СИСТЕМА ЛОПАТОК И СООТВЕТСТВУЮЩАЯ ГАЗОВАЯ ТУРБИНА
BLADES SYSTEM AND APPROPRIATE GAS TURBINE

Изобретение касается системы лопаток, включающей в себя ротор и несколько распределенных по периметру ротора в виде венца лопаток, при этом две непосредственно соседние лопатки венца образуют пару лопаток, между лопатками которой расположен демпфирующий элемент, и при этом за счет действующей в радиальном направлении центробежной силы при вращении ротора вокруг оси ротора каждый демпфирующий элемент вступает в контакт с двумя лопатками соответствующей ему пары лопаток.
Известно, что системы лопаток, которые применяются в лопаточных машинах, таких как, например, газовые турбины, снабжаются демпфирующими элементами. Эти элементы служат для того, чтобы демпфировать нежелательные изгибные и торсионные колебания, которые могут возникать во время эксплуатации в лопаточной машине вследствие различных возбуждений. Таким образом могут предотвращаться обусловленные высокими амплитудами колебаний повреждения HCF (сокращ. «High Cycle Fatigue» - многоцикловая усталость), которые могут приводить к преждевременной усталости материала и при этом к сокращению срока службы лопаток или, соответственно, системы лопаток. Демпфирующие элементы при этом располагаются между отдельными лопатками. В качестве демпфирующих элементов, как правило, применяются незакрепленные тела, которые в состоянии покоя сначала лежат между хвостовиками на роторе или на соответствующих несущих структурах, а при работе ротора вследствие действующей в радиальном направлении центробежной силы прижимаются к нижней стороне платформ соседних лопаток. Каждый демпфирующий элемент находится при этом одновременно в контакте с двумя соседними платформами лопаток. Благодаря этому кинетическая энергия вызываемого вибрациями относительного движения между лопатками может преобразовываться в тепловую энергию, вследствие трения между соответствующими платформами лопаток и прилегающим демпфирующим элементом. Это демпфирует колебания и приводит в целом к уменьшению негативного воздействия колебаний на систему лопаток.
У более старых турбомашин колебания пера лопатки чаще всего подавляются с помощью элементов жесткости, которые непосредственно соединяют друг с другом перья лопаток. Конструктивные решения для этого раскрыты в описаниях изобретения к патенту DE 819 242 C и US 1618285 A.
Из публикации EP 1 154 124 A2 известна система лопаток, у которой по меньшей мере два демпфирующих элемента расположены друг за другом между соседними лопатками в окружном направлении ротора для достижения эффективного демпфирования всей системы лопаток. Раскрытые в этой публикации демпфирующие элементы выполнены в отличающейся друг от друга форме, чтобы можно было демпфировать как можно большее количество различных типов колебаний. Посредством образующихся между демпфирующими элементами и лопатками, а также между отдельными демпфирующими элементами контактных областей для демпфирования колебаний за счет фрикционного действия энергия колебаний может преобразовываться в тепловую энергию. Однако образующиеся между отдельными демпфирующими элементами контактные области имеют форму лишь линейного контакта, с которой связано лишь умеренно выраженное демпфирующее действие.
Другие формы демпферов также известны, например, по FR 1263 677 A система из множества шаров между двумя соседними рабочими лопатками.
В основе изобретения лежит задача, указать систему лопаток, снабженную демпфирующими элементами, с помощью которой могут еще эффективнее демпфироваться нежелательные колебания и снижаться или даже предотвращаться склонность лопаток к колебанию вследствие возбуждения.
Эта задача решается с помощью системы лопаток в соответствии с признаками п.1 формулы изобретения.
В соответствии с изобретением у вышеназванной системы лопаток предусмотрено, что лопаточный венец имеет по меньшей мере две пары лопаток, снабженные различными демпфирующими элементами.
В основе изобретения лежит утверждение о том, что при соединении лопаток с помощью демпфирующих элементов повышаются также собственные частоты по сравнению с отдельно стоящими лопатками. При применении идентичных демпфирующих элементов все лопатки одного лопаточного венца, таким образом, приводятся в диссонанс в идентичной степени. В результате в сущности идентичные лопатки в сущности с идентичными собственными частотами различных форм колебаний при различном соединении с помощью различных демпфирующих элементов ведут себя в лопаточном венце так, как если бы данные лопатки, однако, несоединенные, обладали различными собственными частотами этих типов колебаний. Благодаря применению различных демпфирующих элементов в одном лопаточном венце величина собственных частот соседних лопаток может устанавливаться так, чтобы непосредственно соседние лопатки существенно отличались в отношении их собственных частот. Благодаря этому можно получить лопаточный венец, лопатки которого, несмотря на идентичный вариант осуществления (за исключением допусков на изготовление) и вместе с тем идентичную собственную частоту (за исключением обусловленных изготовлением допусков и рассматриваемая каждая в отдельности) в венце ведут себя в отношении колебаний так, как если бы они имели различные собственные частоты. Другими словами, благодаря применению различных демпфирующих элементов собственные частоты расположенных в виде венца лопаток могут изменяться. Даже при несинхронном возбуждении они испытывают меньшее возбуждение и реагируют, таким образом, с меньшим откликом колебания, благодаря чему склонность к вибрации значительно уменьшается.
При эксплуатации демпфирующие элементы прижимаются центробежной силой к нижней стороне соседних платформ лопаток. Вследствие относительных движений соседних лопаток возникает трение между демпфером и платформой лопатки, что вызывает соединение. Это утверждение основано на том факте, что соединение, наряду с диссипацией, также вызывает сдвиг собственных частот соседних лопаток. Этот эффект может использоваться, чтобы предпочтительно приводить в диссонанс лопатки чередующимся образом. Соседние лопатки, несмотря на идентичные варианты осуществления, из-за одних только различных демпфирующих элементов реагируют, как лопатки с различными собственными частотами. Таким образом приведенные в диссонанс лопатки особенно мало склонны к вибрации, в частности, если они приведены в диссонанс чередующимся образом. Кроме того, достигаемая с помощью демпфирующих элементов величина сдвига частот значительно больше, чем при прежних мерах. Таким образом, предлагаемый изобретением лопаточный венец значительно меньше склонен к вибрации, чем лопаточные венцы, снабженные лопатками, у которых лопатки имеют в сущности различные собственные частоты. Поэтому предлагаемый изобретением лопаточный венец вследствие применения различных демпфирующих элементов между парой лопаток существенно более устойчив к самовозбуждающимся колебаниям и так называемой вибрации, чем традиционные лопаточные венцы.
В результате различные демпфирующие элементы могут заменять распространенные и обычные в иных случаях меры для изменения собственных частот, что также известно как «Mistuning» (нарушение настройки). Этими мерами были, например, укорочение задней кромки у вершины лопатки, шлифование профиля лопатки или сверление отверстий в пере лопатки со стороны вершины лопатки. Изобретение обладает тем особым преимуществом, что благодаря приведению в диссонанс лопаток, снабженных двумя предусмотренными для каждой лопатки демпфирующими элементами, профиль соответствующей лопатки может оставаться неизменным, и этому не сопутствуют никакие потери производительности, ни в ступени, ни в лопаточной машине, как при укорочении задних кромок. Таким образом, можно обойтись без прежних мер изменения собственных частот лопаток. Таким образом, получается экономия времени и затрат, так как можно полностью обойтись без итеративного процесса повторяющейся обработки лопаток с повторяющимися измерениями колебаний.
При этом каждая лопатка лопаточного венца принадлежит двум парам лопаток, при этом предусмотрено две или больше групп пар лопаток, внутри которых демпфирующие элементы в каждом случае идентичны, и демпфирующие элементы которых отличаются от одной группы к другой.
При этом предусмотрена первая группа и вторая группа пар лопаток, при этом каждая пара лопаток первой группы находится рядом с одной парой лопаток первой группы и одной парой лопаток второй группы (очередность AABBAABB). Благодаря этому достигается более высокий диссонанс частот, чем при очередности ABAB, так как получающиеся для опытного образца значения жесткости соединения лопатки с соседней лопаткой значительно отличаются.
Такой же эффективный диссонанс частот может достигаться, когда предусмотрены первая группа, вторая группа и третья группа пар лопаток, при этом каждая пара лопаток находится рядом с одной из трех групп двух пар лопаток, которые в каждом случае принадлежат одной из двух других групп (очередность ABCABC).
Предпочтительные варианты осуществления изобретения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
Предпочтительно различные демпфирующие элементы отличаются в отношении размера, массы, контура поперечного сечения, материала и/или контакта соединения с лопатками. Такого рода демпфирующие элементы могут изготавливаться с низкими затратами труда, без подгонки литья и контура лопаток для различных групп. Например, демпфирующие элементы отличаются по своей геометрической форме. Так, с помощью демпфирующих элементов, выполненных в надлежащей форме, могут также эффективно демпфироваться типы колебаний, которые не могут эффективно демпфироваться при неизменной конфигурации всех демпфирующих элементов. Альтернативно или дополнительно демпфирующие элементы могут также отличаться по своим массам, чтобы путем комбинирования с надлежащими геометрическими формами эффективно демпфировать как можно большее количество различных типов колебаний. Кроме того, путем применения демпфирующих элементов из различных материалов можно воздействовать на условия трения (коэффициент трения, шероховатость) в контактных областях, чтобы также обеспечивать возможность целенаправленного демпфирования нескольких типов, также в диапазонах повышенных частот.
Чтобы можно было надлежащим образом расположить демпфирующие элементы между соседними лопатками, эти элементы предпочтительно выполнены в виде стержней.
В одном из конкретных усовершенствований предлагаемой изобретением системы лопаток демпфирующий элемент пары лопаток выполнен составным. Он включает в себя, если смотреть в окружном направлении ротора, два (или больше) расположенных друг за другом отдельных элементов, которые предпочтительно выполнены в виде стержней. Например, один из отдельных элементов имеет поперечное сечение в форме клина, а другой отдельный элемент - поперечное сечение в форме четверти круга. В частности, посредством согласованных друг с другом форм поперечного сечения демпфирующих элементов или, соответственно, их частей могут особенно эффективно достигаться преимущества в соответствии с изобретением.
В другом конкретном усовершенствовании демпфирующие элементы изготовлены из стали или керамики, то есть материалов, с помощью которых может осуществляться эффективное демпфирование.
Ниже один из примеров осуществления предлагаемой изобретением системы лопаток поясняется подробнее с помощью прилагаемого чертежа, на котором показано:
фиг.1 - осевой вид фрагмента развертки лопаточного венца осевой турбомашины, снабженного расположенными между лопатками демпфирующими элементами по первому варианту осуществления;
фиг.2, 4, 5, 6, 7 - фрагмент в соответствии с фиг.1, однако с различными демпфирующими элементами по другим вариантам осуществления и
фиг.3 - механический опытный образец соединения лопаток лопаточного венца с помощью демпфирующих элементов.
На фиг.1 изображена часть лопаточного венца 10 распределенных на роторе 12 по периметру U лопаток 14 в остальном неизображенной осевой турбомашины. Осевая турбомашина может быть, например, выполнена в виде компрессора, паровой турбины или стационарной газовой турбины, которая включает в себя систему 11 лопаток с венцом 10 лопаток 14. Эти лопатки имеют каждая хвостовик 16 для крепления каждой лопатки 14 к ротору 12. Хвостовик 16 известным образом выполнен в форме ласточкина хвоста или же как хвостовик елочного типа. Для крепления с геометрическим замыканием к ротору 12 он вдвинут в соответствующие хвостовику 16 фиксирующие пазы ротора 12, так что при вращении ротора 12 лопатки 14 надежно зафиксированы. Фиксирующие пазы и вместе с тем также хвостовики 16 распространяются в основном в осевом направлении и наклонены относительно оси машины под некоторым углом установки.
В наружном направлении хвостовик переходит в необозначенную далее шейку лопатки, к которой примыкает платформа 18. Поверхность 20 платформы ограничивает проточный канал осевой турбомашины. На поверхности 20 платформы расположено отдельно стоящее аэродинамически изогнутое перо 22 лопатки.
По первому варианту осуществления на обращенной к хвостовику 16 нижней стороне платформы 18 между платформами 18 непосредственно соседних лопаток 14 предусмотрены демпфирующие элементы либо типа A, либо типа B. Оба типа A, B демпфирующих элементов выполнены в виде стержней, например в виде демпфирующих проволок. По изображенному на фиг.1 варианту осуществления демпфирующие элементы A, B имеют каждый круглое поперечное сечение. Демпфирующие элементы типа A имеют, однако, больший диаметр, чем демпфирующие элементы типа B. Итак, оба демпфирующих элемента A, B являются цилиндрическими.
Во время вращения ротора 12 незакрепленно лежащие между платформами 18 демпфирующие элементы A, B стремятся в радиальном направлении R наружу и прижимаются центробежной силой к скошенным нижним сторонам соседних платформ 18. Каждый демпфирующий элемент A прилегает к двум непосредственно соседним, образующим пару a лопаток, лопаткам 14. Также каждый демпфирующий элемент B прилегает к двум непосредственно соседним, образующим пару b лопаток, лопаткам 14. Вследствие круглого поперечного сечения демпфирующих элементов A, B они прилегают каждый с образованием линейного контакта к каждой лопатке 14. Так как каждая лопатка 14 с обеих сторон шейки лопатки имеет демпфирующий элемент A, B, каждая лопатка 14 принадлежит двум парам a, b лопаток. В соответствии с показанной на фиг.1 системой 11 лопаток, таким образом, предусмотрена первая группа 24 пар a лопаток и вторая группа 26 пар b лопаток, причем каждая пара a (или, соответственно, b) одной группы 24 (или, соответственно, 26), если смотреть в окружном направлении, находится рядом с парой b (или, соответственно, a) лопаток другой группы 26 (или, соответственно, 24). Вследствие этой конфигурации демпфирующие элементы A, B в окружном направлении U, чередуясь, друг за другом расположены в ряд между двумя соседними лопатками 14. Эта конфигурация называется также системой по схеме ABAB.
На фиг.2, а также на других фигурах идентичные признаки снабжены одинаковыми ссылочными обозначениями.
Конфигурация в соответствии с фиг.2 отличается от конфигурации на фиг.1 только формой и конструкцией каждого второго демпфирующего элемента. Вместо имеющих меньший диаметр демпфирующих элементов B на фиг.2 теперь предусмотрены демпфирующие элементы B', которые имеют в принципе тот же диаметр, что и демпфирующие элементы типа A, однако форма поперечного сечения демпфирующих элементов B' не круглая, а представляет собой форму сегмента круга. Форма сегмента круга при этом выбрана так, что центральная точка полного круга еще принадлежит поверхности поперечного сечения сегмента круга. Благодаря форме сегмента круга демпфирующий элемент B' плоскостно прилегает линейно к одной (на фиг.2 соответственно изображенной справа) лопатке 14 пары b лопаток и линейно к другой (на фиг.2 соответственно изображенной слева) лопатке 14 пары b' лопаток. В соответствии с показанной на фиг.2 системой 11 лопаток, таким образом, предусмотрена первая группа 24 пар a лопаток и вторая группа 26 пар b' лопаток, причем каждая пара a (или, соответственно, b) одной группы 24 (или, соответственно, 26), если смотреть в окружном направлении, находится рядом с парой b (или, соответственно, a) лопаток другой группы 26 (или, соответственно, 24). Здесь также речь идет, в принципе, об очередности по схеме ABAB, при которой указанная последовательность демпфирующих элементов A, B' или, соответственно, пар a, b' лопаток по периметру U лопаточного венца 10 повторяется в упорядоченной последовательности.
На фиг.3 показан фрагмент развертки лопаточного венца 10 рабочими лопатками 14 в соответствии с фиг.2, при этом вместо демпфирующих элементов A или, соответственно, B' изображены предназначенные для применения в опытном образце демпфирующих элементов A, B' пружины 28, 30. Так как демпфирующий элемент A представляет собой симметричный или, соответственно, цилиндрический демпфер, в опытном образце изображается возвратно-поступательная пружина 28 для соединения двух лопаток 14 пары a лопаток. Асимметричный демпфирующий элемент B' вследствие плоскостного прилегания хордового участка к скошенной нижней стороне платформы 18 дополнительно к возвратно-поступательному движению создает момент, так что дополнительно к возвратно-поступательной пружине 28 на схеме образца изображена торсионная пружина 3 между лопатками 14 пары b' лопаток. Возвратно-поступательные пружины 28 обладают жесткостью C1, C3 соединения, а торсионные пружины жесткостью C~2 соединения. Общая жесткость соединения одной отдельной лопатки 14 получается при параллельном включении жесткости C3 соединения, с одной стороны, и жесткостей C~2 и C1 соединения. Пружины могут при этом также обладать нелинейными свойствами.
Так как перья 22 лопаток установлены в определенном положении относительно осевого направления X и при этом две стороны платформы 18 одной лопатки 14 сбоку от пера 22 выполнены асимметрично, очередность по схеме ABAB демпфирующих элементов A, B или, соответственно, A, B' способствует чередующемуся диссонансу частот лопаток 14, благодаря чему собственные частоты непосредственно соседних лопаток 14 сдвинуты за счет одного только применения различных демпфирующих элементов A, B, B'. Сдвиг частот препятствует при эксплуатации распространению окружных волн колебаний в укомплектованном лопатками венце, что затрудняет возбуждение перьев 22 лопаток к вибрации. Это увеличивает рабочий диапазон осевой турбомашины и обеспечивает надежную эксплуатацию.
Другие варианты осуществления диссонанса собственных частот типов колебаний лопаток 14 показаны на фиг.4, фиг.5, фиг.6 и фиг.7. На них приведены в качестве примера другие очередности с различными схемами.
На фиг.4 показана новая очередность, включающая в себя три группы 24, 26, 27 пар a, b, d лопаток, причем каждая пара a, или, соответственно, b, или, соответственно, d лопаток находится рядом с одной группой 24, или, соответственно, 26, или, соответственно, 27, двух пар b, d, или, соответственно, a, d, или, соответственно, a, b лопаток, которые в каждом случае принадлежат одной из двух других групп 26, 27, или, соответственно, 24, 27, или, соответственно, 24, 26. Между двумя лопатками 14 каждой пары a лопаток предусмотрен демпфирующий элемент типа A. Этот элемент является круглым в поперечном сечении и имеет несколько больший диаметр. Для каждой пары b лопаток предусмотрен демпфирующий элемент типа B, который также является круглым в поперечном сечении. Однако по сравнению с демпфирующим элементом типа A диаметр демпфирующего элемента типа B меньше. Для каждой пары d лопаток предусмотрен демпфирующий элемент типа D. В изображенном примере осуществления его конфигурация соответствует конфигурации демпфирующего элемента типа B' с фиг.2. Эта конфигурация имеет, соответственно, очередность ABCABC.
На фиг.5 показана другая система 11 лопаток, у которой предусмотрены первая группа 24 и вторая группа 26 пар a, b'', причем каждая пара a лопаток первой группы 24 расположена рядом с парой a лопаток первой группы 24 и парой b'' лопаток второй группы 26. Между двумя лопатками 14 каждой пары a лопаток предусмотрен демпфирующий элемент типа A. Этот демпфирующий элемент в поперечном сечении является круглым и имеет несколько больший диаметр. Для каждой пары b'' лопаток предусмотрен демпфирующий элемент типа B'', поперечное сечение которого имеет форму сегмента круга. Эта конфигурация может быть описана как очередность AABBAABB.
Одна из альтернативных конфигураций с очередностью ABBABB схематично изображена на фиг.6. Здесь также различные типы A, A, B'' демпфирующих элементов распределены по периметру между лопатками 14 лопаточного венца 10 в повторяющейся последовательности.
Наконец, на фиг.7 показана другая очередность ABAB измененных демпфирующих элементов E, H в венце рабочих лопаток. Первая группа 24 пар e рабочих лопаток 14 имеет между каждыми соответствующими лопатками 14 по одному демпфирующему элементу типа E. Демпфирующий элемент E также выполнен в принципе в форме стержня. В противоположность показанным ранее конфигурациям демпфирующих элементов A, B, B', B'', D этот демпфирующий элемент, однако, выполнен треугольным в поперечном сечении, так что он плоскостно прилегает к каждой лопатке 14 соответствующей ему пары e лопаток. Отличающийся от демпфирующего элемента E демпфирующий элемент H выполнен составным и включает в себя в каждом случае две части H1, H2. Часть H1 в поперечном сечении является треугольной, а часть H2 имеет в поперечном сечении контур сектора круга в форме четверти круга. Благодаря этому получаются два плоскостных контакта и один линейный контакт на каждый демпфирующий элемент H.
Показанные на фиг.4, 5, 6 и 7 системы 11 лопаток имеют более высокие жесткости соединения, чем конфигурации в соответствии с фиг.1 или, соответственно, фиг.2, благодаря чему непосредственно соседние друг с другом лопатки 14 еще отчетливее приводятся в диссонанс по своим частотным свойствам. Поэтому эти системы 11 лопаток особенно подходят для того случая, когда с помощью различных демпфирующих элементов должны приводиться в диссонанс частоты лопаток 14 лопаточного венца 10, чтобы препятствовать возбуждению вибрации лопаток 14.
В зависимости от количества лопаток 14 в лопаточном венце, одна из вышеназванных систем 11 лопаток может применяться особенно выгодным образом. Разумеется, если количество лопаток в венце неделимо на два или три, можно применять также большее количество типов демпфирующих элементов на каждый лопаточный венец 10.
В случае если лопаточный венец 10 имеет количество лопаток 14, которое не является целым кратным количества типов демпфирующих элементов этой очередности, для всех конфигураций, разумеется, существует возможность, чтобы только наибольшая часть следующих друг за другом пар (a, b, b', b'', d, e, h) участвовали в этой очередности и образовывали ее. Прочие пары лопаток тогда снабжаются надлежащими демпфирующими элементами, которые могут не подчиняться этой очередности. В этом случае существует также возможность, чтобы лопаточный венец 10 фактически имел две расположенные рядом лопатки 14 с идентичными или близкими частотными свойствами.
Наряду с этим возможны и могут комбинироваться друг с другом самые различные типы демпфирующих элементов, так что представленные здесь примеры осуществления никоим образом не должны пониматься как ограничивающие. Даже чередующаяся в окружном направлении система демпфирующих элементов типа B' и типа B'', вследствие уже упомянутой выше, варьирующейся от одной лопатки к другой жесткости соединения, приводит к чередующемуся диссонансу частот.
Например, можно было бы в качестве отличительного признака между демпфирующими элементами различных типов предусмотреть пазы (желобчатые демпфирующие элементы) по контуру поперечного сечения. Кроме того, возможны также другие очередности типов демпфирующих элементов, например, очередность ABCBABCBA.
В целом изобретение касается, таким образом, системы 11 лопаток, включающей в себя ротор 12 и несколько распределенных по периметру U ротора 12 в виде венца 10 лопаток 14, при этом две непосредственно соседние лопатки 14 венца 10 образуют пару a, b, b', b'', d, e, h лопаток, между лопатками 14 которой расположен демпфирующий элемент A, B, B', B'', D, E, H, и при этом за счет действующей в радиальном направлении R центробежной силы при вращении ротора 12 вокруг оси ротора каждый демпфирующий элемент A, B, B', B'', D, E, H вступает в контакт с двумя лопатками 14 соответствующей ему пары a, b, b', b'', d, e, h лопаток. Для приведения в диссонанс частот колебательных свойств лопаток 14, благодаря чему отпадает необходимость в механической обработке пера 22 лопатки, предлагается, чтобы лопаточный венец 10 имел по меньшей мере две пары a, b, b', b'', d, e, h лопаток, снабженные различными демпфирующими элементами A, B, B', B'', D, E, H.