Рабочее колесо осевой турбомашины
Изобретение относится к машиностроению и касается конструкции рабочих колес паровых и газовых осевых турбин, а также осевых компрессоров, применяемых в силовых агрегатах транспортных средств и в стационарной теплоэнергетике. Диск рабочего колеса состоит из нескольких взаимопараллельных пластин, а рабочая лопатка выполнена из цельной полоски листового материала, перекинутой наперевес через штифт, вставленный в отверстия диска рабочего колеса, расположенные с отступом от края диска, т.е. без образования открытых пазов. За счет устранения большой сосредоточенной массы в месте крепления лопаток распределение массы по радиусу рабочего колеса приближается к равнопрочному. Создается резерв прочности для повышения окружной скорости с соответствующим повышением температуры и КПД турбины без необходимости применения более жаропрочных материалов. Упрощается конструкция лопаток и диска, повышается технологичность, обеспечивается экономическая целесообразность расширения области применения турбомашин в диапазоне средних и малых мощностей. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к машиностроению и касается конструкции рабочих колес осевых компрессоров, а также осевых паровых и газовых турбин.
В диапазоне больших мощностей, например в авиации или в стационарной теплоэнергетике, безусловным преимуществом по комплексу технических и экономических показателей обладают осевые турбомашины со ступенями давления. Они характеризуются высоким термическим КПД, простотой принципиальной схемы, малым удельным весом, большим моторесурсом и совершенством газодинамических процессов. Причем, за счет того, что в каждой ступени давления многоступенчатой турбины срабатывается лишь небольшая часть общего перепада энтальпии рабочего тела, указанные преимущества достигаются при умеренных окружных скоростях ротора и дозвуковых режимах течения в проточной части. Наиболее проблематичной частью конструкции осевой турбомашины является ротор, работающий в условиях больших центробежных нагрузок, сочетающихся часто с высокими температурами. И при этом ротор должен обеспечивать высокую точность и стабильность формы.
Известна конструкция ротора, состоящая из отдельных рабочих колес, содержащих диск с прикрепленными к нему рабочими лопатками (см. например: «Г.А. Кузьмин, Конструкция авиационных двигателей. М. Оборонгиз. 1962 г.» Стр. 27-32 и стр. 95-104). Крепление лопаток осуществляется за счет согласованной конфигурации комлевых частей лопатки и пазов в периферийной части диска рабочего колеса, например в соединениях типа «елочка»,«ласточкин хвост» и в т.н.з. цилиндрическом соединении (см. стр. 28, 29 и 101 указанной книги) Применялось также т.н.з. штифтовое соединение(см. фиг. 2.11 на стр. 29). Оно является примером соединения лопатки с диском с помощью третьего тела.
Наиболее близкой к предлагаемой по наличию совпадающих конструктивных признаков является конструкция рабочего колеса авационного двигателя РД-20, состоящая из диска с закрепленными на его периферии полыми охлаждаемыми лопатками, выполненными из листового материала и закрепленными посредством штифтов и клиньев. Лопатка образованна сваркой краев общей полоски, огибающей шпильку и два штифта, образующих вместе с закладными клиньями крепежный цилиндрический профиль, взаимодействующий с пазом соответствующей формы, выполненным в периферии диска рабочего колеса (см. фиг. 4.9 на стр. 100 вышеуказанной книги).
Кроме сложности конструкции данная схема соединения лопатки с диском обладает недостатками, свойственными и другим схемам, широко применяемым в настоящее время в осевых турбомашинах, например с замком типа «ласточкин хвост», а также «елочка» и содержащих замок, действующий по принципу конфигурационного зацепления комлевой части лопатки с пазом, выполненным в периферии диска. Рассмотрим их недостатки подробнее.
На фиг. 1 заявки изображена, для примера, в двух проекциях конструкция рабочего колеса с замком «елочка» и со сплошной лопаткой. Правее на фиг. 1 изображена эпюра фактического радиального распределения массы рабочего колеса, т.е. функция dm/dr факт, от r, где dm - приращение массы колеса, dr - приращение радиуса при движении от периферии к центру колеса. Видим, что при переходе от сравнительно тонкостенной лопатки к замковой части диска имеется резкий скачок функции радиального распределения массы колеса. Это обусловлено большой, по необходимости, массой конструкции замков с пазами. В то же время известно, что т.н.з. равнопрочный диск, работающий в условиях быстрого вращения обладает минимальной массой при плавном нарастании толщины диска. При этом суммарное окружное сечение в периферийной части диска должно нарастать при движении к центру приблизительно экспоненциально, начиная от стартового сечения, соответствующего суммарному сечению концевых профилей лопаток. Причем, если лопатки полые и тонкостенные, то указанная экспонента на протяжении значительной части движения к центру должна сохранять малое значение, близкое к исходному, т.е. диск должен в значительной части сечения иметь толщину, близкую к толщине профилей лопаток, как это изображено функцией dm/dr от r «идеальное» на фиг. 1. При этом имеется ввиду, что сечение материала диска всюду одинаково эффективно используется для создания радиальной прочности к растягивающим центробежным силам.
Понять экспоненциальность идеальной функции радиального распределения сечения диска можно из следующего рассуждения. Каждый элементарный слой диска нагружает все нижележащие слои весом своей центробежной перегрузки, поэтому, требует увеличения сечения всех нижележащих слоев на величину, пропорциональную своему весу, т.е. своему сечению, умноженному на некоторый коэффициент. Т.е. приращение сечения нижележащего слоя пропорционально сечению данного слоя. Известно, что функция, у которой текущее значение производной пропорционально текущему значению функции, есть экспоненциальная функция. (При этом мы рассматриваем только малый участок изменения радиуса, например до половинного значения радиуса, где обычно начинается втулка, для которой проблема прочности и массы имеет другие закономерности.)
Однако эффективность использования сечения для создания прочности к радиальным центробежным силам для замкового слоя диска на порядки меньше, чем для сечения лопаток или остальной части диска, работающих преимущественно только на растяжение (фактически имеет место двухосное растяжение диска, но это не меняет рассматриваемой закономерности). В замке же имеет место изгибная работа консольных зубьев. Поэтому все рассматриваемые известные конструкции замковых соединений не позволяют избавиться от значительного скачка сечения при переходе от лопатки к замку. Это приводит к многократному увеличению сечения всех нижележащих слоев диска. И недостаток здесь не только в утяжелении рабочего колеса массой диска. Главный недостаток состоит в существенном ограничении предельной окружной скорости рабочего колеса. Окружная скорость диска, выполненного из данного материала, только тогда станет максимальной, когда мы утолщим диск до экспоненциального профиля, соответствующего не сечению лопатки, а сечению крепежного замка. Но это уже неприемлемое увеличение массы двигателя. Поэтому диски делают с полкой, что означает существенный уход от равнопрочности и оптимальности, и существенный недобор предельной окружной скорости. По приблизительным оценкам, максимальная окружная скорость диска, выполненного из алюминиевого сплава Д16Т или из конструкционной стали Ст.20 могла бы составить до 600 м/сек. Т.е. можно было бы обойтись без легированных сталей. Причем, недобор окружной скорости рабочего колеса осевой турбомашины существенно уменьшает КПД газовой турбины, т.к. ограничивает перепад энтальпии, срабатываемый во входном сопловом аппарате турбины. Если бы удалось увеличить скорость вращения турбины, то можно было бы повысить перепад давления на сопловом аппарате перед первым рабочим колесом турбины, и была бы существенно понижена температура по сравнению с температурой на выходе из камеры сгорания. Это позволило бы, либо увеличить температуру газов перед турбиной, подняв т.о. КПД двигателя, либо применить для рабочего колеса менее жаропрочные и более дешевые материалы, что особенно важно для массовых малоразмерных ГТД. И, наконец, существующие конструкции рабочих колес с замковым креплением лопаток малотехнологичны и дороги в производстве. Причем стоимость их изготовления почти не снижается при уменьшении их мощности. Это также ограничивает возможности широкого распространения малоразмерных ГТД.
Целью изобретения является устранение вышеуказанных недостатков рабочего колеса осевой турбины.
Предлагается рабочее колесо осевой турбомашины, содержащее диск с полыми лопатками, выполненными из листового материала. Причем каждая лопатка закреплена на периферии диска посредством штифта, охватываемого непрерывной полоской листового материала, образующего поверхности спинки и корытца рабочей лопатки. Цель достигается тем, что диск выполнен в виде пакета из нескольких взаимопараллельных пластин, входящих в соответствующие прорези, выполненные в комлевой части лопатки, закрепленной на диске посредством указанного штифта, вставленного в соосные отверстия пакета дисков, выполненные с отступом от края диска, т.е. без образования открытого паза. При этом образуется достаточно прочное соединение, наподобие многоушкового, передающее силовые потоки с тонкостенных лопаток на пакет пластин, имеющих соизмеримое с множеством лопаток суммарное окружное сечение. Т.о. вышеуказанной скачок плотности радиального распределения массы рабочего колеса многократно снижается, приближая график ее распределения к идеальной равнопрочной функции, изображенной на фиг. 1. В результате этого не только уменьшается масса рабочего колеса, но также существенно (в два и более раза) увеличивается максимально возможная для данного материала окружная скорость, и становится возможным, путем увеличения перепада давлений на входном сопловом аппарате турбины, либо повысить температуру на выходе из камеры сгорания с соответствующим повышением КПД двигателя, либо применить для изготовления рабочих лопаток газовой турбины менее жаропрочные и более дешевые и технологичные материалы, обеспечив т.о. возможность широкого распространения малоразмерных турбомашин.
В случае рабочего колеса с большим коэффициентом реактивности, которое имеет большой угол скоса хорды профиля рабочей лопатки, целесообразно также скосить указанный выше крепежный штифт, сориентировав его ось преимущественно параллельно хорде. Это позволит минимизировать рабочие напряжения в листовом материале лопатки, а также уменьшить коэффициент вытяжки листового материала при штамповке.
Изобретение поясняется нижеследующим описанием примера выполнения и четырьмя фигурами:
На фиг. 1 изображен сектор рабочего колеса известной конструкции и показаны графики фактического радиального распределения его массы, а также график идеального радиального распределения массы, близкого к равнопрочному.
На фигурах 2, 3 и 4 дан чертеж общего вида рабочего колеса турбомашины предлагаемой конструкции в трех проекциях с обозначенными разрезами. Причем изображен сектор только одной рабочей лопатки. В качестве примера взят наиболее сложный случай с профилем лопатки, соответствующим рабочему колесу активно-реактивной ступени газовой турбины, имеющей сильный скос хорды профиля.
Изображенное на фиг. 2, 3, и 4 предлагаемое рабочее колесо осевой турбомашины содержит диск, выполненный в виде пакета из четырех взаимопараллельных пластин 1. В пластинах 1 имеются отверстия, равномерно распределенные по окружности с отступом от края дисков. Оси указанных отверстий во всех дисках пакета совмещены между собой и в них вставлены штифты 2. В изображенном частном варианте конструкции оси штифтов скошены под углом, приблизительно равным углу установки хорды профиля рабочей лопатки (см. фиг. 4). Технологически, данный скос достигается косым сверлением с установкой плотного пакета пластин под нужным углом При этом обеспечивается высокая точность совмещения отверстий при любом последующем варьировании расстояния между пластинами. Через штифт 2 перекинута наперевес полоска 3 изогнутого листового материала, верхние части которой, будучи отформованы в соответствии с требуемым профилем, изображенным на фиг. 4, образуют лопатку 4 турбомашины. В нижней части лопатки имеются пазы 5, в которые вставлены диски пакета (кроме крайних дисков).
Периферийные части пластин диска могут быть отбортованы с образованием полок 6, образующих ограждение проточной части турбомашины. Оно необходимо для улучшения качества газодинамического межлопаточного процесса, который, даже при отсутствии перепада давлений на ступени, сопровождается поперечными градиентами давления, соответствующими радиусу искривления потока в межлопаточном пространстве. Для уменьшения массы, полки 6 после отбортовки стачиваются клинообразно. В местах выхода лопаток полки 6 имеют вырезы, которые плотно прилегают к профилю лопаток.
С целью уменьшения массы всего рабочего колеса, включая и диски, для изготовления лопаток желательно применить листовой материал с толщиной, плавно уменьшающейся в направлении к периферии. Это может быть осуществлено ковкой, периодической прокаткой или сошлифовкой равнотолщинного листового материала. Последующими операциями по изготовлению лопатки являются: штамповка профильной части, гибка по радиусу штифта, обрезка по контуру, сварка по передней и задней кромкам профиля, фрезерование пазов под диски и зачистка.
Диски также делаются из листового материала. При этом целесообразно также спрофилировать диски по толщине в соответствии с требованиями равнопрочности. Это может быть осуществлено роликовой раскаткой диска.
Таким образом предлагаемая конструкция рабочего колеса осевой турбомашины не требует сложной технологии изготовления, характеризуется незначительном объемом материала, снимаемого резанием и может быть легко автоматизирована. Это повышает производительность, уменьшает количество отходов и снижает себестоимость изготовления рабочих колес.
1. Рабочее колесо осевой турбомашины, содержащее диск с полыми лопатками, выполненными из листового материала, причем каждая лопатка закреплена на периферии диска посредством штифта, охватываемого непрерывной полоской листового материала, образующего поверхности спинки и корытца рабочей лопатки, отличающееся тем, что диск выполнен в виде пакета из нескольких взаимопараллельных пластин, входящих в соответствующие прорези, выполненные в комлевой части лопатки, закрепленной на диске посредством указанного штифта, вставленного в соосные отверстия указанного пакета дисков, выполненные с отступом от края диска, т.е. без образования открытого паза.
2. Рабочее колесо по п. 1, отличающееся тем, что ось указанного штифта крепления рабочей лопатки сориентирована преимущественно параллельно хорде профиля лопатки.
