СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТУРБИННОГО ДИСКА И ТУРБИНА
METHOD OF MAKING TURBINE DISC AND TURBINE

Область техники
Данное изобретение относится к турбинному диску для турбины и к турбине, содержащей турбинный диск. Кроме того, данное изобретение относится к способу изготовления турбинного диска для турбины.
Уровень техники
Турбинные диски устанавливаются с возможностью вращения на валу обычной газовой турбины. Турбинные диски предназначены для размещения, например, турбинных лопаток. Турбинные диски вращаются относительно стационарных неподвижных частей турбины, так что турбинные диски нуждаются в уплотнительных и балансировочных системах с целью обеспечения подходящих характеристик уплотнения и вращения.
Между подвижными частями, такими как турбинные диски, и стационарными частями, такими как выходное устройство предварительной закрутки потока и корпус турбины, существует множество полостей. Между подвижными частями и стационарными частями необходимо подходящее уплотнение. Поэтому в обычных газовых турбинах уменьшением утечки текучей среды внутри полости можно управлять посредством использования, например, одиночной системы уплотнения лопаток, которая расположена в заданном месте на обычном турбинном диске.
Кроме того, необходима балансировочная система для балансировки подвижной части. Балансировочная система может быть создана, например, посредством использования балансировочной ленты в заданном месте на турбинном диске, в частности на противоположной стороне турбинного диска относительно расположения одиночной системы уплотнения лопаток.
На фиг.4 показана такая система обычного турбинного диска. На первой поверхности обычного турбинного диска расположена обычная одиночная уплотнительная манжета 401, а на противоположной стороне обычного турбинного диска расположена обычная балансировочная система 402.
В US 4817455 раскрыта балансировочная система для газового турбинного двигателя, в котором упорное кольцо расположено внутри канавки в роторном диске ротора. В удаленном от упорного кольца месте на роторном диске может быть закреплена уплотнительная система.
В US 4926710 раскрыт способ балансировки снабженного лопатками ротора газотурбинного двигателя. Балансировочное кольцо установлено на роторном диске между упорным кольцом и выступом турбинного диска. В расположенном на расстоянии от балансировочного кольца месте расположено лабиринтное уплотнение для уплотнения роторного диска.
В US 4220055 раскрыты балансировочные L-образные грузики, которые расположены между первой турбинной частью и вращающейся второй роторной частью. В расположенном на расстоянии от L-образных грузиков месте на роторном диске образована лабиринтная уплотнительная система.
В US 7491031 В2 раскрыто балансировочное устройство турбинного двигателя. На фланце турбинного диска закреплен уплотнительный диск или другой диск с помощью соединения с использованием болта и канавки. Между болтом и канавкой закреплен противовес. В удаленном месте на диске могут быть сформированы элементы лабиринтного уплотнения.
В US 3985465 используется, по существу, радиальная наружная поверхность осевого продолжения диска компрессора для удерживания балансировочных грузиков. Это обеспечивает доступ к балансировочным грузикам с помощью удлиненного инструмента радиально снаружи через отверстие доступа. Балансировочные грузики расположены вблизи широкого прохода в основном пути прохождения текучей среды между бандажом статора и роторной лопаткой осевого компрессора. А именно широкий проход не образует уплотнение, однако может служить для отклонения текучей среды с основного пути прохождения во вторичную воздушную систему.
Таким образом, уплотнительная система и балансировочная система при обычном расположении развязаны и не взаимодействуют друг с другом.
Сущность изобретения
Задачей данного изобретения является создание турбинного диска, который является простым и недорогим в изготовлении.
Эта задача решена с помощью турбинного диска для турбины, в частности газовой турбины, с помощью турбины, содержащей турбинный диск, и с помощью способа изготовления турбинного диска для турбины согласно независимым пунктам формулы изобретения.
Согласно первому аспекту данного изобретения предлагается турбинный диск для турбины, в частности газовой турбины. Турбинный диск содержит первый выступ и второй выступ. Первый выступ и второй выступ образованы так, что обеспечивается возможность закрепления балансировочного грузика между первым выступом и вторым выступом. Кроме того, первый выступ содержит уплотнительную секцию, которая способна уплотнять проход текучей среды между турбинным диском и другой частью турбины.
Согласно другому аспекту данного изобретения предлагается турбина, в частности газовая турбина. Турбина содержит турбинную часть и указанный выше турбинный диск. Турбинный диск предназначен для соединения с турбинной частью так, что уплотнительная часть первого выступа турбинного диска уплотняет проход текучей среды между турбинным диском и турбинной частью.
Согласно другому аспекту данного изобретения предлагается способ изготовления турбинного диска для турбины, в частности газовой турбины. Способ содержит стадию формирования первого выступа и второго выступа на турбинном диске. Первый выступ и второй выступ формируют так, что обеспечивается возможность закрепления балансировочного грузика между первым выступом и вторым выступом. Первый выступ содержит уплотнительную секцию, которая способна уплотнять проход текучей среды между турбинным диском и другой турбинной частью турбины.
Понятие «выступ» обозначает фланец, полосу или кромку, которая выступает, по существу, в направлении нормали к поверхности турбинного диска. Выступ может быть образован также, например, с помощью тора или расширения.
Первый выступ и второй выступ связаны функционально, поскольку оба выступа реализуют совместно закрепление балансировочного грузика, при этом один из выступов дополнительно содержит уплотнительную секцию для обеспечения возможности уплотнения турбинного диска. Таким образом, за счет функциональной связи первого выступа и второго выступа создается комбинированная уплотнительная и балансировочная система.
Понятие «турбинный диск» обозначает плоско выполненный диск, который предназначен для соединения с возможностью вращения, например с турбинным валом турбины или с внутренней поверхностью корпуса турбины. Турбинный диск можно использовать также в качестве компрессорного диска, который предназначен для установки в компрессоре, или ступени компрессора турбины.
Понятие «другая часть турбины» обозначает подвижные и неподвижные стационарные части турбины или компрессора. Стационарная часть турбины является, например, корпусом турбины, частями (наружной) камеры предварительной закрутки, камерой сгорания или валом. Подвижные части турбины являются, например, другими соседними турбинными или компрессорными дисками. Если указанные турбинные диски и смежно расположенные турбинные диски имеют относительное движение между ними, то необходимо подходящее уплотнение.
Понятие «проход текучей среды» обозначает проход для текучей среды между двумя полостями внутри турбины. Уплотнение прохода обеспечивается с помощью уплотнительной секции первого выступа. Уплотнительная секция может содержать, например, уплотнительную манжету, которая прижимается к другой части турбины. Уплотнительная секция может быть выполнена интегрально и в виде единого целого с первым выступом или же может быть отдельной частью относительно первого выступа. Если уплотнительная часть является отдельной частью относительно первого выступа, то уплотнительная секция может быть закреплена разъемно или неразъемно на первой части. Таким образом, уплотнительная часть может содержать материал, аналогичный первому выступу, или же может содержать материал, отличный от материала первого выступа. Например, уплотнительная секция может быть выполнена из материала с высокими уплотнительными свойствами, такого как устойчивый к износу материал или уплотнительная щетка, при этом первый выступ может быть выполнен из металла или керамического материала.
Балансировочный грузик предназначен для закрепления между первым выступом и вторым выступом, например, с помощью прессовой посадки или с помощью отдельного крепежного элемента, такого как винт или болт. Балансировочный грузик предназначен также для закрепления между первым выступом и вторым выступом с помощью, например, насечки, клеевого соединения или сварки.
В указанном выше турбинном диске уплотнительная и балансировочная системы функционально связаны и комбинированы друг с другом. Каждый из выступов, а именно первый выступ и второй выступ используются для удерживания балансировочного грузика, при этом дополнительно по меньшей мере один из выступов образует уплотнительную секцию. Таким образом, посредством комбинации уплотнительной и балансировочной системы уменьшается необходимое установочное пространство, поскольку все функциональные элементы для обеспечения уплотнения и балансировки комбинированы внутри двух выступов. Это приводит к простому и недорогому способу изготовления турбинного диска, поскольку машинная поверхность, на которой может быть образована или расположена уплотнительная и балансировочная система, может быть небольшой, так что, например, больше не требуется множество различных и расположенных на расстоянии друг от друга машиннообработанных поверхностей. Таким образом, можно отказаться от подрегулировки турбинного диска в производственном устройстве, поскольку требуется машинная обработка лишь одной поверхности.
Согласно другому варианту выполнения турбинный диск дополнительно содержит первую поверхность и вторую поверхность, при этом первый выступ и второй выступ образованы по меньшей мере на одной первой поверхности или второй поверхности.
Согласно другому варианту выполнения турбинный диск выполнен с возможностью такого соединения с турбиной, что первая поверхность и вторая поверхность являются противоположными поверхностями относительно осевого направления вала турбины. Вторая поверхность может не содержать систему балансировочных грузиков и другую уплотнительную секцию. Вторая поверхность может образовывать поверхность турбинного диска, которая направлена вверх и/или вниз по потоку основного направления потока текучей среды турбины. Таким образом, поскольку функциональные элементы для уплотнения и балансировки турбинного диска расположены на одной поверхности, то другая поверхность может быть свободна от каких-либо функциональных элементов для уплотнения или балансировки турбинного диска. Таким образом, турбинный диск более прост в обращении, поскольку вторую поверхность без функциональных элементов можно, например, проще зажимать в производственном устройстве.
Согласно другому варианту выполнения турбинный диск выполнен с возможностью соединения с турбиной так, что первая поверхность ориентирована вверх по потоку относительно потока текучей среды турбины, а вторая поверхность ориентирована вниз по потоку относительно потока текучей среды.
Согласно другому варианту выполнения уплотнительная секция содержит лишь единственную уплотнительную манжету.
Согласно другому варианту выполнения уплотнительная секция содержит лабиринтное уплотнение. За счет использования лабиринтного уплотнения несколько комбинированных уплотнительных манжет используется для уплотнения турбинных дисков относительно других частей турбины.
Согласно другому варианту выполнения, первый выступ и второй выступ образованы и/или расположены так, что между первым выступом и вторым выступом образована выемка. Выемка образована так, что она проходит в окружном направлении относительно вала турбины, когда турбинный диск соединен с турбиной.
Понятие «выемка» обозначает пространство между первым выступом и вторым выступом, в котором может быть установлен балансировочный грузик. Когда первый выступ и второй выступ образуют изогнутую выемку между ними, то балансировочный грузик может быть соединен с турбинным диском в желаемом положении вдоль окружного направления турбинного диска относительно вала турбины или же относительно оси вращения турбинного диска. Таким образом, посредством крепления с возможностью скольжения балансировочного грузика внутри выемки можно находить для балансировочного грузика желаемое балансировочное положение, в котором турбинный диск сбалансирован.
Наряду с окружным направлением выемки может быть предусмотрено линейное прохождение выемки без изогнутой формы. В частности, выемка может также проходить в радиальном направлении, в тангенциальном направлении или в любом другом линейном направлении относительно вала вдоль поверхности турбинного диска.
Выемка образована пространством между первым выступом и вторым выступом. Выемка может быть также образована в турбинном диске, например, посредством фрезерования дополнительно щели.
Согласно другому варианту выполнения выемка выполнена так, что выемку и балансировочный грузик можно соединять с помощью соединения типа ласточкина хвоста. За счет предусмотрения соединения типа ласточкина хвоста предотвращается отсоединение балансировочного грузика от турбинного диска. Одновременно балансировочный грузик все еще находится с возможностью скольжения внутри выемки вдоль первой поверхности турбинного диска.
Может быть предусмотрена такая возможность соединения балансировочного грузика, что его можно вводить, а затем зажимать, заклинивать или фиксировать в выемке.
Согласно другому варианту выполнения первый выступ расположен в первом положении, а второй выступ расположен во втором положении. Первое расстояние между первым положением и центром турбинного диска больше второго расстояния между вторым положением и центром турбинного диска.
Согласно другому варианту выполнения первый выступ и/или второй выступ установлены на турбинном диске с возможностью отсоединения. Таким образом, может быть улучшено техническое обслуживание турбинного диска, поскольку поврежденные первые выступы или вторые выступы можно просто заменять, так что больше нет необходимости в замене всего турбинного диска. Таким образом, снижается стоимость технического обслуживания.
Согласно другому варианту выполнения первый выступ и второй выступ выполнены интегрально (в виде единого целого) с турбинным диском. Таким образом, способ изготовления может быть более простым, поскольку турбинный диск, а также первый выступ и второй выступ можно выполнять в одной стадии изготовления, например, посредством литья или фрезерования. Отпадает необходимость в других рабочих стадиях для фиксации первого выступа или второго выступа.
Следует отметить, что выше было приведено описание вариантов выполнения применительно к различным предметам изобретения. В частности, описание некоторых вариантов выполнения дано относительно устройства, в то время как описание других вариантов выполнения дано относительно способа. Однако для специалистов в данной области техники из приведенного выше и последующего описания понятно, что если не указано обратное, дополнительно к любой комбинации признаков, относящихся к одному типу предмета изобретения, также любая комбинация признаков, относящихся к другим предметам изобретения, в частности между признаками устройства и признаками способа, входит в объем раскрытия данной заявки.
Краткое описание чертежей
Указанные выше аспекты и другие аспекты данного изобретения следуют из приведенного ниже описания примеров выполнения, не имеющих, однако, ограничительного характера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг.1 - турбина с турбинным диском согласно одному примеру выполнения данного изобретения;
фиг.2 - турбинный диск согласно одному примеру выполнения данного изобретения, в увеличенном масштабе;
фиг.3 - разрез по линии III-III на фиг.2 турбинного диска согласно примеру выполнения изобретения; и
фиг.4 - обычный турбинный диск.
Подробное описание
Чертежи выполнены схематично. Следует отметить, что на различных фигурах аналогичные или идентичные элементы обозначены одинаковыми позициями.
На фиг.1 показан турбинный диск 100 для турбины 120 согласно одному варианту выполнения изобретения. Турбина 120 является, в частности, газовой турбиной. Турбинный диск 100 содержит первый выступ 101 и второй выступ 102. Первый выступ 101 и второй выступ 102 выполнены так, что обеспечивается возможность закрепления балансировочного грузика 103 между первым выступом 101 и вторым выступом 102. Первый выступ 101 содержит уплотнительную секцию 104, которая предназначена для уплотнения прохода 105 текучей среды между турбинным диском 100 и другой частью турбины 120.
Уплотнительная секция 104 может быть расположена и предназначена для оказания аналогичного уплотнительного действия, что и обычная одиночная уплотнительная манжета 401, показанная на фиг.4. Уплотнительная секция 104 может быть предпочтительно выполнена в виде манжеты или ребра.
Другая турбинная часть 121 турбины 120 является, например, корпусом турбины 120 или другим турбинным диском 100. В частности, турбинная часть 121, показанная на фиг.1, является завихряющей камерой. Другая турбинная часть 121 не является, в частности, компонентом основного пути прохождения текучей среды, а является компонентом, расположенным радиально внутрь от основного пути прохождения текучей среды, в частности поверхностью турбинного диска.
Как показано на фиг.1, охлаждающий воздух выдувается из завихряющей камеры 121 внутрь полости 111 между завихряющей камерой 121 и турбинным диском 100. Охлаждающий воздух предназначен для прохождения через канал 100 охлаждающего воздуха турбинного диска 100 с целью прохождения внутри лопатки 109 для охлаждения лопатки 109. Охлаждающая текучая среда, которая проходит внутри полости 111 вдоль первой поверхности 106 турбинного диска 100, охлаждает турбинный диск 100. Для предотвращения прохождения охлаждающей текучей среды на верхнюю по потоку сторону турбины 120, т.е. выхода из полости 111, уплотнительная секция 104 первого выступа 101 уплотняет внутреннюю полость 111.
Как показано на фиг.1, уплотнительная секция 104 расположена радиально внутрь от канала 110 охлаждающего воздуха. Полость 11 ограничена радиально внутрь уплотнительной секцией 104 и радиально наружу другим уплотнением.
Как показано на фиг.1, первая поверхность 106 турбинного диска 100 направлена к верхней по потоку текучей среды стороне турбины 120. Обычно каждая турбина 120 содержит направление F основного потока текучей среды от верхней по потоку стороны к нижней по потоку стороне, при этом относительно турбинного диска 100 согласно данному изобретению турбинный диск 100 отделяет верхнюю по потоку сторону от нижней по потоку стороны. С другой стороны, поток охлаждающего воздуха может иметь направление потока одинаковое или противоположное направлению основного потока текучей среды, т.е. справа налево, как показано на фиг.1. Это может иметь место, в частности, в расположенных ниже по потоку ступенях турбины, в этом случае балансировочная и уплотнительная система предпочтительно расположена на нижней по потоку стороне турбинного диска. Уплотнительная секция 104 уплотняет проход 105 текучей среды между внутренней полостью 111 и верхней по потоку стороной, так что уменьшается утечка охлаждающей текучей среды через проход 105 текучей среды.
Как показано на фиг.1, первый выступ 101 и второй выступ 102 выполнены и расположены на первой поверхности 106 турбинного диска 100, при этом первая поверхность 106 находится на одной линии с верхней по потоку стороной турбины 120. Между первым выступом 101 и вторым выступом 102 предусмотрена возможность крепления балансировочного грузика 103, так что комбинированное расположение первого выступа 101 и второго выступа 102 образует балансировочную систему. Кроме того, первый выступ 101 содержит уплотнительный элемент 104, такой как уплотнительная манжета или лабиринтное уплотнение, так что комбинация первого выступа и второго выступа представляет уплотнительную систему и балансировочную систему.
Между первым выступом 101 и вторым выступом 102 образована выемка 108, предназначенная для установки, в частности установки с возможностью скольжения, балансировочного грузика 103. Окончательную фиксацию балансировочного грузика 103 можно осуществлять с помощью съемного фиксирующего элемента, такого как винт или болт, или с помощью постоянного фиксирующего элемента, такого как точка сварки или прессовая посадка. Предпочтительно балансировочные грузики удерживаются на месте посредством насечки, что делает соединение полупостоянным.
На фиг.2 показан более подробно турбинный диск 100 согласно одному примеру выполнения данного изобретения. Балансировочный грузик 103 закреплен между первым выступом 101 и вторым выступом 102. Как показано на фиг.2, первый выступ 101 и второй выступ 102 образуют между собою выемку 108. Выемка 108 проходит по изогнутой линии (изображена штрихпунктирной линией), в частности по круговой линии, вокруг вала 122 или оси вращения турбинного диска 100. Таким образом, балансировочный грузик можно перемещать или располагать внутри выемки 108 в окружном направлении вокруг вала 122.
В конечном итоге балансировочный грузик 103 можно фиксировать посредством насечки, как показано на фиг.2. Показано, что балансировочный грузик 103 забит молотком внутрь выемки 108, поскольку выемка 108 имеет меньшую ширину, чем балансировочный грузик 103, так что достигается прессовая посадка. Можно применять также другие фиксирующие средства, такие как винты или болты.
Кроме того, показано, что первый выступ 101 содержит уплотнительную секцию 104, которая может быть, например, уплотнительной манжетой.
На фиг.3 показан разрез по линии III-III на фиг.2. Первый выступ 101 содержит уплотнительную секцию 104, т.е. выполнен с уплотнительной манжетой. Кроме того, внутренний профиль выемки 108, которая образована с помощью первого выступа 101 и второго выступа 102, образует полый профиль в форме ласточкина хвоста. Внутри этого имеющего форму ласточкина хвоста полого профиля можно устанавливать балансировочный грузик 103 с соответствующим профилем (в форме ласточкина хвоста).
Как изображено штриховой линией на фиг.3, первый выступ 1 и второй выступ 2 могут быть выполнены в виде единого целого с турбинным диском 100 или же в качестве альтернативного решения расположены с возможностью съема на турбинном диске 100. Также уплотнительная секция 104 может быть выполнена в виде единого целого с первым выступом 101 или же в качестве альтернативного решения может быть расположена с возможностью съема на первом выступе 101. Предпочтительно уплотнительная секция 104 и первый выступ 101 выступают из боковой поверхности турбинного диска 100. Предпочтительно комбинация уплотнительной части 104 и первого выступа 101 расположена в осевой плоскости. Балансировочные грузики предпочтительно также расположены в осевой плоскости. Таким образом, балансировочные грузики можно вводить в турбинный диск 100 из осевого направления.
Уплотнительная секция 104 может быть расположена, в частности, на одной боковой поверхности турбинного диска 100, т.е. поверхности, направленной вверх по потоку или, возможно, направленной вниз по потоку. Кроме того, уплотнительная секция 104 может образовывать манжету с целью образования узкого прохода с противоположной невращающейся поверхностью. Этот узкий проход позволяет проходить небольшому количеству вторичного охлаждающего воздуха, который не вошел в канал 110 охлаждающего воздуха. Предпочтительно узкий проход образует уплотнение для полости 111.
Согласно изобретению уплотнительная секция 104 может образовывать обод для удерживания балансировочных грузиков.
Предпочтительно первый выступ 101 и второй выступ 102 образуют концентричные круговые выступы.
Следует отметить, что понятие «содержит» не исключает другие элементы, а определенный артикль не исключает множественности. Кроме того, элементы, описание которых дано применительно к различным вариантам выполнения, можно комбинировать друг с другом. Следует также отметить, что указание позиций в формуле изобретения не должно пониматься как ограничение объема изобретения.