КРЕПЛЕНИЕ ЛОПАТОК ЛОПАСТНОЙ МАШИНЫ Российский патент 2007 года по МПК F01D5/32 

Область техники

Изобретение относится к креплению или анкеровке лопаток лопастной машины посредством оснований лопаток на роторе или статоре лопастной машины.

Уровень техники

Подобные крепления лопаток выполняются, как правило, в роторах компрессоров или тепловых турбомашинах. Они во множестве известны из уровня техники.

Лопатки устанавливают хвостовиком в паз, выполненный на роторе. Хвостовик лопатки служит при этом для передачи на ротор усилий и моментов.

Для гашения колебаний зачастую на вершине пера лопатки размещают бандаж или внутри пера лопатки опорные крылья. Это описано, например, в DE 1159965.

Также в AT 254227 раскрыт бандаж лопастного венца турбины или компрессора, в котором бандажи прижимаются друг к другу за счет воздействия усилия. Устройство приводит к упругому натяжению пера лопатки. Это торсионное натяжение пера лопатки происходит между бандажом и хвостовиком лопатки, что, однако, приводит к дополнительной нагрузке на хвостовик лопатки и ротор. Поскольку возникающие усилия должны восприниматься не только пером лопатки, но и ее хвостовиком и ротором, они выполнены соответственно более массивными.

Зачастую между отдельными хвостовиками лопаток турбин расположены проставки, которые должны воспринимать усилия и служить также для гашения колебаний. Это известно, например, из US 2916257 и 3734645. Другое крепление рабочей лопатки известно также из ЕР-А1-520258. Для ограничения окружных усилий вследствие тепловых расширений между рабочими лопатками предусмотрены продольные ребра.

Недостаток решений такого уровня техники состоит в том, что нагрузка передается на ротор, в принципе, через хвостовик лопатки. Это относится, в частности, к упомянутым выше скручивающим моментам. Более массивное выполнение ротора и хвостовиков лопаток оказывает, однако, негативные воздействия, в частности, на ширину лопатки и ее хвостовика, а также диска рабочего колеса и, тем самым, также на общую длину ротора. Из-за более высокой нагрузки на хвостовик пришлось отказаться от более дешевых выполнений хвостовика (например, Т-образный хвостовик, хвостовик лопатки верховой посадки) и вместо этого использовать более стабильные и более дорогие формы хвостовика (например, вставной хвостовик).

Изложение изобретения

Целью изобретения является устранение названных недостатков. В основу изобретения положена задача создания ротора или статора лопастной машины с таким креплением лопаток на них, посредством которого можно было бы воспринимать скручивающие моменты хвостовиком лопатки или хвостовой пластиной лопатки при одновременной разгрузке ротора/статора и хвостовика лопатки. К тому же должна быть уменьшена общая длина ротора/статора или при той же длине увеличено число рядов лопаток и/или обеспечено использование дешевых соединений хвостовиков.

Поставленная задача решается тем, что в роторе или статоре лопастной машины, содержащем лопатки, которые хвостовиками в виде рядов лопаток закреплены на роторе или статоре, при этом лопатки содержат хвостовую пластину, бандаж или опорное крыло над хвостовиком и перо, и при этом бандаж или опорное крыло воспринимает скручивающий момент, согласно изобретению после монтажа всех лопаток одного ряда лопатки граничат друг с другом своими хвостовыми пластинами без зазора и таким образом взаимно поддерживают друг друга относительно действия скручивающих моментов, и при этом действующие на хвостовые пластины скручивающие моменты противоположны скручивающим моментам, действующим на бандаж или на опорное крыло.

Предпочтительным в этой форме выполнения является то, что скручивающие моменты воспринимаются больше не ротором или не только ротором, а граничащими между собой хвостовыми пластинами и/или хвостовиками лопаток, поскольку скручивание этих обоих конструктивных элементов предотвращено. Благодаря этой мере хвостовик лопатки, а также ротор (или статор) может иметь соответственно меньшие размеры, поскольку на поверхности контакта ротор (статор)/хвостовик лопатки не должны больше восприниматься никакие большие усилия. В целом, можно, следовательно, уменьшить длину ротора. Увеличивается число рядов лопаток при той же длине ротора (статора) и, тем самым, повышается к.п.д.

Предпочтительно, чтобы как хвостовая пластина, так и бандаж или опорное крыло имели скос, расположенный в том месте, в котором действуют скручивающие моменты и в котором лопатки поддерживают друг друга, за счет чего в этом месте взаимно воспринимаются скручивающие моменты.

Можно бандаж или опорное крыло расположить на пере лопатки между хвостовой пластиной и вершиной лопатки. Кроме того, можно использовать другие соединения хвостовиков, которые с прежней техникой использовать было бы невозможно. Например, можно предпочтительно использовать однозубый вставной хвостовик, Т-образный хвостовик или равнозначный простой хвостовик лопатки. Такие хвостовики лопаток могут быть изготовлены просто и без больших трудностей известными способами фрезерования.

Желательно в хвостовике лопатки дополнительно выполнить отверстия, через которые закреплять хвостовик болтами на роторе или статоре.

При этом лопатки представляют собой направляющие или рабочие лопатки турбины или компрессора.

Не менее предпочтительно, когда хвостовые пластины граничат друг с другом с предварительным натягом.

Краткое описание чертежей

На чертежах изображено:

- фиг.1: лопатка паровой турбины с однозубым хвостовиком и бандажом/опорным крылом;

фиг.2: лопатка паровой турбины с опорной пластиной (опорным крылом) внутри пера лопатки;

фиг.3: вид сверху на пример выполнения согласно изобретению с бандажами турбинных лопаток;

- фиг.4: разрез примера выполнения согласно изобретению турбинных лопаток, которые расположены в пазу ротора или статора лопаточной машины, причем видны хвостовые пластины. Изображены только существенные для изобретения элементы.

Одинаковые элементы обозначены на разных фигурах одинаковыми ссылочными позициями.

Сущность изобретения

На фиг.1 изображена лопатка 1 лопастной машины, т.е., например, паровой турбины или компрессора. Лопатка 1, которая может представлять собой рабочую или направляющую лопатку, состоит из хвостовика 4, примыкающей к хвостовику 4 хвостовой пластины 3, бандажа 2 или опорного крыла или опорной пластины и находящегося между хвостовой пластиной 3 и бандажом 2 пера 5. Хвостовик 4 лопатки выполнен на фиг.1 в виде однозубого вставного хвостовика 4а. Он служит для крепления лопатки 1 на роторе 6 или статоре (на фиг.1 не показан). Как хвостовая пластина 3, так и бандаж 2 лопатки 1 снабжены скосом 9. Скос 9 находится с одной стороны бандажа 2 и хвостовой пластины 3, т.е. скос 9 следует понимать при виде сверху на обе пластины 2, 3, как это видно на фиг.3 и 4. Возможно также выполнение скоса 9 и на хвостовике 4 лопатки. Лопатка 1 может представлять собой также лопатку с многозубым вставным хвостовиком.

Как видно из фиг.2, бандаж 2 может быть размещен на пере 5 лопатки между вершиной 14 лопатки и хвостовой пластиной 3. Это относится, в целом, ко всем типам лопаток.

У лопаток, изображенных на фиг.1 и 2, в хвостовике 4, 4а дополнительно выполнены отверстия 11, служащие для крепления хвостовика болтами на роторе или статоре.

При установке лопаток 1₁, 1₂, 1₃, 1_n в пазу 8 на роторе 6 или на статоре к бандажу 2 прикладывают скручивающие моменты 13, которые действуют в направлении скоса 9. При этом возникает место 7 контакта, в котором воспринимаются скручивающие моменты 13. Это изображено в развертке лопаток на фиг.3, показывающей вид сверху на различные лопатки 1₁, 1₂, 1₃, 1_n. Таким образом, лопатки 1₁, 1₂, 1₃, 1_n приобретают определенное натяжение. Между другой частью бандажа 2, на которой бандажи 2 не граничат между собой, возникает, таким образом, зазор 10. Далее на фиг.3 видны перья 5 лопаток, которые могут находиться под бандажом 2. В случае промежуточного расположения бандажа 2 на пере 5 лопатки, как это показано на фиг.2, оно находится над и под бандажом 2.

На фиг.4 изображен разрез ряда лопаток, причем на этой фигуре видны хвостовые пластины 3 лопаток 1₁, 1₂, 1₃, 1_n.

Соседние хвостовые пластины 3 стыкуются между собой в местах 7 контакта непосредственно и без зазора. Места 7 контакта между соседними пластинами 3 находятся в зоне скосов 9. В другой части хвостовых пластин 3 возникает зазор 10. Действующие на хвостовые пластины 3 скручивающие моменты 12 противоположны, однако, показанным на фиг.3 скручивающим моментам 13, так что скосы 9 расположены на соответственно другом конце каждой пластины 2, 3. Согласно изобретению можно также предусмотреть между отдельными хвостовыми пластинами 3 натяжение. Место 7 контакта может также относиться, в целом, к граничащим хвостовым пластинам 3 без образования зазора 10. Скосы 9, как это показано на фиг.1, могут относиться также к зонам хвостовика 4 лопатки. Это, однако, на фиг.4 подробно не показано.

Поскольку соседние рабочие лопатки 1₁, 1₂, 1₃, 1_n граничат между собой на скосе 9, а скручивающий момент 12 действует в этом направлении, рабочие лопатки 1₁, 1₂, 1₃, 1_n опираются друг на друга. Скручивания не происходит или оно происходит лишь в очень малой степени, так что усилие воспринимается самими рабочими лопатками 1₁, 1₂, 1₃, 1_n, а не ротором 6 (или статором) или пазом 8. Благодаря этому виду расположения рабочих лопаток 1₁, 1₂, 1₃, 1_n уменьшается нагрузка на ротор 6. Это происходит, в первую очередь, за счет установки без зазора или с натягом на хвостовых пластинах 3 и/или на хвостовиках 4 лопаток. Скос 9 должен быть тогда, само собой, выполнен также на хвостовике 4 лопатки с тем, чтобы учитывать данный эффект.

Однозубый вставной хвостовик, изображенный на фиг.1, взят, однако, лишь для примера. В качестве хвостовика 4 лопатки могут использоваться различные, известные сами по себе из уровня техники типы, например Т-образный хвостовик или хвостовик верховой посадки.

Особенно примечательно, однако, то, что могут использоваться также хвостовики 4 лопаток, которые до сих пор не использовались или использовались лишь в затрудненных условиях. Это возможно благодаря уменьшенной передаче усилия от хвостовика 4 лопатки на ротор 6 или на статор. Поскольку хвостовики 4 лопаток, а также ротор 6 или статор могут иметь меньшие размеры (например, по ширине), общая длина ротора 6 может быть уменьшена или при той же длине ротора 6 (статора) за счет дополнительных рядов лопаток повышен к.п.д. лопастной машины. Имеющиеся роторы 6 (статоры) могут быть легко переоборудованы на новый вид крепления рабочих лопаток 1. Это является преимуществом, поскольку могут использоваться более простые лопатки 1, которые могут быть изготовлены экономичнее. Например, изображенный на фиг.1 вставной хвостовик или Т-образный хвостовик может быть изготовлен простым образом известными способами фрезерования.

Перечень ссылочных позиций

1₁, 1₂, 1₃, 1_n - лопатка

2 - бандаж

3 - хвостовая пластина

4 - хвостовик лопатки

4а - однозубый хвостовик лопатки

5 - перо лопатки

6 - ротор

7 - место контакта

8 - паз

9 - скос

10 - зазор

11 - отверстие

12 - скручивающий момент на хвостовой пластине 3

13 - скручивающий момент на бандаже 2

14 - вершина турбинной лопатки

Узел крепления лопаток лопастной машины содержит лопатки, которые хвостовиками в виде рядов лопаток закреплены на роторе или статоре. Лопатки содержат хвостовую пластину, бандаж или опорное крыло над хвостовиком и перо. Бандаж или опорное крыло воспринимает скручивающий момент. После монтажа всех лопаток одного ряда лопатки граничат друг с другом своими хвостовыми пластинами без зазора и таким образом взаимно поддерживают друг друга относительно действия скручивающих моментов. Действующие на хвостовые пластины скручивающие моменты противоположны скручивающим моментам, действующим на бандаж или на опорное крыло. Изобретение позволяет воспринимать скручивающие моменты хвостовой пластиной лопатки и одновременно разгрузить от действия этого момента хвостовик лопатки, а также ротор или статор. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Узел крепления лопаток лопастной машины, содержащий лопатки (l, l₁, l₂, l₃, l_n), которые хвостовиками (4) в виде рядов лопаток закреплены на роторе (6) или статоре, при этом лопатки (l, l₁, l₂, l₃, l_n) содержат хвостовую пластину (3), бандаж (2) или опорное крыло над хвостовиком (4) и перо (5), и при этом бандаж (2) или опорное крыло воспринимает скручивающий момент (13), отличающийся тем, что после монтажа всех лопаток (l, l₁, l₂, l₃, l_n) одного ряда лопатки (l, l₁, l₂, l₃, l_n) граничат друг с другом своими хвостовыми пластинами без зазора и таким образом взаимно поддерживают друг друга относительно действия скручивающих моментов (12), и при этом действующие на хвостовые пластины (3) скручивающие моменты (12) противоположны скручивающим моментам (13), действующим на бандаж (2) или на опорное крыло.2. Узел крепления лопаток по п.1, отличающийся тем, что как хвостовая пластина (3), так и бандаж (2) или опорное крыло имеют скос (9), расположенный в том месте, в котором действуют скручивающие моменты (12, 13) и в котором лопатки (l, l₁, l₂, l₃, l_n) поддерживают друг друга.3. Узел крепления лопаток по п.1 или 2, отличающийся тем, что бандаж (2) или опорное крыло расположен на пере (5) лопатки между хвостовой пластиной (3) и вершиной (14) лопатки.4. Узел крепления лопаток по любому из пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что в качестве хвостовика (4) лопатки используют однозубый (4а), или многозубый вставной хвостовик, или Т-образный хвостовик.5. Узел крепления лопаток по п.4, отличающийся тем, что в хвостовике (4) лопатки дополнительно выполнены отверстия (11), через которые хвостовик (4) закреплен болтами на роторе (6) или статоре.6. Узел крепления лопаток по п.4 или 5, отличающийся тем, что лопатки (l, l₁, l₂, l₃, l_n) представляют собой направляющие или рабочие лопатки турбины или компрессора.7. Узел крепления лопаток по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что хвостовые пластины граничат друг с другом с предварительным натягом.