КРЕПЛЕНИЕ ТУРБИННОЙ ЛОПАТКИ ДЛЯ ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2015 года по МПК F01D5/30 

Изобретение относится к креплению турбинной лопатки с пером лопатки, содержащему хвостовик лопатки и канавку для лопатки, при этом хвостовик лопатки расположен в канавке для лопатки, при этом хвостовик лопатки содержит, по меньшей мере, два крепежных зубца, которые предназначены для введения в соответствующие выемки в роторе.

В турбомашинах, в частности паровых турбинах, энергия потока среды преобразуется в энергию вращения ротора. Для этого ротор содержит множество турбинных лопаток, которые имеют такую форму, что термическая энергия потока среды превращается в энергию вращения ротора. В паровых турбинах среда является водяным паром.

Кроме того, турбомашины имеют, наряду с расположенными на роторе турбинными лопатками, также расположенные на корпусе турбинные лопатки. Расположенные на роторе турбинные лопатки называются рабочими турбинными лопатками, а расположенные на корпусе турбинные лопатки - направляющими турбинными лопатками. Турбинные рабочие лопатки имеют хвостовики лопаток, с помощью которых турбинные рабочие лопатки закреплены на роторе. Для этого хвостовики лопаток выполнены так, что они входят в соответствующие выемки внутри ротора. При этом внутренний контур выемки соответствует наружному контуру хвостовиков лопаток. В принципе известны две конструкции хвостовика лопатки, а именно конструкция в форме елочки и конструкция в форме ласточкиного хвоста.

Контур поперечного сечения хвостовика лопатки при конструкции в форме елочки имеет лежащую спереди в направлении вращения турбинной рабочей лопатки зону, а также лежащую сзади в направлении вращения зону, которые характеризуются волнообразным контуром. Возвышения такого волнообразного контура образуют в обеих зонах крепежные зубцы. Турбинные рабочие лопатки вставляются хвостовиками лопаток в соответствующие выемки внутри ротора. Для этого ротор имеет соответствующий хвостовику лопатки волнообразный контур.

Ротор с турбинными рабочими лопатками вращается при работе со сравнительно высокой частотой, например, 50 Гц или 60 Гц. Известно, что паровые турбины для соответствующих применений работают с более высокими частотами вращения. При возникающих при работе высоких температурах и частотах вращения возникают чрезвычайно большие термические и механические нагрузки. В частности, большим механическим нагрузкам подвергаются хвостовики турбинных рабочих лопаток. Возможно, что возникающие при работе колебания турбинных рабочих лопаток, которые передаются на хвостовики лопаток, приводят к трещинам в хвостовиках турбинных лопаток или в соответствующих выемках в роторе. Если возникает такая трещина, то велика вероятность дальнейшего увеличения трещины и в худшем случае повреждения всей турбомашины, если такая турбинная лопатка во время работы отделяется от ротора и вызывает повреждения, например, корпуса.

Было бы желательно иметь конструкцию хвостовика лопатки, при которой при возникновении трещины минимизируется увеличение трещины.

В соответствии с этим задачей изобретения является создание крепления хвостовика лопатки.

Эта задача решена с помощью крепления турбинной лопатки с пером лопатки, содержащего хвостовик лопатки и канавку для лопатки, при этом хвостовик лопатки расположен в канавке для лопатки, при этом хвостовик лопатки содержит, по меньшей мере, два крепежных зубца, которые предназначены для введения в соответствующие выемки в роторе, при этом высота крепежных зубцов увеличивается к вершине хвостовика лопатки, при этом крепежные зубцы имеют вершину крепежного зубца, причем хвостовик турбинной лопатки между крепежными зубцами имеет дно впадины крепежных зубцов, при этом крепежный зубец имеет между дном впадины крепежных зубцов и вершиной крепежного зубца боковую поверхность, причем между боковой поверхностью и соответствующей несущей боковой поверхностью в канавке для лопатки образован зазор несущей боковой поверхности, при этом зазор несущей боковой поверхности на крепежном зубце, который ближе всего к вершине хвостовика лопатки, по существу равен нулю, а зазоры несущей боковой поверхности между другими боковыми поверхностями и соответствующими несущими боковыми поверхностями увеличиваются к перу лопатки.

Предпочтительные модификации указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

Изобретение исходит из идеи отхода от конструкции хвостовика лопатки в форме елочки. В настоящее время крепежные зубцы выполняют так, что высота крепежных зубцов уменьшается к вершине хвостовика лопатки. При этом под высотой крепежных зубцов следует понимать пространственное прохождение в окружном направлении. В конструкции хвостовика лопатки согласно уровню техники крепежные зубцы выполняют с волнообразным контуром. При этом высота крепежных зубцов изменяется так, что от крепежного зубца к крепежному зубцу высота уменьшается к вершине хвостовика лопатки, так что последний крепежный зубец на вершине хвостовика лопатки имеет наименьшую высоту, а первый крепежный зубец, который расположен вблизи поверхности ротора, имеет наибольшую высоту.

Изобретение исходит из полностью другой конструкции, в соответствии с которой высота, как и прежде, изменяется от крепежного зубца к крепежному зубцу, однако, высота крепежных зубцов увеличивается к вершине хвостовика лопатки. Это приводит к тому, что расположенный на вершине лопатки крепежный зубец имеет наибольшую высоту, а лежащий ближе всего к поверхности ротора крепежный зубец имеет самую меньшую высоту.

В соответствии с расчетами, такая конструкция хвостовика лопатки приводит к тому, что при возникновении трещины в одном месте хвостовика лопатки возникает альтернативный путь прохождения напряжения, который уменьшает напряжения вокруг имеющейся трещины. Это приводит к тому, что напряжения в окружении трещины уменьшаются, при этом напряжения в зонах вне трещины повышаются. Поэтому увеличивается нагрузка не затронутых трещиной крепежных зубцов. Поскольку напряжения у трещины минимизируется, то почти предотвращается, соответственно, минимизируется тем самым дальнейшее нарастание трещины.

В одной предпочтительной модификации вершины крепежных зубцов расположены по существу вдоль соединяющей вершины прямой.

Новая конструкция отличается волнообразным контуром, при этом крепежные зубцы представляют по существу гребень волны и между крепежными зубцами образованы впадины волны. При этом вершины отдельных крепежных зубцов расположены вдоль соединяющей вершины прямой.

В другой предпочтительной модификации донья впадин крепежных зубцов расположены по существу вдоль соединяющей впадины прямой.

Эта конструкция приводит к тому, что возникают избыточные пути прохождения напряжения, если в хвостовике лопатки возникает трещина.

В другой предпочтительной модификации соединяющая вершины прямая расположена относительно соединяющей впадины прямой под углом между 2° и 10°, в частности между 1° и 12°. В этом диапазоне углов распределение напряжений при работе является оптимальным.

В другой предпочтительной модификации длина крепежных зубцов увеличивается к вершине хвостовика лопатки. В данном случае также, в противоположность к конструкции, согласно уровню техники длина крепежных зубцов изменяется так, что увеличивается длина вершины хвостовика лопатки. Согласно уровню техники длина крепежных зубцов, как правило, уменьшается к вершине хвостовика лопатки. Таким образом, в такой конструкции хвостовика лопатки имеется несколько крепежных зубцов, величина которых увеличивается от поверхности ротора к вершине хвостовика лопатки.

В другой предпочтительной модификаций между дном впадины крепежного зубца и боковой поверхностью образован внутренний радиус скругления, а между боковой поверхностью и вершиной крепежного зубца - наружный радиус скругления, при этом наружный радиус скругления меньше внутреннего радиуса скругления.

В новой конструкции лопатки силы должны действовать в хвостовике лопатки по возможности так, что в случае возникновения трещины затрудняется увеличение трещины. В частности, в радиусах скругления механические напряжения, как показывает практика, велики, так что согласно изобретению наружный радиус скругления меньше внутреннего радиуса скругления.

Предпочтительно наружный радиус скругления увеличивается к вершине хвостовика лопатки.

Предпочтительно внутренний радиус скругления увеличивается к вершине хвостовика лопатки.

Ниже приводится более подробное пояснение изобретения на основе примера выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

фиг. 1 - конструкция хвостовика лопатки согласно уровню техники;

фиг. 2 - крепление хвостовика лопатки согласно изобретению.

На фиг. 1 показана в разрезе часть турбинной лопатки, содержащей хвостовик 1 лопатки и неизображенное перо лопатки. Показанный на фиг. 1 хвостовик 1 лопатки выполнен с конструкцией елочки и образует уровень техники. Такой хвостовик 1 лопатки имеет в направлении вращения (стрелка 2) лежащую впереди зону 3 и лежащую сзади в направлении вращения зону 4. Хвостовик 1 лопатки согласно фиг. 1 имеет как в передней зоне 3, так и в задней зоне 4 три крепежных зубца 5. Крепежные зубцы 5 входят в имеющие соответствующий контур выемки внутри ротора, которые не изображены, за счет чего турбинная лопатка с помощью хвостовика 1 лопатки крепится на роторе.

Показанный на фиг. 1 хвостовик 1 лопатки выполнен по существу симметричным, т.е. в передней зоне 3 и в задней зоне 4 контур крепежных зубцов 5 выполнен по существу идентично. Крепежные зубцы 5 предназначены для введения в соответствующие выемки в роторе. Каждый крепежный зубец 5 имеет высоту Н. Крепежный зубец 5 имеет нарастающую боковую поверхность 6, вершину 7 крепежного зубца и спадающую боковую поверхность 8. Таким образом, контур хвостовика 1 лопатки можно назвать волнообразным, при этом между каждой вершиной 7 крепежного зубца расположено дно 9 впадины крепежного зубца. Вершины 7 отдельных крепежных зубцов 5 лежат в показанном на фиг. 1 примере в одну линию на соединяющей вершины прямой 10. В противоположность этому, донья 9 соответствующих впадин между крепежными зубцами 5 лежат на одной линии вдоль соединяющей впадины прямой 11.

Высота Н крепежного зубца 5 может быть определена в первом приближении как кратчайшее расстояние между вершиной 7 крепежного зубца и соединяющей впадины прямой 11.

Согласно уровню техники высота Н крепежных зубцов 4 уменьшается к вершине 12 хвостовика лопатки.

На фиг. 2 показан выполненный в соответствии с изобретением хвостовик 1 лопатки. Для наглядности показан лишь контур хвостовика 1 лопатки в передней зоне 3. Задняя зона 4 может быть выполнена, соответственно, симметрично. Отличие от показанного на фиг. 1 хвостовика 1 лопатки состоит, среди прочего, в том, что высота Н крепежных зубцов 5 увеличивается к вершине 5 хвостовика лопатки.

Показанные на фиг. 2 крепежные зубцы 5 имеют по существу форму трапеции, т.е. нарастающая боковая поверхность 6 и спадающая боковая поверхность 8 выполнены прямыми. Вершина 7 крепежных зубцов и донья 9 впадин крепежных зубцов лежат, как показано на фиг. 2, на прямой линии. В альтернативном варианте выполнения крепежные зубцы могут иметь волнообразную форму, как показано на фиг. 1. Высота Н определяется в показанном на фиг. 2 примере выполнения примерно от середины прямой, на которой расположена вершина 7 крепежного зубца, до соединяющей впадины прямой 11. Высоту Н можно также определять в передней переходной зоне 13 или от задней переходной зоны 14 до соединяющей впадины прямой 11.

Показанный на фиг. 2 хвостовик 1 лопатки имеет форму елочки, которая не изображена на фиг. 2 полностью. Вершины 7 крепежных зубцов лежат на боковой поверхности 15 крепежных зубцов, которая выполнена по существу параллельно соединяющей вершины прямой 10. В показанном на фиг. 2 примере выполнения боковые поверхности 15 крепежных зубцов лежат на соединяющей вершины прямой 10. Соединяющая впадины прямая 11 и соединяющая вершины прямая 10 образуют друг с другом угол α, который лежит между 2° и 10°. Для пояснения угла α на фиг. 2 показана вспомогательная прямая 30, которая расположена параллельно соединяющей вершины прямой 10. В альтернативных вариантах выполнения угол α может составлять между 1° и 12°. Хвостовик 1 лопатки имеет выполненную на стороне конца в направлении оси вращения ротора 19 вершину 12 хвостовика лопатки. Хвостовик 1 лопатки имеет, по меньшей мере, два расположенных друг за другом вдоль направленной к вершине 12 хвостовика лопатки длины крепежных зубца 5.

Наряду с высотой Н крепежных зубцов 5, дополнительно изменяется длина L крепежных зубцов 5 к вершине 12 хвостовика лопатки. Длина L крепежного зубца 5 определяется, как показано на фиг. 2, от места пересечения между нарастающей боковой поверхностью 6 и соединяющей впадины прямой 11 до места пересечения спадающей боковой поверхности 8 и соединяющей впадины прямой 11. Как показано на фиг. 2, длина крепежных зубцов 5 увеличивается к вершине хвостовика лопатки.

Передняя переходная зона 13 и/или задняя переходная зона 14 могут быть округлены по радиусу.

Хвостовик 1 лопатки притерт в роторе 19 в канавке 18 для лопатки. Это означает, что боковая поверхность 6 соответствующего крепежного зубца 5 прилегает к несущей боковой поверхности 20.

Между дном 9 впадины крепежного зубца и вершиной 7 крепежного зубца образована боковая поверхность 6. Между дном 9 впадины крепежного зубца и боковой поверхностью 6 образован внутренний радиус 16 скругления. Кроме того, между боковой поверхностью 6 и вершиной 7 крепежного зубца образован наружный радиус 17 скругления, при этом наружный радиус 17 скругления меньше внутреннего радиуса 16 скругления. Это приводит к оптимальному распределению путей напряжений. Таким образом, в переходной зоне 14 образован наружный радиус 17 скругления, соответственно, внутренний радиус 16 скругления, который согласно изобретению является различным. В первом варианте наружный радиус 17 скругления меньше внутреннего радиуса 16 скругления. Во втором варианте наружный радиус 17 скругления может быть больше внутреннего радиуса 16 скругления.

Кроме того, наружный радиус 17 скругления увеличивается к вершине 12 хвостовика лопатки. Это означает, что наружный радиус 17 скругления увеличивается от крепежного зубца 5 к крепежному зубцу 5 к вершине 12 хвостовика лопатки. Внутренний радиус 16 скругления также увеличивается от крепежного зубца 5 к крепежному зубцу 5 к вершине 12 хвостовика лопатки.

В альтернативных вариантах выполнения внутренний радиус 16 скругления может уменьшаться к вершине 12 хвостовика лопатки от крепежного зубца 5 к крепежному зубцу 5. В альтернативном варианте выполнения наружный радиус 17 скругления также уменьшается от крепежного зубца 5 к крепежному зубцу 5 к вершине 12 хвостовика лопатки.

Кроме того, хвостовик 1 лопатки выполнен так, что боковая поверхность 6 прилегает в канавке 18 для лопатки к соответствующей несущей боковой поверхности 20. Таким образом, между боковой поверхностью 6 и несущей боковой поверхностью 20 образован зазор 21, 22, 23 несущей боковой поверхности. Для оптимального распределения путей напряжений при установке хвостовика 1 лопатки, зазор 21 несущей боковой поверхности первоначально выполняется так, что крепежный зубец 5, который является ближайшим к вершине 12 хвостовика лопатки, непосредственно прилегает к несущей боковой поверхности 20. Это означает, что имеется контакт между боковой поверхностью 6 и несущей боковой поверхностью 20. В этом варианте хвостовик 1 лопатки выполнен так, что зазоры 22 и 23 несущей боковой поверхности становятся больше. Это означает, что в направлении от вершины 12 хвостовика лопатки к перу лопатки зазоры 22 и 23 несущей боковой поверхности крепежных зубцов 5 увеличиваются.

В первом альтернативном варианте выполнения зазоры 22 и 23 несущей боковой поверхности выполнены одинаковыми.

В другом альтернативном варианте выполнения зазор 23 несущей боковой поверхности выполнен так, что по существу нет зазора 23 несущей боковой поверхности. Это означает, что при установке крепежный зубец 5, который соответствует зазору 23 несущей боковой поверхности, прилегает к ней. В этом альтернативном варианте выполнения зазоры 22 и 21 несущей боковой поверхности увеличиваются в направлении вершины 12 хвостовика лопатки.

В другом альтернативном варианте выполнения прилегает крепежный зубец 5, который соответствует зазору 22 несущей боковой поверхности, при этом зазоры 21 и 23 несущей боковой поверхности отличаются от нуля.

Крепление турбинной лопатки содержит канавку для лопатки и хвостовик лопатки, расположенный в канавке. Хвостовик лопатки имеет расположенную на стороне конца в направлении оси вращения ротора вершину хвостовика лопатки. Хвостовик лопатки содержит крепежные зубцы для введения в соответствующие выемки в роторе, причем зубцы расположены друг за другом вдоль протяженности направленной к вершине хвостовика лопатки, а их высота увеличивается к указанной вершине. Крепежные зубцы имеют вершину крепежного зубца, а хвостовик турбинной лопатки между крепежными зубцами имеет дно впадины крепежных зубцов. Крепежный зубец имеет боковую поверхность между дном впадины крепежных зубцов и вершиной крепежного зубца. Между боковой поверхностью и соответствующей несущей боковой поверхностью в канавке для лопатки образован зазор несущей боковой поверхности. Зазор несущей боковой поверхности на крепежном зубце, который ближе всего к вершине хвостовика лопатки, по существу равен нулю, а зазоры несущей боковой поверхности между другими боковыми поверхностями и соответствующими несущими боковыми поверхностями увеличиваются к перу лопатки. Изобретение позволяет повысить надежность крепления турбинной лопатки. 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Крепление турбинной лопатки с пером лопатки, содержащее хвостовик (1) лопатки и канавку (18) для лопатки, при этом хвостовик (1) лопатки расположен в канавке (18) для лопатки,
при этом хвостовик (1) лопатки содержит, по меньшей мере, два крепежных зубца (5), которые предназначены для введения в соответствующие выемки в роторе,
при этом хвостовик (1) лопатки имеет расположенную на стороне конца в направлении оси вращения ротора вершину (12) хвостовика лопатки,
при этом хвостовик (1) лопатки имеет, по меньшей мере, два расположенных друг за другом вдоль направленной к вершине (12) хвостовика лопатки протяженности крепежных зубца (5),
отличающийся тем, что высота (Н) крепежных зубцов (5) увеличивается к вершине (12) хвостовика лопатки, при этом крепежные зубцы (5) имеют вершину (7) крепежного зубца, причем хвостовик (1) турбинной лопатки между крепежными зубцами (5) имеет дно (9) впадины крепежных зубцов, при этом крепежный зубец (5) имеет между дном (9) впадины крепежных зубцов и вершиной (7) крепежного зубца боковую поверхность (6), причем между боковой поверхностью (6) и соответствующей несущей боковой поверхностью (20) в канавке (18) для лопатки образован зазор (21) несущей боковой поверхности, при этом зазор (21) несущей боковой поверхности на крепежном зубце (5), который ближе всего к вершине (12) хвостовика лопатки, по существу равен нулю, а зазоры (21) несущей боковой поверхности между другими боковыми поверхностями (6) и соответствующими несущими боковыми поверхностями (20) увеличиваются к перу лопатки.

2. Крепление турбинной лопатки по п. 1, в котором хвостовик (1) лопатки выполнен в виде хвостовика в форме елочки.

3. Крепление турбинной лопатки по п. 1, в котором вершины (7) крепежных зубцов расположены по существу вдоль соединяющей вершины прямой (10).

4. Крепление турбинной лопатки по п. 1, в котором донья (9) впадин крепежных зубцов расположены по существу вдоль соединяющей впадины прямой (11).

5. Крепление турбинной лопатки по п. 3, в котором донья (9) впадин крепежных зубцов расположены по существу вдоль соединяющей впадины прямой (11).

6. Крепление турбинной лопатки по п. 3, в котором соединяющая вершины прямая (10) расположена относительно соединяющей впадины прямой (11) под углом α между 2° и 10°.

7. Крепление турбинной лопатки по п. 4, в котором соединяющая вершины прямая (10) расположена относительно соединяющей впадины прямой (11) под углом α между 2° и 10°.

8. Крепление турбинной лопатки по любому из пп. 1-7, в котором длина (L) крепежных зубцов увеличивается к вершине (12) хвостовика лопатки.

9. Крепление турбинной лопатки по любому из пп. 1-7, в котором между боковой поверхностью (6) и вершиной (7) крепежного зубца образован наружный радиус (17) скругления, при этом между дном (9) впадины крепежного зубца и боковой поверхностью (6) образован внутренний радиус (16) скругления, при этом наружный радиус (17) скругления меньше внутреннего радиуса (16) скругления.

10. Крепление турбинной лопатки по п. 8, в котором между боковой поверхностью (6) и вершиной (7) крепежного зубца образован наружный радиус (17) скругления, при этом между дном (9) впадины крепежного зубца и боковой поверхностью (6) образован внутренний радиус (16) скругления, при этом наружный радиус (17) скругления меньше внутреннего радиуса (16) скругления.

11. Крепление турбинной лопатки по п. 9, в котором наружный радиус (17) скругления увеличивается к вершине (12) хвостовика лопатки.

12. Крепление турбинной лопатки по п. 9, в котором внутренний радиус (16) скругления увеличивается к вершине (12) хвостовика лопатки.

13. Крепление турбинной лопатки по п. 11, в котором внутренний радиус (16) скругления увеличивается к вершине (12) хвостовика лопатки.