Роторы газовых турбин и компрессоров

Роторы газовых турбин и компрессоров работают в сложных условиях: температура воздуха перед компрессором в зимнее время может снижаться до —50° С, а температура газа перед тур­биной быть более 1000° С. При слишком низких температурах ме­таллы становятся хрупкими и проявляется такое их свойство, как хладноломкость, а при высоких температурах в результате боль­шой пластичности — ползучесть.

В газотурбинных установках используют цельнокованые, свар­ные и сборные роторы.

Роторы турбины и компрессора ГТУ могут выполняться как самостоятельные элементы или собираться в единый ротор. Цель­нокованые роторы турбины и компрессора показаны на рис, 4, а—г.

Ротор, показанный на рис. 4, а, состоит из роторов турбины и компрессора, изготовленных из одной поковки. В настоящее вре­мя такие роторы в мощных ГТУ не применяют. Основной их недо- статок состоит в том, что роторы турбины и компрессоры прихо­дится изготавливать из одного металла.

Рис. 4. Цельнокованые роторы:

а — из одной поковки (турбины и компрессора), б, в — ба­рабанного и дискового типов (компрессора), г — турбины; 1, 6 — шейки ротора, 2, 5 — концевые уплотнения, 3 — иазы (места установки лопаток компрессора), 4 — диски турбины. 7 — центральное сверление, S — фланец, S — расточка, 10 — диски с лопатками компрессора; /—// — компрессорная и турбинная части

Это невыгодно, так как ротор турбины работает при высокой температуре и для него тре­буется металл высокого качества, а ротор компрессора может быть изготовлен из более дешевого металла. Однако на примере этого ротора удобно рассмотреть назначение основных его элементов. . Ротор можно, разделить на две части: компрессорную 7 и турбинную //. На концах ротора выполняются шейки 1 и 6, которыми он опирается на подшипники. За шейками располагаются места установки концевых уплотнений 2 и 5. В компрессорной части ро­тора протачиваются специальные пазы 3, в которых крепятся ра­бочие лопатки компрессора, а в турбинной — диски 4, на цилинд­рической части которых также выполняются пазы, необходимые для крепления рабочих лопаток турбины.

Вдоль оси ротора для контроля качества металла протачива­ется центральное отверстие 7. Через него обнаруживают язвы, трещины, пустоты, которые могут возникнуть при ковке заготовки ротора.

Цельнокованые роторы барабанного типа (рис. 4, б) приме­няют в компрессорах. Так как внутри ротора выполнена большая полость (расточка) 9, он получается относительно легким и жест­ким. На правом конце такого ротора имеется фланец 8, к которо­му может крепиться концевик с шейкой под подшипник и конце­выми уплотнениями или ротор газовой турбины.

Цельнокованые роторы дискового типа (рис. 4, в) чаще всего используются в компрессорах. Рабочие лопатки компрессора рас­полагаются в пазах, выполненных на цилиндрической части дис­ков 10. Если число ступеней в газовых турбинах невелико, в них также применяют цельнокованые роторы. На рис. 4, г показан цельнокованый ротор двухступенчатой газовой турбины, который фланцем 8 крепится к ротору компрессора.

Роторы компрессоров изготавливают также сварными (рис. 5). Такие роторы состоят из нескольких сваренных, друг с другом дис­ков 6. К первому (левому) диску приварен концевик 2 с концевы­ми уплотнениями 3 и шейкой У, последний (правый) диск имеет выступ, который заканчивается фланцем 5. Сварные роторы обла­дают большой прочностью и жесткостью.

В газотурбинных установках часто используются сборные ро­торы турбин и компрессоров: с насадными дисками, а также из сплошных дисков и из дисков с центральными отверстиями, скреп­ляемых стяжками.

Роторы с насадными дисками (рис. 6) в основном применяют в компрессорах. Диски 1 насаживают на вал 2 с натягом, для чего их предварительно нагревают, чтобы диаметр внутренней расточки увеличился. После остывания диски плотно охватывают вал. Роторы такой конструкции можно использовать при относи­тельно небольших температурах.

Роторы турбины и компрессора, состоящие из отдельных дис­ков и концевиков без центрального отверстия, показаны на рис. 7, а, б. Диски имеют отверстия 10, расположенные вдали от оси вращения ротора. Через эти отверстия пропущены стяжки 4. С по­мощью гаек 2 и 6, которые навинчиваются на стяжки, диски и концевики плотно прижимаются друг к другу. Центровка дисков и концевиков обеспечивается окружными поясками 5 (рис. 7, а) или специальным зубчиковым (хиртовым) соединением 8 (Рис.7, б).

Рис. 5. Сварной ротор компрессора: / — шейка, 2 — концевик, 3 — концевые уп­лотнения, < —места установки лопаток, 5 —фланец, 6 — диски

Рис. 6. Ротор компрессора с насадными дисками: / — диски, 2 — вал, 3 — концевые уплотнения, 4 — шейка

Рис. 7. Сборные роторы:

^'„-J~^6es Центрального отверстия (компрессора итурбины), в —с цент­ральным отверстием (турбины); /, 7-концевики, 2, S - гайки, 3-дискв, 4 —стяжки, 5 —пояски, в— зубчнковые (хиртовые) соединения » — ступица, to — отверстия в диске

Применяются также роторы с одной центральной стяжкой 4 (рис. 7, в), которая должна быть большого диаметра, чтобы обес­печивать необходимое усилие натяга гайками. При этом в дисках приходится выполнять центральное отверстие, что снижает их механическую прочность. Чтобы избежать уменьшения прочности дисков, в центральной части их утолщают.— создают ступицу Р.

Применяют также другие конструкции сборных роторов. Так, ротор турбины (рис. 8) собирают из сплошных дисков 4, соеди­ненных штифтами 2, пропущенными через специальные уголки 3, выточенные заодно с дисками. На рис. 9 показан ротор турбины, собранный из дисков 4, соединенных призонными болтами 2, про­пущенными через буртики 3 на ступицах соседних дисков.

Все конструкции роторов, приведенные на рис. 4—9, изобра­жены без рабочих лопаток.

Рабочие лопатки (рис. 10) крепятся на периферии дисков или цилиндрической поверхности ротора и состоят из пера 3 и хвосто­вика 2. Между соседними лопатками образуются каналы для прохода газа. Хвостовик необходим для крепления лопатки в дис­ке. Полки 4 образуют дно каналов, ограниченных перьями сосед­них лопаток.

Хвостовик лопатки, образующий зубчиковое соединение с дис­ком, показан на рис. 11. Зубцы / представляют собой опоры, на которые распределяется нагрузка от сил, возникающих при вра­щениях и стремящихся вырвать рабочую лопатку из диска 6. Зубцы опираются на выступы 5 диска.

Рабочие лопатки располагаются по всей окружности перифе­рии диска в пазах 7 на точно заданных друг от друга расстояниях (шагах). Если пазы 7 параллельны оси вращения ротора, такое расположение хвостовика называют осевой заводкой. Этот тип хвостовиков широко применяется для крепления рабочих лопаток газовых турбин. В роторах компрессоров чаще применяют косую заводку, при которой пазы расположены под углом к оси враще­ния ротора.

Рабочие лопатки компрессоров имеют хвостовики более про­стых конструкций (рис. 12, а—е). На рис. 12, а показан хвостовик типа «ласточкин хвост». Боковые скошенные поверхности хвосто­вика 2 лопатки опираются на расположенные под таким же углом поверхности паза_ в роторе 3. На рис. 12, б показан зубчиковый хвостовик постоянной ширины. При шарнирном соединении рабо­чей лопатки компрессора с диском 6 (рис. 12, в) ее хвостовик 2 имеет отверстие 8, через которое проходит палец 7, укрепленный в диске. Лопатка занимает рабочее положение при вращении ро­тора. Такой тип крепления используется редко.

Для крепления лопаток с помощью зубчиковых хвостовиков или шарнирного соединения на наружной цилиндрической поверх­ности дисков вытачиваются пазы в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора. Такое расположение хвостовиков рабочих лопаток называют тангенциальной заводкой.

Рабочие лопатки устанавливают на роторе («облопачивают ротор») до установки его в турбину.

15

Рис. 10.' Рабочая лопатка турбины:

1 — зубцы, 2 — хвостовик, 3 — перо, 4 — полка

Рис. 8. Сборный ротор турбины из сплошных дисков:

1- 5 — концевнки, 2 — штифты, 3 — полки, 4 — диски

Рис. 9. Сборный ротор турбины из дисков с центральным отверстием:

/, 5 — концевикй ротора, 2 — призои-ные болты, 3 — буртики, 4 — диски

Рис. 11. Хвостовик рабочей лопатки:

/ — зубцы, 2 — тело, 3 — перо лопатки, 4 — полка, 5 — высту­пы диска, 6 — диск, 7 — паз диска

-хв^тоГик хвостовик

Рис. 12. Типы креплений рабочих лопаток компрессоров: хвост, б — зубчнковый хвост, в — шарнирное соединение; / — перо лопатки, 3 — ротор, 4 — зубцы, S — выступе ротора,6 — диск,7 — палец, * — отверстие, 9 — теле вилка

Кроме того, до установки в турбину обязательно проводят статическую и динамическую ба­лансировку как необлопаченного, так и облопаченного ротора.

При статической неуравновешенности (рис. 13, с) центр тя­жести ротора не совпадает с осью вращения, а при динамической (рис. 13, б) совпадает, так как одинаковые небалансы расположе­ны в разных плоскостях вдоль оси ротора.

Статическую неуравновешенность (рис. 13, а) можно обнару­жить в поле сил тяжести. Если установить ротор на специальные опоры 3, он займет такое положение, при котором его центр тяже­сти 4 окажется внизу.

7 кР

Рис. 13. Схемы неуравновешенности ротора:

а — статической, . б — динамической; / — небаланс, 2 — ротор, 3 — опоры, 4 — центр тяжести ротора

Динамическую неуравновешенность (рис. 13, б) нельзя обна­ружить, если ротор не вращается. На рис. 13, б показаны два одинаковых небаланса /, расположенные на окружностях равных радиусов напротив друг друга, но в разных местах по длине ро­тора. В этом случае центр тяжести 4 совпадает с осью вращения ротора, который в поле сил тяжести будет неподвижен. Однако если начать вращать ротор, то появятся силы Р, развиваемые не­балансами /, которые создадут момент на плече /. Под действием пары сил Р ротор начнет вибрировать. При балансировке доби­ваются, чтобы небаланс укладывался в установленные нормы. Балансировку проводят с помощью специальных приспособлений и станков.