Способ замены рабочих лопаток осевого компрессора

 

Использование: в турбомашиностроении. Сущность изобретения: способ замены рабочих лопаток осевого компрессора без последующей балансировки ротора состоит в демонтаже поврежденных лопаток и установке на их место резервных. При демонтаже поврежденных лопаток измеряют разности между статическими моментами или массами каждой поврежденной и устанавливаемой на ее место резервной лопатками. Определяют вектор возникшего дисбаланса лопаточного венца двумя независимыми методами, правильность решения которых оценивают сходимостью результатов. Устраняют вектор дисбаланса постановкой дисбалансировочных элементов, расположенных в плоскости лопаточного венца, и осуществляют сборку рабочего колеса. 8 ил.

Изобретение относится к турбомашиностроению и может быть использовано в осевых компрессорах стационарных газотурбинных установок (ГТУ( и авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) для замены поврежденных рабочих лопаток без последующей балансировки ротора. Способ применим для нескольких типовых конструкций крепления рабочих лопаток на диске или барабане.

Известен способ замены рабочих лопаток, основанный на равенстве статических моментов удаляемой и устанавливаемой лопаток [1] . Однако этот способ характеризуется большой трудоемкостью и необходимостью наличия большего резерва лопаток, предназначенных для замены, что приемлемо только в заводских условиях, в то время как актуальность замены поврежденных лопаток резко возрастает при выполнении этих работ в условиях эксплуатирующих организаций.

За прототип выбран способ замены рабочих лопаток, [2] , основанный на использовании круговой диаграммы расстановки лопаток, по которой диаметрально противоположные лопатки имеют практически равные между собою статические моменты. При замене удаляют поврежденную и противоположную лопатки, устанавливая на их места резервные лопатки, имеющие любые, но равные между собою статические моменты.

Недостатки данного способа: необходимость первоначальной расстановки лопаток по круговой диаграмме; удвоенное число резервных лопаток, необходимое для замены поврежденных лопаток; необходимость четного числа рабочих лопаток ступени; необходимость особых требований на резервные лопатки; накопление ошибок, увеличивающих дисбаланс, при замене большого числа повреждения лопаток.

Цель изобретения - повышение уровня эксплуатационной технологичности турбомашины путем обеспечения возможности замены любого числа поврежденных лопаток ступени без их подбора при сохранении фактического дисбаланса ротора.

Вопрос замены поврежденных лопаток в заводских условиях не представляет трудностей, т. к. после выполнения этих работ производят балансировку ротора. В эксплуатации же при попадании в проточную часть посторонних предметов или птиц повреждаются компрессорные лопатки, замена которых весьма актуальна, т. е. в условиях эксплуатации не только балансировка ротора, но и демонтаж его из корпуса проблематичны или невозможны. Доступность к лопаткам обеспечивается конструктивно за счет горизонтального разъема корпуса, лючков или иных средств. Таким образом, предложенный способ направлен на существенное снижение стоимости жизненного цикла двигателей, эксплуатационные расходы которого в авиации составляют около 70% .

Поставленная цель достигается точным определением и устранением дисбаланса, возникшего от замены поврежденных лопаток, путем использования корректирующих масс, которые расположены в плоскости лопаточного венца, что конструктивно обеспечено в ряде типовых конструкций крепления компрессорных лопаток на роторе.

Сущность изобретения состоит в следующем. Демонтируют с ротора поврежденные лопатки, число которых может быть от одной штуки до полного комплекта ступени. Подгоняют резервные лопатки, подпиливая по высоте резервные лопатки в размеры соотетствующих поврежденных и припиливая отдельные поверхности хвостовиков резервных лопаток для обеспечения заданных зазоров, качки и прочих требований на монтаж лопаток, измеряют разности между статмоментами или массами каждой поврежденной и устанавливаемой на ее место резервной лопатками. Определяют и проверяют вектор возникшего дисбаланса лопаточного венца. Устраняют вектор возникшего дисбаланса лопаточного венца постановкой балансировочных элементов, расположенных в плоскости лопаточного венца. Производят монтаж рабочих лопаток на ротор.

В отношении определения и проверки вектора возникшего дисбаланса следует отметить, что особенностью балансировки ротора на балансировочном станке является возможность надежного контроля остаточного дисбаланса ротора, что практически исключает возможность ошибки. В случае замены поврежденных лопаток без последующей балансировки ротора с целью исключения возможной ошибки вектор суммарного дисбаланса определяется двумя независимыми методами (расчетным и графическим), а в качестве контроля используется сходимость двух решений, что иллюстрируется в приведенном ниже примере конкретного использования способов.

На фиг. 1 представлена схема крепления рабочих лопаток осевого компрессора авиационного ГТД (вариант I), которая включает диск или барабан ротора 1, рабочую лопатку 2, межлопаточный вкладыш 3; на фиг. 2 - возможные доработки вкладыша путем сверления отверстий диаметрами d₁ и d₂; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 4 - схема крепления рабочих лопаток осевого компрессора стационарной ГТУ, (вариант 2) (1 - лопатка 2 - промвставка); на фиг. 5 - разрез Б-Б на фиг. 4; на фиг. 6 - разрез В-В на фиг. 5 (М - место съема материала); на фиг. 7 - схема крепления рабочих лопаток осевого вентилятора двухконтурного авиационного ГТД вариант 3 (1 - лопатка, 2 - диск, 3 - груз балансировочный, 4 - контровка); на фиг. 8 - пример, в котором даны пояснения.

В качестве примера рассмотрим одну из типовых конструкций (фиг. 1) крепления рабочих лопаток. Для конструкций (рис. 4-7) существо способа не меняется.

В рассматриваемом примере (фиг. 1) на диске выполнен кольцевой, профильный паз, в который заводятся лопатки, контактирующие между собой по поверхностям нижних полок. Между хвостовиками лопаток образуется пространство, которое может быть заполнено вкладышами. Предположим, что в рабочем колесе, имеющем 24 лопатки, замене подлежит 4 лопатки. Приняв фиксированную точку отчета на диске, обозначим все лопатки порядковыми номерами: 1, 2, 3. . . 24. Поврежденные лопатки имеют номера 3, 17, 19, 23.

После демонтажа поврежденных лопаток произведем индивидуальную подгонку каждой резервной лопатки по высоте и хвостовику, после чего присвоим резервным лопаткам порядковые номера, соответстующие поврежденным.

Под поврежденными лопаткам и будем понимать лопатки, имеющие: трещины, забоины, вмятины, деформации пера, т. е. такие лопатки, массы или статические моменты которых не изменены. Под разрушенными лопатками будем понимать лопатки, сохраненные на роторе частично, т. е. обгоревшие, разорванные и т. п. Для замены разрушенных лопаток необходимо знать исходные значения их массы или статмоментов, которые могут быть замаркированы на хвостовике или приложены к формуляру двигателя. Обычно в случаях разрушения рабочих лопаток двигатель разбирается полностью для исследования причин дефекта, поэтому в дальнейшем будет рассматривать замену только поврежденных лопаток.

Определим разности масс между каждой поврежденной и устанавливаемой на ее место лопатками. Допустим, это будет значения: Δ m₃ = -0,3 г, Δ m₁₇ = + 0,3 г, Δ m₁₉ = = + 0,5 г, Δ m₂₃ = -0,2 г.

Нанесем векторные значения приведенных величин на диаграмму и выполним расчеты по формулам (1), (2): α_i= (i-1), где i = 3, 17, 19, 23; Z= 24.

03sn +.

03cs +.

M_Σ= = = 1,0 г. (1) β= arctg +K·90° (2) k= 0 при M_x> 0, M_y> 0; к= 2 при Mx>0, My<0 и при Мх<0/ Мy<0; к= 4 при Mx<0, My>0. β = arctg + 2·90°= 54,4+180°= 234,4° Δm - разность масс или статических моментов между поврежденной и резервной лопатками; z - число лопаток в ступени; М - масса или статический момент уравновешивающего груза; M_Σ - угол установки уравновешивающего груза; β - угол установки уравновешивающего груза.

Построение, приведенное на фиг. 8а, формально для расчета не требуется и выполнено для наглядности и для второго метода определения вектора M_Σгеометрическим путем (фиг. 8б). Как видим из этого рисунка, результаты обоих методов совпали.

Таким образом, для сохранения фактического дисбаланса ротора при замене лопаток требуется между лопатками 16 и 17 разместить вкладыш, масса которого равна: m_в= = = 1,04 г, где R_ц.т.л. и r_ц.т.в - расстояния от оси вращения ротора до центра тяжести лопатки и вкладыша соответственно.

Если бы величины Δ m₃. . . Δ m₂₃ представляли бы собою значения разностей статмоментов, то масса вкладыша определялась бы формулой: m_в= , где M_Σ - модуль вектора = ++.

При необходимости можно поставить вкладыш и в другие места, однако векторная сумма их, равная M_Σ должна быть неизменной.

Далее необходимо смонтировать на роторе вкладыш и лопатки.

В случае применения способа в конструкции, приведенной на рис. 4, в роли межлопаточного вкладыша выступает облегченная по массе промвставка, которая должна устанавливаться в точку, диаметрально противоположную направлению вектора M_Σ , т. е. применительно к нашему примеру между лопатками 4 и 5.

В случае применения способа в конструкции, приведенной на рис. балансировочные грузы устанавливаются под лопаткой. Применительно к нашему примеру следует поставить два груза под лопатки 16 и 17. Массы этих грузов должны быть равны между собой, а в случае практически равны значению m_в.

Технико-экономические показатели предложенного способа определяются исключением всех перечисленных выше недостатков способа, принятые за прототип. Особо следует отметить отсутствие ограничения по числу поврежденных лопаток и отсутствия особых требований, предъявляемых к резервным лопаткам. Стоимость восстановления двигателя в условиях эксплуатирующей организации с использованием предложенного способа существенно ниже стоимости подобного ремонта на заводах. Способ прост, надежен, не требует для реализации сложного оснащения.

Способ успешно прошел апробацию при замене более 100 поврежденных лопаток осевого компрессора двигателя РД-33.

СПОСОБ ЗАМЕНЫ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА без последующей балансировки ротора, состоящий в демонтаже поврежденных лопаток и установке на их места резервных лопаток, отличающийся тем, что при демонтаже поврежденных лопаток измеряют разности между статическими моментами или массами каждой поврежденной и устанавливаемой на ее место резервной лопатками, определяют вектор возникшего дисбаланса лопаточного венца двумя независимыми методами, правильность решения которых оценивают сходимостью результатов, устраняют вектор дисбаланса постановкой балансировочных элементов, расположенных в плоскости лопаточного венца, и осуществляют сборку рабочего колеса.

Формула изобретения

СПОСОБ ЗАМЕНЫ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА без последующей балансировки ротора, состоящий в демонтаже поврежденных лопаток и установке на их места резервных лопаток, отличающийся тем, что при демонтаже поврежденных лопаток измеряют разности между статическими моментами или массами каждой поврежденной и устанавливаемой на ее место резервной лопатками, определяют вектор возникшего дисбаланса лопаточного венца двумя независимыми методами, правильность решения которых оценивают сходимостью результатов, устраняют вектор дисбаланса постановкой балансировочных элементов, расположенных в плоскости лопаточного венца, и осуществляют сборку рабочего колеса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8