Система для осевой фиксации рабочих лопаток в роторе, уплотнительный элемент для такой системы, а также применение такой системы

Система для осевой фиксации рабочих лопаток в роторе, уплотнительный элемент для такой системы, а также применение такой системы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к системе для осевой фиксации рабочих лопаток в роторе, содержащей буртик, на наружной окружности которого предусмотрены проходящие в осевом направлении ротора удерживающие рабочие лопатки пазы, в которых расположены рабочие лопатки соответствующими удерживающим рабочие лопасти пазам хвостовиками лопаток, расположенный в находящейся с торцевой стороны поверхности буртика в зоне удерживающих пазов выступ, в котором предусмотрена радиально открытая наружу окружная канавка, при этом для осевой фиксации рабочих лопаток предусмотрены входящие в окружную канавку выполненные из стального листа уплотнительные элементы, которые в окружном направлении образуют на торцевой стороне уплотнительное кольцо, при этом для фиксации уплотнительных элементов относительно сдвига в окружном направлении, по меньшей мере, один из уплотнительных элементов содержит закрепленную на нем полосу из листовой стали. Кроме того, изобретение относится к применению такой системы, а также к уплотнительному элементу с закрепленной на нем полосой стального листа.

Известны роторы газовых турбин, в которых расположенные на наружной окружности в удерживающих рабочие лопатки пазах рабочие лопатки фиксированы относительно осевого сдвига с помощью уплотнительных стальных листов.

Для этого из уровня техники известны различные конструкции. Например, в GB 954323 показана соответствующая система из уплотнительных стальных листов на роторе. Для фиксации рабочих лопаток относительно осевого сдвига внутри удерживающего их паза предусмотрены уплотнительные стальные листы, которые сцепляются как с роторным диском, так и нижней стороной платформы рабочих лопаток. На основании выбранной конструкции необходим замок для стальных листов, который вводится в роторные пазы последним для завершения кольца из уплотнительных стальных листов. При этом предусмотрены две половины уплотнительного стального листа, которые разделены поперек радиального направления. Обе половины уплотнительного стального листа, а также смежные с ним непосредственно слева и справа уплотнительные элементы фиксируются против отделения с помощью полосы стального листа, которая предназначена для прилегания к обеим половинам уплотнительного стального листа и фиксации в кольце уплотнительного стального листа с помощью двух вспомогательных элементов.

Кроме того, из GB 2043796, а также GB 1209419 известны различные крепления уплотнительного стального листа, которые устанавливаются с натяжением на роторном диске с помощью винта или болта.

Кроме того, на Фиг.1 показано другое известное крепление уплотнительных стальных листов на роторных дисках на виде сверху, а на Фиг.2 - в разрезе по линии II-II на Фиг.1.

Для каждой подлежащей фиксации относительно осевого сдвига внутри удерживающего ее паза 12 рабочей лопатки 14 предусмотрены два смежных уплотнительных стальных листа 16, которые перекрывают, каждый, половину раскрыва на торцевой стороне удерживающего рабочую лопатку паза 12. Каждый уплотнительный стальной лист 16 на своем внутреннем в радиальном направлении конце 18 вставлен в предусмотренную на торцевой стороне роторного диска 19 канавку 20, а на своем наружном в радиальном направлении конце 22 - в фиксирующую канавку 24, которая предусмотрена на нижней стороне 26 платформы 28 рабочей лопатки 14. Для фиксации каждого уплотнительного стального листа 16 относительно сдвига в окружном направлении U на нем закреплена прямолинейная полоса 30 стального листа, которая проходит по существу в радиальном направлении ротора 23. Каждая полоса 30 стального листа заканчивается на своем радиально наружном конце 32 равномерно сужающейся вершиной 34. На платформах 28 рабочих лопаток 14 имеются снабженные фасками кромки 36, при этом каждые две противоположно лежащие кромки непосредственно смежных рабочих лопаток 14 образуют сужающуюся под острым углом выемку 38, в которую может выступать с прилеганием вершина 34 полосы 30 стального листа для фиксации уплотнительных стальных листов 16 относительно сдвига в окружном направлении U.

Кроме того, уплотнительные стальные листы 16 обеспечивают разделение двух зон 37, 39, в которые может попадать, с одной стороны, охлаждающий воздух, а с другой стороны, нежелательный поток горячего газа.

Для крепления полос 30 стального листа на уплотнительном стальном листе 16 в последнем предусмотрены две параллельные прорези 40, через которые устанавливается предварительно U-образно согнутая полоса 30 стального листа. Лежащий противоположно вершине 34 конец 41 полосы 30 стального листа уже перед монтажом уплотнительного стального листа 16 на роторном диске 19 изгибается в показанное на Фиг.2 положение с целью крепления полосы 30 стального листа.

После монтажа рабочих лопаток 14 в роторных дисках 19 уплотнительные стальные листы 16 с предварительно смонтированной полосой 30 стального листа вводятся в бесконечную окружную расположенную на роторном диске 19 канавку 20 и в расположенную на нижней стороне 26 платформы 28 фиксирующую канавку 24. Уплотнительные стальные листы 16 позиционируются вдоль окружности канавки 20 так, что каждая полоса 30 стального листа лежит противоположно выемке 38. Затем вершины 34 полос 30 стального листа загибают в выемки 38 с целью исключения сдвига уплотнительных стальных листов 16 в окружном направлении U.

Задачей данного изобретения является создание альтернативной системы для фиксации уплотнительных элементов относительно возможного сдвига в окружном направлении. Другой задачей изобретения является создание используемого для этого уплотнительного элемента, а также указание по применению такой системы.

Задача относительно системы для осевой фиксации рабочих лопаток в роторе решена с помощью признаков пункта 1 формулы изобретения.

Согласно изобретению предлагается выполнять полосу стального листа по существу L-образной вдоль ее длины, при этом ее первое, проходящее в окружном направлении, плечо закреплено на уплотнительном элементе, а ее второе, проходящее внутрь в радиальном направлении, плечо входит в фиксирующий карман, который предусмотрен в расположенной на торцевой стороне зоне буртика. Таким образом, изобретение отходит от применяемого до настоящего времени решения, в котором сдвиг уплотнительных элементов в окружном направлении предотвращается за счет прилегания полосы стального листа к рабочим лопаткам, т.е. в зоне наружного в радиальном направлении конца уплотнительного элемента. Вместо этого согласно изобретению предлагается, что полоса стального листа входит в фиксирующий карман, который в данном случае лежит в радиальном направлении внутри относительно уплотнительного элемента и предусмотрен на боковой поверхности, соответственно, торцевой стороне буртика.

Изобретение исходит из понимания того, что если лишь переместить фиксирующий карман в радиальном направлении снаружи в радиальном направлении внутрь при сохранении прямолинейной полосы стального листа, то полоса стального листа на основании действующей во время работы газовой турбины центробежной силы может изгибаться и тем самым выходить из фиксирующего кармана. Для предотвращения этого изобретение предлагает существенный дальнейший ход. Полоса стального листа выполняется не прямолинейной, как раньше, а имеет в по существу параллельной листовому уплотнительному элементу плоскости изогнутую форму в виде L с двумя плечами. Первое, проходящее в окружном направлении, плечо полосы стального листа крепится, например, само по себе известным образом на уплотнительном элементе, а второе, проходящее внутрь в радиальном направлении, плечо в смонтированном положении входит в предусмотренный на боковой поверхности буртика фиксирующий карман. На основании изогнутого участка полосы стального листа между обоими самими по себе прямолинейными плечами эффективно и надежно предотвращается вызванное центробежной силой разгибание полосы стального листа при работе газовой турбины.

Поскольку фиксация рабочих лопаток относительно осевого сдвига с помощью уплотнительных элементов, а также конструктивный принцип сцепления полосы стального листа с уплотнительным элементом с помощью двух предусмотренных в нем прорезей хорошо себя зарекомендовали, то этот принцип сохраняется для обеспечения возможности монтажа и демонтажа рабочих лопаток. Для этого необходимо сдвигать уплотнительные элементы в окружном направлении и полосы стального листа соответственно при монтаже загибать в фиксирующий карман или при демонтаже сгибать из фиксирующего кармана. Кроме того, отсутствуют винтовые или штифтовые соединения, которые при снятии при некоторых обстоятельствах приходится высверливать.

Кроме того, каждая изогнутая полоса стального листа сидит, по сравнению с известной из уровня техники полосой стального листа, на не критичном для уплотнительного элемента месте и улучшает тем самым стойкость уплотнительного элемента к вспучиванию. Кроме того, возникающая при работе газовой турбины на уплотнительном элементе температура уменьшается с уменьшением радиуса, что объясняется по существу меньшим прохождением горячего газа в этом месте. Поскольку полосы стального листа предусмотрены теперь на внутреннем радиусе, а не, как прежде, на наружном радиусе, то на них предпочтительно действует также меньшая температура. Это приводит к повышенной и улучшенной жесткости полосы стального листа, а также к увеличенному сроку службы. Дополнительно к этому за счет процесса сгибания, т.е. при сгибании полосы стального листа в фиксирующий карман, в наиболее нагружаемых при работе газовой турбины местах полосы стального листа создаются напряжения сжатия, на которые во время работы газовой турбины накладываются напряжения растяжения и тем самым, по меньшей мере, частично взаимно компенсируются. Согласно уровню техники напряжения растяжения в данном случае действовали отрицательно.

Кроме того, конструкция обеспечивает возможность повторного применения уплотнительных элементов после использования и последующего демонтажа, причем необходимо обновлять лишь полосы стального листа.

Другим преимуществом данного изобретения является то, что каждая рабочая лопатка фиксируется лишь с помощью одного соответствующего ей уплотнительного элемента, так что при замене одной отдельной рабочей лопатки необходимо удалять лишь один уплотнительный элемент, а не два уплотнительных элемента, как в уровне техники. Это уменьшает длительность работ по техническому обслуживанию и время простоя газовой турбины.

Предпочтительные варианты выполнения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

Было установлено, что особенно предпочтительно, когда, по меньшей мере, каждый второй или каждый уплотнительный элемент имеет полосу стального листа для фиксации относительно сдвига в окружном направлении. Тем самым образованное из всех уплотнительных элементов уплотнительное кольцо фиксируется в нескольких распределенных по окружности положениях против сдвига в окружном направлении.

В одной модификации боковые зоны второго плеча каждой полосы стального листа прилегают к соответствующим проходящим в радиальном направлении боковым стенкам фиксирующего кармана, что является эффективной мерой против сдвига уплотнительных элементов в окружном направлении. Особенно предпочтительно, когда находящаяся с торцевой стороны окружная канавка, в которой радиально внутри удерживаются уплотнительные элементы, расположена в радиальном направлении дальше внутри относительно удерживающих рабочие лопатки пазов. За счет этого обеспечивается особенно просто изготавливаемая и дешевая бесконечная окружная канавка при изготовлении буртика.

Согласно другому варианту выполнения фиксирующий карман, который предусмотрен на боковой поверхности буртика, образован двумя расположенными на торцевой стороне, проходящими в радиальном направлении наружу и находящимися на расстоянии друг от друга зубцами.

Расположенная в каждой рабочей лопатке фиксирующая канавка, в которую может входить в радиальном направлении снаружи уплотнительный элемент, целесообразно предусмотрена на нижней стороне платформы рабочей лопатки. За счет этого уплотнительный элемент надежно фиксируется и позиционируется в двух расположенных на расстоянии друг от друга в радиальном направлении точках.

Буртик целесообразно образован роторным диском.

В одном альтернативном варианте выполнения находящаяся с торцевой стороны окружная канавка расположена в радиальном направлении на высоте удерживающих рабочие лопатки пазов. Далее внутрь в радиальном направлении предусмотрена другая открытая наружу канавка, при этом уплотнительный элемент входит в обе канавки и дополнительно к этому прилегает на торцевой стороне к хвостовику рабочей лопатки. За счет этого обеспечивается надежной сцепление уплотнительного элемента, по меньшей мере, в двух расположенных на расстоянии друг от друга в радиальном направлении точках, так что возникающая за счет сдвига рабочей лопатки в осевом направлении сила надежно компенсируется уплотнительным элементом.

Задача изобретения относительно уплотнительного элемента решена с помощью признаков пункта 15 формулы изобретения. Преимущества уплотнительного элемента соответствуют преимуществам системы.

Особенно предпочтительно применение указанной системы в стационарной газовой турбине с осевым потоком, расположенные на роторе рабочие лопатки которой фиксируются, каждая, с помощью уплотнительных элементов относительно осевого сдвига.

Другие преимущества и признаки изобретения следуют из приведенного ниже подробного пояснения изобретения на примере выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

Фиг.1 - система для осевой фиксации рабочих лопаток в роторе согласно уровню техники;

Фиг.2 - разрез по линии II-II на Фиг.1;

Фиг.3 - уплотнительный элемент согласно изобретению на виде сверху, и

Фиг.4 - разрез другого уплотнительного элемента согласно альтернативному варианту выполнения изобретения.

На Фиг.3 показан частично на виде сверху с торцевой стороны образованный роторным диском 19 буртик 21 ротора 23 газовой турбины. Вращаемый вокруг оси 50 ротор 23 имеет распределенные на его наружной окружности 52, проходящие в осевом направлении удерживающие рабочие лопатки пазы 12, в которые можно вдвигать рабочую лопатку 14 соответствующим удерживающему рабочие лопатки пазу хвостовиком 54 рабочей лопатки. В показанный посредине на Фиг.3 удерживающий рабочую лопатку паз 12 уже вдвинута рабочая лопатка. Как в показанном на Фиг.1 и 2 уровне техники, на торцевой стороне роторного диска 19 или, соответственно, на расположенной на находящейся с торцевой стороны (боковой) поверхности 56 буртика 21 расположен проходящий в осевом направлении выступ 58 или расширение с открытой в радиальном направлении наружу окружной канавкой 20. Канавка 20 расположена, например, дальше в радиальном направлении, чем удерживающие рабочие лопатки пазы 12. Рабочая лопатка 14 имеет расположенную между хвостовиком 54 лопатки и профилированной рабочей стороной лопатки платформу 28, на нижней стороне которой предусмотрена открытая к окружной канавке 20 и при этом лежащая противоположно ей фиксирующая канавка 24. Аналогично уровню техники уплотнительный элемент 42 установлен в бесконечной окружной канавке 20 и в фиксирующей канавке 24 и фиксирует рабочие лопатки 14 против сдвига вдоль удерживающего рабочую лопатку паза.

В отличие от ближайшего технического решения согласно уровню техники, как показано на Фиг.3, каждый уплотнительный элемент 42 полностью перекрывает раскрыв на торцевой стороне одного из удерживающих рабочую лопатку пазов 12 и тем самым фиксирует соответствующую рабочую лопатку 14 относительно сдвига вдоль удерживающего рабочую лопатку паза 12.

При необходимости, уплотнительные элементы 42 могут быть, как и в уровне техники, распределены по окружности так, что каждый уплотнительный элемент 42 одной половиной фиксирует одну из рабочих лопаток 14.

Так же, как в уровне техники, полностью смонтированный венец из уплотнительных элементов 42 образует уплотнительное кольцо, которое отделяет зону 37, через которую проходит поток охлаждающего средства, от другой зоны 39, в которую при некоторых обстоятельствах может попадать горячий газ.

Для фиксации уплотнительного элемента 42 против сдвига в окружном направлении U уплотнительный элемент содержит полосу 60 стального листа. Полоса 60 стального листа предпочтительно предусмотрена на внутреннем конце уплотнительного элемента 42 и закреплена на уплотнительном элементе 42 так же, как в уровне техники. Однако в отличие от уровня техники необходимые для этого предусмотренные в уплотнительном элементе 42 прорези 40 проходят в радиальном направлении. Направляемая этими прорезями 40 и сцепленная тем самым с уплотнительным элементом 42 полоса 60 стального листа изогнута и выполнена по существу L-образной при рассматривании полосы 60 стального листа в плоскости, по существу параллельной листовому уплотнительному элементу 42. Вдоль своей длины полоса имеет проходящее в окружном направлении U ротора 23 плечо 62, с помощью которого полоса 60 стального листа закреплена на уплотнительном элементе 42. Второе, проходящее в радиальном направлении внутрь, плечо 64 полосы 60 стального листа входит в фиксирующий карман 66, при этом фиксирующий карман 66 предусмотрен на боковой поверхности 56 буртика 21. На основании изогнутой формы полосы 60 стального листа и ее сравнительно короткого второго плеча 64 исключается разгибание фиксации относительно сдвига под действием центробежной силы.

Фиксирующий карман 66 образован двумя расположенными на расстоянии друг от друга зубцами 68, которые выступают в радиальном направлении наружу из самой наружной кромки выступа 58. Естественно, что фиксирующий карман может быть образован также выемкой 69 при соответствующей длине второго плеча 64.

Поскольку боковые зоны второго плеча 64 прилегают к проходящим в радиальном направлении боковым стенкам фиксирующего кармана 66, соответственно, к зубцам 68, то уплотнительный элемент 42 согласно изобретению надежно фиксируется против сдвига в окружном направлении U.

Хотя это не изображено, каждый второй уплотнительный элемент или же каждый уплотнительный элемент уплотнительного кольца может быть фиксирован с помощью полосы 60 стального листа против сдвига вдоль канавки 20.

На Фиг.4 показан альтернативный вариант выполнения, в котором находящаяся с торцевой стороны окружная канавка 20 находится в радиальном направлении на высоте удерживающих рабочие лопатки пазов 12. Далее внутрь в радиальном направлении предусмотрена другая открытая наружу канавка 70 в смежной с буртиком 21 зоне, например в смежном роторном диске 72. Уплотнительный элемент 42 установлен во внутреннюю канавку 70 и имеет на своей обращенной к буртику поверхности крюк 71, который входит в наружную канавку 20. При этом уплотнительный элемент прилегает своим наружным концом 75 к хвостовику 73 и/или горлу рабочей лопатки 14 с торцевой стороны. Для обеспечения особенно благоприятного выполнения расстояние в радиальном направлении между канавкой 20 и местом прилегания уплотнительного элемента 42 к хвостовику 73 значительно меньше, чем расстояние канавки 20 до другой канавки 70. Таким образом, действующая в результате сдвига рабочей лопатки 14 в осевом направлении на уплотнительный элемент 42 сила действует через меньшее расстояние, соответственно, плечо до «поворотной точки» в зоне канавки 20. Для простого создания достаточной противодействующей силы предусмотрено большое расстояние, соответственно, длинный рычаг, который, кроме того, локально утолщен для придания жесткости на участке 74. При этом уплотнительный элемент 42 фиксирован, аналогично показанному на Фиг.3 варианту выполнения, относительно сдвига в окружном направлении, при этом предусмотрены зубцы для усиления торцевой зоны буртика 21 на соседнем роторном диске 72.

В целом согласно изобретению предлагается новая система 10 и фиксация уплотнительных элементов, в которой расположенная для предотвращения сдвига уплотнительного элемента в окружном направлении полоса стального листа имеет L-образную форму и в зоне радиально внутреннего конца уплотнительного элемента опирается на роторный диск.

1. Система (10) для осевой фиксации рабочих лопаток (14) в роторе (23), содержащаябуртик (21), на наружной окружности (52) которого предусмотрены проходящие в осевом направлении ротора (23) удерживающие рабочие лопатки пазы (12), в которых рабочие лопатки (14) соответственно расположены своими хвостовиками (54) лопаток, соответствующими удерживающему рабочую лопатку пазу (12), расположенный на находящейся с торцевой стороны поверхности (56) буртика (21) в зоне удерживающих рабочие лопатки пазов (12) выступ (58), в котором предусмотрена открытая в радиальном направлении наружу окружная канавка (20), при этом для осевой фиксации рабочих лопаток (14) предусмотрены входящие в окружную канавку (20) выполненные из стального листа уплотнительные элементы (42), которые в окружном направлении (U) образуют на торцевой стороне уплотнительное кольцо, при этом для фиксации уплотнительных элементов (42) относительно сдвига в окружном направлении (U), по меньшей мере, один из уплотнительных элементов (42) содержит закрепленную на нем полосу (60) стального листа,отличающаяся тем, что полоса (60) стального листа выполнена вдоль своей длины по существу L-образной, при этом ее первое, проходящее в окружном направлении (U) плечо (62) закреплено на уплотнительном элементе (42), а ее второе, проходящее внутрь в радиальном направлении плечо (64) входит в предусмотренный в зоне буртика (21) фиксирующий карман (66).

2. Система (10) по п.1, в которой, по меньшей мере, каждый второй уплотнительный элемент (42) имеет полосу (60) стального листа для фиксации относительно его сдвига в окружном направлении (U), которая входит в предусмотренный для этого на боковой поверхности (56) буртика (21) фиксирующий карман (66).

3. Система (10) по п.1 или 2, в которой боковые зоны второго плеча (64) полосы (60) стального листа прилегают к соответствующим проходящим в радиальном направлении боковым стенкам фиксирующего кармана (66).

4. Система (10) по п.1 или 2, в которой фиксирующий карман (66) образован двумя расположенными на выступе (58) и находящимися на расстоянии друг от друга зубцами (68).

5. Система (10) по п.1 или 2, в которой находящаяся с торцевой стороны окружная канавка (20) расположена относительно удерживающих рабочие лопатки пазов (12) в радиальном направлении дальше внутрь.

6. Система (10) по п.5, в которой расположенная в каждой рабочей лопатке (14) фиксирующая канавка (24), в которую входит уплотнительный элемент (42), предусмотрена на нижней стороне (26) платформы (28) рабочей лопатки (14).

7. Система (10) по п.1 или 2, в которой буртик (21) образован роторным диском (19).

8. Система (10) по п.1 или 2, в которой находящаяся с торцевой стороны окружная канавка (20) расположена в радиальном направлении на высоте удерживающих рабочие лопатки пазов (12), и далее внутрь в радиальном направлении предусмотрена другая открытая наружу канавка (70), при этом уплотнительный элемент (42) входит в обе канавки (20, 70) и прилегает на торцевой стороне к хвостовику рабочей лопатки.

9. Система (10) по п.3, в которой фиксирующий карман (66) образован двумя расположенными на выступе (58) и находящимися на расстоянии друг от друга зубцами (68).

10. Система (10) по п.3, в которой находящаяся с торцевой стороны окружная канавка (20) расположена относительно удерживающих рабочие лопатки пазов (12) в радиальном направлении дальше внутрь.

11. Система (10) по п.3, в которой буртик (21) образован роторным диском (19).

12. Система (10) по п.4, в которой буртик (21) образован роторным диском (19).

13. Система (10) по п.3, в которой находящаяся с торцевой стороны окружная канавка (20) расположена в радиальном направлении на высоте удерживающих рабочие лопатки пазов (12), и далее внутрь в радиальном направлении предусмотрена другая открытая наружу канавка (70), при этом уплотнительный элемент (42) входит в обе канавки (20, 70) и прилегает на торцевой стороне к хвостовику рабочей лопатки.

14. Система (10) по п.4, в которой находящаяся с торцевой стороны окружная канавка (20) расположена в радиальном направлении на высоте удерживающих рабочие лопатки пазов (12), и далее внутрь в радиальном направлении предусмотрена другая открытая наружу канавка (70), при этом уплотнительный элемент (42) входит в обе канавки (20, 70) и прилегает на торцевой стороне к хвостовику рабочей лопатки.

15. Выполненный из стального листа уплотнительный элемент (42) с закрепленной на нем полосой (60) стального листа, в частности, для системы (10) по любому из пп.1-14, при этом полоса (60) стального листа для крепления на уплотнительном элементе (42) проходит через две предусмотренные в уплотнительном элементе (42) прорези, отличающийся тем, что полоса (60) стального листа выполнена вдоль своей длины по существу L-образной, при этом ее первое при рассматривании в установленном положении уплотнительного элемента (42), проходящее в окружном направлении (U) плечо (62) закреплено на уплотнительном элементе (42), а ее второе плечо (64) при рассматривании в установленном положении уплотнительного элемента (42) проходит в радиальном направлении внутрь.

16. Применение системы (10) по любому из пп.1-14 или уплотнительного элемента (42) по п.15 для фиксации рабочих лопаток (14) газовой турбины с осевым потоком.