Устройство для крепления подвижной лопатки к диску ротора турбины в турбомашине

Крепежное устройство для крепления к диску ротора турбины турбомашины лопатки, в котором корневая часть лопатки формирует охватываемую часть, зацепляемую и удерживаемую в радиальном направлении в сопрягаемой с ней по форме полости в диске ротора, содержит средства для предотвращения перемещения корневой части лопаток в осевом направлении в полости. В состоянии покоя и в условиях равномерной температуры ось лопатки наклонена вверх по потоку или вниз по потоку по отношению к перпендикуляру к оси вращения ротора. Лопатка наклонена под углом, предназначенным для компенсации, по меньшей мере, частично, смещения оси лопатки, вызываемого механическими и термическими напряжениями, воздействующими на ротор в течение работы турбомашины. Изобретение позволяет повысить коэффициент полезного действия турбины за счет расположения лопаток перпендикулярно к оси вращения ротора во время работы турбомашины. 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Настоящее изобретение относится к устройству для крепления подвижной лопатки к диску ротора турбины в турбомашине, например, в авиационном турбореактивном или турбовинтовом двигателе.

В указанных турбомашинах лопатки ступеней турбины устанавливают на диски ротора посредством зацепления охватываемых частей, образованных корневыми частями лопаток, в полостях, образованных в дисках ротора, причем такое зацепление охватываемой части и охватывающей части представляет собой, например, зацепление типа ласточкиного хвоста или типа рождественской елки, так что лопатки удерживаются в дисках ротора в радиальном направлении. Созданы средства для предотвращения перемещения корневых частей лопаток в осевом направлении в прорезях дисков.

В состоянии покоя оси лопаток точно перпендикулярны оси вращения ротора.

Установлено, что конструкция ротора подвержена воздействию сил, которые представляют собой осевые, радиальные и тангенциальные силы, а также воздействию температурных градиентов, что приводит к деформациям, которые вызывают паразитные осевые смещения свободных концов лопаток. Поэтому, когда турбомашина находится в действии, лопатки принимают конфигурацию, которая не перпендикулярна по отношению к оси вращения ротора. Такая конфигурация снижает коэффициент полезного действия турбины и, следовательно, ухудшает эксплуатационные характеристики турбомашины.

Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы преодолеть указанные недостатки за счет использования крепежного устройства, обеспечивающего возможность расположения осей лопаток строго перпендикулярно оси вращения ротора, когда турбомашина находится в действии.

Задача достигается посредством крепежного устройства, предназначенного для крепления к диску ротора турбины турбомашины лопатки, корневая часть которой формирует охватываемую часть, зацепляемую и удерживаемую в радиальном направлении в полости с сопрягаемой с ней формой в диске ротора, причем в крепежном устройстве предусмотрены средства для предотвращения перемещения корневой части лопатки в полости в осевом направлении, при этом в состоянии покоя и в условиях равномерной температуры ось лопатки наклонена вверх по потоку или вниз по потоку по отношению к перпендикуляру к оси вращения ротора в направлении и под углом, которые должны, по меньшей мере, частично компенсировать смещение оси лопатки, вызываемое механическими и термическими напряжениями, воздействующими на ротор в течение работы турбомашины.

В первом варианте осуществления изобретения поверхность полости, взаимодействующая с поверхностью корневой части лопатки, которая перпендикулярна оси лопатки, наклонена под углом α по отношению к оси вращения ротора.

В другом варианте осуществления изобретения поверхность корневой части лопатки, взаимодействующая с поверхностью полости, которая перпендикулярна оси вращения ротора, наклонена под углом по отношению к перпендикуляру к оси лопатки.

Углы α и выбраны такими, что оси лопаток фактически перпендикулярны оси вращения ротора в рабочем состоянии, то есть таким образом, что углы α и являются функцией угловой компенсации, необходимой между положением оси лопатки в состоянии покоя и ее положением в рабочем состоянии.

Углы α и находятся в диапазоне от -1,5° до +1,5°.

Установлено, что не все паразитные смещения лопаток происходят в одном и том же направлении и что хотя большая часть лопаток различных ступеней турбины в рабочем состоянии наклоняется вниз по потоку, лопатки некоторых других ступеней могут быть наклонены вверх по потоку.

Предпочтительно средства для предотвращения перемещения корневой части лопатки в осевом направлении в полости содержат удерживающее кольцо, прижатое в надлежащем месте посредством щитка, удерживаемого диском ротора.

Кроме того, полость и корневая часть могут иметь продольную ориентацию, которая параллельна оси вращения ротора или составляет угол β с этой осью в плоскости, параллельной оси вращения.

Корневая часть лопатки и полость выполнены по типу ласточкиного хвоста.

Устройство согласно изобретению обеспечивает возможность компенсации паразитных отклонений лопаток различных ступеней независимо друг от друга.

В целом, преимущество настоящего изобретения заключается в повышении коэффициента полезного действия турбины и, следовательно, в улучшении эксплуатационных характеристик турбомашины за счет сохранения перемещения лопаток фактически перпендикулярно по отношению к оси вращения ротора, когда турбомашина находится в рабочем состоянии.

Другие преимущества и отличительные признаки изобретения раскрываются в приводимом ниже в качестве примера, не налагающего каких-либо ограничений, описании со ссылками на на прилагаемые фигуры, в числе которых:

Фиг.1 представляет схематический вид в продольном направлении известной из уровня техники турбомашины в сечении по плоскости, проходящей через ось вращения ротора;

Фиг.2 представляет в большем масштабе вид части фиг.1;

Фиг.3 представляет схематический вид в продольном направлении устройства для крепления подвижной лопатки к диску ротора, показанный в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора;

Фиг.4 и 5 представляют виды в большем масштабе, соответствующие части фиг.1 и соответствуют двум вариантам осуществления изобретения;

Фиг.6 представляет фрагментарный схематический вид части полости в радиальном направлении снаружи от ротора.

На фиг.1 представлен схематический вид в продольном направлении ротора турбомашины в сечении по плоскости, содержащей ось 10 вращения ротора. Ротор содержит диски 11 турбины, которые связаны между собой, лопатки 12, прикрепленные к дискам, и системы 13 для предотвращения перемещения лопаток в осевом направлении относительно диска, при этом системы выполнены из щитков и удерживающих колец, расположенных между лопатками и прикрепленных к дискам способом, проиллюстрированным на фиг.2. Ротор соединен с валом турбины 14 посредством приводного конуса 15.

На фиг.2 можно видеть, что два последовательных диска 20 и 21 турбины взаимосвязаны посредством щитка 22, проходящего перпендикулярно между дисками 20 и 21 и вдоль оси вращения. Удерживающее кольцо 23 расположено между первым диском 20 ротора и щитком 22, а другое удерживающее кольцо 25 расположено между щитком 22 и другим диском 21 ротора.

В известном уровне техники в состоянии покоя и при нормальной температуре ось 24 лопатки 12 проходит перпендикулярно оси 10 вращения ротора.

На фиг.3 представлены известные средства для удерживания в радиальном направлении лопатки 12 на диске 11 ротора, причем эти средства представляют собой средства типа ласточкиного хвоста и содержат охватываемую часть 30, образованную на одном конце лопатки 12 и прикрепленную к соответствующему диску 11 ротора, при этом упомянутая часть называется корневой частью 30 лопатки или утолщением и взаимодействует с охватывающей частью 31, образованной в периферии диска 11 ротора посредством полости, называемой прорезью.

Корневая часть 30 лопатки имеет плоскую поверхность 34, параллельную оси вращения 10 и обращенную к фактически плоской поверхности 35, формирующей донную часть прорези 31.

Когда турбомашина находится в рабочем состоянии, конструкция ротора подвергается воздействию осевых, радиальных и тангенциальных сил, а также температурных градиентов, что приводит к деформациям, которые вызывают паразитные осевые смещения свободных концов лопаток 12. На фиг.2 можно видеть, что ось 24 лопатки принимает ориентацию 26, которая не перпендикулярна оси 10 вращения ротора, при этом паразитные наклоны осей лопаток будут направлены вниз и вверх по потоку. Кроме того, температурные градиенты приводят к расширению материала, образующего лопатки 12, и к паразитным радиальным смещениям лопаток 12 по отношению к оси 10 вращения ротора.

В первом варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.4, поверхность 35 полости 31 или прорези, соответствующая поверхности 34 корневой части 30 лопатки, которая перпендикулярна оси 24 лопатки, наклонена вверх по потоку под углом α по отношению к оси 10 вращения ротора.

Это означает, что в состоянии покоя ось 24 наклонена вверх по потоку на угол α, как показано на фиг.4. При работе осевые, радиальные и тангенциальные напряжения, а также температурные градиенты приводят к деформациям, вызывающим осевые паразитные смещения свободных концов лопаток 12, в результате чего происходит наклон оси 24 в нижнем направлении, приводящий ее назад в положение, которое фактически перпендикулярно оси 10 вращения ротора, причем угол наклона α в состоянии покоя определен так, чтобы по возможности точно компенсировать паразитные отклонения лопаток 12.

Во втором варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.5, поверхность 34 корневой части 30 лопатки, соответствующая поверхности 35 полости 31 или прорези, которая параллельна оси 10 вращения ротора, в состоянии покоя наклонена вверх по потоку под углом по отношению к перпендикуляру к оси лопатки 24.

Таким образом, в состоянии покоя ось 24 наклонена вверх по потоку под углом α′, как показано на фиг.5. В рабочем состоянии вышеупомянутые напряжения приводят к подъему оси 24 таким образом, что она возвращается в положение, которое фактически перпендикулярно оси 10 вращения ротора, при этом угол предварительно задают так, чтобы по возможности точно скомпенсировать паразитные отклонения лопаток 12.

Паразитные отклонения лопаток в разных ступенях могут быть направлены вниз и вверх по потоку. В состоянии покоя и при нормальных температурных условиях крепежное устройство согласно изобретению обеспечивает возможность наклона осей лопаток 24 на угол α или вверх и вниз по потоку независимо друг от друга в разных ступенях турбины, чтобы по возможности наилучшим образом скомпенсировать паразитные наклоны осей и привести их назад в положения, которые перпендикулярны оси 10 вращения ротора в рабочем состоянии.

Устройство не ограничено одним вариантом конструкции для турбомашины. Турбомашина может включать в себя оба варианта конструкции согласно изобретению, то есть как одну, так и большее количество ступеней, в которых поверхности 35 полостей 31, взаимодействующие с поверхностями 34 корневых частей 30 лопаток, которые перпендикулярны осям лопаток 24, наклонены на угол α по отношению к оси 10 вращения ротора, а также один или большее количество дисков, в которых поверхности 34 корневых частей 30 лопаток, взаимодействующие с поверхностями 35 полостей 31, которые параллельны оси 10 вращения ротора, наклонены на угол по отношению к перпендикулярам к осям лопаток 24.

Соединительное устройство согласно изобретению может быть применено к соединениям между лопатками и дисками ротора, в которых полости или прорези 31 необязательно ориентированы параллельно оси 10 вращения ротора. На фиг.6 представлена конструкция, в которой донная поверхность 35 полости или прорези 31 ориентирована в продольном направлении, которое составляет угол β с осью 10 вращения ротора.

Эта ориентация также касается корневой части 30 лопатки, которая заходит в полость или прорезь 31. Точнее, угол β представляет собой угол между, во-первых, продольным направлением полости 31 и корневой части 30 лопатки и, во-вторых, линией, параллельной оси 10 вращения и лежащей в плоскости фиг.6, которая представляет собой плоскость, параллельную оси 10 вращения ротора.

1. Крепежное устройство для крепления к диску ротора турбины турбомашины лопатки, корневая часть которой формирует охватываемую часть, зацепляемую и удерживаемую в радиальном направлении в сопрягаемой с ней по форме полости в диске ротора, содержащее средства для предотвращения перемещения корневой части лопаток в осевом направлении в полости, причем в состоянии покоя и в условиях равномерной температуры ось лопатки наклонена вверх по потоку или вниз по потоку по отношению к перпендикуляру к оси вращения ротора в направлении и под углом, которые предназначены для компенсации, по меньшей мере, частично смещения оси лопатки, вызываемого механическими и термическими напряжениями, воздействующими на ротор в течение работы турбомашины.

2. Крепежное устройство по п.1, в котором поверхность полости, взаимодействующая с поверхностью корневой части лопатки, которая перпендикулярна оси лопатки, наклонена под углом α по отношению к оси вращения ротора.

3. Крепежное устройство по п.1, в котором поверхность корневой части лопатки, взаимодействующая с поверхностью полости, которая перпендикулярна оси вращения ротора, наклонена под углом по отношению к перпендикуляру к оси лопатки.

4. Крепежное устройство по п.2 или 3, в котором угол α, задают так, чтобы в рабочем состоянии оси лопаток, по существу, были перпендикулярны оси вращения ротора.

5. Крепежное устройство по п.2 или 3, в котором угол α, находится в диапазоне от -1,5° до +1,5°.

6. Крепежное устройство по п.1, в котором в состоянии покоя оси лопаток, по меньшей мере, одной ступени турбины направлены вверх по потоку.

7. Крепежное устройство по п.1, в котором в состоянии покоя оси лопаток, по меньшей мере, одной ступени турбины направлены вниз по потоку.

8. Крепежное устройство по п.1, в котором средства для предотвращения перемещения корневой части лопатки в осевом направлении в полости содержат удерживающее кольцо, прижатое в надлежащем месте посредством щитка, удерживаемого диском ротора.

9. Крепежное устройство по п.1, в котором полость и корневая часть имеют продольную ориентацию, которая параллельна оси вращения ротора или составляет угол β с этой осью в плоскости, параллельной оси вращения.

10. Крепежное устройство по п.1, в котором корневая часть лопатки и полость выполнены по типу ласточкина хвоста.