СПОСОБ АМОРТИЗАЦИИ ЛОПАСТИ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ И ВИБРАЦИОННЫЙ АМОРТИЗАТОР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF GAS TURBINE BLADE DAMPING AND VIBRATION DAMPER FOR ITS IMPLEMENTATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение касается способа амортизации лопастей, установленных на колесах газовой турбины, а также вибрационного амортизатора, предназначенного для осуществления способа. Изобретение касается, в частности, турбинных колес турбомашины, но может использоваться также в вентиляторах и компрессорах низкого давления с соответствующими лопатками.
Газовая турбина содержит по меньшей мере одну приводную турбину компрессора, который подает сжатый воздух на вход камеры сгорания. Лопатки подвижных роторов, образующих ступени турбины, испытывают значительное повышение температуры при контакте с горячими газами, выходящими из камеры сгорания. Горячие газы поступают далее в поток кольцевого трубопровода, приводя во вращение лопатки роторов турбины, расположенных в этом потоке.
Лопатки и периферия дисков, на которых они установлены, требуют таким образом энергичного охлаждения. Средства охлаждения лопаток образованы обычно потоком воздуха, циркулирующим в трубопроводах внутреннего охлаждения лопаток. Охлаждающий воздух поступает снаружи и/или от ступени компрессора, связанного со ступенью турбины. Циркуляция воздуха вокруг дисков позволяет также охладить выходную поверхность последних.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Наличие этих газовых потоков и динамическое инициирование вращения лопастей вызывает явления вибрации. Для ограничения этих вибраций лопатки снабжены опорными амортизаторами под платформами лопастей, при этом платформы образуют внутренний меридиан потока воздуха на уровне ротора.
Эти амортизаторы обычно выполнены в форме небольших металлических листов с более или менее загнутыми краями, и энергия, выделяемая при движении лопастей и вибрации платформ, рассеивается трением этих листов о платформы. При своем движении листы прижимаются к платформам центробежными силами, при этом явление трения чередуется между фазами скольжения и фазами плотного прилегания к платформам. Чем лучше обеспечена подгонка между амортизатором и платформой, тем лучше амортизация. Такие фрикционные упругие амортизаторы описаны, например, в патентном документе FR 2503247.
Толщина листа порядка от 0,2 до 0,7 мм выбирается в зависимости от вибрационных условий лопасти и динамического инициирования, которое может их вызвать, в частности, в зависимости от ее резонансной скорости. Оптимальная масса выбирается для гашения резонанса, уточняемого в каждом вибрационном контексте с учетом типа резонанса турбины, а также диапазона скорости вращения турбины и других концептуальных критериев (геометрия, материал и т.д.). В частности, в случае медленных турбин или потоков воздуха низких давлений оптимальная масса, по существу, превышает массу быстрых турбин.
Так, в мощных турбинных двигателях с многоступенчатой свободной турбиной, мало нагруженной механически, скорости турбин, называемых медленными (ниже 30 000 об/мин), обычно ниже более высоких скоростей одноступенчатых турбин (примерно от 35 до 45 000 об/мин). Кроме того, двухступенчатые турбины имеют более вытянутые и более многочисленные лопасти (например, от 40 до 60 лопастей) и поэтому имеют меньше пространства между лопастями под платформами.
Становится все более и более трудным достичь оптимальной массы при такой технологии и таким образом управлять силами трения. Кроме того, использование листов более значительной толщины, превышающей, например, 1 мм, когда это позволяют полости для их размещения, ухудшает рассеивание энергии, а также упругость листа, то есть его способность деформироваться в центробежном поле, следовательно, его качество трения и поглощения вибраций. Появление очень локализованных точек износа под платформами вызывает плохое распределение контактных зон между амортизаторами и платформами.
В этих условиях может отмечаться невозможность учета оптимальной массы, которая определяет вибрационную составляющую, поэтому, в общем, стремятся увеличить в медленных турбинах упругость амортизатора, а также его качество трения. Действительно, использование все более и более толстых листов, располагаемых в уменьшенных пространствах между платформами в случае медленных турбин, приводит к ухудшению упругости амортизатора и адаптации к контакту лопатка/амортизатор и, таким образом, получаемой амортизации.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения является устранение вышеуказанной несовместимости путем придания амортизаторам оптимальной массы, способной демпфировать резонанс в соответствии с вибрационной характеристикой турбины, в частности, для медленных турбин, обеспечивая гибкость адаптации к опорным поверхностям мест размещений амортизаторов. Для этого в изобретении предлагается разделение функций массы и упругости.
Для решения задачи предлагается способ амортизации лопастей, установленных на дисках медленного колеса газовой турбины, при этом турбина под платформами лопастей имеет посадочные места для приема вибрационных амортизаторов. Способ заключается в независимом выполнении примыкающей к платформе пластиныи центробежного инерционного груза для концентрации усилий для управления силами трения по платформе с помощью плотного примыкания в реверсивном соединении двух частей вместе и во введении выполненных таким образом из двух частей амортизаторов в предназначенные для этого посадочные места.
Соединение двух частей образовано путем охватывания, по меньшей мере частично, центробежного инерционного груза по меньшей мере одной стенкой пластины, примыкающей к платформе. Пластина является достаточно гибкой для адаптации на уровне полученного контакта, например, для компенсации неправильного положения для того, чтобы приспособиться к разбросу геометрий под платформой от лопасти к лопасти и для нейтрализации допусков литья. Центробежный инерционный груз может быть заменен другой массой из отличающегося материала или может быть увеличен путем добавления дополнительной массы в случае недостатка амортизации.
Изобретение относится также к вибрационному амортизатору, предназначенному для осуществления вышеупомянутого способа. Такой амортизатор содержит пластину и по меньшей мере один центробежный инерционный груз, при этом пластина выгнута из листа, по существу, более тонкого, чем лист центробежного инерционного груза. Эта пластина содержит стенку, предназначенную для упругого контакта, по меньшей мере, с платформой лопасти, в особенности с платформами двух соседних лопастей, охватывая, по меньшей мере частично, поверхность центробежного инерционного груза. В соответствии с предпочтительными вариантами воплощения:
- материал пластины является более мягким, чем материал опорной поверхности, с которой она контактирует;
- пластина содержит по меньшей мере два изогнутых захвата для обжатия центробежного инерционного груза;
- центробежный инерционный груз содержит два выступа, связанных центральной частью, при этом центральная часть предназначена для приема обжимающего захвата пластины;
- пластина имеет толщину, составляющую от 0,1 до 0,6 мм, а центробежный инерционный груз от 1 до 6 мм, предпочтительно от 2 до 3 мм.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает общий вид в продольном разрезе примера колеса турбины, снабженной амортизаторами по изобретению; Фиг. 2а и 2b изображают пример амортизатора по изобретению, содержащего центробежный инерционный груз и пластину, соответственно в перспективе и на виде снизу; и
Фиг.3 изображает частичный вид в изометрии колеса турбины, снабженного амортизаторами по изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТА ВОПЛОЩЕНИЯ
На чертежах термины «передний» и «задний» относятся к «входным» и «выходным» элементам по отношению к направлению, определенному центральной осью вращения Х'Х. Фиг.1 изображает, в общем, вид в разрезе колеса 1 свободной турбины, включающего амортизаторы 2 по изобретению. Колесо 1 имеет циклическую повторяемость по оси турбины Х'Х и содержит центральный диск 3, на котором по периферии установлены ножки лопастей 4 в виде еловых лап. Между ножками в виде еловых лап и аэродинамическими профилями лопастей 4 расположены платформы 5, при этом ножки вставлены по периферии диска 3 в посадочные места, имеющие форму, дополнительную к форме ножек. Для блокирования ножек в их посадочных местах в лопасти вставлены тормозящие пластинки 31. Эти пластинки могут быть, предпочтительно, заменены, в зависимости от конструкций, другими системами осевого торможения, такими как тормозные тросы, заклепки, кольца или фланцы или тому подобные. Каждый амортизатор 2 встроен в посадочное место 20, ограниченное платформой 5, двумя соседними стойками ножки лопасти 4 и задней пластинкой 4. Платформа 5 имеет профиль, образующий на осевом конце переднее 51 и заднее 52 блокирующие осевые усиления амортизатора 2 в его посадочном месте. На Фиг. 2а и 2b виды примера амортизатора 2 турбины по изобретению представлены более точно в форме комбинации пластины 10 малой толщины, в данном случае 0,2 мм, и центробежного инерционного груза 12, по существу, в данном случае более значительной поперечной толщины «е» от 5 до 6 мм по высоте «Н» в его центральной части. Пластина 10 образует тонкую стенку, которая частично закрывает центробежный инерционный груз 12 и практически всю так называемую верхнюю поверхность 121 последнего. Максимальная высота Нm системы пластина-центробежный инерционный груз и общая форма этой системы определена таким образом, чтобы она была размещена между усилениями 51 и 52 платформы 2 (см. Фиг.1). Центробежный инерционный груз 12 обозначен собственной позицией, которая определяет его положение в диске турбины: его центральная высота «Н» размещена радиально диаметру Z'Z диска, его длина «L» параллельна оси Х'Х вращения турбины и его поперечная толщина «е» расположена по касательной Y'Y к точке контакта кольцевого сектора окружности диска, где будет расположен центробежный инерционный груз. Терминология типа «верхний», «нижний» либо также «входной» и «выходной» относятся к системе отсчета центробежного инерционного груза.
Центробежный инерционный груз имеет общую арочную форму, содержащую две опоры Р1 и Р2, соединенные сводом V1, верхняя часть которого совпадает с верхней поверхностью 121 центробежного инерционного груза. Высота свода V1 между его верхней поверхностью 121 и его нижней поверхностью 125 означает толщину центробежного инерционного груза 12 в его центральной части.
Пластина 10 также имеет верхнюю стенку 101, расположенную на верхней поверхности 121 центробежного инерционного груза 12. Верхняя поверхность 102 этой стенки 101 будет плотно прижиматься к платформе 5 лопасти под действием центробежного поля, как только центробежный инерционный груз 10 будет вставлен в свое посадочное место (см. описание со ссылкой на Фиг.3) и турбина будет номинально работать. Толщина стенки 101 доведена до 0,2 мм для того, чтобы контакт был достаточно эластичным, при этом может деформироваться без вреда для своей эластичности.
Верхняя поверхность пластины 10 имеет, по существу, прямоугольную форму. Она содержит два выступа 103, предназначенных для системы осевого торможения пластинками 31, как изображено на Фиг.1 или 3. Эти выступы могут быть заменены другими системами торможения, например тормозным тросом.
Кроме того, верхняя поверхность 101 продолжается ребордой 103, которая своими продольными сторонами 112 и 113 входит в контакт с продольными сторонами 122 и 123 центробежного инерционного груза 12. Продольные стороны 112 и 113 реборды 103, в свою очередь, продолжаются захватами 114 и 115, которые сжимают центробежный инерционный груз 12 по внутренней стороне 125 свода V1. Пластина установлена с зазором вокруг центробежного инерционного груза. Благодаря этому зазору и под действием центробежной силы центробежный инерционный груз 12 будет прижиматься к пластине 10 и под действием этого эффекта массы подведет эту пластину к контактной зоне платформы лопатки. Пластина будет деформироваться при этом контактом благодаря своей упругости.
Пластина 10 и центробежный инерционный груз штампуются или вырезаются из листов подходящей толщины, то есть соответствующей толщинам, определенным для пластины и амортизатора таким образом, чтобы учитывалась оптимальная масса, рассчитанная для точного демпфирования резонанса колеса в зависимости от его характеристик. Используемый лист обычно является сплавом на основе никеля.
Фиг.3 изображает частичный вид колеса 1, в котором кольцевой обод 30 диска 3 принимает ножки 40 лопастей 4 и амортизаторы 2. Фланцы обода 30 закрыты тормозными пластинками 31, образующими секции, установленные путем вдвигания в канавки, выполненные в платформах 5 и ободе 30, для блокирования осевого перемещения ножек лопасти 40 в их ячейках. Платформы 5 образуют кольцо 50, из которого радиально выступают лопасти 4.
В своем посадочном месте или полости амортизатор блокирован сбоку корпусами 41 стоек (верх еловой лапы), радиально платформой 5 и по оси усилениями лопастей 51 и 52 (см. Фиг.1).
Часть Фиг.3 изображена на просвет, причем усилительный элемент исключен с целью лучше показать амортизаторы 2 и их посадочные места 20. Каждое посадочное место 20 образовано под внутренними поверхностями 51 двух расположенных рядом платформ 5 между двумя корпусами 41 стоек и двумя ножками 40 лопастей 4 и выступом или межлопаточным пространством 6 обода 30. Амортизаторы выполняют таким образом функцию герметизации, уменьшая сечение межплатформенной утечки между двумя рядом расположенными платформами.
Центробежные инерционные грузы 2 обладают также степенью свободы по оси Z’Z и зазором, например, от 0,1 до нескольких десятых миллиметра между платформой 5 и пластиной 6 и, таким образом, под центробежным полем между этой пластиной и центробежным инерционным грузом.
Под действием центробежного поля при вращении турбины амортизаторы прижимаются к внутренним поверхностям 51 платформ 50, при этом пластина 10 упруго деформируется для лучшего прилегания, а центробежный инерционный груз 12 концентрирует все усилия для улучшения демпфирующего влияния вибрации посредством сил трения, в частности, при резонансе.
Изобретение не ограничено примером воплощения, представленным и описанным выше. Можно, например, предусмотреть два амортизатора на посадочное место по длине или, по существу, увеличить длину каждого амортизатора, по существу, до длины посадочного места.
Однако ножки лопасти могут быть выполнены в виде молота вместо ножек в форме еловых лап, при этом посадочные места амортизаторов всегда определяются стойками этих ножек.
Возможно использование изобретения на любой совокупности деталей, связанных и установленных для вращения в газовой турбине, в особенности на любой газовой турбине летательного аппарата, а также на наземной или морской газовой турбине. Однако размеры адаптированы к типу и размерам турбины.
Кроме того, наличие захватов пластин или усиления для удержания центробежного инерционного груза необязательно: вследствие упругости пластины реборда пластины, полностью закрывающая боковые края пластины, может являться достаточной для удержания центробежного инерционного груза в соединении с пластиной, по меньшей мере, точная сварка или клей позволяют осуществлять манипуляции при монтаже.
Кроме того, посадочное место амортизаторов может быть выполнено иначе, чем в примере. Так, оно может быть выполнено в зависимости от ножек лопасти различной формы.