088.24 8970 лопатка рабочая твд. Рабочие и направляющие лопатки турбины

Общая характеристика турбины

Турбина (рисунок 4.1) – осевая, двухступенчатая, состоит из одноступен- чатой ТВД и одноступенчатой ТНД. Обе турбины имеют охлаждаемые возду- хом сопловые и рабочие лопатки. На пониженных дроссельных режимах рабо- ты с целью повышения экономичности двигателя выполнено частичное отклю- чение охлаждения турбины.

Рис. 4.1 Турбина АЛ-31Ф (лист 1 из 2)

Рис. 4.1 Турбина АЛ-31Ф (лист 2 из 2)

Основные параметры и материалы деталей турбины приведены, соответст- венно, в таблицах 4.1 и 4.2.

Основные данные турбины

Таблица 4.1

Материалы деталей турбины

Таблица 4.2

Конструкция турбины высокого давления

Турбина высокого давления предназначена для привода компрессора вы- сокого давления и агрегатов, установленных на коробках приводов двигатель- ных и самолетных агрегатов. Турбина состоит из ротора и статора.

Ротор турбины высокого давления

Ротор турбины (рисунок 4.2) состоит из рабочих лопаток 1, диска 2, цапфы 3 и вала 4.

Рис. 4.2 Ротор турбины (лист 1 из 2)

Рис. 4.2 Ротор турбины (лист 2 из 2)

Рабочая лопатка (рисунок 4.3) – литая, полая с циклонно-вихревой схемой охлаждения. Во внутренней полости, с целью организации течения охлаждаю- щего воздуха, предусмотрены ребра, перегородки и турбулизаторы.

Рис. 4.3 Рабочая лопатка ТВД

Профильная часть лопатки 1 отделена от замка 2 полкой 3 и удлиненной ножкой 4. Полки лопаток, стыкуясь, образуют коническую оболочку, защи- щающую замковую часть лопатки от перегрева. Удлиненная ножка, обладая относительно низкой изгибной жесткостью, обеспечивает снижение уровня вибрационных напряжений в профильной части лопатки. Трехзубый замок 5

«елочного» типа обеспечивает передачу радиальных нагрузок с лопаток на диск. Зуб 6, выполненный в левой части замка, фиксирует лопатку от переме- щения ее по потоку, а паз 7 совместно с элементами фиксации обеспечивает удержание лопатки от перемещения против потока (рисунок 4.4).

Осевая фиксация рабочей лопатки осуществляется зубом и пластинчатым замком. Пластинчатый замок (один на две лопатки) 8 вставляется в пазы лопа- ток в трех местах диска 9, где сделаны вырезы, и разгоняется по всей окружно- сти лопаточного венца. Пластинчатые замки, устанавливаемые в месте распо- ложения вырезов в диске, имеют особую форму. Эти замки монтируются в де- формированном состоянии, а после выпрямления входят в пазы лопаток. При выпрямлении пластинчатого замка лопатки поддерживают с противоположных торцов.

Рис. 4.4 Осевая фиксация рабочих лопаток ТВД (лист 1 из 2)

Рис. 4.4 Осевая фиксация рабочих лопаток ТВД (лист 2 из 2)

Для снижения уровня вибрационных напряжений в рабочих лопатках меж- ду ними под полками размещают демпферы, имеющие коробчатую конструк- цию (рисунок 4.5). При вращении ротора под действием центробежных сил демпферы прижимаются к внутренним поверхностям полок вибрирующих ло- паток. За счет трения в местах контакта двух соседних полок об один демпфер энергия колебаний лопаток будет рассеиваться, что и обеспечит снижение уровня вибрационных напряжений в лопатках.

Рис. 4.5 Демпфер

Диск (рисунок 4.6) турбины штампованный, с последующей механической обработкой. В периферийной части диска выполнены пазы «елочного» типа для крепления 90 рабочих лопаток, канавки 1 для размещения пластинчатых замков осевой фиксации лопаток и наклонные отверстия 2 подвода воздуха, охлаж- дающего рабочие лопатки. Воздух отбирается из ресивера, образованного дву- мя буртиками, левой боковой поверхностью диска и аппаратом закрутки. На правой плоскости полотна диска выполнены буртик 3 лабиринтного уплотне- ния и буртик 4, используемый при демонтаже диска. В ступичной плоской час- ти диска выполнены цилиндрические отверстия 5 под призонные болты, соеди- няющие вал, диск и цапфу ротора турбины.

Рис. 4.6 Диск ТВД (лист 1 из 2)

Рис. 4.6 Диск ТВД (лист 2 из 2)

Балансировка ротора осуществляется грузиками (рисунок 4.7), закрепляе- мыми в проточке буртика диска и зафиксированными замком. Хвостовик замка загибается на балансировочный грузик.

Рис. 4.7 Узел крепления балансировочного груза ротора

Цапфа 1 (рисунок 4.8) обеспечивает опирание ротора о роликовый под- шипник. Левым фланцем цапфа центрируется и соединяется с диском турбины. На наружных цилиндрических проточках цапфы размещены втулки 2 лаби- ринтных уплотнений. Осевая и окружная фиксация втулок осуществляется ра- диальными штифтами 3. Для предотвращения выпадания штифтов под воздей- ствием центробежных сил после их запрессовки отверстия во втулках заваль- цовываются.

Рис. 4.8 Цапфа ТВД (лист 1 из 2)

Рис. 4.8 Цапфа ТВД (лист 2 из 2)

На наружной части хвостовика цапфы, ниже втулок лабиринтного уплот- нения, размещено контактное уплотнение (рисунок 4.9), зафиксированное ко- рончатой гайкой. Гайка законтрена пластинчатым замком.

Рис. 4.9 Узел контактного уплотнения

Внутри цапфы в цилиндрических поясках центрируются втулки контакт- ного и лабиринтного уплотнений. Втулки удерживаются корончатой гайкой, ввернутой в резьбу цапфы. Гайка законтривается отгибом усиков коронки в торцевые прорези цапфы. Контактное уплотнение показано на рисунок 4.10.

Рис. 4.10 Узел контактного уплотнения

дипломная работа

2.1 Расчет на прочность лопатки ТВД

Рабочие лопатки осевой турбины являются весьма ответственными деталями газотурбинного двигателя, от надежной работы которых зависит надежность работы двигателя в целом.

Нагрузки, действующие на лопатки

При работе газотурбинного двигателя на рабочие лопатки действуют статические, динамические и температурные нагрузки, вызывая сложную картину напряжений.

Расчет на прочность пера лопатки выполняем, учитывая воздействие только статических нагрузок. К ним относятся центробежные силы масс лопаток, которые появляются при вращении ротора, и газовые силы, возникающие при обтекании газом профиля пера лопатки и в связи с наличием разности давлений газа перед и за лопаткой.

Центробежные силы вызывают деформации растяжения, изгиба и кручения, газовые - деформации изгиба и кручения.

Напряжения кручения от центробежных, газовых сил слабозакрученных рабочих лопаток компрессора малы, и ими пренебрегаем.

Напряжения растяжения от центробежных сил являются наиболее существенными.

Напряжения изгиба обычно меньше напряжений растяжения, причем при необходимости для уменьшения изгибающих напряжений в лопатке от газовых сил ее проектируют так, чтобы возникающие изгибающие моменты от центробежных сил были противоположны по знаку моментам от газовых сил и, следовательно, уменьшали последние.

Допущения, принимаемые при расчете

При расчете лопатки на прочность принимаем следующие допущения:

· лопатку рассматриваем как консольную балку, жестко задела н ную в ободе диска;

· напряжения определяем по каждому виду деформации отдел ь но;

· температуру в рассматриваемом сечении пера лопатки считаем одинаковой, т.е. температурные напряжения отсутс твуют;

· лопатку считаем жесткой, а деформацией лопатки под действием сил и моментов пренебрегаем;

· предполагаем, что деформации лопатки протекают в упругой зоне, т.е. напряжения в пере лопатки не превышают предел пропорциональности;

· температура лопатки изменяется только по длине пера.

Цель расчета

Цель расчета на прочность лопатки ТВД - определение напряжений и запасов прочности в различных сечениях по длине пера лопатки.

В качестве расчетного режима выбираем режим максимальной частоты вращения ротора и максимального расхода воздуха через двигатель. Этим условиям соответствует рабочий режим работы двигателя, то есть с частотой вращения 12220 об/мин.

Исходные данные

1. Материал лопатки: ЖС-6К.

2. Длина лопатки = 0.052 м.

3. Радиус корневого сечения = 0.294 м.

4. Радиус периферийного сечения R п = 0.346 м.

5. Объем бандажной полки м 3 .

6. Хорда профиля сечения пера = 0.0305 м.

7. Максимальная толщина профиля в сечениях:

· в корневом сечении м;

· в среднем сечении м;

· в периферийном сечении м.

8. Максимальная стрела прогиба профиля C max средних линий профиля в сечениях:

· в корневом сечении м;

· в среднем сечении м;

· в периферийном сечении м.

9. Угол установки профиля в сечениях:

· в корневом сечении = 1.0664 (рад);

· в среднем сечении = 0.8936 (рад);

· в периферийном сечении = 0.8116 (рад).

10. Интенсивность газовых сил на среднем радиусе в окружном направлении:

11. Интенсивность газовых сил в осевом направлении

12. Частота вращения рабочего колеса n = 12220 об/мин.

13. Плотность материала лопатки = 8250 кг/м 3 .

14. Для охлаждаемой лопатки турбины можно считать, что на двух третях длины лопатки (от периферийного сечения) температура - постоянна, а на одной трети (у корня) изменяется по закону кубической параболы:

где Х - расстояние от корневого сечения до расчетного;

t Л - температура лопатки в расчетном сечении;

t ЛС - температура лопатки на среднем радиусе (из термогазодинамического расчета);

t ЛК - температура лопатки в корневом сечении.

15. Предел длительной прочности выбираем в зависимости от температуры лопатки:

Согласно нормам прочности минимальный запас по статической прочности профильной части рабочей лопатки турбины должен быть не менее 1.3.

Расчёт на ЭВМ

Вычисления делаем по программе Statlop.exe. Результаты приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Результаты расчета лопатки на прочность

Рисунок 2.1 - График распределения суммарных напряжений лопатки по сечениям

Рисунок 2.2 - График распределения коэффициента запаса прочности лопатки по сечениям

Произведен расчет на статическую прочность пера рабочей лопатки ТВД. В качестве материала была использована жаропрочная сталь ЖС-6К. Полученные значения запасов прочности во всех сечениях удовлетворяют нормам прочности: .

Авиационный винтовентиляторный двигатель

Гидравлический расчет проточной части центробежного насоса НЦВС 40/30

3.5.1 Напряжение в лопасти от расчетного перепада давления напора определяется по формуле, где - расчетный перепад давления, = 11,85 b - ширина лопатки, b = 12 мм д - толщина лопатки, д = 3...

Исследование термонапряженного состояния и оценка ресурса охлаждаемой лопатки турбины авиационного ГТД

В результате расчёта поля напряжений лопатки на базовом режиме получаем, что минимальный запас прочности без ползучести, равный 0,79 имеет точка 55 (таблица 4). Таблица 4 Температура, °С 1010,9 Напряжение у, МПа 113...

Конструкторско-технологическая подготовка мелкосерийного производства валов агрегатов авиационных двигателей на специализированном участке

Рабочие лопатки осевого компрессора являются весьма ответственными деталями газотурбинного двигателя, от надежной работы которых зависит надежность работы двигателя в целом...

Осевой компрессор

Расчёт по высоте лопатки ведётся по закону постоянной циркуляции. Первая ступень РК НА Втулка Периферия Втулка Периферия 124,77 71,52 250,77 155,57 м/с 175 175 м/с 174,61 174,61 град. 54,51 67,77 град. 47,44 32...

Создаем файл исходных данных IGOR0. tm: 9 1 - тип задачи (стационарная, плоская) 0 1 10 - количество отрезков задания теплоотдачи 4 19 63 93 108 111 135 156 178 206 7223,396 - коэффициент теплоотдачи на входной кромке 2885...

Охлаждение лопатки турбины высокого давления

Расчет термонапряженного состояния выполняем с помощью программы GRID3. EXE. Исходный файл SETAX. DAT (см. подпункт 5.3). После запроса указываем имя файла, содержащего данные о температурном поле лопатки (IGOR0. tem). Результат будет занесен в файл с именем IGOR0...

Проектирование турбины винтовентиляторного двигателя

Рабочая лопатка турбины является весьма ответственной деталью газотурбинного двигателя, от надежности работы которой зависит надежность работы двигателя в целом. При работе авиационного двигателя на рабочую лопатку действуют статические...

Разработка конструкции компрессора высокого давления ТРДДФсм для легкого фронтового истребителя на базе существующего ТРДДФсм РД-33

Расчет турбореактивного двигателя р-95Ш

Технико-экономическое обоснование этапов технологического процесса изготовления, комплектов технологических баз, методов и последовательности обработки поверхностей водила

Рабочие лопатки осевого компрессора являются ответственными деталями газотурбинного двигателя, от надежной работы которых зависит надежность работы двигателя в целом...

Узел компрессора ТРДД для пассажирского самолета

Цель расчета на прочность лопатки - определение статических напряжений и запасов прочности в различных сечениях по длине пера лопатки...

Узел компрессора ТРДД для пассажирского самолета

Для расчета разбивают перо лопатки поперечными сечениями на несколько равных участков высотой и ведут расчет от периферии к корневому сечению суммируя нагрузки и вычисляя напряжения...

Узел компрессора ТРДД для пассажирского самолета

Одним из основных видов крепления лопаток компрессора являются замки типа ”ласточкин хвост“. От осевого перемещения лопатки крепятся в пазах. Лопатки могут садиться с натягом до 0,05 мм и с зазором (0,03.0,06) мм. Обычно посадку производят с зазором...

Подвижная лопатка турбины высокого давления турбомашины содержит, по меньшей мере, один охлаждающий контур. Охлаждающий контур образован, по меньшей мере, одной полостью, проходящей радиально между вершиной и основанием лопатки, по меньшей мере, одним впускным отверстием для воздуха на одном радиальном конце полости или полостей для подачи охлаждающего воздуха в охлаждающий контур или контуры и несколькими выпускными щелями. Выпускные щели открыты в полость или полости и выходят на выходную кромку лопатки. Выпускные щели расположены по длине выходной кромки между основанием и вершиной лопатки и ориентированы по существу перпендикулярно продольной оси лопатки. По меньшей мере, одна выпускная щель, ближайшая к основанию пера лопатки, выполнена с наклоном к вершине лопатки под углом от 10° до 30° к оси вращения лопатки. Изобретение направлено на то, чтобы выпускная щель, ближайшая к основанию пера, не вызывала образования трещин. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Рисунки к патенту РФ 2297537

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к широкой области подвижных (т.е. рабочих или роторных) лопаток турбомашины и, в более узком аспекте, к выпускным щелям для вывода охлаждающего воздуха, расположенным на выходной кромке подвижных лопаток турбины высокого давления.

Уровень техники

Как известно, турбомашина обычно содержит камеру сгорания, в которой воздух смешивается с топливом перед сгоранием смеси. Генерируемые при сгорании газы направляются к нижней по направлению потока части камеры и затем поступают к турбине высокого давления. Турбина высокого давления обычно содержит один или несколько рядов подвижных турбинных лопаток, расположенных по окружности на роторе турбины. Таким образом, подвижные лопатки турбины высокого давления подвергаются воздействию очень высоких температур газов сгорания. Эти температуры достигают значений, существенно превышающих температуры, которые способны выдерживать без повреждений подвижные лопатки, находящиеся в контакте с этими газами, что ограничивает долговечность подвижных лопаток.

Известен подход к решению данной проблемы путем снабжения лопаток внутренними контурами охлаждения, предназначенными для снижения температуры лопаток. При использовании подобных контуров охлаждающий воздух, как правило, подается внутрь лопатки через ее корневую часть (хвостовик), проходит через лопатку по траектории, определяемой полостями, сформованными внутри лопатки, и выводится через выпускные отверстия, выходящие на поверхность лопатки (см., например, патенты США №№6174134 и 6224336). Из патента США №6164913 (описывающего ближайший аналог настоящего изобретения) известно также, что выпускные отверстия для вывода охлаждающего воздуха в рабочей лопатке турбины могут представлять собой щели, распределенные вдоль выходной кромки пера лопатки между его основанием и вершиной и расположенные по существу перпендикулярно продольной оси лопатки.

Известно также, что лопатки турбины высокого давления, оснащенные контурами охлаждения, изготавливают способом литья или формования. Размещение щелей, в частности щелей контуров охлаждения, обычно обеспечивают с помощью стержней или сердечников, которые закладывают в форму параллельно друг другу перед заливкой металла. Для облегчения этой заливки металла выпускную щель для вывода охлаждающего воздуха, ближайшую к основанию пера лопатки, обычно выполняют больше по размерам, чем другие щели.

Однако на практике было установлено, что ближайшая к основанию пера лопатки выпускная щель плохо охлаждается. Из-за ее увеличенных размеров и из-за центробежной силы, создаваемой вращением лопатки, выходящий из этой выпускной щели воздух имеет тенденцию отклоняться к вершине лопатки. Это приводит к созданию вблизи выходной кромки лопатки значительных температурных градиентов, которые вызывают появление трещин на уровне этой щели, что особенно снижает долговечность лопатки. Эти высокие температурные градиенты имеют также тенденцию распространяться за счет теплопроводности к соединительной (переходной) зоне между основанием пера лопатки и ее полкой.

Сущность изобретения

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в устранении указанных трудностей и создании подвижной (т.е. рабочей или роторной) лопатки турбины высокого давления с новой геометрией ближайшей к основанию пера лопатки выпускной щели для вывода охлаждающего воздуха, с тем чтобы эта щель не вызывала образования трещин. Изобретение направлено также на то, чтобы не ухудшать общей механической прочности лопатки - детали, которая подвергается очень высоким механическим напряжениям. Предметом изобретения является также турбина высокого давления, оснащенная такими подвижными лопатками.

В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается за счет создания новой подвижной лопатки турбины высокого давления в турбомашине. Лопатка по изобретению содержит, по меньшей мере, один охлаждающий контур, который образован, по меньшей мере, одной полостью, проходящей радиально между вершиной и основанием лопатки, по меньшей мере, одним впускным отверстием для воздуха на одном радиальном конце полости или полостей для подачи охлаждающего воздуха в охлаждающий контур или контуры и несколькими выпускными щелями, открытыми в полость или полости и выходящими на выходную кромку лопатки. Указанные выпускные щели расположены по длине выходной кромки между основанием и вершиной лопатки и ориентированы по существу перпендикулярно продольной оси лопатки. Лопатка по изобретению характеризуется тем, что, по меньшей мере, одна выпускная щель, ближайшая к основанию пера лопатки, выполнена с наклоном к вершине лопатки под углом от 10° до 30° к оси вращения лопатки.

При этом охлаждающий воздух, выводимый через выпускную щель, ближайшую к основанию пера лопатки, направляется по всей поверхности данной щели таким образом, что устраняется образование трещин на уровне щели. Такая специальная геометрия данной щели позволяет снизить примерно на 5% локальную температуру на уровне этой щели. Кроме того, геометрия данной щели не ухудшает стойкость лопатки к различным механическим напряжениям, которым она подвергается.

В оптимальном варианте наклон выпускной щели, ближайшей к основанию пера лопатки, составляет примерно 20°.

Для снижения температуры переходной (соединительной) зоны между основанием пера лопатки и полкой, образующей перегородку для прохода потока газов сгорания через турбину высокого давления, передний по потоку конец выпускной щели, ближайшей к основанию пера лопатки, сформован по существу в этой переходной зоне. При этом острые углы переднего по потоку конца выпускной щели, ближайшей к основанию пера лопатки, зашлифованы для облегчения направления выводимого из выпускной щели воздуха к переходной зоне.

Перечень фигур чертежей

Пример осуществления настоящего изобретения, его дополнительные особенности и преимущества будут подробнее описаны ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 изображает в перспективе подвижную лопатку турбины высокого давления в соответствии с изобретением,

фиг.2 - это изображение в увеличенном масштабе части лопатки по фиг.1, иллюстрирующее выполнение выпускного отверстия (щели) для вывода охлаждающего воздуха, ближайшего к основанию пера лопатки.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На фиг.1 представлена в перспективе подвижная лопатка 10 турбины высокого давления турбомашины. Эта лопатка, имеющая продольную ось Х-Х, укреплена на диске ротора (не представлен) турбины высокого давления посредством хвостовика 12, который обычно имеет елочный профиль. В общем случае лопатка имеет основание 14, вершину 16, переднюю входную кромку 18 и заднюю выходную кромку 20. Хвостовик 12 соединен с основанием 14 лопатки на уровне полки 22, которая образует перегородку для потока газов сгорания через турбину высокого давления.

Такая лопатка подвергается воздействию очень высоких температур газов сгорания и поэтому требует охлаждения. Для этого известным образом подвижная лопатка 10 содержит, по меньшей мере, один внутренний охлаждающий контур. Указанный охлаждающий контур состоит, например, по меньшей мере, из одной полости 24, которая проходит радиально между основанием 14 и вершиной 16 лопатки. В эту полость подается охлаждающий воздух на одном из ее радиальных концов через впускное отверстие (не показано). Это впускное отверстие обычно предусмотрено на уровне хвостовика 12 лопатки. Предусмотрены также несколько выпускных щелей 26, которые открыты в полость 24 и выходят на выходную кромку 20 лопатки для вывода охлаждающего воздуха, текущего в полости. Эти выпускные щели 26 для вывода охлаждающего воздуха обычно распределены вдоль выходной кромки 20 между основанием 14 и вершиной 16 пера лопатки и ориентированы по существу перпендикулярно продольной оси Х-Х лопатки.

На фиг.2 более четко показана геометрия выпускной щели 28, ближайшей к основанию 14 пера лопатки 10. Согласно изобретению ближайшая к основанию пера лопатки выпускная щель 28 выполнена с наклоном к вершине 16 лопатки под углом от 10° до 30° к оси вращения лопатки (не представлена). Предпочтительно угол наклона этой выпускной щели составляет 20°. Этот специфический угол наклона ближайшей к основанию пера лопатки выпускной щели позволяет выровнять температуру на уровне щели и за счет этого устранить все теплонапряженные места. Выводимый через эту выпускную щель охлаждающий воздух перекрывает практически всю поверхность выпускной щели 28 и снижает локальную температуру примерно на 5%. За счет этого полностью устраняется риск образования трещин на уровне выпускной щели, ближайшей к основанию пера лопатки, и повышается срок службы лопатки.

Согласно выгодной особенности изобретения передний по потоку конец 28а выпускной щели 28, ближайшей к основанию 14 пера лопатки, сформован по существу в переходной зоне 30 между основанием 14 пера лопатки и полкой 22 на стороне прохода потока газов сгорания. При этом выводимый через эту выпускную щель воздух имеет тенденцию за счет теплопроводности охлаждать переходную зону 30. Таким образом, температура переходной зоны 30 между основанием 14 пера лопатки и полкой 22 понижается примерно на 1,5%. Для усиления охлаждения переходной зоны 30 острые углы переднего по потоку конца 28а выпускной щели 28 зашлифованы для облегчения направления выводимого из выпускной щели воздуха к этой зоне 30. При этом, поскольку задний по потоку конец 28b ближайшей к основанию пера лопатки выпускной щели 28 не находится в соединительной зоне 30, эта специальная геометрия щели не влияет на стойкость лопатки 10 к различным механическим напряжениям.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Подвижная лопатка турбины высокого давления турбомашины, содержащая, по меньшей мере, один охлаждающий контур, который образован, по меньшей мере, одной полостью (24), проходящей радиально между вершиной (16) и основанием (14) лопатки (10), по меньшей мере, одним впускным отверстием для воздуха на одном радиальном конце полости или полостей для подачи охлаждающего воздуха в охлаждающий контур или контуры и несколькими выпускными щелями (26), открытыми в полость или полости и выходящими на выходную кромку (20) лопатки, причем выпускные щели расположены по длине выходной кромки между вершиной и основанием лопатки, по существу, перпендикулярно продольной оси (Х-Х) лопатки, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, одна выпускная щель (28), ближайшая к основанию пера лопатки, выполнена с наклоном к вершине лопатки под углом от 10 до 30° к оси вращения лопатки.

2. Лопатка по п.1, отличающаяся тем, что наклон выпускной щели (28), ближайшей к основанию пера лопатки, составляет примерно 20°.

3. Лопатка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что передний по потоку конец (28а) выпускной щели (28), ближайшей к основанию пера лопатки, сформован, по существу, в переходной зоне (30) между основанием пера лопатки и полкой (22), образующей перегородку для прохода потока газов сгорания через турбину высокого давления.

4. Лопатка по п.3, отличающаяся тем, что острые углы переднего по потоку конца (28а) выпускной щели (28), ближайшей к основанию пера лопатки, зашлифованы.

5. Турбина высокого давления турбомашины, отличающаяся тем, что она содержит несколько подвижных лопаток (10) по любому из предыдущих пунктов.

Лопатки турбин являются сложными по конструкции оригинальными деталями. Число конструктивных разновидностей лопаток весьма велико. Конструкции лопаток можно классифицировать по различным признакам.

Турбинные лопатки подразделяют на направляющие, которые монтируются в статоре турбины, и рабочие, закрепляемые на её роторе. Последние являются наиболее сложными по конструкции и имеют наибольшее число разновидностей.

Конструкцию рабочих лопаток можно условно представить состоящей из трёх основных частей: хвоста, рабочей части, головки. Каждая из этих частей имеет большое количество конструктивных разновидностей. На рисунке представлена одна из разновидностей конструкций турбинных лопаток, приведены некоторые элементы конструкций данной и других лопаток, обозначения поверхностей конструктивных элементов.

Пример конструкции рабочей лопатки и элементов конструкций лопаток: а - лопатка с вильчатым хвостом: 2 - внутренняя поверхность; 2 - выходная кромка; 3 - наружная поверхность; 4 - отверстие под скрепляющую проволоку; 5 - утолщение; 6 - входная кромка; 7 - наружный профиль сечения; 8 - внутренний профиль сечения; 9 - наружная галтель; 10 - внутренняя галтель; 11 - входная плоскость хвоста; 12 - полуотверстия под заклёпки; 13 - наружная радиальная плоскость хвоста; 14 - внутренняя радиальная плоскость хвоста; 15 - пазы хвоста; 16 - торец хвоста; 17 - выходная плоскость хвоста; 18 - вершина пазов хвоста; б - ёлочного профиля, полка, переход полки в рабочую часть: 1 - внутренняя плоскость полки; 2 - переходная галтель; 3 - наружная плоскость полки; в - хвост пазового двустороннего профиля, поверхности профиля: 2 - верхние; 2 - боковые; 3 - нижние; г - головка с шипом: 1 - торец головки; 2 - внутренняя поверхность шипа; 3 - наружная поверхность шипа; 4 - входная поверхность шипа; д - бандажная полка: 2 - внутренняя плоскость бандажной полки; 2 - входная плоскость бандажной полки; 3 - наружная плоскость бандажной полки; 4 - входная плоскость бандажной полки; е - перемычка двухъярусной лопатки: 2 - нижний ярус; 2 - внутренняя нижняя галтель перемычки; 3 - внутренняя плоскость перемычки; 4 - выходная плоскость перемычки; 5 - внутренняя верхняя галтель перемычки; 6 - верхний ярус; 7 - наружная плоскость яруса; 8 - наружная верхняя галтель перемычки; 9 - наружная плоскость перемычки; 10 - входная плоскость перемычки; 22 - наружная плоскость нижнего яруса; 12 - наружная галтель нижней перемычки.

Рабочие части направляющих и рабочих лопаток различают по ряду признаков: форме сечений и их взаимному расположению вдоль оси лопатки; нависанию (или его отсутствию) элементов над профилями рабочей части; способу построения поверхностей.

По форме сечений и их взаимному расположению вдоль оси рабочие части подразделяют на части с постоянным профилем и переменным.

Над концами рабочей части лопатки может нависать хвост, полка, оба этих элемента одновременно или нависа- ние может отсутствовать. По данному признаку рабочие части лопаток подразделяют на открытые, полуоткрытые и закрытые.

Если конструктивный элемент нависает с одного конца лопатки, например со стороны хвоста, а со стороны головки или в рабочей профильной части лопатки нависающие элементы отсутствуют, то подобные конструкции лопаток классифицируют как лопатки с полуоткрытым профилем рабочей части. Лопатки с закрытым профилем имеют нависающие элементы с обоих концов рабочей части. У такой лопатки над рабочей частью с одной стороны нависает хвост, а с другой - утолщение.

По способу построения поверхностей различают лопатки с аналитическими поверхностями рабочей части и со скульптурными поверхностями. Аналитические поверхности представляют собой сочетание линейных, цилиндрических и винтовых поверхностей. Эти поверхности достаточно просто формализуются математически. Определение скульптурной поверхности отражает технологический приём её формирования. Для этого используют шаблоны. Сечения рабочей части лопатки припасовывают к шаблонам, а между сечениями поверхность доводят на ощупь.

Турбинные лопатки в сборочной единице закрепляют различными способами. В зависимости от способа в конструкцию лопатки вводят соответствующие конструктивные элементы. По этому признаку лопатки подразделяют на имеющие хвостовую часть и не имеющие последней. К лопаткам с хвостовой частью относятся направляющие лопатки (рисунок 2). Концевые части таких лопаток могут быть ограничены торцовыми поверхностями (рисунок 2, а), поверхностями цилиндрической формы или сложной формы (рисунок 2, б).

Наибольшее распространение имеют рабочие лопатки, хвостовая часть которых ограничена профильными поверхностями следующих форм: Т-образной без заплечиков и с заплечиками, ёлочной, вильчатой, пазовой двусторонней. Лопатка с вильчатым хвостом показана на рисунке 1, а, с ёлочным - на рисунке 1, б, с пазовым двусторонним - на рисунке 1, в, с Т-образным без заплечиков - на рисунке 3, а, б, Т-образным с заплечиками - на рисунке З, в, с грибовидным - на рисунке З, г, с ёлочным - на рисунке З, е.

Во многих конструкциях лопаток со стороны головной части расположен элемент их связи в пакет посредством прикрепляемого бандажа. Данный элемент может быть выполнен в форме шипа (рисунок, 1, г) или полки, совместно с полками ряда лопаток, образующих собственный бандаж. По форме, расположению и числу шипы подразделяют на прямоугольные в один ряд на прямом (в сечении) срезе (рисунок 1, г), прямоугольные в один ряд на косом срезе, прямоугольные двойные на прямом срезе, прямоугольные двойные на косом срезе, фасонные в один ряд на прямом или косом срезе, фасонные двойные на прямом или косом срезе. Имеются также лопатки, которые в головной части не скрепляются бандажом. Одна из таких конструкций лопаток показана на рисунке 1,а.

В этом случае лопатки выполняют с отверстиями 4 (рис. 1, а), которые служат для скрепления лопаток в пакет проволокой.

Надёжность, долговечность, ремонтопригодность и другие качественные показатели турбин во многом определяются их лопаточным аппаратом. Поэтому к конструкциям лопаток предъявляют чёткие технические требования в частности к материалам и их состоянию, точности размеров и геометрической формы лопаток.

Стандартами регламентированы следующие параметры лопаток турбин:

размеры и формы профилей сечений рабочих частей;
размеры, которые определяют расположение в радиальном, осевом и тангенциальных направлениях рабочей части лопатки относительно поверхностей хвоста, являющихся конструкторскими базами;
посадочные размеры поверхностей сопряжений хвоста с диском, а также хвостов соседних лопаток;
посадочные размеры шипов, а также отверстий под скрепляющую проволоку;
размеры, определяющие отверстия от базовых поверхностей;

Регламентируются предельные отклонения размеров сечений рабочей части лопатки переменного профиля (рисунок 4, а), a именно: b - хорды; B - ширины; с - толщины; δ ВЫХ - толщины выходной кромки. Также регламентируются предельные отклонения профиля от его теоретического положения и прямолинейности.

Предельные отклонения параметров «b», «B» и «c» зависят от номинального размера хорды профиля, а параметра δ ВЫХ направляющих и от номинального размера толщины входной кромки.

У большинства конструкций рабочих лопаток размеры хорды профиля находятся в пределах от 20 до 300 мм, у направляющих лопаток от 30 до 350 мм. Размеры толщины выходной кромки направляющих и рабочих лопаток находятся в пределах от 0,5 до 1,3 мм. С учётом указанного диапазона размеров назначены возможные предельные отклонения на размеры «b», «B» и «с» и δ ВЫХ, а также от теоретического профиля и прямолинейности.

Предельные отклонения параметров профилей рабочей части лопатки с хордой, например, равной 20 мм, составляют:

b ±0,08; B ±0,08; c ±0,1; δ ВЫХ ± 0,3 мм.

Для средних по размеру хорд (100 — 150 мм) лопаток определяются:

b +0,45 -0,20 , B +0,45 -0,20 , c +0,50 -0,20 , δ +0,20 -0,10 от теоретического профиля +0,25 -0,10 , по прямолинейности 0,15 мм.

Для крупных лопаток (ширина хорды 200 — 300 мм) отклонения должны находится в следующих пределах:

b +0,70 -0,20 , B +0,70 -0,20 , c +0,80 -0,20 , δ +0,30 -0,10 от теоретического профиля +0,40 -0,10 , по прямолинейности 0,2 мм.

Допуски на параметры профилей рабочей части направляющих лопаток аналогичны рабочим лопаткам.

Лопатка является присоединяемой деталью к диску рабочего колеса турбины. Основные конструкторские базы сопряжения хвоста с диском относятся к профильным поверхностям хвоста, а вспомогательные конструкторские базы - к профильным поверхностям паза или гребня диска. Некоторые из поверхностей хвоста лопаток предусмотрены в конструкции в качестве измерительной базы Б из (рисунок 4, б) при измерении размеров, которые определяют рабочие части рабочих лопаток в осевом направлении. У полуоткрытых лопаток с шипами (поз. I, рисунок 4, б) отклонения размера L в диапазоне длин до 100 мм и от 100 мм и более 1200 мм должны находиться в пределах ±0,1 мм. Отклонения указанного размера полуоткрытых лопаток без шипов (поз. II, рисунок 4, б) зависят от величины размера L и назначаются в пределах от ±0,1 мм (при L до 100 мм) до ±0,6 (при L более 1200 мм). Предельные отклонения размеров в осевом направлении, которые определяют расположение рабочей части лопаток, зависят от длины рабочей части, расположения сечения, в котором осуществляется измерение, а также от направления завода лопатки при сборке с диском (радиальный завод - поз. I, рисунок 4, в, осевой завод - поз. II, рисунок 4,в).

Размерные цепи, определяющие точность расположения рабочей части лопаток в радиальном, осевом и тангенциальном направлениях

Размеры рабочих задают от выходной кромки до нормали к поверхности Б из и касательной к точке на входной (или выходной) плоскости хвоста. Размеры обозначены b хв - в первом от хвоста корневом сечении; b пол - в последнем полном контрольном сечении; b ср - в среднем сечении, определяемом по линейному закону относительно b хв и b пол. Величины предельных отклонений приведены в таблице.

Предельные отклонения размеров, определяющих расположение рабочей части лопаток в осевом направлении

Диапазон длины рабочей части, мм	Предельные отклонения, мм
	лопаток с радиальным заводом		лопаток с осевым заводом
	b пол	b хв	b пол	b хв
До 100 (включительно)	±0,1	±0,1	±0,2	±0,20
Свыше 100 до 300	±0,3	±0,2	±0,3
Свыше 300 до 500	±0,4	±0,2	±0,4
Свыше 500 до 700	±0,7	±0,3	±0,6
Свыше 700 до 900	±1,2		±1,0
Свыше 900 до 1200	±2,0		±1,8
Свыше 1200	±2,8		±2,5

Конструкторской основной опорной базой рабочей лопатки радиального завода при её монтаже в сборочной единице служит радиально направленная поверхность хвоста, которая сопрягается с аналогичной поверхностью, имеющей тоже направление соседней лопатки, являющейся в данном случае конструкторской вспомогательной опорной базой. Поверхность хвоста присоединяемой лопатки берётся в качестве измерительной базы Б из (рисунок 4, г). Последняя используется при определении отклонений размеров, определяющих расположение рабочей части лопатки в тангенциальном направлении. Предельные отклонения от номинального значения угла у в плане между радиально ориентированной поверхностью хвоста лопатки и плоскостью Р-Р профилей сечений и определяют точность задания расположения профилей сечений.

При разработке конструкции рабочих лопаток величины предельных отклонений угла у назначают в зависимости от длины рабочей части лопатки и с учётом (для хвостовых сечений) угла выхода потока рабочего тела из канала лопаточного аппарата на следующую ступень давления. Для всех длин рабочей части (до 500 мм и более) и углом выхода потока до 20° допускаемые отклонения угла у хвостовых сечений ±5°, а для лопаток с углом выхода более 20° составляют ±0,12′.

Допускаемые отклонения угла у у головного сечения при любом значении угла выхода потока составляют ±12′, а в головных сечениях лопаток с длиной рабочей части более 500 мм, вне зависимости от угла выхода потока допускаемые отклонения угла должны находиться в пределах ±30′.

Допускаемые отклонения размеров поверхностей элементов, которые образуют ёлочные профили хвостовой части рабочей лопатки, показаны на рисунке 5.

Параметры шероховатости поверхностей рабочей части и переходных галтелей обычно задаются в пределах Ra = 1,25 — 0,63 мкм, в ряде случаев Ra = 0,63 — 0,32 мкм, а профильных поверхностей хвостов лопаток Ra = 1,25 — 0,63 мкм.

Вам также могут быть интересны статьи:

Базирование лопаток турбин. Обработка базовых поверхностей Технология обработки поверхностей рабочей части и переходных поверхностей лопаток турбин Электрохимическая обработка фасонных поверхностей Обработка сложных пространственных поверхностей