СИСТЕМА ЛОПАТОК
SYSTEM OF BLADES

Изобретение относится к системе лопаток, содержащей ротор и множество расположенных по окружности ротора венцом лопаток, при этом между двумя непосредственно смежными лопатками расположены друг за другом в окружном направлении ротора, по меньшей мере, два демпфирующих элемента, и при этом за счет действующей в радиальном направлении центробежной силы при вращении ротора вокруг оси вращения смежные демпфирующие элементы входят в контакт друг с другом, и один из обоих демпфирующих элементов приходит в контакт с одной из обеих лопаток, а другой из обоих демпфирующих элементов входит в контакт с другой из обеих лопаток.
Известно снабжение системы лопаток, которые применяются в турбомашинах, таких как газовые турбины, демпфирующими элементами. Они служат для демпфирования нежелательных изгибных и крутильных колебаний, которые возникают во время работы турбомашины за счет различных возбуждений. Таким образом, можно предотвращать обусловленные большими амплитудами колебаний повреждения HCF (сокращенно от "High Cycle Fatige" - многоцикловая усталость), которые могут приводить к преждевременной усталости материала и тем самым к сокращению срока службы лопаток, соответственно, системы лопаток. При этом демпфирующие элементы расположены между отдельными лопатками. В качестве демпфирующих элементов применяются, как правило, незакрепленные тела, которые в состоянии покоя сначала лежат между основаниями лопаток на роторе или на соответствующих несущих структурах, а во время работы ротора вследствие действующей в радиальном направлении центробежной силы прижимаются к нижней стороне платформ лопаток. При этом каждый демпфирующий элемент находится одновременно в контакте с двумя соседними платформами лопаток. За счет этого кинетическая энергия вызванного на основании вибраций относительного движения между лопатками преобразуется в тепловую энергию вследствие трения между соответствующими платформами и прилегающим демпфирующим элементом. Это ослабляет колебания и приводит в целом к меньшей колебательной нагрузке системы лопаток.
Из публикации ЕР 1154125 А2 известна система лопаток, в которой между двумя смежными лопатками расположены в окружном направлении ротора друг за другом, по меньшей мере, два демпфирующих элемента с целью достижения эффективного демпфирования всей системы лопаток. Раскрытые в этой публикации демпфирующие элементы выполнены с отличающейся друг от друга формой для обеспечения возможности демпфирования возможно большего количества колебательных мод. Через образующиеся между демпфирующими элементами и лопатками и дополнительно к этому через образующиеся между отдельными демпфирующими элементами зоны контакта энергия колебаний преобразуется в тепловую энергию для демпфирования колебаний за счет трения. Однако образующиеся между отдельными демпфирующими элементами зоны контакта имеют форму лишь линейного контакта, с помощью которого возможно лишь незначительное демпфирующее действие.
В основу изобретения положена задача создания системы лопаток с демпфирующими элементами, с помощью которых возможно еще более эффективное демпфирование нежелательных колебаний.
Эта задача решена согласно изобретению с помощью указанной вначале системы лопаток, в которой демпфирующие элементы выполнены и расположены в окружном направлении ротора друг с другом так, что два из трех контактов между демпфирующими элементами и лопатками выполнены по поверхности, а один из трех контактов - по линии. За счет этой комбинации из двух различно действующих демпфирующих элементов обеспечивается возможность эффективного демпфирования множества различных колебательных состояний, при этом наряду с противофазными колебательными состояниями демпфируются также синфазные колебания, поскольку за счет поверхностных контактов клиновидного демпфирующего элемента исключается качение круглого элемента по линии контакта с платформой. За счет комбинации этих демпфирующих элементов с поверхностным контактом на платформе лопатки и линейным контактом (контактом Герца) на другой платформе пары лопаток создается кинетически устойчивая система, которая предотвращает перекашивание и локальный отрыв всех поверхностей контакта.
Предпочтительно демпфирующие элементы выполнены и расположены друг за другом в окружном направлении ротора так, что контакт между ними является поверхностным контактом, причем контакт между одним из демпфирующих элементов и одной из лопаток является поверхностным контактом, а контакт между другим из обоих демпфирующих элементов и другой из обеих лопаток является линейным контактом.
В выполнении системы лопаток согласно изобретению положение демпфирующих элементов не является ни недоопределенным, ни переопределенным. За счет этого обеспечивается возможность достижения максимального демпфирования при разделенном демпфирующем элементе. Предпочтительно демпфирующие элементы выполнены и расположены друг за другом в окружном направлении ротора так, что контакт между ними является поверхностным контактом. Таким образом, значительно увеличивается полная имеющаяся в распоряжении площадь трения между демпфирующими элементами по сравнению с известными системами лопаток, в которых демпфирующие элементы вступают в контакт друг с другом лишь в виде линейного контакта. Увеличение согласно изобретению площади трения вызывает очень эффективное демпфирование колебаний всей системы лопаток. Можно также эффективно демпфировать различные моды колебаний. В целом, система лопаток согласно изобретению обеспечивает возможность уменьшения амплитуд колебаний и напряжений за счет дополнительного демпфирования за счет трения.
В другом варианте выполнения контакт между одним из обоих демпфирующих элементов и одной из обеих лопаток является поверхностным контактом, а контакт другого демпфирующего элемента и другой лопатки является линейным контактом. В качестве альтернативного решения может быть, естественно, предусмотрен единственный линейный контакт также между демпфирующими элементами.
В одной предпочтительной модификации демпфирующие элементы различаются по своей геометрической форме. Таким образом, согласно изобретению можно с помощью имеющих подходящую форму демпфирующих элементов эффективно демпфировать также моды колебаний, которые при остающейся неизменной форме всех демпфирующих элементов не могут эффективно демпфироваться. Демпфирующие элементы могут предпочтительно различаться также по своей массе для обеспечения демпфирования возможно большего числа различных мод колебаний за счет комбинации с подходящими геометрическими формами. Кроме того, за счет применения демпфирующих элементов из различных материалов можно оказывать влияние на соотношения трения (коэффициент трения, шершавость) в зонах контакта, с целью обеспечения также целенаправленного демпфирования нескольких мод, также в верхних частотных диапазонах.
Для обеспечения возможности подходящего расположения демпфирующих элементов между смежными лопатками они предпочтительно выполнены в виде стержней.
В одной конкретной модификации системы лопаток согласно изобретению два демпфирующих элемента расположены друг за другом в окружном направлении ротора, при этом демпфирующие элементы предпочтительно выполнены в виде стержней и один демпфирующий элемент имеет поперечное сечение в форме клина, а другой демпфирующий элемент имеет поперечное сечение в форме четверти круга. В частности, за счет таких согласованных друг с другом форм поперечного сечения демпфирующих элементов можно достигать преимуществ согласно изобретению.
В одной альтернативной предпочтительной модификации в окружном направлении ротора расположены друг за другом три демпфирующих элемента. За счет дополнительного демпфирующего элемента, который предпочтительно имеет другую геометрическую форму, чем остальные демпфирующие элементы, можно при необходимости эффективно демпфировать другие мешающие моды колебаний. При этом предпочтительно лишь оба наружных из расположенных в окружном направлении ротора друг за другом демпфирующих элементов вступают в контакт через поверхности трения, которые образованы на лопатках пары лопаток, с лопатками пары лопаток. В зависимости от случая применения может быть также предпочтительным располагать друг за другом более трех демпфирующих элементов между двумя смежными лопатками.
В другой конкретной модификации демпфирующие элементы выполнены из стали или керамики, т.е. материалов, с помощью которых можно реализовать эффективное демпфирование.
Ниже приводится подробное пояснение примера выполнения системы лопаток согласно изобретению со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых схематично изображено:
фиг.1 - часть системы лопаток согласно изобретению в плоскости разреза, перпендикулярной оси ротора; и
фиг.2 - расположение двух групп демпфирующих элементов по осевой длине одной лопатки.
На фиг.1 показана схематично часть системы 1 лопаток согласно изобретению в плоскости разреза, перпендикулярной оси ротора. В разрезе показаны две платформы 3 смежных лопаток системы 1 лопаток согласно изобретению. Лопатки установлены на роторном диске системы 1 лопаток и имеют небольшое расстояние друг от друга. Между двумя лопаточными платформами 3 расположены незакрепленно два демпфирующих элемента 5 и 7. Оба демпфирующих элемента 5, 7 образуют демпфирующую группу и выполнены в осевом направлении в виде стержня, при этом демпфирующий элемент 7 имеет поперечное сечение в форме четверти круга, а демпфирующий элемент 5 имеет клиновидное поперечное сечение.
Нижние стороны обеих лопаточных платформ 3 образуют поверхности 9, 11 трения. К этим поверхностям трения 9, 11 при вращении ротора (не изображен) прижимаются оба демпфирующих элемента 5, 7 под действием центробежной силы. Поверхности 9, 11 трения наклонены в данном случае под определенными углами δ и ε к плоскости, которая определена радиальным направлением R и осью ротора, так что они совместно образуют V-образную направляющую, в которую вдавливаются демпфирующие элементы 5, 7 центробежной силой. Клиновидный демпфирующий элемент 5 имеет поверхность 13 трения, наклон которой согласован с углом δ для обеспечения эффективного поверхностного фрикционного контакта между демпфирующим элементом 5 и соответствующей лопаточной платформой 3. Углы δ и ε предпочтительно лежат в диапазоне от 20° до 70°, при этом еще более предпочтительным является диапазон от 40° до 60°.
При использовании системы лопаток согласно изобретению в турбомашине, такой как, например, газовая турбина, в системе 1 лопаток образуются вследствие различных возбуждений часто не желательные колебания в виде изгибных и крутильных колебаний. Эти колебания вызывают, как правило, относительное движение между обеими смежными лопаточными платформами 3, которое, в свою очередь, приводит к относительному движению между клиновидным демпфирующим элементом 5 и фрикционной поверхностью 9, между имеющим поперечное сечение в форме четверти круга демпфирующим элементом 7 и фрикционной поверхностью 11, и к относительному движению между обоими демпфирующими элементами 5 и 7 в контактной зоне 15 (показана на фиг.1 штриховой линией). Таким образом, можно согласно изобретению во всех трех контактных зонах преобразовывать энергию колебаний вследствие трения в тепловую энергию с целью достижения эффективного демпфирования колебаний. При этом с помощью клиновидного демпфирующего элемента 5 эффективно демпфируются прежде всего колебания, которые возникают синфазно.
Согласно изобретению демпфирующие элементы 5 и 7 выполнены и расположены в окружном направлении ротора друг за другом так, что контакт в контактной зоне 15 является поверхностным контактом, так же как контакт между демпфирующим элементом 5 и платформой 3. Таким образом, значительно увеличивается полная имеющаяся в распоряжении поверхность трения между демпфирующими элементами 5 и 7 по сравнению с известными системами лопаток, в которых контактная зона между демпфирующими элементами выполнена не в виде поверхностного контакта, а в виде линейного контакта (контакта Герца). В отличие от известных решений, в которых при применении двух демпфирующих элементов обеспечиваются два линейных контакта и один поверхностный контакт, в системе согласно изобретению имеются два поверхностных контакта и лишь один линейный контакт (а именно, между демпфирующим элементом 7 и платформой 3). Обеспечиваемая согласно изобретению за счет поверхностного контакта 15 дополнительная поверхность трения приводит к очень эффективному демпфированию колебаний всей системы 1 лопаток.
В данном случае поверхностный контакт 5 проходит параллельно радиальному направлению R, однако за счет соответственно выбранных углов α и β может проходить наклонно к радиальному направлению R. При этом угол α предпочтительно лежит внутри диапазона от 70° до 90°, а угол β лежит внутри диапазона от 110° до 90° или наоборот.
На фиг.2 схематично показано расположение двух групп 25, 27 демпфирующих элементов. Положения групп 25, 27 демпфирующих элементов, которые содержат каждая определенное число демпфирующих элементов, схематично показано с помощью окружностей. Демпфирующие элементы проходят в виде стержней в осевом направлении, при этом группы распределены вдоль осевой длины одной лопатки 17 (осевого направления 23). Лопатка 17 содержит перо 19 лопатки, платформу 3 лопатки, ножку 21 лопатки, переднюю кромку 29 лопатки и заднюю кромку 31 лопатки. В данном случае группа 27 демпфирующих элементов находится у передней кромки 29 лопатки, а группа 25 демпфирующих элементов - у задней кромки 31 лопатки. Направление потока 33 обозначено стрелкой. За счет асимметричного расположения или выполнения групп 25, 27 в осевом направлении 23 можно эффективно демпфировать согласно изобретению различные моды колебаний.