Хвостовик лопатки, соответствующая лопатка, диск ротора и узел турбомашины

Авторы патента:


Хвостовик лопатки, соответствующая лопатка, диск ротора и узел турбомашины
Хвостовик лопатки, соответствующая лопатка, диск ротора и узел турбомашины
Хвостовик лопатки, соответствующая лопатка, диск ротора и узел турбомашины
Хвостовик лопатки, соответствующая лопатка, диск ротора и узел турбомашины
Хвостовик лопатки, соответствующая лопатка, диск ротора и узел турбомашины
Хвостовик лопатки, соответствующая лопатка, диск ротора и узел турбомашины
Хвостовик лопатки, соответствующая лопатка, диск ротора и узел турбомашины
Хвостовик лопатки, соответствующая лопатка, диск ротора и узел турбомашины

 


Владельцы патента RU 2612675:

СИМЕНС АКЦИЕНГЕЗЕЛЛЬШАФТ (DE)

Хвостовик лопатки содержит множество пар противоположных выступов, множество пар противоположных скруглений, множество боковых поверхностей и нижнюю часть хвостовика лопатки. Выступы и скругления расположены в чередующемся порядке, а каждая из боковых поверхностей расположена между одним из выступов и одним из скруглений. Первая боковая поверхность из множества боковых поверхностей, обращенных в сторону от нижней части, имеет первый планарный участок поверхности, примыкающий к выпуклому участку поверхности и расположенный в первой плоскости. Выпуклый участок поверхности выступа примыкает к первому планарному участку поверхности, а вогнутый участок поверхности скругления примыкает к выпуклому участку поверхности. Выпуклый участок поверхности и область вогнутого участка поверхности скругления, примыкающая к выпуклому участку поверхности, образуют локальное углубление по отношению к первой плоскости. Другое изобретение группы относится к лопатке, содержащей перо, полку и хвостовик, выполненный, как указано выше. Еще одно изобретение группы относится к диску ротора, содержащему множество пазов, каждый из которых содержит множество пар противоположных выступов, множество пар противоположных скруглений, множество боковых поверхностей и нижнюю часть паза диска. Выступы паза и скругления паза расположены в чередующемся порядке, и каждая из боковых поверхностей паза расположена между одним из выступов и одним из скруглений. Первая боковая поверхность паза из множества боковых поверхностей паза, обращенных к нижней части паза, имеет второй планарный участок поверхности, примыкающий к выпуклому переходному участку. Второй планарный участок поверхности расположен в первой плоскости. Выпуклый участок поверхности выступа паза примыкает ко второму планарному участку поверхности; а вогнутый участок поверхности скругления паза примыкает к выпуклому переходному участку. Выпуклый переходный участок и область вогнутого участка поверхности скругления паза, примыкающая к выпуклому переходному участку, образуют локальное углубление по отношению к первой плоскости. Изобретения группы также относятся к вариантам узла турбомашины, содержащим указанные выше диск ротора и лопатку. Группа изобретений позволяет снизить напряжения в местах контакта диска и лопатки. 6 н. и 9 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Область техники

Настоящее изобретение в целом относится к конструкции лопаток турбомашин и, более конкретно, к оптимизированному профилю хвостовика лопатки и/или диска ротор.

Предшествующий уровень техники

Турбинная секция газовой турбины обычно имеет множество рядов неподвижных лопаток и поворотных лопаток. Лопатки одного ряда, как правило, идентичны друг другу, и включают в себя перо, полку и корневую часть (хвостовик). Некоторые лопаточные венцы могут дополнительно включать в себя часть кожуха, предотвращающую утечку горячих газов над концом лопатки. Корневая часть является самым радиально внутренним участком лопатки и используется для монтажа лопатки в монтажную канавку или паз, предусмотренный в диске ротора. Обычно для каждой лопатки ротора предусмотрена соответствующая монтажная канавка. Сборка лопаток особенно выполняется посредством осевого скользящего перемещения каждой корневой части в соответствующую канавку.

Известно, что турбинные лопатки устанавливаются на диски турбин с помощью взаимодействующих елочных профилей. Такие методы фиксации обеспечивают точное расположение лопаток по отношению к диску. Елочные профили являются достаточно прочными, чтобы выдерживать в радиальном направлении наружу центробежные силы, действующие на лопатки при вращении диска и его присоединенных лопаток в процессе работы турбинного двигателя, в которой он установлен. В процессе работы боковые поверхности елочных профилей лопаток, которые обращены в сторону - наклонным образом - от оси двигателя и которые находятся в контакте с противоположными елочными профилями канавок, поддерживают лопатки против перемещения радиально наружу и могут рассматриваться как нагруженные боковые поверхности. Обращенные в противоположные стороны боковые поверхности профилей могут рассматриваться как ненагруженные боковые поверхности, так как они не поддерживают какие-либо значительные радиальные силы в процессе работы.

Обычная форма хвостовика елочного типа турбинной лопатки определяется с использованием только прямых линий и круговых дуг при рассмотрении вида в разрезе хвостовика лопатки, причем вид в разрезе определяется в плоскости, перпендикулярной к оси ротора турбины. Такая форма оптимизирована в отношении ряда геометрических и механических ограничений.

Боковые поверхности профилей взаимосвязаны переходными областями, которые являются поочередно выпуклыми поверхностями, которые обычно, но не всегда дугообразные и упоминаются как скругления (галтели) или шейки, и вогнутыми поверхностями, которые обычно, но не всегда дугообразные и известны как уголки или выступы или зубцы или шипы. Скругления обычно являются областями с высокой концентрацией напряжений.

Традиционно, елочные профили на хвостовиках лопаток турбины могут быть образованы в процессе шлифования.

Основная конфигурация хвостовика елочного типа содержит множество потенциальных путей нагружения с величиной результирующих напряжений в нем, зависящей от точности начального соответствия между хвостовиком лопатки и соответствующей канавкой в диске. Эти напряжения возникают в процессе работы и вызываются центробежными силами, воздействующими на лопатки - центробежная нагрузка зависит от массы всей лопатки - и представляют особый интерес для такого потенциального отказа, как усталостное или коррозионное растрескивание под напряжением. Срок службы или число рабочих циклов лопатки могут быть ограничены.

Хвостовик может быть, по существу, зеркально симметричным. Хвостовик содержит пару симметричных самых верхних шеек или скруглений, которые продолжаются вниз от нижней поверхности полки и образуют выемку в окружном направлении, пару самых верхних шипов или выступов, которые продолжаются вниз от самой верхней шейки и образуют выступ в окружном направлении. Множество симметричных пар шеек и выступов могут следовать вниз в чередующемся порядке. Корневая часть заканчивается парой симметричных самых нижних шеек, за которыми следует пара симметричных самых нижних выступов. Поверхности пары самых нижних выступов сходятся и соединяются в самом нижнем местоположении через дугообразную или плоскую поверхность, основание (нижнюю часть) хвостовика.

Патентные публикации ЕР 0431766, GB 2343225, ЕР 0478234, JP 59113206, DE 3236021, ЕР 1048821, GB 2380770, ЕР 0889202, US 5554005, US 2008/0298972, в частности, показывают различные виды профилей хвостовика лопатки, по существу, все фокусируются на напряжениях в различных областях хвостовика лопатки, все направлены на оптимизацию хвостовика лопатки для различных типов машин, для различных размеров лопаток и/или для различных рабочих скоростей. Но все еще целью является снизить высокий уровень напряжения в точках контакта между лопаткой и соответствующим диском, на котором смонтирована лопатка.

Сущность изобретения

Эта цель достигается с помощью независимых пунктов формулы изобретения. Зависимые пункты описывают предпочтительные варианты и модификации настоящего изобретения.

В соответствии с изобретением предлагается хвостовик лопатки, содержащий множество выступов и скруглений и боковых поверхностей между ними, в котором мягкий поясок обеспечивается между боковыми поверхностями и скруглениями, чтобы увеличить расстояние до соответствующего выступа диска ротора, в который вставляется лопатка с таким хвостовиком лопатки. Изобретение также относится к лопатке ротора, имеющей такой хвостовик лопатки. Кроме того, данный признак может альтернативно или дополнительно также применяться к пазу диска ротора, так что боковая поверхность паза диска ротора переходит в скругление диска ротора через мягкий поясок, чтобы увеличить расстояние до соответствующего выступа хвостовика лопатки.

Эффектом от такого пояска - причем поясок содержит внутренний и внешний радиус скругления, смежные друг с другом, -причем на его смежные внутренний и внешний радиусы скругления действует центробежная нагрузка лопатки во время работы, чтобы вызвать сжимающее напряжение во внешнем радиусе в конце контакта. Это помогает свести на нет растягивающие напряжения, которые были бы созданы трением на этой границе.

Чтобы определить изобретение более подробно, в одном аспекте изобретение направлено на хвостовик лопатки, в частности лопатки турбины, содержащий множество пар противоположных выступов, множество пар противоположных скруглений, нижнюю часть хвостовика лопатки и множество боковых поверхностей, причем выступы и скругления расположены в чередующемся порядке, и каждая из боковых поверхностей расположена между одним из выступов и одним из скруглений. Выступы в каждой паре выступов расположены, по существу, зеркально-симметрично друг другу, и каждый выступ содержит выпуклый участок поверхности выступа. Скругления в каждой паре скруглений расположены, по существу, зеркально-симметрично, и каждое скругление включает в себя вогнутый участок поверхности скругления. Первая боковая поверхность множества боковых поверхностей, обращенных в сторону от нижней части, имеет первый планарный участок поверхности -т.е. плоскую поверхность, даже при нулевой нагрузке, и без выступов или канавок. В соответствии с изобретением этот первый планарный участок поверхности примыкает к и/или трансформируется в выпуклый участок поверхности. Первый планарный участок поверхности является частью хвостовика лопатки, которая будет находиться в контакте с соответствующей боковой поверхностью паза диска в процессе работы, вследствие центробежной нагрузки. Первый планарный участок поверхности расположен в (фиктивной) первой плоскости. Выпуклый участок поверхности выступа примыкает к и/или трансформируется в первый планарный участок поверхности.

Вогнутый участок поверхности скругления примыкает к и/или трансформируется в выпуклую часть поверхности. В соответствии с изобретением выпуклый участок поверхности и область вогнутого участка поверхности скругления, примыкающая к выпуклому участку поверхности, образуют локальное углубление - т.е. понижение, впадину - по отношению к первой плоскости.

Другими словами, выпуклый участок поверхности и область вогнутого участка поверхности скругления, примыкающая к выпуклому участку поверхности, образуют подрез. Подрез расположен таким образом, что расстояние до соответствующей противоположной поверхности диска ротора, после сборки, быстро возрастает из-за выпуклого участка поверхности. Образуется зазор между двумя упомянутыми поверхностями хвостовика лопатки и диска ротора в области скруглений хвостовика лопатки.

Под термином пара «противоположных» выступов понимается то, что два выступа являются зеркально-симметричными друг другу и определяют поверхности, которые обращены в диаметральных направлениях. То же самое относится к паре противоположных скруглений, боковых поверхностей и т.п., соответственно.

Как уже говорилось, боковые поверхности, особенно первая боковая поверхность, могут быть наклонными поверхностями, причем каждая поверхность обращена, по существу, в сторону от нижней части хвостовика лопатки и может определять опору или область контактной поверхности, в которой соответствующая поверхность диска ротора - в частности, диска турбины - находится в контакте во время работы вращающейся машины, в которой лопатка установлена посредством ее хвостовика. Боковые поверхности могут быть, в частности, радиально внешними боковыми поверхностями по отношению к оси вращения, если хвостовик лопатки вставляется в диск ротора, который вращается вокруг оси.

В первом варианте осуществления протяженность опорной поверхности может увеличиваться для боковых поверхностей, которые находятся ближе к нижней части хвостовика. Это выгодно, так как нагрузка распределяется, что может снизить уровень напряженности во время работы в зоне контакта между хвостовиком лопатки и диском, в котором смонтирована лопатка. Срок службы хвостовика лопатки будет возрастать, особенно низко-циклическая усталостная долговечность.

Изобретение предпочтительно может быть направлено на устройство с тремя парами выступов, тремя парами скруглений и тремя парами боковых поверхностей между ними.

Если второй боковой поверхностью считается промежуточная боковая поверхность и третьей боковой поверхностью - наиболее близкая к нижней части, то планарная протяженность второй боковой поверхности и третьей боковой поверхности может быть идентичной. Альтернативно, третья планарная протяженность третьей боковой поверхности может быть больше, чем вторая планарная протяженность второй боковой поверхности. В частности, вторая планарная протяженность может быть на 25%-50% больше, чем первая планарная протяженность. В самом предпочтительном варианте осуществления вторая планарная протяженность может быть, по существу, на 33% больше, чем первая планарная протяженность.

Поверхности скруглений могут быть, по существу, участками цилиндров, возможно даже эллиптических цилиндров. Радиус цилиндра можно называть радиусом скругления. Одно скругление может быть определено участком одного цилиндра. Альтернативно возможны более сложные структуры поверхности, в которых могут быть определены несколько частей поверхностей, для которых каждая часть поверхности определяется радиусом скругления. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения первый радиус скругления первого скругления из множества скруглений может быть расположен в наиболее удаленной позиции по отношению к нижней части хвостовка лопатки, второй радиус скругления второго скругления из множества скруглений может быть расположен в более близкой - например, промежуточной или нижней - позиции по отношению к нижней части хвостовика лопатки, и первый радиус скругления может быть, по существу, равен второму радиусу скругления. Предпочтительно, все радиусы скруглений для скруглений могут быть идентичными, поскольку это может уменьшить точки напряжения.

Соответствующий изобретению локальный вырез может быть сформирован так, что выпуклая часть поверхности увеличивает ортогональное расстояние до первой плоскости - т.е. расстояние до фиктивной плоскости, если расстояние измеряется перпендикулярно первой плоскости - в направлении от ее первого конца, в котором выпуклый участок поверхности переходит в первый планарный участок поверхности, до ее второго конца, в котором выпуклый участок поверхности переходит в вогнутый участок поверхности скругления. Таким образом, образуется и расширяется зазор между соответствующими поверхностями хвостовика лопатки и диском ротора посредством конкретной седловидной конфигурации сочетания выпуклого участка поверхности и примыкающего участка вогнутого участка поверхности скругления.

В еще одном варианте осуществления выпуклый участок поверхности может переходить в первый планарный участок поверхности с плавным переходом, в частности, посредством плавного пояска, т.е. без ободка или без резкого изгиба или излома. То же самое относится к выпуклому участку поверхности в месте, где он переходит в вогнутый участок поверхности скругления.

В другом варианте осуществления елочный профиль сужается по ширине от области полки к нижней части хвостовика лопатки. В частности, предполагая, что каждая пара выступов содержит наиболее удаленные участки поверхности, определяющие самое широкое расстояние между противоположными поверхностями пары выступов, тогда самое широкое расстояние между противоположными поверхностями пары выступов может быть наименьшим для пары выступов, ближайших к нижней части хвостовика лопатки, и увеличивается для каждой пары выступов с увеличением расстояния до нижней части. Дополнительно или альтернативно, предполагая, что каждая пара скруглений содержит минимально удаленные участки поверхности, определяющие самое узкое расстояние между противоположными поверхностями пары скруглений, тогда самое узкое расстояние между противоположными поверхностями пары скруглений может быть наименьшим для пары скруглений, ближайших к нижней части и увеличивается для каждой пары скруглений с увеличением расстояния до нижней части.

В соответствии с другим вариантом осуществления два скругления, ближайшие к нижней части, могут быть сконфигурированы, по существу, сходными друг с другом. Рассматривая первый радиус скругления первого скругления из множества скруглений, расположенного в ближайшей первой позиции по отношению к нижней части хвостовика лопатки, и второй радиус скругления второго скругления из множества скруглений, расположенного в более удаленной второй позиции по отношению к нижней части хвостовика лопатки по сравнению с первой позицией, тогда первый радиус скругления может быть, по существу, равен второму радиусу скругления.

Как правило, хвостовик лопатки может иметь конкретное поперечное сечение и может иметь идентичное поперечное сечение по всей длине хвостовика лопатки. Вдоль своей длины хвостовик лопатки может быть прямым или может следовать устойчивой кривой, причем кривая имеет форму, обеспечивающую возможность его вставки в соответствующий паз без наклона. Торцевые стороны хвостовика лопатки могут быть подобными поперечному сечению. Боковые стороны хвостовика лопатки сформированы выступами, скруглениями, боковыми поверхностями и нижней частью лопатки, как пояснено выше. В частности, множество пар противоположных выступов и множество пар противоположных скруглений могут образовывать, по существу, две волнистые незаостренные поверхности, причем поверхности, в частности, симметричны к плоскости симметрии и, в частности, непрерывно проходят от нижней части без выступов и без поверхностей, перпендикулярных к плоскости симметрии, подобно ступеням или гребням.

В еще одном варианте осуществления, рассмотренная выше конфигурация может быть показана на хвостовике лопатки после изготовления или под нулевой нагрузкой. Кроме того, эта конфигурация также присутствует, когда нагрузка возникает в процессе работы. В частности, первый планарный участок поверхности может быть плоской поверхностью при отсутствии нагружения.

Форма поверхностей во время работы может зависеть от используемого материала. В частности, материал, который может быть использован, является недеформируемым, неупругим материалом, жестким материалом. Он может быть недеформируемым по отношению к ожидаемым силам, действующим на поверхность во время работы.

Кроме того, изобретение также относится к лопатке, которая может быть обеспечена для вращающейся машины, такой как турбомашина, например, в частности лопатке турбины для газовой или паровой турбины. Лопатка включает в себя перо, полку, от которой перо проходит вверх, и хвостовик лопатки, который проходит вниз, причем хвостовик лопатки предназначен для крепления лопатки к ротору в канавке или пазу ротора, например, диска ротора. Хвостовик лопатки выполнен в соответствии с любым из вариантов осуществления, как описано выше.

Кроме того, изобретение также относится к узлу турбомашины, особенно для турбины, например, газовой или паровой турбины, содержащему диск с множеством пазов и множество лопаток с хвостовиками лопаток, как определено выше, каждый из которых вставлен в множество пазов. Пазы и лопатки расположены так, что во время работы зоны контакта - опорные поверхности - между поверхностью паза и поверхностью лопаток ограничены до множества, по существу, планарных участков поверхности хвостовиков лопаток.

Концепция настоящего изобретения может также применяться дополнительно или альтернативно к пазам в диске ротора. В следующем описании диск ротора определен и описан более подробно. Даже если не обсуждаются подробно, как выше в отношении лопатки ротора, все варианты осуществления, объясненные выше для хвостовика лопатки, могут также применяться соответственно для паза диска ротора.

Согласно одному аспекту изобретения, диск ротора, в частности, для установки лопаток турбины, содержит множество пазов диска, каждый из множества пазов диска дополнительно содержит:

- множество пар противоположных выступов паза, выступы паза в каждой паре выступов паза расположены, по существу, зеркально-симметрично друг другу, и каждый выступ паза содержит выпуклый участок поверхности выступа паза;

- множество пар противоположных скруглений паза, скругления паза в каждой паре скруглений паза расположены, по существу, зеркально-симметрично друг другу, и каждое скругление паза содержит вогнутый участок поверхности скругления паза;

- множество боковых поверхностей паза, причем выступы паза и скругления паза расположены в чередующемся порядке, и каждая из боковых поверхностей паза расположена между одним из выступов паза и одним из скруглений паза;

- нижнюю часть паза диска;

при этом первая боковая поверхность паза из множества боковых поверхностей паза, обращенных, по существу, к нижней части, имеет второй планарный участок поверхности, который является смежным с выпуклым переходным участком, второй планарный участок поверхности расположен в первой плоскости, которая, по существу, идентична ранее определенной первой плоскости для хвостовика лопатки; и

при этом выпуклый участок поверхности выступа паза примыкает ко второму планарному участку поверхности; и

при этом вогнутый участок поверхности скругления паза примыкает к выпуклому переходному участку; и

при этом выпуклый переходный участок и область вогнутого участка поверхности скругления паза, примыкающего к выпуклому переходному участку, образуют локальное углубление по отношению к первой плоскости.

Локальное углубление, в частности, образует параллельный перенос первого планарного участка поверхности, подобно ступеньке, приводящей к смещению.

Изобретение также относится к узлу турбомашины, содержащему диск ротора с множеством пазов диска и множество лопаток, смонтированных в пазах. Узел турбомашины может содержать лопатки с соответствующими изобретению хвостовиками лопаток, как пояснено выше. Пазы диска ротора могут не иметь локального углубления в одном варианте осуществления. Первый планарный участок поверхности может быть опорной поверхностью во время работы. Кроме того, пазы диска ротора могут иметь локальное углубление в другом варианте осуществления, как описано выше, но хвостовики лопаток не имеют такой особенности. Второй планарный участок поверхности может быть опорной поверхностью во время работы.

В качестве последней конфигурации, как пазы диска ротора, так и хвостовики лопаток могут иметь локальные углубления, как обсуждалось выше. Предпочтительно первым планарным участком поверхности и вторым планарным участком поверхности будут, по существу, идеально сопряженные поверхности и являются опорными поверхностями в процессе работы.

Таким образом, в соответствии с одним аспектом изобретения в узле турбомашины пазы диска и лопатки расположены так, что во время работы области контакта между поверхностью пазов диска и поверхностью лопаток ограничены первым планарным участком поверхности первой боковой поверхности и другими планарными участками поверхности других боковых поверхностей хвостовика лопатки из множества боковых поверхностей хвостовика) лопатки.

В соответствии с другим аспектом изобретения пазы диска и лопатки расположены так, что во время работы области контакта между поверхностью пазов диска и поверхностью лопаток ограничены вторым планарным участком поверхности первой боковой поверхности паза и другими планарными участками поверхности других боковых поверхностей паза диска из множества поверхностей паза диска.

В соответствии с еще одним аспектом изобретения пазы диска и лопатки расположены так, что во время работы области контакта между поверхностью пазов диска и поверхностью лопаток ограничены первым планарным участком поверхности первой боковой поверхности, находящейся в опорном контакте со вторым планарным участком поверхности первой боковой поверхности паза, и ограничены другими планарными участками поверхности других боковых поверхностей хвостовика лопатки из множества боковых поверхностей хвостовика лопатки и другими боковыми поверхностями паза лопатки из множества боковых поверхностей паза лопатки.

Как указано выше, настоящее изобретение направлено на монтаж деталей, предназначенных для вращения вокруг оси, на деталь, которая несет смонтированную деталь. Это касается, например, лопаток ротора в паровых турбинах или газовых турбинах. Изобретение может в принципе быть также использовано в других вращающихся машинах, например двигателях или компрессорах. Кроме того, предлагаемый хвостовик лопатки может также использоваться для монтажа не вращающихся лопаток статора, хотя проблема с центробежными силами не существует для не вращающихся устройств.

Следует отметить, что варианты осуществления настоящего изобретения описаны со ссылкой на разные заявленные объекты. В частности, некоторые варианты осуществления описаны со ссылкой на пункты формулы, относящиеся к устройству, тогда как другие варианты осуществления описаны со ссылкой на способы. Тем не менее специалистам в данной области должно быть понятно из приведенного выше и последующего описания, что, если не указано иное, то в дополнение к любой комбинации признаков, принадлежащих одному типу заявленного объекта, также любая комбинация между признаками, относящимися к разным заявленным объектам, в частности, между признаками пунктов, относящихся к разным типам устройства, или между признаками вариантов осуществления типа устройства, и вариантов осуществления, относящихся к способам, рассматривается как раскрытая в настоящей патентной заявке.

Аспекты, определенные выше, и другие аспекты настоящего изобретения, являются очевидными из примеров варианта осуществления, описываемого ниже, и поясняются со ссылкой на примеры варианта осуществления.

Краткое описание чертежей

Варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны, только в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 схематично показывает часть турбинной секции газовой турбины в поперечном сечении;

Фиг. 2 иллюстрирует диски ротора в перспективном представлении;

Фиг. 3 показывает хвостовик елочного типа известной из уровня техники лопатки в поперечном разрезе;

Фиг. 4 показывает хвостовик елочного типа соответствующей изобретению лопатки и соответствующий диск в поперечном разрезе;

Фиг. 5 показывает увеличенный участок соответствующей изобретению лопатки по фиг. 4;

Фиг. 6 показывает увеличенный участок альтернативного соответствующего изобретению диска;

Фиг. 7 показывает увеличенный участок альтернативного варианта осуществления комбинации соответствующей изобретению лопатки и соответствующего изобретению диска;

Фиг. 8 иллюстрирует соответствующую изобретению лопатку в перспективном виде.

Иллюстрация на чертежах является схематичной. Следует отметить, что для аналогичных или идентичных элементов на различных чертежах используются одинаковые ссылочные позиции.

Некоторые из признаков и особенно преимуществ будут объяснены для газовой турбины в сборке, но очевидно, что признаки могут быть применены также для отдельных компонентов газовой турбины, но могут проявлять преимущества только после сборки и во время работы. Но при объяснении на примере газовой турбины во время работы никакие из деталей не должны быть ограничены газовой турбиной во время работы. В общем случае изобретение может быть применено к другим типам машин, которые обеспечивают вращательное движение вокруг оси вращения и в которых вращающиеся детали должны быть соединены с несущим элементом, который выполняет вращательное движение вокруг оси, так что центробежные силы влияют на вращающиеся детали.

Особенно эта технология может быть применена для газотурбинных двигателей или паротурбинных двигателей. В отношении газотурбинных двигателей, изобретение может быть применено к лопаткам ротора в турбинной секции и/или в компрессорной секции.

Подробное описание изобретения

На фиг. 1 часть турбинной секции газовой турбины изображена в поперечном разрезе вдоль оси вращения. Две лопатки статора и две лопатки ротора показаны с чередованием. Лопатка 2 ротора содержит перо 4, полку 2 и хвостовик 1 лопатки. Лопатка 2 ротора вставлена посредством ее хвостовика 1 лопатки в паз диска 5 ротора. Паз и диск 5 ротора сформированы соответственно так, что лопатка 2 ротора и другие лопатки ротора удерживаются в нужном положении во время вращения диска 5 ротора. Особенно важно, что лопатка 2 ротора удерживается в положении при воздействии центробежных сил из-за высоких скоростей вращения диска 5 ротора.

Чтобы удерживать лопатку 2 ротора в ее положении, пазы в типовом случае будут зубчатыми, как это можно видеть на фиг. 2.

В данном документе осевое направление определяется вдоль оси вращения ротора. На фиг. 1 осевое направление будет в плоскости чертежа и слева направо. Радиальное направление также будет в плоскости чертежа и будет ортогональным к осевому направлению, например, от хвостовика 1 лопатки к полке 3 лопатки и далее к перу 4. Ортогонально к радиальному и осевому направлению может быть определено окружное направление.

В соответствии с фиг. 2, два диска 5 ротора показаны частично в перспективном представлении, без соответствующих лопаток. Множество пазов 6 показано в радиально внешней области диска 5. Каждый паз выполнен так, что они имеют форму елочного типа, чтобы обеспечить возможность монтажа лопатки с хвостовиком елочного типа.

Особенности и терминология хвостовика елочного типа известной из уровня техники лопатки описаны со ссылкой на фиг. 3, которая показывает поперечный разрез известного хвостовика лопатки. Поперечное сечение дается в радиальной плоскости диска ротора, показывая, в частности, елочную форму хвостовика лопатки и соответствующую елочную форму для диска ротора.

Со ссылкой на фиг. 3, двумерная форма хвостовика лопатки в поперечном сечении, как это видно с осевого направления, может быть описана с использованием множества прямых и дуг окружностей. Полное трехмерное тело может быть, по существу, осевой проекцией этой показанной двумерной формы поперечного сечения.

Хвостовик 1 лопатки включает в порядке убывания радиально внутрь - как видно от радиального наружного конца хвостовика, который направлен к полке лопатки - самую верхнюю шейку хвостовика или скругление 21, по меньшей мере одну промежуточную шейку или скругление 22 и самую нижнюю шейку или скругление 23. Каждое скругление сформировано симметрично относительно центральной линии RCL хвостовика парой зеркально отображенных изогнутых поверхностей, имеющих уникальную форму, которая будет описана ниже более подробно. Каждые минимально удаленные точки пары зеркально-симметричных скруглений обозначены как минимально удаленные участки 25, 26, 27 поверхности с симметричными минимально удаленными участками 25', 26', 27' поверхности. Расстояние между парой минимально удаленных участков 25-25', 26-26' и 27-27' поверхности имеет ширину, указанную горизонтальными линиями D15, D16 и D17 для самого верхнего скругления 21, промежуточного скругления 22 и самого нижнего скругления 23, соответственно.

Минимально удаленный участок поверхности может также называться нижней частью (основанием) или подошвой. Расстояние будет измеряться перпендикулярно к плоскости симметрии.

Самый верхний шип или выступ 11 сформирован под самым верхним скруглением 21 и также расположен симметрично относительно центральной линии RCL хвостовика. Промежуточный шип или выступ 12 расположен под промежуточным скруглением 22. Самый нижний шип или выступ 13 расположен под нижним скруглением 23.

Каждые максимально удаленные точки пары зеркально симметричных выступов обозначены как наиболее удаленные участки 15, 16, 17 поверхности с их симметричными наиболее удаленными участками 15', 16', 17' поверхности. Расстояние между парой наиболее удаленных участков 15-15', 16-16' и 17-17' поверхности имеет ширину, указанную горизонтальными линиями D10, D11 и D12 для самого верхнего выступа 11, промежуточного выступа 12 и самого нижнего выступа 13, соответственно.

Наиболее удаленный участок поверхности может также называться пиком, острием или гребнем. Расстояние будет измеряться перпендикулярно к плоскости симметрии.

Самое верхнее скругление 21, по обе стороны от центральной линии RCL хвостовика, имеет составной радиус, где первый радиус R1 имеет центр R1C вращения так, чтобы определять поверхность, которая проходит от участка 3 полки до точки перехода 134. В точке 134, второй радиус R2 используется для завершения поверхности скругления вычерчиванием кривой из центра R2C вращения, смещенного внутрь от центра R1C вращения.

Центр R1C вращения лежит на линии TN, которая является касательной к наружным радиальным поверхностям выступов 11, 12 и 13 хвостовика. Точка 134 перехода от первого радиуса ко второму радиусу выбирается вычерчиванием перпендикулярной линии PL от касательной TN и проходящей через точку PI пересечения на центральной линии RCL хвостовика, где плоскости РВ, которые включают в себя опорные поверхности самого верхнего выступа, пересекаются друг с другом и центральной линией RCL хвостовика.

Каждый выступ хвостовика лопатки имеет плоскую верхнюю опорную поверхность, так что выступ 11 имеет опорную поверхность 28а, выступ 12 имеет опорную поверхность 30а и выступ 13 имеет опорную поверхность 32а. В самом верхнем выступе 11, опорные поверхности на противоположных сторонах центральной линии RCL хвостовика пересекаются на RCL и тем самым обеспечивают опорную точку для перпендикулярной линии PL, которая обеспечивает точку перехода 134 между первым и вторым радиусами самых верхних скруглений 21.

Для остальных выступов и скруглений, один радиус может быть использован в расположенных со сдвигом центрах поворота. Например, наружная радиальная протяженность выступа 11 может быть образована двумя радиусными сегментами радиуса R3 и R4. R3 и R4 могут быть равны друг другу, но, возможно центры R3C и R4C поворота сдвинуты по вертикали так, чтобы сформировать плоский участок поверхности между двумя радиусными участками, образованными двумя радиусами равной длины.

Также может иметься плоская поверхность 28b, обращенная, по существу, радиально внутрь, которая простирается от выступа 11 до скругления 22. Другая плоская поверхность 30b может присутствовать между выступом 12 и скруглением 23.

Согласно чертежу, самый нижний выступ 13 имеет плоскую поверхность нижней части. Нижняя часть обозначена ссылочной позицией 10.

На основании этой введенной терминологии, варианты осуществления настоящего изобретения описаны со ссылкой на следующие чертежи.

Согласно фиг. 4, хвостовик 1 лопатки елочного типа соответствующей изобретению лопатки показан в поперечном разрезе, включая участок елочной формы диска 5 ротора, показывающий паз, в который вставляется лопатка. Поперечное сечение дано в радиальной плоскости диска 5 ротора или, как это можно было бы видеть при наблюдении диска 5 ротора из осевого вида, с учетом того что диск 5 ротора будет вращаться вокруг оси во время работы.

Так как фиг. 4 показывает такую же конструкцию, как и хвостовик 1 лопатки, показанный на фиг. 3, большинство ссылочных позиций также применимы для фиг. 4 без изменений. Уже введенные элементы можно не повторять снова, так как вышеизложенное может быть применено также к фиг. 4.

Прежде чем рассматривать детали, главное различие между фиг. 4 и фиг. 3 состоит в том, что в областях скруглений 21, 22, 23, 21', 22', 23' хвостовика 1 лопатки, поверхность может не быть в опорном контакте с соответствующими выступами диска ротора. Посредством этого напряжение может быть уменьшено, и срок службы лопатки может быть превышен.

В отношении следующего объяснения, "верхний" или "вверх" может указывать на положение хвостовика 1 лопатки ближе к полке 3 лопатки или ближе к перу 4. "Нижний", "вниз" или "нисходящей" означает обратное направление, от полки 3 лопатки вдоль хвостовика 1 лопатки до нижней части 10 хвостовика 1 лопатки. Самая нижняя часть хвостовика 1 лопатки будет называться нижней частью (основанием) 10 в данном документе. После сборки на диск 5, который выполнен с возможностью поворота вокруг оси вращения, центральная линия RCL хвостовика (как показано на фиг. 3) хвостовика 1 лопатки направлена в радиальном направлении. Нижняя часть 10 находится ближе к оси вращения, чем другие части хвостовика 1 лопатки. Таким образом, "радиально наружу" соответствует направлению "вверх", "радиально внутрь" определяет противоположное направление.

Изображенный хвостовик 1 лопатки зеркально-симметричен плоскости, которая может быть указана центральной линией RCL хвостовика (как показано на фиг. 3). Зеркально-симметричные элементы будут обычно упоминаться с теми же ссылочными позициями с апострофом (').

Хвостовик 1 лопатки содержит нижнюю часть 10, множество пар противоположных выступов и множество пар противоположных скруглений. Начиная с верхнего конца хвостовика 1 вблизи полки и затем переходя вниз, поверхность на одной стороне хвостовика образована первым скруглением 21, за которым следует первый выступ 11, далее второе скругление 22 (промежуточное скругление), переходящее во второй выступ 12, затем третье скругление 23 и третий выступ 13 (который является частью нижнего луковицеобразного конца хвостовика и переходит в нижнюю часть 10). Наконец, рассматриваемая поверхность встречается в нижней части 10 с противоположной поверхностью.

Противоположная поверхность сформирована идентично, так как она симметрична только что определенной поверхности. Такой же порядок применяется к этой противоположной поверхности, т.е. первое скругление 21' вблизи полки, за которым следует первый выступ 11', второе скругление 22', второй выступ 12', третье скругление 23' и третий выступ 13'. Обе поверхности будут смыкаться в нижней части 10.

Расстояние может браться между зеркально-симметричными точками на противоположных поверхностях. Наибольшее расстояние между участками поверхности пары противоположных первых выступов 11, 11' определяется первой шириной D10 (см. фиг. 3). Участки поверхности с наибольшим расстоянием обозначены как наиболее удаленные участки 15, 15' поверхности (см. фиг. 3). Точно так наиболее удаленные участки 16, 16' поверхности (см. фиг. 3) определяют наибольшее расстояние между поверхностями - вторую ширину D11 (см. фиг. 3) - между парой противоположных вторых выступов 12, 12'. Кроме того, третья ширина D12 (см. фиг. 3) указана между наиболее удаленные участками 17, 17' поверхности (см. фиг. 3), которые имеют самое широкое расстояние между двумя поверхностями в зоне выступов 13, 13'.

Как можно видеть на фиг. 4 относительно ширины между выступами 11, 11', 12, 12', 13, 13' хвостовика 1 лопатки, первая ширина D10 шире, чем вторая ширина D11. Наименьшей шириной является третья ширина D12.

Аналогично выступам 11, 11', 12, 12', 13, 13', также расстояния между скруглениями 21, 21', 22, 22', 23, 23' могут быть определены. Вновь, некоторые из деталей будут объяснены в соответствии с фиг. 4, но ссылочные позиции можно видеть только на фиг. 3. Наименьшее расстояние между участками поверхности пары противоположных первых скруглений 21, 21' обозначено как первая ширина D15. Участки поверхности с самым узким расстоянием указываются как минимально удаленные участки 25, 25' поверхности. Аналогичным образом, минимально удаленные участки 26, 26' поверхности определяют наименьшее расстояние между поверхностями - вторую ширину D16 - между парой противоположных вторых скруглений 22, 22'. Кроме того, третья ширина D17 обозначена между минимально удаленными участками 27, 27' поверхности, которые имеют наименьшее расстояние между двумя поверхностями в зоне минимально удаленных участков 23, 23' поверхности.

Как можно видеть на фиг. 3 - и аналогично на фиг. 4, хотя ссылочные обозначения не показаны на фиг. 4 - относительно ширины между минимально удаленными участками поверхности, первая ширина D15 шире, чем вторая ширина D16. Наименьшей шириной является третья ширина D17.

Применительно к вариантам осуществления по фиг. 3 и/или фиг. 4, все минимально удаленные участки 25, 26, 27 поверхности одной стороны поверхности могут лежать в пределах одной фиктивной планарной плоскости. То же самое относится к фиг. 4, хотя ссылочные позиции 25, 26, 27 не упоминаются на этом чертеже для минимально удаленных участков поверхности для скруглений 21, 21', 22, 22', 23, 23'. Очевидно, то же самое касается зеркально симметричных поверхностей елочной формы. Кроме того, все наиболее удаленные участки 15, 16, 17 поверхности одной стороны поверхности могут лежать в пределах еще одной фиктивной планарной поверхности. Вновь, то же самое относится к фиг. 4, хотя ссылочные позиции 15, 16, 17 не упоминаются на этом чертеже для наиболее удаленных участков поверхности для выступов 11, 11', 12, 12', 13, 13'.

К одной стороне поверхностей хвостовика может быть построена касательная, на которой могут лежать все поверхности выступов одной стороны хвостовика (см. касательную TN на фиг. 3). Кроме того, также к одной стороне поверхностей хвостовика может быть построена касательная, на которой могут лежать все или по меньшей мере, две поверхности скруглений одной стороны хвостовика (см. касательную TNN на фиг. 3).

Хвостовик 1 лопатки может быть определен дополнительно тем, что минимально удаленные участки 25, 25' поверхности имеют расстояние до нижней части 10, которое больше, чем расстояние от минимально удаленных участков 26, 26' поверхности, которое вновь больше, чем расстояние минимально удаленных участков 27, 27' поверхности.

Как можно видеть, выступы 11, 11', 12, 12', 13, 13' и скругления 21, 21', 22, 22', 23, 23' расположены попеременно. Имеются переходные области между ними. Переходные области областей поверхности хвостовика лопатки, которые обращены наклонно в направлении полки лопатки и обращены в сторону от нижней части 10 хвостовика 1 и которые будут в контакте с соответствующей поверхностью паза 6 на диске 5, обозначены как боковая поверхность 31, 31', 32, 32', 33, 33'. Боковые поверхности 31, 31', 32, 32', 33, 33', по существу, являются планарными и являются опорными поверхностями. В направлении вниз, начиная с полки и фокусируясь только на одной стороне поверхности, за первым скруглением 21 следует первая боковая поверхность 31, которая затем переходит в первый выступ 11. Второе скругление 22 через вторую боковую поверхность 32 переходит во второй выступ 12. Наконец, третья боковая поверхность 33 определяет переходную область между третьим скруглением 23 и третьим выступом 13. То же самое относится к симметричной поверхности, показывающей боковые поверхности 31', 32', 33', противоположные боковым поверхностям 31, 32, 33.

Первая боковая поверхность 31 содержит первый планарный участок PS1 поверхности с первым планарным расширением. Первое планарное расширение, по существу, является прямоугольным с одним измерением, которое можно видеть в поперечном разрезе на фиг. 4, и другим измерением, являющимся осевой длиной хвостовика 1 лопатки.

Другие боковые поверхности также имеют, каждая, планарный участок поверхности с планарным расширением, но в последующем все объяснение приводится для первой боковой поверхности 31.

В соответствии с вариантом осуществления, планарное расширение наиболее нижней боковой поверхности 33 может быть больше, чем планарное расширение средней боковой поверхности 32, которое также может быть больше, чем планарное расширение самой верхней боковой поверхности 31. С другой стороны, планарное расширение двух самых нижних боковых поверхностей 32, 33 может быть идентичным.

Так как планарные расширения указывают опорные поверхности, понятно, что через вторую боковую поверхность 32, имеющую большее расширение, чем первая боковая поверхность 31, меньше напряжения может возникать в хвостовике.

Центробежные силы во время работы сдерживаются посредством боковых поверхностей 31, 31', 32, 32', 33, 33'. Другие поверхности могут находиться в непосредственном контакте с пазом 6 диска 5, но могут не рассматриваться как опорная поверхность. Кроме того, в некоторых частях может быть даже зазор между поверхностью паза 6 и хвостовиком 1 лопатки.

На фиг. 4 также радиусы скруглений обозначены как R11 и R12. Может рассматриваться упрощение, состоящее в том, что скругления только следуют одному участку кругового цилиндра или эллиптического цилиндра. Скругление может состоять из нескольких участков, которые могут быть определены с помощью радиусов скруглений, как это показано на фиг. 3. Тем не менее, в предпочтительном варианте осуществления, два упомянутых радиуса R11 для среднего скругления 22, 22' и R12 для нижнего скругления 23, 23' всех скруглений, по существу, идентичны.

В соответствии с фиг. 4 область, обозначенная как А, выделена более подробно на фиг. 5. Все вышеизложенное также применимо не только к выступу 11, первой боковой поверхности 31 и скруглению 21, как показано на фиг. 5, но может применяться соответственно к другим выступам, скруглениям и боковым поверхностям.

В соответствии с фиг. 5, в направлении вверх, хвостовик 1 лопатки содержит выступ 11 с выпуклым участком 65 поверхности выступа, первую боковую поверхность 31 с первым планарным участком PS1 поверхности и скругление 21 с вогнутым участком 75 поверхности скругления. В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, выпуклый участок 6 поверхности выступа непосредственно примыкает и переходит в первый планарный участок PS1 поверхности, тогда как переходный участок расположен между первым планарным участком PS1 поверхности и вогнутым участком 75 поверхности скругления. Этот переходный участок содержит локальное углубление - или подрез - UC, который создается выпуклым участком CS1 поверхности и областью нижнего конца вогнутого участка 75 поверхности скругления.

В самом деле, первый планарный участок PS1 поверхности поворачивается плавно от первой плоскости PL1, в которой расположен первый планарный участок PS1 поверхности, так что формируется выпуклый участок CS1 поверхности. От первого конца Е1 выпуклого участка CS1 поверхности в направлении вверх, поверхность хвостовика 1 лопатки будет увеличивать расстояние до первой плоскости PL1. Выпуклый участок CS1 поверхности будет сглаживаться и переходить в вогнутый участок 75 поверхности скругления на втором конце Е2 - линию перегиба - выпуклого участка CS1 поверхности.

Протяженность выпуклого участка CS1 поверхности является, в частности, лишь частью протяженности вогнутого участка 75 поверхности скругления, первого планарного участка PS1 поверхности или выпуклого участка 65 поверхности выступа. Радиус цилиндра, определяющего выпуклый участок CS1 поверхности, равен или больше, чем радиусы вогнутого участка 75 поверхности скругления или выпуклого участка 65 поверхности выступа.

Посредством этих особенностей поверхности хвостовика 1 лопатки создается общий изогнутый профиль, так что расстояние до соответствующей поверхности диска ротора увеличивается. Поясок определен выпуклым участком CS1 поверхности, начиная с которой - в направлении вверх - соответствующие поверхности хвостовика 1 лопатки и диска 5 ротора не будут в опорном контакте. Опора ограничена первым планарным участком PS1 поверхности.

Согласно этому варианту осуществления, паз ротора 5 диска может иметь простой профиль, в котором за вогнутой поверхностью скругления следует планарная поверхность и снова выпуклая поверхность выступа. Поверхность паза не имеет локального углубления или пояска, как хвостовик 1 лопатки (см. подрез UC).

Центробежная нагрузка лопатки, действующая радиально снаружи опорной границы перехода согласно предшествующему уровню техники, обычно вызывала бы локальное высокое напряжение, которое будет создаваться на краю границы перехода или ограничения, упоминаемое как напряжение кромки основания. Это напряжение, как известно, вызывает усталостные отказы хвостовиков лопаток, при которых явным является растрескивание по нормали к площади боковой поверхности хвостовика и которые исходят от кромки контакта. В соответствии с усовершенствованной конструкцией, как пояснено выше, эффект смежных внутренних и внешних радиусов скруглений, на которые действует центробежная нагрузка лопатки, заключается в том, чтобы вызвать напряжение сжатия во внешней радиусной форме на кромке контакта - вблизи первого конца Е1 выпуклого участка CS1 поверхности. Это помогает свести на нет растягивающие напряжения, которые создавались бы за счет трения. Это может иметь побочный эффект увеличения растягивающих напряжений во внутреннем радиусе скругления, но они могут иметь тенденцию быть значительно ниже, чем напряжение комки основания.

Вновь, данная конструкция имеет преимущество в том, что можно производить этот профиль с помощью обычных методов, например глубинного шлифования или процесса протяжки.

Идея изобретения, иллюстрируемая на фиг. 4 и 5, может также быть применена к дискам ротора таким образом, что паз 6 диска 5 ротора оптимизируется. В таком варианте осуществления поясняется далее со ссылкой на фиг. 6 - можно грубо сказать, что признаки применяются симметрично по точкам - если смотреть в поперечном сечении - по сравнению с предыдущим вариантом осуществления, так что теперь поверхность паза содержит поясок, чтобы сформировать локальное углубление и что хвостовик 1 лопатки не образует такого локального углубления.

Согласно фиг. 6 хвостовик 1 лопатки имеет более простую конструкцию, чем прежде, таким образом, что за выпуклым участком 65 поверхности выступа следует первый планарный участок PS1 поверхности и вновь непосредственно вогнутый участок 75 поверхности скругления. Поверхность хвостовика 1 лопатки не имеет выпуклого участка CS1 поверхности, локального углубления или пояска, как хвостовик 1 лопатки предыдущего варианта осуществления по фиг. 4 и 5.

Диск 5 ротора содержит множество пазов 6 диска для крепления турбинных лопаток, каждый паз 6 диска содержит множество пар противоположных выступов паза и множество пар противоположных скруглений паза. В последующем только один конкретный выступ 100 паза и одно конкретное скругление 101 паза обсуждаются со ссылкой на фиг. 6. Признаки, которые будут обсуждаться, могут быть применены, например, для области, выделенной ссылочной позицией А на фиг. 4. Выступ 100 паза определяет выпуклый участок 102 поверхности паза, который переходит во второй планарный участок PS2 поверхности первой боковой поверхности 104' паза. Боковая поверхность 104', которая обсуждается, является опорной поверхностью и обращена, по существу, в направлении к нижней части 105 (см. фиг. 4) паза 6 диска. В соответствии с изобретением второй планарный участок PS2 поверхности переходит в вогнутый участок 103 поверхности скругления паза скругления 101 паза через переходный участок, который образует локальное углубление UC (или подрез) в поверхности паза 6 диска. В частности, в направлении вниз, за вторым планарным участком PS2 поверхности следует выпуклый переходный участок CS2, причем последний плавно переходит в вогнутый участок 103 поверхности скругления паза.

Учитывая, что второй планарный участок PS2 поверхности расположен в первой плоскости PL1, сочетание выпуклого переходного участка CS2 и области вогнутого участка 103 поверхности скругления паза, примыкающей к выпуклому переходному участку CS2, образует локальное углубление UC (или подрез) в отношении первой плоскости PL1. Фактически, поперечное смещение поверхности достигается за счет этой конфигурации. Под термином «локальное углубление» не понимается полость такая, что поверхность увеличится снова до того же уровня, где она началась. Имеется в виду лишь понижение поверхности, подобно профилю, который был бы реализован, если профиль поверхности следует математической функции арккотангенса, т.е. arccot(x).

На фиг. 7 показан еще один вариант осуществления, в котором поверхность хвостовика 1 лопатки и поверхность паза 6 диска имеют, каждый, локальный углубление, как описано ранее. Хвостовик 1 лопатки сконфигурирован, как описано со ссылкой на фиг. 4 и 5. Паз 6 диска конфигурирован так, как описано со ссылкой на фиг. 6. Хвостовик лопатки теперь показывает подрез, который называется первым подрезом UC1, и паз диска показывает подрез, который называется вторым подрезом UC2.

В предпочтительной конфигурации, первый подрез UC1 будет на противоположном конце области контакта первого планарного участка PS1 поверхности и второго планарного участка PS2 поверхности по сравнению с вторым подрезом UC2. Таким образом, поверхность лопатки увеличивает расстояние до первой плоскости PL1, в которой расположены первый планарный участок PS1 поверхности и второй планарный участок PS2 поверхности ввиду выпуклого участка CS1 лопатки, в то время как поверхность паза увеличивает расстояние до первой плоскости PL1 ввиду выпуклого переходного участка CS2 диска.

Показывая варианты осуществления по фиг. 4, 5 или 7 под другим углом, первый планарный участок PS1 поверхности и другие планарные участки поверхности других выступов хвостовика 1 лопатки также можно видеть на фиг. 8, где иллюстрируется соответствующая изобретению лопатка 2 турбины в перспективном представлении. Первый планарный участок PS1 поверхности определяющий первое планарное расширение А10 - для самых верхних боковых поверхностей 31, 31' выделен и представляет область контакта с соответствующей поверхностью паза 6 диска 5, который не показан на фиг. 8. Первый планарный участок PS1 поверхности является, по существу, плоским и прямоугольным, как указано первым планарным расширением А10.

Кроме того, показано второе планарное расширение All среднего выступа, которое предпочтительно больше, чем первое планарное расширение А10. В частности, второе планарное расширение A11 может быть увеличено на 30% по сравнению с первым планарным расширением А10.

Наконец, третье планарное расширение А12 самого нижнего выступа также приведено на фиг. 8, которое предпочтительно больше, чем первое планарное расширение А10 и может быть равно или больше, чем второе планарное расширение A11. Протяженность третьего планарного расширения А12 определяется длиной L12 боковой поверхности 33 и осевой длиной хвостовика 1 лопатки.

Форма поверхности между нижними выступами 13, 13' и нижней частью 10 может быть немодифицированной по осевой длине.

Альтернативно, как показано на чертеже, средний участок может иметь углубление, которое может быть использовано для формирования впускного отверстия для охлаждающего воздуха, который должен направляться внутрь лопатки.

На фиг. 8 также обозначены радиусы скруглений как R10, R11 и R12. Может учитываться упрощение, что скругления следуют только одному участку кругового цилиндра или эллиптического цилиндра. Скругление может состоять из нескольких участков, которые могут быть определены посредством множества радиусов скруглений, как это показано на фиг. 3. Тем не менее, следует понимать, что все выступы и скругления могут иметь в целом аналогичный или тот же самый профиль, так что хотя только один выступ и одно скругление показано на фиг. 5-7, все или по меньшей мере несколько из других выступов и скруглений могут на самом деле быть реализованы аналогичным образом с соответствующим изобретению подрезом UC1 и/или UC2.

Варианты осуществления, как приведено выше, могут иметь существенное преимущество в отношении срока службы лопатки. Могут предотвращаться напряжения, которые могли бы приводить к трещинам.

Следует отметить, что может быть выгодным, если именно три пары выступов и три пары скруглений могут присутствовать на хвостовике лопатки. Но возможны также другие конфигурации.

Кроме того, следует отметить, что показанные варианты осуществления следует применять в нерабочих ситуациях, а также во время работы.

1. Хвостовик (1) лопатки, содержащий:

- множество пар противоположных выступов (11, 11', 12, 12', 13, 13'), причем выступы в каждой паре выступов (11, 11', 12, 12', 13, 13') выполнены, по существу, зеркально-симметрично друг другу, причем каждый выступ (11, 11', 12, 12', 13, 13') содержит выпуклый участок (65, 65', 66, 66', 67, 67') поверхности выступа;

- множество пар противоположных скруглений (21, 21', 22, 22', 23, 23'), причем скругления в каждой паре скруглений (21, 21', 22, 22', 23, 23') выполнены, по существу, зеркально-симметрично друг другу, причем каждое скругление (21, 21', 22, 22', 23, 23') содержит вогнутый участок (75, 75', 76, 76', 77, 77') поверхности скругления;

- множество боковых поверхностей (31, 31', 32, 32', 33, 33'), причем выступы (11, 11', 12, 12', 13, 13') и скругления (21, 21', 22, 22', 23, 23') расположены в чередующемся порядке, и каждая из боковых поверхностей (31, 31', 32, 32', 33, 33') расположена между одним из выступов (11, 11', 12, 12', 13, 13') и одним из скруглений (21, 21', 22, 22', 23, 23');

- нижнюю часть (10) хвостовика (1) лопатки;

причем первая боковая поверхность (31) из множества боковых поверхностей (31, 31', 32, 32', 33, 33'), обращенных в сторону от нижней части (10), имеет первый планарный участок (PS1) поверхности, который примыкает к выпуклому участку (CS1) поверхности, причем первый планарный участок (PS1) поверхности расположен в первой плоскости (PL1); и

причем выпуклый участок (65, 65', 66, 66', 67, 67') поверхности выступа примыкает к первому планарному участку (PS1) поверхности; и

причем вогнутый участок (75, 75', 76, 76', 77, 77') поверхности скругления примыкает к выпуклому участку (CS1) поверхности; и

причем выпуклый участок (CS1) поверхности и область вогнутого участка (75, 75', 76, 76', 77, 77') поверхности скругления, примыкающая к выпуклому участку (CS1) поверхности, образуют локальное углубление (UC) по отношению к первой плоскости (PL1).

2. Хвостовик (1) лопатки по п. 1, отличающийся тем, что локальное углубление (UC) образовано так, что выпуклый участок (CS1) поверхности увеличивает ортогональное расстояние до первой плоскости (PL1) в направлении от его первого конца (Е1), в котором выпуклый участок (CS1) поверхности переходит в первый планарный участок (PS1) поверхности, к его второму концу (Е2), в котором выпуклый участок (CS1) поверхности переходит в вогнутый участок (75, 75', 76, 76', 77, 77') поверхности скругления.

3. Хвостовик (1) лопатки по п. 1 или 2, отличающийся тем, что

выпуклый участок (CS1) поверхности переходит в первый планарный участок (PS1) поверхности с плавным переходом, и/или

выпуклый участок (CS1) поверхности переходит в вогнутый участок (75, 75', 76, 76', 77, 77') поверхности скругления с плавным переходом.

4. Хвостовик (1) лопатки по п. 1 или 2, отличающийся тем, что

- каждый выступ из пары выступов (11, 11', 12, 12', 13, 13') содержит наиболее удаленные участки (40, 43, 44) поверхности, определяющие самое широкое расстояние (d1, d2) между противоположными поверхностями пары выступов (11, 11', 12, 12', 13, 13'), причем

- самое широкое расстояние (d1, d2) между противоположными поверхностями пары выступов (11, 11', 12, 12', 13, 13') является наименьшим для пары выступов (11, 11', 12, 12', 13, 13'), ближайшей к нижней части (10), и увеличивается для каждой пары выступов (11, 11', 12, 12', 13, 13') с удалением от нижней части (10).

5. Хвостовик (1) лопатки по п. 1 или 2, отличающийся тем, что

- каждое скругление из пары скруглений (21, 21', 22, 22', 23, 23') содержит минимально удаленные участки (41) поверхности, определяющие самое узкое расстояние между противоположными поверхностями пары скруглений (21, 21', 22, 22', 23, 23'), причем

- самое узкое расстояние между противоположными поверхностями пары скруглений (21, 21', 22, 22', 23, 23') является наименьшим для пары скруглений (21, 21', 22, 22', 23, 23'), наиболее близкой к нижней части (10), и увеличивается для каждой пары скруглений (21, 21', 22, 22', 23, 23') с удалением от нижней части (10).

6. Хвостовик (1) лопатки по п. 1 или 2, отличающийся тем, что

множество скруглений (21, 21', 22, 22', 23, 23') содержит первое скругление (23), ближайшее к нижней части (10) хвостовика (1) лопатки, при этом расположение первого скругления (23) является первой позицией, причем геометрия поверхности первого скругления (23) задана первым радиусом (R12) скругления, и

множество скруглений (21, 21', 22, 22', 23, 23') содержит второе скругление (22), расположенное в более удаленной второй позиции по отношению к нижней части (10) хвостовика (1) лопатки по сравнению с первой позицией, при этом геометрия поверхности второго скругления (22) задана вторым радиусом (R11) скругления,

причем первый радиус (R12) скругления, по существу, равен второму радиусу (R11) скругления.

7. Хвостовик (1) лопатки по п. 1 или 2, отличающийся тем, что

множество пар противоположных выступов (11, 11', 12, 12', 13, 13') и множество пар противоположных скруглений (21, 21', 22, 22', 23, 23') формируют, по существу, две волнистые, не имеющие кромок поверхности.

8. Хвостовик (1) лопатки по п. 7, отличающийся тем, что

указанные две волнистые, не имеющие кромок поверхности выполнены симметрично относительно плоскости симметрии.

9. Хвостовик (1) лопатки по п. 8, отличающийся тем, что

указанные две волнистые, не имеющие кромок поверхности непрерывно проходят от нижней части (10) без поверхностей, перпендикулярных к плоскости симметрии.

10. Хвостовик (1) лопатки по п. 1 или 2, отличающийся тем, что

первый планарный участок (PS1) поверхности является планарным при нулевой нагрузке и в процессе работы.

11. Лопатка (2), содержащая:

- перо (4),

- полку (3), от которой перо (4) проходит вверх, и

- хвостовик (1) лопатки, выполненный по любому из пп. 1-10, причем хвостовик (1) лопатки продолжается вниз от полки (3).

12. Диск (5) ротора, содержащий множество пазов (6) диска, причем каждый из множества пазов (6) диска дополнительно содержит:

- множество пар противоположных выступов (100) паза, причем выступы паза в каждой паре выступов (100) паза выполнены, по существу, зеркально-симметрично друг другу, и каждый выступ (100) паза содержит выпуклый участок (102) поверхности выступа паза;

множество пар противоположных скруглений (101) паза, причем скругления паза в каждой паре скруглений (101) паза выполнены, по существу, зеркально-симметрично друг другу, и каждое скругление (101) паза содержит вогнутый участок (103) поверхности скругления паза;

- множество боковых поверхностей (104) паза, причем выступы (100) паза и скругления (101) паза расположены в чередующемся порядке, и каждая из боковых поверхностей (104) паза расположена между одним из выступов (100) паза и одним из скруглений (101) паза;

- нижнюю часть (105) паза (6) диска;

при этом первая боковая поверхность (104') паза из множества боковых поверхностей (104) паза, обращенных, по существу, к нижней части (105), имеет второй планарный участок (PS2) поверхности, который примыкает к выпуклому переходному участку (CS2), причем второй планарный участок (PS2) поверхности расположен в первой плоскости (PL1); и

при этом выпуклый участок (102) поверхности выступа паза примыкает ко второму планарному участку (PS2) поверхности; и

при этом вогнутый участок (103) поверхности скругления паза примыкает к выпуклому переходному участку (CS2); и

при этом выпуклый переходный участок (CS2) и область вогнутого участка (103) поверхности скругления паза, примыкающая к выпуклому переходному участку (CS2), образуют локальное углубление (UC) по отношению к первой плоскости (PL1).

13. Узел турбомашины, содержащий:

- диск (5) ротора с множеством пазов (6) диска;

- множество лопаток (2) по п. 11, каждая из которых вставлена в множество пазов (6) диска;

при этом пазы (6) диска и лопатки (2) расположены так, что во время работы области контакта между поверхностью пазов (6) диска и поверхностью лопаток (2) ограничены первым планарным участком (PS1) поверхности первой боковой поверхности (31) и другими планарными участками (PS11, PS111) поверхности других боковых поверхностей (31', 32, 32', 33, 33') хвостовика (1) лопатки из множества боковых поверхностей (31, 31', 32, 32', 33, 33') хвостовика (1) лопатки.

14. Узел турбомашины, содержащий:

- диск (5) ротора по п. 12 с множеством пазов (6) диска;

- множество лопаток (2), каждая из которых вставлена в множество пазов (6) диска;

при этом пазы (6) диска и лопатки (2) расположены так, что во время работы области контакта между поверхностью пазов (6) диска и поверхностью лопаток (2) ограничены вторым планарным участком (PS2) поверхности первой боковой поверхности (104') паза и другими планарными участками поверхности других боковых поверхностей (104) паза (6) диска из множества поверхностей (104) паза (6) диска.

15. Узел турбомашины, содержащий:

- диск (5) ротора по п. 12 с множеством пазов (6) диска;

- множество лопаток (2) по п. 11, каждая из которых вставлена в множество пазов (6) диска;

при этом пазы (6) диска и лопатки (2) расположены так, что во время работы области контакта между поверхностью пазов (6) диска и поверхностью лопаток (2) ограничены первым планарным участком (PS1) поверхности первой боковой поверхности (31), находящейся в опорном контакте со вторым планарным участком (PS2) поверхности первой боковой поверхности (104') паза, и ограничены другими планарными участками (PS11, PS111) поверхности других боковых поверхностей (31', 32, 32', 33, 33') хвостовика (1) лопатки из множества боковых поверхностей (31, 31', 32, 32', 33, 33') хвостовика (1) лопатки и других боковых поверхностей (104) паза (6) лопатки из множества боковых поверхностей (104) паза (6) лопатки.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано при проектировании хвостовиков рабочих лопаток паровых и газовых турбин. Хвостовики рабочих лопаток Т-образного или вильчатого типа расположены с натягом в окружном направлении.

Изобретение относится к узлу крепления лопатки к рабочему колесу турбины. Узел крепления лопатки к колесу турбины, которое содержит ряд лопаток (4), окружающих центральный диск (2).

Изобретение относится к энергетике. Турбоустановка содержит турбомашину, которая содержит ротор, имеющий ось вращения, первый вращающийся сегмент, имеющий первое сопряженное осевое крепежное приспособление, присоединенное к первому осевому крепежному приспособлению ротора в первом установочном положении, и первую шпонку, выполненную с возможностью введения в первое вставленное положение в первый паз в роторе и в первый сопряженный паз в первом вращающемся сегменте.

Описан ротор турбины низкого давления для теплоэлектростанции. Диск (3) прикреплен к валу (4) и выполнен с возможностью вращения вокруг базовой оси (Δ), при этом диск (3) имеет на своей периферии первую поверхность (5) контакта.

Изобретение относится к области машин и двигателей необъемного вытеснения, а именно к лопаточному аппарату (40), содержащему обод (56) и выполненный в нем удерживающий паз (58), который имеет на своих боковых стенках (60) проходящие вдоль выступы (62), образующие поднутрения (64), и в который помещено определенное число лопаток (25, 27), образующих лопаточный венец турбомашины, причем каждая лопатка (25, 27) помимо брюшка (48) имеет для закрепления молоткообразную, входящую в поднутрения (64) ножку (50) и прижата к выступам (62) посредством элемента (46), расположенного между нижней стороной (68) ножки лопатки и дном (70) удерживающего паза (58).

Роторный узел турбинного двигателя содержит роторный диск, турбинную лопатку и хвостовой узел. Роторный диск имеет внутреннюю поверхность, ограничивающую паз пазового замка, включающий заглубленный паз, ограниченный в роторном диске.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может использоваться при проектировании рабочих лопаток паровых и газовых турбин. Пакеты рабочих лопаток, цельнофрезерованные или сварные, с хвостовиками с радиальной установкой и тангенциальной заводкой, включают хвостовики типа Т, представляющие собой Т-образные хвостовики, чередующиеся с хвостовиками типа В, образованными удалением опорных поверхностей в Т-образном хвостовике, причем хвостовики типа Т чередуются с хвостовиками типа В в комбинациях Т+В, В+Т, Т+В+Т, Т+В+Т+В, В+Т+В+Т, Т+В+Т+В+Т.

Изобретение относится к роторам турбомашин, используемых в авиации. Барабан ротора турбомашины, содержащий корпус в форме полого цилиндрического тела вращения вокруг продольной оси и выполненный в нем один и более венец со средствами для крепления хвостовиков лопаток, расположенных по наружной поверхности через равные промежутки в поперечном направлении, при этом корпус содержит металломатричный композит с перекрестной укладкой армирующих волокон, средства для крепления хвостовиков лопатки выполнены в виде корневого элемента под сварку по форме профиля лопатки, а металломатричный композит сформирован по всей наружной поверхности тела вращения слоем толщиной, не превышающей высоту корневого элемента.

Изобретение относится к роторам турбомашин, используемых в авиации. Барабан ротора турбомашины выполнен в форме полого цилиндрического тела вращения вокруг продольной оси с одним и более венцами, со средствами для крепления хвостовиков лопаток, расположенных через равные промежутки по наружной поверхности, при этом барабан выполнен из металломатричного композита с перекрестной укладкой армирующих волокон, а средства для крепления хвостовиков лопаток выполнены в виде корневых элементов под сварку по форме профиля лопатки, при этом на внутренней поверхности барабана из композита выполнены наплывы, фланцы или цапфы с закладными элементами под сварку, причем наплывы расположены под корневыми элементами.

Уплотнительное кольцо для прижимания к диску ротора ступени турбомашины содержит множество запорных выступов, предотвращающих вращение упомянутого кольца относительно диска ротора.
Наверх