СОСТАВНАЯ РАБОЧАЯ ЛОПАТКА ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2024 года по МПК F01D5/14 

Изобретение относится энергомашиностроению, а в частности к турбостроению, и может быть использовано в осевых турбомашинах - паровых и газовых турбинах.

Известна конструкция рабочей лопатки турбины [авторское свидетельство SU №1710786 A1 F01D 5/00], содержащая перо, выполненное в виде оболочки аэродинамической формы, и удерживающий ее элемент, пропущенный внутри оболочки и скрепленный с хвостовиком, связывающим перо с диском турбины, в которой с целью повышения надежности лопатки за счет снижения напряжений в ее элементах, оболочка выполнена составной из корневой и периферийной частей, при этом корневая часть закреплена на хвостовике.

Основными недостатками данной конструкции лопатки являются:

1. Такая конструкция рабочей лопатки не устраняет, а только уменьшает напряжения в корневом сечении, что требует выполнения прикорневой галтели в зоне перехода от корневой полки к перу для снижения концентрации напряжений.

2. Возможность разных температурных и упругих деформаций корневой и периферийной частей, которая может приводить к появлению зазора между этими частями пера, что в свою очередь может приводить к локальному возмущению потока рабочего тела в межлопаточном канале.

3. Возможность радиального перемещения периферийной части пера лопатки приводит к изменению центра тяжести пера лопатки, что может затруднить динамическую балансировку ротора (диска) с такими лопатками при рабочей температуре.

4. Высокая технологическая сложность изготовления такой рабочей лопатки и ее установки на диске.

5. Ослабление замкового соединения выполнением в нем полости и как следствие, понижение надежности лопатки.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является составная лопатка осевой турбомашины [патент RU 2416029 С2 F01D 5/14], состоящая из металлического хвостовика, радиального металлического стержня, прочно скрепленного с хвостовиком, бандажной полки, закрепленной на периферийном конце радиального стержня, дефлектора и профильной пустотелой оболочки, свободно установленных снаружи радиального стержня и упирающихся в бандажную полку при радиальном их перемещении вдоль радиального стержня, причем профильная оболочка выполнена по длине составной, состоящей, по меньшей мере, из двух не соединенных между собой частей, свободно установленных на радиальном стержне снаружи дефлектора между хвостовиком и бандажной полкой, в которую упирается верхняя часть профильной оболочки, причем все части профильной оболочки изготовлены преимущественно из жаропрочных жаростойких керамических или композиционных материалов, при этом части составной оболочки могут быть выполнены неравными и сопряжены в зонах наибольшей деформации несущего стержня, а поверхности сопряжения выполнены трехмерными.

Это техническое решение принято за прототип.

Недостатками этого технического решения являются:

1. Отсутствие четкой угловой фиксации составных профильных оболочек, что при самоустановке их в поле действия центробежных и газодинамических сил может приводить к установке профильных оболочек с углами, отличающимися от углов потока рабочего тела (пара или газа), а это может вызывать снижение лопаточного КПД и появление различных срывных газодинамических явлений, приводящих к колебаниям рабочих лопаток.

2. Малая изгибная жесткость лопатки, т.к. изгибу сопротивляется только радиальный металлический стержень, что может приводить к повышенным деформациям изгиба под действием газодинамических сил.

3. Отсутствие четкой радиальной фиксации составных профильных оболочек на радиальном стержне будет приводить при вращении ротора (диска) к изменению центра тяжести профильной части рабочей лопатки и, как следствие, к появлению вибрации ротора (диска) от его несбалансированности.

Сущностью настоящего изобретения является повышение надежности составной рабочей лопатки турбины путем четкой фиксации всех элементов составной рабочей лопатки турбины за счет создания термических сжимающих нагрузок, возникающих в элементах данной лопатки; повышение изгибной жесткости лопатки и, как следствие, повышение частот собственных колебаний лопатки; снижение амплитуд ее колебаний путем их конструкционного демпфирования из-за появления пар трения в ее сопряженных элементах, а также снижение вибронагруженности ротора (диска) за счет возможности более качественной его балансировки.

Достижение указанных преимуществ обусловлено тем, что рабочая составная лопатка осевой турбомашины, состоящая из металлического хвостовика, радиального металлического стержня, прочно скрепленного с хвостовиком, бандажной полки, закрепленной на периферийном конце радиального стержня, профильной пустотелой оболочки, свободно установленной снаружи радиального стержня, при этом, внутри полой профильной части размещена упорная втулка, верхний наружный фланец которой сопряжен с верхним торцом профильной части, а ее нижний внутренний фланец сопряжен с распорной втулкой, которая верхним торцом упирается в головку радиального металлического стержня, при этом фланцы сопряжены таким образом, что при прогреве лопатки осуществляется сжатие профильной полой части и прижатие ее нижнего торца к хвостовику, так как распорная втулка выполнена из материала с температурным коэффициентом линейного расширения большим, чем температурные коэффициенты линейного расширения материалов профильной части, упорной втулки и радиального металлического стержня.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена конструкция составной рабочей лопатки турбины, на фиг. 2 и фиг. 3 представлены сечения лопатки по А-А (фиг. 1).

Конструкция составной рабочей лопатки турбины (фиг. 1) содержит полую профильную часть 1, хвостовик 5; упорную втулку 2, установленную с зазором между нижним фланцем втулки 2 и хвостовиком 5; распорную втулку 3; радиальный металлический стержень 4, закрепленный таким образом, что при его установке обеспечивается предварительное сжатие профильной части 1 и распорной втулки 3; периферийный бандаж 6, закрепленный на периферийной части радиального силового элемента 4. При этом упорная втулка 2 может быть выполнена как профильная втулка с наружным контуром сечения, подобным внутреннему контуру профильной части рабочей лопатки (фиг. 2), так и в виде цилиндрической втулки (фиг. 3).

Предлагаемая конструкция рабочей лопатки при эксплуатации турбины работает следующим образом.

При прогреве рабочей лопатки от исходной температуры (температуры монтажа) до рабочей температуры эксплуатации все элементы лопатки подвергаются температурному расширению. Но при этом за счет более высокого значения температурного коэффициента линейного расширения материала распорной втулки 3 (по сравнению с температурным коэффициентом линейного расширения профильной части 1, упорной втулки 2 и радиального металлического стержня 4) осуществляется сжатие профильной полой части 1 и прижатие ее нижнего торца к хвостовику 5. Подбор материалов упорной 2 и распорной 3 втулок, а также их длин позволяет обеспечить постоянную четкую взаимную фиксацию всех элементов лопатки, включая постоянное упругое сопряжением профильной части с хвостовиком.

Четкая взаимная фиксация всех элементов рабочей лопатки исключает появление радиальных люфтов и не изменяет положения центра тяжести лопатки, что при вращении не создает дополнительной несбалансированности ротора (диска). Постоянный упругий контакт профильной части лопатки с хвостовиком обеспечивает сохранение высокой постоянной изгибной жесткости лопатки, а при возможном возникновении колебаний такой лопатки наличие нескольких поверхностей сопряженных элементов будет приводить к высокому уровню конструкционного демпфирования за счет трения сопряженных поверхностей при их микроперемещениях в процессе колебаний.

Изобретение относится энергомашиностроению, а в частности к турбостроению, и может быть использовано в осевых турбомашинах - паровых и газовых турбинах. Составная рабочая лопатка осевой турбомашины, состоящая из металлического хвостовика, радиального металлического стержня, прочно скрепленного с хвостовиком, бандажной полки, закрепленной на периферийном конце радиального стержня, профильной пустотелой оболочки, свободно установленной снаружи радиального стержня, при этом внутри полой профильной части размещена упорная втулка, верхний наружный фланец которой сопряжен с верхним торцом профильной части, а ее нижний внутренний фланец сопряжен с распорной втулкой, которая верхним торцом упирается в головку радиального металлического стержня, при этом фланцы сопряжены таким образом, что при прогреве лопатки осуществляется сжатие профильной полой части и прижатие ее нижнего торца к хвостовику, так как распорная втулка выполнена из материала с температурным коэффициентом линейного расширения большим, чем температурные коэффициенты линейного расширения материалов профильной части, упорной втулки и радиального металлического стержня. Достигается повышение надежности. 3 ил.

Составная рабочая лопатка осевой турбомашины, состоящая из металлического хвостовика, радиального металлического стержня, прочно скрепленного с хвостовиком, бандажной полки, закрепленной на периферийном конце радиального стержня, профильной пустотелой оболочки, свободно установленных снаружи радиального стержня и упирающихся в бандажную полку при радиальном их перемещении вдоль радиального стержня, отличающаяся тем, внутри полой профильной части размещена упорная втулка, верхний наружный фланец которой сопряжен с верхним торцом профильной части, а ее нижний внутренний фланец сопряжен с распорной втулкой, которая верхним торцом упирается в головку радиального металлического стержня, при этом, распорная втулка выполнена из материала с температурным коэффициентом линейного расширения бόльшим, чем температурные коэффициенты линейного расширения материалов профильной части, упорной втулки и радиального металлического стержня.