устройство для осевой фиксации рабочих лопаток в роторе и газовая турбина с таким устройством

Формула изобретения

1. Устройство (10) для осевой фиксации рабочих лопаток (14) в роторе (23), содержащее буртик (21) вала с выполненными на наружной периферии (52) буртика (21) вала удерживающими пазами (12), проходящими в осевом направлении ротора (23), в каждом из которых своим соответствующим удерживающему пазу (12) хвостовиком (54) расположена рабочая лопатка (14), расположенный на торцевой боковой поверхности (56) буртика (21) вала в зоне удерживающих пазов (12) выступ (58), в котором выполнен открытый радиально наружу огибающий паз (20), и выполненные в каждой рабочей лопатке (14), открытые радиально внутрь предохранительные пазы (24), каждый из которых расположен радиально напротив огибающего паза (20), причем для осевой фиксации рабочих лопаток (14) в огибающий и предохранительные пазы (20, 24) вставлены листовые уплотнительные элементы (42), образующие в окружном направлении (U) торцевое уплотнительное кольцо, причем для фиксации уплотнительных элементов (42) от смещения в окружном направлении (U), по меньшей мере, один из них имеет отверстие (63), а в боковой поверхности (56) буртика (21) вала выполнена приблизительно совпадающая с отверстием (63) выемка (65), в которую вставлен блокировочный элемент (67) с выступающим с торцевой стороны, входящим в отверстие (63) пальцем (69), причем блокировочный элемент (67) фиксирован от потери посредством пластически деформирующей его подчеканки, отличающееся тем, что выемка (65) открыта радиально наружу, и в боковых стенках (66) выемки (65) на периферийных по отношению к ротору сторонах выполнены карманы, которые, по меньшей мере, частично после пластической деформации заполняются материалом блокировочного элемента (67).

2. Устройство по п.1, у которого блокировочный элемент (67) по отношению к своему положению монтажа имеет в зоне выемки (65) клинообразное сечение.

3. Устройство по п.2, у которого выемка (65) выполнена в соответствии с клинообразной формой блокировочного элемента (67), а боковые стенки (66) выемки (65) наклонены друг к другу, если смотреть наружу.

4. Устройство по любому из пп.1, 2 или 3, у которого буртик (21) вала образован роторным диском (19).

5. Устройство по любому из пп.1, 2 или 3, у которого, по меньшей мере, каждый второй уплотнительный элемент (42) содержит средство для фиксации уплотнительного элемента (42) от смещения.

6. Устройство по п.4, у которого, по меньшей мере, каждый второй уплотнительный элемент (42) содержит средство для фиксации уплотнительного элемента (42) от смещения.

7. Газовая турбина с устройством (10) по любому из пп.1-6 для фиксации рабочих лопаток (14).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройству для осевой фиксации рабочих лопаток в роторе, содержащему буртик вала с выполненными на наружной периферии буртика вала удерживающими пазами, проходящими в осевом направлении ротора, в каждом из которых своим соответствующим удерживающему пазу хвостовиком расположена рабочая лопатка, расположенный на торцевой боковой поверхности буртика вала в зоне удерживающих пазов выступ, в котором выполнен открытый радиально наружу огибающий паз, и выполненные в каждой рабочей лопатке открытые радиально внутрь предохранительные пазы, каждый из которых расположен радиально напротив огибающего паза, причем для осевой фиксации рабочих лопаток в огибающие и предохранительные пазы вставлены листовые уплотнительные элементы, образующие в окружном направлении торцевое уплотнительное кольцо, причем для фиксации уплотнительных элементов от смещения в окружном направлении, по меньшей мере, один из них имеет средство. Кроме того, изобретение относится к газовой турбине с таким устройством.

Известны роторы газовых турбин, чьи расположенные на наружной периферии в удерживающих пазах рабочие лопатки фиксированы от осевого смещения посредством уплотнительных листов. При этом, например, из US 3957393 известно закрепление этих уплотнительных листов на роторе заклепками.

Далее известно устройство, изображенное на фиг.1 при виде сверху, на фиг.2 - в сечении по линии II-II из фиг.1. Для каждой рабочей лопатки 14, предохраняемой от осевого смещения внутри своего удерживающего паза 12, в качестве уплотнительных элементов предусмотрены два незначительно перекрывающих друг друга уплотнительных листа 16, каждый из которых наполовину закрывает торцевое отверстие паза 12. Каждый уплотнительный лист 16 своим радиально внутренним концом 18 вставлен в выполненный в торцевой стороне роторного диска 19 огибающий паз 20, а своим радиально внешним концом 22 - в предохранительный паз 24, выполненный в нижней стороне 26 платформы 28 рабочей лопатки 14. Чтобы предохранить уплотнительные листы 16 от смещения в окружном направлении U, на каждом из них закреплена прямая листовая полоса 30, проходящая, в основном, в радиальном направлении ротора 23. Каждая листовая полоса 30 заканчивается на своем радиально внешнем конце 32 равномерно сходящимся острием 34. Платформы 28 рабочих лопаток 14 имеют кромки 36 с фасками, причем каждые две противоположные кромки 36 непосредственно соседних рабочих лопаток 14 образуют заостренную выемку 38, в которую может входить и прилегать к ней острие 34 листовой полосы 30 для фиксации уплотнительного листа 16 от смещения в окружном направлении U.

Кроме того, уплотнительные листы 16 обеспечивают разделение двух зон 37, 39, в которые может проникать, с одной стороны, охлаждающий воздух, а, с другой стороны, при определенных обстоятельствах - часть горячего газа.

Для закрепления листовой полосы 30 на уплотнительном листе 16 в последнем выполнены две параллельные прорези 40, через которые вставляется уже U-образно согнутая листовая полоса 30. Противоположный острию 34 конец 41 листовой полосы 30 еще перед монтажом уплотнительного листа 16 на роторном диске 19 сгибается в показанное на фиг.2 положение для закрепления листовой полосы 30.

После монтажа рабочих лопаток 14 на роторном диске 19 уплотнительные листы 16 с предварительно смонтированными листовыми полосами 30 вставляются в выполненный в роторном диске 19 бесконечно огибающий паз 20 и в выполненный в нижней стороне 26 платформы 28 предохранительный паз 24. Уплотнительные листы 16 позиционируются вдоль периферии огибающего паза 20 так, что каждая листовая полоса 30 располагается напротив выемки 38. Затем острия 34 листовых полос 30 загибаются в выемки 38, чтобы исключить смещение уплотнительных листов 16 в окружном направлении U.

Поскольку листовые полосы вследствие крайне высоких механических требований можно сгибать только один раз, в случае техобслуживания при замене рабочей лопатки согнутую тогда листовую полосу следует заменить новой. Кроме того, прорези, предусмотренные для размещения листовых полос в уплотнительных листах, ослабляют последние.

Задачей данного изобретения является создание альтернативного устройства для фиксации уплотнительных элементов от грозящего смещения в окружном направлении, которое позволило бы сократить время монтажа и демонтажа. Другой задачей изобретения является создание газовой турбины с таким устройством.

Задача, направленная на устройство для осевой фиксации рабочих лопаток в роторе, решается посредством признаков п.1 формулы.

Согласно изобретению предусмотрено, что для фиксации уплотнительных элементов от смещения в окружном направлении, по меньшей мере, один из них имеет отверстие, а в боковой поверхности буртика вала выполнена приблизительно совпадающая с отверстием выемка, в которую вставлен блокировочный элемент с выступающим с торцевой стороны входящим в отверстие пальцем, причем блокировочный элемент фиксирован от потери посредством пластически деформирующей его подчеканки, при этом выемка открыта радиально наружу, и в боковых стенках выемок на периферийных по отношению к ротору сторонах выполнены карманы, которые, по меньшей мере, частично после пластической деформации заполняются материалом блокировочного элемента.

Изобретение отличается от прежнего выполнения, в котором сцепленная с уплотнительным элементом листовая полоса входит с геометрическим замыканием в выемку. Вместо листовой полосы предусмотрен блокировочный элемент, который может быть вставлен в выполненную в торцевой стороне буртика вала выемку. Блокировочный элемент блокирует смещение уплотнительного элемента в окружном направлении, поскольку он, будучи расположен в зоне уплотнительного элемента, проходит поперек огибающего паза, в котором расположен уплотнительный элемент, и при этом входит в выполненное в уплотнительном элементе отверстие. Незначительный и допустимый зазор уплотнительного элемента вдоль огибающего паза возможен только в том случае, если ширина отверстия, если смотреть в окружном направлении, больше ширины блокировочного элемента, если смотреть также в окружном направлении.

За счет использования блокировочного элемента, который входит в отверстие уплотнительного элемента и закреплен с торцевой стороны на буртике вала за счет пластически деформирующей блокировочный элемент подчеканки, можно достичь особенно надежной и простой осевой фиксации уплотнительного элемента от смещения в окружном направлении. Кроме того, монтаж осуществляется быстро и просто. Для этого блокировочный элемент с помощью подходящего чеканочного инструмента, например по типу молотка и зубила, пластически деформируется с торцевой стороны так, что он прилегает к выемке с натяжением. Это вызывает чрезвычайно надежное фрикционное замыкание между стенкой выемки и блокировочным элементом, которое надежно препятствует нежелательному отделению блокировочного элемента при работе газовой турбины. Для демонтажа блокировочного элемента его деформированный участок можно удалить шлифованием, в результате чего фрикционное замыкание ослабевает и блокировочный элемент может быть удален.

Кроме того, благодаря предложенному выполнению отпадают ослаблявшие до сих пор уплотнительный элемент прорези, которые предназначались для закрепления предохранительного листа на уплотнительном элементе. Следовательно, дополнительно повышается жесткость уплотнительного элемента, как и его уплотняющее действие.

За счет открытой радиально наружу выемки для размещения блокировочного элемента обеспечивается то, что вставленный в нее блокировочный элемент может быть пластически деформирован со стороны периферии по отношению к ротору вместо деформации с торцевой стороны. За счет выполненных в боковых стенках выемок, расположенных со стороны периферии карманов, в которые могут отклоняться части деформированного материала блокировочного элемента, помимо защемления блокировочного элемента может быть создано дополнительно также геометрическое замыкание для фиксации его положения. За счет этого блокировочный элемент особенно надежно предохранен от потери.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в зависимых пунктах формулы.

В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения блокировочный элемент по отношению к своему положению монтажа имеет в зоне выемки клинообразное сечение и содержит, кроме того, выступающий из его торцевой стороны палец, вставляемый в отверстие уплотнительного элемента. За счет клинообразной формы блокировочного элемента и соответствующей ей выемки задано определенное положение блокировочного элемента в роторе. Кроме того, ориентация клинообразной формы выемки выбрана так, что сходящиеся боковые стенки указывают наружу, как и соответствующие им боковые стороны блокировочного элемента. За счет этого клинообразный блокировочный элемент под действием центробежной силы будет стремиться наружу и при этом продолжать заклиниваться или защемляться в выемке, что дополнительно повышает фрикционное замыкание между боковыми сторонами и боковыми стенками и дополнительно затрудняет нежелательное отделение блокировочного элемента. Следовательно, это позволяет создать особенно надежное устройство.

Согласно другому альтернативному варианту осуществления изобретения, выемка, проходящая в торцевой поверхности буртика вала в осевом направлении ротора, расположена таким образом, что она проходит до огибающего паза. При этом предотвращено ослабление буртика вала или роторного диска, преимущественно образующего буртик вала. В соответствии с этим предусмотренное в уплотнительном элементе отверстие выполнено тогда на его радиально внутреннем конце. Этот участок уплотнительного элемента нагревается при работе меньше всего, так что жесткость и термостойкость уплотнительного элемента не снижаются за счет отверстия.

Оказалось особенно предпочтительным, если каждый второй или каждый уплотнительный элемент содержит средство для фиксации от смещения. Целесообразно устройство предусмотрено на роторе стационарной, обтекаемой в осевом направлении газовой турбины.

Изобретение поясняется на нескольких примерах его осуществления, изображенных на чертеже. Из пояснения возникают дополнительные преимущества и признаки. На чертеже представляют:

- фиг.1: устройство для осевой фиксации рабочих лопаток в роторе в соответствии с уровнем техники;

- фиг.2: сечение из фиг.1 по линии II-II;

- фиг.3: фрагмент вида сверху на роторный диск с расположенной на нем рабочей лопаткой в качестве устройства для ее осевой фиксации посредством уплотнительного элемента;

- фиг.4: перспективный вид предложенного блокировочного элемента;

- фиг.5: перспективный вид вставленного в выемку ротора блокировочного элемента во втором варианте.

На фиг.3 изображен фрагмент вида сверху с торцевой стороны на образованный роторным диском 19 буртик 21 вала ротора 23 газовой турбины. Установленный с возможностью вращения вокруг оси 50 ротор 23 имеет на своей наружной периферии 52 распределенные в ее направлении U проходящие в осевом направлении удерживающие пазы 12, в которые может быть вставлена соответственно рабочая лопатка 14 с выполненным в соответствии с пазом 12 хвостовиком 54. В изображенный на фиг.3 посередине паз 12 уже вставлена рабочая лопатка 14. Как и в изображенном на фиг.1 и 2 уровне техники, в торцевой стороне роторного диска 19 или в торцевой боковой поверхности 56 буртика 21 вала выполнен проходящий в осевом направлении выступ 58 или расширение с открытым в нем радиально наружу огибающим пазом 20. Паз 20 расположен, например, радиально дальше внутри, чем пазы 12. Рабочая лопатка 14 имеет расположенную между хвостовиком 54 и профилированным брюшком платформу 28, в нижней стороне которой выполнен открытый к пазу 20 и противоположный ему предохранительный паз 24. Аналогично уровню техники в бесконечно огибающий паз 20 и в предохранительный паз 24 вставлен уплотнительный элемент 42, который предохраняет рабочую лопатку 14 от смещения вдоль паза 12.

В отличие от ближайшего уровня техники уплотнительный элемент 42 полностью закрывает торцевое отверстие одного из пазов 12. Таким образом, только одна рабочая лопатка 14 предохранена одним из уплотнительных элементов 42 от смещения вдоль паза 12.

Как и в уровне техники, уплотнительные элементы 42 могут быть распределены по периферии так, чтобы два непосредственно соседних уплотнительных элемента соответственно наполовину входили в предохранительный паз 24 рабочей лопатки 14. Тогда два соседних уплотнительных элемента предохраняют одну из рабочих лопаток 14 от осевого смещения.

Аналогично уровню техники полностью смонтированный венец уплотнительных элементов 42, которые незначительно перекрывают друг друга, образуют уплотнительное кольцо, отделяющее омываемую охлаждающим средством зону 37 от другой зоны 39, в которой при определенных обстоятельствах может возникнуть горячий газ (фиг.2).

Чтобы предохранить от смещения в окружном направлении сам уплотнительный элемент 42, на его радиально внутреннем конце 61 выполнено отверстие 63, которое может быть изготовлено краевой вырубкой или же просверливанием.

Кроме того, в боковой поверхности 56 буртика 21 вала в зоне выступа 58 выполнена выемка 65, которая проходит, в основном, в осевом направлении ротора 23, т.е. параллельно его оси 50 вращения. Каждая выемка 65 имеет две противоположные боковые поверхности 66, которые, если смотреть наружу, клинообразно сходятся, однако не соприкасаются, образуя зазор.

Вместо открытой наружу выемки 65 может быть также предусмотрена выемка, закрытая наружу. В этом случае обе сходящиеся боковые стенки 66 соприкасаются в закругленном острие.

В выемку 65 вставляется изображенный в перспективе на фиг.4 блокировочный элемент 67. Он имеет участок, соответствующий выемке 65 клинообразной формы со сходящимися боковыми сторонами 70, и расположенный на клинообразном участке с торцевой стороны палец 69. При вставленном в выемку 65 блокировочном элементе 67 его палец 69 входит в отверстие 63 уплотнительного элемента 42.

В целом, средство для фиксации уплотнительного элемента 42 от смещения в окружном направлении U включает в себя, таким образом, отверстие 63 в уплотнительном элементе 42, выполненную в торцевой стороне роторного диска 19, выемку 65 и вставляемый в нее блокировочный элемент 67.

Незначительный и допустимый зазор уплотнительного элемента 42 вдоль огибающего паза 20 возможен только в том случае, если ширина отверстия 63, если смотреть в окружном направлении, больше ширины или диаметра пальца 69, если смотреть также в окружном направлении. Чтобы достичь особенно герметичного разделения зон 37, 39, ширина отверстия 63 преимущественно соответствует, в основном, диаметру пальца 69.

После вставки блокировочного элемента 67 в выемку 65 он пластически незначительно деформируется посредством подчеканки. При этом блокировочный элемент 67 пластически деформируется в зоне 71. За счет этого устраняется еще имеющийся для вставки блокировочного элемента 67, однако незначительный зазор, что обеспечивает его надежную посадку. За счет устранения зазора боковые стороны 70 прижимаются к боковым стенкам 66. В результате возникает надежное фрикционное замыкание между боковыми стенками 66 выемки 65 и боковыми сторонами 70 блокировочного элемента 67, которое надежно препятствует его нежелательному отделению.

Подчеканка может осуществляться подходящим слегка скругленным на острие зубилом, которое приставляют к блокировочному элементу 67 в зоне 71 и по которому бьют молотком. Для контролируемого позиционирования зубила блокировочный элемент 67 имеет предварительно выполненное в торцевой стороне углубление 71, к которому приставляется зубило.

Альтернативный вариант осуществления изобретения изображен в перспективе на фиг.5. При этом в выемку 65 вставлен изображенный на фиг.4 блокировочный элемент 67, имеющий лишь одно незначительное изменение. Вместо торцевого углубления 71 блокировочный элемент 67 имеет два боковых по отношению к ротору углубления 71 (на периферийных сторонах) в качестве вспомогательного средства для подчеканки, которые после вставки блокировочного элемента 67 в выемку 65 располагаются напротив карманов 72, выполненных на периферийных сторонах боковых стенок 66. После подчеканки соседний с углублениями 71 материал блокировочного элемента 67 проникает в карманы 72, в результате чего возникает геометрическое замыкание для надежного позиционирования блокировочного элемента 67 в выемке 65.

В целом, благодаря изобретению создано устройство, в котором известные из уровня техники недостатки устранены за счет того, что вставленный с торцевой стороны буртика вала в выемку блокировочный элемент блокирует путь смещения уплотнительного элемента. Чтобы сам блокировочный элемент был фиксирован от нежелательного отделения, он закрепляется на роторном диске посредством пластической деформации.