CZ309835B6 - Lopatka oběžného kola umístěná na kompresorovém kole - Google Patents

Abstract

Lopatka (2) oběžného kola pro umístění na kompresorovém kole (1) je opatřená sací plochou (11) a tlakovou plochou (12) a zakončená špičkou (4), kde špička (4) lopatky (2) je alespoň na straně tlakové plochy (12) opatřena rozšířením (3) ve tvaru plochy plynule navazující na tlakovou plochu (12) lopatky (2) a postupně se rozšiřující ve směru kolmém na směr proudění média po lopatce (2), přičemž rozšíření (3) tvořeno rádiusem tak, že rádius (R) mezi sací plochou (11) a/nebo tlakovou plochou (12) a rozšířením (3) je konstantní a jeho hodnota je rovna rádiusu (R) na patě lopatky (2). Rozšíření (3) může navazovat na sací plochu (11) lopatky (2).

Description

Lopatka oběžného kola umístěná na kompresorovém kole

Oblast techniky

Vynález se týká úpravy geometrie lopatek oběžného kola kompresorového stupně pro vysoké účinnosti. Jedná se o dílec, který se používá v tzv. kompresorovém stupni pro stlačování plynného média. Kompresory jsou zařízení používaná, např. v oblasti automobilového, letadlového, dopravního, či energetického průmyslu.

Dosavadní stav techniky

V technické praxi existují dva základní druhy kompresorů, radiální a axiální, nebo jejich kombinace, např. diagonální. Tyto dva základní druhy turbokompresorů používají v základu dvě různé varianty kompresorového kola, a tedy geometrického provedení jejich lopatek. U axiálních kompresorových kol jsou lopatky situovány kolmo k ose rotace, tj. hřídeli, se kterými jsou buďto smontované, nebo monoliticky vyrobené a dohromady tak tvoří rotorovou část kompresoru, přičemž jak vstup na lopatku, tj. náběžná hrana, tak výstup z lopatky, tj. odtoková hrana, jsou orientovány v axiálním směru rotoru, tedy paralelně s osou rotace. U radiálních kompresorových kol jsou lopatky situované tak, že vstup na lopatku je orientovaný v axiálním směru, tedy paralelně s osou rotace, a výstup z lopatky je orientovaný v radiálním směru, tedy kolmo na osu rotace. U radiálních kompresorů jsou lopatky zpravidla monoliticky vyrobené přímo na hřídeli, resp. kotouči. Účinnost kompresoru je určena zejména geometrií lopatek kompresorového kola a také dalších částí kompresorového stupně. Při návrhu kompresorového kola je tedy pozornost věnována zejména geometrickým úpravám lopatek a hraničních ploch na patě a špičce. Za účelem zvyšování účinnosti kompresorového kola byly dosud nalezeny následující možnosti geometrických úprav lopatek.

Řešení č. 1 - u kompresorových kol pro radiální kompresory jsou z důvodu nižších nákladů při sériové výrobě v drtivé většině lopatky tvořeny přímkovým profilem. Přímkový profil umožňuje obrábět lopatky produktivní technologií obrábění bokem nástroje, avšak geometrie lopatek je omezena dosahováním nižší účinnosti. Pro dosažení vyšší účinnosti kompresorového kola je tedy využíváno obecně tvarovaných lopatek bez omezení na přímkový profil. Nevýhodou takového řešení je zvýšení času obrábění vlivem nutnosti tzv. řádkování ploch lopatek.

Řešení č. 2 - u kompresorových kol pro radiální kompresory se kromě hlavních lopatek mohou využívat i mezilopatky, které jsou umístěné mezi hlavními lopatkami. Většinou jsou tyto mezilopatky umístěné přímo uprostřed mezi dvěma hlavními lopatkami, ale pro dosažení zvýšené účinnosti se přistupuje k řešení, kdy není mezilopatka umístěna přímo uprostřed mezi dvěma hlavními lopatkami, ale je k jedné hlavní lopatce blíže, tj. je blíže k tzv. sací straně lopatky. Takové řešení je popsáno např. v patentu EP 0439267 A1. Výhodou tohoto řešení je, že může být aplikováno i pro výše uvedené přímkové plochy lopatek, které lze produktivně obrábět bokem nástroje. Nevýhodou tohoto řešení je, že se ještě více zúží prostor mezi náběžnou hranou mezilopatky a hlavní lopatkou, čímž je nutno volit frézovací nástroj o menším průměru. Nástrojem o nižším průměru frézování časově náročnější nežli při frézování s nástrojem o vyšším průměru, jelikož je nutno aplikovat více drah nástroje pro dosažení žádané drsnosti lopatky.

Řešení č. 3 - jelikož se kompresorový stupeň skládá ze statorové části, tzv. skříně, a rotorové části, mezi kterými je nutno dodržet mezeru jako tzv. nadlopatkovou vůli, tak v této mezeře dochází ke ztrátám účinnosti přetokem média přes hranu lopatek. Dalším přístupem pro zvýšení účinnosti kompresorového kola může být realizace tzv. monolitického kompresorového kola včetně krycího kotouče na špičce lopatek. Umístěním krycího kotouče na špičky lopatek je zabráněno přetoku média mezi lopatkami, ale je nutné umístit mezi krycí disk a statorovou část břity, které snižují přetok média mezi vstupem a výstupem z oběžného kola. Takový přístup se

- 1 CZ 309835 B6 používá jak u axiálních turbokompresorů, tak u radiálních turbokompresorů. Řešení monolitického kompresorového kola včetně krycího kotouče pro radiální turbokompresor je popsáno např. v patentu WO 2007021625 A1. Nevýhodou monolitického kompresorového kola s krycím kotoučem je velmi vysoká náročnost obrábění, jelikož je přístup nástroje k lopatkám velmi omezený a je nutno aplikovat frézovací operace jak ze strany vstupu na lopatky, tedy ze směru náběžné hrany, tak ze strany výstupu lopatky, tedy ze směru odtokové hrany, a je nutno používat nástroje o velmi malém průměru, což způsobuje i náchylnost k vibracím při obrábění a tedy snížení kvality obráběných ploch.

Řešení č. 4 - podobnou variantu k řešení, které je popsáno v bodě č. 3, představuje varianta řešení samostatného kompresorového kola se samostatným krycím kotoučem, který je na lopatky připevňován buďto rozebíratelným, nebo nerozebíratelným spojem. Spojení krycího kotouče a lopatek je prováděno několika možnými způsoby, jako např. svařováním, pájením, šroubováním, nebo kolíkovým spojem. Výhodou takového řešení je, že lopatky kompresorového kola jsou obráběny běžným způsobem, tedy s využitím vhodného nástroje, a obrábění je tak produktivní. Nevýhodou tohoto řešení je ovlivnění lopatek provedeným spojem a nutnost dosažení trvanlivého spoje. Nutnou podmínkou pro takové řešení jsou však také geometrické a materiálové předpoklady lopatek, aby byl spoj realizovatelný. Obecně je toto řešení možné aplikovat jak u axiálních, tak radiálních kompresorů.

Řešení č. 5 - dalším přístupem pro zvyšování aerodynamické účinnosti jsou tzv. segmentované krycí kotouče, které se vyrábějí jako součást dílčích lopatek. Toto řešení je vhodné jen pro axiální kompresorová kola, nebo turbíny, které se vyrábějí metodou montáže oběžného hřídele či disku s dílčími lopatkami. Hřídel, či disk jsou s lopatkami spojovány pomocí tzv. zámků. Krycí kotouč je vytvořen postupným skládáním lopatek a celistvý je až tehdy, kdy je vložena poslední lopatka. Výhodou tohoto řešení je produktivní výroba lopatek včetně segmentů krycího kotouče. Nevýhodou tohoto řešení je, že je aplikovatelné pouze u axiálních kompresorů, či turbín a také spáry mezi dílčími segmenty krycího kotouče, vzniklé tolerancemi výroby a montáží.

Řešení č. 6 - většinou jsou běžné varianty lopatek koncipované tak, že náběžná hrana je tvořena přímkou ve směru příčném na směr proudění, což nepředstavuje složité řešení při tvorbě geometrie lopatek. Ve směru podélném na směr proudění je profil náběžné hrany většinou tvořen elipsou. Variantou geometrické úpravy lopatek využívanou pro zvýšení aerodynamické účinnosti je proto tvarovaná, či profilovaná náběžná hrana lopatek ve směru příčném na směr proudění. Toto řešení se využívá u kompresorových kol jak pro axiální, tak i radiální turbokompresory. Nevýhoda tohoto řešení je, že tvorba tvarování náběžné hrany vyžaduje zkušenosti a u každé varianty kompresorového kola jde zcela o unikátní řešení. Další nevýhodou je složitost výroby, jelikož kompresorové kolo již není možné vyrábět produktivní variantou bokem nástroje, ale je nutné lopatku vyrábět méně produktivní metodou řádkování.

Řešení č. 7 - další variantou geometrické úpravy lopatek, která je známa pro zvýšení aerodynamické účinnosti, je realizace úzké drážky s plochým dnem po celé délce horní křivky lopatky určující špičku lopatky neboli meridián oběžného kola. Úzká drážka je situována tak, že je otevřená směrem k statorové části. Úzkou drážkou je zapříčiněn vznik vířivého proudění, které sníží vliv přetoku média mezi lopatkou a statorovou částí. Výhodou je, že řešení nezesložiťuje výrobu lopatek. Podmínkou pro uplatnění tohoto principu však je dostatečná šířka špičky lopatky. Zejména se toto řešení uplatňuje u turbínových oběžných kol.

Řešení č. 8 - bylo také popsáno řešení spočívající v uplatnění rozšíření špičky lopatky axiálních kompresorových kol, jak je tomu např. ve spisu CN 101255873 A. Výhodou řešení je usměrnění proudění média tak, že se snižují ztráty přetokem mezi statorem a rotorem. Nevýhodou je zesložitění procesu obrábění lopatek těchto kol tím, že je zúžen prostor mezi lopatkami a tím je nutno používat nástroje nižších průměrů, čímž je obrábění méně stabilní a náročnější na čas výroby. Také je nutné aplikovat speciální dráhy nástroje přímo na špičce lopatky. Další

- 2 CZ 309835 B6 nevýhodou je, že zvýšením hmotnosti špičky lopatky je změněna vlastní frekvence lopatek a také se mění rozložení průběhu napětí v lopatce při rotaci.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny nově navrženou lopatkou oběžného kola, umístěnou na kompresorovém kole, opatřenou sací plochou a tlakovou plochou a zakončenou špičkou, podle tohoto vynálezu. Jeho podstatou je to, že špička lopatky je alespoň na straně tlakové plochy opatřena rozšířením ve tvaru plochy plynule navazující na tlakovou plochu lopatky a postupně se rozšiřující ve směru kolmém na směr proudění média po lopatce, přičemž rozšíření je širší, než je původní šířka špičky lopatky a rozšíření je tvořeno rádiusem R.

Rozšíření může navazovat i na sací plochu lopatky, přičemž rozšíření je též tvořeno rádiusem R.

Rádius R mezi sací plochou a/nebo tlakovou plochou a rozšířením je ve výhodném provedení konstantní a jeho hodnota je rovna rádiusu R na patě lopatky.

Rozšíření může být na svém vrcholu opatřeno vybráním s tvarem dna vybraným ze skupiny dno rovné, dno zužující se do špičky a dno zaoblené.

Navrhovaná lopatka může být využita jako mezilopatka.

Podstatou řešení je geometrická úprava lopatek kompresorového kola, která spočívá v realizaci rozšířené hrany po celé délce špičky lopatky. Rozšířená hrana na špičce lopatky je realizována tak, že na stávající plochu lopatky navazuje v příčném směru na směr proudění v určité definované vzdálenosti od hrany špičky lopatky nová plocha. Tato nová plocha je tvořena rádiusem tak, aby navazovala tečně na původní plochu lopatky a ve směru kolmém na směr proudění se plynuje rozšiřovala tak, že šířka nabyde své maximální hodnoty v místě hrany lopatky, tedy na tvořící křivce tzv. meridiánu oběžného kola, tj. špičky lopatek. Šířka špičky lopatky má tedy v této upravené verzi větší rozměr nežli u původní verze lopatky.

Tato nová, špičku rozšiřující plocha usměrňuje část proudění média zpět mezi lopatky díky tečné návaznosti na původní plochu lopatky a snižuje tak objem přetoku média nadlopatkovou vůlí mezi lopatkami a statorem. Tím je zvyšována účinnost a stlačení oběžného kola.

Ve směru kolmém na směr proudění je tedy profil rozšiřující špičky lopatky tvořený rádiusem, který tečně navazuje na původní plochu lopatky. Vhodnou variantou je, pokud je tento profil tvořený částí kružnice o poloměru R shodném s poloměrem R špičky frézy, kterou je obráběna plocha lopatky. V takovém případě je pak i výroba lopatky s touto rozšiřující plochou špičky lopatky méně náročná nežli v případě, kdy by byla profilem nové plochy obecná křivka, např. spline křivka, což by znamenalo, že bude nutné tuto novou plochu vyrábět několika průjezdy nástroje, tedy méně produktivní frézovací strategií výroby.

Částečnou nevýhodou lopatky s novou plochou dle přihlašovaného řešení, která rozšiřuje její špičku, je, že ji již nelze obrábět produktivnější technologií bokem nástroje, ale je nutno ji tzv. řádkovat špičkou frézy, tedy nastavit několik průjezdů nástrojem po ploše lopatky ve směru proudění média. Touto technologií obrábění je dosahováno méně produktivních časů výroby nežli v případě obrábění lopatky bokem nástroje. S výhodou lze však tuto úpravu lopatky rozšířením její špičky kombinovat s obecně tvarovanými plochami lopatek, aniž by bylo nutné se omezit na přímkový profil lopatek. Tím je možné dosáhnout výrazného přínosu v účinnosti a stlačení oběžného kola.

V některých případech obecně tvarovaných lopatek v kombinaci s rozšířením špičky lopatky může dojít k tomu, že prostor mezi lopatkami bude natolik uzavřený, že nebude možné použít

- 3 CZ 309835 B6 stejnou frézu pro frézování ploch lopatek i pro realizaci plochy rozšířené špičky lopatky. V takovém případě je pak nutné plochu rozšiřující špičku lopatky obrábět např. frézou, která má průměr dříku menší, nežli je průměr kulové špičky frézy. Tím je zajištěna vyrobitelnost této tvarové úpravy lopatky i ve variantách kompresorových kol, kde nastávají úzké mezery mezi lopatkami.

Technické řešení lze realizovat jak na hlavních lopatkách kompresorového kola, tak na mezilopatkách kompresorového kola.

Objasnění obrázků

Lopatka oběžného kola umístěná na kompresorovém kole podle tohoto vynálezu bude podrobněji popsána na konkrétním provedení s pomocí přiložených výkresů, kde na obr. 1 je vidět kompresorové kolo v podélném řezu, dále je na obr. 1 vyznačen řez A-A orientovaný v příčném směru na směr proudění média po lopatce. Řez A-A lopatkou je blíže uveden na obr. 2, kde v tomto řezu je blíže vidět provedení nového technického řešení úpravy špičky lopatky a také různé varianty provedení. Na obr. 2a je vidět základní varianta technického řešení úpravy špičky lopatky typu „T“, přičemž rádius rozšiřující plochy lopatky je konstantní a jeho hodnota je rovna rádiusu „R“ na dně neboli patě lopatky. Na obr. 2b a obr. 2c jsou naznačeny varianty, u kterých je vyznačena možnost vytvoření odlehčení rozšířené šičky lopatky pomocí vybrání ve tvaru drážky na špičce lopatky. Na obr. 2d je vidět varianta, u které je vytvořena rozšiřující plocha lopatky jen na tlakové ploše lopatky.

Příklad uskutečnění vynálezu

Princip technického řešení je blíže naznačen na přiložených výkresech. Na obr. 1 je vidět kompresorové kolo v podélném řezu s jádrem 1 kompresorového kola, které také určuje křivku patního meridiánu oběžného kola. Na jádro 1 navazuje lopatka 2, nyní hlavní lopatka, ale řešení je aplikovatelné i na tzv. mezilopatku, která se nachází vždy mezi dvěma hlavními lopatkami 2. Lopatka 2 je opatřena novou plochou v oblasti špičky 4 lopatky 2, tzv. rozšířením 3, které vzniklo pro vytvoření rozšíření špičky 4 lopatky 2 jako nové technické řešení a je naznačeno podél celé křivky špičky 4 lopatky 2. Špička 4 lopatky 2 určuje křivku meridiánu špičky 4 lopatky 2, neboli vnější meridián kompresorového kola. Dále je na obr. 1 vyznačen řez A-A orientovaný v příčném směru na směr proudění média po lopatce 2. Řez A-A lopatkou je blíže uveden na obr. 2, kde v tomto řezu je blíže vidět provedení nového technického řešení úpravy špičky 4 lopatky 2 a také různé varianty provedení. Na obr. 2a až 2d je znázorněna sací plocha 11 lopatky 2, tlaková plocha 12 lopatky 2 a rozšíření 3 oblasti špičky 4 lopatky 2, kde je realizována úprava dle nového technického řešení. Na obr. 2a je vidět základní varianta technického řešení úpravy rozšíření 3 špičky 4 lopatky 2 typu „T“, kde je rozšíření 3 špičky 4 řešeno na obě strany lopatky 2, tedy na stranu tlakové plochy 12, tak na stranu sací plochy 11. Základní varianta se vyznačuje tím, že plocha rozšíření 3 špičky 4 navazuje tečně na sací plochu 11, resp. tlakovou plochu 12 lopatky 2 a plynule se rozšiřuje až do nejvyššího bodu lopatky 2, tedy samotné špičky 4 lopatky 2. Toto technické řešení je specifické tím, že plocha rozšíření 3 špičky 4 lopatky 2 je tvořena rádiusem. Rádius rozšiřující plochy lopatky 2 je konstantní a jeho hodnota je rovna rádiusu R na dně neboli patě lopatky 2. Tato varianta znamená produktivnější variantu, co se týče výroby, jelikož rozšiřující plocha špičky 4 může být realizována jednou dráhou obráběcího nástroje.

Na obr. 2b a obr. 2c je naznačena varianta, u které je vyznačena možnost vytvoření odlehčení rozšíření 3 špičky 4 lopatky 2 pomocí vybrání ve tvaru drážky na špičce 4 lopatky 2. Toto vybrání může mít dno zužující se do špičky, nebo kruhové dno, podle použitého profilu obráběcího nástroje. Toto vybrání může být podél špičky lopatky přerušované. Odlehčení špičky

- 4 CZ 309835 B6 lopatky 2 pomocí vybrání je možné aplikovat v případech, kdy by rozšiřující špička 4 lopatky 2 zvyšovala napětí v lopatce 2 za rotace kompresorového kola.

Na obr. 2d je vidět varianta, u které je vytvořena rozšiřující plocha lopatky 2 - rozšíření 3 jen na tlakové ploše 12 lopatky 2 a tato varianta je označována jako typu „J“. U takové varianty lze aplikovat produktivnější technologii výroby pomocí obrábění bokem nástroje na sací ploše 11 lopatky 2, tedy jedná se o variantu, která je méně náročná na čas obrábění.

Příkladem řešení je realizace kompresorového stupně s radiálním kompresorovým kolem o průměru 61 mm pro stlačení 2.9 a otáčky 143 000 ot./min. V případě kompresorového kola bez navržené geometrické úpravy je dosahováno účinnosti 81,24 %. Následně byla vytvořena druhá varianta kompresorového kola, kdy byla aplikována navržená geometrická úprava špičky 4 lopatek 2 typu „J“, jako na obr. 2d, u které bylo dosaženo rozšíření špičky 4 lopatek 2 o 0,5 mm pouze na jednu stranu lopatky 2, a také třetí varianta kompresorového kola, kdy byla aplikována navržená geometrická úprava špičky 4 lopatek 2 typu „T“, jako na obr. 2b, u které bylo dosaženo rozšíření špičky 4 lopatek 2 o 0,5 mm na obě strany lopatky 2. V případě navrženého kompresorového kola s geometrickou úpravou typu „J“ bylo dosaženo účinnosti ve výši 81,32 % a s geometrickou úpravou typu „T“ bylo dosaženo účinnosti 81,83 %. V rámci dodržení pevnostních limitů se výše uvedené varianty liší pouze v jednotkách MPa ekvivalentního napětí. Nejvyšší hodnoty napětí bylo dosaženo u varianty s geometrickou úpravou typu „T“, kdy bylo dosaženo 79 % meze kluzu, přičemž mez kluzu byla stanovena pro použitý materiál kompresorového kola (ENAW 7075) na 375 MPa. Obě geometrické úpravy snižují vlastní frekvence.

Je evidentní, že díky geometrické úpravě lopatek s využitím navrženého řešení došlo ke zvýšení účinnosti kompresorového kola.

Na obr. 2a až obr. 2d jsou uvedeny pouze základní možnosti provedení technického řešení neboli varianty provedení technického řešení rozšíření špičky lopatky kompresorového kola pro zvýšení účinnosti.

Průmyslová využitelnost

Tato geometrická úprava lopatek je využitelná u radiálních kompresorových kol libovolných rozměrů. Uvedenou geometrickou úpravu lopatek je možné aplikovat jak na lopatky tvořené přímkovými plochami, tak na obecně tvarované lopatky. Geometrickou úpravu lopatek rozšířením špičky lopatek je možné aplikovat téměř na všechny lopatkové stroje s volnými lopatkami. Využití principu je vhodné zejména pro radiální kompresory.

Claims (3)

1. Lopatka (2) oběžného kola umístěná na kompresorovém kole (1), opatřená sací plochou (11) a tlakovou plochou (12) a zakončená špičkou (4), kde špička (4) lopatky (2) je alespoň na straně 5 tlakové plochy (12) opatřena rozšířením (3) ve tvaru plochy plynule navazující na tlakovou plochu (12) lopatky (2) a postupně se rozšiřující ve směru kolmém na směr proudění média po lopatce (2), vyznačující se tím, že rozšíření (3) je tvořeno rádiusem tak, že rádius (R) mezi sací plochou (11) a/nebo tlakovou plochou (12) a rozšířením (3) je konstantní a jeho hodnota je rovna rádiusu (R) na patě lopatky (2).

10

2. Lopatka (2) oběžného kola podle nároku 1, vyznačující se tím, že rozšíření (3) navazuje i na sací plochu (11) lopatky (2).

3. Lopatka (2) oběžného kola podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že rozšíření (3) je na svém vrcholu opatřeno vybráním s tvarem dna vybraným ze skupiny dno rovné, dno zužující se do špičky a dno zaoblené.

15 4. Použití lopatky (2) oběžného kola podle kteréhokoliv z nároků 1 až 3 jako mezilopatky.