РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ТУРБИНЫ ОСЕВОЙ ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2003 года по МПК F01D5/02 

Изобретение относится к газотурбинным и реактивным двигательным установкам, может быть использовано на первых ступенях высокотемпературных газовых турбин с рабочими лопатками керамического типа, хорошо работающими на сжатие при температуре стенок ~ 1900 К.

Известно рабочее колесо турбины осевой турбомашины (см., например, книгу "Иностранные авиационные двигатели", изд. ЦИАМ, 1987 г.), содержащее диск и рабочие лопатки, установленные консольно в диске и выполненные из жаропрочных сплавов, охлаждаемое, допускающее окружные скорости ~ 400 м/с при температуре стенки лопатки ~ 1400 К.

Недостатки его состоят в том, что рабочие лопатки работают на растяжение и подвержены колебаниям. Применение лопаток керамического типа в таком рабочем колесе, неохлаждаемых, дает возможность повысить температуру стенки до ~ 1600 К, но не использует полностью возможности этих материалов - более высокую (~ в 5 раз) прочность на сжатие чем на растяжение и снижает надежность турбины из-за нестабильности прочности на растяжение керамических лопаток в условиях колебаний.

Известно рабочее колесо осевой турбомашины, в котором кроме диска и рабочих лопаток содержится кольцевой бандаж, размещенный на наружном радиусе лопаток и выполненный заодно целое с лопатками. Лопатки в таком колесе содержат полки на внутреннем радиусе, расположенные параллельно оси вращения рабочего колеса, образующие прерывистую внутреннюю (посадочную) поверхность, и их линии центров тяжести поперечных сечений расположены под углом к радиусу в сторону вращения колеса с вершиной на диаметре кольцевого бандажа. В диске этого рабочего колеса, по ширине наружной его части, выполнены ┴-образные пазы параллельно оси вращения колеса, в которые установлены ┴-образные проставки, выступающие над его наружным диаметром так, что между ними образуется прерывистая, цилиндрическая наружная (посадочная) поверхность, на которой установлена система лопатки-бандаж с упором полок лопаток в наружную прерывистую поверхность диска (см. патент 2039871 РФ, кл. 6 F 01 D 5/02, 1992 г. - прототип).

Недостатками этого рабочего колеса является наличие поперечных фигурных (┴-образных) пазов в диске, перерезывающих всю его ширину в верхней части, и наличие проставок в этих пазах. Пазы ослабляют диск, а проставки создают дополнительную нагрузку на него своими центробежными силами во время работы. Это снижает надежность диска, усложняет конструкцию рабочего колеса в целом и удорожает технологический процесс производства, в особенности когда диск и проставки выполнены из керамических твердых материалов (необходимых при работе турбины на высоких температурах). Надежность снижается еще из-за увеличения зазора в боковом (тангенциальном) направлении между полками лопаток и проставками во время работы турбины вследствие температурных и механических радиальных деформаций проставок и полок лопаток, между которыми имеется конструктивный угол (с вершиной на оси вращения колеса) больше нуля. Это снижает направляющие свойства проставок, когда между полками лопаток и диском (по поверхности D - см. прототип) по каким-то причинам (маловероятным) появляется радиальный зазор и ослабляется центровка системы лопатки-бандаж.

Целью данного предложения является повышение надежности работы рабочего колеса в условиях, когда между полками лопаток и наружной поверхностью диска (D) появляется радиальный зазор.

Цель достигается тем, что в рабочем колесе турбины осевой турбомашины, содержащем диск, рабочие лопатки с полками на внутреннем радиусе, линии центров тяжести поперечных сечений которых расположены под углом к радиусу в сторону вращения колеса, и кольцевой бандаж, размещенный на наружном радиусе рабочих лопаток, выполненный заодно с рабочими лопатками, полки рабочих лопаток образуют внутреннюю цилиндрическую (посадочную) поверхность, размещены с непрерывной стыковкой между собой в тангенциальном направлении, покрывая поверхность диска и содержат радиальные и тангенциальные выступы со стороны входной и выходной кромок лопатки соответственно, а диск содержит наружную цилиндрическую (посадочную) поверхность, сопряженную (по посадке с натягом) с внутренней цилиндрической поверхностью полок лопаток и содержит радиальные и аксиальные пазы с противоположных своих сторон, в которые входят соответствующие радиальные и аксиальные выступы полок лопаток, образуя двухстороннее зацепление с диском в тангенциальном направлении.

Кроме того, для более полного достижения указанной цели, во-первых, полка лопатки на внутреннем радиусе выполнена из трех частей, одна из которых расположена примерно посредине ее параллельно оси вращения рабочего колеса и образует прерывистую цилиндрическую (посадочную) внутреннюю поверхность, а две другие боковые части нависают над наружной поверхностью диска с образованием радиального зазора с этой поверхностью. Во-вторых, выполнение рабочей лопатки заодно целое с кольцевым бандажом осуществлено при помощи кольцевого паза в кольцевом бандаже и полок, содержащихся на наружном радиусе лопатки, выполненных заодно целое с ее пером, непрерывно стыкующихся между собой в тангенциальном направлении и размещенных неподвижно с бандажом (с помощью сварных швов) в указанном кольцевом пазе с образованием радиального зазора с внутренней поверхностью кольцевого бандажа.

Заявителю неизвестны технические решения, содержащие признаки, сходные с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, что позволяет считать заявляемое решение, обладающим существенными отличиями.

Сущность предложения поясняется на фиг.1-9, где показано:
на фиг. 1 - схематическое изображение рабочего колеса турбины осевой турбомашины;
на фиг.2 - узел I фиг.1 - основные детали и элементы колеса турбины;
на фиг.3 - сечение В-В фиг.2 вдоль оси вращения О-О колеса;
на фиг. 4 - вид Г фиг.2 на полки внутреннего радиуса лопаток с изображением решетки профилей;
на фиг. 5 - второй вариант исполнения полки лопатки на ее внутреннем радиусе;
на фиг.6 - вид на систему лопатки-бандаж, выполненных заодно целое;
на фиг. 7 и 8 - вид К и вид Л фиг.3 на диск с изображением аксиальных и радиальных пазов на нем соответственно;
на фиг. 9 - взаимосвязь радиальной деформации с тангенциальным перемещением бандажа (в процессе работы).

Основные детали предлагаемого рабочего колеса турбины-диск, рабочие лопатки и кольцевой бандаж.

Диск 1 (фиг.1-3) выполнен из керамических материалов, например, на основе окислов (Аl₂O₃), карбидов (TiC), боридов (TiB₂, ZrB₂) и т.д. Он содержит гладкую наружную цилиндрическую (посадочную) поверхность - поверхность D (фиг.1-3).

Рабочие лопатки 2 (фиг.1-3) - из жаростойкого материала с более высокой прочностью (например, в 5 раз) на сжатие, чем на растяжение при высоких температурах, например, на основе карбида бора (В₄С).

Кольцевой бандаж 3 (фиг.1-3) - из материала с высоким значением отношения прочности к плотности, например на основе волоконного карбида кремния (SiC), предварительно подготовленного ввиде тонкой ленты шириной ~ b, равной ширине кольцевого бандажа (фиг.3).

Из условия совместной деформативности коэффициент термического расширения, плотность и теплопроводность материала диска должны быть выше, а модуль упругости первого рода ниже материала кольцевого бандажа.

Рабочие лопатки 2 и кольцевой бандаж 3 в механическом отношении выполнены заодно целое, например с помощью сварных швов М, Н (фиг.3). Эта система установлена на наружной поверхности диска D с небольшим, но гарантийным монтажным натягом по этой поверхности и имеет осевую фиксацию (одностороннюю) при помощи упорного кольцевого бурта 4 диска, выступающего над его поверхностью D (фиг.4, 7, 8).

Линии центров тяжести поперечных сечений рабочих лопаток (сплошные линии АБ на фиг.1 и пунктирные линии АБ на фиг.2, 6) расположены под углом α, составляющем величину 3-5^o к радиусу рабочего колеса в сторону вращения рабочего колеса и с вершиной своей (точки Б) на наружном радиусе лопаток.

Решетка профилей рабочих лопаток из условия жесткости системы лопатки-бандаж и из условия максимального КПД турбины выполнена реактивной с закруткой пера по высоте, но (предпочтительно) с одинаковым (по высоте) профилем. Сами лопатки неохлаждаемые, а кольцевой бандаж и диск охлаждаемые незначительным количеством (~ 0,2%) закомпрессорного воздуха.

Рабочие лопатки на внутреннем радиусе оканчиваются полками 5 (фиг.2-4, 6), выполненными заодно целое с пером лопатки 6 (фиг.4, 5). С внутренней стороны полки образуют внутреннюю цилиндрическую (посадочную) поверхность 27 (фиг. 1-3, 6). В тангенциальном направлении они стыкуются между собой (стыки С, фиг.2, 4, 6). закрывая полностью наружную поверхность D диска. Со стороны входной и выходной кромок лопатки полки содержат радиальные и аксиальные (т. е. параллельные оси вращения O-O колеса) выступы 7, 8 (фиг.2-4, 6) соответственно. Это в первом (основном) варианте исполнения полки. Во втором варианте исполнения (фиг.5) полка на внутреннем радиусе состоит из трех частей, одна из которых - средняя 9 - является центрирующей и двух боковых 10 нецентрирующих. Центрирующие части полок все вместе образуют прерывистую цилиндрическую (посадочную) внутреннюю поверхность D, сопрягающуюся с наружной поверхностью D диска по посадке с монтажным натягом. Они расположены параллельно оси вращения рабочего колеса. Нецентрирующие части полок образуют радиальные зазоры с поверхностью D диска (зазоры δ - фиг.5), составляющие величину ~ 0,7 мм.

Все три части полки примерно одинаковы по ширине в тангенциальном направлении. Центрирующая часть полки, как в основном варианте, оканчивается радиальным и аксиальным выступами 7, 8 (фиг.2-4, 6).

Поверхность D полок (и в первом, и втором вариантах исполнения) обработана на базе наружного D₁ и внутреннего D₂ диаметров кольцевого бандажа и вместе с поверхностью D диска (фиг.2, 3, 5-7) имеют единую геометрическую ось, с достаточно высокой степенью точности совпадающую с физической осью O-O (фиг.1) вращения рабочего колеса.

В диске со стороны входной и выходной кромок лопаток выполнены радиальные и аксиальные пазы соответственно. Радиальные пазы выполнены на торцевой поверхности диска - пазы 11 (фиг.3, 8), а аксиальные 12 - в упорном бурте 4, выступающем над его наружной цилиндрической поверхностью D (фиг.4, 7, 8).

Выступы 7, 8 полок лопаток и пазы 11, 12 диска выполнены равномерно по окружности (не хуже ±0,03 мм). При монтаже системы лопатки-бандаж на диск по поверхности D аксиальные и радиальные выступы полок лопаток входят в соответствующие аксиальные и радиальные пазы диска до упора в бурт 4, образуя надежное двухстороннее зацепление в тангенциальном направлении и c монтажным натягом по поверхности D.

В боковом (тангенциальном) направлении между выступами полок и пазами диска - в стыках поверхностей Т, Т₁ (фиг.2, 4) - выполнен минимальный зазор (например, не более 0,03 мм). Это обеспечивает достаточно надежную дополнительную центровку системы лопатки-бандаж в радиальном направлении. Основная же центровка обеспечивается беззазорным сопряжением системы лопатки-бандаж по поверхноcти D диска и полок.

Рабочие лопатки на наружном радиусе содержат полки 13 (фиг.2, 3), выполненные (как и на внутреннем радиусе) заодно целое с пером лопатки, а c внутренней стороны кольцевого бандажа выполнены кольцевой паз шириной b₁ и поверхность D₂ (фиг. 3). Полки 13 и паз бандажа достаточно широкие (не уже ширины лопатки на наружном радиусе). Лопатки своими полками 13 установлены в паз b₁ бандажа и неподвижно соединены с бандажом с помощью, например, сварных швов Н, М (фиг.3). При этом полки образуют с поверхностью D₂ радиальный зазор δ₁ (фиг.3), а в тангенциальном направлении они стыкуются между собой, закрывая поверхность D₂ бандажа - стыки С₁ (фиг.2). Зазор δ₁ ~ 0,7 мм.

В процессе работы турбины крутящий момент от окружных газовых сил Р_u, действующих на рабочие лопатки 2, передается на диск 1 через полки 5 и боковые поверхности Т и T₁ радиальных и аксиальных пазов 11, 12 диска. Центробежные силы рабочих лопаток воспринимаются кольцевым бандажом, производят не только ее сжатие, но и изгиб, так как лопатки установлены под углом α к радиусу. Окружные газовые силы Р_u производят изгиб лопатки в сторону, обратную изгибу от центробежных сил, в результате чего напряжение по сечению профиля лопатки (в сумме с напряжением сжатия от центробежных сил) - неравномерное, сжимающее. Это позволяет применить материалы керамического типа с достаточно высокой прочностью на сжатие при температуре стенки лопатки ~ 1900 К.

Растягивающее напряжение в кольцевом бандаже складывается из напряжения от центробежных сил его собственной массы, центробежных сил лопаток, сил от радиального монтажного натяга системы лопатки-бандаж по диаметру D и радиальных сил, возникающих от газовых сил P_u вследствие угла α (это ~). Порядок их величин соответственно ~ 75%, ~ 20%, ~ 2%, ~ 3%. По внутренней поверхности П полок 13 (фиг.3) организовано конвективно-пленочное (завеcное) охлаждение закомпрессорным воздухом, по остальным поверхностям бандажа - конвективное. Средняя температура бандажа ~ 1200 К. При этой температуре прочность и модуль упругости первого рода достаточно высокие.

Напряженно-деформированное состояние диска, лопаток и бандажа таково, что радиальная деформация диска (ΔR_g) в сумме с удлинением лопатки (Δl_л) всегда больше или равна радиальной деформации бандажа (ΔR_б), т.е.

ΔR_д+Δl_л≥ΔR_б.
При этом условии стык по поверхности D не раскрывается и центровка системы лопатки-бандаж достаточно надежно сохраняется. В случае выполнения равенства сохраняется первоначальный монтажный натяг по поверхности D, а в случае неравенства (фиг.9) избыток радиальной деформации (ΔR) левой части этого уравнения вследствие наличия угла α переходит (трансформируется с коэффициентом меньше единицы) в тангенциальное перемещение (Δt_б) кольцевого бандажа, на искривление линии центров тяжести АБ лопаток и натяг по поверхности D (Δr_б). Б результате такой трансформации натяг по поверхности D возрастает меньше (и нагрузка на бандаж меньше), чем если бы угол α был равен нулю, а возрастание этого натяга повышает устойчивость системы лопатки-бандаж и улучшает ее центровку.

В случае же обратного неравенства, т.е. когда
ΔR_д+Δl_л<ΔR_б,
что возможно, например, из-за ползучести материала бандажа, диска, лопаток (при длительной работе), центровка системы лопатки-бандаж обеспечивается достаточно плотным и стабильным соединением радиальных и аксиальных выступов 7, 8 лопаток в соответствующих пазах 11, 12 диска в тангенциальном направлении. Зазор между ними (в стыках поверхностей T, Т₁) в процессе работы не меняется, так как при радиальной деформации (благодаря их расположению под одним и тем же радиальным углом) они перемещаются параллельно самим себе, чего нет в патенте-прототипе.

Таким образом, по данному предложению надежность работы рабочего колеса повышается благодаря зацеплению рабочих лопаток с диском при помощи плотного (и стабильного в процессе работы) соединения выступов полок лопаток, входящих непосредственно во впадины диска, а также его повышенной несущей способностью с гладкой (т.е. цилиндрической) наружной поверхностью и благодаря полкам лопаток на внутреннем и наружном радиусах, образующим также гладкие (цилиндрические) поверхности, полностью закрывающие наружную поверхность диска и внутреннюю поверхность кольцевого бандажа.

В настоящее время по данному предложению проведены расчетные исследования и разработан рабочий проект рабочего колеса турбины применительно к одной газотурбинной установке.

Изобретение относится к газотурбинным и двигательным установкам, использующим на первых ступенях турбин рабочие лопатки из керамических материалов при температуре стенки ~1900 К и с окружными скоростями (на наружном радиусе лопаток) ~400 м/с. Рабочее колесо осевой турбомашины содержит диск, рабочие лопатки с полками на внутреннем радиусе, линии поперечных сечений которых расположены под углом к радиусу в сторону вращения рабочего колеса, и кольцевой бандаж, выполненный за одно целое с рабочими лопатками. Полки рабочих лопаток образуют внутреннюю цилиндрическую (посадочную) поверхность, размещены с непрерывной стыковкой между собой в тангенциальном положении, покрывая диск, и содержат радиальные и аксиальные выступы со стороны входной и выходной кромок соответственно. Диск содержит наружную цилиндрическую (посадочную) поверхность, сопрягающуюся (по посадке с натягом) с внутренней поверхностью полок лопаток, и радиальные, и аксиальные пазы с противоположных сторон, в которые входят соответственно радиальные и аксиальные выступы полок лопаток, образуя двухстороннее зацепление с диском в тангенциальном направлении. Изобретение повышает надежность работы рабочего колеса. 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Рабочее колесо турбины осевой турбомашины, содержащее диск, рабочие лопатки с полками на внутреннем радиусе, линии центров тяжести поперечных сечений которых расположены под углом к радиусу в сторону вращения рабочего колеса, и кольцевой бандаж, размещенный на наружном радиусе рабочих лопаток, выполненный за одно целое с рабочими лопатками, отличающееся тем, что полки рабочих лопаток образуют внутреннюю цилиндрическую (посадочную) поверхность, размещены с непрерывной стыковкой между собой в тангенциальном направлении, покрывая поверхность диска, и содержат радиальные и аксиальные выступы со стороны входной и выходной кромок лопаток соответственно, а диск содержит наружную цилиндрическую (посадочную) поверхность, сопрягающуюся (по посадке с натягом) с внутренней цилиндрической поверхностью полок лопаток, и радиальные и аксиальные пазы с противоположных своих сторон, в которые входят соответствующие радиальные и аксиальные выступы полок лопаток, образуя двухстороннее зацепление с диском в тангенциальном направлении. 2. Рабочее колесо турбины осевой турбомашины по п.1, отличающееся тем, что полка лопатки на внутреннем радиусе состоит из трех, примерно одинаковых по ширине частей, одна из которых расположена посредине полки параллельно оси вращения рабочего колеса, образует прерывистую цилиндрическую (посадочную) поверхность, и двух боковых частей, нависающих над наружной поверхностью диска с образованием радиального зазора с этой поверхностью. 3. Рабочее колесо турбины осевой турбомашины по п.1, отличающееся тем, что на внутренней поверхности кольцевого бандажа выполнен широкий кольцевой паз, а лопатка на наружном радиусе содержит полку, размещенную в указанном пазе неподвижно (с помощью сварных швов) с образованием радиального зазора с внутренней поверхностью паза, и все полки лопаток стыкуются между собой непрерывно в тангенциальном направлении.