УЗЕЛ ТУРБОМАШИНЫ И СПОСОБЫ ЕГО СБОРКИ И РАЗБОРКИ
TURBOMACHINE ASSEMBLY AND METHODS OF ASSEMBLY THEREOF

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение, раскрытое в настоящем документе, относится к способам сборки лопаток турбомашины на роторе турбомашины и, в частности, лопаток осевой турбомашины, такой как газовая турбина, осевой компрессор или паровая турбина. Кроме того, изобретение относится к ротору турбомашины.
ОПИСАНИЕ УРОВНЯ ТЕХНИКИ
Барабанный ротор турбомашины обычно содержит барабан, по окружности которого выполнен окружной паз для крепления лопаток, как правило, имеющий Т-образное поперечное сечение. Каждая лопатка содержит профильную часть и хвостовую часть, которая, как правило, имеет Т-образную форму и предназначена для удержания в указанном пазу ротора.
Лопатки закрепляют в роторе путем введения хвостовой части в паз для крепления лопаток и последующего поворота лопатки вокруг радиальной оси для взаимодействия хвостовой части с выемкой, образованной Т-образным пазом для крепления лопаток.
Количество лопаток должно быть достаточным для формирования завершенной кольцевой конструкции из лопаток, которые в тангенциальном направлении упираются одна в другую для сопротивления давлению и вибрациям. Предложено несколько решений, обеспечивающих введение лопаток в Т-образный паз и их окончательный прижим друг к другу в тангенциальном направлении.
Для сборки завершенного лопаточного венца вокруг ротора, в некоторых известных роторных конструкциях турбины, хвостовая часть лопатки, вводимой последней, имеет не Т-образную форму и вводится в установочное пространство, имеющее увеличенный размер в осевом направлении относительно ширины Т-образного паза для крепления лопаток, то есть, в направлении, параллельном оси вращения ротора. Последняя лопатка удерживается в результате ее блокировки с помощью двух вставок, вводимых в установочное пространство, с использованием радиальных болтов. После вставки и блокировки последней лопатки формируется завершенный лопаточный венец, и лопатки в тангенциальном направлении упираются одна в другую. Данный тип конструкции описан в патенте США №7901187.
На фиг. 23 схематически изображена часть ротора турбины и соответствующие лопатки, в частности, лопатка, установленная в роторе последней. Ротор обозначен номером 100. Лопатки 102 установлены вокруг ротора и удерживаются в пазу для крепления лопаток, например, как правило, Т-образного поперечного сечения, проходящем вокруг ротора по его окружности. Каждая лопатка за исключением последней лопатки имеет Т-образную хвостовую часть (не показано), находящуюся во взаимодействие с пазом. Лопатки 102 вводят в паз для крепления лопаток в соответствии с установочным пространством, обозначенным номером 103. Последнюю лопатку 105 вводят в установочное пространство 103 после введения в него двух противолежащих вставок 107. Вставки 107 и последнюю лопатку 105 фиксируют в роторе или барабане 100 посредством болтов 109, 111.
Данная известная система установки имеет некоторые недостатки, включая невысокую эффективность удерживания последней лопатки 105. Указанная лопатка закрепляется в радиальном направлении посредством болтов 109, 111, противодействуя центробежным силам, которые возникают при вращении ротора. Для достижения достаточного удерживающего эффекта в радиальном направлении, болты должны взаимодействовать с ротором на большую глубину. Это приводит к концентрации напряжений, особенно в турбомашинах, подвергающихся воздействию высоких рабочих температур, например, в паровых турбинах.
В патенте США №7168919 описано еще одно известное решение для установки и запирания в тангенциальном направлении лопаток в барабане ротора. В данном известном решении каждая лопатка имеет хвостовик, выполненный с противолежащими выступающими участками, проходящими в осевом направлении хвостовика. Лопатки вводят в Т-образный паз, обеспечивая радиальное размещение, так что сначала соответствующие выступающие участки смещены в радиальном направлении. В конце установки, лопатки перемещают в радиально-наружном направлении, так что выступающие участки всех лопаток совмещены в радиальном направлении, тем самым исключая зазор между смежными лопатками и обеспечивая прижим лопаток друг к другу в тангенциальном направлении. Механическая обработка лопаток является очень сложной, и в процессе сборки очень трудно контролировать и регулировать окончательное тангенциальное сопряжение.
В других известных решениях, между хвостовиками смежных лопаток с усилием вводят регулировочные прокладки для обеспечения тангенциального взаимодействия между лопатками и их прижатия одна к другой в тангенциальном направлении. Прокладки фиксируют посредством винтов. При этом данное решение оказывается неприемлемым, поскольку при сборке требуется выполнять существенную механическую обработку. Помимо этого прокладки должны быть толстыми, для обеспечения посадки прокладок с усилием и размещения в них крепежных винтов. Для этого лопатки должны иметь неравномерный шаг между хвостовиками лопаток, так что лопаточный венец невозможно оптимизировать с точки зрения устойчивости к напряжениям.
Таким образом, существует необходимость в создании более эффективной системы установки лопаток в роторе турбомашины и, в частности, более эффективного способа введения последней лопатки и замыкания всего лопаточного венца.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно описанному в настоящем документе изобретению, вращающиеся лопатки одной ступени турбомашины собирают на роторе путем введения во взаимодействие хвостовых частей лопаток в кольцевом пазу с канавкой или каналом для крепления лопаток, который проходит по окружности вокруг оси ротора. Паз для крепления лопаток и хвостовые части лопаток имеют форму, обеспечивающую радиальное взаимодействие каждой лопатки с ротором. Паз для крепления лопаток имеет выемку, например, часть его поперечного сечения имеет Т-образную форму для формирования соединения в форме ласточкина хвоста, обеспечивающую взаимодействие с хвостовой частью каждой лопатки, имеющей подобную Т-образную форму или форму ласточкина хвоста. Паз для крепления лопаток имеет увеличенный участок. Лопатки, вводимые в паз вдоль указанного увеличенного участка, могут быть повернуты относительно их углового положения, соответствующего окончательной установке, с обеспечением временного расположения, соответствующего минимальному тангенциальному размеру и образующего свободный зазор. Последнюю лопатку вводят в зазор и поворачивают для взаимодействия с выемкой, образованной пазом для крепления лопатки. В конце установки в увеличенный участок паза принудительно вводят вставки для тангенциального смещения для принудительного возвращения избыточно повернутых лопаток обратно в окончательное угловое положение путем поворота каждой лопатки вокруг ее соответствующей радиальной оси. При обратном повороте лопаток в их окончательное угловое положение увеличивается тангенциальный размер лопаток, и зазоры между смежными лопатками устраняются, образуя завершенный лопаточный венец. Лопатки эффективно удерживаются радиально в пазу для крепления лопаток, без необходимости сложного формообразования их хвостовых частей и без использования особых приспособлений для удерживания лопаток в роторе, включающих болты для радиального крепления и подобные запирающие элементы.
Таким образом, согласно некоторым вариантам выполнения предложен узел турбомашины, содержащий ротор и венец из лопаток, установленных в указанном роторе, при этом каждая лопатка имеет профилированную часть и хвостовую часть, вставленную в паз ротора для крепления лопаток. Паз для крепления лопаток проходит по окружности ротора вокруг его оси вращения, по внешней периферии сердечника или барабана ротора. Паз для крепления лопаток имеет увеличенный участок, проходящий вдоль части паза в угловом диапазоне по окружности, например, от 20° до 100°, предпочтительно, от 30° до 60°. Увеличенный участок имеет часть с поперечным сечением, размер которого в осевом направлении (то есть в направлении, параллельном оси вращения ротора) больше размера остальной части паза. Лопатки, расположенные в увеличенном участке паза, выполнены с возможностью поворота вокруг по существу радиальной оси, для размещения в положении, соответствующем минимальному тангенциальному размеру. Вдоль увеличенного участка паза, между хвостовыми частями лопаток и боковой поверхностью паза расположена по меньшей мере одна вставка, выполненная с возможностью извлечения и предназначенная для принудительного перемещения расположенных в указанном участке паза лопаток из положения, соответствующего минимальному тангенциальному размеру, в окончательное угловое положение и запирания лопаток в этом положении. В указанном положении лопатки могут находиться в состоянии взаимодействия.
В контексте предложенного изобретения, под пазом для крепления лопаток, следует понимать паз, форма поперечного сечения которого обеспечивает возможность введения во взаимодействие в радиальном направлении хвостовых частей лопаток, например, Т-образное поперечное сечение или поперечное сечение в форме ласточкина хвоста.
В некоторых вариантах выполнения каждая лопатка может иметь наружную бандажную часть. После установки в окончательное положение бандажные части смежных лопаток находятся в двустороннем контакте, образуя сплошной кольцевой бандаж, окружающий лопатки, формирующие лопаточный венец вокруг оси ротора.
Согласно следующему аспекту описанное в настоящем документе изобретение относится к способу сборки указанного выше узла турбомашины, включающему следующие этапы: введение и поворот первого набора лопаток в пазу для крепления лопаток с обеспечением взаимодействия их хвостовых частей с пазом; введение второго набора лопаток в увеличенный участок указанного паза и поворот лопаток указанного второго набора вокруг их соответствующих радиальных осей на угол, превышающий угол поворота, обеспечивающий достижение указанного окончательного положения лопаток второго набора, с обеспечением размещения каждой лопатки второго набора в угловом положении, соответствующем уменьшенному тангенциальному размеру, создавая, таким образом, свободный зазор в указанном пазу; введение последней лопатки из второго набора в указанный зазор и поворот указанной последней лопатки вокруг ее соответствующей радиальной оси на угол, превышающий угол поворота, обеспечивающий достижение указанного окончательного положения последней лопатки; введение указанной по меньшей мере одной вставки, выполненной с возможностью извлечения, в увеличенный участок паза между хвостовыми частями лопаток указанного второго набора и противоположной боковой поверхностью увеличенного участка паза, тем самым последовательно поворачивая лопатки второго набора в окончательное угловое положение.
Согласно еще одному аспекту, описанное в настоящем документе изобретение относится к способу разборки описанного выше узла турбомашины, включающему следующие этапы: извлечение указанной по меньшей мере одной вставки, выполненной с возможностью извлечения, из увеличенного участка паза; поворот лопаток в увеличенном участке паза вокруг их радиальных осей на угол, превышающий угол поворота, обеспечивающий достижение указанного окончательного положения лопаток, с обеспечением образования свободного зазора; поворот одной из лопаток, расположенных вдоль увеличенного участка паза, вокруг соответствующей радиальной оси с обеспечением вывода ее хвостовой части из взаимодействия с пазом для крепления лопаток и извлечения в радиальном направлении повернутой лопатки; поворот остальных лопаток и их извлечение из паза для крепления лопаток.
Благодаря заявленным изобретениям обеспечивается возможность эффективной установки лопаток в роторе турбомашины и, в частности, более эффективное введение последней лопатки для замыкания всего лопаточного венца.
Ниже описаны признаки и варианты выполнения изобретения, изложенные далее в прилагаемой формуле изобретения, которая составляет неотъемлемую часть настоящего описания. В вышеизложенном кратком описании приведены характерные признаки разных вариантов выполнения предложенного изобретения для лучшего понимания приведенного ниже подробного описания и лучшего понимания усовершенствований существующего уровня техники с помощью предложенного изобретения. Разумеется, существуют и другие характерные признаки изобретения, которые будут описаны далее и изложены в прилагаемой формуле изобретения. В связи с этим, прежде чем перейти к подробному объяснению некоторых вариантов выполнения следует уяснить, что разные варианты выполнения изобретения не ограничены в их применении деталями конструкции и расположением компонентов согласно приведенному ниже описанию или изображенному на чертежах. Изобретение может предполагать другие варианты выполнения и может быть реализовано на практике и осуществлено разными способами. Кроме того, следует понимать, что используемая в настоящем документе фразеология и терминология является описательной и не должна считаться ограничивающей.
С учетом изложенного специалисты поймут, что концепция, на которой основано изобретение, может быть легко использована в качестве базы для разработки других конструкций, способов и/или систем, обеспечивающих реализацию некоторых целей предложенного изобретения. Таким образом, важно отметить, что формула изобретения включает данные эквивалентные конструкции, если только они не выходят за пределы сущности и объема предложенного изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Более полное представление и понимание описанных вариантов выполнения изобретения и его многочисленных соответствующих преимуществ будет доступно из приведенного ниже подробного описания, выполненного со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 показан вид сбоку одной из лопаток первого набора лопаток, согласно предложенному изобретению;
на фиг. 2 и фиг. 3 показана лопатка, представленная на фиг. 1, если смотреть по линиям II-II и III-III, соответственно;
на фиг. 4 подобно фиг. 1 показан вид одной из лопаток второго набора лопаток, согласно предложенному изобретению;
на фиг. 5 и фиг. 6 показана лопатка, представленная на фиг. 4, если смотреть по линиям IV-IV и V-V, соответственно;
на фиг. 7 показана часть барабана ротора;
на фиг. 8 показан фрагмент периферической части барабана ротора, представленного на фиг. 7;
на фиг. 9 показан другой вид фрагмента периферической части барабана ротора, представленного на фиг. 8;
на фиг. 10 и фиг. 11 показаны два разреза паза для крепления лопаток, выполненного в барабане ротора, по линиям Х-Х и XI-XI на фиг. 9;
на фиг. 12 и фиг. 13 проиллюстрированы два этапа процесса установки лопатки первого набора лопаток;
на фиг. 14 показан вид в перспективе части барабана ротора вместе с частично собранным лопаточным венцом;
на фиг. 15 и фиг. 16 показаны виды в перспективе барабана ротора, при этом вокруг барабана ротора установлены все лопатки, кроме последней;
на фиг. 17 проиллюстрирован последний этап установки последней лопатки;
на фиг. 18 показан вид в перспективе барабана ротора, в котором установлены все лопатки и часть вставок;
на фиг. 19 и фиг. 20 показаны виды в перспективе ротора с окончательно собранным лопаточным венцом;
на фиг. 21 показан разрез по радиальной плоскости одной из лопаток второго набора, при этом лопатка находится в собранном и запертом положении;
на фиг. 22 показан вид в перспективе одной из вставок, применяемых для запирания лопаток в их окончательном угловом положении;
на фиг. 23 показана система установки лопаток в роторе, согласно известному уровню техники.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Представленное ниже подробное описание примеров вариантов выполнения приведено со ссылкой на прилагаемые чертежи. Одинаковыми номерами позиций на разных чертежах обозначены одинаковые или подобные элементы. Кроме того, чертежи не обязательно выполнены в масштабе. Более того, приведенное ниже подробное описание не ограничивает изобретение. В действительности, объем изобретения определяется формулой изобретения.
Используемая на протяжении настоящего описания ссылка на выражение «один вариант выполнения» или «вариант выполнения», либо «некоторые варианты выполнения» означает, что конкретный признак, конструкция или характеристика, описанные применительно к варианту выполнения, относятся по меньшей мере к одному варианту выполнения изобретения. Таким образом, фраза «в одном варианте выполнения» или «в варианте выполнения», либо «в некоторых вариантах выполнения», используемая в разных местах описания, не обязательно относится к одному и тому же варианту (вариантам) выполнения. Более того, конкретные признаки, конструкции или характеристики могут сочетаться любым соответствующим образом в одном или нескольких вариантах выполнения.
В последующем описании и на соответствующих чертежах ссылка делается только на один диск ротора турбины, вокруг которого установлен лопаточный венец. Следует понимать, что в зависимости от количества ступеней турбомашины может быть выполнено множество указанных дисков или барабан с множеством лопаточных венцов. Как правило, в действительности турбомашина включает множество ступеней, каждая из которых содержит венец из вращающихся лопаток, установленных в роторе, и венец статорных лопаток, установленных в неподвижной части машины. Лопатки некоторых или всех ступеней могут быть установлены в роторе согласно приведенному ниже описанию.
Более того, в качестве примера будет сделана ссылка на турбину и, в частности, паровую турбину. Однако следует понимать, что такая же технология установки может быть применима и к сборке лопаток в турбомашинах другого типа, например, в осевых компрессорах или газовых турбинах.
На чертежах ротор 1 состоит из центрального барабана 3, вокруг которого в кольцевой конфигурации расположено множество лопаток 7А, 7В. На чертежах показан только «срез» ротора 1, который соответствует одной из ступеней турбины. Следует понимать, что в действительности осевая протяженность ротора зависит от количества ступеней, и что лопаточный венец каждой ступени установлен в барабане ротора вдоль соответствующего паза для крепления лопаток.
На фиг. 1 - фиг. 3 и фиг. 4 - фиг. 6 детально изображена форма лопаток 7А и 7В, соответственно. Конструкция лопаток будет описана более подробно далее.
Ротор 1 имеет ось Х-Х вращения и по окружности указанного ротора для каждой ступени турбомашины проходит паз 5 для крепления лопаток. Паз 5 выполнен с формой, обеспечивающей возможность закрепления лопаток 7А, 7В, установленных в нем посредством Т-образного или в форме ласточкина хвоста поперечного сечения указанного паза и соответствующей хвостовой части данных лопаток. В сущности, форма поперечного сечения паза 5 для крепления лопаток и соответствующая форма хвостовых частей лопаток выполнены с возможностью обеспечения закрепления лопаток в роторе посредством взаимодействия хвостовых частей лопаток в выемке, образованной указанным пазом.
В некоторых вариантах выполнения (см. фиг. 7 - фиг. 11) паз 5 для крепления лопаток имеет входную часть или часть 5А для платформы, промежуточную зауженную часть 5В и нижнюю часть 5С. Входная часть 5А имеет размер D1 в осевом направлении, то есть, в направлении, параллельном оси Х-Х вращения ротора 1. Ширина средней части 5В паза 5 для крепления лопаток составляет D2, при этом размер D2 меньше размера D1, а ширина внутренней или нижней части 5С имеет размер D3. Ширина D3 может быть одинаковой с размером D1, как изображено на фиг. 10, или отличаться, например, превышать размер D1. Таким образом, поперечное сечение паза 5 для крепления лопаток образует выемку 5D, обеспечивающую радиальное удерживание лопаток 7А, 7В. Входная часть 5А ограничена двумя кольцевыми, предпочтительно, плоскими боковыми стенками или поверхностями 5Е, 5F. В некоторых вариантах выполнения боковые стенки 5Е, 5F в целом параллельны одна другой и могут быть ортогональны оси Х-Х ротора. В других вариантах выполнения боковые стенки 5Е, 5F могут быть не параллельными.
Поперечное сечение паза 5 для крепления лопаток, изображенное на фиг. 10, неизменно вдоль всей протяженности по окружности указанного паза, соответствующей угловому диапазону α (см., например, фиг. 7, фиг. 13). Вдоль остальной части протяженности по окружности паз 5 имеет немного отличающееся по форме поперечное сечение, как изображено на фиг. 11. Вдоль указанной остальной части, соответствующей угловому диапазону β (см., например, фиг. 7, фиг. 13) и проходящей от первого конца 5Х ко второму концу 5Y, паз 5 для крепления лопаток имеет поперечное сечение увеличенного размера. Значение углового диапазона β может, например, составлять примерно от 20° до 100°, предпочтительно, примерно от 25° до 80°, и более предпочтительно, примерно от 30° до 60°. В настоящем документе указанная часть паза 5 для крепления лопаток будет называться «увеличенный участок паза».
Поперечное сечение увеличенного участка паза по существу соответствует поперечному сечению части паза 5, проходящей вдоль углового диапазона а, за исключением отличающейся формы входной части 5А или части для платформы. Вдоль увеличенного участка паза входная часть 5А сформирована между боковой стенкой 5Е и противоположной, наклонной боковой стенкой 5F'. Данная стенка 5F' выполнена наклонной и проходит в радиальном наружном направлении, приближаясь к противоположной боковой стенке 5Е. В некоторых вариантах выполнения наклонная боковая стенка 5F' может быть выполнена по существу конической, при этом ось ее конической поверхности совпадает с осью Х-Х вращения ротора 1. Кроме того, боковая стенка 5F' может иметь форму, отличающуюся от формы, изображенной на чертежах. Как правило, форма боковой стенки 5F' обеспечивает образование выемки, функция которой станет понятна из приведенного ниже описания.
Таким образом, ширина входного участка 5А вдоль увеличенного участка паза изменяется от минимального размера D5 до максимального размера D4. Размер D5 превышает размер D1. В других вариантах выполнения ширина входной части 5А вдоль увеличенного участка паза может изменяться ступенчато, увеличиваясь в радиально-внутреннем направлении с обеспечением формирования выемки.
По причинам, которые станут понятными из дальнейшего описания, каждый венец из лопаток, установленных в одном из выполненных в роторе 1 пазов 5 для крепления лопаток, состоит из лопаток двух видов, образующих первый набор лопаток 7А и второй набор лопаток 7В, которые немного отличаются друг от друга. На фиг. 1 - фиг. 3 изображена отдельная лопатка 7А. Каждая лопатка 7А содержит среднюю профилированную часть 7F, выполняемый в некоторых случаях радиально-наружную бандажную часть 7S, и радиально-внутреннюю хвостовую часть 7R. Между хвостовой частью 7R и профилированной частью 7F лопатки 7А выполнена платформа П. Хвостовая часть 7R имеет две, как правило, плоские поверхности 13, которые при установке лопатки 7А в роторе 1 проходят радиально и, в целом, наклонно, например, составляя угол примерно от 30° до 40° с осью Х-Х ротора. Хвостовая часть 7R каждой лопатки 7А дополнительно содержит два боковых углубления 15, образующих нижнюю Т-образную секцию или секцию хвостовой части 7R лопатки, выполненную с выемкой. Т-образная секция, обозначенная номером 17, может быть введена во взаимодействие в выемке 5С паза 5 для крепления лопаток, при этом каждая лопатка 7А закрепляется в указанном пазу 5, как будет описано далее.
Платформа 11 проходит в боковом направлении над углублениями 15, формируя два противоположных выступа 19. Когда лопатка 7А занимает окончательное установочное положение в роторе 1, выступы 19 взаимодействуют с боковыми стенками 5Е, 5F, ограничивающими входную часть 5А паза 5 для крепления лопаток.
На фиг. 4 - фиг. 6 изображена отдельная лопатка 7В из второго набора лопаток. Одинаковыми номерами позиций обозначены одинаковые или соответствующие элементы, которые уже были описаны применительно к лопатке 7А. Основное отличие между лопатками 7А первого набора или первого типа и лопатками 7В второго набора или второго типа заключается в форме одного из двух выступов 19. Как лучше всего понятно при сравнении фиг. 1 и фиг. 4, один из выступов 19 (правый выступ на чертежах) лопатки 7В имеет наклонную поверхность 19Х. Таким образом, общая ширина лопатки 7В на уровне выступов 19 меньше ширины лопатки 7А. В некоторых вариантах выполнения оба выступа 19 лопаток 7В могут иметь скос на одном конце, как изображено номером 19С (фиг. 5, фиг. 6).
Каждый лопаточный венец ступени турбомашины состоит из большего количества лопаток 7А и меньшего количества лопаток 7В. Лопатки 7А расположены вокруг большей части паза 5 для крепления лопаток, вдоль углового диапазона α, тогда как лопатки 7В второго набора лопаток расположены в увеличенном участке паза, проходящем от точки 5Х до точки 5Y вдоль углового диапазона β ротора.
Далее, со ссылкой на фиг. 7, фиг. 12, фиг. 13 и фиг. 14 будет описана процедура крепления каждой лопатки 7А, относящейся к первому множеству или набору лопаток, в пазу 5 для крепления лопаток. Расстояние между двумя поверхностями 13, ограничивающими хвостовую часть 7R лопатки 7, немного меньше осевого размера D2 промежуточной части 5В паза 5, так что каждая лопатка 7 может быть введена в указанный паз путем направленного расположения хвостовой части 7R с двумя плоскими поверхностями 13 примерно ортогонально оси Х-Х вращения ротора. На фиг. 7 первая лопатка 7А показана в исходном положении. Хвостовую часть 7R лопатки 7А вводят в паз 5 для крепления лопаток. После введения хвостовой части 7R в паз 5 лопатку 7А поворачивают или вращают вокруг собственной радиальной оси Y-Y. В окончательно повернутом положении поверхности 15Х углублений 15 по существу ортогональны оси Х-Х вращения ротора 1. В результате поворачивания лопатки 7А, Т-образная секция 17 хвостовой части 7R лопатки 7А взаимодействует с нижней частью 5С увеличенного участка паза 5, так что лопатка 7А взаимодействует радиальным образом с указанным пазом 5. В окончательно повернутом положении один из выступов 19 платформы 11 упирается в боковую поверхность 5Е входной части 5А увеличенного участка паза 5 для крепления лопаток. Затем лопатку 7А тангенциально смещают в ту часть паза, которая имеет обычный размер, для достижения окончательного положения в лопаточном ряду, при этом оба выступа 19 взаимодействуют с поверхностями 5Е и 5F.
Данную операцию повторяют для такого количества лопаток 7А, которое достаточно для заполнения всего паза 5 для крепления лопаток, за исключением увеличенного участка паза, то есть, пока не будет образован неполный лопаточный венец, проходящий вдоль углового диапазона α, как изображено на фиг. 14. Установленные данным образом лопатки 7А закреплены в своем угловом положении и не поворачиваются вокруг соответствующих им радиальных осей Y-Y, так как выступы 19 упираются в боковые поверхности 5Е, 5F паза 5 для крепления лопаток.
Хвостовик 7R лопатки может быть соответствующим образом скошен или закруглен известным для специалистов способом для уменьшения размера D2 паза 5 для крепления лопаток и увеличения количества лопаток 7А, образующих каждый лопаточный венец, то есть, для увеличения углового диапазона α.
После того, как в роторе 1 установлено достаточное для заполнения паза 5 вдоль углового диапазона α количество лопаток 7А, точно таким же образом, вдоль оставшегося, увеличенного участка паза устанавливают лопатки 7В, относящиеся ко второму набору лопаток.
Как упомянуто выше, вдоль увеличенного участка паза 5 для крепления лопаток входная часть 5А указанного паза 5 имеет большую ширину по сравнению с шириной входной части 5А на остальных основных участках паза 5, так что лопатки 7В второго набора лопаток могут быть избыточно повернуты после введения их хвостовой части 7R в паз 5, как изображено на фиг. 15 и фиг. 16. Избыточный поворот означает, что после введения хвостовой части 7R лопатки 7В в увеличенный участок паза, лопатку 7В поворачивают вокруг ее радиальной оси Y-Y на угол, превышающий необходимый угол поворота, обеспечивающий достижение окончательного положения лопатки. Возможность избыточного поворота обеспечивается увеличенными осевыми размерами D4, D5 входной части 5А вдоль увеличенного участка паза, а также уменьшенным размером одного из выступов 19 лопаток из указанного второго набора лопаток 7В. Скошенная поверхность 19С выступов 19 лопаток 7В (фиг. 4 - фиг. 6) облегчает выполнение избыточного поворота.
В положении избыточного поворота (фиг. 15, фиг. 16, фиг. 17), тангенциальный размер каждой лопатки 7В, то есть, размер в направлении fT, меньше тангенциального размера лопаток 7 в окончательном угловом положении (фиг. 19, фиг. 20). Это означает, что лопатки 7В занимают положение, соответствующее минимальному шагу, меньшему, чем шаг между лопатками из первого набора лопаток 7А, установленных вдоль части паза для крепления лопаток, соответствующей угловому диапазону α. Таким образом, как изображено на фиг. 15, фиг. 16 и фиг. 17, после того, как некоторое количество лопаток 7В введено в увеличенный участок паза и избыточно повернуто на дополнительный угол, между первой лопаткой 7А (обозначенной 7А1 на фиг. 15, фиг. 16, фиг. 17) первого набора лопаток 7А и последней лопаткой из второго набора лопаток 7В, обозначенной 7В1, остается свободный зазор G.
Последняя лопатка 7ВХ может быть введена в свободный зазор G, образованный указанным образом, и повернута в нем с обеспечением взаимодействия ее хвостовой части 7R с пазом 5 для крепления лопаток (см. фиг. 17). Тангенциальный размер зазора G превышает ширину Т-образной секции хвостовой части 7R, так что последняя лопатка 7ВХ может быть введена в указанный зазор, при расположении поверхностей 15А углублений 15 параллельно оси Х-Х вращения ротора 1, и затем повернута вокруг собственной радиальной оси Y-Y, занимая окончательное положение с расположением поверхностей 15А ортогонально оси Х-Х вращения.
Для закрытия тангенциального зазора G и исключения какого-либо зазора между лопатками 7А, 7В, а также запирания лопаток, установленных указанным образом в увеличенном участке паза для крепления лопаток в окончательном, правильном угловом положении, каждая лопатка 7В, расположенная вдоль указанного увеличенного участка, то есть вдоль части паза, соответствующей угловому диапазону β, должна быть повернута обратно из углового положения, соответствующего избыточному повороту (фиг. 15 - фиг. 17), в окончательное угловое положение (фиг. 18 - фиг. 20).
Как показано на Фиг. 21, увеличенный участок паза и хвостовая часть 7R лопатки образуют противолежащие выемки для размещения вставки 21, т.е. проходящие в осевом направлении выступы лопаток 7В образуют выемку, а боковая стека увеличенного участка паза, обращенная к указанным выступам, образует противолежащую выемку, при этом указанные выемки обеспечивают радиальное закрепление вставки 21 в увеличенном участке паза. Для перемещения каждой избыточно повернутой лопатки 7В, 7В1, 7ВХ обратно в окончательное угловое положение, в гнездо 20, образованное вдоль увеличенного участка паза между боковой стенкой или боковой поверхностью 5F' и наклонной поверхностью 19Х выступа 19, обращенной к стенке 5F', вставляют тангенциальные вставки 21. На фиг. 21 изображено поперечное сечение увеличенного участка паза с расположенными хвостовой частью 7R и вставкой 21, вставленной между указанной частью и поверхностью 5F'.
В варианте выполнения, проиллюстрированном на чертежах, количество вставок 21, вставляемых в гнездо 20, равно количеству лопаток 7В, 7В1, 7ВХ, расположенных вдоль увеличенного участка паза. Однако данное условие не является обязательным. Может быть использовано и другое количество вставок 21. В некоторых вариантах выполнения количество применяемых вставок 21 может превышать количество лопаток 7В, установленных вдоль углового диапазона β. И наоборот, количество вставок 21, устанавливаемых в гнезде 20, может быть меньше количества лопаток 7В второго набора. В некоторых вариантах выполнения только одна вставка 21 может быть введена в тангенциальное гнездо, образованное между лопатками 7В и боковой поверхностью 5F' паза 5 для крепления лопаток.
Форма поперечного сечения и размер каждого вставки 21 и гнезда 20 выполнены с обеспечением взаимодействия вставок 21 с гнездом 20 с обеспечением проталкивания соответствующих лопаток 7В в окончательное угловое положение и их поворота вокруг собственных радиальных осей Y-Y. Каждая вставка 21 может иметь противоположные наклонные боковые поверхности 21А и 21В, как изображено на фиг. 22. Поверхности 21А и 21В сходятся в радиально-наружном направлении, так что каждая вставка 21 имеет, в целом, клинообразное поперечное сечение. Наклон наклонных поверхностей 21А и 21В может быть одинаков или подобен наклону боковой стенки 5F' и поверхности 19Х выступов 19 лопаток 7 В, расположенных вдоль увеличенного участка паза 5 для крепления лопаток. Путем последовательного введения вставок 21 в гнездо 20, лопатки 7В, расположенные вдоль увеличенного участка паза, поворачиваются или вращаются вокруг их собственной радиальной оси Y-Y в окончательное положение и запираются в указанном положении посредством взаимодействия вставок 21 и боковых стенок 5F', 19Х в гнезде 20. Такое взаимодействие усиливается по мере увеличения количества вставляемых вставок и количества лопаток 7В, принудительно перемещаемых в их окончательное угловое положение. Как изображено на фиг. 18, в тангенциальное гнездо 20 введены первые три вставки 21. На фиг. 19, фиг. 20 все вставки 21 введены в гнездо 20, и все лопатки 7В заперты в их окончательном угловом положении относительно соответствующих радиальных осей.
Клинообразная форма поперечного сечения вставок 21 и соответствующая наклонная форма поверхностей или стенок 19Х и 5F' создают эффект удерживания в радиальном направлении, предотвращая перемещение вставок из гнезда 20 под влиянием центробежной силы в процессе работы турбомашины. Как отмечено выше, стенка 5F' может иметь другую форму, при условии, что в ней сформирована выемка для удерживания вставок 21 в радиальном направлении.
В некоторых вариантах выполнения на одном конце (конец 5Y в данном примере) увеличенного участка паза могут быть выполнены выступающие направляющие поверхности, способствующие тангенциальному введению вставок 21 между наклонной боковой поверхностью или стенкой 5F' и наклонными поверхностями 19Х выступов 19. На фиг. 8 и фиг. 9 схематически изображена возможная форма выступающих направляющих поверхностей, выполненных на входном конце 5Y увеличенного участка паза, где вводят вставки 21. В некоторых вариантах выполнения могут быть выполнены нижняя направляющая поверхность 27 и выступающая боковая поверхность 29, образующие поверхность скольжения и направляющую поверхность для вставок 21. Как показано на Фиг. 19, нижняя и боковая поверхности на конце 5Y образуют расширяющееся входное отверстие, проходящее тангенциально и радиально от наружной поверхности ротора в увеличенном участке паза.
В некоторых вариантах выполнения вставка 21, вводимая последней и расположенная на входном конце увеличенного участка паза (положение 5Y), может быть прикреплена к ротору 1. Например, указанная последняя вставка 21 (обозначенная на фиг. 19 и фиг. 20 номером 21X позиции) может быть припаяна, приварена, прикручена болтами, приклеена или прикреплена любым другим соответствующим способом к барабану 3 ротора. Закрепление последней вставки 21X в барабане 3 ротора упрощено, поскольку в процессе работы турбомашины вставки 21 подвергаются сильным центробежным силам, действующим в радиальном направлении, и противодействуют им посредством клинообразной формы поперечного сечения вставок 21 и гнезда 20, в которое они вставлены, при этом в тангенциальном направлении силы воздействия по существу отсутствуют или пренебрежимо малы. Поэтому средства закрепления для тангенциального закрепления последних вставок 21 в роторе 1 выполнены только для обеспечения дополнительной безопасности.
В рассматриваемом варианте выполнения вставки 21 вводят в гнездо 20 по существу тангенциальным перемещением, осуществляемым с помощью выступающей направляющей поверхности 29 и поверхности скольжения 27. В некоторых вариантах выполнения, не представленных на чертежах, вставки могут быть введены через радиальный паз, выполненный способом машинной обработки в барабане 3 ротора и имеющий глубину по существу соответствующую дну гнезда 20. После того, как вставка 21 радиально введена в указанный паз, она может быть перемещена тангенциальным перемещением в гнездо 20.
Поворот лопаток 7В, расположенных вдоль увеличенного участка паза между координатами 5Х и 5Y, в окончательное угловое положение (фиг. 19, фиг. 20), увеличивает тангенциальный размер каждой указанной лопатки. Количество лопаток и их форму выбирают таким образом, чтобы в окончательно собранном положении был образован завершенный лопаточный венец, при этом каждая лопатка прижата в тангенциальном направлении к соседним лопаткам, исключая любой зазор между лопатками. Платформы 11 последовательно расположенных лопаток 7А, 7В будут соприкасаться друг с другом, образуя сплошной кольцевой буртик, окружающий паз 5 для крепления лопаток. Бандажные части 7S лопаток, если они выполнены, будут соприкасаться друг с другом вдоль соответствующих боковых краев. Может быть достигнута некоторая степень взаимодействия между упирающимися друг в друга бандажными частями 7S, что при необходимости может обеспечивать смещение кручения профилированной части 7F.
Таким образом, вставки 21 обеспечивают запирание всего венца лопаток 7А, 7В в окончательном положении. Обратный поворот лопаток 7А, 7В, расположенных вдоль увеличенного участка паза (угловой диапазон β), из положения, соответствующего избыточному повороту, в положение окончательной сборки, достигаемый в результате введения вставок 21, устраняет зазор между лопатками.
Разборку лопаток, например, для технического обслуживания или ремонта, выполняют в обратной последовательности операций. Сначала вынимают устанавливаемую последней вставку 21X. Если имеется закрепляющий элемент, такой как болт, который обеспечивает тангенциальное запирание вставки 21 в барабане 3 ротора, удаляют указанный элемент. Затем вставки 21X, 21 последовательно извлекают из гнезда 20 путем тангенциального перемещения вдоль паза 5 для крепления лопаток. Лопатки 7ВХ, 7B1, 7В, расположенные вдоль увеличенного участка паза между точками 5Х и 5Y, избыточно поворачивают в положение, соответствующее минимальному тангенциальному размеру, таким образом, создавая свободный зазор G, в котором лопатка 7ВХ может быть повернута вокруг своей радиальной оси Y-Y, примерно на 90°, до тех пор, пока поверхности 13 хвостовика 7R лопатки не будут расположены примерно ортогонально к оси Х-Х вращения ротора 1. После достижения данного углового положения, Т-образная часть хвостовика 7R лопатки 7ВХ может быть выведена из взаимодействия с выемкой 5D, образованной в нижней части 5С паза 5 для крепления лопаток. Таким образом, лопатка 7ВХ может быть извлечена в радиальном направлении. Теперь могут по отдельности быть повернуты примерно на 90° остальные лопатки 7В, 7А и радиальным образом извлечены из паза 5, путем выведения из взаимодействия соответствующих Т-образных секций каждой лопатки с выемкой 5D.
Извлечение вставок 21 может быть облегчено путем выполнения выемки или т.п. на каждой вставке 21X, 21. На фиг. 22 выемка 21N выполнена на одном конце вставки 21. Такой инструмент, как отвертка, может взаимодействовать с выемкой 21N для толкания вставки 21 из гнезда 20.
Хотя обсуждаемые в настоящем документе варианты выполнения изобретения проиллюстрированы и обстоятельно и подробно описаны выше применительно к нескольким примерам вариантов выполнения, специалистам в данной области техники понятно, что возможны многочисленные модификации, изменения и опущения, по существу не выходящие за рамки новаторских идей, принципов и концепций, описанных в настоящем документе, а также преимуществ изобретения, изложенного в формуле изобретения. Следовательно, соответствующий объем притязаний описанных инноваций определяется толкованием формулы изобретения исключительно в самом широком смысле, включая все такие модификации, изменения и опущения. Кроме того, порядок или последовательность любых этапов процесса или способа могут быть изменены или заново установлены согласно альтернативным вариантам выполнения.