Рабочее колесо осевой турбомашины

 

Использование: в газотурбинных и двигательных установках, использующих на первых ступенях турбин лопатки из керамических материалов при температуре стенки приблизительно 1900 К.Сущность изобретения: лопатки (т.е. их центры тяжести поперечных сечений) расположены под углом α к радиусу в сторону вращения с вершиной своей на кольцевом бандаже, сами рабочие лопатки выполнены за одно целое с кольцевым бандажом и вся эта система сцентрирована на наружной посадочной прерывисто-цилиндрической поверхности диска свободными внутренними концами (полками) лопаток, образующими соответствующую внутреннюю посадочную прерывисто-цилиндрическую поверхность и располагающимися между боковыми поверхностями проставок, установленных неподвижно в пазы диска параллельно оси вращения рабочего колеса. 6 ил.

Изобретение относится к газотурбинным и реактивным двигательным установкам, может быть использовано на первых ступенях высокотемпературных газовых турбин с рабочими лопатками керамического типа, хорошо работающими на сжатие до температуры стенок ≈1900К.

Известно рабочее колесо осевой турбомашины (турбины) [1] содержащее диск и рабочие лопатки, установленные в диске и выполненные из жаропрочных сплавов, охлаждаемое, допускающее окружные скорости ≈400 м/с при температуре стенки лопатки ≈1400 К.

Недостаток его состоит в том, что рабочие лопатки работают на растяжение. Применение керамических лопаток в таком рабочем колесе (при том же ресурсе и окружной скорости) дает возможность повысить температуру стенки до ≈1600 К, но не использует полностью возможности этих материалов более высокую ( ≈ в 3 раза) прочность на сжатие чем на растяжение.

Известно крепление рабочей лопатки осевой турбомашины, состоящее в том, что в рабочем колесе, содержащем кроме диска и рабочих лопаток с полками еще и кольцевой бандаж, расположенный на периферийном радиусе, и воспринимающий действие центробежных сил лопаток, причем хвостовик рабочей лопатки выполнен цилиндрическим, им она установлена в радиальное сверление (радиальные направляющие) в диске, а ее верхняя часть снабжена выступом, входящим в кольцевой паз бандажа [2] В таком рабочем колесе рабочая лопатка хотя и работает на сжатие, однако, отсутствие неподвижной связи между кольцевым бандажом и лопатками снижает сопротивление кольцевого бандажа местной изгибной деформации в радиальном направлении (в процессе работы), а свободная радиальная подвижность каждой рабочей лопатки в отдельности независимо друг от друга беспрепятственно усиливает такую деформацию, в результате чего происходит местное выпучивание кольцевого бандажа в радиальном направлении, т.е. потеря круглости его и потеря центровки в сторону, например, остаточного дисбаланса, который всегда имеется в отбалансированных рабочих колесах, что приводит к еще большему дисбалансу массивной системы кольцевой бандаж рабочие лопатки, т.е. к неустойчивому (аварийному) состоянию турбины.

Целью изобретения является повышение надежности работы рабочего колеса турбомашины (турбины), в котором рабочие лопатки работают на сжатие, путем существенного улучшения центровки и устойчивости кольцевого бандажа и рабочих лопаток.

Цель достигается тем, что в рабочем колесе осевой турбомашины, содержащем диск, рабочие лопатки с полками на внутреннем радиусе и кольцевой бандаж, размещенный на наружном радиусе рабочих лопаток и воспринимающий действие их центробежных сил, линии центров тяжести поперечных сечений рабочих лопаток расположены под углом (α ) к радиусу в сторону вращения рабочего колеса с вершиной своей на диаметре (D₂) кольцевого бандажа, рабочие лопатки выполнены за одно целое с кольцевым бандажом, полки рабочих лопаток расположены параллельно оси вращения рабочего колеса и образуют прерывистую цилиндрическую поверхность (D), а диск содержит пазы с установленными в этих пазах параллельно оси вращения рабочего колеса проставками, образующими выступы в радиальном направлении над его наружной (центрирующей) поверхностью (D), между которыми с упором в наружную поверхность диска (D) размещены полки рабочих лопаток.

На фиг, 1 схематически изображено рабочее колесо осевой турбомашины (турбины); на фиг. 2 показан узел I на фиг. 1; на фиг. 3 показано расположение полки рабочей лопатки и проставки на диске вид А на фиг. 2; на фиг. 4 показана взаимосвязь радиальной деформации с тангенциальным перемещением кольцевого бандажа (в процессе работы); на фиг. 5 представлен кольцевой бандаж с рабочими лопатками; на фиг. 6 диск с пазами для проставок.

Рабочее колесо осевой турбомашины (турбины) состоит из диска 1, рабочих лопаток 2 и кольцевого бандажа 3, располагающегося на наружном радиусе рабочих лопаток. Диск выполнен из жаропрочного металлического сплава, а рабочие лопатки по наружному радиусу выполнены за одно целое с кольцевым бандажом, т.е. представляют собой единую деталь из керамического или металлокерамического материала, например из борида титана TiB₂ (вариант I), имеющего коэффициент термического расширения, теплопроводность и плотность ниже, а модуль упругости первого рода выше материала диска. Материал кольцевого бандажа и рабочих лопаток имеют соответственно достаточную прочность на растяжение (кольцевой бандаж) до температуры ≈1200 К и на сжатие (рабочие лопатки) до температуры ≈1900К.

Возможно раздельное изготовление рабочих лопаток и кольцевого бандажа в технологическом процессе, но с последующим неподвижным соединением их способом, например, термосращивания, сварки и т.п. В этом случае кольцевой бандаж выполнен из тонкой керамической ленты (вариант II).

Линии центров тяжести поперечных сечений рабочих лопаток (сплошные линии АВ на фиг. 1 и пунктирные линии АВ на фигурах 2,5) расположены под углом α, составляющем величину 5-10^о к радиусу R рабочего колеса в сторону вращения рабочего колеса и с вершиной своей (точки В) на диаметре (D₂) кольцевого бандажа.

Решетка профилей рабочих лопаток из условия жесткости системы лопатки-бандаж, а также из условия максимального КПД турбины выполнена реактивной, сами рабочие лопатки неохлаждаемые (но могут быть охлаждаемыми), кольцевой бандаж и диск охлаждаемые (воздухом).

Рабочие лопатки на внутреннем радиусе оканчиваются полками 4 (фиг. 2, 3, 5), расположенными параллельно оси вращения рабочего колеса 0 0. Обработаны они на базе наружного D₁ и внутреннего D₂ диаметров кольцевого бандажа, образуют прерывистую цилиндрическую (посадочную) поверхность D (фиг. 1, 2, 5), т.е. отдельные поверхности Е (фиг. 5).

В диске 1 равномерно по его наружной поверхности D выполнены пазы 9 (фиг. 6), расположенные параллельно оси вращения рабочего колеса 0 0. В пазах 9 диска установлены проставки 5 (шпонки) с помощью замкового соединения, профиль которого, например ⊥-образный, обеспечивает достаточно точную (равномерную) координацию (не хуже 0,03 мм) боковых поверхностей 6,7 по окружности.

Проставки 5 своими боковыми поверхностями 6, 7 (фиг. 2) образуют выступы в радиальном направлении над наружной (центрирующей) поверхностью диска D, а между этими выступами и поверхностью D диска размещены полки 4 рабочих лопаток. Полки упираются в поверхность D диска своими прерывистыми цилиндрическими поверхностями Е (фиг. 5), т.е. система рабочих лопаток и кольцевого бандажа установлена (сцентрирована) на диске по поверхности D с некоторым минимальным (но гарантийным) натягом. В боковом направлении между полками 4 и проставками 5 может быть зазор, например, не более 0,03 мм.

Система рабочих лопаток и кольцевого бандажа имеет осевую фиксацию (односторонняя фиг. 3) относительно диска при помощи выступов 8 на диске, в которые она упирается торцами Т полок 4. Осевая фиксация может быть осуществлена и другими (известными) способами.

Прерывистые цилиндрические поверхности D рабочих лопаток и диска и цилиндрические поверхности D₁ и D₂ кольцевого бандажа имеют единую ось вращения с достаточно высокой степенью точности, совпадающую с осью вращения 0 0 рабочего колеса.

В процессе работы крутящий момент от окружных газовых сил, действующих на рабочие лопатки 2, передается на диск 1 через полки 4 лопаток и боковые поверхности 6,7 проставок 5, выступающих за поверхность D. Центробежные силы рабочих лопаток воспринимаются кольцевым бандажом, производят не только ее сжатие, но и изгиб, так как лопатки установлены под углом α к радиусу. Окружные газовые силы производят изгиб лопатки в сторону, обратную изгибу от центробежных сил, в результате чего напряжение в общем случае неравномерное по сечению лопатки сжатие, что позволяет применить материалы керамического типа с температурой стенки лопатки ≈1900 К.

Растягивающее напряжение в кольцевом бандаже складывается из напряжения от центробежных сил его собственной массы, центробежных сил рабочих лопаток и небольшого радиального натяга по поверхности D. Порядок из величин соответственно ≈80% ≈15% и ≈5% Температура кольцевого бандажа по радиусу снижается к периферии, а растягивающие напряжения из-за небольших термических напряжений в нем возрастают. По его поверхности D₂ организовано конвективно-пленочное охлаждение, на всей остальной поверхности конвективное, так что средняя температура его составляет ≈1200К. При этой температуре прочностные свойства материала кольцевого бандажа на растяжение еще достаточно хорошие.

Напряженно-деформированное состояние диска, рабочих лопаток и кольцевого бандажа таково, что радиальная деформация диска (ΔR_g) в сумме с удлинением лопатки ( Δl₁) всегда больше или равна радиальной деформации кольцевого бандажа ( ΔR_б), т.е.

ΔR_g+ Δl_л ≥ΔR_б.

При этом условии стык по центрирующей поверхности D не раскрывается. В случае выполнения равенства, сохраняется первоначальный минимальных монтажный натяг по центрирующей поверхности D. В случае неравенства (фиг. 4) избыток радиальной деформации левой части ( ΔR) вследствие наличия угла α переходит, т.е. трансформируется с коэффициентом меньше единицы, в тангенциальное перемещение ( Δt_б) кольцевого бандажа, одинаковое для всех лопаток, на искривление линии центров тяжести лопаток и на натяг по поверхности D ( Δr_б). В результате такой трансформации, во-первых, натяг ( Δr_б) по поверхности D возрастает незначительно, во-вторых, его наличие полезно из условия устойчивости, так как при его местном уменьшении уменьшается и местная радиальная сила на кольцевой бандаж.

Таким образом, в динамике деформаций по данному предложению радиальная деформация системы рабочие лопатки-кольцевой бандаж жестко связана с тангенциальным перемещением кольцевого бандажа благодаря наличию угла α исполнению рабочих лопаток за одно целое с кольцевым бандажом, а также благодаря расположению полок рабочих лопаток и проставок в диске параллельно оси вращения рабочего колеса, расположению полок между выступами проставок с упором в наружную поверхность диска, обеспечивается достаточно хорошая центровка системы рабочие лопатки кольцевой бандаж на центрирующей наружной поверхности диска и ее устойчивое состояние в процессе работы, чего нет в устройстве по прототипу. Это позволяет сделать вывод о существенном повышении надежности предлагаемого рабочего колеса турбомашины (турбины), в котором рабочие лопатки работают на сжатие.

Формула изобретения

РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ОСЕВОЙ ТУРБОМАШИНЫ, содержащее диск, рабочие лопатки с полками на внутреннем радиусе и кольцевой бандаж, размещенный на наружном радиусе рабочих лопаток, отличающееся тем, что линии центров тяжести поперечных сечений рабочих лопаток расположены под углом к радиусу в сторону вращения рабочего колеса с вершиной на диаметре кольцевого бандажа, рабочие лопатки на наружном радиусе выполнены заодно с кольцевым бандажом, полки рабочих лопаток расположены параллельно оси вращения рабочего колеса и образуют прерывистую цилиндрическую поверхность, а в диске выполнены пазы, колесо снабжено проставками, установленными в пазах параллельно оси вращения рабочего колеса и образующими выступы в радиальном направлении над его наружной поверхностью, между которыми с упором в наружную поверхность диска размещены полки рабочих лопаток.

РИСУНКИ

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