Устройство для демпфирования вибраций осевого стопорного кольца для фиксации лопаток вентилятора турбомашины, вращающийся диск и стопорное кольцо, содержащие такое устройство, а также турбомашина с таким вращающимся диском - RU2392500C2
Код документа: RU2392500C2
Чертежи
Описание
Настоящее изобретение в основном относится к области установки лопаток вентилятора на вращающемся диске турбомашины. В частности, изобретение относится к устройству для демпфирования вибраций, которым подвергается кольцо для фиксации по оси лопаток вентилятора.
Вентилятор турбомашины обычно содержит множество лопаток, хвостовики которых установлены в пазах вращающегося диска. При определенных способах установки лопаток вентилятора вокруг кольцевого фланца, проходящего по направлению оси от верхней по потоку стороны вращающегося диска, также устанавливают кольцо. Такое кольцо по оси прижимается к фланцу посредством выступов, образованных по всей периферии кольца. Кроме того, кольцо устанавливают упирающимся по оси в хвостовики лопаток так, чтобы фиксировать хвостовики по оси.
На практике этот способ установки лопаток вентилятора создает ряд проблем. В частности, наблюдается износ осевого стопорного кольца и вращающегося диска. Этот износ вызывается, главным образом, вибрациями, которым подвергается осевое стопорное кольцо при вращении диска. В частности, вращение диска приводит к небольшим перемещениям осевого стопорного кольца, вызывающим износ на вершинах выступов кольцевого фланца для удерживания кольца на диске. Кроме того, при вращении диска осевое стопорное кольцо стремится тангенциально двигаться вокруг фланца диска.
Таким образом, основной целью настоящего изобретения является смягчение таких недостатков посредством создания устройства для демпфирования вибраций, которым подвергается кольцо для осевой фиксации лопаток вентилятора.
С этой целью согласно изобретению создано устройство для демпфирования вибраций осевого стопорного кольца для фиксации лопаток вентилятора турбомашины, при этом лопатки вентилятора выполнены с возможностью их установки хвостовиками на вращающемся диске, содержащем кольцевой фланец, проходящий по оси и имеющий множество радиальных выступов для взаимодействия с множеством сопряженных радиальных выступов стопорного кольца, устанавливаемого вокруг фланца диска, характеризующееся тем, что оно состоит из опорного элемента из эластомерного материала, размещаемого по оси между двумя соседними выступами фланца и двумя соседними сопряженными выступами стопорного кольца и по радиусу между фланцем вращающегося диска и стопорным кольцом, при этом опорный элемент имеет поверхности контакта для взаимодействия с соседними выступами, со стопорным кольцом и с фланцем вращающегося диска.
Благодаря добавлению поверхностей контакта с осевым стопорным кольцом и фланцем диска устройство согласно изобретению служит для изменения собственных форм вибраций стопорного кольца. Кроме того, так как устройство состоит из элемента, выполненного из эластомерного материала, то его поверхности, которые соприкасаются со стопорным кольцом и фланцем диска, стремятся под действием центробежной силы прижаться к стопорному кольцу и фланцу. Таким образом, демпфируются вибрации, которым подвергается стопорное кольцо, и исключается любой риск износа. При использовании такого демпфирующего устройства оно может служить также для того, чтобы тангенциально фиксировать стопорное кольцо вокруг фланца диска.
Опорный элемент демпфирующего устройства может по существу иметь форму плоского прямоугольного бруска. Он может также иметь геометрическую форму, позволяющую избежать ошибки при его установке на диске.
Эластомерный материал опорного элемента предпочтительно имеет твердость по шкале Шора в диапазоне от 50 до 90. Этим эластомерным материалом предпочтительно является кремнийорганический, фторкремнийорганический или фторуглеродный полимер.
Согласно изобретению также создано кольцо для фиксации по оси лопаток вентилятора турбомашины, содержащее, по меньшей мере, одно из вышеуказанных устройств для демпфирования вибраций.
Согласно изобретению также создан вращающийся диск для установки лопаток вентилятора турбомашины, содержащий кольцевой фланец, проходящий по оси и имеющий множество радиальных выступов для взаимодействия со множеством сопряженных радиальных выступов стопорного кольца для фиксации лопаток по оси, причем кольцо устанавливается вокруг фланца диска, а диск дополнительно содержит, по меньшей мере, два вышеуказанных демпфирующих устройства. Наконец, согласно изобретению создана турбомашина, содержащая, по меньшей мере, один вышеуказанный вращающийся диск.
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из последующего описания изобретения, приведенного со ссылкой на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие не ограничивающий вариант осуществления изобретения, на которых:
фиг. 1 - частичный вид в перспективе с разнесением деталей диска вентилятора, имеющего устройство для демпфирования вибраций согласно изобретению;
фиг. 2 - вид в сборе диска с фиг. 1;
фиг. 3 и 4 - виды в разрезе в плоскостях III - III и IV-IV с фиг. 2 соответственно;
фиг. 5 - вид в перспективе устройства для демпфирования вибраций, показанного на фиг.1;
фиг. 6 - вид в увеличенном масштабе, показывающий часть фиг. 2;
фиг. 7А и 7В - виды в перспективе устройств для демпфирования вибраций согласно другим вариантам осуществления изобретения.
На фиг. 1 и 2 показана часть диска 10 вентилятора турбомашины. Диск 10 выполнен с возможностью вращения вокруг продольной оси Х-Х турбомашины.
Вращающийся диск 10 содержит множество пазов 12, которые равномерно распределены по его наружной периферии, причем каждый паз выполнен с возможностью размещения хвостовика 14 лопатки 16 вентилятора (на фиг. 1 частично показана только одна лопатка). Точнее, хвостовик 14 каждой лопатки 16 имеет форму ласточкина хвоста и по оси закреплен в соответствующем одном из пазов 12, которые выполнены для этой цели.
Кроме того, вращающийся диск 10 имеет кольцевой фланец 18, проходящий по ходу в направлении оси. На своем крае, отдаленном от диска, фланец 18 имеет множество наружных выступов (или зубьев) 20, которые проходят по радиусу наружу относительно диска и которые равномерно распределены по всей периферии диска.
Следует отметить, что количество наружных выступов 20 на фланце 18 равно количеству пазов 12 на диске для размещения лопаток 16 вентилятора. Кроме того, наружные выступы 20 по существу выровнены (в осевом направлении) с соответствующими выступами пазов 12.
На своем крае, отдаленном от диска 10, фланец 18 дополнительно имеет кольцо 22, проходящее по радиусу наружу относительно диска (т.е. по направлению его оси вращения Х-Х). Кольцо 22 имеет отверстия 24, распределенные по всей периферии кольца. Желательно устанавливать кольцо 26 так, чтобы оно удерживалось винтами 28, входящими в отверстия 24. Назначение такого кольца заключается в предотвращении тангенциального движения стопорного кольца и выполнении других функций в вентиляторе турбомашины (в частности, удержание межлопаточных площадок).
Стопорное кольцо 30 для осевой фиксации лопаток 16 выполнено с возможностью установки вокруг фланца 18 диска 10. Это стопорное кольцо 30 имеет множество внутренних выступов (или зубьев) 32, проходящих по радиусу внутрь относительно диска и выполненных с возможностью взаимодействия по оси с наружными выступами 20 фланца 18, когда это кольцо установлено вокруг фланца. Таким образом, количество выступов фланца равно количеству выступов стопорного кольца.
Кроме того, стопорное кольцо 30 снабжено наружными выступами (или зубьями) 34, которые проходят по радиусу наружу относительно диска и которые выровнены по радиусу с внутренними выступами 32 стопорного кольца. Когда стопорное кольцо 30 установлено на фланце, эти наружные выступы 34 взаимодействуют по оси с опорными элементами 36, установленными так, чтобы упираться в каждый из хвостовиков 14 лопаток.
Как показано на фиг. 3 и 4, стопорное кольцо 30 удерживается по оси на фланце 18 диска посредством соприкосновения между его внутренними выступами 32 и наружными выступами 20 фланца. Посредством наружных выступов 34, которые по оси упираются в опорные элементы 36, стопорное кольцо, таким образом, может удерживать хвостовики 14 лопаток по оси в их соответствующих пазах 12.
Стопорное кольцо 30 устанавливают на фланце 18 диска следующим образом: центрируют кольцо вокруг продольной оси Х-Х турбомашины, смещая вокруг оси его внутренние выступы 32 от наружных выступов 20 фланца 18 диска. Перемещая кольцо по оси, устанавливают кольцо вокруг фланца так, чтобы каждый из его внутренних выступов 32 был вставлен между двумя соседними наружными выступами 20 фланца. После установки кольца его затем поворачивают вокруг продольной оси Х-Х турбомашины так, чтобы его внутренние выступы 32 вошли в соприкосновение по оси с наружными выступами 20 фланца.
Этот способ сборки диска 10 вентилятора имеет определенные недостатки. Во-первых, вращение диска 10 приводит к небольшим перемещениям стопорного кольца 30, что вызывает износ на вершинах наружных выступов 20 фланца 18 диска. Кроме того, при вращении диска стопорное кольцо 30 стремится поворачиваться вокруг фланца диска, что создает опасность отцепления кольца.
Согласно изобретению предлагается устройство для демпфирования вибраций, которым подвергается стопорное кольцо 30, обеспечивающее устранение этих недостатков.
Такое устройство представляет собой опорный элемент 38 из эластомерного материала, который выполнен с возможностью размещения, во-первых, по оси между двумя соседними наружными выступами 20 фланца 18 на диске 10 и двумя сопряженными соседними внутренними выступами 32 стопорного кольца 30 и, во-вторых, по радиусу между фланцем 18 и стопорным кольцом 30.
Как показано на фиг. 5, такой опорный элемент 38 по существу выполнен в форме плоского прямоугольного бруска и имеет поверхности 40 контакта, которые предназначены для вхождения в соприкосновение, во-первых, с соседними выступами 20 и 32, между которыми помещен опорный элемент, и, во-вторых, с внутренней поверхностью стопорного кольца 30 и с фланцем 18 вращающегося диска 10.
Под действием центробежной силы, вызванной вращением диска 10, поверхности 40 контакта опорного элемента 38, выполненного из эластомерного материала, деформируются и прижимаются к стопорному кольцу 30 и фланцу 18 диска, тесно соответствуя их контурам. На фиг. 6 эта деформация поверхностей 40 контакта показана стрелками F1.
Добавление поверхностей контакта между опорным элементом 38 и стопорным кольцом 30 и фланцем 18 диска 10 служит для изменения собственных форм вибраций стопорного кольца. Кроме того, поверхности 40 контакта опорного элемента 38 деформируются и, следовательно, демпфируют вибрации, которым подвергается стопорное кольцо. В результате этого исключается любой риск износа.
Благодаря деформации своих поверхностей 40 контакта опорный элемент 38 служит также для обеспечения тангенциальной фиксации стопорного кольца 30 вокруг фланца 18 диска 10, как это показано стрелками F2 на фиг.6.
На фиг. 7А и 7В показаны различные варианты выполнения опорного элемента, образующего устройство для демпфирования вибраций.
В примере с фиг. 7А опорный элемент 38' из эластомерного материала является по существу одинаковым с опорным элементом с фиг. 5, хотя он дополнительно имеет два паза 42, продольно проходящих в его материале. Эти пазы 42 служат для того, чтобы было легче извлекать опорный элемент.
По сравнению с вариантом выполнения опорного элемента с фиг. 7А опорный элемент 38'' c фиг. 7В дополнительно имеет две лыски 44 для вхождения в соприкосновения с внутренней поверхностью стопорного кольца. Особая геометрическая форма опорного элемента в этом варианте его выполнения служит для того, чтобы избежать ошибки в виде неправильной установки опорного элемента на диске, т.е. при этой форме опорного элемента он может быть установлен на диске только в одном направлении.
Эластомерным материалом опорных элементов 38, 38' и 38'' может быть кремнийорганический (50D6/50D7, 50D8), фторкремнийорганический или фторуглеродный полимер или любой другой материал, обладающий эквивалентными свойствами.
Эластомерный материал опорных элементов 38, 38' и 38'' предпочтительно имеет твердость по шкале Шора в диапазоне от 50 до 90.
Количество и угловое расположение устройств для демпфирования вибраций, установленных на диске, могут варьироваться. В примере с фиг. 1 и 2, на которых показан сектор диска с углом в 90°, имеются три демпфирующих устройства для семи лопаток, что дает 12 устройств на весь диск, который в целом поддерживает 28 лопаток.
Однако на диске можно устанавливать большее или меньшее количество демпфирующих устройств. Минимальное количество равно двум, а максимальное количество соответствует количеству имеющихся мест на диске (т.е. количеству лопаток, поддерживаемых диском). Когда количество демпфирующих устройств меньше, чем количество лопаток, то эти устройства необязательно должны быть распределены равноудаленным образом.
Реферат
Изобретение относится к области установки лопаток вентилятора на вращающемся диске турбомашины, в частности к устройству для демпфирования вибраций осевого стопорного кольца для фиксации лопаток (16) вентилятора турбомашины, при этом лопатки выполнены с возможностью их установки хвостовиками (14) на вращающемся диске (10), имеющем кольцевой фланец (18), проходящий по оси и имеющий множество радиальных выступов (20) для взаимодействия со множеством сопряженных радиальных выступов (32) стопорного кольца (30), устанавливаемого вокруг фланца диска, причем устройство состоит из опорного элемента (38) из эластомерного материала, размещаемого по оси между двумя соседними выступами (20) фланца и двумя соседними сопряженными выступами (32) стопорного кольца и по радиусу между фланцем (18) вращающегося диска и стопорным кольцом (30), при этом опорный элемент имеет поверхности контакта для взаимодействия с соседними выступами, со стопорным кольцом и с фланцем вращающегося диска. Обеспечивается снижение вибраций стопорного кольца при вращении диска. 4 н. и 5 з.п. ф-лы, 8 ил.
