РАБОЧЕЕ КОЛЕСО РАДИАЛЬНО-ОСЕВОЙ СТУПЕНИ ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2000 года по МПК F01D5/04 

Изобретение относится к области турбостроения, а его объектом является рабочее колесо радиально-осевой ступени турбомашины, преимущественно энергетической стационарной паровой турбины.

Изготовление рабочего колеса радиально-осевой ступени турбомашины, особенно турбины, в виде цельного монолитного элемента с закрытыми межлопаточными каналами является сложной технологической проблемой, связанной как с получением равнопрочной отливки, так и с полировкой стенок межлопаточных каналов. Поэтому рабочие колеса турбомашин изготавливают открытыми или сборными закрытыми. Для турбин из-за больших потерь энергии открытые рабочие колеса неприемлемы.

Наиболее распространенными являются рабочие колеса с цельнофрезерованной лопаточной решеткой на несущем диске и с насадным покрывающим диском [1]. Однако применение насадных дисков создает ограничение по скорости вращения и определенные технологические трудности при изготовлении насадных дисков. Известны составные рабочие колеса, выполненные из двух частей, одна из которых - с радиальной решеткой, имеющей плоские лопатки, а другая - с осевой решеткой с закрученными лопатками. При этом одна из конструкций такого рабочего колеса содержит бандаж вокруг части рабочего колеса с осевой решеткой [2]. Такое решение позволяет преодолеть технологическую проблему, связанную со сложностью формы лопаток рабочего колеса радиально-осевой турбины. Однако в местах стыковок радиальных и осевых лопаток искажается структура потока в межлопаточных каналах, что приводит к потерям энергии. Кроме того, в части рабочего колеса с радиальной решеткой в указанной конструкции отсутствует бандаж или насадной диск, а поэтому при большой радиальной протяженности этой части в ней появляются дополнительные потери энергии.

Известны рабочие колеса с наборной лопаточной решеткой, в которой лопатки по одной установлены хвостовиками на диске или в окружном пазу ротора, что позволяет осуществлять восстановление или замену изношенных лопаток. При создании таких рабочих колес, являющихся более близкими аналогами настоящего изобретения, решаются те же проблемы и применяются такие же решения, как и указанные выше. Ближайшим аналогом является рабочее колесо радиально-осевой ступени турбомашины, содержащее набор оснащенных хвостовиками секторных лопаточных элементов с плоскими радиальными и закрученными осевыми лопаточными участками, окантованными бандажами для образования в сборе закрытой лопаточной решетки [3]. Такое известное рабочее колесо выполнено составным, в котором раздельно монтируется радиальная часть и, по меньшей мере, одна осевая часть с соответствующими лопаточными решетками. Поэтому этому рабочему колесу присуще, как это было указано выше, неблагоприятное воздействие на поток мест стыковки радиальных и осевых лопаток. Кроме того отсутствие жесткого скрепления образующих покрывающий диск частей секторов с радиальными лопатками не обеспечивает достаточной жесткости рабочего колеса в окружном направлении.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания рабочего колеса радиально-осевой ступени турбомашины, с таким набором лопаточных сегментных элементов, который был бы способен образовать достаточно жесткую, виброустойчивую и прочную конструкцию лопаточного аппарата с закрытыми межлопаточными каналами.

Эта задача решается в рабочем колесе радиально-осевой турбомашины, которое выполнено с набором оснащенных хвостовиками секторных лопаточных элементов с плоскими радиальными и закрученными осевыми лопаточными участками, окантованными бандажами, и в котором, в соответствии с сущностью настоящего изобретения, каждый секторный элемент выполнен с непрерывно простирающимися от входного к выходному концу по потоку лопаточной и примыкающими к ней бандажными частями. При этом контур секторного элемента в проекции по радиусу рабочего колеса к центру вписан в параллелограмм, у которого одна пара параллельных сторон расположена в поперечных плоскостях рабочего колеса, а другая пара - по обеим сторонам вдоль линии, лежащей в плоскости, с которой совмещены центры тяжести тангенциальных сечений секторного элемента с его хвостовиком.

Такое решение позволяет получить закрытый по всему потоку через рабочее колесо лопаточный аппарат, что, вместе с непрерывным сопряжением лопаточной и бандажных частей, позволяет обеспечить высокую жесткость и виброустойчивость лопаточного аппарата. При этом указанное совмещение центров тяжести тангенциальных сечений в плоскости, относительно которой определяется контур секторного элемента, позволяет получить необходимую прочность и стойкость к действию центробежных сил и изгибающих усилий от потока рабочей среды. Для повышения этих свойств предпочтительно, чтобы указанная линия, относительно которой ориентирована одна из пар сторон параллелограмма, в который вписан контур проекции секторного лопаточного элемента, являлась средней линией между этими сторонами или возможно более близкой к ней.

Сущность настоящего изобретения поясняется описанием примеров его реализации, изображенных на прилагаемых чертежах, на которых:
фиг. 1 показывает фрагмент рабочего колеса однопоточной радиально-осевой ступени турбины при виде в осевом направлении;
фиг. 2 - вид на отдельный секторный лопаточный элемент в тангенциальном направлении;
фиг. 3 - вид на лопаточный секторный элемент в радиальном направлении к оси рабочего колеса - сверху по фиг. 2;
фиг. 4 - тангенциальное сечение лопаточного секторного элемента по А-А на фиг. 1;
фиг. 5 - тангенциальное сечение лопаточного секторного элемента по Б-Б на фиг. 2;
фиг. 6 - тангенциальное сечение лопаточного секторного элемента по В-В на фиг. 2;
фиг. 7 - места замковых соединений A и B радиальных участков лопаточных секторных элементов, A и B на фиг. 4, в увеличенном масштабе;
фиг. 8 и 9 - тангенциальные сечения радиальных участков секторных лопаточных элементов другой формы;
фиг. 10 - вид на секторный лопаточный элемент двухпоточной радиально-осевой ступени турбины в тангенциальном направлении;
фиг. 11 - вид на секторный лопаточный элемент в радиальном направлении к центру рабочего колеса, по A на фиг. 10;
фиг. 12 - тангенциальное сечение по осевому участку лопаточного секторного элемента, по Б-Б на фиг. 10.

Рабочие колеса радиально-осевых ступеней турбин, иллюстрируемых чертежами, выполнены с наборным лопаточным аппаратом, состоящим из состыкованных друг с другом лопаточных секторных элементов 1, которые своими хвостовиками 2 закреплены в диске 3 ротора турбины (фиг. 1).

На фиг. 2 - 7 представлен один из возможных вариантов исполнения секторного лопаточного элемента набора в соответствии с изобретением для однопоточного рабочего колеса. Этот секторный элемент содержит лопаточную часть 4 с плоским радиальным 4¹ и закрученным осевым 4² участками и примыкающие к лопаточной части 4 две бандажные части 5 и 6. Все эти части 4, 5 и 6 непрерывно простираются от входа к выходу по потоку рабочей среды, образуя при сборке лопаточного аппарата закрытые межлопаточные каналы.

Контур каждого секторного лопаточного элемента 1 в проекции по радиусу рабочего колеса к центру (фиг. 3) определяется из следующих условий. Этот контур, включающий как обязательные фрагменты лопаточную 4 и бандажные 5 и 6 части, должен быть вписан в параллелограмм с одной парой параллельных сторон b и другой парой параллельных сторон d. Сторона b расположены в поперечных плоскостях рабочего колеса, а стороны d по обеим сторонам от средней линии а-а, проходящей в плоскости расположения центров тяжести тангенциальных сечений лопаточного секторного элемента 1, включая и его хвостовик 2. При этом сама форма тангенциальных сечений будет непрерывно изменяться в радиальном направлении. Так, в сечении А-А (фиг. 4) отсутствует фрагмент закрученного осевого участка 4², в сечении Б-Б (фиг. 5) отсутствует фрагмент бандажной части 6, в сечении В-В (фиг. 6) находится только основание лопаточной части 4 и осевой участок 4². Будут изменяться и площади параллелограммов, в которые вписываются тангенциальные сечения, при этом расстояние между сторонами монотонно уменьшается к центру рабочего колеса, но средняя линия а-а между этими сторонами во всех сечениях располагается в плоскости, проходящей через центр тяжести сечений.

Для обеспечения плотности стыков между смежными лопаточными секторными элементами 1 на их радиальных участках на торцах бандажных частей 5 и 6 выполнены обнизки и соответствующие им по форме уступы, как это показано на фиг. 7, перекрывающие зазоры между лопаточными секторными элементами при облопачивании ротора. На относительно коротких осевых участках лопаточных секторных элементов подобных замковых соединений не требуется, но на концах осевых участков после сборки лопаточного аппарата делается круговая подрезка 7 (фиг. 1) под радиальное уплотнение. Описанная форма секторных лопаточных элементов 1 и их сопряжение по стыкам позволяет обеспечить высокую жесткость и виброустойчивость лопаточного аппарата. Для дополнительного повышения антивибрационной стойкости может быть использована скрепляющая проволока 8 (фиг. 1 и 2) вокруг головной полки.

Из соображений аэродинамики или технологии секторный лопаточный элемент 1 может иметь профиль иной, чем это описано выше и изображено на фиг. 1 - 6. Такие другие возможные профили в виде тангенциальных сечений на радиальных участках лопаточной части 4 изображены на фиг. 8 и фиг. 9.

В соответствии с изобретением может быть выполнен и двухпоточный лопаточный аппарат, как это изображено на фиг. 10 - 12. В таком лопаточном аппарате достаточно закрученные осевые 4² участки лопаточной части 4 с контуром секторного лопаточного элемента 1 в проекции по радиусу рабочего колеса к центру вписаны в прямоугольник, у которого стороны расположены вдоль оси рабочего колеса. В этом же направлении расположено и центральное продольное сечение хвостовика, проходящее через линию а-а, что позволяет упростить изготовление секторных лопаточных элементов и их сборку на роторе рабочего колеса. В таком лопаточном аппарате, благодаря выбору контура секторного лопаточного элемента 1 с учетом расположения центров тяжести тангенциальных сечений его хвостовика, так же, как и в описанных секторных лопаточных элементах одноступенчатого лопаточного элемента, обеспечивается благоприятное распределение усилий и высокая механическая жесткость и прочность лопаточного аппарата. Кроме того, благодаря получению закрытых межлопаточных каналов к непрерывному протяжению лопаточной части 4 достигаются высокие экономические показатели радиально-осевой ступени рабочего колеса турбомашины.

Источники информации
1. М.Б. Биржаков, В.В. Литинецкий. Радиально-осевые ступени мощных турбин. Л., 1983 г., с. 72, рис. 3.7, с. 124.

2. Авт. св. СССР N 641130, F 01 D 5/34, 1979 г.

3. Патент СССР N 671745, F 01 D 13/00, 1979 г.

Рабочее колесо предназначено для радиально-осевой ступени турбомашины. Рабочее колесо выполнено с набором оснащенных хвостовиками секторных элементов с плоскими радиальными и закрученными осевыми лопаточными секторными участками, окантованными бандажами. Форма каждого секторного участка выбрана такой, что его проекция по радиусу рабочего колеса к центру вписывается в параллелограмм, у которого одна пара параллельных сторон расположена в поперечных плоскостях рабочего колеса, а другая пара проходит с обеих сторон вдоль линии, в частности средней между ними, лежащей в плоскости, с которой совмещены центры тяжести тангенциальных сечений секторного элемента с его хвостовиком. Такое рабочее колесо обладает высокой жесткостью и виброустойчивостью при хорошей технологичности. 1 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Рабочее колесо радиально-осевой ступени турбомашины, выполненное из набора оснащенных хвостовиками секторных лопаточных элементов с плоскими радиальными и закрученными осевыми лопаточными секторными участками, окантованными бандажами, отличающееся тем, что каждый секторный элемент выполнен с непрерывно простирающимися от входного к выходному концу по потоку лопаточной и примыкающими к ней бандажными частями, при этом контур секторного элемента в проекции по радиусу рабочего колеса к центру выбран вписанным в параллелограмм, у которого одна пара параллельных сторон расположена в поперечных плоскостях рабочего колеса, а другая пара - по обеим сторонам вдоль линии, проходящей в плоскости расположения центров тяжести тангенциальных сечения секторного элемента, включая его хвостовик. 2. Рабочее колесо по п. 1, отличающееся тем, что линия, проходящая в плоскости расположения центров тяжести тангенциальных сечений секторного лопаточного элемента, выбрана в качестве средней линии между соответствующей парой сторон параллелограмма, в который вписан контур проекции секторного элемента.