Результат интеллектуальной деятельности: СЕКЦИЯ РОТОРА ДЛЯ РОТОРА ТУРБОМАШИНЫ

Изобретение касается секции ротора согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.

Такого рода осевая секция ротора для турбины или, соответственно, ротора турбины известна, например, из выкладного описания изобретения DE 1963364. Секция ротора, включающая в себя диск ротора, по своему наружному периметру снабжена несколькими проходящими в осевом направлении крепежными пазами для рабочих лопаток турбины. С торцевой стороны на диске ротора предусмотрен при этом бесконечный окружной приемный паз для уплотнительных пластин. На одной боковой стенке приемного паза предусмотрены несколько равномерно распределенных в окружном направлении выступов, которые частично перекрывают дно приемного паза. В приемном пазу установлены плоские уплотнительные пластины, которые на своей внутренней кромке, расположенной в радиальном направлении изнутри, снабжены двухсторонним утолщением, ширина которого приблизительно соответствует ширине приемного паза. При этом утолщение, если смотреть в окружном направлении, на отдельных участках прерывается выемками, которые выполнены с шириной, соответствующей выступам приемного паза. Благодаря этому уплотнительная пластина может вставляться в приемный паз снаружи чисто радиальным движением, и после смещения в окружном направлении, которое примерно соответствует ширине выступа, сцепляться с ним. Утолщение уплотнительной пластины захватывает тогда выступы приемного паза, так что уплотнительная пластина не может двигаться наружу. Для монтажа всех уплотнительных пластин эти пластины должны быть последовательно вставлены в приемный паз и только затем совместно смещены в окружном направлении. Благодаря этому отпадает необходимость в замке для уплотнительной пластины. После вставления уплотнительных пластин и рабочих лопаток наружные кромки уплотнительных пластин вдвигаются в обращенные к платформе пазы рабочих лопаток, так чтобы последние были зафиксированы от осевого смещения. Для завершения монтажа уплотнительные пластины посредством винта фиксируются в их поднятом положении. Каждое расширение тогда прилегает к выступу. Посредством этого расположения конструктивных элементов первое пространство, которое находится между уплотнительной пластиной и торцевой стороной диска ротора, отделяется и уплотняется от второго пространства, находящегося с другой стороны от уплотнительной пластины, служащего для пропускания различных сред. Для достижения особенно хорошего уплотнения уплотнительная пластина своим расширением прилегает в той боковой стенке приемного паза, на которой не предусмотрен выступ. Кроме того, внутренняя, конусообразно проходящая кромка выступа служит для того, чтобы уплотнительная пластина под действием центробежной силы прижималась к боковой стенке приемного паза, не имеющей выступов.

Недостатком известной системы является затратная конструкция боковых поверхностей диска ротора и уплотнительной пластины с выступами и выемками. Другим недостатком является применение винта для фиксации уплотнительных пластин от смещения в окружном направлении. Из-за термической переменной нагрузки, возникающей между эксплуатацией и остановом, и из-за протекающего через турбину горячего газа могут возникнуть проблемы коррозии и прочности в винтовом соединении. При определенных обстоятельствах оно не может быть разъединено надлежащим образом. В этом случае винт высверливается, причем этот процесс, как правило, осуществляется на роторе, находящемся еще в нижней половине корпуса газовой турбины. При этом может случиться, что в нижнюю половину корпуса попадут стружки, которые при последующей эксплуатации могут привести к нежелательным загрязнениям.

Кроме того, из документа FR 2524933 известна фиксация от осевого смещения рабочих лопаток, которые удерживаются посредством пластины, смещаемой в окружном направлении. Показанная в этом документе система, однако, не пригодна для того, чтобы уплотнять пространство, расположенное вблизи диска, от пространства, находящегося по другую сторону пластины.

Кроме того, из выкладного описания к изобретению DE 3033768 A1 известен конструктивный узел ротора турбины, который снабжен цельным кольцевым уплотнением, служащим для осевой фиксации рабочих лопаток. Цельное кольцевое уплотнение, описанное в документе DE 3033768 A1, сцепляется с диском турбины подобно байонетному замку. Для этого, как на диске турбины, так и на кольцевом уплотнении расположены поочередно распределенные по периметру выступы и выемки. Для монтажа кольцевое уплотнение устанавливается на диск ротора, при этом выемки и выступы располагаются друг напротив друга. Затем путем небольшого вращения двух этих частей друг относительно друга они могут быть сцеплены друг с другом. Однако из-за цельной конструкции кольцевого уплотнения оно может применяться только в газовых турбинах самолетов, так как сборка их турбин в осевом направлении осуществляется посредством группирования. Сборка стационарных газовых турбин, напротив, осуществляется из двух половин корпуса, которые охватывают полностью смонтированный ротор.

Поэтому задачей изобретения является предложить осевую секцию ротора для стационарной газовой турбины, которая еще более улучшена в отношении монтажа и демонтажа уплотнительных элементов.

Задача, направленная на секцию ротора, решается с помощью такого рода секции ротора с признаками пункта 1 формулы изобретения.

Изобретение исходит из того известного факта, что особенно надежная фиксация уплотнительных элементов, в частности, возможна тогда, когда то место, в котором эти уплотнительные элементы опираются на ротор под действием центробежной силы, и то место, в котором отдельные уплотнительные элементы зафиксированы от смещения в окружном направлении, расположены как можно ближе друг к другу. Другими словами: имеющееся в радиальном направлении ротора расстояние между той поверхностью ротора, к которой прилегает уплотнительный элемент под действием центробежной силы, и местом фиксации уплотнительного элемента от окружного смещения должно быть как можно меньше. Это означает, что опирающиеся на контактную поверхность рабочей лопатки уплотнительные элементы в их наружной области должны быть точно так же зафиксированы от смещения в окружном направлении. Чтобы при этом указать для окружной фиксации как можно более простую конструкцию, предусмотрен блокировочный элемент в форме пальца. Этот блокировочный элемент, с одной стороны, установлен в отверстии, которое предусмотрено в уплотнительном элементе. С другой стороны, этот блокировочный элемент установлен в гнезде, которое расположено в торцевой поверхности ножки рабочей лопатки. При этом отверстие в уплотнительном элементе расположено сравнительно близко к той кромке уплотнительного элемента, которая прилегает к контактной поверхности ротора. Контактная поверхность предпочтительно может являться частью нижней стороны платформы рабочей лопатки. Из-за уплотнительного элемента, прочно прилегающего к контактной поверхности под действием центробежной силы, между уплотнительным элементом и ножкой рабочей лопатки возникают, если вообще возникают, только небольшие относительные перемещения. Поэтому фиксация уплотнительного элемента в окружном направлении осуществляется на том компоненте, на который уплотнительный элемент опирается при эксплуатации и который, таким образом, одновременно определяет положение и движение уплотнительного элемента. С помощью такой схемы можно надежно избежать износа на контактной поверхности, на уплотнительном элементе и на блокировочном элементе.

Радиальное позиционирование блокировочного элемента относительно ротора было, следовательно, выбрано так, чтобы относительно рабочей лопатки он располагался в нейтральной в отношении движения области, так чтобы компенсация движений, обусловленных эксплуатацией, в точке фиксации блокировочного элемента не требовалась. Благодаря применению блокировочного элемента, выполненного в виде пальца, может быть предотвращена податливость фиксации.

Между уплотнительным элементом и торцевой стороной диска ротора в секции ротора пропускается охлаждающее средство, которое предусмотрено для охлаждения диска ротора и рабочей лопатки. Предлагаемая изобретением система приводит к сокращению до минимума утечек охлаждающего средства, так как благодаря применению круглого отверстия в уплотнительном элементе и вставленного в него без зазора блокировочного пальца получается сравнительно короткий участок утечки или, соответственно, поверхность утечки малого размера. Благодаря уменьшению количества охлаждающего средства, теряемого в виде утечки, может быть, в принципе, достигнуто повышение коэффициента полезного действия турбины.

На предлагаемой изобретением рабочей лопатке, которая включает в себя по меньшей мере одну ножку лопатки, одну платформу и одну изогнутую рабочую часть лопатки, имеется выступ, выдающийся за ножку лопатки, при этом на нижней стороне выступа, обращенной к ножке лопатки, предусмотрена обращенная к ножке лопатки контактная поверхность для пластинчатого уплотнительного элемента. Чтобы получить сравнительно малое расстояние между контактной поверхностью для уплотнительного элемента и устройством блокировки уплотнительного элемента от движения в окружном направлении, предусмотрено глухое отверстие, предназначенное для помещения блокировочного элемента, в торцевой стороне ножки лопатки, которое располагается непосредственно рядом с выступом. Тем самым возможно достижение аналогичных преимуществ в отношении секции ротора.

Блокировочный элемент фиксирован от выпадения посредством Z-образной полосы листового металла. Для этого блокировочный элемент уплощен вдоль своей продольной протяженности. Полоса листового металла, до монтажа имеющая еще L-образную форму, для этого вставляется через отверстие и своей отогнутой полкой располагается между уплотнительным элементом и ножкой рабочей лопатки, после чего имеющий форму пальца уплощенный блокировочный элемент вставляется, таким образом, в отверстие и глухое отверстие. Затем полосе листового металла, имевшей до этого L-образную форму, путем сгибания придается ее Z-образная форма, причем тогда эта полоса фиксирует блокировочный элемент от выпадения.

Предпочтительные варианты осуществления приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Предпочтительно гнездо расположено сравнительно близко, т.е. если смотреть в радиальном направлении, непосредственно под контактной поверхностью. Соответственно этому, отверстие уплотнительного элемента, в котором также установлен палец для блокировки, тоже расположено сравнительно близко к тому краю уплотнительного элемента, который прилегает к контактной поверхности рабочей лопатки.

В частности, благодаря этому обеспечивается позиционирование выполненного в виде пальца блокировочного элемента в области, нейтральной в отношении движения рабочей лопатки.

Особенно простой демонтаж блокировочного элемента обеспечивается в том случае, если после того, как фиксация от выпадения блокировочного элемента была удалена, в последнем имеется торцевое отверстие, служащее для демонтажа. В отверстии может быть, например, предусмотрена резьба, в которую может ввертываться средство для извлечения блокировочного элемента из отверстия и гнезда. Этот признак позволяет осуществлять особенно простой и быстрый демонтаж блокировочного элемента.

Предпочтительно все уплотнительные элементы, прилегая друг к другу в окружном направлении, образуют кольцевое уплотнение так, что между кольцевым уплотнением и торцевой стороной ножки лопатки или, соответственно, торцевой стороной диска ротора практически без потерь может протекать охлаждающее средство. При этом уплотнительные элементы могут также несколько перекрываться.

Благодаря этому может быть обеспечена возможность особенно эффективного пропускания охлаждающего средства по торцевой стороне ножки лопатки, т.е. диска ротора.

В целом изобретением предлагается несложная и простая в расчете конструкция для окружной фиксации уплотнительных элементов, при этом предпочтительно каждый уплотнительный элемент соответственно зафиксирован блокировочным элементом.

Описанная изобретением конструкция обладает при этом высокой прочностью, так как она может быть выполнена так, чтобы даже с консервативным учетом краевых условий могли надежно передаваться полные окружные усилия уплотнительных элементов. Податливость фиксации не требуется. К тому же отсутствует потребность в изготавливаемых с высокими затратами пазах/карманах, предназначенных для помещения согнутой фиксирующей пластины, благодаря чему эта система является сравнительно недорогой.

Другие преимущества и другие признаки содержатся в последующем описании фигур. Показано:

Фиг.1 - частично в перспективе вид сечения секции ротора;

Фиг.2 - фрагмент A, показанный на фиг.1, в деталях;

Фиг.3 - расположенное в уплотнительном элементе отверстие, служащее для помещения альтернативного блокировочного элемента;

Фиг.4, 5 - альтернативный блокировочный элемент на видах в перспективе;

Фиг.6 - вид в перспективе части рабочей лопатки для турбомашины;

Фиг.7 - вид сверху системы ротора по одному из вариантов осуществления согласно изобретению;

Фиг.8 - вариант осуществления фиксации блокировочного элемента от осевого смещения согласно изобретению и

Фиг.9 - блокировочный элемент согласно изобретению, изображенный в перспективе.

На Фиг.1 показана частично в перспективе, частично в сечении секция 10 ротора для ротора не изображенной в остальном турбомашины, которая может быть выполнена в виде газовой турбины. В основном секция ротора включает в себя, с одной стороны, первый диск 12 ротора, а также расположенный рядом другой диск 14 ротора. Диски 12, 14 ротора посредством не показанного торцового зубчатого зацепления, предназначенного для передачи моментов вращения, с геометрическим замыканием соединены друг с другом, и посредством не изображенного в остальном стяжного анкера стянуты друг с другом. Секция 10 ротора могла бы быть выполнена также альтернативно показанному изображению из одной единственной детали в виде моноблока или из одного единственного диска ротора. На наружном периметре секции 10 ротора предусмотрено несколько распространяющихся соответственно по меньшей мере частично в осевом направлении ротора крепежных пазов 16 для рабочих лопаток, из которых только один изображен в сечении. Крепежный паз 16 для рабочей лопатки имеет контур, напоминающий елку. В крепежные пазы 16 для рабочих лопаток вставлена каждая из рабочих лопаток 18, из которых на сечении видна изображенная на фиг.1 дальше всего справа. Рабочая лопатка 18 включает в себя ножку 20 лопатки, которая выполнена по меньшей мере частично в соответствии с контуром крепежного паза 16 для рабочей лопатки, чтобы удерживаться им в радиальном направлении с геометрическим замыканием. Рабочая лопатка 18 включает в себя платформу 22, на которой расположена не изображенная в остальном рабочая часть лопатки. Платформа 22 в соответствии с сечением, показанным на фиг.1, имеет изогнутый внутрь наружный контур, на конце которого предусмотрена выступающая наружу уплотнительная вершина 24. Поэтому изображенная на фиг.1 платформа 22 также образует форму выступающей за торцевую сторону 26 ножки 20 лопатки уплотнительной лопасти, которая в уровне техники известна также как «крыло ангела».

Торцевая сторона 26 ножки 20 лопатки находится на одной линии с торцевой стороной 28 диска 12 ротора. Для каждой из рабочих лопаток с торцевой стороны на диске 12 ротора соответственно предусмотрен уплотнительный элемент 30. Уплотнительные элементы 30 прилегают под действием центробежной силы своим наружным краем 32 к контактной поверхности 34, которая расположена с нижней стороны платформы 22 или, соответственно, выступа, выдающегося за ножку 20 лопатки с торцевой стороны. Соответственно этому контактная поверхность 34 обращена внутрь. Альтернативно контактная поверхность 34 могла бы быть также выполнена в виде дна паза, расположенного с нижней стороны платформы. Уплотнительные элементы 30 выполнены пластинчатыми или, соответственно, плоскими и включают в себя также внутренний край 36, который установлен в открытом наружу кольцевом пазу 38. Уплотнительные элементы 30 снабжены при этом в своей наружной трети на поверхности, обращенной к диску 12 ротора, направленным внутрь крючком 40, который не изображенным образом находится в зацеплении с крючком, расположенным на диске 12 ротора с торцевой стороны 28. Благодаря сцеплению уплотнительных элементов 30 с диском 12 ротора надежно предотвращается смещение рабочих лопаток 18 вдоль крепежного паза 16 для рабочих лопаток, так что уплотнительные элементы 30 осуществляют осевую фиксацию каждой соответствующей рабочей лопатки 18. Также уплотнительные элементы 30 служат для пропускания охлаждающего средства, предпочтительно охлаждающего воздуха, по торцевой стороне 28 диска 12 ротора и торцевой стороне 26 ножки 20 лопатки.

Чтобы предотвратить смещение уплотнительных элементов 30 в окружном направлении, в области наружного края 32 каждого из уплотнительных элементов 30 предусмотрено отверстие 44. Отверстие 44, установленный в нем альтернативный блокировочный элемент 46, а также часть ножки 20 лопатки изображены в деталях на Фиг.2. На Фиг.3 показано отверстие 44 на виде в перспективе. Отверстие 44 выполнено подобно замочной скважине с круглой частью отверстия, к которой примыкает на Фиг.3 направленное вниз сравнительно короткое и сравнительно широкое отверстие 47 под бородку ключа.

Изображенный на Фиг.4 и Фиг.5 в перспективе блокировочный элемент 46 снабжен на своем наружном периметре кулачком 50. Кулачок 50 предусмотрен скорее со стороны конца, т.е. на торцевом первом конце 48 блокировочного элемента 46, и распространяется по периметру на угловую длину, равную приблизительно 20°. Угловая длина кулачка 50 соответствует при этом ширине отверстия 47 под бородку ключа, так что блокировочный элемент 46 через отверстие 44 может вставляться в уплотнительный элемент 30. Блокировочный элемент 46 включает в себя к тому же на своем втором торцевом конце венец 52, в котором предусмотрены два шлица 54, так что часть венца 52 выполнена в виде зубца 56 или зуба. Шлицы 54 при этом расположены на той части периметра, которая находится напротив концов кулачка 50. Поэтому зубец 56 и кулачок имеют по меньшей мере приблизительно одинаковую ширину. При этом свободный конец зубца 56 выполнен острым для упрощения демонтажа.

Блокировочный элемент 46 показан на Фиг.2 в своем окончательном положении. Для монтажа блокировочного элемента 46 в отверстии 44 первый должен быть ориентирован так, чтобы кулачок 50 мог вставляться через отверстие 47 под бородку ключа. После вставления блокировочного элемента 46 в отверстие 44 он поворачивается вокруг своей продольной оси на 180°, пока расположенный на его втором конце зубец 56 не окажется в области отверстия 47 под бородку ключа. С помощью надлежащего инструмента зубец 56 может загибаться в отверстие 47 под бородку ключа, так чтобы при этом блокировочный элемент 46 был зафиксирован от вращения. После вставления блокировочного элемента 46 его предусмотренный на кулачке 50 конец 48 вдается в гнездо 58, которое расположено на торцевой стороне 26 ножки 20 лопатки. Гнездо 58 при этом выполнено в виде глухого отверстия, в котором установлен с зазором конец 48 блокировочного элемента 46.

Кулачок 50 входит в сопряженное зацепление в осевой зазор, который имеется между торцевой стороной 26 ножки 20 лопатки и уплотнительным элементом 30. Для этого в области отверстия 44 уплотнительный элемент 30 выполнен в виде втулки.

Для демонтажа рабочей лопатки 18 необходимо загнуть зубец 56, благодаря чему разъединяется геометрическое замыкание с отверстием 47 под бородку ключа. После этого блокировочный элемент 46 может быть повернут на 180°, так чтобы кулачок 50 оказался в области отверстия 47 под бородку ключа. Затем с помощью надлежащего инструмента блокировочный элемент 46 может быть вынут из отверстия 44, после чего затем уплотнительный элемент 30 может быть смещен в окружном направлении. При смещении уплотнительного элемента 30 в окружном направлении может быть разъединено сцепление уплотнительного элемента с диском ротора, следовательно, этот элемент может быть вынут из секции 10 ротора. Затем рабочая лопатка 18 путем осевого смещения вдоль крепежного паза 16 может быть вынута из секции 10 ротора.

Расположенное в ножке 20 рабочей лопатки глухое отверстие 58 расположено при этом сравнительно близко к контактной поверхности 34.

На Фиг.6 показана лопатка 18 турбины, изображенная в перспективе, при этом, однако, рабочая часть 60 лопатки 18 турбины изображена только вблизи платформы. Из Фиг.6 ясно следует, что глухое отверстие расположено сравнительно близко, т.е. непосредственно рядом с контактной поверхностью 34. Соответственно этому контактная поверхность 34 для уплотнительного элемента 30 и средства, служащие для предотвращения его движения в окружном направлении, расположены сравнительно близко друг к другу. За счет близости расположения двух функциональных средств может быть обеспечена особенно прочная и надежная фиксация от смещения, которая к тому же обладает особенно малым износом, так как относительных движений трения практически не возникает.

На Фиг.7 показаны расположенные в окружном направлении рядом друг с другом уплотнительные элементы 30, которые до их фиксации с помощью блокировочного элемента обладают подвижностью друг относительно друга, обеспечивающей возможность монтажа собственно замкнутого кольцевого уплотнения. Для этого толщина каждой кромки уплотнительных элементов, которая обращена к соседнему уплотнительному элементу, составляет только половину от толщины материала стенки уплотнительного элемента, так что уплотнительные элементы в этих областях выполнены перекрывающимися. Вместо простого перекрытия может быть также предусмотрено пазово-шпоночное перекрытие.

Показанный на Фиг.7 вариант осуществления окружной фиксации согласно изобретению отличается от изображенного на Фиг.1-6 блокировочным элементом 62 и его фиксацией от выпадения из отверстия 44 и из гнезда 58. Изображенный на Фиг.7 блокировочный элемент 62 согласно изобретению представлен в перспективе на Фиг.9. Блокировочный элемент 62 согласно изобретению также выполнен в виде пальца с двумя различными диаметрами. Однако вдоль своей продольной протяженности блокировочный элемент 62 выполнен уплощенно, так что к уплощению 64 может прилегать фиксирующая пластина. Фиксация блокировочного элемента 62 изображена на Фиг.8, при этом на Фиг.8 показан тот же фрагмент, что и фрагмент A, изображенный на Фиг.2. Здесь также идентичные конструктивные элементы снабжены теми же самыми номерами позиций. После монтажа рабочей лопатки 18 в крепежном пазу 16 и последующего монтажа уплотнительного элемента 30 в отверстие 44 вставляется первоначально L-образная фиксирующая пластина 66a, короткая полка которой входит в зацепление в зазор между торцевой стороной 26 ножки 20 лопатки и уплотнительным элементом (30). Затем блокировочный элемент 62 своим уплощением 64 укладывается на фиксирующую пластину 66. После этого блокировочный элемент 62 вдвигается в отверстие 44, до тех пор, пока он своим концом 48 не войдет в зацепление в глухое отверстие 58. Таким образом, с помощью надлежащего средства до тех пор L-образная, если смотреть в поперечном сечении, фиксирующая пластина 66a может быть согнута, так чтобы ее поперечное сечение приобрело Z-образную форму. За счет Z-образной формы фиксирующей пластины 66 эта пластина блокирует осевое смещение блокировочного элемента 62. Благодаря этому невозможно непреднамеренное разъединение блокировки уплотнительного элемента 30 в окружном направлении.

В целом изобретение касается секции 10 ротора для ротора газовой турбины, рабочей лопатки 18 и блокировочного элемента 46, 62. Секция 10 ротора включает в себя диск 12 ротора с вставленными на нем в крепежные пазы 16 рабочими лопатками 18, которые посредством расположенного с торцевой стороны уплотнительного элемента 30 зафиксированы от смещения вдоль крепежных пазов 16. Чтобы указать надежную, несложную и простую в расчете конструкцию для окружной фиксации уплотнительных элементов 30, изобретением предлагается, чтобы каждый уплотнительный элемент 30 был зафиксирован соответственно одним блокировочным элементом 46, 62, который при этом входит в зацепление в гнездо 58, расположенное в ножке 20 рабочей лопатки с торцевой стороны.