УСТРОЙСТВО ГАШЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ТУРБОМАШИНЫ

Предлагаемая полезная модель относится к области энергомашиностроения, конкретно, турбостроения, в частности, к устройству для гашения колебаний рабочих лопаток газовых турбин, а также газотурбинных двигателей.
Одним из важнейших факторов повышения надежности работы высокооборотных турбин является снижение уровня вибрации.
Известно устройство для гашения (демпфирования) колебаний рабочих лопаток турбомашины, выполненное в виде фигурных пластинчатых элементов, размещенных в замкнутой полости, образованной ножками хвостовиков двух рядом расположенных лопаток и опирающихся на полки хвостовиков лопаток. Устройство гашения колебаний известной конструкции зафиксировано от перемещений в осевом и радиальном направлениях (Патент ЕР №1600606, F 01 D 11/00).
К недостаткам устройства известной конструкции следует отнести его неплотное прилегание к сложному профилю поверхности полки хвостовика лопатки, вследствие чего существует возможность перетекания горячего газа к диску ротора турбины, а также снижается эффективность работы сил демпфирования по отношению к соседней лопатке. Известное устройство имеет достаточно сложную конструкцию, нагружает лопатки несимметрично, вследствие чего в лопатках возникают дополнительные напряжения изгиба, снижающие надежность их работы.
Известно устройство гашения колебаний (демпфер) рабочих лопаток газовой турбины, выполненное в виде отдельного элемента с треугольным поперечным сечением, который установлен в полости между полками хвостовиков соседних лопаток и опирается в них (Патент ЕР №0509838, F 01 D 5/12).
Недостатком известного устройства является то, что демпфер известной конструкции сложно зафиксировать от перемещений в осевом и радиальном направлениях и, следовательно, при вращении ротора турбины возможна его самоустановка в неопределенное положение. Это приводит к повышению уровня вибрации ротора газовой турбины и не позволяет выполнить монтаж и демонтаж отдельной лопатки в случае ее поломки в условиях станции, а требует разборки турбомашины и транспортировки ротора на завод-изготовитель.
Известно устройство для гашения колебаний рабочих лопаток, выполненное в виде цилиндрических сегментов с отогнутыми концами, при этом отогнутые концы вставляются в специальные гнезда, выполненные в одной из пары рядом расположенных лопаток. Цилиндрическая часть демпфера известной конструкции при работе турбины под действием центробежных сил упирается в стык между лопатками (Патент США №4936749, F 01 D 5/12).
Недостатком известного устройства является то, что оно несимметрично нагружает лопатки ротора, отчего в них появляются дополнительные напряжения изгиба, при этом посадочные гнезда, выполненные в лопатках, требуют сложной и точной механической обработки и являются дополнительными концентраторами напряжений. Отогнутые концы устройства гашения колебаний могут заклиниваться в посадочных гнездах в случае его перекоса, отчего работа сил демпфирования уменьшается, а трудозатраты при замене лопаток значительно возрастают.
Наиболее близким устройством к предлагаемому по совокупности существенных признаков и выбранном в качестве прототипа является устройство гашения колебаний, выполненное в виде цилиндрического стержня, расположенного в пространстве между удлиненными ножками хвостовиков лопатки. Устройство по прототипу надежно фиксируется от осевых и радиальных перемещений (Заявка на выдачу патента США №2005186074, F 01 D 5/26, опубликована 25.08.2005 г.).
Недостатком известного устройства по прототипу является то, что оно несимметрично нагружает лопатки в районе зубьев елочного замка хвостовика, вследствие чего в лопатках могут появиться дополнительные напряжения изгиба, приводящие к поломке лопатки. Это заметно снижает ресурс работы лопаток и надежность работы турбомашины в целом.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является увеличение межремонтного цикла работы лопаточного аппарата и, соответственно, повышение надежности работы турбомашины в целом.
Для достижения желаемого технического результата устройство гашения колебаний рабочих лопаток турбомашины расположено в полости, образованной между ножками хвостовиков и полками двух рядом расположенных рабочих лопаток, и включает ребра, выполненные заодно целое с ножками хвостовиков рабочих лопаток, как со стороны спинки рабочей лопатки, так и со стороны корыта рабочей лопатки. Ребра расположены на одном уровне напротив друг друга на соседних рабочих лопатках и снабжены выемками, которые при соединении с ребрами соседней лопатки образуют паз. Внутри паза размещен цилиндрический стержень, выполняющий роль демпфера. При этом выемки ребер со стороны спинки рабочей лопатки и выемки ребер со стороны корыта рабочей лопатки имеют разный профиль, обеспечивающий при образовании паза перемещение стержня внутри паза под углом к вертикальной оси лопатки. Таким образом, цилиндрический стержень (демпфер) получает возможность смещаться и самоустанавливаться в оптимальное положение под действием центробежных сил, возникающих при вращении ротора. Выполненный со скругленными торцами цилиндрический стержень надежно фиксируется от осевых перемещений в пазу, при этом исключается возможность его заклинивания при работе и ремонте лопаток. Глубина выемки в ребрах со стороны корыта рабочей лопатки имеет глубину не менее величины диаметра цилиндрического стержня, а выемка, выполненная в ребрах, расположенных
со стороны спинки рабочей лопатки имеет глубину, равную величине радиуса цилиндрического стержня с учетом обычного установочного зазора. Ребра могут быть изготовлены путем отливки заодно целое с ножками хвостовика лопаток, что заметно упрощает технологию изготовления и требует минимум последующей механической обработки. Конструкция и технология изготовления предлагаемого устройства гашения колебаний максимально упрощены.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет получить желаемый технический результат, а именно обеспечить увеличение межремонтного цикла работы лопаточного аппарата и тем самым, повысить надежность работы турбомашины.
Новым в заявляемой полезной модели является выполнение ребер заодно с ножками хвостовиков и полками рабочих лопаток на одном уровне напротив друг друга как со стороны корыта, так и со стороны спинки рабочих лопаток. Ребра снабжены выемками. Выемки, расположенные на ребрах со стороны корыта рабочей лопатки имеют глубину не менее величины диаметра демпфера, а выемки, расположенные на ребрах со стороны спинки рабочей лопатки, равны величине радиуса демпфера с учетом зазора. При соединении соседних лопаток ребра смыкаются и образуют паз, в котором расположен демпфер, при этом за счет профиля выемок ребер обеспечивается перемещение демпфера внутри паза под острым углом к вертикальной оси лопатки.
Анализ выявленного уровня техники позволил установить, что нет решений, характеризующихся признаками, тождественными или эквивалентными отличительным признакам заявленной полезной модели. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели критерию патентоспособности "новизна".
Устройство гашения колебаний рабочих лопаток иллюстрируется на фигурах 1-2. В частности, на фигуре 1 представлен продольный разрез А-А рабочего колеса газовой турбины, а на фигуре 2 представлен вид
горизонтального сечения хвостовика лопатки по плоскости В-В.
Рабочие лопатки 1 установлены в пазы елочного замка диска 2 колеса газовой турбины. В замкнутой полости, образованной в хвостовике рабочей лопатки 1 между ножками 3 и полками 4 двух рядом расположенных на диске 2 лопаток 1, находится паз 7. Паз 7 образуется парами ребер 11, которые выполнены со стороны корыта лопатки 1 и парами ребер 12, которые выполнены со стороны спинки соседней рабочей лопатки 1 (фиг.2). Цилиндрический стержень (демпфер) 6, имеющий скругленные торцы, установлен в пазу 7. Демпфер 6 за счет формы выемок на парах ребер 11 и 12 может смещаться под углом δ к вертикальной оси лопатки 1 из положения Б в положение Д (фиг.1). Угол δ имеет величину, находящуюся в диапазоне 30°-50°. Глубина выемки, выполненной на паре ребер 11, составляет не менее величины диаметра цилиндрического стержня, но не превышает 120% его величины. Глубина выемки, выполненной на паре ребер 12, равна величине радиуса цилиндрического стержня с учетом величины обычно используемого установочного технологического зазора. Как видно из фигуры 2, после сборки диска 2 рабочего колеса турбомашины паз 7 оказывается полностью замкнутым со всех сторон парами ребер 11, 12 и корпусом ножки хвостовика 5, что надежно фиксирует цилиндрический стержень 6 от осевых перемещений.
Устройство гашения колебаний рабочих лопаток турбомашины работает следующим образом:
При сборке цилиндрический стержень 6 устанавливается в положение Б (фиг.1). При вращении ротора турбомашины цилиндрический стержень 6 под воздействием центробежной силы, достигающей значительной величины, самоустанавливается в пазу 7 в оптимальное положение: в место стыка полок 4 двух соседних рабочих лопаток 1 в положение Д (поз.9, фиг.1). От осевых перемещений цилиндрический стержень 6 надежно удерживается парами ребер 11, 12, которые отлиты заодно целое с ножками лопаток 1 и корпусом ножки хвостовика 5 (фиг.2).
Ребра 11 и 12 изготавливаются путем отливки заодно целое с ножками
хвостовика лопаток, что требует минимум технологических операций и механической доводки поверхностей. В случае необходимости демонтажа рабочей лопатки для ремонта, рабочее колесо турбомашины с помощью устройства валоповорота проворачивается в такое положение, чтобы демонтируемая лопатка 1 оказалась в верхнем положении на диске 2 ротора. Цилиндрический стержень 6 опускается вдоль пазов 7 и 9 в положение Б. Далее рабочая лопатка 1 легко демонтируется из паза елочного замка диска 2 ротора турбомашины.
Таким образом, заметно увеличивается межремонтный цикл работы лопатки и повышение надежности работы турбомашины в целом.
Вышеизложенные сведения позволяют сделать вывод о том, что предложенное устройство технически реализуется.
Следовательно, предлагаемое решение соответствует критерию патентоспособности полезной модели "промышленная применимость".