РОТОРНЫЙ УЗЕЛ, ТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ И СПОСОБ СБОРКИ РОТОРНОГО УЗЛА Российский патент 2016 года по МПК F01D5/30 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение, описанное в данном документе, относится в целом к турбинным двигателям и, более конкретно, к роторному узлу, предназначенному для паротурбинных двигателей.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

По меньшей мере в некоторых известных паровых турбинах, как например в турбине, раскрытой в документе US 2009/0246029, имеется заданный паровой тракт, в котором расположены в последовательном относительно прохождения потока порядке впуск, турбина и выпуск. Кроме того, известные паровые турбины содержат неподвижные диафрагмы, которые направляют поток пара к роторному узлу. По меньшей мере некоторые известные роторные узлы содержат по меньшей мере один ряд турбинных лопаток, разнесенных по периферии роторного диска. Пар, направляемый к роторному узлу из узла диафрагмы, воздействует на турбинные лопатки с обеспечением вращения роторного узла.

По меньшей мере некоторые известные турбинные лопатки имеют аэродинамическую часть, которая проходит в направлении радиально наружу от пазового замка. Пазовый замок используется для присоединения турбинной лопатки к роторному диску или барабану. Известные роторные диски имеют паз пазового замка, который выполнен в роторном диске и размер и форма которого обеспечивают возможность размещения в нем выступа пазового замка. Для облегчения сборки роторного узла по меньшей мере в некоторых случаях размер известных пазов пазового замка превышает размер турбинной лопатки. В процессе эксплуатации при направлении пара к роторному узлу может происходить нежелательный поворот или сдвиг выступа пазового замка внутри соответствующего паза. Со временем перемещение выступа пазового замка в соответствующем пазу может увеличивать степень износа между указанными выступом и пазом и приводить к повреждению турбинной лопатки и/или роторного диска и/или сокращать срок службы части роторного узла.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель настоящего изобретения заключается в создании роторного узла, лишенного вышеуказанного недостатка. Указанная цель достигается посредством предложенного роторного узла, в котором предотвращен нежелательный поворот или сдвиг выступа пазового замка внутри соответствующего паза. Предотвращение перемещения выступа пазового замка в соответствующем пазу обеспечивает снижение износа между указанными выступом и пазом, снижает вероятность повреждения турбинной лопатки и/или роторного диска и/или увеличивает срок службы части роторного узла.

В одном аспекте предложен роторный узел, предназначенный для турбинного двигателя. Роторный узел содержит по меньшей мере один роторный диск, имеющий внутреннюю поверхность, ограничивающую паз пазового замка. К роторному диску присоединена по меньшей мере одна турбинная лопатка. Турбинная лопатка имеет аэродинамическую часть, проходящую в направлении наружу от выступа пазового замка. Выступ пазового замка по меньшей мере частично вставлен в паз пазового замка. Роторный узел также содержит хвостовой узел, проходящий от внутренней поверхности роторного диска или от выступа пазового замка и обеспечивающий минимизацию поворота турбинной лопатки относительно роторного диска, при этом указанный хвостовой узел включает по меньшей мере один фланец, проходящий в направлении наружу от выступа пазового замка, и паз, выполненный в указанном роторном диске и имеющий размеры, обеспечивающие возможность размещения в нем указанного фланца. Хвостовой узел обеспечивает минимизацию поворота турбинной лопатки относительно роторного диска.

В одном примере хвостовой узел дополнительно имеет радиальный фланец, проходящий в радиальном направлении от указанной внутренней поверхности, и заглубленный паз, выполненный в выступе пазового замка и обеспечивающий возможность размещения в нем указанного радиального фланца. Турбинная лопатка может дополнительно иметь хвостовую часть, проходящую между аэродинамической частью и выступом пазового замка, причем аэродинамическая часть может проходить в направлении радиально наружу от указанной хвостовой части, при этом ширина выступа пазового замка приблизительно равна ширине хвостовой части. Кроме того турбинная лопатка может иметь по меньшей мере один удерживающий крюк, проходящий в направлении наружу от выступа пазового замка к внутренней поверхности роторного диска и выполненный с возможностью взаимодействия с роторным диском для содействия предотвращению перемещения турбинной лопатки в пазу пазового замка. Роторный диск может дополнительно иметь по меньшей мере один опорный фланец, проходящий в направлении внутрь от указанной внутренней поверхности и выполненный с возможностью взаимодействия с удерживающим крюком для содействия предотвращению перемещения турбинной лопатки. Кроме того, Роторный узел может дополнительно содержать прокладку, расположенную между радиальным фланцем и выступом пазового замка для поджатия указанного выступа с обеспечением контакта удерживающего крюка с опорным фланцем.

В другом примере варианта выполнения хвостовой узел дополнительно имеет радиальный фланец, проходящий в радиальном направлении от выступа пазового замка, и заглубленный паз, выполненный в роторном диске и обеспечивающий возможность размещения в нем указанного радиального фланца.

В еще одном примере варианта выполнения хвостовой узел дополнительно имеет по меньшей мере один осевой фланец, проходящий в направлении внутрь от роторного диска к нижнему участку выступа пазового замка и выполненный с возможностью контакта с внешней поверхностью указанного нижнего участка.

В другом аспекте предложен турбинный двигатель. Турбинный двигатель содержит генератор, турбину, соединенную с генератором, и роторный узел, проходящий в осевом направлении через турбину. Роторный узел содержит по меньшей мере один роторный диск, имеющий внутреннюю поверхность, ограничивающую паз пазового замка. К роторному диску присоединена по меньшей мере одна турбинная лопатка. Турбинная лопатка имеет аэродинамическую часть, проходящую в направлении наружу от выступа пазового замка. Выступ пазового замка по меньшей мере частично вставлен в паз пазового замка. Роторный узел также содержит хвостовой узел, проходящий от внутренней поверхности роторного диска или от выступа пазового замка и обеспечивающий минимизацию поворота турбинной лопатки относительно роторного диска, при этом указанный хвостовой узел включает по меньшей мере один фланец, проходящий в направлении наружу от выступа пазового замка, и паз, выполненный в указанном роторном диске и имеющий размеры, обеспечивающие возможность размещения в нем указанного фланца. Хвостовой узел обеспечивает минимизацию поворота турбинной лопатки относительно роторного диска.

В одном примере варианта выполнения, хвостовой узел дополнительно имеет радиальный фланец, проходящий в радиальном направлении от указанной внутренней поверхности, и заглубленный паз, выполненный в выступе пазового замка и обеспечивающий возможность размещения в нем указанного радиального фланца. Кроме того, турбинная лопатка может дополнительно иметь хвостовую часть, проходящую между аэродинамической частью и выступом пазового замка, причем аэродинамическая часть может проходить в направлении радиально наружу от указанной хвостовой части, при этом ширина выступа пазового замка приблизительно равна ширине хвостовой части. Турбинная лопатка также может иметь по меньшей мере один удерживающий крюк, проходящий в направлении наружу от выступа пазового замка к внутренней поверхности роторного диска, а роторный диск может иметь по меньшей мере один опорный фланец, проходящий в направлении внутрь от указанной внутренней поверхности и выполненный с возможностью взаимодействия с удерживающим крюком для содействия предотвращению перемещения турбинной лопатки в пазу пазового замка. Кроме того, роторный узел может дополнительно содержать прокладку, расположенную между радиальным фланцем и выступом пазового замка.

В еще одном аспекте предложен способ сборки роторного узла, предназначенного для турбинного двигателя. Способ включает использование по меньшей мере одного роторного диска, который имеет паз пазового замка, ограниченный внутренней поверхностью, первой осевой поверхностью и второй осевой поверхностью. Внутренняя поверхность проходит в целом в осевом направлении между указанными первой и второй осевыми поверхностями. В пазу пазового замка обеспечивают хвостовой узел. Хвостовой узел проходит от внутренней поверхности, или от первой осевой поверхности, или от второй осевой поверхности. Используют турбинную лопатку, имеющую аэродинамическую часть и выступ пазового замка. Турбинную лопатку присоединяют к роторному диску с расположением хвостового узла между указанными лопаткой и диском для обеспечения минимизации поворота турбинной лопатки относительно роторного диска, при этом указанный хвостовой узел включает по меньшей мере один фланец, проходящий в направлении наружу от выступа пазового замка, и паз, выполненный в указанном роторном диске и имеющий размеры, обеспечивающие возможность размещения в нем указанного фланца.

В одном примере варианта выполнения дополнительно соединяют радиальный фланец с внутренней поверхностью роторного диска, в выступе пазового замка выполняют заглубленный паз, размер которого обеспечивает возможность размещения в нем указанного радиального фланца, и соединяют выступ пазового замка с роторным диском, так что радиальный фланец входит в заглубленный паз с образованием хвостового узла.

В еще одном примере, дополнительно между аэродинамической частью и выступом пазового замка присоединяют хвостовую часть, ширина которой по существу равна ширине выступа пазового замка.

В еще одном примере вариант выполнения дополнительно к выступу пазового замка присоединяют по меньшей мере один удерживающий крюк, проходящий в направлении аксиально наружу от указанного выступа к одной из первой и второй осевых поверхностей и выполненный с возможностью взаимодействия с роторным диском для содействия предотвращению радиального перемещения турбинной лопатки. Кроме того, может быть дополнительно присоединен к одной из первой и второй осевых поверхностей по меньшей мере один опорный фланец, выполненный с возможностью контакта с указанным по меньшей мере с одним удерживающим крюком. Также может быть дополнительно между радиальным фланцем и выступом пазового замка расположена прокладка, выполненная с возможностью поджатия указанного выступа в направлении радиально наружу с обеспечением вхождения удерживающего крюка в контакт с опорным фланцем.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 изображает схематический вид иллюстративного паротурбинного двигателя,

фиг. 2 изображает схематический вид части паротурбинного двигателя, соответствующей области 2 на фиг. 1,

фиг. 3 изображает увеличенный разрез иллюстративного роторного узла, который может применяться в турбинном двигателе, показанном на фиг. 1,

фиг. 4 изображает вид в аксонометрии иллюстративной турбинной лопатки, показанной на фиг. 3, и

фиг. 5-7 изображают увеличенные разрезы альтернативных вариантов выполнения роторного узла, показанного на фиг. 3.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Иллюстративные устройство и способы, описанные в данном документе, устраняют недостатки известных узлов турбинных лопаток путем создания турбинной лопатки, которая может быть прикреплена к валу ротора более надежно, чем в случае использования известных турбинных лопаток. Более конкретно, каждый из описанных в данном документе вариантов выполнения турбинных лопаток содержит хвостовой узел, который проходит по меньшей мере частично между турбинной лопаткой и роторным диском с обеспечением содействия предотвращению поворота турбинной лопатки относительно роторного диска.

Используемое в данном документе выражение «турбинная лопатка» является взаимозаменяемым с термином «лопатка» и, таким образом, может относиться к любой комбинации лопатки, имеющей полку и выступ пазового замка, и/или лопатки, выполненной за одно целое с роторным диском, причем любой из указанных вариантов выполнения может иметь по меньшей мере один аэродинамический сегмент.

На фиг. 1 изображен схематический вид иллюстративного турбинного двигателя 10. В иллюстративном варианте выполнения турбинный двигатель 10 представляет собой комбинацию противопоточных паровых турбин высокого давления и среднего давления. Как вариант, двигатель 10 может представлять собой паровую турбину любого типа, например, но без ограничения этим, турбину низкого давления, однопоточную паровую турбину и/или двухпоточную паровую турбину. В иллюстративном варианте выполнения двигатель 10 содержит турбину 12, соединенную с генератором 14 при помощи роторного узла 16. Кроме того, в иллюстративном варианте выполнения турбина 12 содержит секцию 18 высокого давления (ВД) и секцию 20 среднего давления (СД). Корпус 22 секции высокого давления разделен в осевом направлении соответственно на верхнюю и нижнюю половины 24 и 26. Аналогичным образом, корпус 28 секции среднего давления разделен в осевом направлении соответственно на верхнюю и нижнюю половины 30 и 32. Между секцией 18 ВД и секцией 20 СД проходит центральная секция 34, которая имеет впуск 36 для пара ВД и впуск 38 для пара СД. Между секцией 18 ВД и секцией 20 СД расположен роторный узел 16, который содержит роторный вал 40, проходящий вдоль центральной оси 42 между секцией 18 ВД и секцией 20 СД. Вал 40 поддерживается со стороны корпусов 22 и 28 соответственно подшипниками 44 и 46, каждый из которых соединен с противоположными концевыми частями 48 вала 40. Между концевыми частями 48 роторного вала и корпусами 22 и 28 присоединены паровые уплотнительные узлы 50 и 52, способствующие уплотнению секции 18 ВД и секции 20 СД.

Между секцией 18 ВД и секцией 20 СД в направлении радиально внутрь от центральной секции 34 к роторному узлу 16 проходит кольцевой разделитель 54. Более конкретно, разделитель 54 проходит по периферии вокруг узла 16 между впуском 36 для пара ВД и впуском 38 для пара СД.

В процессе эксплуатации пар направляется в турбину 12 от источника пара, например энергетического котла (не показан), при этом тепловая энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения с помощью турбины 12, а затем в электрическую энергию с помощью генератора 14. Более конкретно, пар направляется через секцию 18 ВД от впуска 36 с обеспечением его воздействия на роторный узел 16, расположенный в секции 18 ВД, и вращения указанного узла 16 вокруг оси 42. Пар покидает секцию 18 ВД и направляется в котел (не показан), который повышает температуру пара до температуры, приблизительно равной температуре пара, поступающего в секцию 18 ВД. Затем пар направляется к впуску 38 пара и в секцию 20 СД при пониженном давлении по сравнению с давлением пара, поступающего в секцию 18 ВД. Пар воздействует на роторный узел 16, расположенный в секции 20 СД, с обеспечением вращения указанного узла 16.

На фиг. 2 изображен схематический вид части турбинного двигателя 10, соответствующей области 2. В иллюстративном варианте выполнения турбинный двигатель 10 содержит роторный узел 16, неподвижные узлы 56 диафрагмы и корпус 58, проходящий по периферии вокруг роторного узла 16 и узлов 56 диафрагмы. Узел 16 содержит узлы 60 роторных дисков, каждый из которых расположен по существу в осевом направлении между каждой смежной парой узлов 56. Каждый узел 56 диафрагмы прочно соединен с корпусом 58. Более конкретно, корпус 58 содержит сопловой держатель 62, проходящий в направлении радиально внутрь от корпуса 58 к роторному узлу 16. Каждый узел 56 диафрагмы соединен с держателем 62 с обеспечением содействия предотвращению поворота указанного узла 56 относительно роторного узла 16. Каждый узел 56 содержит разнесенные по периферии сопла 64, проходящие между радиально внешней частью 66 и радиально внутренней частью 68. Радиально внешняя часть 66 расположена в заглубленной части 70, выполненной внутри соплового держателя 62, для облегчения соединения узла 56 диафрагмы с держателем 62. Радиально внутренняя часть 68 расположена смежно с узлом 60 роторного диска. В одном варианте выполнения радиально внутренняя часть 68 содержит уплотнительные узлы 72, которые образуют извилистую траекторию уплотнения между узлом 56 диафрагмы и узлом 60 роторного диска.

В иллюстративном варианте выполнения каждый узел 60 содержит турбинные лопатки 74, каждая из которых присоединена к роторному диску 76. Роторный диск 76 содержит корпус 78, проходящий между радиально внутренней частью 80 и радиально внешней частью 82. Радиально внутренняя часть 80 ограничивает центральный канал 84, проходящий в целом в осевом направлении через роторный диск 76, так что корпус 78 диска проходит в направлении радиально наружу от центрального канала 84. Корпус 78 проходит в целом в осевом направлении от верхнего по потоку элемента 86 до нижнего по потоку элемента 88. Диск 76 соединен со смежным роторным диском 76, так что верхний по потоку элемент 86 соединен со смежным нижним по потоку элементом 88.

Все турбинные лопатки 74 присоединены к внешней части 82 роторного диска 76 и разнесены по периферии вокруг диска 76. Каждая турбинная лопатка 74 проходит в направлении радиально наружу от диска 76 к корпусу 58. Смежные роторные диски 76 соединены друг с другом, так что между каждым смежным рядом 91 разнесенных по периферии лопаток 74 образован зазор 90. Вокруг каждого диска 76 между смежными рядами 91 лопаток 74 расположены разнесенные по периферии сопла 64, направляющие пар к лопаткам 74.

В иллюстративном варианте выполнения каждая турбинная лопатка 74 присоединена к внешней части 82 соответствующего роторного диска 76 так, что каждая лопатка 74 проходит в паровой тракт 92. Более конкретно, каждая лопатка 74 имеет аэродинамическую часть 94, которая проходит в направлении радиально наружу от выступа 96 пазового замка. Указанный выступ 96 вставлен в паз 98 пазового замка, выполненный во внешней части 82 роторного диска 76, с обеспечением возможности присоединения турбинной лопатки 74 к указанному диску 76. Между выступом 96 и пазом 98 проходит хвостовой узел 100, обеспечивающий прочное соединение лопатки 74 с диском 76.

В процессе эксплуатации турбинного двигателя 10 пар направляется в турбину 12 через впуск 102 для пара и в паровой тракт 92. Каждое впускное сопло 104 и узлы 56 диафрагмы обеспечивают направление пара к турбинным лопаткам 74. При столкновении пара с каждой лопаткой 74 указанная лопатка 74 и роторный диск 76 вращаются в периферическом направлении вокруг оси 42. Хвостовой узел 100 минимизирует поворот лопатки 74 относительно диска 76, так что тепловая энергия пара эффективно преобразуется во вращение роторного узла 16. Более конкретно, узел 100 также способствует уменьшению потерь механической энергии вращения путем предотвращения непериферического поворота лопатки 74 в пазу 98 пазового замка.

На фиг. 3 изображен увеличенный разрез иллюстративного роторного узла 16, который может применяться в турбинном двигателе 10 (показанном на фиг. 1). На фиг. 4 изображен вид в аксонометрии иллюстративной турбинной лопатки 74. Компоненты, аналогичные компонентам, показанным на фиг. 2, обозначены на фиг. 3 и 4 теми же номерами позиций. В иллюстративном варианте выполнения роторный узел 16 содержит по меньшей мере одну турбинную лопатку 74, присоединенную к по меньшей мере одному роторному диску 76, и хвостовой узел 100, проходящий между лопаткой 74 и диском 76. Размер, форма и ориентация узла 100 способствуют предотвращению поворота (показанного стрелкой 105) лопатки 74 относительно диска 76 вокруг радиальной оси 106, которая задана лопаткой 74. Более конкретно, хвостовой узел 100 препятствует повороту лопатки 74 в пазу 98 пазового замка.

В иллюстративном варианте выполнения турбинная лопатка 74 имеет аэродинамическую часть 94, полку 107, хвостовую часть 108 и выступ 96 пазового замка. Каждая аэродинамическая часть 94 имеет первую боковую стенку 110 и противоположную ей вторую боковую стенку 112. В иллюстративном варианте выполнения первая боковая стенка 110 является выпуклой и образует сторону 114 разрежения аэродинамической части 94, а вторая боковая стенка 112 является вогнутой и образует сторону 116 давления аэродинамической части 94. Первая стенка 110 соединена со второй стенкой 112 вдоль передней кромки 118 и вдоль отстоящей в осевом направлении задней кромки 120. Более конкретно, задняя кромка 120 аэродинамической части отстоит в направлении вдоль хорды и вниз по потоку от ее передней кромки 118. Каждая из первой стенки 110 и второй стенки 112 проходит в направлении радиально наружу от корневой части 122 лопатки к концу 124 аэродинамической части. Корневая часть 122 проходит от полки 107. В иллюстративном варианте выполнения к концу 124 аэродинамической части, смежному с сопловым держателем 62, присоединен концевой бандаж 126. Более конкретно, в иллюстративном варианте выполнения бандаж 126 содержит уплотнительные узлы 128, которые образуют извилистую траекторию уплотнения между сопловым держателем 62 и турбинной лопаткой 74.

Полка 107 проходит между аэродинамической частью 94 и хвостовой частью 108 так, что каждая аэродинамическая часть 94 проходит в направлении радиально наружу от полки 107. Хвостовая часть 108 проходит в направлении радиально внутрь от полки 107 к выступу 96 пазового замка. Выступ 96 проходит в направлении радиально внутрь от полки 107 к роторному диску 76 и используется для присоединении лопаток 74 к диску 76.

В иллюстративном варианте выполнения каждая хвостовая часть 108 имеет пару отстоящих в периферическом направлении боковых сторон 130 и 132, которые соединены друг с другом с помощью верхней по потоку поверхности 134 и нижней по потоку поверхности 136. В иллюстративном варианте выполнения стороны 130 и 132 являются одинаковыми и ориентированы по существу параллельно друг другу. Как вариант, стороны 130 и 132 ориентированы под непрямым углом. В иллюстративном варианте выполнения каждая из сторон 130 и 132 проходит в осевом направлении 138. Верхняя по потоку поверхность 134 и нижняя по потоку поверхность 136 по существу параллельны друг другу, и каждая из них проходит в периферическом направлении 140, которое по существу перпендикулярно осевому направлению 138. В иллюстративном варианте выполнения осевая ширина 142 хвостовой части 108 измеряется от поверхности 134 до поверхности 136, а ее периферическая длина 144 измеряется между сторонами 130 и 132.

Выступ 96 пазового замка имеет верхний участок 146 и нижний участок 148. Верхний участок 146 проходит между хвостовой частью 108 и нижним участком 148. Каждый из верхнего участка 146 и нижнего участка 148 имеет первую боковую стенку 150, вторую боковую стенку 152, верхнюю по потоку поверхность 154 и противоположную ей нижнюю по потоку поверхность 156. Каждая из первой стенки 150 и второй стенки 152 проходит в осевом направлении 138. Каждая из поверхности 154 и поверхности 156 проходит в периферическом направлении 140. Первая стенка 150 расположена между верхней по потоку поверхностью 154 и нижней по потоку поверхностью 156, так что поверхность 154 расположена напротив поверхности 156. Вторая стенка 152 отстоит в периферическом направлении от первой боковой стенки 150 и проходит между верхней по потоку поверхностью 154 и нижней по потоку поверхностью 156. В одном варианте выполнения первая стенка 150 соединена со второй стенкой 152 с образованием единого элемента, который проходит между поверхностью 154 и поверхностью 156.

Осевая ширина 158 верхнего участка 146 измеряется между поверхностью 154 и поверхностью 156, а периферическая длина 160 верхнего участка 146 измеряется между первой и второй боковыми стенками 150 и 152. В иллюстративном варианте выполнения осевая ширина 158 верхнего участка приблизительно равна осевой ширине 142 хвостовой части, а периферическая длина 160 верхнего участка приблизительно равна периферической длине 144 хвостовой части. Как вариант, осевая ширина 158 может отличаться от осевой ширины 142, и/или периферическая длина 160 может отличаться от периферической длины 144.

В иллюстративном варианте выполнения паз 98 пазового замка ограничен внутренней поверхностью 162, которая проходит в осевом направлении между первой осевой внутренней поверхностью 166 и второй осевой внутренней поверхностью 168. Первая и вторая поверхности 166 и 168 проходят в направлении радиально внутрь от внешней поверхности 170 роторного диска 76 к внутренней поверхности 162.

В одном варианте выполнения выступ 96 пазового замка расположен в пазу 98 так, что между верхней по потоку и нижней по потоку поверхностями 154 и 156 и между первой и второй осевыми внутренними поверхностями 166 и 168 образован зазор 172. Зазор 172 облегчает тепловое расширение турбинной лопатки 74 в процессе эксплуатации турбинного двигателя 10.

В иллюстративном варианте выполнения нижний участок 148 имеет первый удерживающий крюк 174 и противоположный ему второй удерживающий крюк 176. Каждый из крюков 174 и 176 способствует предотвращению перемещения лопатки 74 в направлении радиально наружу относительно роторного диска 76. Более конкретно, первый крюк 174 проходит вдоль осевого направления 138 наружу от верхней по потоку поверхности 154 к первой осевой внутренней поверхности 166 диска 76, а второй крюк 176 проходит вдоль осевого направления 138 наружу от нижней по потоку поверхности 156 ко второй осевой внутренней поверхности 168 диска 76 в направлении, противоположном направлению прохождения первого крюка. Каждый из крюков 174 и 176 проходит в направлении наружу соответственно от поверхности 154 и поверхности 156, и каждый из них расположен смежно с радиально внешней поверхностью 178 нижнего участка 148. Каждый из крюков 174 и 176 имеет верхнюю опорную поверхность 180 и аксиально внешнюю поверхность 182. Каждая верхняя опорная поверхность 180 выполнена с возможностью взаимодействия с роторным диском 76 для облегчения прикрепления лопатки 74 к диску 76.

Роторный диск 76 имеет пару опорных фланцев 184 и 186, которые проходят в направлении внутрь соответственно от каждой осевой внутренней поверхности 166 и 168. В иллюстративном варианте выполнения каждый из крюков 174 и 176 взаимодействует с соответствующим опорным фланцем 184 и 186 с обеспечением надежного прикрепления лопатки 74 к диску 76. Каждый фланец 184 и 186 имеет радиальную опорную поверхность 188. Каждый из крюков 174 и 176 расположен смежно с соответствующим фланцем 184 и 186, так что верхние опорные поверхности 180 находятся в контакте с радиальными опорными поверхностями 188. В одном варианте выполнения размер и ориентация паза 98 обеспечивают образование зазора 190 между первой и второй осевыми внутренними поверхностями 166 и 168 и внешними поверхностями 182 соответствующих крюков 174 и 176.

В иллюстративном варианте выполнения хвостовой узел 100 имеет заглубленный паз 192 и радиальный фланец 194. Более конкретно, паз 192 выполнен в радиально внешней поверхности 178 нижнего участка 148, и его размер и форма обеспечивают размещение в нем радиального фланца 194. В иллюстративном варианте выполнения выступ 96 входит в паз 98 так, что радиальный фланец 194 входит внутрь паза 192. Радиальный фланец 194 соединен с диском 76 и проходит в направлении радиально наружу от внутренней поверхности 162 диска 76 к выступу 96 пазового замка. Паз 192 ограничен внутренней радиальной поверхностью 196, которая проходит между первой осевой поверхностью 198 и второй осевой поверхностью 200. Каждая из осевых поверхностей 198 и 200 проходит в направлении радиально наружу от внешней поверхности 178 к верхнему участку 146. Первая осевая поверхность 198 ориентирована по существу параллельно второй осевой поверхности 200. Паз 192 проходит в периферическом направлении между первой боковой стенкой 150 и второй боковой стенкой 152 и ориентирован по существу параллельно верхней по потоку поверхности 154. Как вариант, паз 192 проходит в осевом направлении между верхней по потоку поверхностью 154 и нижней по потоку поверхностью 156. Кроме того, в иллюстративном варианте выполнения паз 192 имеет радиальную высоту 202, так что, когда фланец 194 вставлен в паз 192, между внешней поверхностью 178 и внутренней поверхностью 162 образован зазор 204.

В иллюстративном варианте выполнения радиальный фланец 194 имеет радиально внешнюю поверхность 206, которая проходит между первой осевой боковой стенкой 208 и второй осевой боковой стенкой 210. Более конкретно, фланец 194 проходит в периферическом направлении вдоль внутренней поверхности 162 и вдоль по меньшей мере части периферической длины 160 выступа пазового замка. В одном варианте выполнения фланец 194 проходит непрерывно вокруг роторного диска 76. В иллюстративном варианте выполнения фланец 194 входит в паз 192 так, что первая и вторая осевые боковые стенки 208 и 210 находятся в контакте соответственно с первой и второй осевыми поверхностями 198 и 200. Кроме того, боковые стенки 208 и 210 контактируют с первой и второй осевыми поверхностями 198 и 200 во фрикционной посадке.

В иллюстративном варианте выполнения между фланцем 194 и пазом 192 установлена прокладка 212, обеспечивающая поджатие лопатки 74 в направлении радиально наружу от диска 76 к паровому тракту 92. Более конкретно, в иллюстративном варианте выполнения прокладка 212 расположена между внутренней радиальной поверхностью 196 и внешней радиальной поверхностью 206 с обеспечением поджатия лопатки 74 для содействия взаимодействию первого и второго крюков 174 и 176 соответственно с опорными фланцами 184 и 186.

На фиг. 5-7 изображены увеличенные разрезы альтернативных вариантов выполнения хвостового узла 100. Компоненты, аналогичные компонентам, показанным на фиг. 4, обозначены на фиг. 5-7 теми же номерами позиций. В изображенном на фиг. 5 иллюстративном варианте выполнения радиальный фланец 194 проходит от выступа 96 пазового замка, а именно в направлении внутрь от внешней поверхности 178 нижнего участка 148 к роторному диску 76. Диск 76 имеет заглубленный паз 192, ограниченный внутренней поверхностью 162. Размер, форма и ориентация паза 192 обеспечивают размещение в нем радиального фланца 194, так что хвостовой узел 100 минимизирует поворот лопатки 74 относительно диска 76 в пазу 192.

В соответствии с фиг. 6 в другом варианте выполнения хвостовой узел 100 имеет первый осевой фланец 214, расположенный в первом заглубленном пазу 216, и второй осевой фланец 218, расположенный во втором заглубленном пазу 220. Более конкретно, первый осевой фланец 214 проходит в направлении аксиально наружу от внешней поверхности 182 первого крюка 174 к первой осевой внутренней поверхности 166. Указанная поверхность 166 ограничивает первый заглубленный паз 216, размер, форма и ориентация которого обеспечивают размещение в нем первого фланца 214. Второй осевой фланец 218 проходит в направлении аксиально наружу от внешней поверхности 182 второго крюка 176 ко второй осевой внутренней поверхности 168, противоположной первому фланцу 214. Указанная поверхность 168 ограничивает второй заглубленный паз 220, размер, форма и ориентация которого обеспечивают размещение в нем второго фланца 218.

В соответствии с фиг. 7 в еще одном варианте выполнения хвостовой узел 100 имеет первый осевой фланец 214 и второй осевой фланец 218, каждый из которых проходит в направлении аксиально внутрь от роторного диска 76 к нижнему участку 148. Более конкретно, первый фланец 214 проходит в направлении внутрь от первой осевой внутренней поверхности 166 и находится в контакте с внешней поверхностью 182 первого крюка 174. Второй фланец 218 проходит в направлении внутрь от второй осевой внутренней поверхности 168 и находится в контакте с внешней поверхностью 182 второго крюка 176.

Вышеописанный роторный узел обеспечивает экономически целесообразный и надежный способ повышения уровня производительности турбинного двигателя. Кроме того, указанный роторный узел способствует повышению эффективности эксплуатации турбинного двигателя в целом путем снижения непериферического поворота турбинных лопаток. Более конкретно, роторный узел содержит хвостовой узел, обеспечивающий минимизацию поворота турбинной лопатки относительно роторного диска, который может привести к повышенному износу указанной лопатки. В результате хвостовой узел способствует продлению срока службы роторного узла и повышению эффективности эксплуатации паротурбинного двигателя. По существу это способствует уменьшению стоимости обслуживания паротурбинного двигателя.

Выше приведено подробное описание иллюстративных вариантов выполнения способов и устройства, касающихся роторного узла. Указанные способы и устройство не ограничены конкретными вариантами выполнения, описанными в данном документе. Напротив, компоненты систем и/или этапы способа могут применяться независимо и отдельно от других компонентов и/или этапов, описанных в данном документе. Например, указанные способы и устройство также могут применяться в комбинации с другими системами и способами, касающимися роторных двигателей, при этом их реализация на практике не ограничена только паротурбинным двигателем, как описано в данном документе. Напротив, иллюстративный вариант выполнения может быть реализован и использован применительно ко многим другим областям применения роторных систем.

Отображение конкретных особенностей различных вариантов выполнения изобретения на одних чертежах и их отсутствие на других чертежах служит исключительно для удобства описания. Кроме того, использование выражения «один вариант выполнения» в вышеприведенном описании не должно считаться исключающим наличие дополнительных вариантов выполнения, которым также присущи перечисленные особенности. В соответствии с принципами изобретения любая особенность, отображенная на чертеже, может быть упомянута в тексте и/или отмечена в формуле изобретения в комбинации с любой особенностью, отображенной на любом другом чертеже.

В предложенном описании примеры используются для раскрытия данного изобретения, в том числе предпочтительного варианта выполнения, а также для обеспечения возможности реализации изобретения на практике, включая изготовление и использование любых устройств и установок и осуществление любых соответствующих или предусмотренных способов, любым специалистом. Объем правовой охраны изобретения определен формулой изобретения и может охватывать другие примеры, очевидные специалистам в данной области техники. Подразумевается, что такие другие примеры находятся в рамках объема формулы изобретения, если они содержат конструктивные элементы, не отличающиеся от описанных в дословном тексте формулы, или конструктивные элементы, незначительно отличающиеся от описанных в дословном тексте формулы.

Роторный узел турбинного двигателя содержит роторный диск, турбинную лопатку и хвостовой узел. Роторный диск имеет внутреннюю поверхность, ограничивающую паз пазового замка, включающий заглубленный паз, ограниченный в роторном диске. Турбинная лопатка присоединена к роторному диску и имеет аэродинамическую часть, проходящую в направлении наружу от выступа пазового замка, вставленного в паз пазового замка. От выступа пазового замка проходит фланец, а заглубленный паз имеет размер, обеспечивающий размещение в нем фланца. Хвостовой узел сформирован фланцем, размещенным в упомянутом заглубленном пазу, ограниченном в роторном диске, и обеспечивающим минимизацию поворота турбинной лопатки относительно роторного диска. Хвостовой узел имеет паз, выполненный в радиально внешней поверхности нижнего участка выступа пазового замка, и радиальный фланец, соединенный с роторным диском и проходящий в направлении наружу от внутренней поверхности роторного диска к выступу пазового замка, для размещения в пазу. Паз имеет радиальную высоту, такую что, когда радиальный фланец вставлен в паз между внешней поверхностью выступа пазового замка и внутренней поверхностью роторного диска, образован зазор. Другое изобретение относится к турбинному двигателю, содержащему генератор, турбину, соединенную с генератором, и указанный выше роторный узел, проходящий через турбину. При сборке указанного выше роторного узла турбинного двигателя присоединяют указанную турбинную лопатку к указанному роторному диску с обеспечением минимизации поворота турбинной лопатки относительно роторного диска. Группа изобретений позволяет снизить износ между пазом диска и выступом пазового замка лопатки и повысить их срок службы. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Роторный узел, предназначенный для турбинного двигателя и содержащий
по меньшей мере один роторный диск, имеющий внутреннюю поверхность, ограничивающую паз пазового замка, при этом паз пазового замка включает заглубленный паз, ограниченный в роторном диске,
по меньшей мере одну турбинную лопатку, присоединенную к роторному диску и имеющую аэродинамическую часть, проходящую в направлении наружу от выступа пазового замка, который по меньшей мере частично вставлен в паз пазового замка, при этом от выступа пазового замка проходит по меньшей мере один фланец, причем упомянутый заглубленный паз имеет размер, обеспечивающий размещение в нем упомянутого по меньшей мере одного фланца, и
хвостовой узел, сформированный упомянутым по меньшей мере одним фланцем, размещенным в упомянутом заглубленном пазу, ограниченном в роторном диске, и обеспечивающий минимизацию поворота турбинной лопатки относительно роторного диска, при этом хвостовой узел имеет паз (192), выполненный в радиально внешней поверхности (178) нижнего участка (148) выступа пазового замка, и радиальный фланец (194), соединенный с роторным диском и проходящий в направлении наружу от внутренней поверхности роторного диска к выступу пазового замка, для размещения в пазу (192), при этом паз (192) имеет радиальную высоту, такую что, когда радиальный фланец (194) вставлен в паз (192), между внешней поверхностью (178) выступа пазового замка и внутренней поверхностью (162) роторного диска образован зазор (204).

2. Роторный узел по п. 1, в котором паз пазового замка дополнительно имеет радиальный фланец, проходящий в радиальном направлении от упомянутой внутренней поверхности, и упомянутый выступ пазового замка имеет паз, обеспечивающий возможность размещения в нем упомянутого радиального фланца.

3. Роторный узел по п. 2, в котором турбинная лопатка дополнительно имеет хвостовую часть, проходящую между аэродинамической частью и выступом пазового замка, причем аэродинамическая часть проходит в направлении радиально наружу от указанной хвостовой части, при этом ширина выступа пазового замка приблизительно равна ширине хвостовой части.

4. Роторный узел по п. 3, в котором турбинная лопатка имеет по меньшей мере один удерживающий крюк, проходящий в направлении наружу от выступа пазового замка к внутренней поверхности роторного диска и выполненный с возможностью взаимодействия с роторным диском для содействия предотвращению перемещения турбинной лопатки в пазу пазового замка.

5. Роторный узел по п. 4, в котором роторный диск дополнительно имеет по меньшей мере один опорный фланец, проходящий в направлении внутрь от указанной внутренней поверхности и выполненный с возможностью взаимодействия с удерживающим крюком для содействия предотвращению перемещения турбинной лопатки.

6. Роторный узел по п. 5, дополнительно содержащий прокладку, расположенную между радиальным фланцем и выступом пазового замка для поджатия указанного выступа с обеспечением контакта удерживающего крюка с опорным фланцем.

7. Роторный узел по п. 1, в котором выступ пазового замка дополнительно имеет радиальный фланец, проходящий в радиальном направлении от упомянутого выступа пазового замка, и упомянутый паз пазового замка имеет паз, обеспечивающий возможность размещения в нем указанного радиального фланца.

8. Роторный узел по п. 1, в котором упомянутый паз пазового замка дополнительно имеет по меньшей мере один осевой фланец, проходящий в направлении внутрь от роторного диска к нижнему участку выступа пазового замка и выполненный с возможностью контакта с внешней поверхностью указанного нижнего участка.

9. Турбинный двигатель, содержащий
генератор,
турбину, соединенную с указанным генератором, и
роторный узел, проходящий через указанную турбину и содержащий:
по меньшей мере один роторный диск, имеющий внутреннюю поверхность, ограничивающую паз пазового замка, при этом паз пазового замка имеет заглубленный паз, ограниченный в роторном диске,
по меньшей мере одну турбинную лопатку, присоединенную к роторному диску и имеющую аэродинамическую часть, проходящую в направлении наружу от выступа пазового замка, который по меньшей мере частично вставлен в паз пазового замка, при этом от выступа пазового замка проходит по меньшей мере один фланец, причем упомянутый заглубленный паз имеет размеры, обеспечивающие размещение в нем упомянутого по меньшей мере одного фланца, и
хвостовой узел, сформированный упомянутым фланцем, размещенным в упомянутом заглубленном пазу, ограниченном в роторном диске и обеспечивающий минимизацию поворота турбинной лопатки относительно роторного диска, при этом хвостовой узел имеет паз (192), ограниченный радиально внешней поверхностью (178) нижнего участка (148) выступа пазового замка, и радиальный фланец (194), соединенный с роторным диском и проходящий в направлении наружу от внутренней поверхности роторного диска к выступу пазового замка для размещения в пазу (192), при этом паз (192) имеет радиальную высоту, такую что, когда радиальный фланец (194) вставлен в паз (192), между внешней поверхностью (178) выступа пазового замка и внутренней поверхностью (162) роторного диска образован зазор (204).

10. Турбинный двигатель по п. 9, в котором упомянутый паз пазового замка дополнительно имеет радиальный фланец, проходящий в радиальном направлении от упомянутой внутренней поверхности, и упомянутый выступ пазового замка имеет паз, обеспечивающий возможность размещения в нем упомянутого радиального фланца.

11. Турбинный двигатель по п. 10, в котором турбинная лопатка дополнительно имеет хвостовую часть, проходящую между аэродинамической частью и выступом пазового замка, причем аэродинамическая часть проходит в направлении радиально наружу от указанной хвостовой части, при этом ширина выступа пазового замка приблизительно равна ширине хвостовой части.

12. Турбинный двигатель по п. 11, в котором турбинная лопатка имеет по меньшей мере один удерживающий крюк, проходящий в направлении наружу от выступа пазового замка к внутренней поверхности роторного диска, а роторный диск имеет по меньшей мере один опорный фланец, проходящий в направлении внутрь от указанной внутренней поверхности и выполненный с возможностью взаимодействия с удерживающим крюком для содействия предотвращению перемещения турбинной лопатки в пазу пазового замка.

13. Турбинный двигатель по п. 12, в котором роторный узел дополнительно содержит прокладку, расположенную между радиальным фланцем и выступом пазового замка.

14. Способ сборки роторного узла, предназначенного для турбинного двигателя, включающий
использование по меньшей мере одного роторного диска, который имеет паз пазового замка, ограниченный внутренней поверхностью, первой осевой поверхностью и второй осевой поверхностью, причем указанная внутренняя поверхность проходит в целом в осевом направлении между указанными первой и второй осевыми поверхностями, при этом паз пазового замка имеет заглубленный паз, ограниченный в роторном диске,
использование турбинной лопатки, имеющей аэродинамическую часть и выступ пазового замка, при этом от выступа пазового замка проходит по меньшей мере один фланец, причем упомянутый заглубленный паз имеет размеры, обеспечивающие размещение в нем упомянутого по меньшей мере одного фланца,
присоединение турбинной лопатки к роторному диску с формированием упомянутым фланцем, размещенным в упомянутом заглубленном пазу, ограниченном в роторном диске, хвостового узла, обеспечивающего минимизацию поворота турбинной лопатки относительно роторного диска, при этом хвостовой узел имеет паз (192), ограниченный радиально внешней поверхностью (178) нижнего участка (148) выступа пазового замка, и радиальный фланец (194), соединенный с роторным диском и проходящий в направлении наружу от внутренней поверхности роторного диска к выступу пазового замка для размещения в пазу (192), при этом паз (192) имеет радиальную высоту, такую что, когда радиальный фланец (194) вставлен в паз (192), между внешней поверхностью (178) выступа пазового замка и внутренней поверхностью (162) роторного диска образован зазор (204).

15. Способ по п. 14, в котором дополнительно
соединяют радиальный фланец с внутренней поверхностью роторного диска,
в выступе пазового замка выполняют заглубленный паз, размер которого обеспечивает возможность размещения в нем указанного радиального фланца, и
соединяют выступ пазового замка с роторным диском, так что радиальный фланец входит в заглубленный паз с образованием хвостового узла.

16. Способ по п. 15, в котором дополнительно между аэродинамической частью и выступом пазового замка присоединяют хвостовую часть, ширина которой по существу равна ширине выступа пазового замка.

17. Способ по п. 15, в котором дополнительно к выступу пазового замка присоединяют по меньшей мере один удерживающий крюк, проходящий в направлении аксиально наружу от указанного выступа к одной из первой и второй осевых поверхностей и выполненный с возможностью взаимодействия с роторным диском для содействия предотвращению радиального перемещения турбинной лопатки.

18. Способ по п. 17, в котором дополнительно присоединяют к одной из первой и второй осевых поверхностей по меньшей мере один опорный фланец, выполненный с возможностью контакта с указанным по меньшей мере одним удерживающим крюком.

19. Способ по п. 18, в котором дополнительно между радиальным фланцем и выступом пазового замка располагают прокладку, выполненную с возможностью поджатия указанного выступа в направлении радиально наружу с обеспечением вхождения удерживающего крюка в контакт с опорным фланцем.