Пристрій кріплення лопаток робочого колеса осьової турбомашини

1. Пристрій кріплення лопаток робочого колеса осьової турбомашини, що містить диск, робочі лопатки, встановлені в ялинкових пазах диска своїми хвостовиками, ущільнювальне кільце, встановлене на диску з упором своїм зовнішнім радіальним буртом як в ободову частину диска, так і у хвостовики робочих лопаток, і сполучене своїм внутрішнім радіальним буртом зі спрямованим до подовжньої осі радіальним буртом диска, причому бурти ущільнювального кільця й диска зчленовані взаємозалежними з відповідними виїмками циліндричними тілами й охоплені U-подібним кільцем з діагональним розрізом і поєднаним з ним пазом, взаємозв'язаним із замком, розміщеним між диском і U-подібним розрізним кільцем, який відрізняється тим, що зовнішній радіальний бурт ущільнювального кільця розміщений у радіальноосьових зачепах хвостовиків робочих лопаток, а на оберненій до диска бічній поверхні зазначеного внутрішнього радіального бурту ущільнювального кільця виконаний виступ, розміщений у сполучених пазу радіального бурту диска й пазу U-подібного C2 2 UA 1 3 кільцем U-видної форми з канавкою по внутрішньому діаметру, що охоплює спрямований до осі бурт диска. Кільце зовнішнім діаметром введено в кільцеву канавку, складену з окремих канавок у лопатках і відкриту до осі диска. У розріз ущільнювального стопорного кільця встановлений вкладиш, як фрагмент стопорного кільця того ж Uобразного поперечного переріза . Вкладиш і стопорне кільце втримуються буртом диска, а його зовнішній діаметр входить у кільцеву канавку, утворену канавками робочих лопаток. У вкладиші й бурті диска турбіни виконані сполучені отвори, куди уведений фіксатор-штифт, що втримує вкладиш в окружному напрямку. Цей пристрій успішно працює в турбінах достатніх розмірів. Відомий пристрій кріплення лопаток від осьового переміщення в колесі осьової газової турбіни [див. опис і фігури до патентів - аналогам фірми Дженерал Електрик США N4 171 930, кл. НКИ 416 - 220R, кл. МПК F01D 5/30, то-жі Франції N2 413 543, ФРН N2 842 095, Великобританії N2 012007]. Для всіх варіантів відомого рішення загальним є стопорне розрізне кільце з поперечним перетином U-видної форми, зверненим відкритою стороною радіально від поздовжньої осі колеса. У варіанті, найбільш близькому до того, що заявляє по сукупності суттєвих ознак і технічному результату, у прямому пазу стопорного кільця також установлений фіксатор у виді частини Uвидного кільця. У кільцевій проточці із зовнішнього боку бурту ущільнювального кільця й проточці із внутрішнього боку однієї зі стінок U-видного фіксатора введений пружинний замок у вигляді пластинки. Відомий пристрій недостатньо технологічний, особливо для роторів турбін малорозмірних двигунів, де він може бути взагалі нездійсненним через необхідність пропорційного зменшення всіх його складових частин. Відомо також робоче колесо осьової турбомашини [див.опис до патенту РФ №2241834, МПК 7F01D 5/30, дата заявки 30.12.2002, опубліковано 30.12.2004]. Робочі лопатки за [патентом РФ №2241834] у диску колеса від переміщення назад установлені з упором заднім торцем хвостовика в ущільнювальне кільце, а від переміщення вперед з упором виступів хвостовиків в обід диска. Ущільнювальне кільце й диск мають кожний радіальні кільцеві бурти. Бурти спрямовані до подовжньої осі колеса й охоплені стінками Uвидного стопорного кільця. Для установки фіксатора, що закріплюється плоским замком, стінка U-обрізного кільця між буртом диска і його полотном має наскрізний радіальний паз. Паз у його прямій проекції поєднаний з діагональним розрізом в іншій стінці U-видного кільця. Фіксатор виконаний у вигляді пластини за розміром паза, закріпленої замком, що введений між диском і U-образним кільцем і відігнутий на внутрішній діаметр кільця Відомий пристрій успішно й надійно працює в авіаційному турбогвинтовому двигуні середньої 82235 4 потужності, близько за поставленою задачею, сукупності технічних результатів, що досягаються , та спільністю істотних ознак. Описане технічне рішення прийняте як прототип. Автор ураховував конструктивну спільність істотних ознак із можливістю їх удосконалення й подальшого розвитку технічних результатів відомого пристрою кріплення лопаток у робочому колесі турбін при рішенні більше складного завдання стосовно до високонавантажених турбін. Ускладнення задачи викликане тим, що в колесах високонавантажених турбін часто необхідна установка в кожному подовжньому пазу диска по двох робочі лопатки. Таким шляхом удається знизити рівень динамічних напруг в елементах конструкції лопаток, зокрема, шляхом демпфірування. Перед автором було поставлено задачу створити такий пристрій кріплення лопаток робочого колеса осьової турбомашини, у якому при необхідності установки попарно робочих лопаток у кожному пазу диска, з фіксацією їх в осьовому напрямку, можна було б одержати певний сукупний технічний результат, що складається з декількох логічно взаємозалежних технічних результатів. Основним технічним результатом, як і в прототипі, є одержання надійної фіксації лопаток, але встановлених попарно в кожному пазу диска колеса турбомашини, що працює в умовах високих температур і навантажень як від відцентрових так і газодинамічних сил. При цьому необхідно забезпечити й супутній технічний результат - за рахунок оптимізації конструкції підвищити міцність її частин. Це вимога теж загострюється, якщо в кожному пазу диска колеса, що працює в полі високих осьових, відцентрових і температурних навантажень, лопатки встановлені попарно. Необхідність цих мір пояснюється тим, що в сучасних турбінах площина симетрії, подовжнього паза, у тому числі ялинкового, у диска, як правило, виконана під кутом до вісі обертання, і одна лопатка з пари в пазу прагне переміститися вперед, а інша - назад. У роботі парні лопатки, роблячи коливальні рухи, впливають на ущільнювальне кільце в окружному напрямку, і цей вплив значно більше, ніж у колесах з одиночними лопатками. Як показує досвід експлуатації таких роторів, результатом цього впливу є зміщення ущільнювального кільця по куті, якому передує руйнування елементів, що фіксують кільце в окружному напрямку. На додаток, у малорозмірних турбінах підвищуються вимоги до технологічності виготовлення, зборки-розбирання, а також до скорочення кількості деталей. Такі взаємозалежні технічні результати, що включають зокрема й запобігання зміщення ущільнювального кільця в робочому колесі осьової турбомашини, можуть бути досягнуті в такий спосіб: 5 Відомий пристрій кріплення лопаток у робочому колесі осьової турбомашини, у якому зроблені вдосконалення, містить диск, робочі лопатки встановлені в ялинкових пазах диска своїми хвостовиками, ущільнювальне кільце, встановлене на диску з упором своїм зовнішнім радіальним буртом як в обідну частину диска, так і у хвостовики робочих лопаток і сполучене своїм внутрішнім радіальним буртом зі спрямованим до осі радіальним буртом диска, причому для фіксації ущільнювального кільця в окружному напрямку згадані бурти ущільнювального кільця й диска зчленовані циліндричними тілами у вигляді штифтів, взаємопов'язаних з відповідними виїмками, крім того ці бурти охоплені U-образним кільцем що має діагональний розріз і поєднаний з ним паз, взаємозалежний із замком, розміщеним між диском і U-образним кільцем. Удосконалення полягають у наступному: Фіксація лопаток в осьовому напрямку забезпечено упором ущільнювального кільця своїм зовнішнім радіальним буртом у хвостовики лопаток і розташуванням цього бурту в радіальноосьових зачіпах на хвостовиках робочих лопаток. Для фіксації в окружному напрямку ущільнювального кільця його внутрішній радіальний бурт і радіальний бурт диска зчленовані циліндричними тілами, що представляють собою бобишки, розташовані на зверненій до радіального бурту диска бічній поверхні внутрішнього радіального бурту ущільнювального кільця й взаємопов'язані з відповідними виїмками в радіальному бурті диска, що виконані у вигляді напівкруглих пазів. Для фіксації в окружному напрямку U-видного розрізного кільця щодо диска й ущільнювального кільця на зверненій до радіального бурту диска бічної поверхні внутрішнього радіального бурту ущільнювального кільця, крім згаданих бобишек, виконано виступ. Виступ розміщено одночасно в сполучених пазу, виконаному в радіальному бурті диска, крім згаданих напівкруглих пазів, і пазу U-видного розрізного кільця. Утримання кінців розрізного U-видного стопорного кільця від провисання здійснюється за допомогою замка, що охоплює поверхню згаданого виступу на ущільнювальному кільці й циліндричні поверхні розрізного кільця. При цьому на внутрішній циліндричній поверхні U-видного розрізного кільця виконана фіксаторна вибірка, розділена згаданим діагональним розрізом. Зазначений виступ на ущільнювальному кільці перекрито введеним між диском і U-видним кільцем середньою частини замка, що виконаний у вигляді частини кільця С-образного перетину. Радіально нижня кінцева частина замка взаємопов'язана одночасно із внутрішньою циліндричною поверхнею U-образного розрізного кільця й розділеною діагональним розрізом фіксаторною вибіркою на ній, а верхньою кінцевою частиною замка охоплені спільно зазначений виступ ущільнювального кільця й звернений до 82235 6 диска бурт U-образного розрізного кільця по обох сторін його паза. Для підвищення технологічності зборкирозбирання пристрою робочих коліс малорозмірних турбін на зовнішньому радіальному бурті ущільнювального кільця виконані вибірки між згаданими радіально-осьовими зачепами на хвостовиках робочих лопаток. Технічне рішення, що заявляється, ілюструється кресленнями, де на: - Фіг.1 показаний поздовжній перетин обідної частини робочого колеса турбіни в зібраному виді; - Фіг.2 показаний фрагмент робочого колеса турбіни в диметрії; - Фіг.3 даний збільшений елемент Γ розрізного U-образного кільця в місці косого розрізу; - Фіг.4 даний збільшений елемент В, де показане взаємне розміщення деталей та елементів розрізного U-образного й ущільнювального кілець, а також диска в зібраному колесі турбіни; - Фіг.5 зображені в диметрії окремі складові колеса турбомашини, у тому числі пари робочих лопаток, сполучених для встановлення в один загальний паз диска, ущільнювальне кільце, розрізне U-видне стопорне кільце та його замок; - Фіг.6 показаний у симетрії фрагмент ущільнювального кільця з боку його прилягання до диска й лопаток; - Фіг.7 показаний один з варіантів виконання ущільнювального кільця також з боку прилягання до диска й лопаток; - Фіг.8 дане зображення в симетрії частини розрізного U-образного стопорного кільця в місці прямого паза й діагонального розрізу з боку зверненої до диска; - Фіг.9 показане зображення в диметрії фрагмента U-образного розрізного стопорного кільця з боку його внутрішньої циліндричної поверхні з фіксаторною вибіркою для елемента замка, який деформується; - Фіг.10 даний у диметрії замок для втримання кінців U-видного кільця; - Фіг.11, 12 - показані етапи постановки робочих лопаток і ущільнювального кільця у випадку зборки колеса з ущільнювальним кільцем у варіанті його виконання представленому на Фіг.6; - Фіг.13, 14, 15, 16 - дані етапи установки робочих лопаток і ущільнювального кільця у випадку зборки колеса з ущільнювальним кільцем у варіанті його виконання поданому на Фіг.7; - Фіг.17 - показані остаточно встановлені робочі лопатки й ущільнювальне кільце; - Фіг.18, 19, 20, 21, 22 - показані етапи установки U-образного розрізного кільця й замка, що втримує кінці розрізного кільця від провисання. Робоче колесо (Фіг.1, 2) турбомашини містить ліві 1 і праві 2 робочі лопатки, установлені своїми ялинковими хвостовиками відповідно 3, 4 по двох у кожний ялинковий паз 5 диска 6. Кожна з робочих лопаток 1, 2 має позаду на хвостовиках 3, 4 радіально-осьові зачепи 7, 8 відповідно (Фіг.1, 5). Позаду, з упором в обідну частину диска 6, встановлене ущільнювальне кільце 9, що має 7 зовнішній радіальний кільцевий бурт 10, введений у радіально-осьові зачепи 7, 8 робочих лопаток 1, 2, утримуючи їх від переміщення в подовжньому напрямку (Фіг.1, 2, 6, 7). При виконанні ущільнювального кільця 9 як на Фіг.7 зовнішній радіальний бурт 10 виконаний розділеним вибірками 11 на ділянки по числу пар лопаток 1,2. У зібраному колесі кожна така ділянка бурту 10 входить у парі радіально-осьових зачепів 7,8 (Фіг.1, 16). Паралельно бурту 10 розташований радіальний бурт 12, що прикриває радіальноосьові зачепи 7, 8, забезпечуючи гладку зовнішню поверхню колеса турбіни (Фіг.1). Ущільнювальне кільце 9 має також внутрішній радіальний бурт 13, спрямований радіально до осі обертання (Фіг.1, 6, 7). На бічній поверхні бурту 13, зверненої до диска 6, є трохи бобишек 14 і один виступ 15. На ободній частини диска 6 є кільцевий радіальний бурт 16, спрямований радіально до вісі обертання. На радіальному бурті 16 виконано декілька відкритих до вісі обертання напівкруглих пазів 17 і один широкий паз 18 (див. Фіг.5). Пази 17 по кількості й кутовому розташування виконані відповідно бобишкам 14 ущільнювального кільця 9, а паз 18 є відповідним виступу 15. Бобышки 14 і виступ 15 ущільнювального кільця 9, встановленого на диску 6, входять у пази 17 і 18 відповідно (Фіг.17). Причому бобишки 14 уведені в напівкруглі пази 17 з мінімальним зазором і забезпечують фіксацію ущільнювального кільця 9 в окружному напрямку. Розміри паза 18 обрані більшими чим виступу 15 з метою виключення їхнього торкання. Розрізне U-видне кільце 20 (Фіг.8, 9) охоплює радіальний бурт 16 диска 6 і внутрішній радіальний бурт 13 ущільнювального кільця 9 своїми вертикально спрямованими від загальної поздовжньої осі буртами, зовнішнім 21 і внутрішнім 22 (Фіг.4, 21). Кільце 20 фіксує ущільнювальне кільце 9 у поздовжньому напрямку, що, у свою чергу, за допомогою зовнішнього радіального бурту 10 утримує замки 3, 4 робочих лопаток 1, 2 (Фіг.1). Розрізне U-видне кільце 20 (Фіг.3, 8, 9) має вузький діагональний наскрізний розріз 23. На внутрішньому бурті 22 кільця 20 (Фіг.8, 9), проти діагонального розрізу 23, розташований широкий прямий паз 24 зі сторонами, паралельними радіальної площини кільця 20. На внутрішній циліндричній поверхні Uобразного кільця 20 виконана вибірка 25, розділена діагональним розрізом 23 (Фіг.9). Розрізне U-видне кільце 20 установлене так, що виконаний на його внутрішньому бурті 22 прямий паз 24 звернений убік диска 6, розташовуючись за його буртом 16 (Фіг.19, 20). Паралельні стінки паза 24 розміщені по обох боків приналежного ущільнювальному кільцю 9 виступу 15, який проходить через паз 18 радіального бурту 16 диска 6 (Фіг.20, елемент Е). Цим досягається фіксація розрізного кільця 20 в окружному напрямку. 82235 8 Замок 26 (Фіг.10) являє собою сектор, що має внутрішній 27 і зовнішній 28 бурти, вертикальну стінку 29 і частину 30, яка деформується. Колесо в зборі (Фіг.1, 21, 22) має замок 26 , розташований напроти виступу 15 ущільнювального кільця 9 і паза 24 розрізного кільця 20. Замок 26 ширше, ніж прямий паз 24 розрізного кільця 20, завдяки чому його зовнішній бурт 28 охоплює не тільки зовнішню поверхню виступу 15 ущільнювального кільця 9, але й зовнішню поверхню внутрішнього бурту 22 кільця 20 по обох сторони паза 24 (Фіг.19, 20, 21, 22). Внутрішній бурт 27 замка 26 охоплює внутрішню поверхню розрізного кільця 20. У такий спосіб кінці розрізного кільця 20 фіксуються від провисання. Частина 30 замка 26 деформована усередину (Фіг.1, 22) у вибірку 25 на внутрішній циліндричній поверхніU-видного кільця 20, забезпечуючи цим фіксацію замка 26 в окружному напрямку. Передбачено дві можливості складання робочого колеса турбомашини щодо фіксації робочих лопаток за технічним рішенням, що заявляється. Вони відрізняються початковими етапами встановлення робочих лопаток 1, 2 й ущільнювального кільця 9. Перша можливість застосовується у випадку зазору між ялинковим пазом 5 і сполученими ялинковими хвостовиками 3, 4 пари лопаток 1,2 більше 0.1мм. У цьому випадку краще буде колесо з ущільнювальним кільцем 9 у варіанті виконання, як на Фіг.6, тобто із суцільним зовнішнім радіальним буртом 10. Відмітні початкові етапи складання колеса представлені на Фіг.11, 12. Складання починається з встановлення пари робочих лопаток 1, 2 своїми радіально-осьовими зачіпами 7, 8 на зовнішній радіальний бурт 10 ущільнювального кільця 9, як показано на Фіг.11. Далі в такий спосіб установлюється весь комплект робочих лопаток 1, 2 і втримується разом з ущільнювальним кільцем 9 технологічним пристосуванням. Зібрані з ущільнювальним кільцем 9 лопатки 1, 2 комплектом установлюються в ялинкові пази 5 диска 6 (див. Фіг.12). Другий спосіб установлення робочих лопаток 1, 2 і ущільнювального кільця 9, поданий на Фіг.13, 14, 15, 16, кращий при зазорах між ялинковим пазом 5 диска 6 і сполученими ялинковими хвостовиками 3, 4 пари лопаток 1, 2 менш 0.1мм (колеса малорозмірних турбін), коли встановлення одночасно всього комплекту робочих лопаток 1, 2 у пази 5 диска 6 важка. У цьому випадку комплект робочих лопаток 1, 2 попередньо встановлюється в ялинкові пази 5 диска 6 приблизно наполовину ширини ободу диска 6 (див. Фіг.13). Подане на Фіг.7 ущільнювальне кільце 9 із зовнішнім радіальним буртом 10, розділеним вибірками 11 на ділянки, встановлюється так, що виступаючі ділянки бурту 10 проходять між радіально-осьовими зачіпами 7, 8 ялинкових хвостовиків робочих лопаток 1, 2 (Фіг.14, 15). Потім ущільнювальне кільце 9 провертається щодо осі так, що кожна виступаюча ділянка бурту 9 10 виявляється в зачепленні з радіально-осьовими зачепами 7, 8 пари робочих лопаток 1, 2 (Фіг.16). Подальші етапи складання колеса турбіни є загальними й представлені на Фіг.17, 18, 19, 20, 21, 22. Комплект робочих лопаток 1, 2 разом з ущільнювальним кільцем 9 переміщуються до упора ущільнювального кільця 9 в обідну частину диска 6 (див. Фіг.17). При цьому бобишки 14 ущільнювального кільця 9 входять у напівкруглі пази 17 у радіальному бурті 16 диска 6, не виступаючи над поверхнею 19 бурту 16, у той час як виступ 15, пройшовши через паз 18, виступає над поверхнею 19 бурту 16. Встановлення розрізного кільця 20 і замка 26 показано по етапах на Фіг.18, 19, 20, 21, 22. При цьому на замикаючій частині розрізного кільця 20 замок 26 встановлюється, як показано на Фіг.18. Паралельні стінки прямого паза 24 кільця 20 розташовуються по обох сторін виступу 15 ущільнювального кільця 9 (див. Фіг.19, 20), чим забезпечується фіксація розрізного кільця 20 в окружному напрямку. Потім замок 26 переміщується по дузі й встановлюється навпроти виступу 15 ущільнювального кільця 9 (див. Фіг.21, 22). Зовнішній (від подовжньої осі пристрою) бурт 28 замка 26 охоплює зовнішню поверхню виступу 15 ущільнювального кільця 9, а також зовнішню поверхню бурту 22 кільця 20 з обох сторін прямого паза 24, чим запобігається випадіння замка 26. Внутрішній (від подовжньої вісі) бурт 27 замка 26 охоплює внутрішню поверхню кільця 20. Частина 30 замка 26, яка деформується, розміщується навпроти вибірки 25 розрізного кільця 20. Її деформують усередину цієї вибірки (див. Фіг.22) , що забезпечує фіксацію замка 26 в окружному напрямку. Ширина замка 26 більш за ширину паза 24 розрізного кільця 20, що забезпечує охоплення зовнішнім буртом 28 замка 26 не тільки зовнішньої поверхні виступу 15, але й обох кінців розрізного кільця 20 по зовнішній поверхні бурту 22. Це, разом із охватом нижнім буртом 27 замка 26 кінців розрізного кільця 20 по його внутрішній поверхні, забезпечує надійну фіксацію згаданих кінців від провисання. Колесо турбіни остаточно зібрано (див. Фіг.1, 2, 21). Варто також додати, що наявність бурту 12 ущільнювального кільця 9, що прикриває радіально-осьові зачіпи 7, 8 ялинкових хвостовиків 3, 4 робочих лопаток 1, 2, а також практично гладка зовнішня поверхня розрізного кільця 20 зводять до мінімуму вентиляційні втрати. Конструкція у виробництві її деталей технологічна, а при збиранні - розбиранні не викликає яких-небудь труднощів. Температура в обідній частині колеса в роботі становить 600 градусів Цельсия. Найбільші напруги відзначені в ущільнювальному кільці, у радіусі переходу бурту, що центрує, до вертикальної стінки, але їхній розмір не перевищує 63кг/мм2, що набагато менше меж тривалої міцності сучасних жароміцних нікелевих сплавів, 82235 10 використовуваних для подібних деталей роторів турбін. Висока надійність пристрою, що заявляє, на всіх штатних режимах роботи двигуна підтверджена 150-годинними випробуваннями повнорозмірного експериментального зразка колеса турбіни на дослідному авіаційному газотурбінному двигуні типу АИ 222-25. 11 82235 12 13 82235 14 15 82235 16