Средний корпус компрессора 4 страница

Рабочие лопатки

Рабочие лопатки служат для преобразования энергии газового потока в механическую работу турбины. Усилия, возникающие на лопатках, через диск передаются на вал.

Лопатки ГТ имеют те же конструктивные элементы, что и ло­патки компрессора, но геометрические формы и пропорции их иные (рис.5. 9).

 

Рис. 5..9. Конструкции рабочих лопаток турбин: а - без бандажной полки; б - с бандажной полкой; в - с коробчатым демпфером; г - с трубчатым демпфером; д - две лопатки в одном пазу; 1 - гребешки лабиринта; 2 - полка бандажа; 3 - перо лопатки; 4 –полка хвостовика; 5 – хвостовик лопатки

 

Рабочие лопатки работают при высоких температурах, испытывают большие статические, вибрационные и температурные напряжения. Они подвергаются одновременно коррозионному и эрозионному действию газов. Так как рабочие лопатки турбин в большинстве случаев определяют надежность и ресурс ГТД, к конструктивным формам лопаток, к способу их крепления, к материалам и технологии изготовления предъявляются особо жесткие требования.

Для рабочих лопаток турбин характерны более толстые, более изогнутые профили и более развитые переходные части и хвостови­ки. Из условия обеспечения прочности и жесткости перо 3 лопатки ГТ выполняется с более резким уменьшением площадей сечений от корня к периферии. Проектирование лопаток ГТ проводится по гео­метрическим параметрам профильной части пера лопатки, опреде­ленным при газодинамическом расчете турбины, с позиций мини­мальной их массы и обеспечения необходимого запаса прочности. При этом необходимо учитывать ограничения по технологичности, стоимости и др.

Для снижения перетекания газа между концом лопатки и корпу­сом на концах профильной части лопаток выполняются бандажные полки 2 с одним или несколькими уплотнительными гребнями 1 (рис.5.9, б). При этом повышается КПД ступени, но перо дополни­тельно нагружается центробежной силой от масс полок. Помимо повышения КПД, бандажные полки снижают напряжения изгиба, повышают вибропрочность, исключают резонансные колебания по гармоникам низших частот. Стыковку бандажных полок между со­бой осуществляют по специальным зигзагообразным замкам, а боковым контактным поверхностям полок придают повышенную твердость для уменьшения износа и наклепа. Для сохранения постоянного контакта по боковым поверхностям бандажных полок, лопатки устанавливаются на ободе с предварительной закруткой, так что по замкам полок получается натяг, препятствующий возбуждению колебаний.

Между пером 3 и хвостовиком лопатки 5 выполняется переходная полка 4 (полка хвостовика). Совокупность полок образует проточную часть рабочего колеса. Хвостовик лопатки может выполняться с удлинением (рис.5.9, в, г, д), что позволяет улучшить охлаж­дения узла соединения диска с лопаткой, снизить температуру замка диска. При этом улучшаются условия работы замка, а диск можно исполнить более тонким и, следовательно, более легким. Для снижения уровня вибраций между полками и хвостовиками могут быть исполнены коробчатые демпферы, бандажные трубки или проволочные связи. С этой же целью бандажные трубки или бандажные полки могут быть выполнены в пере лопатки, однако при этом снижается КПД ступени из-за увеличения гидравлических потерь. Для улучшения вибрационных характеристик лопатки устанавливаются по две в одном пазу (рис.5.9, д). Демпфирующий эффект - за счет сил трения по поверхностям контакта.

В настоящее время температура газа перед турбиной возросла до Т_Г* =1600…1700 К, хотя максимально допустимая, по условиям жаропрочности и жаростойкости, температура основных применяемых материалов лопаток составляет Т_л =1000...1200 С.

Повышение температуры было достигнуто следующими реше­ниями:

1.Увеличением жаропрочности и жаростойкости новых литейных сплавов (повышение температуры составляет примерно 30...40 К).

1. Изготовлением лопаток литьём с направленной кристаллизацией. Например, у лопатки из сплава ЖС6У в 2...2,5 раза повышена
пластичность материала, в 2,5 ресурс лопатки, в 4...5 раз её циклическая долговечность.

2. Применением монокристаллического литья. Позволяет повысить
температуру газов перед турбиной примерно на 50 К.

2. Применением покрытий двух типов:

а) защитные, предохраняющие лопатку от действия агрессивной среды, повышающие жаростойкость лопатки;

б) "тепловой барьер" - покрытия, обладающие очень низким ко­эффициентом теплопроводности. Эти покрытия позволяют при по­стоянной скорости отвода тепла из лопатки уменьшить скорость подвода тепла. В качестве покрытий применяется керамика и метал­локерамика. Например, лопатка, покрытая окисью циркония ZrQ₂ толщиной 0,5 мм, позволила понизить Т на 100 К, что дало возможность уменьшить расход воздуха на её охлаждение в 8 раз. Широкое при­менение покрытий ограничивается их низкой ударной и вибрационной проч­ностью.

5. Совершенствованием системы охлаждения лопаток. Перспективным направлением является также изготовление ло­паток из керамических материалов.

 

5.3. ОХЛАЖДЕНИЕ ЛОПАТОК ТУРБИН

 

Системы охлаждения лопаток отводом тепла в диск позволяют понизить температуру, у ее основания, всего на 50...80 К, поэтому в основном в современных двигателях на первых и вторых ступенях турбин применяются охлаждаемые сопловые и рабочие лопатки. К системам охлаждения лопаток предъявляются требования:

1. Достаточная эффективность, определяемая отношением использованного хладоресурса к располагаемому:

 

,

 

где Т_г* - температура газа на входе в турбину; Т_л – температура стенки лопатки; Т_в* - температура охлаждающего воздуха. Чем больше Q, тем эффективнее охлаждение Q = 0,4...0,65.

1. Стабильность и надежность охлаждения за все время ресурса.

2. Минимальные градиенты температуры по профилю лопатки.
Желательно иметь < 25 К, Чтобы уменьшить термические напря­жения, особенно на переходных режимах.

2. Минимальное количество воздуха на охлаждение лопаток.

3. Использовать воздух на охлаждение с минимально возможной
температурой (больший хладоресурс). Снизить , можно двумя способами:

а) размещением во втором контуре ТРДД теплообменника (уменьшение Т_в, может составить до 130К);

б) подкруткой воздуха в специальных турбинных решетках, устанавливаемых перед входными каналами корневых частей лопаток (рис.5.35). Снижение температуры воздуха обусловлено осевым безударным входом газа и составляет 40 … 60 К.

6. Минимальные потери воздуха при транспортировке.

В ГТД для охлаждения лопаток применяются в основном три способа охлаждения: конвективное, заградительное, (пленочное) и конвективно- пленочное.

Конвективное охлаждение - отбор тепла с поверхности лопатки в охлаждающий воздух, проходящий внутри тела лопатки по специ­альным каналам. Движение воздуха внутри тела лопатки может быть прямоточным (радиальным) и петлевым (рис.5.10, а,б).

 

 

Рис.5.10 Конструктивные схемы лопаток с конвективным охлаждением:

а- радиальное движение воздуха; б– петлевое движение воздуха

 

Эффектив­ность снижения температуры по радиусу и хорде лопатки определя­ется в основном расходом охлаждающего воздуха, количеством от­верстий, их диаметром и схемой движения воздуха по каналам. Ра­диальное движение охлаждающего воздуха приводит к большему уровню охлаждения лопатки по высоте (рис.5.10, а), однако у лопатки с петлевым движением охлаждающего воздуха меньший градиент температуры по хорде лопатки (рис.5.10 ,б).

Для повышения эффек­тивности охлаждения необходимо:

- увеличить скорость течения по каналам охлаждающего воз­
духа;

- увеличить охлаждаемую площадь лопатки;

- турбулизировать поток охлаждающего воздуха, чтобы весь
его объем участвовал в охлаждении.

Конструктивные решения рабочих лопаток с конвективным ох­лаждением и радиальным движением воздуха приведены на рис. 5.11.

 

Рис.5.11. Конструкция рабочих лопаток турбины двигателя Д30-КУ: а– первой ступени; б- второй ступени; 1- зазор радиальный; 2 – перо лопатки; 3,4 – перемычки; 5- ножка лопатки; 6 – замок пластинчатый; 7 – диск; 8 – канал подвода воздуха; 9 - дефлектор; 10 -каналы радиальные

 

Для увеличения теплоотдачи от пера 2 лопатки в воздух, в канале, в шахматном порядке, расположены цилиндрические штырьки 3 (интенсификаторы охлаждения), отлитые заодно с лопаткой (рис.5.11 ,а). Кроме того, выполнен ряд удлинённых штырьков 4, обеспечиваю­щих направленную подачу воздуха к входной и выходной кромкам пера. Воздух поступает в полость 5 замковой части лопатки из коль­цевых полостей, образованных дефлекторами 9 и дисками 7, через отверстия 8 в диске 7 и пластинчатом замке 6. В лопатке (рис.5. 11,6) движение воздуха радиальное по шести продольным ка­налам круглого сечения 10, проходящим через замковую часть лопат­ки, перо и бандаж. Пройдя через лопатку, воздух сбрасывается в кольцевую полость 1. Отверстия в цилиндрической части пластинчатого замка 6 вы­полняют роль жиклеров с определенным гидросопротивлением, за­дающими расход воздуха через лопатку. Постановка жиклеров на входе в ло­патку позволяет сохранить постоянным расход через все лопатки при выходе из строя одной. Например, при прогаре лопатки расход через неё охлаждающего воздуха изменится незначительно, так как определяется в основном сопротивлением жиклера.

Конструктивные схемы охлаждаемых лопаток с петлевым мно­гоканальным движением воздуха (рис.5.12) позволили более эффективно охлаждать входную кромку, снизить градиенты температуры, как по высоте, так и по хорде и уменьшить расход воздуха на охла­ждение.

 

 

Рис. 5.12.0хлаждаемые лопатки многоканальной конструктивной схемы: а,б – радиальное движение воздуха; в – радиально поперечное движение воздуха

 

Еще большая эффективность конвективного охлаждения у лопа­ток со вставными дефлекторами (рис.5.13). Дефлектор 7, выполняет­ся из тонкого листового материала и устанавливается во внутрен­нюю полость лопатки до упора 8 в заплечики. Oт перемещений в поперечном направлении внутри лопатки, дефлектор 7 удерживается упорами 5. Воздух из подводящей полости замковой части поступает внутрь дефлектора и через отверстия 4 распределяется по поверхно­сти лопатки. Расположение отверстий и их размеры определяются из условия охлаждения поверхности лопатки с максимальной температурой. Пройдя по каналу между дефлектором и лопаткой, воздух сбрасывается в проточную часть двигателя через отверстия 6 в вы­ходной кромке, а часть воздуха - через отверстия 1 в радиальный зазор. Расстоянием между стенкой лопатки и дефлектором обеспе­чивается требуемая скорость движения воздуха, а перемычками 3 и штырьками 9 осуществляется интенсификация охлаждения.

 

Рис.5.13.Охлаждаемые дефлекторные лопатки: а - лопатка конструкции С.К. Туманского; б - двигатель ТРДЦ JT9D-7; 1-отверстия в дефлекторе и лопатке; 2-оребрение передней кромки; 3-перемычки; 4-отверстия по высо­те дефлектора; 5-поперечные упоры; 6-выходной канал; 7-дефлектор; 8-радиальный упор; 9-штырьки

 

При заградительном (пленочном) охлаждении (рис.5.14) воздух из внутренней полости лопатки через ряд мелких отверстий вдувается в пограничный слой газа у лопатки, создавая защитный слой между поверхностью лопатки и горячим газом (рис.5.14, а). Постепенно холодный слой размывается потоком горячего газа, и для надежного охлаждения требуется выполнить новый ряд отверстий для подвода холодного воздуха. Наличие большого числа отверстий на поверхности лопатки снижает её прочность, поэтому на практике широко применяются схемы конвективно-пленочного охлаждения лопатки в которых для охлаждения входной и выходной кромок применяется пленочное охлаждение, а средней части лопатки - конвективное.

Перспективными считаются лопатки с пористым (проникающим) охлаждением (рис.5.14, б). Лопатка состоит из несущего стержня 4 и оболочки 2, выполненной из пористого материала. В несущем стержне выполнены каналы 1 и дозирующие отверстия 3 подвода воздуха из полости 5 в узле соединения с диском.

 

б

Рис.5.14. Конструктивные схемы охлаждаемых лопаток: а - с конвективно-пленочным охлаждением; б - с пористым охлаждением; 1 – радиальные каналы; 2 – пористая оболочка; 3 – дозирующие отверстия; 4 – несущий стержень лопатки; 5- полость в хвостовике лопатки

 

Пористая оболочка представляет собой проницаемый материал с многочисленными микроотверстиями. Проходя через микроотверстия, воздух отбирает тепло от лопатки за счет конвекции и создает над поверхностью ло­патки защитный слой воздуха (пленочное охлаждение). Экспери­ментальные образцы лопаток с пористым охлаждением показали высокую эффективность, однако для широкого практического при­менения данного способа охлаждения лопатки необходимо решить ряд задач. Во-первых, выполнение и поддержание за весь ресурс работы размеров микроотверстий оболочки, во-вторых, изготовле­ние самой оболочки и еёсоединение с несущим стержнем, обеспечивающим требуемые прочностные характеристики.

5.4. КРЕПЛЕНИЕ ЛОПАТОК

 

Узел крепления лопаток к ободу должен обладать: достаточной точностью и жесткостью при малых габаритах и массе хвостовика, обеспечивать точность установки по шагу и углу, возможность размещения необходимого числа лопаток, простотой изготовления установки и замены, низкой стоимостью. Наибольшее применение для крепления лопаток ГТ нашло крепление «елочного» типа (рис.5. 15).

Рис..5. 15. Конструкция и размеры крепление лопаток замком типа «ёлочного»: 1- диск; 2- лопатка; 3 – граница базовых плоскостей в лопатке и хвостовике

Размеры лопаток и число пар зубьев выполняются в соответствии с ОСТ в котором рекомендованы следующие значения:

S - шаг зубьев, мм – 1.8; 2; 2.2; 2.4; 2.6; 2,8; 3; 3.2; 3,5; 4; 4,5; 5,2; 6;

j - угол меду средними линиями гребенок замка – 20^о; 30^о; 40^о; 50^о;

b - угол между средней линией гребенки и рабочей поверхностью зуба – 105^о; 115^о;

g - угол профиля зуба – 55^о; 65^о;

z – число пар зубьев – 2…5.

Преимущества такого соединения:

форма хвостовика и перемычки близка к равнопрочной;

размещение по окружности максимального числа лопаток;

возможность организации хорошего охлаждения;

легкость замены лопатки;

минимальные габариты и масса хвостовика.

Недостатки соединения елочного типа:

высокая точность изготовления как пазов в диске, так и хвосто­виков лопатки, что усложняет технологию и повышает стоимость изготовления;

затруднен теплоотвод от лопатки в диск из-за малой поверхно­сти контакта зубьев замка;

значительные концентрации напряжений вблизи малых радиу­сов впадин.

Установка лопатки в пазу обода осуществляется по свободной посадке с гарантированными зазорами, которые в холодном состоя­нии по базовым плоскостям хвостовика лопатки и паза обода со­ставляют 0,2...0,Змм. Эти зазоры допускают качку лопатки в плоско­сти перпендикулярной продольной оси замка, однако при этом сни­жаются термические напряжения, возникающие вследствие неоди­наковой температуры и коэффициентов линейного расширения ма­териалов лопаток и диска и неравномерного распределения темпе­ратуры по радиусу. При работе двигателя на скоростях вращения ротора [около (0,5...0,7) n_max ] лопатка защемляется.

 

а б в г д е

Рис.5. 16. Способы осевой фиксации рабочих лопаток: а,б,в – индивидуальное - отгибными пластинами; г,д,е – групповое – дефлекторами и кольцами лабиринтных уплотнений

 

Осевая фиксация рабочих лопаток газовых турбин может быть групповой и индивидуальной. На рис.5.16 приведены некоторые кон­структивные виды фиксирующих замков. При работе турбины, пере­мещению лопатки вдоль паза, препятствует сила трения, возникаю­щая под действием центробежной силы, которая значительно пре­восходит сдвигающую газовую силу. Поэтому, способы осевой фик­сации довольно просты: отгибные пластины, керновка, пазы в хвостовике лопатки (рис.5.16, а, б) или диска (рис.5.16, в, г), экра­ны (рис.5. 16, г, д), кольца лабиринтных уплотнений (рис. 5.16, е), вы­ступы на лопатке (рис.5.1б, а) и др. Осевая фиксация лопаток должна быть надежной, так как любое смещение приводит к изменению площади проходного сечения канала на выходе, неравномерности газового потока, нарушению балансировки ротора и, как следствие, повышению вибрации двигателя.

 

5.5. СОПЛОВЫЕ АППАРАТЫ И КОРПУСЫ ТУРБИН

 

Сопловой аппарат (СА) служит для преобразования потенциаль­ной энергии газа в кинетическую с малыми потерями и большой степенью равномерности потока на выходе. Основные элементы СА: сопловые лопатки, наружные и внутренние бандажные кольца рис 5.17.

Рис. 5. 17. Лопатки сопловых аппаратов: а, в, г, ж, з – крепление полками; б – крепление полками и цапфами; д, е – крепление полками и ушками

 

Со­пловые лопатки размещаются на бандажных кольцах, образуя коль­цевую решетку. Внутреннее и наружное бандажные кольца, к кото­рым тем или иным способом крепятся сопловые лопатки, ограничи­вают кольцевой канал проточной части турбины. Роль наружного бандажного кольца может выполнять корпус турбины. Геометриче­ские параметры сопловых лопаток определяются при газодинамиче­ском расчете ступени турбины.

Конструкция сопловых лопаток зависит от способа их изготов­ления и закрепления. Лопатки могут быть с полками рис.5.17, а, в, г, ж,з, цапфами Рис.5.17, б, ушками Рис.15.17, д,е, сплошными Рис.15.17, а,б,д,е или полыми (рис.5.17, в, г, ж, з). Полыми сопловые ло­патки делаются с целью: их охлаждения воздухом, прохода силовых стержней, масляных и воздушных магистралей, а также снижения их массы.

Обычно перо лопатки СА выполняется заодно с внешними и внутренними полками. На рис.5.18 приведены конструкции охлаждаемых лопаток СА с конвективным и конвективно-пленочным охлаждением с двухсто­ронним подводом воздуха через дефлектор.

 

Рис.5.18. Охлаждаемые лопатки сопловых аппаратов: а – лопатка с конвективным охлаждением; б – лопатка с конвективно-плёночным охлаждением; 1-перо лопатки; 2-внешняя полка; 3-внутренняя полка; 4-цилиндрические пояски; 5- кольцевые выступы; 6- отверстия на передней кромке лопатки; 7- отверстия на выходной поверхности лопатки; 8- дефлектор; 9-отверстия в дефлекторе; 10 щелевой канал; 11- цилиндрические штырьки

 

В решении конструкции (рис.5.18, а) охлаждение входной кромки лопатки 6 и профиля I кон­вективное, а выходной кромки - пленочное за счет выхода воздуха через щели 7. В конструкции (рис.5.18, б) реализовано комбинированное конвективно-пленочное охлаждение. Воздух из продольного канала дефлектора 8 выходит через отверстия 9 в области входной кромки в проточную часть, создавая воздушную пелену на поверх­ности пера лопатки. Средняя и задняя часть лопатки охлаждаются воздухом, поступающим из отверстий 9 в дефлекторе и вытекаю­щим через щелевой канал 10 в выходной кромке лопатки.

Для уве­личения турбулизации потока воздуха и повышения теплосъема внутри лопатки, между спинкой и корытцем, выполнены интенсификаторы охлаждения в виде цилиндрических штырьков 11. Цилин­дрические пояски 4, и кольцевые выступы 5, на внутренней полке 3 и внешней полке 2,, используются для установки лопаток в СА.

Основные требования к СА:

обеспечение необходимой точности и идентичности установки лопаток в корпусе и стабильности их положения на всех режимах работы двигателя;

отсутствие значительных температурных напряжений при изме­нении температурного состояния деталей СА;

исключение, как местного перегрева, так и общего перегрева;

простота подвода охлаждающего воздуха как к сопловым лопат­кам, так и силовому корпусу, при обеспечении герметичности и ми­нимуме расхода воздуха на охлаждение;

технологичность изготовления и установки в корпусные детали;

возможность замены лопаток при подборе выходного сечения и ремонтах;

обеспечение соосности деталей лабиринтных уплотнений между ротором и СА на всех режимах работы двигателя;

экономическая целесообразность принимаемого решения.