РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ТУРБОМАШИНЫ С ДЕМПФЕРОМ ДЛЯ ЛОПАТОК
TURBINE MACHINE IMPELLER WITH BLADES DAMPER

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к устройствам для гашения вибраций рабочих лопаток турбомашин, и предназначено для обеспечения надежности турбомашин.
Из предшествующего уровня техники известно, что для обеспечения усталостной прочности, надежности лопаток турбомашин необходимо снижать амплитуду их вибраций во всем диапазоне эксплуатационных режимов работы. Для демпфирования (гашения) вибраций лопаток в рабочих колесах турбомашин используют специальные устройства - демпферы.
Известно рабочее колесо турбомашины с демпферами, представляющее собой диск с установленными в его пазах рабочими лопатками так, что каждая пара расположенных рядом лопаток образует под трактовыми полками лопаток замкнутую полость, в которую помещен демпфер, выполненный в виде клиновидного элемента, плотно прижимаемого к внутренней поверхности полок центробежными силами, возникающими вследствие вращения колеса. При вибрациях лопаток происходит диссипация энергии за счет трения между контактирующими поверхностями демпфера и полок (патент ЕР 0509838 А1).
Недостатком известного устройства является узкий диапазон частот вращения ротора турбомашины, в котором обеспечивается эффективное демпфирование вибраций лопаток. При низкой частоте вращения рабочего колеса центробежная сила, действующая на демпфер, мала, вследствие чего мала сила трения между контактирующими поверхностями демпфера и полок и мала диссипация энергии колебаний. При высокой частоте вращения рабочего колеса центробежная сила, действующая на демпфер, велика, что может привести к его заклиниванию - частичному или полному отсутствию взаимных перемещений между контактирующими поверхностями демпфера и полок - вследствие чего снижается диссипация энергии колебаний. Другим недостатком известного устройства является возможность перекоса и неплотного прижатия демпфера к одной из полок лопаток вследствие неточностей изготовления или деформации лопаток, при этом эффективность демпфирования снижается.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является рабочее колесо турбомашины, содержащее диск с установленными в его пазах рабочими лопатками, каждая из лопаток имеет ножку и трактовые полки, клиновидный демпфер, установленный в полости под полками расположенных рядом лопаток и выполненный в виде двух соприкасающихся друг с другом клиновидных частей, каждая из которых одной из контактных поверхностей прижимается к внутренней поверхности полки одной из лопаток, а другой контактной поверхностью - к второй части демпфера. Благодаря этому увеличивается поверхность трения за счет поверхности контакта между двумя частями демпфера. Кроме того, обеспечивается прилегание демпфера к контактным поверхностям полок даже при наличии перекосов (ЕР 0918139 А2). Данное устройство принято за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - диск с установленными в его пазах рабочими лопатками; каждая из лопаток имеет ножку и трактовые полки; демпфер, установленный под полками каждой пары лопаток с возможностью контакта с ними и выполненный из двух соприкасающихся друг с другом частей.
Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является узкий, ограниченный эффектом заклинивания демпфера при высокой частоте вращения колеса, диапазон частот вращения ротора турбомашины, в котором обеспечивается эффективное демпфирование вибраций лопаток.
Задачей изобретения является снижение уровня вибраций лопаток, обеспечение их усталостной прочности и, в конечном счете, надежности турбомашины.
Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в расширении диапазона режимов работы турбомашины, на которых сохраняется высокая эффективность демпфирования вибраций лопаток рабочего колеса.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном рабочем колесе турбомашины, содержащем диск с установленными в его пазах рабочими лопатками, каждая из которых имеет ножку и трактовые полки, демпфер, установленный под трактовыми полками каждой пары лопаток с возможностью контакта с полками и выполненный из двух соприкасающихся друг с другом частей, согласно изобретению в ножке каждой из лопаток выполнен паз, а каждая из частей демпфера выполнена в форме вертикально развернутой скобы сложного профиля, при этом один из свободных концов скобы является фрикционным элементом, установленным с радиальным зазором к внутренней поверхности полки, центральная часть скобы выполнена в виде упругого элемента, имеющего прямые и изогнутую поверхности, причем изогнута его средняя часть по радиусу, обеспечивающему частичную компенсацию действующей на демпфер центробежной нагрузки, а второй свободный конец является стопорным элементом, установленным с возможностью контакта с поверхностью паза, выполненного в ножке лопатки, при этом части демпфера установлены с возможностью контакта друг с другом через прямые поверхности упругого элемента.
Целесообразно выполнение стопорного элемента с разрезом, между краями которого имеется зазор.
Признаки заявляемого изобретения, отличительные от прототипа, - в ножке каждой из лопаток выполнен паз; каждая из частей демпфера выполнена в форме вертикально развернутой скобы сложного профиля, при этом один из свободных концов скобы является фрикционным элементом, установленным с радиальным зазором к внутренней поверхности полки, центральная часть скобы выполнена в виде упругого элемента, имеющего прямые и изогнутую поверхности, причем изогнута его средняя часть по радиусу, обеспечивающему частичную компенсацию действующей на демпфер центробежной нагрузки, а второй свободный конец является стопорным элементом, установленным с возможностью контакта с поверхностью паза, выполненного в ножке лопатки; части демпфера установлены с возможностью контакта друг с другом через прямые поверхности упругого элемента; стопорный элемент выполнен с разрезом, между краями которого имеется зазор.
Благодаря новым признакам предлагаемое устройство расширяет диапазон режимов работы турбомашины, на которых сохраняется высокая эффективность демпфирования вибраций лопаток рабочего колеса, за счет частичной компенсации действующей на демпфер центробежной нагрузки, что позволяет снизить уровень вибраций лопаток, обеспечить их усталостную прочность и, в конечном счете, надежность турбомашины.
Выполнение стопорного элемента с разрезом, между краями которого имеется зазор, выбирающийся под действием центробежной силы, обеспечивает ступенчатое изменение жесткости демпфирующего устройства, благодаря чему дополнительно расширяется диапазон частот вращения колеса, при которых реализуется высокая эффективность демпфирования колебаний лопаток.
Заявителю неизвестно использование в науке и технике отличительных признаков рабочего колеса турбомашины с получением указанного технического результата.
Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-3.
На фиг. 1 изображено расположение демпфера в рабочем колесе.
На фиг. 2 показана в разрезе полость под трактовыми полками между двумя лопатками с демпфером.
На фиг. 3 показан демпфер с разрезным стопорным элементом.
Рабочее колесо турбомашины (фиг. 1) представляет собой диск 1 с установленными в его пазах рабочими лопатками 2. Каждая из лопаток 2 имеет ножку 3 и трактовые полки 4. В ножке 3 каждой из лопаток 2 выполнен паз 5. Каждая пара расположенных рядом лопаток 2 образует под трактовыми полками 4 полость, в которую помещен демпфер. Демпфер состоит из двух соприкасающихся друг с другом частей 6 и 7.
Каждая из частей 6, 7 демпфера выполнена в форме вертикально развернутой скобы сложного профиля, состоящей из трех функциональных элементов (фиг. 2): фрикционного, упругого и стопорного.
Один из свободных концов каждой скобы является фрикционным элементом 8, установленным с радиальным зазором Δ к внутренней поверхности 9 полки 4. Центральная часть скобы выполнена в виде упругого элемента 10, имеющего прямые 11 и изогнутую поверхности, причем изогнута его средняя часть по радиусу, обеспечивающему требуемую частичную компенсацию действующей на демпфер центробежной нагрузки. Второй свободный конец является стопорным элементом 12, установленным с возможностью контакта с поверхностью паза 5 в ножке 3 лопатки 2. Демпфер 6, 7 (фиг. 2) установлен в полость под трактовыми полками 4 так, чтобы при плотном прилегании стопорящего элемента 12 к поверхности 13 лопатки 2 между фрикционным элементом 8 и поверхностью 9 полки 4 оставался зазор Δ, а прямые поверхности 11 упругого элемента 10 двух частей 6 и 7 демпфера сохраняли контакт.
Стопорный элемент 12 может быть выполнен с разрезом 14 (фиг. 3), между краями которого имеется зазор δ. При выполнении стопорного элемента 12 с разрезом 14 прилегание стопорящего элемента 12 к поверхности 13 производится по опорной пластине 15.
Устройство (фиг. 2) работает следующим образом. При вращении рабочего колеса стопорные элементы 12 демпфера прижимаются к поверхностям 13 паза 5 центробежными силами, тем самым демпфер фиксируется в рабочем положении. С увеличением частоты вращения колеса и возрастанием центробежной силы, действующей на части 6 и 7 демпфера, изогнутые поверхности упругих элементов 10 начинают деформироваться в радиальном направлении вплоть до исчезновения зазора Δ, когда фрикционные элементы 8 устройства входят в контакт с поверхностями 9 полок 4. Прямые поверхности 11 упругого элемента 10 двух частей демпфера 6 и 7 прижимаются друг к другу под действием тангенциальной составляющей реакции на поверхности 13. При колебаниях лопатки 2 на поверхностях 9 и 11 возникает трение, приводящее к диссипации энергии колебаний и снижению их амплитуды - демпфированию.
С увеличением частоты вращения колеса и возрастанием центробежной силы, действующей на части 6 и 7 демпфера, контактное давление на поверхностях 9 возрастает, что могло бы привести к эффекту заклинивания. Он состоит в прекращении взаимных перемещений трактовых полок 4 и фрикционных элементов 8 демпфера, результатом чего является снижение эффективности демпфирования колебаний лопаток 2 из-за уменьшения работы сил трения на поверхностях 9. В заявляемом устройстве эффект заклинивания исключен за счет частичной компенсации центробежных сил, действующих на части 6 и 7 демпфера, силой упругости элементов 10 и реакцией на поверхностях 13. Поэтому контактное давление на поверхностях 9 снижается, что и предотвращает заклинивание. Таким образом, подбирая жесткость упругого элемента 10, можно добиться максимальной эффективности демпфирования во всем диапазоне частот вращения.
На фиг. 3 показан вариант демпфирующего устройства с разрезным стопорным элементом. Стопорный элемент 12 выполнен с разрезом 14, между краями которого имеется зазор δ. При увеличении частоты вращения под действием центробежных сил сначала выбирается зазор Δ между фрикционным элементом 8 и поверхностью 9 полки 4, при дальнейшем увеличении частоты вращения за счет деформации опорной пластины 15 стопорного элемента 12 выбирается зазор δ. При этом увеличивается жесткость демпфера, что препятствует росту контактного давления на поверхностях 9 и предотвращает заклинивание демпфера. Разрезная конструкция стопорного элемента 12 обеспечивает ступенчатое изменение жесткости демпфера, благодаря чему дополнительно расширяется диапазон частот вращения колеса, при которых реализуется высокая эффективность демпфирования колебаний лопаток 2.
Преимущество предложенного устройства состоит в том, что оно расширяет диапазон режимов работы турбомашины, на которых сохраняется высокая эффективность демпфирования вибраций лопаток рабочего колеса, что позволяет снизить уровень вибраций лопаток, обеспечить их усталостную прочность и, в конечном счете, надежность турбомашины.