СПОСОБ СБОРКИ МНОЖЕСТВА ЛОПАСТЕЙ НА РАБОЧЕМ КОЛЕСЕ (ВАРИАНТЫ), А ТАКЖЕ УЗЕЛ РАБОЧЕГО КОЛЕСА ТУРБИНЫ И ЛОПАСТЕЙ
PROCEDURE FOR ASSEMBLY OF MULTITUDE OF TURBINE WHEEL BLADES (VERSIONS) AND ALSO UNIT OF TURBINE WHEEL AND BLADES

Настоящее изобретение относится к способам и системам для сборки лопастей, имеющих бандаж и ласточкин хвост с тангенциальным входом, на ободе рабочего колеса турбины, в частности, для обеспечения полного точного механического соединения между соседними бандажами в конечном узле.
Бандажированные лопасти турбины, например, для использования в паровых турбинах требуют, чтобы кромки бандажей были в механическом контакте друг с другом, исключая любой зазор между соседними бандажами. Бандажи обычно предназначены для наложения уплотнителей верхних частей для обеспечения улучшенного термического кпд турбины. Высокие уровни механической надежности также требуются при условиях эксплуатации. Бандаж, имеющий преимущественно ромбическую (т.е. полностью ромбическую или модифицированную ромбическую) конфигурацию удовлетворяет этим конструкторским характеристикам. Однако бандаж, имеющий ромбическую конфигурацию, не нов сам по себе или в соединении с лопастями, использующими ласточкин хвост с тангенциальным входом. Лопасти, имеющие ромбовидные бандажи, ранее использовались в турбинах низкого, среднего и высокого давления. Однако полностью бандажированные лопасти становятся все более и более трудными для сборки, поскольку жесткость аэродинамического профиля возрастает, так как аспектное отношение аэродинамического профиля (т.е. радиальная высота/аксиальная ширина) уменьшается, или необходимы высокие напряжения предварительного закручивания. Проблемы, связанные со сборкой лопастей, имеющих бандажи ромбической конфигурации и тангенциальный вход ласточкиного хвоста, включают в себя: генерирование адекватных высоких тангенциальных усилий, необходимых для исключения зазоров между (т.е. для совместной компоновки) соседними бандажами и поверхностями ласточкиного хвоста, и создание соответствующего предварительного закручивания аэродинамических профилей лопастей. Степень предварительного закручивания должна быть достаточной для обеспечения того, что соседние бандажи останутся в контакте, т.е. механически связаны, в процессе всех обычных фаз работы турбины. Тангенциальное усилие сборки, требуемое для соответствующей компоновки лопастей вместе на рабочем колесе турбины, может стать очень высоким для лопастей размера, применяемого в больших паровых турбинах. Также, когда лопасти компонуются вместе, ласточкин хвост подвергается повороту, который, в свою очередь, уменьшает степень прилагаемого к аэродинамическим профилям лопастей предварительного закручивания. Поворот ласточкиного хвоста должен быть ограничен для обеспечения надлежащей сборки. Далее, лопасти в их скомпонованной конфигурации должны сдерживаться от движения в обратном направлении друг от друга при установке дополнительных лопастей на колесо. Тенденция двигаться в обратном направлении связана с усилием, развиваемым в контактных поверхностях бандажей, и с ориентацией этих поверхностей относительно тангенциального направления. Соответственно, существует необходимость в способе и системе сборки, которые преодолеют вышеупомянутые проблемы, связанные со сборкой бандажированных лопастей на рабочем колесе турбины, и которые, в свою очередь, позволят лопастям удовлетворять всем задачам эффективности и надежности.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения согласно способу сборки множества лопастей на рабочем колесе, причем каждая лопасть включает в себя аэродинамический профиль, оканчивающийся на противоположных концах в бандаже и ласточкином хвосте, соответственно, предварительно закручивают бандаж и аэродинамический профиль каждой лопасти в направлении поворота вокруг в основном радиальной оси, в ответ на приложение тангенциального усилия сборки к посаженным с натягом контактирующим поверхностям бандажей, таким образом сообщая поворотное смещение аэродинамическому профилю, обеспечивающее последующий поворот бандажа и аэродинамического профиля в окончательный узел с кромками бандажей соседних лопастей в контакт друг с другом и поверхностями ласточкиного хвоста соседних лопастей в контакт друг с другом.
Предпочтительно бандаж и аэродинамический профиль каждой лопасти предварительно закручивают до степени поворота, превышающей степень поворота, созданную посадкой с натягом между соседними контактными поверхностями бандажей.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения согласно способу сборки множества лопастей на рабочем колесе, причем каждая лопасть включает в себя аэродинамический профиль, оканчивающийся на противоположных концах в бандаже и ласточкином хвосте, соответственно, выполняют выступ на бандаже каждой лопасти; прикрепляют с возможностью снятия зажима на каждом выступе, несомом бандажом каждой лопасти, при этом зажим и выступ соответствующих соседних лопастей имеют в основном комплементарные поверхности, наклоненные под острым углом относительно тангенциального направления; и заклинивают зажим, несомый бандажом каждой лопасти, установленный напротив наклонной поверхности выступа, несомого бандажом соседней лопасти, ранее установленной на ободе колеса, для предварительного закручивания бандажа и аэродинамического профиля лопасти.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения узел рабочего колеса турбины и лопастей содержит множество лопастей, каждая из которых включает в себя аэродинамический профиль, бандаж, смежный с вершиной аэродинамического профиля, и ласточкин хвост, смежный с основанием аэродинамического профиля; выступ, несомый каждым бандажом; зажим, прикрепленный с возможностью снятия к каждому выступу и имеющий выступающую часть, проходящую в тангенциальном направлении для накрывания части выступа ранее собранной на колесе лопасти, причем соседние бандажи имеют посаженные с натягом контактирующие поверхности; при этом, по меньшей мере, одно из выступа и выступающей части зажима имеют наклонную поверхность в контакте с поверхностью другого из выступа и выступающей части зажима для предварительного закручивания установленных бандажа и аэродинамического профиля.
Изобретение поясняется чертежами, где
Фиг.1 - вид в перспективе, иллюстрирующий лопасти с ромбовидными бандажами, установленные на ободе рабочего колеса турбины в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.2 - вид сверху пары лопастей, если смотреть изнутри в направлении внешних по радиусу поверхностей бандажей при сборке лопастей на колесе.
Фиг.3 - вид в увеличенном масштабе части Фиг.2.
Фиг.4 - вид в увеличенном масштабе зажима для крепления к выступу на бандаже.
Фиг.5 - вид, подобный Фиг.2, иллюстрирующий направление поворота или закручивания бандажа и аэродинамического профиля при сборке лопастей на рабочем колесе.
Фиг.6 - вид, подобный Фиг.5, со снятым зажимом, иллюстрирующий обратный поворот бандажа и аэродинамического профиля.
Фиг.7 - вид, подобный Фиг.6, с лопастями в окончательной сборке
Фиг.8 - частичный вид сбоку бандажа и аэродинамического профиля лопасти после окончательного закрепления.
Теперь со ссылкой на чертежи, в частности на Фиг.1, будет проиллюстрировано рабочее колесо 10 турбины, включающее обод 12 колеса, имеющий конфигурацию из ребер и канавок, т.е. конфигурацию в виде «елки», вдоль его противолежащих осевых сторон, по периферии колеса 10. На Фиг.1 также показано множество лопастей, в целом обозначенных ссылочной позицией 14. Каждая лопасть 14 включает в себя аэродинамический профиль 16, имеющий ласточкин хвост 18, выступающий из основания аэродинамического профиля, и бандаж 20, смежный с вершиной аэродинамического профиля. Будет понятно, что ласточкин хвост 18 имеет сопряжение, соответствующее конструкции из ребер и канавок, т.е. конфигурацию в виде «елки», комплементарную конфигурации в виде «елки» ласточкиного хвоста 12 колеса. Таким образом, лопасти 14 составляют лопасти с тангенциальным входом, посредством чего лопасти располагаются в радиальном пазу, не показано, на колесе 10 и со скольжением вокруг рабочего колеса турбины с контактированием поверхностей ласточкиного хвоста и контактированием кромок бандажей в соответствующем зацеплении с соответствующими частями соседних лопастей. На Фиг.1 также показан стопорный ключ 22, который проходит вокруг внешней периферии ласточкиного хвоста 12 рабочего колеса 10 и который зацепляется с соответствующим пазом в основании ласточкиного хвоста 18, чтобы минимизировать или предотвратить поворот ласточкиного хвоста и, значит, лопасти 14 при сборке и работе. Подобный запорный ключ описан и проиллюстрирован в патенте США № 5509784.
На Фиг.1 каждая из лопастей показана как включающая в себя выступ 24, выступающий по радиусу наружу из передней кромки бандажа 20. Выступ 24 предпочтительно образован за одно целое с бандажом 20 и частично удален от каждой лопасти и бандажа после окончательной сборки. На Фиг.1 также показан зажим 26, установленный на каждом из соответствующих выступов 24, при этом зажимы 26 выступают аксиально вперед. Каждый зажим 26 может быть скреплен с соответствующим выступом 24 болтами 28.
Как лучше всего показано на Фиг.2, бандажи 20 имеют ромбовидную конфигурацию. Будет понятно, что в окончательном узле наклонные края или тангенциальные кромки 30 бандажей примыкают одна к другой, как показано на Фиг.7. Однако эти примыкающие наклонные кромки 30, которые обычно проходят приблизительно под углом 40-60° относительно тангенциальной оси или направления, имеют существующее состояние взаимного влияния на их сопрягаемых контактных поверхностях 32 бандажей, когда лопасти собраны на рабочем колесе турбины и соседние поверхности 34 ласточкиного хвоста контактируют одна с другой. То есть, имеется избыточное количество материала на контактных кромках 30 бандажей так, чтобы кромки бандажей могли бы теоретически перекрывать одна другую, когда поверхности 34 ласточкиных хвостов соседних лопастей 14 находятся в контакте одна с другой. Из-за этого состояния взаимовлияния бандажей на контактирующих поверхностях 32 бандажей соседние поверхности 34 ласточкиных хвостов не могут быть приведены в полный контакт по всей плоскости друг с другом до того, как произойдет поворот или закручивание бандажа 20. С помощью поворота бандажа вокруг радиальной оси лопасти, происходит изменение в покрывающем бандаж тангенциальном шаге, который позволяет лопастному устройству подогнать состояние взаимовлияния бандажей. То есть, избыточное количество материала, образующего кромки 30 соседних бандажей, убирается поворотом бандажей вокруг в основном радиальных осей лопастей, чтобы осуществить закручивание бандажей, а также упругое предварительное закручивание аэродинамических профилей лопастей. Из-за угла кромок 30 бандажей закручивание бандажа уменьшает тангенциальную ширину бандажа, когда бандаж поворачивается вокруг в основном радиальной оси до тех пор, пока все взаимовлияния убираются. Закручиванием бандажа аэродинамический профиль действует как пружина кручения, которая служит для поддержания контактной нагрузки между соседними контактными поверхностями 32 бандажей при всех обычных рабочих состояниях лопастей.
Для предварительного закручивания аэродинамического профиля в процессе сборки требуется значительное тангенциальное усилие сборки для получения заданного крутящего момента, т.е. вращающий момент в бандаже, который происходит благодаря воспринимаемым нагрузкам на контактных поверхностях 32 бандажей. Тангенциальное усилие сборки должно также преодолевать силы трения, связанные со скольжением одной контактной поверхности 32 относительно соседней контактной поверхности 32.
В упомянутом выше патенте США № 5590784 имеются контактные поверхности бандажей, имеющие малый угол скольжения, т.е. приблизительно 15° относительно тангенциальной оси, создающий расклинивающий эффект, когда лопасти тангенциально собираются. Таким образом большая воспринимаемая нагрузка образуется на иллюстрируемых в данном патенте контактных поверхностях бандажей для конструкции с крутым углом и ориентируется в основном в осевом направлении, создавая существенный крутящий момент на бандаже. Однако составляющая усилия сборки в тангенциальном направлении является относительно малой по сравнению с осевой составляющей усилия, которая минимизирует требуемое тангенциальное усилие сборки, необходимое для преодоления тангенциальной составляющей усилия бандажа и сил трения.
Однако ромбовидная конфигурация бандажа, имеющая в значительной степени большую тангенциальную ось, например в порядке приблизительно от 40 до 60°, уменьшает расклинивающее действие между контактными поверхностями бандажей, когда лопасти приводятся тангенциально, обусловливая то, чтобы требуемое тангенциальное усилие сборки было большим, чем для конструкции крутого угла согласно патенту из уровня техники. Это накладывает ограничения на размер лопасти, которая может быть собрана соответствующим образом.
Кроме того, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения очень большой взаимовлияющий угол контакта поверхностей подгоняется приложением зажима 26 к выступу 24. Как показано на Фиг.2 и 3, каждый зажим 26 включает в себя часть 40, выступающую в тангенциальном направлении от выступа, к которому прикреплен зажим 26. Выступающая часть 40 включает в себя, на каждой аксиальной нижерасположенной поверхности, направляющую фаску 42, имеющую угол Θ приблизительно 10° к тангенциальной оси и заканчивающуюся в плоской поверхности 44, расположенной под приблизительно 0° к тангенциальной оси, как показано на Фиг.3. Плоская поверхность 44 направляет к или заканчивается в ступени 46 на нижележащей поверхности зажима 26. Размер ступени 46 подгоняется на основе уровня взаимовлияния на контактных поверхностях 32 бандажа. Дополнительно, как показано на Фиг.3, осевая входная поверхность выступов 24 также включает в себя фаску 48, комплементарную с фаской 42, при этом фаска 48 расположена на соседнем к выступу выступе, первый из которых имеет установочный уклон 42.
Для сборки лопастей на ободе рабочего колеса зажимы 26 закрепляются на выступах 24, например, болтами 28. Каждая последующая собираемая лопасть скользит вокруг обода колеса к расположению, где фаска 42 контактирует с сопрягаемой фаской 48 на выступе 24 предшествующей лопасти. Как только контакт произошел, тангенциальное усилие сборки прикладывается к устанавливаемой лопасти для приведения лопасти в направлении к предшествующей лопасти. Таким образом зажим 26 в начальном положении скользит вдоль клинового угла, созданного сопрягаемыми фасками 42 и 48, являясь причиной, по существу, закручиваемого движения и соответствующего поворота, производимого в бандаже, как показано на Фиг.5, а также крутящего действия аэродинамического профиля 16. Будет понятно, что обе из сопрягаемых лопастей будут закручиваться с приложением тангенциального усилия сборки. Когда аксиальная ступень между поверхностями двух лопастей становится равной размеру шага в зажиме, плоские поверхности 44 зажима контактируют с плоской аксиальной передней поверхностью выступа бандажа. Амплитуда вращения в бандаже управляется размером шага зажима и устанавливается слегка превышающей степень поворота, который обычно создавался бы состоянием взаимного влияния на контактных поверхностях 32 бандажей. Таким образом, так как бандаж закручивается и вследствие угла кромок 30 бандажей, тангенциальная ширина покрытия при повернутом бандаже принимает значение, на протяжении которого поверхности ласточкиного хвоста лопастей контактируют друг с другом. Размер шага устанавливается, например, так, чтобы между кромками 30 присутствовал зазор приблизительно в 0,002-0,004 дюйма. Это позволяет соседним лопастям скользить вместе для обеспечения возможности поверхностям 34 ласточкиного хвоста контактировать друг с другом только вовлекаемыми силами трения, сопротивляющимися движению лопастей. Из-за небольшого угла между зажимом 26 и выступом 24, т.е. 10° фасок и контакта между плоскими поверхностями 44 и смежным выступом, силы трения при таком контакте являются большими, чем силы, стремящиеся привести лопасти порознь. Таким образом лопасти будут оставаться в частично собранном положении, после их сведения вместе, даже если усилие сборки снято. Это, в свою очередь, позволяет собрать дополнительные лопасти и более того свести вместе без взаимовлияния от собранных перед этим лопастей.
Когда все лопасти, за исключением замыкающей лопасти, установлены вокруг колеса, замыкающая лопасть вставляется в радиальное отверстие в ласточкином хвосте колеса и запирается или прикрепляется к соседним лопастям. Сборочные зажимы на бандажах запирающего и соседних лопастей помогают при сборке запирающей лопасти, поскольку предварительное закручивание бандажа запирающей лопасти может быть выполнено зажимами. Таким образом, запирающая лопасть вставляется и вводится по радиусу в прорезанное отверстие.
После сборки запирающей лопасти сборочные зажимы 26 снимаются с бандажей. Когда зажимы 26 удаляются, происходит поворот бандажей в обратном направлении от первоначального предварительного закручивания (для сравнения: Фиг.5 и 6). Этот противоположный и отрицательный поворот бандажей позволяет контактным поверхностям 32 бандажей прийти в полный примыкающий контакт друг с другом. То есть, этот обратный поворот обеспечивается отклонением аэродинамических профилей 16 от первоначально приложенного предварительного закручивания. Будет понятно, что стопорный ключ 22 ласточкиного хвоста находится на месте при сборке лопастей для сдерживания поворота ласточкиного хвоста. Таким образом, уровень предварительного закручивания в аэродинамическом профиле лопасти, созданного поворотом бандажа, заставляет бандаж поворачиваться в противоположном направлении в окончательную сборку. Внешние части 54 выступов 24 могут быть затем удалены, например, на станке, оставляя бандажи 20, включая оставшиеся части выступов 24, в окончательном положении, как показано на Фиг.7 и 8.
Как показано на Фиг.5-7, имеется рельефная канавка 50 на спрессованной боковой поверхности бандажа. Рельефная канавка 50 обеспечивает низкую передачу напряжения между контактной и задней поверхностями бандажей. Рельефная канавка 50 также используется для уменьшения возможности фреттинг-усталости путем создания разделения между максимальным изгибом бандажа и напряжениями смятия. Она также создает разделение между контактными и задними поверхностями бандажей так, что окончательные операции обработки на большинстве критических контактных поверхностей бандажа могут быть выполнены без оказывания воздействия на обработанные задние поверхности или угловые переходные поверхности.
Несмотря на то что изобретение было описано со ссылкой на то, что в настоящее время считается наиболее практичным и предпочтительным вариантом осуществления изобретения, следует понимать, что изобретение не ограничивается раскрытым вариантом осуществления, а напротив, подразумевает и охватывает различные модификации и эквивалентные конструкции, входящие в идею и объем прилагаемой формулы изобретения.