СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РАБОЧЕГО КОЛЕСА РАДИАЛЬНОГО ТУРБОГЕНЕРАТОРА, СТУПЕНЬ
METHOD OF MANUFACTURING WORKING WHEEL OF RADIAL TURBOGENERATOR, STAGE

Изобретение относится к рабочему колесу радиального турбогенератора, содержащего: диск колеса, защитную шайбу, лопатки и ступицу. При этом ступица выполнена таким образом, что её можно монтировать на распространяющемся вдоль оси валу, причём диск колеса, начиная от ступицы, распространяется, по существу, радиально, причём защитная шайба соединяется с диском колеса при помощи лопаток таким образом, что между диском колеса и защитной шайбой посредством лопаток в окружном направлении, по меньшей мере, в одной радиальной зоне рабочего колеса в окружном направлении определяются отделённые друг от друга каналы, причём рабочее колесо имеет первый сквозной проход для потока, по существу, в осевом направлении, в радиальной близости от ступицы, причём рабочее колесо имеет второй сквозной проход для потока, по существу, в радиальном направлении, расположенный от ступицы дальше, чем первый сквозной проход для потока. Кроме того, изобретение касается ступени, содержащей определённое таким образом рабочее колесо.
Наряду с этим, в изобретении предлагается, кроме того, способ для изготовления обтекаемого потоком, вращающегося элемента конструкции энергомашины.
Такие турбогенераторы известны как компрессоры или экспандеры. В них радиальная конструкция рабочего колеса возможна открытого или закрытого типа, причём изобретение касается закрытого рабочего колеса, так что защитная шайба, в отличие от диска колеса, определяет отдельные каналы в осевом и в радиальном направлении. При протекании рабочей среды через рабочие колёса и при обтекании радиальных рабочих колёс рабочей средой на обтекаемых поверхностях возникают обусловленные трением потери давления, которые снижают коэффициент полезного действия турбомашины. При соответствующих рабочих условиях, включающих тип газа, давление и температуру рабочей среды, локальные, обусловленные трением, потери давления зависят от локальной скорости потока, а также от локальной шероховатости обтекаемых поверхностей.
Из документа ЕР 0593797 В1 известно, что, зная шероховатость элементов конструкции, можно целенаправленно воздействовать на поток и применять эти знания при работе с радиальным турбокомпрессором.
Исходя из описанных недостатков уровня техники, задача изобретения заключается в том, чтобы улучшить коэффициент полезного действия радиальных турбогенераторов указанного в начале типа, не увеличивая необходимые для этого расходы на изготовление. Для решения предложенной в изобретении задачи предлагается рабочее колесо определённого в начале типа с дополнительными признаками, перечисленными в независимом пункте 1 формулы изобретения. Кроме того, предлагается ступень согласно зависимому пункту 8 формулы изобретения. Соответствующие приведённые ниже пункты формулы изобретения содержат предпочтительные варианты выполнения изобретения.
В плане своей терминологии изобретение исходит из того, что во время технологического процесса на соответствующих компонентах предложенного в изобретении рабочего колеса (защитная шайба, диск колеса, лопатки и ступица), прежде всего, предусмотрена единая шероховатость, и эта шероховатость уменьшается в предложенных в изобретении соответствующих зонах посредством дополнительной обработки. Таким образом, постоянно возникают поверхностные зоны, в которых шероховатость более низкая, и другие зоны, в которых такая обработка не была проведена, и где, наоборот, шероховатость более высокая. Принципиально, согласно изобретению, также возможно придавать шероховатость тем зонам, в которых шероховатость, наоборот, снижена. Однако такой вариант менее предпочтителен.
Большие потери давления возникают там, где имеются большие локальные скорости потоков и локальные шероховатости обтекаемых поверхностей. Обычно для обтекаемых потоком поверхностей указанных в начале рабочих колёс, которые также называются радиальными колёсами, как в каналах лопаток, то есть в отношении поверхностей лопаток, или в основаниях каналов рабочих колёс внутри рабочего колеса,  так и снаружи на дисках колёс, или на защитных шайбах, требуется, соответственно, единая максимально допустимая шероховатость. Эта шероховатость указывается, например, с помощью нормированного обозначения RZ12. Такая единая шероховатость требуется, в частности, в тех случаях, когда соответствующие поверхности изготавливаются из одного элемента конструкции или из одной заготовки или вместе прошли заключительный технологический процесс обработки.
Из документов US 2007/0134086 А1, US 2471174 А1, EP 0593797 81, WO 2013/162896 A1 уже известны турбомашины, которые частично имеют основные признаки.
Существовавшая до сих пор практика выполнять рабочее колесо и соответствующие элементы конструкции турбогенератора, которые обтекаются потоком, с единым качеством поверхности приводит к большим производственным затратам и к большим расходам на проведение экспериментов, чтобы, таким образом, минимизировать обусловленные этим потери потока. Соответствующую полировку и мероприятия для снижения шероховатости поверхности часто приходится проводить вручную, и поэтому являются очень дорогостоящими. Это изобретение помогает избежать часть таких расходов.
В вышеприведённом основном определении рабочего колеса в качестве, по меньшей мере, отдельного понятия, вводится ступица. Как правило, ступица выполнена с диском колеса в виде единой детали и, в соответствии с этим, её можно только мысленно отделить вследствие её функции соединения с валом. В связи с этим возможно, чтобы ступица, диск колеса и лопатки выполнялись в виде единой детали или изготавливались даже из одной единственной первичной заготовки. Помимо этого возможно, кроме того, чтобы защитная шайба, лопатки, диск колеса и ступица были выполнены в виде одной детали или изготавливались даже из одной единственной первичной заготовки, например, с помощью современного способа фрезерования или с помощью электроэрозионной обработки. В ходе последних разработок также возможно изготовление с помощью «Аддитивного производства».
Идея изобретения заключается в том, что локальная скорость потока обычно зачастую не всегда соответствует данной локальной шероховатости поверхности. Таким образом, возникают большие, обусловленные трением, потери давления в зонах, где встречаются высокие скорости потока и одновременно высокие значения шероховатости. В изобретении предлагается, кроме того, в зоне с высокими значениями скорости потока обтекаемые потоком поверхности выполнять с меньшей шероховатостью, чем в зоне с меньшими скоростями потока.
Помимо этого, в изобретении предлагается, кроме того, способ для изготовления обтекаемого потоком вращающегося элемента конструкции энергомашины, со следующими этапами:
а. технический расчёт элемента конструкции,
б. определение, по меньшей мере, одного предельного значения для первого частного от деления скорости обтекающего потока поверхностных зон элемента конструкции на расстоянии δ на окружную скорость соответственно по отношению к расчётной рабочей точке,
в. определение поверхностных зон элемента конструкции, в которых первое частное от деления лежит выше предельного значения,
г. изготовление элемента конструкции с обеспечением, по меньшей мере, двух различных значений шероховатости поверхностных зон, первого с более низкой шероховатостью, по меньшей мере, в некоторых поверхностных зонах, в которых первое частное от деления лежит выше предельного значения, и обеспечение или разрешение более высокой шероховатости, по меньшей мере, в некоторых поверхностных зонах, в которых первое частное от деления лежит ниже предельного значения.
Помимо этого изобретение касается элемента конструкции, который был изготовлен в соответствии с предварительно определённым способом. При этом особенно предпочтительно рабочее колесо радиального турбогенератора, в частности радиального турбокомпрессора.
В одном предпочтительном варианте выполнения способа предусматривается, что элемент конструкции изготавливается из цельной заготовки. В другом преимущественном варианте выполнения изобретения предусматривается, что элемент конструкции выполнен в виде цельного изделия, причём предпочтительно на элементе конструкции не предусмотрены разборные, неразрушающиеся, составные части. В другом преимущественном варианте выполнения изобретения предусматривается, что на стадии технологического процесса поверхностные зоны, которые относятся к первой группе поверхностных зон, проходят обработку, которая снижает шероховатость поверхности. В другом преимущественном варианте выполнения изобретения предусматривается, что на другом этапе обработки поверхностные зоны, которые относятся ко второй группе поверхностных зон, проходят обработку, которая увеличивает шероховатость поверхности.
Далее изобретение описывается более подробно при помощи специальных примеров выполнения со ссылкой на обозначения, приведённые на чертежах. На чертежах представлено следующее:
фиг. 1 - продольное сечение вдоль оси ротора радиального турбогенератора через предложенное в изобретении рабочее колесо;
фиг. 2 - увеличенное изображение согласно II по фиг. 1;
фиг. 3 - блок-схема последовательности выполнения предложенного в изобретении способа.
На фиг. 1 показано рабочее колесо IMP радиального турбогенератора RTF, который схематично демонстрируется здесь в виде фрагментов со ступенью STA. При работе в качестве компрессора поток рабочей среды PF протекает через рабочее колесо IMP вдоль направления основного потока MFD. Если рабочее колесо IMP используется в выполненном в виде турбины радиальном турбогенераторе, технологическая рабочая среда PF направлена вдоль направления основного потока MFD', противоположном направлению основного потока MFD для компрессора. Если в дальнейшем имеется ссылка на конкретное направление основного потока MFD, MFD', то речь идёт о варианте выполнения радиального турбогенератора RTF в виде компрессора, не ограничивая изобретение компрессором.
Рабочее колесо IMP содержит диск колеса SW, лопатки BL и защитные шайбы CW, причём диск колеса SW содержит ступицу HB. При помощи ступицы HB рабочее колесо IMP монтируется на не показанном валу SH, который распространяется вдоль оси вращения X. К этой оси вращения Х в дальнейшем относятся все понятия, которые касаются оси, например осевые, радиальные, окружное направление, и т.д., если не указано другое.
В показанном примере лопатка BL оформлена скрученной в трёхмерном пространстве в направлении по ширине канала FC. Такое оформление типично для рабочих колёс, которые имеют высокую пропускную способность. Лопатки BL распространяются, главным образом, не только на радиально проходящем участке канала FC, но также на проходящем в осевом направлении участке.
Изобретение также целесообразно применять в отношении рабочих колёс IMP с лопатками BL, которые находятся, главным образом, на распространяющемся радиально участке. Такие рабочие колёса IMP устанавливаются зачастую в так называемых компрессорах высокого давления и, в большинстве случаев, имеют, главным образом, лопатки BL, оформленные цилиндрическими.
Диск колеса SW простирается, начиная от ступицы НВ, главным образом, радиально. Защитная шайба CW соединена при помощи лопаток BL с диском колеса SW. Таким образом, между диском колеса SW и защитной шайбой CW посредством лопаток BL в окружном направлении, по меньшей мере, в одной радиальной зоне рабочего колёса IMP образуются отделённые друг от друга каналы FC. В радиальных зонах, в которых лопатки BL не распространяются, в окружном направлении канала FC такое отделение не выполняется, причём, кроме того, общий канал в радиальном и в осевом направлении определяется посредством диска колеса SW и защитной шайбы SC.
Главным образом, в центре между диском колеса SW и защитной шайбой CW, начиная от осевого направления в зоне входа потока, в случае компрессора, направление основного потока MFD распространяется вдоль отклонения в радиальном направлении к выходу из рабочего колёса IMP. Обозначенный для случая радиального турбокомпрессора в виде входа участок рабочего колёса IMP с целью общей универсальности в плане терминологии называется в изобретении первым сквозным проходом для потока О1. Аналогично, выход называется вторым сквозным проходом для потока О2.
Рабочее колесо IMP окружено статором STO, который определяет так называемые боковые пространства колеса WSC по обеим сторонам рабочего колёса IMP с помощью расстояния между рабочим колесом IMP и статором STO.
Для примера с левой стороны рабочего колёса IMP показано, как боковое пространство колеса WSC уплотнено при помощи образованного в виде лабиринта уплотнения вала, чтобы обводной поток не попадал через боковое пространство колеса WSC в канал FC рабочего колёса IMP. Аналогичное, не показанное здесь на фигуре, уплотнение находится на правой стороне рабочего колёса IMP. Канал FC рабочего колёса IMP входит в кольцевое пространство RC статора STO в радиальном направлении, так что в случае компрессора технологическая рабочая среда FD может проходить в продолжение направления выходного потока MFD из рабочего колёса IMP и не показанная в данном случае, завершающая возвратная ступень направлена к более широкому рабочему колёсу IMP или в сборный резервуар с целью дальнейшего вытекания её из радиального турбогенератора RTF.
Обращённая к диску колеса SW поверхность защитной шайбы CW образована, по меньшей мере, местами, в примере полностью, с меньшей шероховатостью, чем обращённая к защитной шайбе поверхность диска колеса SW. При этом предусмотрено, что лопатки BL в расположенной ближе к защитной шайбе и на границе с защитной шайбой CW первой поверхностной зоне BLA1 имеют меньшую шероховатость, чем во второй, расположенной дальше от защитной шайбы CW, поверхностной зоне BLA2. Кроме того, предусмотрено, что первая поверхностная зона BLA1 лопаток с увеличением расстояния от ступицы HB имеет сужающуюся часть канала FC вертикально относительно направления основного потока MFD. Детально – в представленном случае оформленная скрученной в трёхмерном пространстве в направлении по ширине канала FC лопатка BL – первая поверхностная зона лопатки BLA1 на участке, который находится ближе всего к ступице НВ, на расстоянии, составляющем более 40% ширины канала FC, распространяется вертикально относительно направления основного потока MFD и постоянно уменьшается до расположенного дальше от ступицы НВ участка в радиальном направлении на расстоянии, составляющем менее чем 35% ширины канала FC вертикально относительно направления основного потока MFD.
Наряду с внутренней поверхностью рабочего колёса IMP также часть внешней поверхности рабочего колёса IMP обрабатывается в отношении шероховатости с целью снижения потерь. Защитная шайба CW выполнена на противоположной от лопаток BL поверхности в третьей поверхностной зоне CWA3 с меньшей шероховатостью, чем в другой, четвёртой поверхностной зоне CWA4. При этом третья поверхностная зона CWA3 распространяется радиально по внешней поверхности защитной шайбы CW на расстоянии до 50% радиального распространения защитной шайбы CW. На чертеже указан меньший диаметр сниженной шероховатости DRZ, причём эта зона распространяется до внешнего диаметра D2 рабочего колёса IMP. В конкретном примере выполнения минимальный диаметры защитной шайбы CW и диска колеса SW со сниженной шероховатостью DRZ выполнены идентичными. На практике соответствующие диаметры со стороны защитной шайбы и со стороны диска колеса могут отличаться. Диск колеса на обращённой к лопаткам поверхности в пятой поверхностной зоне SWA5 имеет меньшую шероховатость, чем в другой, шестой, поверхностной зоне SWA6. Пятая поверхностная зона SWA5 специально выполнена расширяющейся радиально по внешней поверхности диска колеса и составляет до 50% радиального распространения диска колеса.
Радиальная, внешняя, распространяющаяся в окружном направлении, кольцеобразная поверхность кромки ES как защитной шайбы CW, так и диска колеса SW, выполнена, соответственно, с меньшей шероховатостью, чем в других зонах, которые не имеют меньшую шероховатость. Преимущественно и целесообразно использовать такую меньшую шероховатость также на внешних краях лопаток.
На фиг. 3 в схематичном виде показана блок-схема последовательности выполнения предложенного в изобретении способа для изготовления обтекаемых потоком элементов конструкции COM энергомашины FEM. При этом речь идёт, например, о рабочем колесе IMP или детали ступени STA, которые обтекаются потоком. С учётом данных термодинамики THD, в способе предусматривается изготовление обтекаемого потоком элемента конструкции СОМ из заготовки GRN.
На первом шаге a. выполняется технический расчёт элемента конструкции СОМ с учётом данных термодинамики THD. Первый шаг расчёта является основанием для второго шага б., на котором устанавливается предельное значение LIM; для расчёта первого частного Q01 скорость обтекающего потока VL в поверхностных зонах SUA элемента конструкции СОМ на расстоянии δ делят на окружную скорость UV соответственно в одной расчётной рабочей точке. Эту скорость обтекающего потока VL следует брать из соответствующего технического вычисления на определённом расстоянии δ от самих поверхностей элемента конструкции. Окружная скорость получается в расчётной рабочей точке непосредственно для соответствующего диаметра и числа оборотов (n, ω). В то время как в примере на фиг. 3 для первого частного Q01 устанавливается только одно предельное значение LIM, возможно, чтобы в рамках изобретения устанавливались также зоны значений частного, определённые нижними и верхними предельными значениями, которым на следующих шагах соответствуют поверхностные зоны SUA, в которых в рамках изготовления предусматриваются различные шероховатости.
На третьем шаге в. с ссылкой на предельное значение LIM устанавливается поверхностная зона SUA, которая в отношении первого частного Q01 лежит выше предельного значения. В примере выполнения фиг. 3 соответственно поверхность элемента конструкции СОМ поделена на две группы; одна группа – для которой первое частное Q01 лежит выше предельного значения LIM, и вторая группа – для которой первое частное Q01 лежит ниже предельного значения LIM.
Четвёртый шаг г. касается изготовления элемента конструкции СОМ из заготовки и получения, по меньшей мере, двух различных шероховатостей RZ для поверхностных зон SUA. Заготовка GRN может представлять собой необработанное изделие, предназначенное для фрезерования, и быть выполненным из сплошного материала, в виде полуфабриката, в виде кусков или также в форме порошка, предназначенных для спекания, или в виде другого сырья, предназначенных для изготовления элемента конструкции СОМ. Решающим в смысле изобретения является то, что качество поверхности согласно изобретению определяется на этапе обработки. Первая, меньшая шероховатость RZ изготавливается, по меньшей мере, в некоторых поверхностных зонах SUA, в которых скорость обтекающего потока VL лежит выше предельного значения LIM. Более высокая шероховатость RZ изготавливается или сохраняется, по меньшей мере, в некоторых поверхностных зонах SUA, в которых скорость обтекающего потока VL лежит ниже предельного значения LIM.
Результатом предложенного в изобретении способа является элемент конструкции СОМ энергомашины FEM.