РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ОСЕВОЙ ТУРБОМАШИНЫ ГТД
GAS TURBINE ENGINE TURBOMACHINE WHEEL

Изобретение относится к области газотурбинных двигателей (ГТД), в частности, к конструкции малоразмерного осевого лопаточного колеса, и может применяться в области турбомашиностроения.
Известно рабочее колесо осевой турбины с бандажными полками по периферии лопаток, имеющими разъем, с охватывающими бандаж пластинами, перекрывающими зону разъема (см. авторское свидетельство СССР №787689, кл. МКИ F01D 5/22, 1980 г. [1]). Недостатками данной конструкции является значительная трудоемкость изготовления, связанная с изготовлением и установкой пластин, а также ненадежное удержание пластин на бандаже под воздействием вибрационных нагрузок при работе турбины.
Известно рабочее колесо осевой турбины, включающее диск и установленные на его ободе лопатки, каждая из которых имеет бандажную полку на периферии пера, в бандажной полке каждой лопатки выполнен паз, образующий кольцевую канавку, в которую установлен проволочный демпфер (см. А.В. Левин, К.Н. Боришанский, Е.Д. Консон «Прочность и вибрация лопаток и дисков паровых турбин», Ленинград, 1981 г., с.20 и 626 [2]). Проволочный демпфер устанавливается в связи с тем, что при малой закрученности лопаток необходимый контакт по бандажным полкам колеса не обеспечивается, так как в процессе эксплуатации возникает зазор между полками вследствие недостаточной раскрутки лопаток и последующего увеличения зазора от износа при вибрационном контакте. Поверхность контакта между проволочным демпфером и бандажной полкой в данной конструкции относительно невелика. Подобная конструкция применима для наборных колес турбины, где вибрационная надежность лопаток обеспечивается как демпфированием в бандаже, так и за счет рассеяния энергии колебаний в замковом соединении лопаток с диском.
В основу предлагаемого изобретения положена задача повышения вибрационной надежности рабочих колес осевых турбомашин, в которых диск выполнен заодно с лопатками и бандажом на периферийной части лопаток.
Предлагается конструкция рабочего колеса осевой турбомашины, содержащего диск, выполненный заодно с лопатками и бандажом на периферийной части лопаток. Бандаж имеет сквозные осевые или наклонные к оси колеса прорези через определенное количество лопаток, образующие секторы, объединяющие одну или несколько лопаток. Прорези бандажа предназначены для компенсации температурных расширений и предотвращения трещин. По краям бандажа, на внутренней его поверхности, выполнены кольцевые канавки, в которые устанавливается проволочный демпфер. На внутренней поверхности прорезей выполнены фаски, образующие осевые или наклонные к оси колеса канавки. Укладка проволочного демпфера выполнена зигзагообразно таким образом, что в пределах одного сектора бандажа проволочный демпфер установлен в кольцевую канавку с одной стороны бандажа, например со стороны выходных кромок лопаток, в зоне прорези бандажа проволочный демпфер проложен вдоль осевой или наклонной канавки, далее - установлен в кольцевую канавку смежного сектора бандажа со стороны входных кромок лопаток. Возникающие во время работы вибрации рабочих лопаток гасятся за счет сил трения, возникающих при вращении рабочего колеса между бандажом и проволочным демпфером, при этом дополнительное рассеяние энергии колебаний происходит по местам стыков смежных секторов бандажа.
Такое выполнение рабочего колеса турбомашины и расположение проволочного демпфера позволяет повысить надежность рабочего колеса, при достаточно простой его конструкции, за счет повышения эффективности демпфирования колебаний лопаток вследствие увеличения протяженности участков и поверхности контакта проволочного демпфера с бандажом. Кроме этого, данная конструкция способствует гашению не только изгибных, но и крутильных колебаний. При этом газодинамическая эффективность турбомашины не снижается, так как отсутствуют элементы, загромождающие проточную часть, а участки проволочного демпфера в осевых или наклонных канавках дополнительно выполняют функцию уплотнения прорезей бандажа.
На фиг.1 изображен продольный разрез рабочего колеса турбины, в котором диск выполнен заодно с лопатками и бандажом. На фиг.2 изображен разрез бандажа. На фиг.3 изображена развертка бандажа с проволочным демпфером. На фиг.4 изображен вид Б на прорезь бандажа с проволочным демпфером. На фиг.5 изображен вид Б на прорезь бандажа, при этом проволочный демпфер не показан.
Рабочее колесо содержит диск 1, выполненный заодно с рабочими лопатками 2 и кольцевым бандажом 3. В бандаже выполнены сквозные прорези 4, расположенные вдоль оси колеса или под наклоном к оси. Прорези 4 в бандаже 3 могут быть выполнены как через каждую лопатку, так и через определенное количество лопаток, образуя сектора 5. По краям бандажа 3, на внутренней его поверхности, выполнены кольцевые канавки 6, в которые установлен проволочный демпфер 7. На внутренней поверхности прорезей 4 бандажа 3 выполнены фаски 8, образующие осевые или наклонные к оси колеса канавки 9. Проволочный демпфер 7 установлен в канавки 6 и канавки 9 зигзагообразно таким образом, что в пределах одного сектора 5 бандажа 3 проволочный демпфер 7 установлен в канавку 6 с одной стороны бандажа, например со стороны выходных кромок лопаток, затем в зоне прорези 4 проволочный демпфер 7 проложен вдоль осевой или наклонной канавки 9, далее проволочный демпфер установлен в канавку 6 смежного сектора бандажа со стороны входных кромок лопаток. Края 10 буртов 11 бандажа 3 выполнены с утонением для того, чтобы завальцовкой края обеспечить удержание проволочного демпфера 7 в канавках 6. Проволочный демпфер может быть выполнен цельным, либо набранным из сегментов.
В процессе работы турбомашины демпфирование колебаний лопаток 2 достигается за счет сил трения, возникающих при вращении рабочего колеса, между бандажом 3 и проволочным демпфером 7, как в зоне канавок 6, так и по местам стыков смежных секторов бандажа - в канавках 9 под прорезями 4.
Такое конструктивное исполнение рабочего колеса обеспечивает демпфирование колебаний лопаток турбомашин, в частности в рабочих колесах, выполненных заодно с лопатками.
Представленный вариант колеса позволяет повысить надежность рабочего колеса, при достаточно простой его конструкции, за счет повышения эффективности демпфирования колебаний лопаток вследствие увеличения поверхности контакта проволочного демпфера 7 с бандажом 3. Кроме этого, данная конструкция способствует гашению не только изгибных, но и крутильных колебаний. Газодинамическая эффективность турбомашины при этом не снижается, так как проволочный демпфер 7 не загромождает проточную часть турбомашины, а участки проволочного демпфера 7 в зоне перехода между канавками 6 смежных секторов 5 дополнительно выполняют функцию уплотнения прорезей 4 бандажа от перетекания рабочего тела (газа).
Предлагаемая конструкция демпфирующего элемента применима как для цельнолитых колес турбомашин, так и для колес с неразъемным соединением отдельно изготовленных диска и лопаток, а также для наборных колес с замковым соединением лопаток с диском. В последних двух случаях укладка переходных участков проволочного демпфера между кольцевыми канавками бандажных полок смежных лопаток производится вдоль стыка торцов смежных полок, с внутренней стороны.