РОТОР ДЛЯ ТУРБОМАШИНЫ С УСТАНАВЛИВАЕМЫМИ В ПАЗЫ ЛОПАТКАМИ, А ТАКЖЕ ЛОПАТКА ДЛЯ РОТОРА Российский патент 2001 года по МПК F01D5/30 F04D29/34 

Изобретение относится к ротору для турбомашины с устанавливаемыми в пазы лопатками, причем пазы расположены наклонно к оси вращения ротора, а также к лопатке для ротора.

В роторах турбомашин могут вследствие вращения возникать большие центробежные силы. Кроме того, для подлежащих установке на роторе лопаток существует трудность выполнения ротора так, что он, с одной стороны, имеет достаточную прочность, и с другой стороны, не превышает определенные предельные размеры, которые зависят от нагрузки турбины. Лопатки, выполненные с возможностью установки в пазах, должны иметь для этого пригодный хвост лопатки. В зависимости от конструктивного принципа соединения между хвостом лопатки и ротором между ними возникают различные напряжения. Они различно распределяются по хвосту лопатки. Параметром, влияющим на возникающие напряжения при работе турбомашины, является, например, угол установки хвоста лопатки в вале.

В GB-A-2237846 описана газовая турбина для самолетного двигателя, в которой достигается снижение массы ротора турбомашины для повышения надежности работы при максимальных скоростях. Это снижение массы достигается тем, что хвост турбинной лопатки имеет две части, отделенные и дистанцированные друг от друга непрерывной канавкой. Эти части хвоста лопатки дистанцированы друг от друга с помощью двух перегородок, которые приводят к раздвиганию хвоста лопатки.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение проблем прочности, возникающих при работе ротора, и создание подходящей для этого комбинации хвоста лопатки и паза.

Для решения этой задачи служат ротор для турбомашины с признаками пункта 1 формулы изобретения и лопатка с признаками пункта 6 формулы изобретения. Предпочтительные признаки и комбинации следуют из раскрываемых в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения признаков.

Ротор согласно изобретению с устанавливаемыми в пазах лопатками, в котором пазы расположены наклонно к оси вращения ротора, имеет по меньшей мере в части своих лопаток хвост лопатки с по меньшей мере двумя областями с различной жесткостью, которые согласованы, предпочтительно, уравнены с различными областями жесткости паза, в который может быть установлен хвост лопатки.

Предпочтительный вариант выполнения предусматривает, что соответственно согласованная область хвоста лопатки и более жесткая по сравнению с ней область паза расположены друг около друга или противоположно друг другу. За счет этого достигается то, что соответствующие жесткости паза и хвоста лопатки соответствуют друг другу так, что в целом достигается равномерность возникающих напряжений. В частности, при соответствующем согласовании имеется возможность более благоприятно распределить силовой поток при передаче усилия с хвоста лопатки в паз. Является также предпочтительным, если к области паза с максимальным возникающим напряжением, обычно, в частности, области острых углов паза в роторе, прилегает область хвоста лопатки с уменьшенной жесткостью, так что при работе турбины не возникают напряжения, которые приводят к разрушению или усталости материала при длительной работе турбины.

Целесообразным является то, что выравнивание между нагрузками на паз и нагрузками на хвост лопатки произведено в соответствии с силами, которые имеют место при наиболее часто используемом рабочем диапазоне турбомашины.

Предпочтительным является то, что хвост лопатки дополнительно к своей согласованной с геометрией паза форме имеет две противоположных торцевых поверхности, причем в области торцевых поверхностей предусмотрено уменьшающее жесткость утончение материала, предпочтительно, по меньшей мере одна выемка.

Предпочтительным является то, что выемка, предпочтительно просверленная или фрезерованная выемка, проходит от торцевой поверхности хвоста лопатки внутрь его.

Предпочтительный вариант выполнения изобретения поясняется ниже на примерах выполнения с помощью чертежей. Другие предпочтительные варианты выполнения образуются путем подходящего комбинирования раскрытых признаков изобретения.

Фиг. 1 - ротор с согласованными согласно изобретению и установленными лопатками в поперечном сечении;
фиг. 2 - ротор по фиг. 1 в виде сверху без установленных лопаток;
фиг. 3 - хвост лопатки согласно изобретению;
фиг. 4 - хвост лопатки по фиг. 3, вставленный в роторный диск;
фиг. 5 - другой хвост лопатки согласно изобретению в установленном положении.

Предпочтительный вариант выполнения изобретения представлен ниже на примере газотурбинного компрессора, который является предпочтительной турбомашиной для применения изобретения.

Ротор 1 турбомашины состоит, предпочтительно, из расположенных друг за другом в осевом направлении, сцепленных друг с другом (зацепление с коническими торцовыми зубьями), соединенных друг с другом не показанным стяжным болтом роторных дисков 1.

На фиг. 1 показана часть роторного диска 1 с установленными в пазы 2 лопатками 3. Каждая лопатка 3 имеет области с различной жесткостью. Согласованно с этим в хвосте 4 лопатки выполнена выемка 5 так, что к пазу 2, который имеет неравномерную по величине жесткость по глубине паза, прилегает согласованная жесткость хвоста 4 лопатки. Так как в частности в остром угле 6 (см. фиг. 2) паза 2, который находится в конце паза, при работе газотурбинного компрессора возникает повышенное напряжение, то в этой области хвост 4 лопатки имеет выполненную так выемку, что он в этом месте является слегка упругим. Предпочтительное выполнение выемки 5 предусматривает ее выполнение в виде фрезерованной выемки, которая на торцевой стороне 8 хвоста 4 лопатки выходит из него косо вниз.

На фиг. 2 показан роторный диск по фиг. 1 в виде сверху. Пазы 2 выполнены под углом установки β к оси вращения роторного диска 1, который на основе согласованных хвостов 4 лопаток может быть намного больше по сравнению с обычными углами установки. Это имеет большое значение, в частности, для газовых турбин и их компрессоров с небольшим потоком массы. Там могут быть необходимыми большие углы лопаток и тем самым большие углы установки β. А это в свою очередь приводит к повышенным местным напряжениям в пазу 2, так как в частности в острых углах 6 за счет увеличенного угла имеют место пониженные жесткости. Острые углы являются местами местных высоких напряжений. Они показаны как концы изображенной штриховыми линиями, проходящей внутри роторного диска 1 ширины паза D. Паз вдоль своей длины L имеет различные напряжения не только по его глубине, но и по его протяжению, которые поэтому оказывают различное влияние на прочность установленного хвоста 4 лопатки при работе турбомашины.

На фиг. 3 показан хвост 4 лопатки согласно изобретению с частично изображенным продолжением рабочей стороны 7 лопатки 3. Он имеет выемку 5 с началом на обеих торцевых поверхностях 8, которая выходит косо вниз из хвоста 4 лопатки. Это утончение материала в хвосте 4 лопатки приводит к уменьшенной жесткости в областях торцевых поверхностей 8, а также в прилегающих областях хвоста 4 лопатки. Таким образом согласованные области имеют повышенную упругость, так что возникающие при работе деформации, в частности, также в острых углах 6, улавливаются более благоприятно.

На фиг. 4 показана лопатка 3 по фиг. 3 в установленном состоянии. Утончение материала в хвосте 4 лопатки приводит к тому, что силовые линии в хвосте 4 лопатки прерываются и в этих местах хвоста 4 лопатки по отношению к нагрузкам, которые возникают на основе действующих на рабочую сторону 7 лопатки сил, отклоняются согласованным хвостом лопатки в среднюю область длины паза L и там воспринимаются пазом 2.

На фиг. 5 показан другой вариант выполнения изобретения. Установленный хвост 4 лопатки имеет выемку 5 скорее продолговатой формы, которая к середине глубины паза выходит вниз из хвоста 4 лопатки. Такую выемку можно получить не только с помощью фрезерования, но и с помощью сверления или аналогичных способов обработки резанием. Однако в смысле изобретения необходимо понимать не только выемки 5 в качестве согласования жесткости областей хвоста 4 лопатки. Пригодными для использования являются все меры, которые изменяют жесткость лопатки в по меньшей мере одной области. Например, возможно также вставление или включение другого материала в хвост лопатки, который по сравнению с ним имеет большую упругость. В частности, является предпочтительным, что в компрессорах, соответственно, в целом в турбинах, которые работают в переменных режимах, согласование областей хвоста 4 лопатки выполняют применительно к тем рабочим областям турбины, в которых они большей частью работают.

Изобретение в этом приведенном примере обеспечивает в зависимости от величины выемки и наклона угла установки снижение местных напряжений на 30% и более. Преимуществом изобретения являются меньшие затраты, эффективность, а также возможность согласования впоследствии жесткости хвостов лопаток уже находящихся в эксплуатации турбомашин. Другим преимуществом изобретения является взаимозаменяемость лопаток. Так, в одном роторном диске могут быть совместно установлены хвосты лопаток с утончением материала и без него.

Ротор для турбомашины, в частности для турбокомпрессора, содержит устанавливаемые в пазы хвосты лопаток. По меньшей мере один хвост лопатки выполнен с двумя областями с различной жесткостью, которые согласованы, предпочтительно уравнены с различными областями жесткости паза. Пазы выполнены наклонно к оси вращения, в который может быть установлен хвост лопатки. Хвост лопатки дополнительно к своей согласованной с геометрией паза форме имеет две противоположные торцевые поверхности. В области торцевых поверхностей предусмотрено уменьшающее жесткость утончение материала, предпочтительно, по меньшей мере одна выемка. Изобретения позволяют повысить прочность. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Ротор (1) для турбомашины с осью вращения (1а), в частности для турбокомпрессора, содержащий устанавливаемые в пазы (2) лопатки (3), причем пазы (3) выполнены наклонно к оси вращения (1а), отличающийся тем, что по меньшей мере один хвост (4) лопатки имеет по меньшей мере две области с различной жесткостью, которые согласованы, предпочтительно, уравнены с различными областями жесткости паза (2), в который может быть установлен хвост (4) лопатки. 2. Ротор (1) по п.1, отличающийся тем, что соответственно согласованная область хвоста (4) и по сравнению с ней более жесткая область паза (2) прилегают друг к другу или находятся напротив друг друга. 3. Ротор (1) по п.1 или 2, отличающийся тем, что к области паза (2) с максимальным возникающим напряжением, в частности, при работе турбомашины, прилегает область пониженной жесткости хвоста (4) лопатки. 4. Ротор (1) по п. 1, 2 или 3, отличающийся тем, что к концу паза, в частности, в остром углу (6), прилегает область пониженной жесткости установленного хвоста (4) лопатки. 5. Ротор (1) по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что выравнивание между нагрузками на паз (2) и нагрузками на хвост (4) лопатки произведено в соответствии с силами, которые имеют место при наиболее часто используемом рабочем диапазоне турбомашины. 6. Лопатка (3) для ротора (1) турбомашины, в частности, по любому из пп. 1 - 5, отличающаяся тем, что хвост (4) лопатки дополнительно к своей согласованной с геометрией паза форме имеет две противоположных торцевых поверхности (8), причем в области торцевых поверхностей (8) предусмотрено уменьшающее жесткость утончение материала, предпочтительно, по меньшей мере одна выемка (5). 7. Лопатка (3) по п. 6, отличающаяся тем, что выемка (5), предпочтительно, просверленная или фрезерованная выемка, проходит от торцевой поверхности (8) хвоста (4) лопатки.