РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ТУРБИНЫ (ВАРИАНТЫ), А ТАКЖЕ КРЕПЛЕНИЕ РАБОЧЕГО КОЛЕСА И ЛОПАСТИ ТУРБИНЫ Российский патент 2010 года по МПК F01D5/32 

Настоящее изобретение относится к креплению между пазом в виде ласточкина хвоста рабочего колеса и креплением в форме ласточкина хвоста на лопастях для минимизации концентрированных напряжений, вызываемых центробежной силой лопастей в пальцах колеса и, в частности, относится к сложной галтели на переходе пальца колеса между участками разной радиальной толщины и на донных участках пальца колеса для снижения напряжения для заданного ряда радиусов.

В турбинах, в частности в паровых турбинах (см., например, публикацию JP 2000-161007), крепление между множеством лопастей и рабочим колесом, как правило, осуществляется при помощи радиально входящих пальцев в виде ласточкина хвоста лопасти и радиальных пальцев по краям рабочего колеса. Например, пальцы в виде ласточкина хвоста на лопастях включают в себя множество отстоящих по оси пальцев, имеющих участки, которые имеют уменьшенную толщину в радиально внутреннем направлении, для помещения в пазы, образованные между радиальными смежными по оси выступающими наружу пальцами, имеющими участки, которые уменьшаются в толщине в радиально наружном направлении по краю рабочего колеса. Проходящие по оси штифты прикрепляют пальцы колеса и лопастей друг к другу. Галтели одного радиуса обычно используются в пальцах колеса в переходах между участками разной толщины. Подобные галтели используют на дне пазов пальцев в колесе.

Во многих паровых турбинах пальцы в виде ласточкина хвоста устанавливаются в конструкциях, которые подвержены трещинам, образующимся в результате коррозии под напряжением (SCC). SCC усиливается уровнями напряжения, которые присутствуют в переходных галтелях колеса и на дне пазов. Эти напряжения, как правило, являются приемлемыми. Однако в паровых турбинах, имеющих загрязненный пар, могут возникать трещины, и, если этого не заметить, они могут достигнуть глубины, которая вызовет повреждение пальцев колеса. Опыт показал, что трескаются пальцы в виде ласточкина хвоста на колесе, в то время как ласточкины хвосты лопастей, как правило, не трескаются. Это возникает из-за того, что материалы, используемые для рабочих колес, обладают меньшим сопротивлением SCC, чем материалы, используемые для лопастей. Например, NiCrMoV и другие низколегированные стали, как правило, используются в колесах, а стали 12 Сr, как правило, используются для лопастей, так как эти материалы обладают оптимальной комбинацией свойств, приемлемых для общей конструкции низкого давления. Как правило, используется один радиус переходных галтелей колеса и дна пазов, причем в этих местах могут возникать трещины из-за коррозии под напряжением. Соответственно существует необходимость в создании эффективных средств для избежания SCC в пальцах колеса, которые совместимы с существующими паровыми каналами и не оказывают влияния на геометрию ласточкина хвоста лопасти и снижают концентрацию напряжений.

Согласно первому объекту настоящего изобретения создано рабочее колесо турбины, содержащее множество пальцев колеса, отстоящих друг от друга по оси и проходящих по окружности по краю колеса, для размещения пальцев лопастей; причем пальцы колеса включают в себя множество проходящих по окружности участков с толщиной, ступенчато уменьшающейся в направлении по радиусу наружу; и каждый из пальцев колеса имеет галтели в переходах между по радиусу соседними участками, каждая из которых состоит из первого и второго закругленных участков, причем у первого участка радиус превышает радиус второго участка, при этом соседние по оси пальцы колеса в самом внутреннем по радиусу местоположении по краю колеса образуют дно паза, имеющего форму по существу ласточкиного хвоста, между соседними пальцами колеса, причем дно паза имеет пару галтелей дна паза, состоящих из первого и второго закругленных участков, из которых первый участок каждой галтели дна паза имеет радиус больше радиуса второго ее участка, и дно паза содержит гладкий участок, проходящий по оси и по окружности между вторыми участками каждой пары галтелей дна паза.

Предпочтительно первый участок большего радиуса галтелей пальцев колеса проходит по пальцу колеса по радиусу снаружи второго участка каждой из галтелей пальцев колеса в каждом местоположении галтели.

Предпочтительно первый участок каждой галтели дна паза проходит по пальцу колеса по радиусу снаружи второго участка галтели дна паза.

Согласно второму объекту настоящего изобретения создано рабочее колесо турбины, содержащее множество пальцев колеса, отстоящих друг от друга по оси и проходящих по окружности по краю колеса, для размещения пальцев лопастей; причем пальцы колеса включают в себя множество проходящих по окружности участков с толщиной, ступенчато уменьшающейся в направлении по радиусу наружу; соседние по оси пальцы колеса в самых внутренних по радиусу местоположениях по краю колеса образуют дно паза, имеющего форму по существу ласточкина хвоста, между соседними пальцами колеса; при этом дно паза имеет пару галтелей, каждая из которых состоит из первого и второго закругленных участков, у которых радиус первого участка каждой галтели дна паза превышает радиус его второго участка, и первый участок каждой галтели дна паза проходит по пальцу колеса по радиусу снаружи ее второго участка, причем дно паза включает в себя гладкий участок, проходящий по оси и по окружности между вторыми участками каждой из пары галтелей паза дна.

Согласно третьему объекту настоящего изобретения создано крепление рабочего колеса и лопастей турбины, содержащее множество пальцев колеса, отстоящих друг от друга по оси и проходящих по окружности по краю колеса, причем пальцы колеса образуют между собой пазы, имеющие дно, множество лопастей, каждая из которых имеет множество пальцев лопастей, проходящих по радиусу внутрь пазов пальцев колеса, штифты, проходящие в основном по оси через колесо и пальцы лопастей для крепления лопастей и колеса друг к другу; при этом пальцы колеса включают в себя множество проходящих по окружности участков, толщина которых ступенчато уменьшается в направлении по радиусу наружу, и каждый из пальцев колеса имеет галтели в переходах между соседними по радиусу участками и на дне пазов пальцев колеса, причем галтели на дне каждого паза колеса являются галтелями, состоящими из закругленных участков, разделенными гладким участком.

Предпочтительно каждая из галтелей в переходах между соседними по радиусу участками имеет первый и второй закругленные участки, у которых радиус первого участка превышает радиус второго участка.

Предпочтительно каждый первый участок большего радиуса проходит по пальцу колеса по радиусу снаружи второго участка в каждом местоположении галтели.

Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - частичный вид в перспективе участков лопасти и ее присоединения к краю рабочего колеса турбины;

Фиг.2 - частичный тангенциальный вид в увеличенном масштабе пальцев в виде ласточкина хвоста колеса; и

Фиг.3 и 4 - частичные виды галтелей на переходе участков пальцев колеса разной толщины и на дне пазов соответственно.

На Фиг.1 показана часть участка края рабочего колеса 10, иллюстрирующая крепление множества лопастей, при этом показана лишь одна лопасть 12, к рабочему колесу. Рабочее колесо 10 включает в себя множество пальцев 14, проходящих радиально наружу, при этом два концевых пальца 16 расположены вдоль противоположных относительно оси сторон колеса 10. Пальцы 14 и 16 образуют паз в форме ласточкина хвоста колеса. Четыре промежуточных пальца 18 колеса проходят между концевыми пальцами 16 колеса. Пальцы 16 и 18 проходят в периферийном направлении по краю колеса и выступают радиально наружу, образуя пазы 20 пальцев колеса между собой. Каждый палец 18 колеса, как наилучшим образом показано на Фиг.2, включает в себя ряд проходящих по периферии участков или ступеней уменьшенной осевой толщины в радиально наружном направлении. Например, палец 18 колеса, показанный на Фиг.2, включает в себя участки 22, 24 и 26 уменьшенной толщины, причем уменьшение толщины происходит ступенчато по радиусу наружу. Галтель 28 образует переход между самым толстым участком 22 и промежуточным участком 24 на каждой из противоположных сторон каждого пальца колеса. Галтель 30 также образует переход между участком 24 промежуточной толщины и последним радиально внешним наиболее тонким участком 26 на каждой из противоположных сторон каждого пальца колеса. Вновь ссылаясь на Фиг.1, можно понять, что концевые пальцы 16 колеса подобным образом имеют галтели 28 и 30 на их внутренних относительно оси поверхностях в переходах между участками разной осевой толщины.

Также, как лучше показано на Фиг.2, пазы 20 между соседними пальцами 18 колеса и между концевыми пальцами 16 колеса и наиболее внешними относительно оси промежуточными пальцами 18 колеса заканчиваются пазами с дном 32. Пазы с дном 32 образуют галтели 34 с поверхностями боковых стенок соседних пальцев колеса.

Каждая лопасть 12 включает в себя аэродинамическую поверхность 40, имеющую корневую часть, или основание 42, из которого выступают радиально внутрь множество пальцев 44 в виде ласточкина хвоста. Пальцы 44, как правило, совпадают по форме с пазами пальцев между соседними промежуточными пальцами 18 колеса. Основание 42 каждой лопасти 12 имеет паз, не показано, на одной стороне и тангенциальный выступ 46 вдоль его другой стороны. Промежуточные пальцы 44 находятся вровень с поверхностями паза и выступа 46.

Лопасть 12 также включает в себя концевые пальцы 48 на соседних относительно оси противоположных сторонах лопасти. Таким образом, концевые пальцы 48 тангенциально отклонены от промежуточных пальцев 44 лопасти. Концевые пальцы 48 имеют множество, предпочтительно три, полуцилиндрических отверстий 50. Каждый из промежуточных пальцев 44 лопасти 12 имеет полное круглое отверстие, коаксиальное полукруглым отверстиям 50. Дополнительно, пальцы 16 и 18 колеса имеют круглые отверстия, выровненные с полукруглыми концевыми пальцами 48 лопасти и круглыми отверстиями в промежуточных пальцах 44 лопасти. Таким образом, когда лопасти радиально помещаются на рабочее колесо 10, пальцы лопасти и пальцы колеса входят во встречно-гребенчатое соединение, причем их отверстия выровнены относительно друг друга. Штифты 49 могут таким образом быть помещены в выровненные отверстия и закреплены для поддержания соединения между лопастями и рабочим колесом. Очевидно, что соседние лопасти имеют кольцевые пальцы 48 с полуцилиндрическими отверстиями, и поэтому смежные лопасти, таким образом, имеют общие друг с другом штифты в этой области.

Как отмечено выше, ласточкины хвосты пальцев колеса обычных турбин имеют один радиус на каждом из переходов между участками пальцев разной толщины и на дне 32 пазов пальцев. В предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения в области перехода каждого из пальцев колеса выполняется сложная галтель для снятия напряжений. Очевидно, что аэродинамическая поверхность и ласточкин хвост лопасти оказывают центробежную нагрузку на штифты, которые скрепляют лопасти и колесо друг с другом. Эти силы вызывают напряжения в ласточкином хвосте колеса и пиковые напряжения в галтелях и областях дна пазов в пальцах колеса. Согласно предпочтительному варианту воплощения настоящего изобретения используется сложная галтель 61, т.е. галтель, имеющая первый больший радиус 60 и второй меньший радиус 62. Например, как показано на Фиг.3, иллюстрирующей переходные галтели 28 между участками 22, 24 и 24, 26 пальца колеса, больший радиус 60 переходит в боковую поверхность смежного пальца и переходит в меньший радиус 62. В качестве иллюстративного примера, больший радиус может составлять 0,225 дюйма, а меньший радиус может составлять 0,080 дюйма. Расстояние d от центра большего радиуса 64 составляет 0,130 дюйма. Таким образом, больший радиус 60 находится радиально снаружи меньшего радиуса 62. С точки зрения концентрации напряжений, больший радиус соответственно обладает большей сопротивляемостью напряжениям.

Дополнительно, как показано на Фиг.4, каждая галтель, образующая дно 32 каждого паза, подобным образом имеет сложную галтель. Например, галтель 34 включает в себя больший радиус 68 и меньший радиус 70. Каждый участок 68 большого радиуса переходит к боковой стенке основания пальцев 18 или 16 колеса, в то время как каждый меньший радиус 70 переходит от большего радиуса 68 к небольшому плоскому участку 72 в основании дна 32 паза. Больший радиус 68 может составлять, например, 0,225 дюйма, а меньший радиус 70 - 0,080 дюйма. Центр большего радиуса может быть расположен на расстоянии 0,146 дюйма в радиальном направлении от дна паза. Плоский участок проходит по оси на расстояние примерно в 0,16 дюйма.

При помощи описанной геометрии конфигурация соединения в виде ласточкина хвоста пальцев лопасти и колеса испытывает достаточно низкие пиковые напряжения на переходах пальцев колеса и дне пазов, для того чтобы избежать трещин, образующихся в результате коррозии под напряжением, на пальцах колеса. Также, что важно с точки зрения изготовления и работоспособности, сложные галтели в областях перехода и дне пазов сочетаются с существующими паровыми каналами и не влияют на геометрию ласточкина хвоста лопасти, таким образом, обеспечивая снижение напряжений в пальцах колеса без изменений в конфигурации лопастей.

Несмотря на то что изобретение было описано относительно наиболее практичного и предпочтительного в настоящее время варианта воплощения, следует понимать, что изобретение не ограничивается описанным вариантом воплощения и оно, наоборот, стремится охватить все различные модификации и эквивалентные элементы и/или конструкции, входящие в объем и сущность прилагаемой формулы изобретения.

Рабочее колесо турбины содержит множество пальцев колеса, включающих множество проходящих по окружности участков с толщиной, ступенчато уменьшающейся в направлении по радиусу наружу. Каждый из пальцев колеса имеет галтели в переходах между соседними участками, каждая из которых состоит из первого и второго закругленных участков, причем у первого участка радиус превышает радиус второго участка. Соседние по оси пальцы колеса в самом внутреннем по радиусу местоположении по краю колеса образуют дно паза, имеющего форму по существу ласточкина хвоста, между соседними пальцами колеса. Дно паза имеет пару галтелей, состоящих из первого и второго закругленных участков, из которых первый участок каждой галтели дна паза имеет радиус больше радиуса второго ее участка. Дно паза также содержит гладкий участок, проходящий по оси и по окружности между вторыми участками каждой пары галтелей дна паза. В другом варианте выполнения рабочего колеса первый участок каждой галтели дна паза проходит по пальцу колеса по радиусу снаружи ее второго участка. Еще одно изобретение группы относится к креплению рабочего колеса и лопастей турбины, включающему множество пальцев колеса, множество лопастей и штифты, проходящие в основном по оси через колесо и пальцы лопастей. Пальцы колеса включают в себя множество проходящих по окружности участков, толщина которых ступенчато уменьшается в направлении по радиусу наружу. Каждый из пальцев колеса имеет галтели в переходах между соседними участками и на дне пазов пальцев колеса, причем галтели на дне каждого паза колеса являются галтелями, состоящими из закругленных участков, разделенными гладким участком. Изобретения позволяют обеспечить уменьшение образования трещин на рабочем колесе за счет снижения концентрации напряжений. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Рабочее колесо (10) турбины, содержащее
множество пальцев (14) колеса, отстоящих друг от друга по оси и проходящих по окружности по краю колеса, для размещения пальцев лопастей;
причем пальцы колеса включают в себя множество проходящих по окружности участков (22, 24, 26) с толщиной, ступенчато уменьшающейся в направлении по радиусу наружу;
и каждый из пальцев колеса имеет галтели (28, 30) в переходах между по радиусу соседними участками, каждая из которых состоит из первого и второго закругленных участков (60, 62), причем у первого участка (60) радиус превышает радиус второго участка (62),
при этом соседние по оси пальцы колеса в самом внутреннем по радиусу местоположении по краю колеса образуют дно паза, имеющего форму, по существу, ласточкина хвоста, между соседними пальцами колеса, причем дно паза имеет пару галтелей дна паза, состоящих из первого и второго закругленных участков, из которых первый участок каждой галтели дна паза имеет радиус больше радиуса второго ее участка, и дно паза содержит гладкий участок, проходящий по оси и по окружности между вторыми участками каждой пары галтелей дна паза.

2. Колесо по п.1, в котором первый участок (60) большего радиуса галтелей пальцев колеса проходит по пальцу колеса по радиусу снаружи второго участка (62) каждой из галтелей пальцев колеса в каждом местоположении галтели.

3. Колесо по п.1, в котором первый участок (68) каждой галтели дна паза проходит по пальцу колеса по радиусу снаружи второго участка (70) галтели дна паза.

4. Рабочее колесо (10) турбины, содержащее
множество пальцев (14) колеса, отстоящих друг от друга по оси и проходящих по окружности по краю колеса, для размещения пальцев лопастей;
причем пальцы колеса включают в себя множество проходящих по окружности участков (22, 24, 26) с толщиной, ступенчато уменьшающейся в направлении по радиусу наружу;
соседние по оси пальцы колеса в самых внутренних по радиусу местоположениях по краю колеса образуют дно (32) паза (20), имеющего форму, по существу, ласточкина хвоста, между соседними пальцами колеса;
при этом дно паза имеет пару галтелей, каждая из которых состоит из первого и второго закругленных участков (68, 70), у которых радиус первого участка (68) каждой галтели дна паза превышает радиус его второго участка (70), и первый участок каждой галтели дна паза проходит по пальцу колеса по радиусу снаружи ее второго участка, причем дно паза включает в себя гладкий участок, проходящий по оси и по окружности между вторыми участками каждой из пары галтелей паза дна.

5. Крепление рабочего колеса (10) и лопастей турбины, содержащее множество пальцев (14) колеса, отстоящих друг от друга по оси и проходящих по окружности по краю колеса, причем пальцы колеса образуют между собой пазы (20), имеющие дно (32), множество лопастей (12), каждая из которых имеет множество пальцев (44) лопастей, проходящих по радиусу внутрь пазов пальцев колеса, штифты (49), проходящие в основном по оси через колесо и пальцы (14, 44) лопастей для крепления лопастей и колеса друг к другу;
при этом пальцы колеса включают в себя множество проходящих по окружности участков (22, 24, 26), толщина которых ступенчато уменьшается в направлении по радиусу наружу, и
каждый из пальцев колеса имеет галтели (28, 30, 34) в переходах между по радиусу соседними участками и на дне (32) пазов пальцев колеса, причем галтели на дне каждого паза колеса являются галтелями, состоящими из закругленных участков, разделенными гладким участком.

6. Крепление по п.5, в котором каждая из галтелей в переходах между по радиусу соседними участками имеет первый и второй закругленные участки (60, 62), у которых радиус первого участка превышает радиус второго участка.

7. Крепление по п.5, в котором каждый первый участок большего радиуса проходит по пальцу колеса по радиусу снаружи второго участка в каждом местоположении галтели.