Однако использование такой фиксации лопаток ограничено колесами турбин с лопатками без бандажных полок на концах пера или с бандажными полками без натяга по контактирующим площадкам. Это ограничение связано с тем, что лопатки, расположенные в районе замковой уплотнительной пластины (или пластин), устанавливаются после предварительной установки последней.
В то же время остальные лопатки и уплотнительные пластины должны быть уже окончательно установлены. Это обусловлено наличием на замковой уплотнительной пластине упомянутых вертикальных выступов, которые позволяют при установке ее перемещение только в радиальном направлении параллельно боковой плоскости обода диска. А это возможно только при отсутствии рабочих лопаток в пазах диска в районе установки замковой уплотнительной пластины.
Практика проектирования тихоходных турбин и последущей их экслуатации показала, что наиболее логично в конструкции их колес обеспечить натяг по контактирующим площадкам бандажных полок всего комплекта лопаток.
В таких конструкциях весь комплект лопаток устанавливают одновременно. Однако при этом и съем, и установка каждой отдельной лопатки затруднены.
Недостаток данной конструкции, как, впрочем, и предыдущей, это наличие в конструкции свободно выступающих отогнутых концов каждого контровочного замка.
От воздействия на них центробежных сил контровочный замок в пазу стремится развернуться. Чтобы препятствовать этому, приходится увеличивать высоту сечения замка, а, следовательно, и глубину упомянутого паза, что в итоге приводит к увеличению размеров кольцевого бурта на ободе диска.
Тем не менее, ввиду близости решаемой задачи и общности совокупности ряда существенных признаков, известное техническое решение выбрано прототипом заявляемого технического решения.
Перед автором стояла задача создать такое рабочее колесо с фиксацией рабочих лопаток (в том числе, с бандажными полками, образующими натяг по контактным площадкам) с помощью уплотнительных и замковых уплотнительных пластин, в котором была бы достигнута совокупность логически взаимосвязанных технических результатов, а именно:
- повышение надежности фиксации замковых уплотнительных пластин в осевом и окружном направлениях путем предотвращения проворота их контровочных замков, в частности от центробежных сил, при одновременном обеспечении
-- прочности устройства наряду со снижением вентиляционных потерь за счет уменьшения выступания элементов крепления замковых уплотнительных пластин относительно гладких поверхностей колеса;
-- технологичности сборки-разборки рабочего колеса турбины, в том числе с лопатками, имеющими натяг по контактирующим поверхностям бандажных полок;
Поставленная задача решается тем, что в известном рабочем колесе осевой турбомашины, хвостовики лопаток которого, установленные в продольных пазах диска, зафиксированы в осевом направлении уплотнительными и замковыми уплотнительными пластинами с их наружными кромками, введенными в канавки полок хвостовиков лопаток, и внутренними кромками, введенными во встречную кольцевую канавку кольцевого выступа обода диска, при этом уплотнительные пластины установлены своими внутренними кромками на всю глубину упомянутой кольцевой канавки, а замковые уплотнительные пластины под их внутренними кромками закреплены контровочными пластинчатыми замками на выступах в местах сквозного выреза на кольцевом выступе обода диска, произведены усовершенствования.
Усовершенствования заключаются в том, что в местах установки внутренних кромок каждой замковой уплотнительной пластины в указанном ободе диска выполнены углубления в донышке кольцевой канавки. Каждое углубление ограничено радиальным выступом перед упомянутыми углублениями обода диска. При этом данный радиальный выступ охвачен двумя продольными выступами, дополнительно размещенными на внутренней кромке каждой замковой уплотнительной пластины
Это позволяет уменьшить выступание в осевом направлении элементов крепления внутренних кромок замковых уплотнительных пластин, а, следовательно, снизило вентиляционные потери и нагрузку на полки хвостовиков рабочих лопаток, а заодно и массу самих замковых пластин.
Выступы на внутренней кромке замковой пластины, охватывающие с двух сторон радиальный выступ, расположенный перед упомянутым сквозным вырезом на кольцевом бурте диска, выполнены продольными.
Это позволяет устанавливать замковые пластины на завершающем этапе сборки колеса турбины, когда все рабочие лопатки уже установлены. И это особенно важно для колес турбин с рабочими лопатками, имеющими натяг по контактирующим поверхностям бандажных полок.
В то же время, упомянутый контровочный пластинчатый замок каждой замковой уплотнительной пластины можно разместить в упомянутых выборках. Тогда отогнутые концы контровочного замка охватывают с двух сторон каждый указанный радиальный выступ на кольцевом выступе обода диска.
Сами концы замка размещаются под упомянутыми продольными выступами внутренней кромки замковой уплотнительной пластины, что исключает тенденцию к повороту замка в выборке от действия центробежных сил на его концы. Этим обеспечивается технический результат надежной фиксации замковой пластины.
Таким образом взаимоувязаны технические результаты как улучшения технологичности сборки-разборки, так и обеспечения прочности и надежности устройства во время работы.
Заявляемое техническое решение иллюстрируется чертежами, где на:
- фиг.1 - дан вид спереди на ободную часть заявляемого рабочего колеса турбины;
- фиг.2 - показано продольное сечение Б-Б ободной части рабочего колеса в месте расположения уплотнительной пластины;
- фиг.3 - показано продольное сечение В-В ободной части рабочего колеса турбины в месте расположения замковой уплотнительной пластины;
- фиг.4 - показана в диметрии ободная часть рабочего колеса турбины с уплотнительными и замковой уплотнительной пластинами;
- фиг.5 - показаны в диметрии отдельные составляющие детали разобранного рабочего колеса турбины;
- фиг.6 - показана в диметрии замковая часть рабочей лопатки с канавкой на полке хвостовика под установку верхних кромок уплотнительных и замковых уплотнительных пластин;
- фиг.7 - показана ободная часть диска спереди (вид по стрелке А, см. фиг.3);
- фиг.8 - дано продольное сечение Г-Г (см. фиг.7) ободной части диска в месте постановки уплотнительных пластин;
- фиг.9 - дано продольное сечение Д-Д (см. фиг.7) ободной части диска в месте постановки замковых уплотнительных пластин;
- фиг.10 - показана в диметрии ободная часть диска со стороны установки уплотнительных и замковых уплотнительных пластин;
- фиг.11, 12, 13, 14 - представлены этапы постановки уплотнительных пластин;
- фиг.15, 16, 17, 18, 19 - показаны этапы постановки замковых уплотнительных пластин;
- фиг.20 - показана в диметрии ободная часть собранного заявляемого рабочего колеса турбины в месте постановки замковой уплотнительной пластины.
Рабочее колесо (фиг.1, 2, 3, 4, 5) турбомашины с рабочими лопатками 1, своими хвостовиками 2 (фиг.2) установленными, в продольные, например елочные, пазы 3 диска 4 (фиг.4, 5), которые, пересекая его ободную часть, образуют выступы 5.
По ширине полки 6 хвостовика 2 (фиг.5, 6) каждой рабочей лопатки 1 выполнена канавка 7, обращенная к оси вращения колеса.
На ободной части диска 4 (фиг.5, 7, 8, 9, 10) имеется кольцевой выступ 8, в котором выполнена кольцевая канавка 9, ограниченная радиально направленным от оси вращения буртом 10 (фиг.5, 8, 9, 10).
На торцевой поверхности бурта 10 кольцевого выступа 8, в количестве равном числу устанавливаемых в колесе турбины замковых уплотнительных пластин, выполнены радиальные выступы 11 вдоль оси вращения рабочего колеса.
На кольцевом выступе 8 в его бурте 10 против каждого радиального выступа 11 выполнено относительно кольцевой канавки 9 углубление 12 (фиг.9, 10). В месте расположения углублений 12 бурт 10 полностью вырезан на расчетном участке, обозначенном, как вырез 13 (Фиг.7).
При этом донышко 14 каждого углубления 12 заглублено на расчетную известным способом глубину относительно донышка 15 кольцевой канавки 9 (фиг.9).
Указанная канавка 9 предназначена для размещения по окружности уплотнительных пластин 16 в кольцевом выступе 8 диска 4. Уплотнительные пластины 16 (фиг.5, 11, 12) имеют наружную 17 и внутреннюю 18 кромки, форма и размеры которых обеспечивают их сопряжение с канавками 7 и 9 соответственно.
Своими наружными отогнутыми кромками 17 уплотнительные пластины 16 введены в общую кольцевую канавку, образованную из совмещенных канавок 7 на полках хвостовиков 6 рабочих лопаток 1.
Уплотнительные пластины 16 своими внутренними кромками 18 введены в кольцевую канавку 9 (см. фиг.2), ограниченную кольцевым радиальным буртом 10.
Между уплотнительными пластинами 16, в каждом из мест расположения в диске 4 углублений 12 установлена уплотнительная замковая пластина 19 (фиг.1, 3, 4).
Уплотнительная замковая пластина 19 (см. фиг.5) имеет наружную кромку 20, аналогичную кромкам 17 уплотнительных, штатных, пластин 16 и внутреннюю кромку 21 (Фиг.3, 5). Замковые уплотнительные пластины 19 своими наружными кромками 20, также входят в общую кольцевую канавку, образованную совмещенными канавками 7 полок хвостовиков 6 рабочих лопаток 1.
Внутренняя кромка 21 каждой замковой уплотнительной пластины 19, в отличии от внутренней кромки 18 уплотнительной пластины 16, имеет по два выступа 22 параллельных как продольной оси рабочего колеса, так и между собой (фиг.5).
Когда замковая уплотнительная пластина 19 (фиг.3) своей внутренней кромкой 21 введена в ответное углубление 12 на кольцевом выступе 8 диска 4, кромка 21 изнутри ограничена в продольном направлении упором в радиальный выступ 11.
Указанные выступы 22 на кромке 21 ограничивают собой выемку 23, куда с возможностью ими охвата введен радиальный выступ 11 на кольцевом выступе 8 диска 4 (фиг.1, 20).
Тем самым выступы 22 определяют необходимое для фиксации положение замковой уплотнительной пластины 19 от перемещения в окружном направлении и, одновременно, весь комплект уплотнительных пластин 16.
Для фиксации замковых пластин 19 от их смещения в зазор между упомянутым донышком 14 углубления 12 и нижней поверхностью 24 каждой замковой уплотнительной пластины 19 введен пластинчатый контровочный замок 25. Пластинчатый контровочный замок 25 может иметь один конец 26 заранее отогнутым в направлении оси рабочего колеса.
В собранном устройстве оба конца пластинчатого замка 25 загнуты по обе стороны радиального выступа 11 с его охватом (см. фиг.1, 4, 20).
Пластинчатый контровочный замок 25 не является силовым элементом конструкции и фиксирует замковую пластину 19 от ее перемещения в радиальном направлении к оси колеса.
Сборка колеса турбины начинается (фиг.11) с установки рабочих лопаток 1 хвостовиками 2 в пазы 3, например елочные, ободной части диска 4.
Как уже было указано, канавки 7 на внутренних поверхностях полок 6 хвостовиков 2 рабочих лопаток 1 при совмещении образуют сплошную кольцевую канавку.
Установку каждой уплотнительной пластины 16 выполняют через вырез 13 в бурте 10 кольцевого выступа 8 введением ее внутренней кромки 18 в углубление 12 с донышком 14, заглубленным относительно донышка 15 кольцевой канавки 9 (фиг.9, 11).
Начальное положение пластины 16 - наклонное, с предлежащей наружной кромкой 17 (фиг.11). Затем уплотнительную пластину 16 переводят в вертикальное положение, вводя ее наружную кромку 17 в кольцевую канавку, образованную совмещенными канавками 7 полок хвостовиков 6 рабочих лопаток 1 (фиг.12).
При этом уплотнительную пластину 16 приподнимают, а внутреннюю кромку 18 пластины 16 совмещают с кольцевой канавкой 9. Далее уплотнительные пластины 16 продвигают в окружном направлении, чтобы они заняли свое окончательное положение (фиг.13, 14). Таким образом, в заявляемом рабочем колесе устанавливаются все уплотнительные пластины 16 с учетом последующего размещения замковых уплотнительных пластин 19 в расчетно предусмотренных местах и количестве.
Установку замковой уплотнительной пластины 19 (фиг.15) также начинают вводом ее внутренней кромки 21 в углубление 12 с заглубленным донышком 14 относительно донышка 15 кольцевой канавки 9 диска 4 (фиг.9).
При этом, как указывалось выше, оба выступа 22 каждой замковой уплотнительной пластины 19 располагают по обе стороны радиального выступа 11 диска 4.
Затем замковую уплотнительную пластину 19 переводят в вертикальное положение до ее упора в торцевую поверхность обода диска 4 и поверхности хвостовиков 2 лопатки 1. Одновременно пластину 19 перемещают радиально к оси вращения колеса до упора поверхности 24 в донышко 14 выборки 12 (фиг.16).
Далее замковую уплотнительную пластину 19 перемещают радиально к периферии и в результате ее наружную кромку 20 вводят в совмещенные канавки 7 полок хвостовиков 6 рабочих лопаток 1 (фиг.17).
При этом внутренняя кромка 21 совмещается с углублением 12, а выступы 22 на внутренней кромке 21, как отмечалось выше, располагают по обе стороны выступа 11.
В пределах выреза 13 в открытую часть сечения углубления 12, образовавшуюся в результате радиального перемещения пластины 19 между внутренней концевой поверхностью 24 последней и донышком 14 углубления 12, устанавливают пластинчатый контровочный замок 25 (см. фиг.18, 19).
Пластинчатый контровочный замок 25 может иметь один конец 26, отогнутый в направлении оси вращения рабочего колеса, благодаря чему его устанавливают до упора этим концом 26 в боковую поверхность выступа 11 (фиг.18, 19, 20), после чего противоположный свободный конец замка 25 отгибают до охвата замком выступа 11 с обеих его сторон, при этом оба отогнутых конца замка 25 располагаются под продольными выступами 22 на внутренней кромке 21 замковой пластины 19. Выступающую часть замка 25, если таковая остается, обрезают заподлицо с наружной боковой поверхностью выступа 11.
2
Опытный образец ротора трехступенчатой турбины низкого давления с рабочими колесами заявляемой конструкции успешно прошел испытания на экспериментальном авиационном газотурбинном двигателе АИ-22. Температура колес в замковых соединениях достигала 650°С. Максимальные расчетные напряжения, отмеченные в ободной части диска равны 22 кг/мм.
При этом заявляемое решение при длительных испытаниях турбины подтвердило работоспособность и надежность.
Перечисленные выше усовершенствования позволяют успешно применить предлагаемое устройство для рабочих колес турбин в широком функциональном диапазоне, а именно, турбин низкого давления, свободных турбин и других для газотурбинных двигателей средней и большой размерности.