CS271330B2 - Connecting structure for thermal turbo-set's impeller blades - Google Patents

Description

Vynález se týká spojovací konstrukce oběžných lopatek tepelného turbostroje sestávající z v obvodovém směru upravených nástavců, které jsou po dvojicích pevně spojeny s к nim příslušející oběžnou lopatkou a které se alespoň při chodu turbíny nebo kompresoru podpírá jí prostřednictvím rovných dotykových ploch.

Taková spojovací konstrukce oběžných lopatek, upravená na obvodu v horní části lopata, zruší jejich vlastní frekvenci. Mimoto se podstatně zmenší vybudítelnost připojeného lopatkového věnce.

Známé spojovací konstrukce oběžných lopatek, případně skupin oběžných lopatek parních turbín a kompresorů jsou vytvořeny jako krycí destičky, které mají v obvodovém směru o určitou hodnotu zvětšený rozměr, prostřednictvím kterého se při montáži oběžných lopatek vytváří mezi krycími destičkami tangenciální předpětí, nebo obloukovité prvky, tak zvané arkády, které jsou vytvořeny ve tvaru ocelových oblouků, upevněných po dvojicích na oběžných lopatkách, přičemž kónce ve tvaru písmene V dvou sousedících ocelových oblouků do sebe navzájem zabírají a jsou v obvodovém směru pod tlakovým předpětím, nebo podpěrná křidélka, 1d je v obvodovém směru na oběžných lopatkách upravené nástavce s profilem, který je příznivý z hlediska proudění. Posunutí mezi těmito obvodově upnutými spojovacími prvky, která jsou způsobena například radiální rozpínavostí nebo odloupnutím oběžných lopatek působením odstředivé síly a z toho vyplývající tangenciální změnou délky věnce kola, teplotními rozdíly mezi spojovacím rotorem a lopatkami, jaké vznikají zejména u turbín s velkými výkyvy protitlaku - však vedou ke zvýšenému opotřebení a ke změnám třecích poměrů mezi dotykovými plochami, což nepříznivě ovlivňuje kmitání a pevnost věnce lopatek. Další nevýhodu· je třeba spatřovat v možnosti bodového dosednutí spojovací plochy, které může vzniknout deformacemi spojovacího prvku, které vznikají odstředivou silou, případně i v průběhu výroby.

Ve výrobě letadlových hnacích jednotek je známé upravovat na dotykových plochách spojovacích prvků lopatek zvláštní stříkané vrstvy a návary převážně tvrdých materiálů, jako například karbidu wolframu, karbidu chrómu a podobných materiálů. Tato opatření, která postačují pro relativně krátké provozní doby letadlových hnacích jednotek, však nejsou z hle diska hospodárnosti použitelné pro parní turbíny, protože zde je žádoucí zachovat po celou provozní dobu řádově 200 000 hodin a více než 1 000 startů po dlouhou dobu konstantní pomě ry z hlediska spojení a tření.

Vynález si klade za úkol vytvořit spojovací konstrukci oběžných lopatek tepelného tur bostroje v úvodu uvedeného typu, která by zajištovala pro všechny provozní oblasti stroje a na dostatečně dlouhou dobu definované plošné spojení mezi jednotlivými spojovacími prvky , které by bylo nezávislé na výrobě, materiálu a provozních poměrech. Mimoto má tato trvalost třecích poměrů mezi jednotlivými spojovacími prvky zajištovat ochranu před nadměrným namáháním jednotlivých oběžných lopatek v důsledku nestabilizačních procesů a odchylek. Dále má tato spojovací konstrukce podstatně přispívat к minimalizaci opotřebení třením.

Vytčený úkol se řeší a uvedené nedostatky se odstraňují spojovací konstrukcí podle vy nálezu, jehož podstata spočívá v tom, že alespoň jedna dotyková plocha pro sousední dvojici nástavců je tvořena rovnou Čelní plochou alespoň jednoho přítlačného tělesa, opatřeného kuželovým sedlem a že každé přítlačné těleso je sklopně pohyblivě uloženo ve vybrání nástavcE s kuželovým sedlem, jehož sklon je strmější než sklon sedla přítlačného tělesa.

Hlavní výhody spojovací konstrukce podle vynálezu spočívají v tom, že jednak kuželové sedlo přítlačného tělesa umožňuje úhlovou diferencí otočný pohyb, který je potřebný к rovnoběžnému přizpůsobení к opěrné ploše, a jednak bezvrubové zavádění momentů a tlaků, a to i z odstředivé síly, což zajištuje trvalou pevnost spojení. Přítlačná tělesa získávají odstředivou silou při pohybu, a to místním tečením sedla přítlačného tělesa až к prstencovém) dosednutí v sedle nástavce, svoje konečné umístění a uložení na dotykovou plochu se zhruba shodným rozdělením plošného přítlaku. Protože od ideální prstencové plochy se odchylující a kuželovým řezem opatřené sedlo se stává působením okamžité plastifikace a pružného uložení silově i tvarově pevným, mohou být ve velké míře přenášeny z přítlačných těles, která jsou pod tlakem, samosvorné ohybové momenty z vazných kmitů. Dík volnému upevnění přítlačných těles je také relativně bez problémů jejich vyměnitelnost a nezávislost na poloze, tá<že je možné zajistit výměnu poměrně snadno i přímo v elektrárnách.

Aby se zajistila ochrana hran přítlačných těles a tím i jejich ochrana proti opotřebení, jakož i pro snížení singulárních tlakových napětí na okraji kluzných ploch, je podle dalšího výhodného vytvoření vynálezu každé přítlačné těleso na svém předním konci kuželoví tě sešikmeno.

Další výhodné vytvoření spojovací konstrukce podle vynálezu spočívá v tom, že každé přítlačné těleso je mezi svým kuželovým sedlem a svou přední částí opatřeno válcovým úsekem a že na věnci jsou vložena přítlačná tělesa s různými výškami válcového úseku. Tato opatření umožňují při montáži výběrem výšek přítlačných těles seřídit úzce tolerovanou vůli mezi dosedacími plochami nebo požadované tangenciální předpětí celého spoje. Tím se odstraní na celém obvodu různé rozdíly štěrbin vznikající jako důsledek výroby a montáže, a z nich vyplývající zvýšené napětí v oběžných lopatkách. Mimoto se tím umožní dodatečné odsou hlášení rezonančních frekvencí.

Aby bylo možné upevnit přítlačná tělesa ve spojovacích prvcích prostým zatemováním,jsou přítlačná tělesa mezi válcovým úsekem a zejména kuželovou přední částí opatřena kuželovým úsekem.

Podle dalšího výhodného vytvoření vynálezu se předpokládá, že přítlačná tělesa jsou zhotovena z vysoce zhutněného slinutého karbidu nebo keramiky s dokonalou kvalitou povrchu . Tento materiál má nepatrné rozdíly mezi statickým třením a kluzným třením, nepatrnou nebo téměř žádnou pórovitost, vysokou pevnost v tlaku a v ohybu a vysokou odolnost proti korozi. Pokud je to žádoucí, má i vysokou odolnost proti otěru. Tím výroba přítlačného tělesa umožňuje, a to nezávisle na způsobu výroby lopatek, na průběhu výroby lopatek a na materiálu lopatek, při relativně volné volbě materiálu optimální výběr kluzného partnera s požadovaným pokud ..'.možno konstantním koeficientem tření, to znamená kluzného partnera s nepatrnými rozdíly mezi statickým třením a kluzným třením, bez zadírání a s přihlédnutím к ochraně proti korozi, přičemž je dokonale zajištěna spojovací funkce a tím i požadované kmitové poměry. Při odpovídající volbě materiálu jsou zajištěny požadované, na relativně dlouhou dobu přesně definované stykové poměry mezi spojovacími prvky, takže spojení podle vynálezu lze použít speciálně u parních turbín a kompresorů, tedy u strojů s vysokou životností.

Výběr přítlačného tělesa a možná výměna se usnadní, pokud je podle dalšího výhodného vytvoření vynálezu opatřena každá přední válcová stěnová část v příslušném nástavci dole a/nebo nahoře odpovídajícím otvorem.

Aby bylo možné použít spojení podle vynálezu i u axiálně montovaných oběžných lopatek například u přímých nebo ohnutých stromkových spojů, je každé přítlačné těleso souměrně ke své podélné střední rovině bočně seříznuto tak, že vzdálenost mezi přímými postranními plochými částmi je o něco menší než šířka otvoru, případně otvorů ve stěnové části nástavce.

Vynález je v dalším podrobněji vysvětlen na příkladech provedení ve spojení s výkresovou částí .

Na obr. 1 je znázorněn půdorys výřezu věnce lopatek, a to v části a)ve stavu mimo provoz a v části b) v provozním stavu. Obr. 2 znázorňuje bokorys nástavce oběžné lopatky. Na obr. 3 je zobrazen řez rovinou podle čáry IX - II z obr. 2. Obr. 4a zobrazuje upravené přítlačné těleso v bokoryse. Na obr. 4b je tentýž předmět zobrazen v půdoryse.

Na radiálně montovatelných oběžných lopatkách £ jsou pevně upevněny dva v obvodovém směru směřující ocelové nástavce £, ^a to na každé straně listu oběžné lopatky £ po jednom nástavci £. S výhodou mohou být tyto nástavce 2 integrovanou částí příslušné oběžné lopatky £. Nástavce 2 jsou ve znázorněném příkladu provedení zobrazeny jako podpěrná křidélka s proudnicovým profilem^; mohou být však vytvořeny také jako krycí desky nebo jiné spojovací prvky. Volné konce nástavců 2 mají rovné šikmé plochy. Roviny těchto ploch při pohledu shora jsou vzhledem к obvodovému směru natočeny o takový úhel, že dříve zmíněné posuvné plochy mezi později uvedenými dotykovými plcohami 6e jsou možné a oběžným lopatkám £ nebrání samosvornost v pootáčení.

Nástavce 2 mají na svých rovných čelních plochách vybrání s kuželovým sedlem £ a s konkávní, na kuželové sedlo £ navazující stěnovou částí £ pro volné uložení přítlačných těles £.

Přítlačná tělesa £ jsou pro oblast použití, které se dává přednost, vytvořena z materiálu s co nejmenší pórovitostí, s vysokou pevností v tlaku a v ohybu, s vysokou odolností proti korozi a s vysokou odolností v otěru, čehož se dosahuje u určitých spékaných tvrdých kovů, vytvořených tak zvaným způsobem HIP, což je zhutnění pod vysokým tlakem a při vysoké teplotě, nebo u určitých keramikových destiček s vysokou kvalitou povrchu.

Každé z jednoho kusu vytvořené přítlačné těleso £ má více úseků, to je kuželové sedlo 6 a ve tvaru komolého kužele, vložený válcový úsek 6b s volitelně různou výškou £, vložený kuželový úsek 6c ve tvaru komolého kužele, který slouží pro montážní upevnění v dutině nástavce 2 prostým zatemováním » a přední část 6d ve tvaru komolého kužele s rovnou kruhovou dotykovou plochou £e, která má vysokou kvalitu povrchu získanou příslušným způsobem opraco vání, jako je broušení nebo podobně.

Sklon kuželového sedla 6a přítlačného tělesa £ je o úhel Δ у menší než sklon kuželového sedla £ v nástavci 2. Mimoto je průměr stěnové části £ nástavce 2.větší než největší průměr přítlačného tělesa £, takže žádoucí sklopně pohyblivé uložení přítlačného tělesa £ je samonastavitelné.

Pokud jsou potřebné příslušně velké dotykové plochy 6e, potom je největší průměr přítlačného tělesa £ a odpovídající průměr v nástavci 2 větší než největší výška £ profilu nástavce 2, takže stěnová část £ má dole a nahoře otvory 7a, 7b. Pokud je však největší průměr přítlačného tělesa £ menší než maximální výška £ profilu nástavce £, je výhodné pro vést volné vyfrézování alespoň na spodní straně stěnové části £ pro zajištění snadné výměny, případně ,odstranění přítlačného tělesa £, protože tak se vytvoří záběrová plocha pro potřebný nástroj nebo podobně. Přítlačná tělesa £ vyčnívají svými dotykovými plochami £e z čelních ploch nástavců 2.

Mezi kuželovým sedlem £ v nástavci 2 a mezi kuželovým sedlem 6a na přítlačném tělese £ lze uspořádat ještě tenkou vrstvu z plastické hmoty, z mezivsrtvy nanesené na přítlačné těleso £ galvanicky nebo podobně.

Přítlačná tělesa z odpovídajícího tvrdého kovu jsou použita po dvojicích na dvou sousedních nástavcích 2. V principu je samozřejmě možné vložit toliko jedno přítlačné těleso na jeden z nástavců 2 a zajistit jeho spolupráci s rovnými čelními plochami sousedícího ná stávce na nejbližší oběžné lopatce £. К tomu účelu je ale třeba zvolit pro přítlačné tělesj £ vhodný materiál, který by spolupracoval s ocelovými čelními plochami nástavce, aniž by měl sklon к zadření nebo podobně. Vhodným materiálem pro přítlačná tělesa by mohly být například určité bronzy.

Protože šířka štěrbiny Δ £ mezi vždy dvěma sousedícími nástavci 2 je z výrobních důvodů upravena po celém obvodu, vybírají se odpovídající přítlačná tělesa £ s různou, příslušné šířce štěrbiny přizpůsobenou výškou £ tak, aby po vložení přítlačného tělesa £ do otvorů 7 v nástavcích 2 byly šířky štěrbin po celém obvodu zhruba shodné. Po radiálním zamontování oběžných lopatek £ nevzniká u popsaného výhodného příkladu provedení žádné tangmciální předpětí.

Přítlačná tělesa £ lze zajistit proti vypadnutí dvěma lehkými montážními pojistkami £ které neomezují samonastavitelnost přítlačného tělesa £ a které jsou výhodné pokud je . třeba oběžné lopatky £ po první montáži ještě jednou vymontovat.

Přítlačná tělesa £ jsou samonastavitelná, protože při otáčení věnce lopatek působením momentu Fy . m - kde Fy je obvodová silová složka a m je vzdálenost hrany přítlačného těle sa £ od osy £ souměrnosti přítlačného tělesa £ - dochází к otáčení přítlačného tělesa £ až к úhlovému rozdílu Δ jf , který vyplývá z různých sklonů sedel a který se při přesné výrobě pohybuje v rozmezí řádově 15' až 30' (úhlových minut), čímž se vyrovnávají odchylky od rovnoběžné polohy (výstřednost e), které vždy vznikají z výrobních důvodů. Po uskutečněném samonastavení leží dotykové plochy, jak již bylo zmíněno, tak šikmo vzhledem к obvodovému směru, že je spolehlivě zabráněno samosvornosti při posunutí dvou sousedících kruhových ploch 6e.

Přítlačná tělesa získají působením nejvyššího zatížení, například působením odstředivé síly vytvářené při nadměrných otáčkách, to je počtu otáček, který je vyšší než počet

V jmenovitých otáček turbíny, místním tečením kuželového sedla 6a přítlačného tělesa £ až к prstencovému dosednutí ve spojovacím prvku (nástavec 2) své konečné umístění a uložení, přičemž prostřednictvím dotykových ploch 6e se dosahuje zhruba rovnoměrného rozdělení ploš ného přítlaku. Tím se stává od ideální prstencové plochy se odchylující sedlo ve tvaru kužele plastifikací a pružným uložením silově a tvarově pevné.

Pro zabránění bodového dotyku musí být dále na všech v dotykové ploše ležících osách splněna podmínka Fy . e / _M kde je:

obvodová silová složka s nositelkou přesazenou o vzdálenost e vzhledem к ose £ souměrnosti přítlačného tělesa £, e výstřednost, kolmá vzdálenost dosedací plochy přítlačného tělesa £ od střední podélné roviny pří tlačného tělesa £, součinitel tření a

M moment ohybu.

Oběžné lopatky £ lze prostřednictvím volby odpovídajících výšek £ opatřit také takový mi přítlačnými tělesy £, že při montáži je štěrbina mezi přítlačnými tělesy £ nulová a neto že je dokonce v tangenciálním směru přesah, takže po montáži oběžných lopatek 1 již и věnce turbínových oběžných lopatek £, který je v klidu, vzniká požadované tangenciální předpětí mezi nástavci 2 s přítlačnými tělesy 6, přičemž toto předpětí se při provozu turbíny ještě zvětšuje.

Spojení podle vynálezu lze v principu použít i u přímých lopatek. Je třeba toliko pro střednictvím vhodných opatření zajistit, aby se dotykové plochy, případně nástavce s přítlačnými tělesy proti sobě opíraly odpovídající obvodovou silou, a to jak v klidu, tak i při chodu turbínových, případně kompresorových lopatek.

Rovněž u axiálně montovatelných oběžných lopatek, například u lopatek se stromkovými patkami, jsou přítlačná tělesa vložitelná, a to i po montáži lopatek do věnce kola, bez montáží podmíněného omezení úhlu ψ _R tření. Pokud by štěrbina mezi nástavci nebyla pro montáž dostatečně velká a pokud by nebylo možné oběžné lopatky odtlačit dostatečně daleko od sebe, je třeba přítlačná tělesa v horní oblasti na protilehlých stranách seříznout tak, aby šířka přítlačného tělesa mezi seříznutými přímými rovnoběžnými plochami byla o něco menší než šířka otvoru v nástavci 2^. Seříznuté přítlačné těleso se zasune radiálně a kolmo к ose turbíny otvorem a potom se pootočí o 90°, takže kruhové úseky jsou naproti vzhledem к odpovídajícím kruhovým úsekům stěnové části _5. Konečně není nutné, aby byly upraveny dva protilehlé otvory 7a, 7b, jak je patrno z obr. 2, nýbrž stačí toliko jeden otvor, který se s výhodou upraví dole na nástavci 2 v jeho vnější oblasti.

Pokud je, jak je to zakresleno u znázorněného příkladu provedení, mezi oběžnými lopatkami ,1 v klidu vždy nepatrná, konstantní štěrbina, a to mezi protilehlými přítlačnými tělesy jí, potom se stává při chodu - protože se nástavce 2 otáčením lopatek přibližují nebo rcztahují - tato štěrbina nejdříve nulovou a později vzniká jistý tangenciální přesah a z tofo vyplývající tangenciální napětí, takže na přítlačná tělesa 6^ působí poměrně vysoký tlak, což zajišťuje velmi účinné podepření především v obvodovém směru.

Pokud se nástavce _2 protáhnou v obvodovém směru, například působením ohřevu, potom umožní lopatky vlastním pootočením zaujmout nástavcům 2 polohu odpovídající tomuto protažení, přičemž dotykové plochy se navzájem proti sobě posunou a dotykové plochy zůstanou rovnoběžné dík samonastavení přítlačného tělesa.

Výhodná oblast použití pro spojení podle vynálezu je oblast koncových lopatek v nízko tlaké části velkých parních turbín. Spojení podle vynálezu lze však v zásadě použít také u věnců lopatek jiných stupňů parních turbín, u věnců lopatek kompresorů, plynových turbín a podobně.

Claims (8)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   1. Spojovací konstrukce oběžných lopatek tepelného turbostroje sestávající z v obvodovém směru upravených nástavců, které jsou po dvojicích pevně spojeny s к nim příslušející oběžnou lopatkou a které se alespoň při chodu turbíny nebo kompresoru podpírají prostřaj- nictvím rovných dotykových ploch, vyznačená tím, že alespoň jedna dotyková plocha pro · sousední dvojici nástavců (2) je tvořena rovnou čelní plochou alespoň jednoho přítlačného tělesa (6), opatřeného kuželovým sedlem (6a) a že každé přítlačné těleso (6) je sklopně pohyblivě uloženo ve vybrání nástavce (2) s kuželovým sedlem (4), jehož sklon je strmější než sklon sedla (6a) přítlačného tělesa (6).
2. 2. Spojovací konstrukce podle bodu 1, vyznačená tím, že každé přítlačné těleso (6) je na předním konci kuželovité sešikmeno.
3. 3. Spojovací konstrukce podle bodů 1 a 2, vyznačená tím, že každé přítlačné těleso (6) je mezi svým kuželovým sedlem (6a) a svou kuželovou přední částí (6d) opatřeno válcovým úsekem (6b).
4. 4. Spojovací konstrukce podle bodu 3, vyznačená tím, že na věnci oběžných lopatek jsou vložena přítlačná tělesa (6) s různými výškami válcového úseku (6b).
5. 5. Spojovací konstrukce podle bodu 3, vyznačená tím, že každé přítlačné těleso (6) je mezi válcovým úsekem (6b) a zejména kuželovou přední Částí (6d) opatřeno kuželovým úsekem (6c).
6. 6. Spojovací konstrukce podle bodů 1 až 5, vyznačená tím, že přítlačná tělesa (6) jsou zhotovena z vysoce zhutněného slinutého karbidu nebo keramiky s dokonalou kvalitou povrchu.
7. 7. Spojovací konstrukce podle bodu 1, vyznačená tím, že ke každému kuželovému sedlu v přís- lušném nástavci je připojena přední válcová stěnová část (5), která Je opatřena dole a/nebo nahoře odpovídajícím otvorem (7a, 7b).
8. 8. Spojovací konstrukce podle bodu 7, vyznačená tím, že každé přítlačné těleso (6) je souměrně ke své podélné střední rovině bočně seříznuto tak, že vzdálenost mezi přímými postranními plochami částmi Je menší než šířka otvoru, případně otvorů (7o, 7b) vo r.tňnnvé části (5) nástavce (2).