РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ТУРБИНЫ, СНАБЖЕННОЕ УСТРОЙСТВОМ АКСИАЛЬНОЙ ФИКСАЦИИ, СТОПОРЯЩИМ ЛОПАТКИ ОТНОСИТЕЛЬНО ДИСКА
RUNNING WHEEL OF TURBINE EQUIPPED WITH AXIAL FIXATION DEVICE LOCKING BLADES RELATIVE TO DISC

Изобретение в целом относится к колесам с лопатками в газовых турбинах и, в частности, к аксиальной фиксации упомянутых лопаток относительно оси колеса. Область применения изобретения, в частности, распространяется на промышленные газовые турбины и газотурбинные авиационные двигатели.
Рабочее колесо турбины обычно включает в себя множество лопаток, диск и устройство для аксиальной фиксации лопаток. Каждая лопатка обычно представляет собой перо, полку и крепежный элемент. Лопатки установлены по периферии диска, при этом крепежный элемент каждой лопатки вставлен в паз, проделанный по периферии диска и простирающийся аксиально между двумя противоположными лицевыми поверхностями диска, причем пазы отделены друг от друга зубьями. Устройство аксиальной фиксации лопаток аксиально стопорит лопатки относительно оси вращения диска.
В известных рабочих колесах турбин при работе лопатки иногда подвергаются вибрационным смещениям или вибрациям. Такая вибрация вредна, поскольку она может привести к динамической неустойчивости колеса, которая может разрушить колесо и которая также может привести к преждевременному износу контактных зон между различными элементами колеса.
Задача изобретения состоит в том, чтобы предложить такое рабочее колесо турбины, в котором лопатки подвергаются существенно меньшим вибрациям, чем в действующих колесах.
Эта задача решается тем, что в колесе вышеуказанного типа, по меньшей мере, одна из лопаток плотно примыкает к первому стопорному элементу диска с целью блокировки упомянутой лопатки относительно диска в первом аксиальном направлении; полка упомянутой лопатки включает в себя выступ, аксиально выступающий из-за одной из лицевых поверхностей диска, при этом упомянутый выступ включает в себя второй стопорный элемент, причем аксиальный выступ, второй стопорный элемент и упомянутая лицевая поверхность диска образуют канавку, обращенную к оси диска, при этом упомянутая канавка служит для приема устройства аксиальной фиксации таким образом, что устройство аксиальной фиксации в собранном положении плотно примыкает в первом аксиальном направлении ко второму стопорному элементу и к упомянутой лицевой поверхности диска во втором аксиальном направлении, противоположном первому аксиальному направлению, в силу чего предотвращается перемещение упомянутой лопатки относительно диска во втором аксиальном направлении.
Таким образом, понятно, что устройство аксиальной фиксации стопорит аксиально каждую лопатку относительно диска. Аксиальное перемещение лопатки предотвращается, во-первых, первым стопорным элементом диска, а, во-вторых, устройством аксиальной фиксации. Первый стопорный элемент служит для аксиального блокирования лопатки в первом аксиальном направлении, а устройство аксиальной фиксации служит для аксиального блокирования лопатки во втором аксиальном направлении. Термин «аксиальный» использован для обозначения направления, простирающегося вдоль оси колеса или диска. Естественно, в радиальном направлении лопатка зафиксирована в пазу в силу взаимодействия между профилями лопатки и двух зубьев диска, производимого известным способом.
В предпочтительном примере первым аксиальным направлением является направление, в котором лопатки вставлены в паз диска, в то время как вторым аксиальным направлением является направление, в котором лопатки могут быть извлечены из диска.
Полка лопатки обладает осевым выступом, включающим в себя второй стопорный элемент. Когда лопатка установлена на диск, аксиальный выступ должен аксиально выступать из-за одной из лицевых поверхностей диска. Второй стопорный элемент находится под полкой и выступает в радиальном направлении к оси диска.
Когда лопатка установлена на диск, упомянутая лицевая поверхность диска, аксиальный выступ и второй стопорный элемент образуют канавку, обращенную к оси диска. Таким образом, нижняя поверхность полки, противоположная лицевой поверхности, несущей перо лопатки, образует нижнюю часть канавки, в то время как упомянутая лицевая поверхность диска и второй стопорный элемент образуют стороны канавки. Таким образом, канавка служит для приема устройства аксиальной фиксации.
Устройство аксиальной фиксации закреплено в канавке в первом аксиальном направлении вторым стопорным элементом и во втором аксиальном направлении - упомянутой лицевой поверхностью диска. Устройство аксиальной фиксации также радиально закреплено в центробежном направлении нижней частью канавки.
Когда лопатка стремится аксиально переместиться во втором аксиальном направлении, второй стопорный элемент упирается в устройство аксиальной фиксации, которое, в свою очередь, упирается в упомянутую лицевую поверхность диска. Таким образом лопатка аксиально закреплена во втором аксиальном направлении.
Кроме того, при вращении колеса центробежная сила, приложенная к устройству аксиальной фиксации, стремится прижать устройство аксиальной фиксации к нижней части канавки с определенным контактным давлением, которое увеличивается с увеличением скорости вращения колеса. Это дает два преимущества. Во-первых, такое прижимание обеспечивает удержание устройства аксиальной фиксации нижней частью канавки. Это служит для обеспечения правильного размещения устройства аксиальной фиксации в канавке между ее сторонами. Соответственно, устройству аксиальной фиксации трудно выскочить из канавки.
Кроме того, это предпочтительно обеспечивает механическую связь между лопаткой и устройством аксиальной фиксации. Гибкость устройства аксиальной фиксации относительно жесткости лопатки и жесткости диска служит для демпфирования азимутального компонента вибрации. Благодаря такому демпфированию вибрации лопатки, амплитуда перемещения лопатки снижается, при этом предпочтительно предотвращается разрушение лопатки, в частности, при воздействии вибрации на резонансной частоте лопатки.
Посредством изобретения, во-первых, лопатки правильно аксиально закреплены на диске, и, во-вторых, демпфированы вибрации лопатки.
В преимущественном варианте изобретения, между устройством аксиальной фиксации и упомянутой лопаткой имеется, по меньшей мере, одна бобышка, служащая для обеспечения механического контакта между лопаткой и устройством аксиальной фиксации.
Наличие бобышки между лопаткой и устройством аксиальной фиксации улучшает механический контакт между лопаткой и устройством аксиальной фиксации, при этом упомянутый механический контакт служит для демпфирования вибраций лопатки. Кроме того, бобышка может служить для торможения любого перемещения устройства аксиальной фиксации в азимутальном направлении, тем самым повышая надежность аксиального крепления лопаток.
В одном варианте бобышка образована на устройстве аксиальной фиксации.
В другом варианте бобышка образована под аксиальным выступом на дне упомянутой канавки, то есть напротив лицевой поверхности, обращенной к устройству аксиальной фиксации.
Предпочтительно, что в элементе, обращенном к бобышке, образовано углубление, имеющее форму, дополняющую бобышку, при этом оно образовано таким образом, что бобышка вставлена в углубление.
Таким образом, понятно, что если на устройстве аксиальной фиксации образована бобышка, то обращенный к бобышке элемент представляет собой полку и таким образом под полкой образовано углубление. И наоборот, если бобышка образована под полкой, обращенный к бобышке элемент представляет собой устройство аксиальной фиксации, и таким образом углубление образовано в устройстве аксиальной фиксации. Углубление, имеющее форму, дополняющую бобышку, служит для дополнительного улучшения механического контакта между лопаткой и устройством аксиальной фиксации путем объединения преимуществ, связанных с наличием простой бобышки, и преимуществ, связанных с наличием обращенных друг к другу поверхностей без бобышки. Бобышка обеспечивает постоянный контакт, а поскольку обращенные друг к другу поверхности очень близки друг к другу из-за углубления, имеющего форму, дополняющую бобышку, они обеспечивают дополнительный контакт во время вращения колеса вследствие воздействия упомянутой центробежной силы. Кроме того, тот факт, что бобышка вставлена в углубление, также служит для предотвращения вращения устройства аксиальной фиксации.
Бобышка и/или углубление предпочтительно выполнены на участке или в участке полки, который не поддерживает радиально перо лопатки.
При таком расположении бобышки относительно пера лопатки понятно, что бобышка не находится близко к зоне, которая обеспечивает радиальную поддержку перу лопатки, независимо от того, расположена ли бобышка под полкой или на устройстве аксиальной фиксации. Таким образом, механические напряжения, являющиеся результатом взаимодействия между лопаткой и устройством аксиальной фиксации, воздействуют в зоне, где полка подвержена небольшому механическому напряжению. Зоны полки, которые близки к перу лопатки, обычно в значительной степени подвержены напряжениям, создаваемым пером.
Диск предпочтительно представляет собой противовращательный стопор, приспособленный для предотвращения перемещения устройства аксиальной фиксации в азимутальном направлении относительно диска.
Противовращательный стопор служит для обеспечения того, чтобы устройство аксиальной фиксации само не начало вращаться при вращении колеса. Кроме того, противовращательный стопор позволяет сохранить правильное положение устройства аксиальной фиксации. Противовращательный стопор предпочтительно выполнен так, чтобы гарантировать балансировку колеса. При таких обстоятельствах противовращательный стопор уравновешивает массу устройства аксиальной фиксации, которая не обязательно равномерно распределена по всему колесу. Таким образом узел устройства аксиальной фиксации и противовращательного стопора обеспечивает равномерное распределение массы по колесу и не разбалансирует колесо при его вращении.
Диск предпочтительно также снабжен, по меньшей мере, одним предохранительным стопором, приспособленным для предотвращения центростремительных перемещений устройства аксиальной фиксации.
Расположенный таким образом предохранительный стопор служит для предотвращения радиального перемещения устройства аксиальной фиксации в канавке. Это дополнительно повышает надежность аксиальной фиксации. Колесо согласно изобретению предпочтительно имеет три предохранительных стопора, равномерно распределенных по диску под углом в 120º.
Устройство аксиальной фиксации предпочтительно представляет собой разрезное кольцо.
Это кольцо обеспечивает то преимущество, что один элемент служит для фиксации всех лопаток на диске. Кроме того, тот факт, что кольцо является разрезным, обеспечивает ему определенную гибкость по отношению к радиальной деформации, и это обеспечивает преимущество в отношении демпфирования азимутальных вибраций лопатки. Таким образом, кольцо является предпочтительно эластичным, чем обеспечивает демпфирование вибраций лопатки и облегчает работу по установке кольца на колесо.
Кроме того, наличие устройства аксиальной фиксации в форме кольца позволяет обеспечить одновременную механическую связь между кольцом и множеством лопаток. В дополнение к практическим аспектам, обеспечиваемым кольцом при его сборке, кольцо также служит для обеспечения удовлетворительного демпфирования вибраций каждой лопатки, тем самым предотвращая разрушение лопаток.
Кроме того, в еще одном варианте кольцо является предварительно напряженным с тем, чтобы установить силовой контакт с полкой, тем самым гарантируя положение кольца относительно колеса, когда машина находится в стационарном режиме.
Второй стопорный элемент предпочтительно образует гребень, и предпочтительно, гребень образует участок кольца протяженностью, по меньшей мере, в участок азимутальной длины аксиального выступа полки лопатки.
Данный предпочтительный вариант осуществления для второго стопорного элемента служит для распределения аксиальных сил фиксации на каждую полку лопатки и таким образом для предотвращения любых локальных пиков механических напряжений.
Настоящее изобретение также обеспечивает создание турбомашины, включающей в себя рабочее колесо турбины согласно изобретению.
Изобретение и его преимущества могут быть лучше поняты при ознакомлении со следующим подробным описанием различных вариантов осуществления, приведенных в качестве неограничительных примеров. Описание относится к сопровождающим фигурам, на которых:
- фиг.1 - общий вид рабочего колеса турбины согласно изобретению;
- фиг.2А - вид с пространственным разделением деталей, на котором представлен участок рабочего колеса турбины, показанный на фиг.1, а на фиг.2В показан тот же участок турбины в собранном состоянии.
- фиг.3 - вид в разрезе в плоскости III на фиг.2В;
- фиг.4 - вид в разрезе в плоскости IV на фиг.2В;
- на фиг.5A-5E представлены различные варианты осуществления кольца аксиальной фиксации в плоскости сечения V, показанной на фиг.4, и
- на фиг.6 показана турбина, оснащенная рабочим колесом турбины согласно изобретению.
На фиг.1 представлен вариант осуществления рабочего колеса 10 турбины согласно изобретению. Колесо 10 выполнено из диска 12, имеющего ось, множество лопаток 14 и устройство 16 аксиальной фиксации. В данном примере устройство 16 аксиальной фиксации представляет собой разрезное кольцо. В нижеследующем описании вариантов осуществления изобретения термин «кольцо» или «разрезное кольцо» использован для обозначения «устройства аксиальной фиксации».
Каждая лопатка 14 представляет собой крепежный элемент 140 в виде елочного хвостовика, полки 142 и пера 144 лопатки. Крепежный элемент 140 вставлен в паз 120 диска 12. Пазы 120 аксиально простираются между двумя противоположными лицевыми поверхностями диска и разделены зубьями 121. Каждая лопатка 14 закреплена радиально посредством ее крепежного элемента 140 двумя зубьями 121, смежными крепежному элементу.
Диск 12 оснащен тремя предохранительными стопорами 122, расположенными на диске под углом 120° друг к другу. Эти предохранительные стопоры 122 удерживают кольцо 16 в его радиальном положении относительно диска 12 и лопаток 14. Диск 12 также оснащен противовращательным стопором 124 для удержания кольца 16 в его азимутальном положении относительно диска 12 и лопатки 14. Противовращательный стопор 124 вставлен в разрез кольца 16.
На фиг.2А представлен угловой участок колеса 10, показанного на фиг.1, имеющий вид с пространственным разделением деталей. На фиг.2А видны первые стопорные элементы 126 и вторые стопорные элементы 146. Когда лопатки установлены на диск 12 в первом аксиальном направлении X, первые стопорные элементы 126 вставлены в полости 148 лопаток 14.
Вторые стопорные элементы 146 расположены на нижней поверхности полки 142 на аксиальном выступе из полки 150, который выступает из лицевой поверхности 128 диска 12. Каждый второй стопорный элемент 146 образует гребень, при этом при установке лопатки 14 на диск 12 из лицевой поверхности 130 диска 12 крепежный элемент 140 лопатки может скользить в пазу 120 до тех пор, пока первый стопорный элемент 126 не будет зафиксирован в полости 148. В данном примере каждый гребень прошел дополнительную механическую обработку по своим азимутальным краям, чтобы избежать соприкосновения с зубьями 121 при сборке. Ниже термин «гребень» использован для замены термина «второй стопорный элемент».
В данном примере каждый гребень 146 образует участок кольца, при этом при установке лопаток 14 на диск 12, совместно гребни 146 образуют несплошное кольцо.
На фиг.2B показан участок колеса, описанный со ссылкой на фиг.2А, после его сборки. Нижняя поверхность осевого выступа 150, лицевая поверхность 128 диска и лицевая поверхность гребня 146, обращенная к лицевой поверхности 128 диска 12 (или та, что обращена к крепежному элементу 140 лопатки), вместе образуют канавку, обращенную к оси А диска. Кольцо 16 вмонтировано в эту канавку.
Ниже со ссылкой на фиг.3 и 4 описана сборка устройства аксиальной фиксации. На фиг.3 представлен вид в осевом разрезе примера, показанного на фиг.2B в плоскости сечения III. На фиг.3 лопатка 14 заходит в паз 120 в первом аксиальном направлении X, пока одна из контактных лицевых поверхностей 152 полки 142 не упрется в первый стопорный элемент 126 диска 12. Затем лопатка блокируется в первом аксиальном направлении X.
После этого, как видно из фиг.4 (разрез по плоскости IV на фиг.2B), кольцо 16 встает под выступ 150, между лицевой поверхностью 154 крепежного элемента 140 лопатки, которая продолжает лицевую поверхность 128 диска 12, и лицевой поверхностью 156 гребня 146, обращенной к лицевой поверхности 154. Таким образом, лопатка аксиально закреплена во втором аксиальном направлении У, противоположном первому аксиальному направлению X, гребнем 146, упирающимся в кольцо 16, которое само плотно примыкает к лицевой поверхности 128 диска 12 и первому стопорному элементу 126 (см. фиг.3). Таким образом, лопатка закреплена в обоих противоположных аксиальных направлениях X и Y за счет взаимодействия устройства аксиальной фиксации 16, во-первых, с первым стопорным элементом 126, а, во-вторых, со вторым стопорным элементом 146.
Из фиг.4 также видно, что в преимущественном варианте изобретения, полка 142 снабжена, по меньшей мере, одной бобышкой 170. Бобышка 170 расположена на нижней поверхности полки 142, и, в частности, на нижней поверхности его аксиального выступа 150. Точнее, относительно канавки, в которую вмонтировано кольцо 16, бобышка 170 образована на нижней части упомянутой канавки.
Кроме того, в радиальном направлении бобышка 170 не совмещена с пером 144 лопатки, то есть перо 144 лопатки и бобышка 170 смещены в аксиальном направлении. Перо 144 лопатки радиально поддерживается участком полки, который опирается на крепежный элемент 140 лопатки и не воздействует на аксиальный выступ 150. Другими словами, бобышка 170 не находится на участке полки 142, который радиально поддерживает перо лопатки.
На фиг.5A-5E представлены несколько вариантов сопряжения кольцо/полка в плоскости сечения V, показанной на фиг.4.
Фиг.5A соответствует варианту осуществления, показанному на фиг.4. Таким же образом, что и на фиг.4, одиночная бобышка 170 показана на фиг.5А. Сопряжение кольцо/полка обеспечено контактом между бобышкой 170 и кольцом 16. Поверхность 160 кольца 16, обращенная к нижней части канавки 158, является по существу гладкой.
На фиг.5B показан альтернативный вариант осуществления, в котором, в отличие от вышеописанного варианта осуществления, кольцо 16 имеет множество бобышек 162, расположенных по окружности кольца (показана только одна бобышка), при этом нижняя часть канавки 158 является гладкой.
На фиг.5С и 5D, подобно соответствующим фиг.5A и 5B, показаны бобышки 170 и 162, которые находятся в соответствующих углублениях, имеющих дополняющую форму, совмещенных с упомянутыми бобышками. В конфигурации, показанной на фиг.5C, бобышки 170 находятся под полками 142, а кольцо 16 имеет углубления дополняющей формы. В конфигурации, показанной на фиг.5D, бобышки 162 выполнены по окружности кольца 16, а углубления образованы в полках 142 лопатки. В любом случае кольцо 16 в силу этого предпочтительно закреплено в азимутальном направлении посредством взаимодействия между бобышками и углублениями дополняющей формы.
На фиг.5E показан вариант, сочетающий в себе наличие одновременно бобышек и углублений как на кольце 16, так и на выступе 150.
На фиг.6 показана турбомашина 200, оснащенная рабочим колесом турбины согласно изобретению. В этом примере рабочее колесо турбины газогенератора 210 и свободное рабочее колесо 220 турбины оба выполнены в соответствии с настоящим изобретением.