РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ТУРБОМАШИНЫ И ТУРБОМАШИНА Российский патент 2017 года по МПК F01D5/30 F01D5/32 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение относится к турбомашинному оборудованию и более конкретно к рабочему колесу турбомашины.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Турбомашины, как правило, содержат компрессор, турбину и узел камер сгорания. Воздух, проходящий через ряд ступеней в компрессоре, подвергается сжатию с образованием сжатого воздуха. Часть сжатого воздуха проводится к узлу камер сгорания, смешивается с горючей текучей средой и сжигается с образованием газов, которые проводятся в турбину. Указанные газы, проходя через ряд ступеней турбины, расширяются с выполнением работы. Каждая ступень компрессора и турбины содержит рабочее колесо, на котором установлены лопатки или рабочие лопатки. Рабочие лопатки взаимодействуют с указанным воздушным потоком или газами и сообщают вращательное усилие рабочему колесу.

[0003] Рабочие лопатки обычно устанавливаются на рабочем колесе посредством пазового замка. Лопатки содержат в целом стержневой элемент, а рабочее колесо содержит паз. Указанный паз выполнен с возможностью размещения стержневого элемента лопатки. В некоторых случаях указанный паз проходит в боковом направлении поперек поверхности по наружному диаметру рабочего колеса. В таких случаях рабочее колесо содержит паз для каждой лопатки. В других случаях паз проходит в окружном направлении вокруг поверхности по наружному диаметру рабочего колеса. Пример такой конструкции описан в заявке на патент США №2011/0116933 (Николас Аиелло, 19.11.2009). В этом случае указанный паз смещен от средней линии поверхности по наружному диаметру и содержит часть для заводки лопаток. Указанная часть выполнена с возможностью размещения каждой лопатки. Каждую лопатку прикрепляют к рабочему колесу и устанавливают в требуемом положении вокруг поверхности по наружному диаметру. После того как установлены все лопатки, к рабочему колесу вблизи части для заводки лопаток прикрепляют элементы фиксации для предотвращения высвобождения лопаток.

Вышеописанные конструкции, предназначенные для установки рабочих лопаток на рабочем колесе, не способствуют повышению срока службы рабочего колеса, поскольку характеристики усталостной прочности рабочего колеса остаются относительно низкими. Кроме того, затраты на ремонт и техническое обслуживание таких рабочих колес, а также затрат, приходящихся на запуск турбомашины с такими рабочими колесами, достаточно высоки.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0004] В соответствии с одним аспектом иллюстративного варианта выполнения предложено рабочее колесо турбомашины, содержащее основную часть, имеющую первую поверхность и противоположную вторую поверхность, соединенные поверхностью по наружному диаметру, имеющей среднюю линию, паз для размещения лопаток, выполненный на поверхности по наружному диаметру и проходящий вокруг основной части рабочего колеса, причем указанный паз для размещения лопаток делит указанную поверхность по наружному диаметру на первую часть, имеющую первый размер, и вторую часть, имеющую второй размер, превышающий указанный первый размер, и паз для заводки лопаток, выполненный на поверхности по наружному диаметру, соединенный с пазом для размещения лопаток и смещенный от него, причем указанный паз для заводки лопаток проходит в первую часть поверхности по наружному диаметру на первое расстояние и во вторую часть указанной поверхности на второе расстояние, превышающее указанное первое расстояние.

Упомянутое рабочее колесо дополнительно содержит первый и второй пазы для фиксации лопатки, выполненные на поверхности по наружному диаметру, соединенные с пазом для размещения лопаток и разделенные пазом для заводки лопаток. При этом каждый паз для фиксации лопатки, первый и второй, проходит по второй части поверхности на большее расстояние, чем по первой части поверхности.

Кроме того, рабочее колесо дополнительно содержит первый и второй элементы для фиксации лопатки, расположенные соответственно в первом и втором пазах для фиксации лопатки, а также лопатки, установленные в пазе для размещения лопаток.

[0005] В соответствии с другим аспектом иллюстративного варианта выполнения предложена турбомашина, содержащая компрессор, турбину, механически присоединенную к компрессору, камеру сгорания, проточно присоединенную к компрессору и турбине, и рабочее колесо, установленное в компрессоре или турбине. При этом рабочее колесо содержит основную часть, имеющую первую поверхность и противоположную вторую поверхность, соединенные поверхностью по наружному диаметру, имеющей среднюю линию, паз для размещения лопаток, выполненный на поверхности по наружному диаметру и проходящий вокруг основной части рабочего колеса, причем указанный паз для размещения лопаток делит указанную поверхность по наружному диаметру на первую часть, имеющую первый размер, и вторую часть, имеющую второй размер, превышающий указанный первый размер, и паз для заводки лопаток, выполненный на поверхности по наружному диаметру, соединенный с пазом для размещения лопаток и смещенный от него, причем указанный паз для заводки лопаток проходит в первую часть поверхности по наружному диаметру на первое расстояние и во вторую часть указанной поверхности на второе расстояние, превышающее указанное первое расстояние.

Турбомашина дополнительно содержит первый и второй пазы для фиксации лопатки, выполненные на поверхности по наружному диаметру, соединенные с пазом для размещения лопаток и разделенные пазом для заводки лопаток, причем каждый паз для фиксации лопатки, первый и второй, проходит по второй части поверхности на большее расстояние, чем по первой части поверхности.

Кроме того, турбомашина содержит первый и второй элементы для фиксации лопатки, расположенные соответственно в первом и втором пазах для фиксации лопатки, а также лопатки, установленные в пазе для размещения лопаток.

В упомянутой турбомашине рабочее колесо может быть установлено в компрессоре, при этом одна из первой и второй поверхностей образует верхнюю по потоку поверхность, а другая из этих поверхностей образует нижнюю по потоку поверхность, подвергающуюся большему напряжению, чем верхняя по потоку поверхность, причем паз для заводки лопаток смещен от нижней по потоку поверхности, обеспечивая выравнивание напряжения в основной части рабочего колеса.

Кроме того, в упомянутой турбомашине рабочее колесо может быть установлено на турбине, при этом одна из первой и второй поверхностей образует верхнюю по потоку поверхность, а другая из этих поверхностей образует нижнюю по потоку поверхность, при этом верхняя по потоку поверхность подвергается большему напряжению, чем нижняя по потоку поверхность, причем паз для заводки лопаток смещен от верхней по потоку поверхности, обеспечивая выравнивание напряжения в основной части рабочего колеса.

Таким образом, предложенные рабочее колесо и турбомашина, содержащая такое колесо, обеспечивают увеличение эксплуатационного ресурса рабочего колеса, благодаря улучшению характеристик усталостной прочности рабочего колеса, и, кроме того, снижают затраты на ремонт и техническое обслуживание таких рабочих колес, а также затраты, связанные с запуском турбомашины.

[0006] Эти и другие преимущества и признаки изобретения будут более очевидны из последующего описания, выполненного со ссылкой на чертежи.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0007] Предмет изобретения четко определен в формуле изобретения, приведенной в заключение данного описания. Вышеупомянутые и другие признаки и преимущества изобретения будут очевидны из последующего подробного описания, выполненного со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых

[0008] на фиг. 1 показана схема турбомашины, содержащей рабочее колесо в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения;

[0009] на фиг. 2 показан вид в аксонометрии рабочего колеса в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения;

[0010] на фиг. 3 показан вид сверху поверхности по наружному диаметру рабочего колеса, показанного на фиг. 2, изображающий паз для размещения лопаток, имеющий паз для заводки лопаток в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения;

[0011] на фиг. 4 показан частичный вид в аксонометрии рабочего колеса, показанного на фиг. 2, изображающий лопатку, вставляемую в паз для заводки лопаток в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения;

[0012] на фиг. 5 показан вид сбоку в разрезе паза для заводки лопаток в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, изображающий лопатку, вставленную в паз для размещения лопаток;

[0013] на фиг. 6 показан вид сбоку в разрезе паза для размещения лопаток, показанного на фиг. 5, изображающий лопатку, устанавливаемую с регулировкой в паз для размещения лопаток;

[0014] на фиг. 7 показан вид сбоку в разрезе паза для заводки лопаток, изображающий лопатку, вставленную в паз для размещения лопаток; и

[0015] на фиг. 8 показан частичный вид в аксонометрии рабочего колеса, показанного на фиг. 2, изображающий лопатку, закрепляемую на место первым и вторым элементами фиксации, вставленными в соответствующие первый и второй пазы фиксации в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения.

[0016] Нижеследующее подробное описание объясняет варианты выполнения данного изобретения вместе с его преимуществами и признаками путем примера со ссылкой на чертежи.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0017] Турбомашина в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения показана в целом на фиг. 1 под номером 2 позиции. Турбомашина 2 содержит компрессор 4, проточно присоединенный к турбине 6 через узел 8 камер сгорания. Узел 8 камер сгорания содержит камеры сгорания, одна из которых обозначена номером 10 позиции и которые расположены в кольцеобразной схеме. Естественно, следует понимать, что узел 8 камер сгорания может иметь различные формы. Компрессор 4 также механически присоединен к турбине 6 общим компрессорным/турбинным валом 12. Показано, что турбина 6 содержит основную часть 16, окружающую несколько турбинных ступеней 20, 21 и 22. Количество турбинных ступеней может изменяться. Каждая турбинная ступень 20-22 содержит соответствующие неподвижные элементы с аэродинамическим профилем, или сопловые лопатки, например, как показано под номером 24 позиции для ступени 22, расположенные выше по потоку от вращающихся элементов с аэродинамическим профилем или лопаток, например, как показано под номером 26 позиции. Указанные вращающиеся элементы 26 прикреплены к рабочему колесу 30, расположенному внутри турбины 6.

[0018] При таком расположении воздух втягивается в компрессор 4 через впускное отверстие (не показано) и подвергается сжатию ступенями компрессора (также не показаны) с образованием потока сжатого воздуха. Часть потока сжатого воздуха проходит к узлу 8 камер сгорания и смешивается с воспламеняемой текучей средой в каждой камере 10 сгорания с образованием горючей смеси. Указанная горючая смесь воспламеняется с образованием газообразных продуктов сгорания, которые направляются к турбине 6. Указанные продукты сгорания расширяются при прохождении через ступени 20-22, создавая работу, которая используется для приведения в действие внешнего компонента, такого как генератор или насос. Естественно, что турбомашина 2 также может использоваться в качестве источника электроэнергии для транспортного средства.

[0019] В соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, показанным на фиг. 2-7, рабочее колесо 30 содержит основную часть 40, имеющую первую поверхность 42 и противоположную вторую поверхность 43, которые соединены поверхностью 45 по наружному диаметру, имеющей среднюю линию 50, как показано на фиг. 2-3. На поверхности 45 по наружному диаметру выполнен паз 60 для размещения лопаток. Указанный паз 60 обеспечивает опору вращающихся элементов 26 с аэродинамическим профилем вокруг поверхности 45 по наружному диаметру. Паз 60 для размещения лопаток делит поверхность 45 на первую часть 61, имеющую первый размер 62, и вторую часть 63, имеющую второй размер 64. В показанном варианте выполнения второй размер 64 превышает первый размер 62, что обеспечивает смещение в осевом направлении паза 60 относительно средней линии 50.

[0020] Паз 60 содержит внутреннюю полость 66, выполненную в основной части 40 рабочего колеса. Как показано в иллюстративном варианте выполнения, внутренняя полость 66 имеет первую концевую часть 67 и вторую концевую часть 68, которые являются асимметричными. То есть вторая концевая часть 68 проходит в осевом направлении в рабочее колесо на большую глубину, чем первая концевая часть 67. При таком конструктивном решении каждый из вращающихся элементов 26 должен быть установлен с регулировкой в паз 60. Более конкретно, каждый элемент 26 содержит базовую часть 72, которая обеспечивает опору аэродинамическому профилю 73, и монтажный элемент или стержневой элемент 74. Монтажный элемент 74 имеет форму, обеспечивающую его размещение в указанном пазе 60. Как показано более подробно ниже, каждый вращающийся элемент 26 заводят в паз 60, как показано на фиг. 5, устанавливают с регулировкой или располагают под углом к осевому направлению, как показано на фиг. 6, и затем размещают в указанный паз 60 монтажным элементом 74, проходящим в первую и вторую части 67 и 68.

[0021] Далее, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения паз 60 для размещения лопаток содержит паз 80 для заводки лопаток, образованный в основной части 40 рабочего колеса. Паз 80 имеет отверстие 84, ограниченное стенками 87 и 88 с размерами, обеспечивающими размещение монтажного элемента 74. Паз для заводки лопаток смещен в осевом направлении от паза 60 для размещения лопаток. Более конкретно, первая стенка 87 проходит во вторую часть 63 поверхности на глубину, превышающую глубину, на которую проходит вторая стенка 88 в первую часть 61 поверхности. Таким образом, паз для заводки лопаток расположен ближе к центру на поверхности 45 по наружному диаметру, обеспечивая смещение областей концентрации напряжений к более прочной части рабочего колеса 30. Во время работы напряжения концентрируются на поверхности 90 сопряжения между первой частью 61 поверхности и первой поверхностью 42. В иллюстративном варианте выполнения паз 80 расположен ближе к центру на поверхности 45 по наружному диаметру, обеспечивая увеличение общей ширины первой части 61 поверхности для обеспечения дополнительной конструкции, несущей нагрузку, обусловленную напряжениями на поверхности 90 сопряжения.

[0022] Местоположение паза 80 может меняться так, чтобы обеспечивать смещение напряжений у одной или другой из первой и второй поверхностей 42 и 43. То есть если выясняется, что напряжения на первой поверхности 42 превышают напряжения на второй поверхности 43, то паз 80 может быть перемещен от первой поверхности 42 для уменьшения локализованных напряжений. В целом было установлено, что напряжения бывают большими на той из первой и второй поверхностей, которая подвергается воздействию более высоких температур. По существу в компрессоре нижняя по потоку поверхность рабочего колеса 30 может подвергаться воздействию повышенных температур. В результате напряжения на нижней по потоку поверхности выше, чем на верхней по потоку поверхности. Соответственно, если рабочее колесо 30 установлено в компрессоре, паз 80 может быть смещен к верхней по потоку поверхности для выравнивания напряжений, возникающих в основной части 40 рабочего колеса. В противоположность этому, в турбине верхняя по потоку поверхность рабочего колеса 30 может подвергаться воздействию более высоких температур. В результате напряжения на верхней по потоку поверхности могут быть выше, чем на нижней по потоку поверхности. Соответственно, когда рабочее колесо 30 установлено в турбине, то паз 80 для заводки лопаток может быть смещен к нижней по потоку поверхности для выравнивания напряжений, возникающих в основной части 40 рабочего колеса. Хотя вышеприведенное описание относится к напряжениям, возникающим при тепловых воздействиях, другие факторы могут влиять на напряжения в рабочем колесе 30. По существу перемещение паза для заводки лопаток от поверхности, имеющей большее напряжение, не всегда может быть направлено от поверхности, испытывающей воздействие более высоких температур.

[0023] Паз 80 для заводки лопаток в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения может быть перемещен для выравнивания напряжений между первой и второй поверхностями 42 и 43 для увеличения общего эксплуатационного ресурса основной части 40 рабочего колеса. В частности, выравнивание напряжения между первой и второй поверхностями 42 и 43 повышает предел малоцикловой усталостной прочности рабочего колеса 30. По существу основная часть 40 рабочего колеса лучше выдерживает воздействие сил при запуске турбомашины. Кроме того, увеличение малоцикловой усталостной прочности основной части 40 приводит к снижению затрат на ремонт и техническое обслуживание и затрат, приходящихся на запуск турбомашины 2.

[0024] Далее, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения рабочее колесо 30 содержит первый и второй пазы 94 и 95 для фиксации лопатки, расположенные на каждой стороне паза 80. Первый паз 94 для фиксации лопатки имеет отверстие 97, ограниченное первой и второй стенками 98 и 99. Подобным образом, второй паз 95 для фиксации лопатки имеет отверстие 104, ограниченное первой и второй стенками 105 и 106. Подобно вышеописанному образу, первый и второй пазы 94 и 95 для фиксации лопатки смещены в осевом направлении относительно паза 60 с обеспечением повышения прочности на первой части 61 поверхности. Пазы 94 и 95 для фиксации лопатки выполнены для размещения соответствующих элементов 114 и 116 для фиксации лопатки, показанных на фиг. 8, которые взаимодействуют с двумя вращающимися элементами 26 с аэродинамическим профилем для предотвращения освобождения указанных элементов.

[0025] Хотя данное изобретение подробно описано в отношении только ограниченного числа вариантов выполнения, следует понимать, что оно не ограничивается рассмотренными вариантами выполнения. Точнее, данное изобретение может быть видоизменено с включением любого количества вариантов, изменений, замен или эквивалентных конструкций, не рассмотренных в данном документе, но которые подпадают под сущность и объем данного изобретения. Кроме того, несмотря на то, что описаны различные варианты выполнения данного изобретения, следует понимать, что его аспекты могут включать только некоторые из приведенных вариантов выполнения. Соответственно, данное изобретение не рассматривается как ограниченное вышеприведенным описанием, оно ограничено лишь объемом пунктов формулы изобретения.

Рабочее колесо турбомашины содержит основную часть, паз для размещения лопаток и паз для заводки лопаток. Основная часть рабочего колеса имеет первую поверхность и противоположную вторую поверхность, соединенные поверхностью по наружному диаметру, имеющей среднюю линию. Паз для размещения лопаток выполнен на поверхности по наружному диаметру основной части рабочего колеса и проходит вокруг основной части рабочего колеса. Паз для размещения лопаток делит поверхность по наружному диаметру основной части рабочего колеса на первую часть, имеющую первый размер, и вторую часть, имеющую второй размер, превышающий первый размер. Паз для заводки лопаток выполнен на поверхности по наружному диаметру основной части рабочего колеса, соединен с пазом для размещения лопаток и смещен от него. Паз для заводки лопаток проходит в первую часть поверхности по наружному диаметру основной части рабочего колеса на первое расстояние и во вторую часть указанной поверхности на второе расстояние, превышающее первое расстояние. Другое изобретение группы относится к турбомашине, включающей указанное выше рабочее колесо. Группа изобретений позволяет повысить надежность и ресурс турбомашины за счет более равномерного распределения напряжений в основной части рабочего колеса и тем самым повысить предел усталостной прочности последнего. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Рабочее колесо турбомашины, содержащее

основную часть, имеющую первую поверхность и противоположную вторую поверхность, соединенные поверхностью по наружному диаметру, имеющей среднюю линию,

паз для размещения лопаток, выполненный на поверхности по наружному диаметру и проходящий вокруг основной части рабочего колеса, причем указанный паз для размещения лопаток делит указанную поверхность по наружному диаметру на первую часть, имеющую первый размер, и вторую часть, имеющую второй размер, превышающий указанный первый размер, и

паз для заводки лопаток, выполненный на поверхности по наружному диаметру, соединенный с пазом для размещения лопаток и смещенный от него, причем указанный паз для заводки лопаток проходит в первую часть поверхности по наружному диаметру на первое расстояние и во вторую часть указанной поверхности на второе расстояние, превышающее указанное первое расстояние.

2. Рабочее колесо по п. 1, дополнительно содержащее первый и второй пазы для фиксации лопатки, выполненные на поверхности по наружному диаметру, соединенные с пазом для размещения лопаток и разделенные пазом для заводки лопаток.

3. Рабочее колесо по п. 2, в котором каждый паз для фиксации лопатки, первый и второй, проходит по второй части поверхности на большее расстояние, чем по первой части поверхности.

4. Рабочее колесо по п. 2, дополнительно содержащее первый и второй элементы для фиксации лопатки, расположенные соответственно в первом и втором пазах для фиксации лопатки.

5. Рабочее колесо по п. 1, дополнительно содержащее лопатки, установленные в пазе для размещения лопаток.

6. Турбомашина, содержащая

компрессор,

турбину, механически присоединенную к компрессору,

камеру сгорания, проточно присоединенную к компрессору и турбине, и рабочее колесо, установленное в компрессоре или турбине и содержащее

основную часть, имеющую первую поверхность и противоположную вторую поверхность, соединенные поверхностью по наружному диаметру, имеющей среднюю линию,

паз для размещения лопаток, выполненный на поверхности по наружному диаметру и проходящий вокруг основной части рабочего колеса, причем указанный паз для размещения лопаток делит указанную поверхность по наружному диаметру на первую часть, имеющую первый размер, и вторую часть, имеющую второй размер, превышающий указанный первый размер, и

паз для заводки лопаток, выполненный на поверхности по наружному диаметру, соединенный с пазом для размещения лопаток и смещенный от него, причем указанный паз для заводки лопаток проходит в первую часть поверхности по наружному диаметру на первое расстояние и во вторую часть указанной поверхности на второе расстояние, превышающее указанное первое расстояние.

7. Турбомашина по п. 6, дополнительно содержащая первый и второй пазы для фиксации лопатки, выполненные на поверхности по наружному диаметру, соединенные с пазом для размещения лопаток и разделенные пазом для заводки лопаток.

8. Турбомашина по п. 7, в которой каждый паз для фиксации лопатки, первый и второй, проходит по второй части поверхности на большее расстояние, чем по первой части поверхности.

9. Турбомашина по п. 7, дополнительно содержащая первый и второй элементы для фиксации лопатки, расположенные соответственно в первом и втором пазах для фиксации лопатки.

10. Турбомашина по п. 6, дополнительно содержащая лопатки, установленные в пазе для размещения лопаток.

11. Турбомашина по п. 6, в которой рабочее колесо установлено в компрессоре, при этом одна из первой и второй поверхностей образует верхнюю по потоку поверхность, а другая из этих поверхностей образует нижнюю по потоку поверхность, подвергающуюся большему напряжению, чем верхняя по потоку поверхность, причем паз для заводки лопаток смещен от нижней по потоку поверхности, обеспечивая выравнивание напряжения в основной части рабочего колеса.

12. Турбомашина по п. 6, в которой рабочее колесо установлено в турбине, при этом одна из первой и второй поверхностей образует верхнюю по потоку поверхность, а другая из этих поверхностей образует нижнюю по потоку поверхность, при этом верхняя по потоку поверхность подвергается большему напряжению, чем нижняя по потоку поверхность, причем паз для заводки лопаток смещен от верхней по потоку поверхности, обеспечивая выравнивание напряжения в основной части рабочего колеса.