Результат интеллектуальной деятельности: РОТОР ТУРБОМАШИНЫ И СПОСОБ ЕГО СБОРКИ

Область техники

Настоящее изобретение относится к области турбомашин и сборке хвостовиков лопаток.

Предшествующий уровень техники

Документ ЕР 0757749 В1 относится к газотурбинным двигателям. Пара направляющих хвостовика выполнена внизу участка хвостовика в форме ласточкина хвостовика лопатки газотурбинного двигателя для минимизации возвратно-поступательного тангенциального перемещения лопаток внутри пазов в форме ласточкина хвостовика, в которых удерживаются участки хвостовиков лопаток в форме ласточкина хвостовика. Каждая направляющая хвостовика имеет форму клина, сужающегося с уменьшением поперечного сечения от основания хвостовика к основанию аэродинамического профиля.

Принимая во внимание вышеописанную ситуацию, существует потребность в усовершенствованной технологии, позволяющей обеспечить эффективную сборку турбомашины.

Краткое описание изобретения

Эта потребность может быть удовлетворена при помощи предмета изобретения в соответствии с независимыми пунктами формулы изобретения. Предпочтительные воплощения раскрытого здесь предмета изобретения описаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

Заявитель обнаружил, что предпочтительно допускать небольшое относительное перемещение лопаток компрессора относительно вращающегося элемента ротора компрессора, к которому они крепятся. Это может быть предназначено, например, для приспосабливания к относительным изменениям в степенях теплового расширения материалов, что в противном случае привело бы к нарушению механической целостности ротора компрессора. Более того, для получения небольшого зазора между вершиной лопатки компрессора и окружающим корпусом, предпочтительно осуществлять операцию конечной обработки вершин лопаток компресса на собранной лопатке ротора компрессора. Эта операция обработки в комбинации с механически обработанным внутренним диаметром корпуса компрессора определяет желаемый зазор между вершиной и корпусом. Однако, в ходе механической обработки вершины лопатки компрессора, режущие силы вдавливают лопатку компрессора вниз во вращающийся элемент, в то время как после этого при работе под действием центробежной нагрузки лопатка перемещается радиально наружу. Заявитель обнаружил, что большая разница между двумя указанными состояниями может оказывать отрицательное влияние на способность точно контролировать желаемый зазор между вершиной и корпусом.

В соответствии с первым объектом изобретения, обеспечивается лопатка ротора, содержащая хвостовик для крепления лопатки ротора к вращающемуся элементу турбомашины. Хвостовик содержит выступающую структуру, формирующую стопорную поверхность, поддерживающую закрепленный хвостовик относительно вращающегося элемента под действием направленных радиально внутрь сил, при этом выступающая структура определяет максимальный зазор между стопорной поверхностью и вращающимся элементом.

Данный объект изобретения основан на идее, что точная регулировка размеров хвостовика проще и быстрее, если не вся поверхность, а лишь выступающая структура хвостовика будет механически обрабатываться или обрезаться.

По существу, здесь, термин «радиально внутрь» или «радиально наружу» указывает на направление относительно лопатки ротора, установленной на вращающийся элемент ротора турбомашины. То есть, радиально внутрь указывает на направление, противоположное центробежным силам, возникающим при вращении ротора турбомашины. Радиально наружу указывает на противоположное направление, т.е. на направление центробежных сил. Согласно другому, эквивалентному определению, «радиально внутрь» указывает на направление от вершины к хвостовику лопатки ротора, и «радиально наружу» указывает на направление от хвостовика к вершине лопатки турбомашины.

Также здесь, в целом, термин «максимальный зазор между стопорной поверхностью и вращающимся элементом» относится к зазору (или, другими словами, к расстоянию) между стопорной поверхностью хвостовика и вращающимся элементом, в случае, если лопатка ротора занимает свое радиально самое наружное положение, допустимое вращающимся элементом, к которому прикреплена лопатка ротора.

В соответствии с одним воплощением, турбомашина представляет собой газовую турбину. В соответствии с еще одним воплощением, ротор турбомашины представляет собой ротор компрессора.

В соответствии с одним воплощением, выступающая структура содержит по меньшей мере одну направляющую. Например, в соответствии с одним воплощением, выступающая структура содержит две направляющих. В одном воплощении, направляющие проходят параллельно, и радиально изогнуты для соответствия диаметру поверхности вращающегося элемента. Однако, также допустимы и другие ориентации направляющих, и они могут быть или могут не быть изогнуты для соответствия поверхности вращающегося элемента. Направляющие облегчают механическую обработку хвостовиков, и, таким образом, точную регулировку максимального радиального зазора между стопорной поверхностью хвостовика лопатки ротора и вращающимся элементом турбомашины.

В соответствии с другим воплощением, выступающая структура содержит окружную направляющую, такую как кольцевую замкнутую направляющую.

В соответствии с еще одним воплощением, хвостовик дополнительно содержит участок основания, расположенный в боковом направлении рядом с выступающей структурой. Выступающая структура выступает относительно участка основания. В соответствии с одним воплощением, участок основания хвостовика содержит или состоит из плоской поверхности. Плоская поверхность может облегчить операции механической обработки. В соответствии с другим воплощением, выступающая структура определяет стопорную плоскость хвостовика. В одном воплощении, плоская поверхность и стопорная плоскость параллельны. Например, если нижняя часть хвостовика содержит плоскую поверхность, или если нижняя часть хвостовика представляет собой плоскую поверхность, в одном воплощении выступающая структура определяет плоскую донную поверхность хвостовика. Эти воплощения также способствуют облегчению механической обработки выступающей структуры.

В соответствии с одним воплощением, выступающая структура расположена на дне хвостовика. В соответствии с другим воплощением, выступающая структура выполнена в других местах хвостовика.

В соответствии с одним воплощением, стопорная поверхность выступающей структуры является изогнутой. В соответствии с другим воплощением, кривизна стопорной поверхности соответствует кривизне поверхности вращающегося элемента, расположенной напротив выступающей структуры в установленном состоянии.

В соответствии со вторым объектом описанного здесь предмета изобретения, обеспечивается ротор турбомашины, при этом ротор турбомашины содержит вращающийся элемент и лопатку ротора, прикрепленную к вращающемуся элементу, при этом лопатка ротора имеет конфигурацию в соответствии с первым его объектом или воплощением.

Например, в одном воплощении, ротор турбомашины содержит вращающийся элемент и лопатку ротора, где лопатка ротора содержит хвостовик для крепления лопатки ротора к вращающемуся элементу турбомашины. В соответствии с объектами и воплощениями описанного здесь предмета изобретения, хвостовик содержит выступающую структуру, формирующую стопорную поверхность, поддерживающую установленный хвостовик на вращающемся элементе под действием сил, направленных радиально внутрь, т.е., сил в направлении элемента вращения. Дополнительно, в соответствии с объектами и воплощениями описанного здесь предмета изобретения, выступающая структура определяет максимальный зазор между стопорной поверхностью и вращающимся элементом. В соответствии с воплощениями описанного здесь предмета изобретения, максимальный зазор между стопорной поверхностью и вращающимся элементом больше нуля. Максимальный зазор может быть отрегулирован в зависимости от размера турбомашины и коэффициентов теплового расширения хвостовика лопатки ротора и вращающегося элемента.

Следует понимать, что несмотря на то, что во многих воплощениях, описанных здесь, описана лишь одна лопатка ротора, для иллюстрации основной концепции этих воплощений, вращающийся элемент, как правило, имеет множество таких лопаток ротора, закрепленных на нем.

В соответствии с еще одним воплощением, выступающая структура определяет максимальный радиальный зазор между хвостовиком и вращающимся элементом. Поэтому, в соответствии с одним воплощением, хвостовик способен радиально перемещаться на определенное расстояние, при этом в радиально самом наружном положении выступающая структура имеет максимальный радиальный зазор относительно вращающегося элемента.

В соответствии с одним воплощением, вращающийся элемент содержит паз, при этом паз имеет поверхность паза, поддерживающую стопорную поверхность лопатки ротора под действием сил, направленных радиально внутрь. Таким образом, в одном воплощении, максимальный радиальный зазор между выступающей структурой и вращающимся элементом представляет собой минимальное расстояние между выступающей структурой и поверхностью паза, когда лопатка ротора занимает свое радиально самое наружное положение относительно вращающегося элемента.

В соответствии с одним воплощением, вращающийся элемент представляет собой единую деталь с выполненным в ней пазом. В соответствии с другими воплощениями, вращающийся элемент содержит две детали, предназначенными для осевого соприкосновения, при этом в каждой детали сформирована часть паза, и две детали вместе формируют паз, когда примыкают друг к другу.

В соответствии с еще одним воплощением, лопатка ротора закреплена в пазу. Соответственно, в этом воплощении, паз имеет поперечное сечение, способное удерживать лопатку ротора от направленных радиально наружу сил, таких как центробежные силы, возникающие при вращении ротора турбомашины.

В соответствии с другим воплощением, выступающая структура определяет стопорную плоскостью (например, как описано выше для первого объекта), и стопорная плоскость выступающей структуры и поверхность паза параллельны. Это обеспечивает хорошую поддержку лопатке ротора на дне паза, если к лопатке ротора прилагаются силы, направленные радиально внутрь.

В соответствии с еще одним воплощением, паз представляет собой окружной паз, простирающийся в окружном направлении относительно оси вращения вращающегося элемента.

В соответствии с другим воплощением, лопатка ротора имеет дополнительную стопорную поверхность для удержания лопатки ротора от силы, направленной радиально наружу.

В соответствии с еще одним воплощением, хвостовик лопатки ротора способен перемещаться внутри вращающегося элемента между стопорной поверхностью и дополнительной стопорной поверхностью. При контакте лопатки ротора с дополнительной стопорной поверхностью, выступающая структура имеет максимальный зазор (расстояние) от вращающегося элемента.

В соответствии с третьим объектом описанного здесь предмета изобретения, обеспечивается способ сборки ротора турбомашины, содержащий следующие этапы: (а) обеспечение лопатки ротора согласно первому объекту или воплощению; (b) механическая обработка выступающей структуры для регулировки максимального зазора между стопорной поверхностью и вращающимся элементом; (с) установка лопатки ротора на вращающийся элемент.

Благодаря выступающей структуре, регулировка максимального радиального зазора между стопорной поверхностью и вращающимся элементом облегчается, и может быть завершена в более короткий период времени.

В соответствии с еще одним воплощением, способ дополнительно содержит механическую обработку радиально наружного участка лопатки ротора после установки лопатки ротора на вращающийся элемент. После доведения максимального зазора между стопорной поверхностью и вращающимся элементом до желаемого, особого значения, может быть выполнена механическая обработка участка вершины лопатки ротора с тем, чтобы достичь высокой точности в расстоянии между лопаткой ротора и корпусом турбомашины, окружающим ротор турбомашины с лопаткой ротора.

Выше были описаны и будут описаны далее иллюстративные воплощения раскрываемого предмета изобретения со ссылкой на лопатку компрессора, ротор компрессора и способ сборки ротора компрессора. Следует отметить, что конечно также возможны любые комбинации признаков, относящихся к разным объектам описанного здесь предмета изобретения. В частности, некоторые воплощения были описаны со ссылкой на пункт формулы, относящийся к лопатке ротора, при этом другие воплощения были описаны со ссылкой на пункт формулы о роторе турбомашины или пункты о методе. Тем не менее, специалисту в данной области техники из выше и нижеприведенного описания ясно, если не указано другое, в добавок к любой комбинации признаков, относящихся к одному объекту, также любая другая комбинация из признаков, относящихся к разным объектам или воплощениям, например даже из признаков пункта о лопатке турбины и признаков пункта ротора турбомашины, или из признаков пунктов типа установки и признаков пунктов типа метода, раскрывается в этом заявлении.

Объекты и воплощения, определенные выше, и прочие объекты и воплощения настоящего изобретения станут очевидны из примеров, которые будут описаны здесь далее со ссылкой на чертежи, которыми изобретение при этом не ограничивается.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 изображает вид в поперечном сечении части компрессора газовой турбины в соответствии с воплощениями описанного здесь предмета изобретения.

Фиг. 2 изображает вид в поперечном сечении части компрессора еще одной газовой турбины в соответствии с воплощениями описанного здесь предмета изобретения.

Фиг. 3 изображает укрупненный фрагмент ротора компрессора с Фиг. 1.

Фиг. 4 изображает укрупненный фрагмент ротора компрессора с Фиг. 2.

Фиг. 5 изображает вид в частичном разрезе вращающегося элемента с установленными лопатами ротора с Фиг. 4 вдоль линии V-V.

Фиг. 6 изображает вид в перспективе лопатки ротора в соответствии с воплощениями описанного здесь предмета изобретения.

Подробное описание

Иллюстрация на чертежах является схематичной. Следует отметить, что на разных фигурах подобные или идентичные элементы обозначены одинаковыми ссылочными позициями или ссылочными позициями, отличающимися от соответствующих ссылочных позиций лишь одной первой цифрой. Описание этих элементов не повторяется. Подчеркиваются лишь различия между различными фигурами.

Фиг. 1 изображает вид в поперечном сечении части компрессора газовой турбины 100 в соответствии с воплощениями описанного здесь предмета изобретения. В соответствии с одним воплощением, компрессорный отсек газовой турбины 100 содержит корпус 102 и ротор 104. Ротор содержит вращающийся элемент 106 и лопатку 108 ротора. Лопатка 108 ротора содержит хвостовик 110 для крепления лопатки 108 ротора к вращающемуся элементу 106 газовой турбины 100. В соответствии с одним воплощением, хвостовик содержит выступающую структуру 114 и участок основания 112, расположенный в боковом направлении рядом с выступающей структурой 114. Выступающая структура 114 выступает относительно участка основания 112. В соответствии с воплощением, показанным на Фиг. 1, выступающая структура 114 выступает за участок 112 основания по направлению к вращающемуся элементу 106.

В соответствии с одним воплощением, выступающая структура 114 формирует стопорную поверхность 116, поддерживающую закрепленный хвостовик 110 относительно вращающегося элемента 106 под действием сил, направленных радиально внутрь, обозначенных позицией 118 на Фиг. 1.

Как показано на Фиг. 1, в окрестности выступающей структуры участок основания 112 является плоским и параллелен стопорной плоскости 120 хвостовика 110, при этом стопорная плоскость 120 ограничивается выступающей структурой 114.

В соответствии с воплощением, показанным на Фиг. 1, вращающийся элемент 106 содержит паз 122, при этом паз 122 имеет поверхность 124 паза, поддерживающую стопорную поверхность 116 лопатки 108 ротора под действием сил 118, направленных радиально внутрь. Вращающийся элемент 106 образован двумя дисками 128 и 130.

В соответствии с еще одним воплощением, лопатка 108 ротора имеет дополнительную стопорную поверхность 132 для удержания лопатки 108 ротора от силы 126, направленной радиально наружу. В соответствии с воплощениями описанного здесь предмета изобретения, хвостовик 110 лопатки 108 ротора способен перемещаться в радиальном направлении внутри вращающегося элемента 106 (в показанном случае внутри паза 122) между стопорной поверхностью 116 и дополнительной стопорной поверхностью 132. Такая подвижность лопатки 108 ротора (в частности, ее хвостовика 110) позволяет справиться с разными коэффициентами теплового расширения вращающегося элемента 106 и хвостовика 110.

При помощи надлежащей механической обработки выступающей структуры, максимальный зазор 134 между стопорной поверхностью 116 и поверхностью 124 паза вращающегося элемента 106 может быть отрегулирован до желаемого значения в короткий период времени, более короткий, чем время, которое потребовалось бы для механической обработки плоской поверхности для получения такого же зазора 134. Точная регулировка зазора 134 обеспечивает необходимую подвижность лопатки 108 ротора внутри паза, в то же время, обеспечивая достаточную точность при обработке вершины 136 аэродинамического профиля 138 лопатки 108 ротора с тем, чтобы достичь желаемого зазора 140 между вершиной 136 и корпусом 103. Путем уменьшения зазора 140 может быть увеличена эффективность газовой турбины 100.

На Фиг. 2 изображен вид в поперечном сечении части компрессора еще одной газовой турбины 200 в соответствии с воплощениями описанного здесь предмета изобретения.

В отличие от газовой турбины 100, показанной на Фиг. 1, вращающийся элемент 206 ротора 204 выполнен как одна деталь, содержащая паз 222. Паз 222 содержит поверхность 224 паза. В отличие от Фиг. 1, поверхность 224 паза расположена на дне паза 222. Соответственно, стопорная поверхность 216 лопатки 208 ротора оборудована выступающей структурой 214 на дне 242 хвостовика 210. В соответствии с одним воплощением, выступающая структура 214 содержит две направляющих, простирающихся параллельно по дну 242 хвостовика 210. Между направляющими нижняя часть 242 содержит участок основания 212, формирующий по существу плоскую поверхность.

В соответствии с одним воплощением, дополнительная стопорная поверхность 232 для удержания лопатки 208 ротора от силы 226, направленной радиально наружу, оборудована под углом к радиальному направлению, обозначенному стрелкой 226 на Фиг. 2. В соответствии с воплощением, показанным на Фиг. 2, этот угол отличается от 90 градусов, например, лежит в диапазоне от 30 до 60 градусов.

Подобным образом, также соответствующая опорная поверхность 244 на вращающемся элементе 206 оборудована углом (т.е., таким же углом, как и дополнительная стопорная поверхность 232) относительно радиального направления, обозначенного позицией 226. В соответствии с другими воплощениями, дополнительная стопорная поверхность и соответствующая опорная поверхность вращающегося элемента имеют угол 90 градусов относительно радиального направления.

Конфигурация лопатки ротора, показанная на Фиг. 2, также обеспечивает возможность точной регулировки максимального радиального зазора 234 между ротором 210 и вращающимся элементом 206. Таким образом, турбомашина 200 обеспечивает возможность точной механической обработки вершины лопатки для того, чтобы отрегулировать зазор 240 между вершиной 236 лопатки и корпусом 202.

Следует отметить, что хвостовик 210 может содержать дополнительную поверхность 24 6, противоположную дополнительной поверхности 248 вращающегося элемента. Однако, в соответствии с воплощениями описанного здесь предмета изобретения, эти противоположные поверхности 246, 248 не ограничивают радиальной подвижности хвостовика 210 в пазу 222 вращающегося элемента 206. Другими словами, расстояние 250 между противоположными дополнительными поверхностями 246, 248 больше максимального радиального зазора 234.

Фиг. 3 изображает увеличенный фрагмент ротора 104 компрессора с Фиг. 1. Как видно на Фиг. 3, ротор 104 компрессора содержит множество вращающихся элементов. Каждый из вращающихся элементов образован двумя дисками, два из которых обозначены ссылочными позициями 128 и 130. Каждый вращающийся элемент содержит множество лопаток ротора, одна из которых обозначена ссылочной позицией 108 на Фиг. 3. Ось вращения ротора 104 компрессора обозначена ссылочной позицией 152 на Фиг. 3.

Фиг. 4 изображает увеличенный фрагмент ротора 204 компрессора с Фиг. 2. Как видно на Фиг. 4, ротор 204 компрессора содержит множество вращающихся элементов. Каждый из вращающихся элементов образован одним диском, один из которых обозначен ссылочной позицией 206. Каждый вращающийся элемент 206 содержит множество лопаток ротора, одна из которых обозначена ссылочной позицией 208 на Фиг. 4. Ось вращения ротора 204 компрессора обозначена ссылочной позицией 252 на Фиг. 4.

Фиг. 5 изображает частичный вид в разрезе вращающегося элемента 206 с установленными лопатками 208 ротора с Фиг. 4 вдоль линии V-V. В соответствии с воплощением, показанным на Фиг. 5, стопорная поверхность 216 выступающей структуры 214 изогнута так, чтобы соответствовать поверхности 224 паза, обращенной к стопорной поверхности 216. Таким образом, в этом воплощении стопорная поверхность 216 выступающей структуры изогнута в окружном направлении поверхности 224 паза вращающегося элемента. В других воплощениях стопорная поверхность выступающей структуры может быть плоской. Например, в таком случае выступающая структура проходит по касательной к вращающемуся элементу 206.

Фиг. 6 изображает вид в перспективе лопатки 208 ротора в соответствии с воплощениями описанного здесь предмета изобретения. Фиг. 6 изображает, в частности, хвостовик 210 лопатки 208 ротора, который содержит, в соответствии с одним воплощением, выступающую структуру 214 в форме двух направляющих со стопорной поверхностью 216. Между направляющими простирается участок 212 основания хвостовика. В соответствии с воплощениями описанного здесь предмета изобретения, участок 212 основания формирует углубление относительно выступающей структуры. В еще одном воплощении, хвостовик 210 формирует профиль дна в форме ласточкина хвостовика, как показано на Фиг. 6. Профиль дна в форме ласточкина хвостовика, образованный выступающей структурой 214 и участком 212 основания, может быть изогнут для соответствия профилю диска (вращающегося элемента) или может быть плоским, таким образом, упрощая изготовление. В одном воплощении только направляющие, а не участок 212 основания, выступающей структуры 214 должны быть подвергнуты механической обработке для соответствия профилю вращающегося элемента, что экономит время и затраты. Фиг. 6 также изображает дополнительную поверхность 24 6 хвостовика 210 и вершину 236 лопатки 208 ротора.

Несмотря на то, что Фиг. 1 и Фиг. 2 изображают часть компрессора газовой турбины, следует отметить, что объекты, воплощения и примеры раскрытого здесь предмета изобретения также применимы к другим типам турбомашин, например, компрессорам и паровым турбинам, или к другим частям газовой турбины, например, к турбинному отсеку, содержащему лопатки и диски. Выступающие структуры в соответствии с воплощениями раскрытого здесь предмета изобретения могут быть быстрее механически обработаны, чем плоские поверхности. Таким образом, воплощения раскрытого здесь предмета изобретения могут обеспечить быструю и эффективную адаптацию максимального зазора и максимальной подвижности лопатки ротора относительно вращающегося элемента, к которому крепится лопатка ротора. В результате, время механической обработки, требуемой в ходе сборки турбомашины, может быть снижено. Несмотря на то, что выступающая структура специально предусматривает относительно небольшую площадь стопорной поверхности, эта относительно небольшая площадь стопорной поверхности является достаточной для противостояния силам, направленным радиально внутрь, которые возникают в ходе механической обработки вершины уже установленной лопатки.

Следует отметить, что термин «содержащий» не исключает прочих элементов или этапов, а существительные в единственном числе не исключают множественного числа. Также элементы, описанные со ссылкой на разные воплощения, могут быть скомбинированы. Следует также отметить, что ссылочные позиции в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничение сущности формулы изобретения.

Резюмируя вышеописанные воплощения раскрытого здесь предмета изобретения, можно сказать:

Описана лопатка ротора, содержащая хвостовик для крепления лопатки ротора к вращающемуся элементу турбомашины. Хвостовик содержит участок основания и выступающую структуру, выступающую относительно участка основания в боковом направлении, смежную с участком основания. Выступающая структура формирует стопорную поверхность, поддерживающую закрепленный хвостовик относительно вращающегося элемента под действием сил, направленных радиально внутрь. Дополнительно, обеспечивается соответствующий ротор для турбомашины.

В иллюстративном воплощении газовой турбины, одним из способов конструирования ротора компрессора газовой турбины является сборка нескольких дисков, соединенных друг с другом при помощи центральной перпендикулярной шпильки. Лопатки ротора могут быть зажаты между двумя смежными дисками, как показано на Фиг. 1, или погружены в паз внутри диска, как показано на Фиг. 2. Оба способа обеспечивают приспособления для радиального расположения лопаток ротора, таким образом, удерживая лопатки ротора в рабочем состоянии под действием центробежной силы. Предпочтительно регулировать степень точности радиального расположения для работы газовой турбины, при этом меньшие зазоры вершин аэродинамического профиля с наружным корпусом приводят к улучшению эффективности компрессора.

Воплощения раскрытого здесь предмета изобретения описывают лопатку ротора, ротор турбомашины и способ достижения точности для сборки с тесной радиальной посадкой путем обеспечения точной регулировки на этапе установки лопатки ротора в соответствующий вращающийся элемент до конечной механической обработки вершины лопатки. Воплощения раскрытого здесь предмета изобретения снижают расчет на дорогостоящие строгие пределы производства, которые могут потребоваться в противном случае. Дополнительно, вводится приспособляемость, желаемая при сборках оборудования в малых масштабах, когда настройка является обычной практикой для улучшения точности сборки при низкой стоимости.