РОТОР, ОСЕВОЙ КОМПРЕССОР, СПОСОБ МОНТАЖА
ROTOR, AXIAL COMPRESSOR, INSTALLATION METHOD

Изобретение относится к ротору многоступенчатого осевого компрессора, проходящему вдоль оси вращения, причем ротор содержит вал, причем вал имеет пазы для рабочих лопаток, причем расположенные рядом друг с другом в окружном направлении и закрепленные в пазах соответственно посредством хвостовика рабочие лопатки ротора образуют соответственно ступень рабочих лопаток, причем предусмотрены, по меньшей мере, две расположенные аксиально друг за другом ступени рабочих лопаток, а аксиально между обеими ступенями рабочих лопаток в валу предусмотрен проходящий в окружном направлении промежуточный паз, причем пазы для рабочих лопаток впадают в промежуточные пазы, и это устройство выполнено таким образом, что хвостовики рабочих лопаток могут быть радиально введены в промежуточные пазы и оттуда могут вставляться в пазы для рабочих лопаток, причем ротор содержит промежуточную крышку, которая закрывает промежуточные пазы, причем промежуточная крышка в окружном направлении выполнена сегментированной на сегменты, причем сегменты промежуточной крышки закреплены на валу с геометрическим замыканием.
Помимо этого изобретение относится также к осевому компрессору и способу монтажа осевого компрессора с упомянутым ротором.
Наиболее распространенное закрепление лопаток на массивном валу осевого компрессора предусматривает, что проходящий в окружном направлении паз выполняется с поднутрениями на валу, вращающиеся рабочие лопатки соответствующим, также поднутренным хвостовиком в определенном окружном направлении радиально вставляются в этот окружной паз в месте заводки в определенном окружном положении, а затем смещаются в окружное положение, предусмотренное для окончательно смонтированного вала или для окончательно смонтированного ротора. При этом хвостовики рабочих лопаток выполнены, как правило, Т-образными, а соединение вала с лопатками осуществляется с геометрическим замыканием.
Соединение Т-образного хвостовика уже известно из US 8858181 В2.
Менее нагружаемое соединение может осуществляться также посредством неподнутренных хвостовиков лопаток на валу, например посредством пистонов, которые, будучи вставлены в осевом направлении, соединяют с геометрическим замыканием уступ вала с просверленным в осевом направлении хвостовиком лопатки.
Такое выполнение известно, например, из US 2671634.
Из DE 69525014 Т2 уже известно, что массивные роторы турбомашин снабжаются проходящими в окружном направлении крышками пазов между ступенями рабочих лопаток.
Аксиально между обеими ступенями рабочих лопаток описанной конструкции предусмотрена, как правило, ступень направляющих лопаток, которая соответственно выравнивает протекающий через осевой компрессор технологический флюид для вхождения в лежащую вниз по потоку ступень рабочих лопаток. Преимущество рабочей лопатки, закрепленной в проходящем в окружном направлении окружном пазу, заключается в небольших затратах на изготовление, т.к. окружной паз может быть изготовлен простой токарной обработкой. Геометрия Т-образного хвостовика, которая предусматривается, как правило, для закрепления с геометрическим замыканием в подвергаемых более высоким нагрузкам осевых компрессорах, сказывается в сочетании с окружным пазом вала и выверкой лопатки на роторе таким образом, что в распоряжении имеется только ограниченная площадь контакта между материалами вала и хвостовика лопатки для передачи сил с лопатки на вал. В частности, в распоряжении каждой отдельной рабочей лопатки имеется лишь небольшой в соответствии с числом рабочих лопаток одной ступени по окружности окружной сегмент, чтобы посредством поднутрения хвостовика передавать силу на поднутрение окружного паза. При этом благодаря геометрии Т-образного хвостовика ширина в окружном направлении поверхностей прилегания поднутрения не может превышать ширину окружного сегмента. В соответствии с этим имеющаяся в распоряжении для передачи силы геометрия окружного паза с Т-образным хвостовиком оказывает ограничительное действие на частоту вращения и диаметр ротора при определенной массе рабочей лопатки. Если удельные силы слишком велики, то известно, что рабочие лопатки закрепляются на валу с геометрическим замыканием не посредством окружного паза, а посредством проходящего, в основном, аксиально – тангенциально особого крепежного паза в валу для каждой отдельной рабочей лопатки. Этот крепежный паз в валу для рабочей лопатки может быть выполнен прямолинейным или дугообразным с постоянным радиусом. Рабочие лопатки заводятся в эти крепежные пазы снабженным поднутрениями хвостовиком, причем направление движения заводки предусмотрено, по меньшей мере, с одной осевой составляющей. Как правило, направление заводки проходит наискось к оси вращения ротора под углом, который механически особенно предпочтителен для ориентации брюшка и хвостовика лопатки. Крепежные пазы для такого рода закрепления лопаток выполняются в валу не точением, а фрезеруются в валу или выполняются иным образом.
В случае массивного ротора или выполненного, в основном, за одно целое вала, который не составлен аксиально из отдельных дисков, для заводки выполненных таким образом хвостовиков рабочих лопаток в соответствующие крепежные пазы требуется проходящий в окружном направлении паз для радиального ввода хвостовика рабочей лопатки перед заводкой в крепежный паз. При этом крепежный паз впадает в окружной паз. Вместо окружного паза может быть предусмотрен также уступ вала. Особые для каждой лопатки крепежные пазы выполняются также в виде елочных пазов.
Елочные пазы уже известны из US 2014/0037396 А1.
Окружной паз называется, согласно изобретению, промежуточным пазом и при протекании флюида через осевой компрессор оказывает повышающее аэродинамические потери действие. Поэтому промежуточный паз закрывается в сторону проточного канала бандажной лентой направляющих лопаток. При этом бандажная лента в качестве неподвижной детали из проходящих в окружном направлении отдельных сегментов закрепляется на радиально внутренних вершинах направляющих лопаток. Радиально внутрь решетка направляющих лопаток ступени направляющих лопаток ограничивается этой проходящей в окружном направлении бандажной лентой, причем ротор с радиально внешней поверхностью этой бандажной ленты при осевом переходе от ступени рабочих лопаток к ступени направляющих лопаток не должен иметь, в основном, никакого радиального уступа. Поскольку в случае бандажной ленты речь идет о неподвижной детали, а между бандажной лентой и ротором расположен соответствующий сальник, следует предусмотреть соответствующие зазоры между бандажной лентой и валом, которые должны учитывать потребность в осевом и радиальном зазорах. Эти зазоры при протекании через проточный канал оказывают повышающие потери действие. Кроме того, решение закрыть окружные пазы ротора между ступенями рабочих лопаток бандажными лентами направляющих лопаток является затратным, поскольку бандажные ленты и сальники сложны в изготовлении и монтаже.
Задачей изобретения является создание ротора осевого компрессора, который позволил бы избежать названных недостатков уровня техники.
Для решения задачи изобретения предложен ротор описанного выше рода с дополнительными признаками отличительной части основного пункта формулы. Наряду с этим предложен осевой компрессор с таким ротором, согласно изобретению. Далее предложен способ изготовления осевого компрессора с ротором, согласно изобретению. Соответственно подчиненные пункты формулы содержат предпочтительные варианты осуществления изобретения. Наряду с указанными за счет явных подчиненностей и пояснений совокупностями признаков изобретения к нему следует отнести также такие совокупности раскрытых признаков, которые являются целесообразными для специалиста, однако раскрыты неявно или идентично за счет этих подчиненностей и примеров осуществления.
Технологический флюид аксиально натекает, в основном, в ступенях многоступенчатого осевого компрессора на него, и на последней ступени компрессора возникает, в основном, осевой стекающий поток. Отдельные ступени компрессора включают в себя, как правило, одну ступень направляющих лопаток и одну ступень рабочих лопаток. Под осью вращения следует понимать ось, вокруг которой вращается ротор осевого компрессора. К этой оси относятся, если это не указано иначе, все относящиеся вообще к оси данные, такие как аксиально, радиально, окружное направление, тангенциально. Отдельные рабочие лопатки ступени рабочих лопаток ротора закреплены посредством хвостовика на валу ротора, причем хвостовик следует отнести к рабочей лопатке.
В одном предпочтительном варианте каждой ступени рабочих лопаток придан, по меньшей мере, один проходящий в окружном направлении промежуточный паз в валу. Этот промежуточный паз закрывается, согласно изобретению, радиально наружу промежуточной крышкой.
В другом целесообразном варианте одному промежуточному пазу приданы две соседние ступени рабочих лопаток, так что ступени рабочих лопаток имеют для закрепления рабочих лопаток соответственно пазы для них, которые для обеих ступеней рабочих лопаток впадают в тот же окружной паз. Таким образом, у многоступенчатого осевого компрессора с несколькими ступенями рабочих лопаток можно предусмотреть промежуточный паз для монтажа рабочих лопаток только в каждом втором промежутке между ступенями рабочих лопаток. Таким образом, возможно, чтобы промежутки между ступенями рабочих лопаток попеременно имели по одному промежуточному пазу и не имели никакого промежуточного паза. Чередование могло бы выглядеть, например, так: ступень рабочих лопаток, промежуточный паз, ступень рабочих лопаток, промежуток без промежуточного паза, промежуточный паз, ступень рабочих лопаток и т.д. Можно также предусмотреть смешанную форму между возможностью придания каждой ступени рабочих лопаток одного промежуточного паза и придание одного промежуточного паза ровно двум соседним ступеням рабочих лопаток. Такая смешанная форма целесообразна, в частности, в случае нечетного числа ступеней рабочих лопаток.
Особенно целесообразным в смысле небольших потерь течения является закрывание промежуточного паза промежуточными крышками таким образом, что возникает, в основном, непрерывный радиальный переход в осевом направлении радиально внешней поверхности между лежащими вверх и вниз по потоку ступенями рабочих лопаток. Здесь особенно проявляются преимущества изобретения, поскольку между промежуточной крышкой и телом вала или валом можно не предусматривать зазоры, т.к. промежуточная крышка образует с валом прочное соединение и вращается заодно с ним. При этом в решении с бандажными лентами направляющих лопаток вследствие термически разных степеней и направлений расширения, в частности неподвижных и вращающихся деталей, почти невозможно достичь лишенного турбулизатора перехода.
Согласно изобретению, вал, по меньшей мере, на осевом участке между двумя ступенями рабочих лопаток и одним промежуточным пазом выполнен в виде цельной детали. Особенно предпочтительно вал выполнен в виде цельной, аксиально неразделенной детали. Для выполненного из дисков ротора, как это принято в газовых турбинах, применение изобретения предпочтительно не в той же степени, т.к. состоящая из дисков конструкция ротора обеспечивает другие возможности закрывания промежутка. Поэтому предпочтительным является аксиально, по меньшей мере, на отдельных участках неразделенное, в частности массивное цельное, выполнение вала по нескольким ступеням рабочих лопаток.
В другом предпочтительном варианте промежуточная крышка расположена и выполнена таким образом, что рабочие лопатки в осевом конечном положении в пазу фиксированы от смещения посредством промежуточной крышки. При этом промежуточная крышка выполняет не только аэродинамическую функцию ведения течения, но и механическую функцию фиксации рабочих лопаток в предусмотренном осевом положении на роторе. При этом возможно, чтобы хвостовики рабочих лопаток прилегали к промежуточной крышке или могли с зазором вступать в контакт с соответствующей промежуточной крышкой. Для этой цели может быть конструктивно предусмотрена соответствующая осевая посадка с зазором или посадка с натягом. В то время как хвостовики рабочих лопаток фиксированы с геометрическим замыканием от радиального смещения на валу, за счет промежуточной крышки предотвращается с геометрическим замыканием осевое движение рабочих лопаток. Особенно целесообразным является выполнение хвостовиков рабочих лопаток в виде так называемых елочных хвостовиков, так что по сравнению с Т-образным хвостовиком несколько расположенных радиально друг за другом поверхностей елочного хвостовика прилегают к соответствующим поверхностям прилегания пазов для рабочих лопаток.
В одном целесообразном варианте сегменты промежуточной крышки закреплены на валу с геометрическим замыканием. Для этого каждый сегмент промежуточной крышки может быть снабжен Т-образной ножкой, которая может вставляться в соответствующую, проходящую в окружном направлении выемку промежуточного паза.
Для каждого промежуточного паза для каждого промежуточного паза предусмотрен, по меньшей мере, один промежуточный замковый элемент, располагаемый в определенном первом окружном положении промежуточного паза, в котором промежуточный паз в целях радиального ввода сегментов промежуточной крышки выполнен иначе, чем на остальной окружности вала.
При этом, согласно изобретению, промежуточный паз имеет проходящее, по меньшей мере, частично по окружности первое поднутрение, которое взаимодействует с геометрическим замыканием со вторым поднутрением сегмента промежуточной крышки, предотвращая движение в радиальном направлении. Именно в этом месте целесообразно, если используется промежуточный замковый элемент, закрыть промежуток в этом окружном положении и одновременно установить соответствующее окружное положение всех сегментов промежуточной крышки, расположенных в этом промежуточном пазу. При этом промежуточный замковый элемент посредством резьбового соединения может быть фиксирован от радиального смещения на валу.
В этом первом определенном окружном положении промежуточный паз предпочтительно не имеет первого поднутрения. В предложенном осевом компрессоре радиально напротив промежуточного паза и расположенной аксиально рядом, по меньшей мере, с одной ступенью рабочих лопаток ступенью направляющих лопаток последние выполнены в виде свободностоящих направляющих лопаток без бандажной ленты.
Помимо ротора осевого компрессора предложен также способ монтажа этого ротора, применяемый специально для предложенного выполнения ротора. На первом этапе подготавливается вал, оснащаемый на втором этапе рабочими лопатками, которые своими хвостовиками вводятся радиально в промежуточные пазы, а затем закрепляются посредством заводки хвостовиков в пазы для рабочих лопаток. Осевое положение хвостовиков рабочих лопаток или рабочих лопаток на валу ротора фиксируется затем с геометрическим замыканием посредством монтажа сегментов промежуточной крышки на валу.
Ниже изобретение более подробно поясняется на примере его осуществления со ссылкой на чертежи, на которых представлено следующее:
- фиг. 1: схематичный перспективный вид двух соседних ступеней рабочих лопаток и одного промежуточного паза с промежуточной крышкой;
- фиг. 2: схематичный перспективный вид двух соседних ступеней рабочих лопаток с расположенным между ними промежуточным пазом и промежуточной крышкой в другом варианте;
- фиг. 3: схематичный разрез двух соседних ступеней рабочих лопаток осевого компрессора с находящейся между ними ступенью направляющих лопаток в зоне промежутка с промежуточным пазом и промежуточной крышкой.
На фиг. 1 и 2 в схематичном перспективном виде изображены различные варианты осуществления изобретения с помощью двух соседних ступеней RBS рабочих лопаток. На фиг. 3 изображен схематичный разрез двух соседних ступеней RBS рабочих лопаток осевого компрессора АСО, который изображен здесь лишь в виде фрагмента. Для упрощения изображения ступени RBS рабочих лопаток показаны лишь в виде отдельных рабочих лопаток RB, причем в окружном направлении CD фактически несколько расположенных рядом друг с другом рабочих лопаток образуют одну ступень RBS.
Вал SH ротора R осевого компрессора АСО проходит вдоль оси Х вращения. На фигурах в осевой последовательности изображены: ступень RBS рабочих лопаток, промежуток с промежуточным пазом и промежуточной крышкой IC и следующая ступень RBS рабочих лопаток. На фиг. 3 между ступенями рабочих лопаток расположена также ступень GVS направляющих лопаток GV. Последние выполнены без проходящей в окружном направлении, находящейся радиально внутри них бандажной ленты, и являются в соответствии с этим свободностоящими. Рабочие лопатки RB в пазах RBG соединены с геометрическим замыканием с валом SH. Для этой цели хвостовики RBF рабочих лопаток вводятся в пазы RBG, препятствующие радиальному смещению рабочих лопаток RB из вала SH ротора R. Как видно на фиг. 2, хвостовики RBF рабочих лопаток выполнены Т-образной формы и соответствуют по форме пазам для рабочих лопаток в валу SH, так что поднутрения Т-образного хвостовика образуют с поднутрениями паза для рабочей лопатки соединение с геометрическим замыканием от осевого смещения. В качестве альтернативы хвостовик рабочей лопатки может быть выполнен также в виде елочного хвостовика или иметь другую форму с поднутрениями. Между обеими ступенями RBS рабочих лопаток в валу SH выполнен промежуточный паз IG, проходящий в окружном направлении CD. Пазы для рабочих лопаток, причем для каждой отдельной рабочей лопатки RB предусмотрен один паз RBG, сообща впадают в этот промежуточный паз IG. При этом для монтажа рабочих лопаток RB для двух ступеней RBS предусмотрен единственный промежуточный паз IG. Рабочие лопатки RB своим хвостовиком RBF радиально вводятся в промежуточный паз IG, а затем, в основном, аксиально заводятся в паз RBG. После того как все рабочие лопатки RB будут позиционированы в своих конечных положениях в роторе R и на валу SH, на валу SH и роторе R размещается промежуточная крышка IC для закрывания промежуточного паза IG радиально наружу. В качестве альтернативы можно также смонтировать отдельные сегменты промежуточной крышки IC в зонах, где рабочие лопатки RB уже введены с использованием промежуточного паза IG и в соответствии с этим посредством сегментов ICS промежуточной крышки фиксированы в своих конечных положениях от осевого смещения. Сегменты ICS промежуточной крышки закрывают промежуточный паз IG таким образом, что возникает, в основном, гладкий и непрерывный переход в осевом направлении между ступенью RBS рабочих лопаток вверх по потоку и промежуточным пазом IG и промежуточной крышкой IC и ступенью RBS рабочих лопаток вниз по потоку. Сегменты ICS промежуточной крышки размещены на валу SH с геометрическим замыканием. В определенном первом окружном положении промежуточного паза IG вал SH и промежуточный паз IG в целях радиального ввода сегментов ICS промежуточной крышки выполнены иначе, чем на остальной окружности. На фиг. 1 схематично изображено это место, где сегмент ICS промежуточной крышки имеет Т-образную ножку, которая вторым поднутрением L2 может быть введена в окружном направлении в соответствующую выемку с первым поднутрением L1 промежуточного паза IG. В первом окружном положении промежуточный паз не имеет первого поднутрения L1, так что возможен радиальный ввод Т-образной ножки сегментов ICS промежуточной крышки. Одна альтернатива Т-образных ножек на фиг. 1 показывает вариант на фиг. 2, где сегменты ICS промежуточной крышки имеют Ω-образную форму, а второе поднутрение L2 проходит за осевую зону промежуточного паза IG. Соответствующее первое окружное положение на фиг. 2 не показано, однако в целях радиальной заправки сегментов ICS промежуточной крышки должно иметь выемки, аксиально проходящие до зоны ступеней RBS рабочих лопаток.
На фиг. 3 изображена возможность того, как сегмент ICS промежуточной крышки может быть выполнен в первом окружном положении в виде промежуточного замочного элемента ICL и закреплен на валу SH. Исключая геометрическое замыкание посредством поднутрений L1, L2, как это предпочтительно предусмотрено в остальных окружных положениях промежуточного паза IG, промежуточный замочный элемент ICSL фиксируется винтом SR радиально и от смещения в окружном направлении. Таким образом, все сегменты ICS промежуточной крышки закреплены с геометрическим замыканием также в окружном положении. В принципе, можно также дополнительно или исключительно закрепить все сегменты ICS промежуточной крышки винтом SR на валу SH, а в одном предпочтительном варианте также без дополнительного геометрического замыкания от радиального смещения.