CS216073B1 - Oběžné kolo radiálního lopatkového stroje, zejména turbokompresoru - Google Patents

Abstract

Oběžné kolo radiálního lopatkového stroje, zejména turbokompresoru, které se skládá z nosného a krycího kotouče a mezi nimi uspořádaných oběžných lopatek, které jsou s oběma kotouči pevně spojeny. Nejméně jeden z kotoučů, zpravidla nosný kotouč je s lopatkami spojen svarem. Tlouštka kotouče se z nejmenšího rozměru Sg, který je u vnějšího průměru Dg kotou­ če směrem k ose rotace plynule zvětšuje až na rozměr Š1, který je na vnitřním průměru D1 lopatkování podle vztahu» Využití vynálezu je možno využít pro radiální turbokompresory velkých výkonů.

Description

Využití vynálezu je možno využít pro radiální turbokompresory velkých výkonů.

216 073

Vynález se týká oběžného kola radiálního lopatkového stVoje,zejména turbokompresoru, u něhož je pevné spojení oběžnýoh lopatek s nosným, případně krycím kotoučem provedeno svarem.

Oběžná kola radiálních lopatkových strojů mají nejrůznější konstrukční provedení. U dosud známých provedení jsou podle druhu použití a podle volby technologie oběžného kola vyrobena vcelku z jednoho kusu nebo složená z jednotlivých komponentů vzájemně spojených pomocí nýtů, pájením nebo svařením. Svařené oběžné kolo má některé výhody proti jiným typům kol, má však také řadu nevýhod. Dnešní oběžná kola svařovaného provedení mají spojovací svar umístěn uvnitř kanálů oběžného kola. Svařování uvnitř kanálu je značně obtížnou a složitou operací, a to jak z hlediska dodržení potřebné kvality svaru, tak i z hlediska kontroly. Toto provedení rovněž nelze použít pro kola s malou šířkou kanálu. Rovněž u T spojů, vařených přes průchozí drážky upravené v krycí desce, pokud stojiny, v tomto případě oběžné lopatky, jsou umístěny symetricky podle osy rotace, ne často vyskytují závažné vady v přechodové, tepelně ovlivněné zóně svaru, které značně snižují vlastnosti materiálu.

U běžného provedení T svaru vedeného přes průchozí drážku se často vyskytují trhliny v přechodové tepelně ovlivněné zóně svaru, které značně snižují využitelné dynamické vlastnosti kola. Tyto trhliny vznikají při chladnutí základního materiálu svaru v intervalu teplot 300 až 150 °C rychlostí vyšší, než je rychlost kritická. Ryohlost chladnutí je mimo běžné technologické podmínky jako je příkon tepelné energie elektrického oblouku, teplotu předehřevu, typ oceli i svařovacího drátu a dalších technických prvků, dána ještě tepelnou kapacitou svařovacího segmentu. Tato kapacita je určena rozměry a složitostí součástí, silou desky a stojiny. Rychlost chladnutí vlivem různých rozměrů na obvodě i ve středu desky je tedy podél celého sváru lopatky rozdílná a zvětšuje se směrem ke středu disku. Stoupající gradient ochlazovací rychlosti překročí potom převážně v místech bližších ke středu disku kritickou rychlost chladnutí, oož vede ke vzniku trhlin za studená v oblasti svaru. Tepelný cyklus svařování vytváří v každém místě kola stacionární tepelný stav určený nejvyšší dosaženou teplotou. Rychlost ochlazování je rozhodujícím činitelem tvorby a struktury v přechodovém pásmu svaru dané oceli. Oblasti základního kovu, které jsou vyhřáty nad teplotu A^, tj. na austenitickou strukturu, se později při chladnutí transformují na nestabilní produkty, především zákalného onarakteru, na stukturu typu martenzit nebo dolní bainit. Za spolupůsobení difúzního vodíku a stavu takové napjatosti vznikají v nejbližším okolí svaru trhliny, které pronikají do základního materiálu disku. Pro tyto pochody je rozhodující oblast teplot 300 - 150 °C. Udržením vhodného tepelného gradientu podél celého svaru lopatky s diskem kola se zmenšuje rozsah strukturních přeměn a posunují je směrem k rovnovážným strukturám, snižuje také lokalizovaná místní pnutí vzniklá těmito přeměnami.

Uvedené nevýhody odstraňuje provedení podle vynálezu, jímž je!

Oběžné kolo, které má nosný i krycí kotouč pevně spojen s oběžnými lopatkami, přičemž k jednomu z kotoučů jsou lopatky uchyceny svarem. Pro vytvoření tohoto spojovacího svaru jsou na příslušném kotouči vyfrézovány průchozí drážky v místech, odpovídajících umístění čelních návarových ploch na lopatkách a jehož podstatou je, že tlouatka stěny kotouče, ke kterému jsou oběžné lopatky uchyceny svarem, se z nejmenšího svého rozměru, který má na vnějším průměru lopatek, nebo blízko tohoto průměru, směrem k jeho středu postupně plynule zvětšuje tak, že na vnitřním průměru lopatkování je jeho rozměr určen výrazem:

M ^S2 £ (1 - Y*² 4 5 ^H >

^slft«2 ΤΓ^χ ”s'ínk~ ve kterém: a Sg značí tlouštku kotouče, Ζχ a Z_g počet oběžných lopatek, ΐχ a t₂ tlouštku lopatek, << χ a oí g úhel oběžných lopatek, tj. úhel mezi tečnou k lopatce a kolmicí k radiálu, přičemž index 1 se vztahuje na vnitřní průměr lopatkování D^ a index 2 na vnější průměr lopatkování Dg.

Plynulý nárůst tlouštky kotouče podle uvedeného vztahu zajištuje, že směrem ke středu kotouče se nezmenšuje hmota kotouče, připadající na každý svar, ale že zůstává konstantní, nebo že se dokonce zvětšuje. Samotná problematika spoje je velmi složitá s ohledem na několik faktorů, které zde působí.

Při vhodném poměru hmoty disku kola a vzdálenosti mezi lopatkami, tj. mezi sousedními svary, dochází ke vzájemnému působení tepelných příkonů obou svarů, k ovlivnění tepelných gradientů tepelně ovlivněné zóny svaru, a tím ke snížení ochlazovacích rychlostí v kritických oblastech teplot. Tímto lze zabránit výskytu struktur, které dávají popud k tvorbě nehomogenit, jako jsou trhliny za studená. Homogenní svarové spoje umožňují vyšší využitelnost dynamických vlastností svařeného kola.

Dalšího zdokonalení je mošno dosáhnout dím, Že člení plochy oběžných lopatek a vnitřní stěny kotouče mezi vnitřním průměrem lopatkování a vnějším průměrem jsou kolmé na osu rotace kola. Toto provedení zajištuje minimální deformace kotouče při svařování a navíc je nejjednodušší také s ohledem na mechanické opracování před svařováním.

Zvýšení dynamických vlastností oběžného kola se dále pak dosáhne tím, še oběžné lopatky jsou zakřiveny pod úhlem menším než·90° v rozsahu nejméně devadesáti procent mezikruží mezi vnitřním průměrem lopatkování a vnějším průměrem lopatkování. Tímto způsobem je zajištěno, že pnutí vznikající při svařování se eliminují tím, že konstrukce svařence umožní jeho určitou deformaoi. Stejnému účelu slouží konečně i poslední zdokonalení provedení podle vynálezu, které spočívá v tom, že stěny lopatek jsou k vnitřním stěnám obou kotoučů skloněny pod úhlem v rozmězí od 50° do 88°, a to nejméně v rámci mézikruži vymezeného vnějším průměrem oběžného kola a průměrem odpovídajícím devadesáti procentům vnějšího průměru.

Provedení podle vynálezu lze použít pro oběžná kola β nejrůznější geometrií průtočné části a přičemž svar je možno umístit na kterýkoliv z obou kotoučů. Ani šířka oběžného kola, ani počet a tvar oběžných lopatek není limitujícím faktorem.

Příklad provedení podle vynálezu je znázorněn na výkresu, kde k* obr. 1 je znázorněna oběžné kolo v podélném řezu, na obr. 2 jednak v pohledu na nosný kotouč, jednak v příčném řežtt vedeném oběžnými lopatkami, na obr. 3 je znázorněn příčný řez kolem s lopatkami, které jsou v části své délky skloněny k vnitřní stěně obou kotoučů. Příčný řez kanálem u těchto lopatek je znázorněn na obr. 4. Na obr. 5 je pak znázorněn příklad kola se zesíle3 nými stěnami kotoučů na vnějším průměru.

Oběžné kolo se skládá z nosného kotouče i, z krycího kotouče 2 a z oběžných lopatek 2· T naznačeném příkladu je spojovaoí svar 2 proveden v průchozí drážce i, která je vyfré zována v nosném kotouči χ. Tloušťka s nosného kotouče i se plynule zvětšuje z nejmenší hodnoty Sg na vnějším průměru Dg lopatkování na hodnotu S* na vnitřním průměru D^ lopatko vání. Jeou-li okraje kotoučů i opatřeny zesílením 6 na svém vnějším okraji, viz na obr. 5 uvažuje se jako výchozí hodnota tloušťka kotouče J, nejmenší tloušťka Sg kotouče 1 v blízkosti vnějšího průměru Dg lopatkování. V naznačeném případě je počet lopatek 2 na vnitřním průměru D^ totožný s počtem Zg lopatek 2 na vnějším průměru Dg. V případě, že se použijí mezilopatky, je počet a Zg lopatek rozdílný. Oběžné lopatky 2 mohou mít obecně proměnnou tloušťku £; v naznačeném příkladu je jejioh tloušťka na průměru Dj stejná ja ko tlouštka tg na průměru Dg.

Z aerodynamických důvodů se postupně, plynule mění úhel el lopatky 2» tj. úhel mezi tečnou T k lopatce 2 ^a kolmicí K k radiále R a to z hodnoty na vnějším průměru D^ lopatkování na hodnotu ^.g na vnějším průměru Dg. Na obr. 2 je znázorněn příklad, kdy se ten to úhel Λ z hodnoty menší než 90° na průměru D^ postupně zvětšuje tak, že na průměru Dj dosahuje jeho velikost hodnoty 90° a v mezikruží mezi průměry D^ a Dg se již nemění. Z obr. 2 je zřejmé, že čelní plocha 2 lopatek 2 je kolmá na osu rotace 2 kola, stejně jako vnitřní povrch 8 nosného kotouče 2 v rozmezí mezikruží D^ až Dg.

Lopatky 2» které nejsou kolmé k vnitřnímu povrchu nosného kotouče 1 a krycího 2 kotouče, ale svírají s nimi úhel^v, jsou naznačeny na obr. 3 a obr. 4, přitom na obr. 3 je nakresleno provedení u kterého v rozmezí mezikruží D^ až D^ jeou lopatky 2 kolmé k vnitřnímu povrchu 8 kotouče i v rozmezí mezikruží D^ až Dg k povrchu kotouče i kolmé nejsou.

Claims (4)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   1. Oběžné kolo radiálního lopatkového stroje, zejména turbokompresoru, skládajíoí se z nosného a kryoího kotouče a mezi nimi uspořádaných oběžných lopatek, které jeou s oběma kotouči pevně spojeny, přičemž nejméně jeden z kotoučů, zpravidla nosný kotouč je s lopatkami opojen spojovaoími svary v průchozích drážkáoh kotouče, vyznačující ee tím že tloušťka (S) kotouče (l) se z nejmenšího rozměru (Sg), který je u vnějšího průměru (Dg) kotouče (1) směrem k ose (9) rotace plynule zvětšuje až na rozměr (S^), který je na vnitřním průměru (D^) lopatkování, podle vztahu ² z ^Z2 *2 Si? s₂ - (1 - ²

   TDg sing *#*D^ sin&i ve kterém značí Z^ a Zg počet oběžných lopatek, t^ a tg tlouštka oběžných lopatek, Λ aág úhel oběžných lopatek, přičemž indexu 1 jsou označeny hodnoty na vnitřním průměru D^ a indexem 2 na vnějším průměru Dg.
2. 2. Oběžné kolo radiálního lopatkového stroje podle bodu 1, vyznačující se tím, že čelní plochy (7) oběžných lopatek (3) a vnitřní stěna (8) kotouče (l) mezi vnitřním průměrem (D^) lopatkování ,a vnějším průměrem (Dg) kotouče (l) jsou kolmé na osu (9) rotace stroje*
3. 3. Oběžné kolo radiálního lopatkového stroje podle bodu 1 a 2, vyznačující se tím, že ve směru osy (9) rotace nejméně v devadesáti procentech rozsahu mezikruží mezi vnitřním průměrem (D^) lopatkování a vnějším průměrem (Dg) kotouče jsou lopatky (3) zakřiveny pod úhlem (Λ) menším než 90° svíraným tečnou (T) k lopatce (3) s radiálou (R).
4. 4, Oběžné kolo radiálního lopatkového stroje podle bodu 1 až 3, vyznačující se tím, že stěny lopatek (3) jsou k vnitřním stěnám (8) obou kotoučů (l, 2) skloněny pod úhlem ^), v rozmezí 50° ež 88% a to nejméně v rámci mezikruží vymezeného vnějším průměrem (Dg) a průměrem (%) odpovídajícím devadesáti procentům vnějšího průměru (Dg).

   2 výkrésy