РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ЦЕНТРОБЕЖНОЙ МАШИНЫ Российский патент 2007 года по МПК F04D29/28 F04D29/66 F01D5/10 

Изобретение относится к компрессоростроению, в частности к центробежным машинам, а именно к конструкции их рабочих колес.

Характерным для рабочих колес центробежных машин является высокая статическая напряженность деталей колеса, обусловленная главным образом окружной скоростью их вращения, величина которой определяет конструкцию колеса.

При работе компрессора от внешнего переменного силового поля, преимущественно от действия аэродинамических сил, в деталях вращающегося колеса появляются свободные затухающие колебания, сопровождающиеся переменными динамическими напряжениями. При числе оборотов, кратном собственным частотам колебаний элементов колеса, возможно изменение интенсивности колебаний и процесс может оказаться резонансным, так как подвод энергии в систему происходит при каждом обороте колеса.

На практике наиболее частые усталостные поломки возникают в основном вблизи наружного диаметра полотна покрывного и основного дисков, так как интенсивные резонансные колебания в деталях колеса возбуждаются лишь вблизи выхода газового потока из межлопаточных участков - самом слабом месте полотен дисков с точки зрения динамической прочности.

Увеличение прочности колеса может быть достигнуто за счет рационального выбора размеров его составных деталей, а также введения конструктивных и технологических мероприятий, способствующих снижению уровня переменных напряжений и повышению конструктивной усталостной прочности составных деталей колеса. Такими мероприятиями могут быть изменение материала деталей, формы, включая изменение связей составных деталей колеса, обуславливающие другую частоту колебаний.

Известна компрессорная составная лопатка (Г.С.Скубачевский. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. Машиностроение. Москва. 1969. Стр.297. Рис.7.32), состоящая из двух частей, позволяющая увеличить демпфирование колебаний. Дополнительное трение получается за счет того, что составные части лопатки соединены в предварительно напряженном состоянии в замковой части заклепками, а в рабочей части (перо лопатки) - сильно демпфирующим специальным цементом. Вибрация вызывает перемещение составных частей лопатки относительно друг друга, и возникающее трение по поверхностям их соединения ограничивает амплитуду колебаний и уменьшает внутренние напряжения.

Недостатком данного технического решения является конструктивная сложность соединения, необходимость обеспечения высокой точности выполнения поверхностей сопряжения частей лопатки и, как следствие, дороговизна ее изготовления.

Известно также, что каждый материал имеет свой логарифмический декремент колебания, не связанный с другими обычными механическими или физическими свойствами материала (логарифмический декремент колебания - натуральный логарифм отношения амплитуд последующего и предыдущего колебаний).

Известно, что частота собственных колебаний детали зависит от отношения E/ρ модуля упругости материала к его плотности, которое определяется свойствами материала детали (например, диска).

Известно рабочее колесо турбодетандера (а.с. №1337623 F25В 11/00. Бюл. №34), у которого диск со стороны, противоположной лопаткам, снабжен резьбовыми деталями, имеющими определенную длину, и планками с отверстиями для крепежа. Резьбовые детали выполнены из материала, модуль упругости которого больше модуля упругости материала диска не менее чем на 8%. При возникновении колебаний лопаток или диска возбуждаются также и резьбовые детали, при этом в местах контакта с материалом деталей возникает эффект трения, что приводит к рассеиванию энергии колебаний и снижению их амплитуды.

Недостатком такого технического решения является наличие локальных резьбовых отверстий, которые в силу своей специфики формообразования имеют ярко выраженную зону концентрации напряжений, например, в виде винтовой линии резьбовой поверхности. При этом плохая полировка (из-за трудного доступа) поверхности материала детали в местах перехода от одной поверхности к другой, например в вершинах гребней резьбовой поверхности, уменьшает усталостную прочность материала.

Технической задачей заявляемого технического решения является устранение указанных недостатков, а именно повышение эксплуатационной надежности путем повышения усталостной прочности дисков рабочего колеса в условиях воздействия переменных динамических напряжений.

Технический результат достигается тем, что в известном рабочем колесе центробежной машины, содержащем диск с расположенными на нем лопатками и деталями, выполненными из материала, имеющего модуль упругости, отличный от модуля упругости материала диска, в качестве деталей использован слой композиционного материала, у которого отношение модуля упругости к его плотности меньше, чем у материала диска, например слой стеклопластика, при этом слой композиционного материала размещен в кольцевой проточке, расположенной по периферии в теле полотна, по меньшей мере, одного диска.

На чертеже показано рабочее колесо центробежной машины, продольный разрез.

Рабочее колесо центробежной машины содержит покрывной диск 1 и основной рабочий диск 2, соединенные с лопатками 3. В теле периферийной части диска 1 расположена кольцевая канавка 4, в теле по периферийной части диска 2 расположена кольцевая канавка 5. В кольцевых канавках 4, 5 размещены слои композиционного материала 6, например стеклопластика, с присоединением к поверхностям канавок одним из известных способов, например приклеены. Слои композиционного материала 6 могут быть помещены в кольцевых канавках 4, 5 методом выкладки или намотки.

При вращении колеса в составе компрессора осуществляется процесс перетекания рабочего тела (газа) в каждом межлопаточном канале колеса и во внешних зазорах статорных элементов компрессора (на чертеже не показаны) с наружными поверхностями дисков 1, 2.

Возникает аэродинамическое взаимодействие поверхностей статорных элементов компрессора с поверхностями элементов вращающегося ротора, в частности с наружной поверхностью дисков 1, 2 рабочего колеса, приводящее к колебаниям различного характера вращающегося ротора и его составляющих элементов.

Переменное силовое поле, воздействующее на участки (сегменты) дисков 1, 2 между лопатками 3 с одновременным воздействием массовых сил инерции, возбуждает совместные упругие изгибные колебания дисков 1, 2 и слоев композиционного материала 6, помещенных в канавках 4, 5.

Колебания участков полотен дисков, в частности, между лопатками одновременно вовлекают и слои композиционного материала 6 с декрементом затухания колебаний, отличным от декремента затухания материала дисков 1, 2. При этом в местах контакта разных материалов возникает эффект взаимодействия внутреннего трения, что под действием циклической нагрузки приводит к фазовому сдвигу между нагрузкой и деформацией, рассеиванию энергии колебаний и снижению их амплитуды, что благоприятно сказывается на стойкости к циклическим нагрузкам.

Такое выполнение колеса позволяет обеспечивать необходимые динамические прочностные характеристики колес при относительно высоких окружных скоростях вращения.

Изобретение относится к компрессоростроению. На поверхности диска рабочего колеса закреплен слой композиционного материала, у которого отношение модуля упругости к его плотности меньше, чем у материала диска, например слой стеклопластика. Слой композиционного материала с меньшим отношением, по меньшей мере, размещен в кольцевой проточке, расположенной по периферии в теле полотна диска. При упругих колебаниях дисков колеса в местах контакта материалов возникает эффект взаимодействия внутреннего трения. В результате происходит рассеивание энергии колебаний и снижение их амплитуды, что благоприятно сказывается на стойкости колеса к циклическим нагрузкам. Такое выполнение колеса позволяет обеспечивать необходимые динамические прочностные характеристики при относительно высоких окружных скоростях вращения. 1 ил.

Рабочее колесо центробежной машины, содержащее диск с расположенными на нем лопатками и деталями, закрепленными на диске и выполненными из материала, имеющего модуль упругости, отличный от модуля упругости материала диска, отличающееся тем, что в нем в качестве деталей использован слой композиционного материала, у которого отношение модуля упругости к его плотности меньше, чем у материала диска, например, слой стеклопластика, при этом слой композиционного материала, по меньшей мере, размещен в кольцевой проточке, расположенной по периферии в теле полотна диска.