ТУРБИНА ТУРБОМАШИНЫ, ОСНАЩЕННАЯ ЛОПАТКАМИ С РАЗЛИЧНЫМИ РЕЗОНАНСНЫМИ ЧАСТОТАМИ, СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЗАДАННОЙ РЕЗОНАНСНОЙ ЧАСТОТЫ ЛОПАТКИ ТУРБИНЫ Российский патент 2008 года по МПК F01D5/26 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области турбомашин, в частности авиационных двигателей и промышленных газотурбинных установок. Более конкретно изобретение охватывает турбины для таких турбомашин и еще более точно обеспечивает заданную резонансную частоту лопаток этих турбин.

Уровень техники

Обычно лопатка турбины содержит перо, соединенное с внешней (бандажной) полкой и с внутренней полкой, которая переходит в хвостовик, используемый для крепления лопатки к ротору турбины.

Важно не допустить возникновения в турбине турбомашины, в различных режимах ее эксплуатации, нежелательных вибраций, в частности вибраций, порожденных резонансными явлениями.

Однако с учетом ограничений, накладываемых аэродинамическим профилем пера, занимаемым им объемом и его массой, возможности обеспечения требуемой резонансной частоты лопаток путем изменения их геометрии оказываются ограниченными.

В связи с этим в патентной публикации FR 1578562 предлагается предусмотреть различные характеристики рабочих лопаток с одним пером, например различные длины хвостовиков лопаток в радиальном направлении или различные размеры устройств крепления лопаток к ротору. Однако такие решения приводят к нежелательному увеличению массы лопаток или к значительному усложнению процесса изготовления ротора или устройств крепления лопаток к ротору.

Раскрытие изобретения

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании способа изготовления турбины для турбомашины, позволяющего предотвратить возникновение нежелательных вибраций.

Изобретение также направлено на создание способа, характеризующегося широкими возможностями обеспечения требуемой резонансной частоты отдельной лопатки турбины без ухудшения ее качеств с точки зрения аэродинамических характеристик и массы, а также без усложнения процесса установки лопаток или изготовления ротора.

Еще одна задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании турбины турбомашины со значительным уменьшением опасности возникновения в ней нежелательных вибраций без снижения ее рабочих характеристик.

Согласно первому аспекту изобретения предлагается способ изготовления турбины для турбомашины, причем турбина содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо, снабженное лопатками, и согласно данному способу для рабочего колеса или всех рабочих колес использованы лопатки, каждая из которых содержит, по меньшей мере, два пера, соединенные с общими для них внешней полкой, внутренней полкой и хвостовиком. В соответствии с изобретением, по меньшей мере, некоторые из лопаток снабжают полым хвостовиком, который содержит выемку. При этом хвостовикам лопаток, принадлежащих к одному и тому же рабочему колесу, и/или хвостовикам лопаток, принадлежащих к двум разным рабочим колесам, целенаправленно придают различную конфигурацию в части выполняемых в них выемок с целью получения лопаток с существенно различными значениями собственных резонансных частот и достижения таким образом частотного рассогласования (расстройки) между лопатками одного и того же рабочего колеса и/или двух разных рабочих колес.

Использование общего хвостовика открывает более широкие возможности изменения конфигурации выемки хвостовика с целью обеспечения требуемой резонансной частоты лопатки по сравнению с известными рабочими колесами, образованными из лопаток с одним пером.

Таким образом, облегчается осуществление рассогласования резонансных частот лопаток в пределах одного и того же рабочего колеса или резонансных частот лопаток, принадлежащих к разным рабочим колесам. Тем самым уменьшается опасность возникновения вибрации.

Согласно другому аспекту изобретения предлагается способ обеспечения требуемой резонансной частоты рабочей лопатки турбины для турбомашины, причем лопатка содержит, по меньшей мере, два пера, соединенные с общими для них внешней полкой, внутренней полкой и хвостовиком, и получение требуемой резонансной частоты осуществляется формированием выемки в хвостовике лопатки.

В частности, хвостовик лопатки может быть выполнен в форме луковицы, причем обеспечение требуемой резонансной частоты осуществляют путем изменения толщины материала, расположенного по обе стороны от выемки в части хвостовика, имеющей форму перемычки.

В случае лопатки турбины, предназначенной для использования в турбомашине, содержащей компрессор высокого давления и компрессор низкого давления, собственной резонансной частоте лопатки предпочтительно придается значение, превосходящее более чем на 14% частоту моды возбуждения, соответствующей разности N₂-N₁, где N₂ и N₁ обозначают соответственно скорости вращения турбин высокого давления и низкого давления.

В соответствии с еще одним аспектом изобретения предлагается многоступенчатая турбина для турбомашины, содержащая, по меньшей мере, одно рабочее колесо, снабженное лопатками, каждая из которых содержит, по меньшей мере, два пера, соединенные с общими для них внешней полкой, внутренней полкой и хвостовиком. Согласно изобретению, по меньшей мере, некоторые из лопаток рабочего колеса и/или разных рабочих колес имеют полый хвостовик, который содержит выемку. При этом выемки различных лопаток имеют различную конфигурацию, так что указанные лопатки имеют существенно различные собственные резонансные частоты.

Выемка, образованная в хвостовике лопатки, может быть открытой, по меньшей мере, с одной боковой стороны и может быть несквозной.

Некоторые из лопаток могут иметь сплошные (монолитные) хвостовики, лишенные выемок.

Краткое описание чертежей

Другие особенности и преимущества настоящего изобретения станут ясны из нижеследующего подробного описания, приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых представлен один из возможных вариантов осуществления изобретения, не налагающий каких-либо ограничений. На чертежах:

- фиг.1 схематично изображает в разрезе часть турбомашины;

- на фиг.2 представлена в увеличенном виде часть фиг.1;

- фиг.3 схематично изображает в перспективе одну из лопаток турбины, изготовленную с использованием изобретения;

- фиг.4 схематично изображает в увеличенном виде часть внутренней кромки лопатки по фиг.3;

- фиг.5 схематично изображает в увеличенном виде части внутренних кромок двух лопаток по фиг.3, расположенных рядом на рабочем колесе турбины;

- на фиг.6 представлены кривые зависимости резонансной частоты лопатки по фиг.3 и лопатки с одним пером от режима вращения;

- фиг.7 схематично изображает в увеличенном виде часть внутреннего конца рабочей лопатки по другому варианту осуществления изобретения.

Осуществление изобретения

На фиг.1 крайне схематично изображена в разрезе по меридианной плоскости половина турбины турбомашины, например, авиационного турбореактивного двигателя.

Как это хорошо известно, турбина 10 имеет части, соответствующие турбине 12 высокого давления, связанной с валом (не представлен), приводящим во вращение компрессор высокого давления, также не показанный на чертежах, и турбине 16 низкого давления. Эта последняя содержит несколько ступеней, содержащих узлы 18 неподвижных лопаток 20, жестко прикрепленных к внешнему статору 22, и ряды 24 рабочих лопаток 40, связанных с ротором 26. Ротор 26 связан с валом (не представлен), приводящим во вращение компрессор низкого давления, также не показанный на чертежах.

Как видно более ясно из фиг.2, каждая из неподвижных лопаток 20 содержит перо 30, внешнюю полку 32, посредством которой лопатка соединена со статором 22, и внутреннюю полку 34. Эта последняя снабжена истираемым покрытием 36, приходящим в соприкосновение с уплотняющими выступами 38, предусмотренными на роторе 26.

В соответствии с одной из особенностей настоящего изобретения рабочие лопатки 40 содержат более чем одно перо. В примере, проиллюстрированном на фиг.3, каждая рабочая лопатка 40 содержит два пера 42, 44 (т.е. является так называемой двухперовой лопаткой). Концы пера 42 и пера 44 соединены соответственно с внешней (бандажной) полкой 46 и с внутренней полкой 48, общими для пера 42 и пера 44. Общий хвостовик 60 образует выступ на внутренней стороне полки 48 и служит для соединения лопатки 40 с ротором 26.

С внешней стороны внешняя полка 46 снабжена уплотняющими выступами 50, приходящими в соприкосновение с истираемым покрытием 52, нанесенным на статор 22 (фиг.2).

В изображенном варианте осуществления изобретения хвостовик 60 является полым и имеет форму луковицы. Хвостовик 60 содержит несквозную выемку 62, охватывающую часть его толщины. Как видно из фиг.4, выемка 62 открывается с боковой стороны 60а хвостовика, которая в данном случае является его передней стороной (относительно направления течения газа в турбине). Эта выемка также сообщается с отверстием 63 на нижней стороне хвостовика 60. Таким образом, в выемке 62 может быть организована циркуляция воздуха, способствующая охлаждению хвостовика и внутренней полки лопатки. Такой полый хвостовик может быть изготовлен непосредственно в процессе отливки лопатки. Выемка также может быть реализована при механической обработке исходно монолитного (сплошного) хвостовика.

Соединение между лопаткой 40 и ротором 26 осуществлено посредством ввода хвостовика 60 в углубление соответствующей формы, имеющееся на периферии диска ротора. При установке лопаток на ротор и образовании из них полного венца наружные поверхности внутренних полок 48 образуют непрерывную внутреннюю поверхность канала, в котором расположены перо 42 и перо 44. Количество зазоров между соседними лопатками уменьшается вдвое по сравнению с аналогичным рабочим колесом, содержащим лопатки с одним пером. Это позволяет повысить производительность турбины благодаря сокращению утечек между полками лопаток. Герметичность стыков между внутренними полками соседних лопаток может быть дополнительно обеспечена благодаря использованию элемента 54, выступающего в роли дефлектора (фиг.5). Элемент 54 представляет собой сектор кольца с профилем, имеющим форму перевернутой буквы U, перекрывающий стык между двумя смежными внутренними полками и находящийся в контакте с внутренними поверхностями крайних участков этих полок. При этом края элемента 54 прижимаются к боковым поверхностям хвостовиков 60 этих двух смежных лопаток.

Согласно изобретению внешняя полка 46 лопатки 40 обладает периферийным размером, превышающим данный размер для лопатки с одним пером. Это позволяет создать один или множество уплотняющих выступов 50 большей непрерывной длины в периферическом направлении, что дает возможность повысить герметичность уплотнения между верхними краями рабочих лопаток 40 и истираемым покрытием, расположенным на обращенной к ним поверхности статора 22.

В соответствии с одной из отличительных особенностей настоящего изобретения обеспечение требуемой собственной резонансной частоты рабочей лопатки 40 осуществляется путем изменения конфигурации хвостовика лопатки,

При использовании полого хвостовика 60, подобного примененному в примере осуществления изобретения, проиллюстрированном на фиг.3 и 4, обеспечение требуемой резонансной частоты может быть осуществлено путем изменения толщины материала в зоне перемычки 64 (наиболее узкой части хвостовика), т.е. суммы толщин 64а и 64b (фиг.4) по обе стороны от выемки. Такое изменение толщины может быть осуществлено посредством изменения в одну или другую сторону ширины выемки 62 в зоне перемычки 64, не оказывающего влияния на внешние размеры хвостовика 60.

Толщины 64а и 64b не обязательно должны быть равными. Таким образом, диапазон варьирования резонансной частоты лопатки, не влияющего на аэродинамические характеристики и объем этой рабочей лопатки, оказывается достаточно широк.

Дополнительно следует отметить, что использование полого хвостовика способствует уменьшению массы рабочей лопатки и в то же время обеспечивает дополнительные возможности охлаждения благодаря наличию выемки, открывающейся в зоне внутренней полки лопатки, т.е. без снижения механической прочности. В проиллюстрированном примере эта механическая прочность, в частности сопротивляемость механическим напряжениям, воздействующим на рабочую лопатку, зависит в основном от толщины внутренней полки и боковых поверхностей 66а, 66b хвостовика 60, а также основания 68 хвостовика 60.

На фиг.6 кривая I представляет зависимость собственной резонансной частоты F рабочей лопатки турбины низкого давления авиационного турбореактивного двигателя, подобной изображенной на фиг.3 и 4, от скорости вращения турбины низкого давления. Эта частота F может быть изменена путем изменения толщины материала в зоне перемычки полого хвостовика. На том же чертеже в виде кривой N₂-N₁ показана основная мода возбуждения на самых низких частотах, где N₂ и N₁ - скорости вращения турбин соответственно высокого давления и низкого давления.

Для сравнения также представлена кривая II, изображающая собственную резонансную частоту F' известной рабочей лопатки с одним пером, форма и размеры пера которой совпадают с соответствующими характеристиками каждого из двух перьев лопатки с резонансной частотой F. При этом соответствующие лопатки, имеющие одно перо и два пера, предназначены для образования взаимозаменяемых рабочих колес турбины одинаковых размеров.

Можно заключить, что в режиме высокой скорости вращения резонансная частота F' всего на 14% превышает частоту, соответствующую моде возбуждения N₂-N₁. Отсюда следует, что увеличение частоты F' с целью удаления от моды возбуждения N₂-N₁ невозможно осуществить на практике, не затрагивая механических или аэродинамических характеристик лопатки с одним пером.

Напротив, при использовании двухперовой лопатки становится возможно путем изменения конфигурации общего хвостовика произвести обеспечение требуемой собственной резонансной частоты так, чтобы придать ей значение, достаточно удаленное от частоты моды возбуждения N₂-N₁. Это позволяет уменьшить опасность возникновения нежелательных вибраций. В частности, значение резонансной частоты может отличаться от частоты моды N₂-N₁ более чем на 14%, а в предпочтительном варианте, по меньшей мере, на 20%. Так, как показано на фиг.6, резонансной частоте F в случае использования двухперовой лопатки может быть придано значение, превышающее частоту моды возбуждения N₂-N₁ более чем на 35%, т.е. на 21% больше, чем в случае лопатки с одним пером.

Дополнительно в соответствии с другой отличительной особенностью изобретения предоставляемый таким образом широкий диапазон варьирования резонансной частоты рабочих лопаток позволяет устанавливать существенно различные значения этой частоты для лопаток, принадлежащих к одному и тому же рабочему колесу, и/или для лопаток, принадлежащих к разным рабочим колесам, входящим в состав турбины низкого давления. Под значительно различными значениями здесь понимаются значения резонансной частоты, отличающиеся друг от друга, по меньшей мере, на 1%. В оптимальном варианте эти различные значения частоты должны превышать частоту моды возбуждения при низких частотах N₂-N₁ более чем на 14%, а в предпочтительном варианте, по меньшей мере, на 20%.

Таким образом, по меньшей мере, в некоторых рабочих колесах, а в предпочтительном варианте во всех рабочих колесах, образующих ступени турбины низкого давления, можно использовать лопатки, не все из которых имеют одинаковую резонансную частоту, с целью частотного рассогласования рабочего колеса. Изменение резонансной частоты осуществляется путем придания различных форм и размеров выемкам в хвостовиках лопаток. Также возможно сочетать в рамках одного рабочего колеса использование лопаток с полым хвостовиком и лопаток с монолитным хвостовиком, лишенным выемки. С целью ограничения количества различных используемых деталей можно использовать в рамках одного рабочего колеса всего несколько различных конфигураций хвостовиков лопаток. Таким образом, можно избежать одновременного возникновения вибрации во всех лопатках одного и того же колеса.

С целью частотного рассогласования (расстройки) рабочих колес различных ступеней можно придать лопаткам одного рабочего колеса резонансную частоту, отличную от резонансной частоты лопаток другого рабочего колеса. Изменение резонансной частоты от одного рабочего колеса к другому может быть достигнуто, в частности, путем подбора форм и/или размеров выемок в хвостовиках лопаток. Также возможно изготовление некоторых из рабочих колес с лопатками, содержащими монолитные (сплошные) хвостовики, лишенные выемок. Таким образом, можно избежать одновременного возникновения вибрации во всех рабочих колесах турбины.

Две вышеописанные возможности можно комбинировать, т.е. использовать, по меньшей мере, отчасти рассогласованные рабочие колеса с различными наборами резонансных частот лопаток для различных колес.

Возможны и иные изменения и модификации вышеописанного способа осуществления, не выходящие за рамки настоящего изобретения.

Так, в соответствии с вариантом осуществления изобретения, схематично проиллюстрированным на фиг.7, лопатка 140 отличается от лопатки, изображенной на фиг.3 и 4, только тем, что хвостовик 160 лопатки 140 имеет елочный профиль. Варьирование частоты может быть осуществлено по способу, описанному выше, путем придания определенной конфигурации выемке 162, предпочтительно несквозной, которая образована в хвостовике 160. Выемка 162 может сообщаться с отверстием 163, выполненным в основании хвостовика 162.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения рабочая лопатка может содержать более чем два пера, соединенных с общими внешней полкой, внутренней полкой и хвостовиком.

Хотя выше был рассмотрен пример турбины низкого давления турбомашины, настоящее изобретение также может быть применено к рабочим колесам турбин высокого давления турбомашин. Кроме того, настоящее изобретение может быть применено не только к авиационным, но также и к промышленным турбинам.

Способ изготовления турбины турбомашины, содержащей рабочие колеса с лопатками, каждая из которых включает, по меньшей мере, два пера, соединенные с общими для них внешней полкой, внутренней полкой и хвостовиком, заключается в том, что некоторые из лопаток снабжают полым хвостовиком, содержащим выемку. При этом хвостовикам лопаток, принадлежащих к одному и тому же рабочему колесу, и/или хвостовикам лопаток, принадлежащих к двум разным рабочим колесам, придают различную конфигурацию в части выполняемых в них выемок. Тем самым получают лопатки с различными значениями собственных резонансных частот и достигают частотное рассогласование между лопатками. Способ обеспечения требуемой резонансной частоты лопатки турбины для турбомашины, содержащей турбину низкого давления и турбину высокого давления, осуществляют формированием выемки в хвостовике лопатки. При этом используют лопатку, имеющую, по меньшей мере, два пера, соединенные с общими для них внутренней полкой, внешней полкой и хвостовиком, а требуемое значение собственной резонансной частоты лопатки превосходит более чем на 14% частоту моды возбуждения, соответствующей разности N₂-N₁, где N₂ и N₁ соответственно обозначают скорости вращения турбин высокого давления и низкого давления. Многоступенчатая турбина турбомашины содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо, оснащенное лопатками. Каждая из лопаток содержит, по меньшей мере, два пера, соединенные с общими для них внешней полкой, внутренней полкой и хвостовиком. При этом, по меньшей мере, некоторые из лопаток имеют полый хвостовик, который содержит выемку, а выемки различных лопаток имеют различную конфигурацию, так что указанные лопатки имеют различные собственные резонансные частоты. Изобретения позволяют снизить опасность возникновения вибраций за счет рассогласования резонансных частот в пределах одного рабочего колеса либо нескольких рабочих колес турбины. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ изготовления турбины для турбомашины, причем турбина содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо, оснащенное лопатками, и для рабочего колеса или для всех рабочих колес использованы лопатки (40; 140), каждая из которых содержит, по меньшей мере, два пера (42; 44), соединенные с общими для них внешней полкой (46), внутренней полкой (48) и хвостовиком (60; 160), отличающийся тем, что, по меньшей мере, некоторые из лопаток снабжают полым хвостовиком, который содержит выемку, а хвостовикам (60; 160) лопаток, принадлежащих к одному и тому же рабочему колесу, и/или хвостовикам (60; 160) лопаток, принадлежащих к двум разным рабочим колесам, целенаправленно придают различную конфигурацию в части выполняемых в них выемок с целью получения лопаток с существенно различными значениями собственных резонансных частот и достижения таким образом частотного рассогласования между лопатками одного и того же рабочего колеса и/или двух разных рабочих колес.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют лопатки, хвостовики некоторых из которых выполнены сплошными и лишенными выемок.3. Способ обеспечения требуемой резонансной частоты лопатки турбины, содержащей, по меньшей мере, одно рабочее колесо, оснащенное лопатками, и предназначенной для использования в турбомашине, содержащей турбину низкого давления и турбину высокого давления, отличающийся тем, что используют лопатку (40; 140), имеющую, по меньшей мере, два пера, соединенные с общими для них внутренней полкой, внешней полкой и хвостовиком (60; 160), и получение требуемого значения собственной резонансной частоты лопатки, превосходящего более чем на 14% частоту моды возбуждения, соответствующей разности N₂-N₁, где N₂ и N₁ соответственно обозначают скорости вращения турбин высокого давления и низкого давления, осуществляют формированием выемки (62; 162) в хвостовике лопатки.4. Способ по п.3, отличающийся тем, что хвостовик (60) лопатки выполняют в форме луковицы, а получение требуемой резонансной частоты осуществляют путем изменения толщины материала, расположенного по обе стороны от выемки в части хвостовика, имеющей форму перемычки (64).5. Многоступенчатая турбина для турбомашины, содержащая, по меньшей мере, одно рабочее колесо, оснащенное лопатками (40; 140), каждая из которых содержит, по меньшей мере, два пера (42; 44), соединенные с общими для них внешней полкой (46), внутренней полкой (48) и хвостовиком (60; 160), отличающаяся тем, что, по меньшей мере, некоторые из лопаток имеют полый хвостовик, который содержит выемку, причем выемки различных лопаток имеют различную конфигурацию, так что указанные лопатки имеют существенно различные собственные резонансные частоты.6. Турбина по п.5, отличающаяся тем, что выемка (62; 162) открыта, по меньшей мере, с одной боковой стороны хвостовика (60; 160).7. Турбина по п.6, отличающаяся тем, что выемка (62; 162) выполнена несквозной и открытой только с одной боковой стороны хвостовика (60; 160).8. Турбина по любому из пп.5-7, отличающаяся тем, что некоторые из лопаток содержат хвостовики, выполненные сплошными и лишенными выемок.9. Турбина по п.5, отличающаяся тем, что при использовании в турбомашине, содержащей турбину низкого давления и турбину высокого давления, каждая рабочая лопатка (40; 140) турбины имеет собственную резонансную частоту, превосходящую более чем на 14% частоту моды возбуждения, соответствующей разности N₂-N₁, где N₂ и N₁ соответственно обозначают скорости вращения турбин высокого давления и низкого давления.