Рабочие лопатки осевых компрессоров и турбин

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: знакомство с особенностями конструкции рабочих лопаток осевых турбомашин.

Рабочие лопатки осевых компрессоров и турбин - одни из наиболее ответственных деталей, от конструктивного совершенства и долговечности которых зависит надежность и ресурс ГТД.

Рабочие лопатки должны обладать:

· высокой прочностью, так как на них действуют значительные центробежные и газодинамические силы и моменты, вызывающие напряжения растяжения, кручения и изгиба;

· низким уровнем вибраций, что необходимо для предотвращения опасных резонансных колебаний лопаток на рабочих режимах двигателя;

· высокой точностью изготовления и низкой шероховатостью поверхностей для уменьшения аэродинамических потерь;

· технологичностью изготовления, необходимой при массовом производстве.

Рабочие лопатки состоят из следующих конструктивных элементов: хвостовика или замковой части, полки хвостовика и пера.

Вогнутую поверхность лопатки принято называть корытом, выгнутую - спинкой.

Кромку лопатки со стороны входа газов называют входной, а противоположную - выходной.

Форма лопатки характеризуется рядом геометрических параметров, к числу которых относятся:

· средняя линия профиля - кривая, представляющая собой геометрическое место центров окружностей, вписанных в профиль;

· хорда профиля - расстояние между крайними точками средней линии;

· угол установки профиля - угол между хордой профиля и фронтальной линией решетки;

· угол закрутки лопатки - разность между углами установки профилей пера в корневом и периферийном сечениях;

· высота лопатки - расстояние между концевыми поверхностями лопатки, измеряемое по радиусу;

· изогнутость профиля - наибольшая ордината средней линии профиля;

· максимальная толщина лопатки.

При профилировании рабочих лопаток важно учитывать влияние на статическую и динамическую прочность таких её конструктивных параметров, как трапецевидность и клиновидность.

Трапециевидность характеризуется отношением длины хорды профиля периферийного сечения к длине хорды в корневом сечении.

Клиновидность лопаток определяется отношением максимальной толщины профиля в периферийном сечении к максимальной толщине профиля пера в корневом сечении.

Важной характеристикой лопатки является относительная толщина профиля

рабочие лопатки осевых компрессоров и турбин - student2.ru .

Выбор минимального значения толщины профиля определяется условиями прочности, жесткости и технологией изготовления лопаток.

Удлинение лопатки представляет собой отношение длины (высоты) лопатки к хорде на среднем диаметре.

Лопатки крепятся к наружным поверхностям роторов при помощи замковых соединений, которые должны обеспечивать:

· высокую прочность,

· возможность размещения необходимого числа лопаток,

· легкость сборки и замены лопаток,

· малую массу.

Существует два основных типа замковых соединений с хвостовиками лопаток: "ласточкин хвост" и "елочка", причем первый тип применяется в основном в компрессорах, а второй - в турбинах.

Рабочие лопатки изготавливаются штамповкой или точным литьем с последующей механической обработкой.

Чистота обработки пера лопатки оказывает большое влияние на прочность и на величину аэродинамических, прежде всего профильных потерь энергии.

С целью повышения КПД ступени на концах профильной части компрессорных лопаток иногда выполняются бандажные полки с одним либо несколькими уплотнительными гребнями. Благодаря этому удается предотвратить перетекание газа от корыта к спинке лопаток и между их наружными торцами и корпусом турбомашины.

Для рабочих лопаток турбины наличие бандажных полок является, чаще всего, обязательным.

При монтаже между бандажными полками соседних лопаток создают натяг, что позволяет уменьшить их колебания.

При работе ГТД лопатки испытывают высокие статические и динамические нагрузки. Например центробежная сила, возникающая при вращении рабочего колеса компрессора, достигает 300 - 600 кН. Поэтому для снижения напряжений площадь концевого сечения лопатки меньше площади корневого сечения.

Лопатки, особенно первой ступени компрессора, подвержены значительному износу при эксплуатации в результате попадания на них пыли, капель жидкости, посторонних предметов.

Рабочие лопатки компрессоров отличаются тонкой входной кромкой, малыми углами поворота потока.

Для изготовления длинных рабочих лопаток первых ступеней компрессора применяются алюминиевые и титановые сплавы.

В высоконапорных компрессорах температура лопаток последних ступеней может достигать 1000 К и более. Для их изготовления применяют легированные стали 30ХГСА, 40ХНМА и др.

Рабочие лопатки турбины состоят из тех же конструктивных элементов, что и лопатки компрессора, но имеют другие геометрические параметры и форму.

Профильная часть турбинных лопаток имеет большую относительную толщину и кривизну; у нее резче выражено изменение площади сечений по высоте лопатки и более развита замковая часть.

Угол закрутки рабочих лопаток турбины достигает 30⁰ и более градусов.

Лопатки турбин работают в более тяжелых условиях, чем компрессорные. Температура газов на выходе из камеры сгорания достигает 950 К …1600 К .

При температуре газов менее 1000 К для обеспечения надежной работы лопаток, изготовленных из современных жаропрочных сплавов на никелевой или кобальтовой основе (ЖС6-К, ХН77ТЮР и др.), достаточно обеспечить отвод тепла от пера лопаток в диск рабочего колеса турбины. Для увеличения отвода тепла рабочие лопатки могут иметь удлиненные принудительно охлаждаемые хвостовики.

С повышением температуры газа снижается надежность и ресурс рабочих лопаток, растет влияние термоусталостных процессов и высокотемпературной газовой коррозии.

Поэтому в современных высокотемпературных ГТД рабочие лопатки одной или нескольких первых ступеней турбины выполняются охлаждаемыми.

В современных высокотемпературных ГТУ наибольшее распространение получило внутреннее конвективное воздушное охлаждение рабочих лопаток. Охлаждение чаще всего происходит по следующей схеме: воздух подводится вдоль диска рабочего колеса турбины к корневым сечениям лопаток. Далее через хвостовик вводится в перо лопаток и охлаждает их. Нагретый воздух отводится из лопаток через их выходные или периферийные кромки.

Идут активные исследования по созданию высокотемпературных неохлаждаемых лопаток из керамических и металлокерамических материалов. Их механические свойства практически не изменяются при нагреве до 1500 К. Однако эти материалы пока не обладают необходимой долговечностью из-за повышенной чувствительности к вибрациям и местным концентраторам напряжений.

Порядок выполнения работы

1. Изучить конструкцию рабочих лопаток турбины и компрессора (основные элементы, способ охлаждения, способ крепления и т.д.)

2. Выполнить эскизы рабочих лопаток турбины и компрессора.

3. Определить геометрические параметры лопаток, заполнить таблица 2.

4. Выявить различия в конструкции компрессорных и турбинных лопаток и объяснить причины их вызвавшие.

Таблица 2

Геометрическая характеристика	Лопатка турбины	Лопатка компрессора
Высота (длина) L, мм
Длина хорды b, мм
Удлинение l =L/b, мм
Максимальная толщина профиля в периферийном сечении С, мм
Относительная толщина в переферийном сечении .