Конструкції лопаток турбін, технічні вимоги до конструкцій, їхня класифікація. Ротор ТВД складається з робочого колеса (диска з робочими лопатками), лабіринтного диска, валу ТВД.
Турбін двигуна? осьова, реактивна, п'ятиступінчаста, перетворює енергію газового потоку в механічну енергію обертання компресорів та вентилятора двигуна, приводів агрегатів та нагнітача. Турбіна розташована безпосередньо за камерою згоряння. До турбіни приєднується реактивне сопло, що служить для створення тяги двигуна за рахунок реактивного струменя.
Турбіна складається з одноступінчастої турбіни високого тиску (ТВД), одноступінчастої турбіни низького тиску (ТНД) та триступінчастої турбіни вентилятора (ТВ), кожна з яких включає статор, ротор та опору.
Опорами роторів ТВД, ТНД і ТВ, що є задніми опорами роторів ВД, НД і В, є роликопідшипники.
Усі підшипники охолоджуються та змащуються олією під тиском. Для запобігання нагріванню підшипників гарячими газами, їх масляні порожнини ізольовані радіально-торцевими контактними ущільненнями.
Всі опори роторів турбін мають пристрої для гасіння коливань роторів, що виникають під час роботи двигуна? олійні демпфери опор роторів.
Ротори турбін пов'язані газодинамічний зв'язок.
Турбіна високого тиску (ТВД)
Турбіна високого тиску (ТВД)? осьова, реактивна, одноступінчаста, призначена для перетворення частини енергії газового потоку, що надходить з КС, механічну енергію, що використовується для обертання ротора КВД і всіх приводних агрегатів двигуна.
ТВД включає статор та ротор.
СА набирається із десяти окремих секторів. У секторах по три (в одному секторі дві) соплові л опатки з'єднані між собою за допомогою паяння.
Соплові лопатки порожнисті, охолоджувані повітрям з-за КВД, мають дефлектори для підтискання охолоджуючого повітря до внутрішніх стінок лопаток і систему перфораційних отворів у стінках профілю і трактових полиць лопаток, через які охолоджує повітря виходить на зовнішню поверхню. Ротор ТВД складається з робочого колеса (диска з лопатками), лабіринтного диска, валу ТВД.
Робоча лопатка - охолоджувана, складається з хвостовика, ніжки, пера та бандажної полиці з гребінцями.
Повітря на охолодження підводиться до хвостовика, проходить радіальними каналами в тілі пера лопатки і виходить через отвори в передній і задній частині пера лопатки в проточну частину.
дипломна робота
2.1 Розрахунок на міцність лопатки ТВД
Робочі лопатки осьової турбіни є відповідальними деталями газотурбінного двигуна, від надійної роботи яких залежить надійність роботи двигуна в цілому.
Навантаження, що діють на лопатки
Працюючи газотурбінного двигуна на робочі лопатки діють статичні, динамічні і температурні навантаження, викликаючи складну картину напруг.
Розрахунок на міцність пера лопатки виконуємо з огляду на вплив лише статичних навантажень. До них відносяться відцентрові сили мас лопаток, які з'являються при обертанні ротора, та газові сили, що виникають при обтіканні газом профілю пера лопатки та у зв'язку з наявністю різниці тисків газу перед та за лопаткою.
Відцентрові сили викликають деформації розтягування, вигину та кручення, газові - деформації вигину та кручення.
Напруги кручення від відцентрових, газових сил слабозакручених робочих лопаток компресора малі, і ними нехтуємо.
Напруження розтягування від відцентрових сил є найістотнішими.
Напруги вигину зазвичай менше напруг розтягування, причому при необхідності для зменшення згинальних напруг в лопатці від газових сил її проектують так, щоб згинальні моменти, що виникають, від відцентрових сил були протилежні по знаку моментам від газових сил і, отже, зменшували останні.
Допущення, що приймаються під час розрахунку
При розрахунку лопатки на міцність приймаємо такі припущення:
· Лопатку розглядаємо як консольну балку, жорстко зачепила н ну в обід диска;
· Напруги визначаємо по кожному виду деформації відділ ь але;
· температуру в аналізованому перерізі пера лопатки вважаємо однаковою, тобто. температурна напруга відсутнятвують;
· Лопатку вважаємо жорсткою, а деформацією лопатки під дією сил і моментів нехтуємо;
· припускаємо, що деформації лопатки протікають у пружній зоні, тобто. напруги в перелопатки не перевищують межу пропорційності;
· Температура лопатки змінюється лише за довжиною пера.
Ціль розрахунку
Мета розрахунку на міцність лопатки ТВД - визначення напруги та запасів міцності в різних перерізах по довжині пера лопатки.
Як розрахунковий режим вибираємо режим максимальної частоти обертання ротора і максимальної витрати повітря через двигун. Цим умовам відповідає робочий режим роботи двигуна, тобто із частотою обертання 12220 об/хв.
Вихідні дані
1. Матеріал лопатки: ЖС-6К.
2. Довжина лопатки = 0.052 м-коду.
3. Радіус кореневого перерізу = 0.294 м-коду.
4. Радіус периферійного перерізу R п =0.346 м.
5. Об'єм бандажної полиці м3.
6. Хорда профілю перерізу пера = 0.0305 м-коду.
7. Максимальна товщина профілю в перерізах:
· У кореневому перерізі м;
· У середньому перерізі м;
· У периферійному перерізі м.
8. Максимальна стріла прогину профілю C max середніх ліній профілю в перерізах:
· У кореневому перерізі м;
· У середньому перерізі м;
· У периферійному перерізі м.
9. Кут установки профілю в перерізах:
· У кореневому перерізі = 1.0664 (рад);
· У середньому перерізі = 0.8936 (рад);
· У периферійному перерізі = 0.8116 (рад).
10. Інтенсивність газових сил на середньому радіусі в окружному напрямі:
11. Інтенсивність газових сил у осьовому напрямку
12. Частота обертання робочого колеса n = 12220 об/хв.
13. Щільність матеріалу лопатки = 8250 кг/м3.
14. Для лопатки турбіни, що охолоджується, можна вважати, що на двох третинах довжини лопатки (від периферійного перерізу) температура - постійна, а на одній третині (у кореня) змінюється за законом кубічної параболи:
де Х – відстань від кореневого перерізу до розрахункового;
t Л – температура лопатки в розрахунковому перерізі;
t ЛЗ – температура лопатки на середньому радіусі (з термогазодинамічного розрахунку);
t ЛК – температура лопатки в кореневому перерізі.
15. Межу тривалої міцності вибираємо в залежності від температури лопатки:
Відповідно до норм міцності мінімальний запас по статичній міцності профільної частини робочої лопатки турбіни має бути не менше 1.3.
Розрахунок на ЕОМ
Обчислення робимо за програмою Statlop.exe. Результати наведено у таблиці 2.1.
Таблиця 2.1 – Результати розрахунку лопатки на міцність
Малюнок 2.1 - Графік розподілу сумарної напруги лопатки за перерізами
Малюнок 2.2 - Графік розподілу коефіцієнта запасу міцності лопатки за перерізами
Здійснено розрахунок на статичну міцність пера робочої лопатки ТВД. Як матеріал була використана жароміцна сталь ЖС-6К. Отримані значення запасів міцності переважають у всіх перерізах задовольняють нормам міцності: .
Авіаційний гвинтовентиляторний двигун
Гідравлічний розрахунок проточної частини відцентрового насоса НЦВС 40/30
3.5.1 Напруга в лопаті від розрахункового перепаду тиску напору визначається за формулою, де - розрахунковий перепад тиску = 11,85 b - ширина лопатки, b = 12 мм д - товщина лопатки, д = 3...
Дослідження термонапруженого стану та оцінка ресурсу охолоджуваної лопатки турбіни авіаційного ВМД
В результаті розрахунку поля напруги лопатки на базовому режимі отримуємо, що мінімальний запас міцності без повзучості, рівний 0,79 має точка 55 (таблиця 4). Таблиця 4 Температура, ° С 1010,9 Напруга, МПа 113...
Конструкторсько-технологічна підготовка дрібносерійного виробництва валів агрегатів авіаційних двигунів на спеціалізованій ділянці
Робочі лопатки осьового компресора є відповідальними деталями газотурбінного двигуна, від надійної роботи яких залежить надійність роботи двигуна в цілому.
Осьовий компресор
Розрахунок за висотою лопатки ведеться згідно із законом постійної циркуляції. Перший ступінь РК НА Втулка Периферія Втулка Периферія 124,77 71,52 250,77 155,57 м/с 175175 м/с 174,61 174,61 град. 54,51 67,77 град. 47,44 32...
Створюємо файл вихідних даних IGOR0. tm: 9 1 - тип завдання (стаціонарна, плоска) 0 1 10 - кількість відрізків завдання тепловіддачі 4 19 63 93 108 111 135 156 178 206 7223,396 - коефіцієнт тепловіддачі на вхідній кромці 2885
Охолодження лопатки турбіни високого тиску
Розрахунок термонапруженого стану виконуємо за допомогою програми GRID3. EXE. Початковий файл SETAX. DAT (див. підпункт 5.3). Після запиту вказуємо ім'я файлу, що містить дані про температурне поле лопатки (IGOR0.tem). Результат буде занесено до файлу з ім'ям IGOR0...
Проектування турбіни гвинтовентиляторного двигуна
Робоча лопатка турбіни є дуже відповідальною деталлю газотурбінного двигуна, від надійності роботи якої залежить надійність роботи двигуна в цілому. При роботі авіаційного двигуна на робочу лопатку діють статичні...
Розробка конструкції компресора високого тиску ТРДДФсм для легкого фронтового винищувача на базі існуючого ТРДДФсм РД-33
Робочі лопатки осьового компресора є відповідальними деталями газотурбінного двигуна, від надійної роботи яких залежить надійність роботи двигуна в цілому.
Розрахунок турбореактивного двигуна р-95Ш
Техніко-економічне обґрунтування етапів технологічного процесу виготовлення, комплектів технологічних баз, методів та послідовності обробки поверхонь водила.
Робочі лопатки осьового компресора є відповідальними деталями газотурбінного двигуна, від надійної роботи яких залежить надійність роботи двигуна в цілому. Навантаження, що діють на лопатки.
Робочі лопатки осьового компресора є відповідальними деталями газотурбінного двигуна, від надійної роботи яких залежить надійність роботи двигуна в цілому.
Вузол компресора ТРДД для пасажирського літака
Мета розрахунку на міцність лопатки - визначення статичної напруги та запасів міцності в різних перерізах по довжині пера лопатки.
Вузол компресора ТРДД для пасажирського літака
Для розрахунку розбивають перо лопатки поперечними перерізами на кілька рівних ділянок заввишки і ведуть розрахунок від периферії до кореневого перерізу підсумовуючи навантаження та обчислюючи напруги.
Вузол компресора ТРДД для пасажирського літака
Одним з основних видів кріплення лопаток компресора є замки типу ”ластівчин хвіст“. Від осьового переміщення лопатки кріпляться у пазах. Лопатки можуть сідати з натягом до 0,05 мм та із зазором (0,03.0,06) мм. Зазвичай посадку роблять із зазором.
Лопатки турбін є складними за конструкцією оригінальними деталями. Число конструктивних різновидів лопаток дуже велике. Конструкції лопаток можна класифікувати за різними ознаками.
Турбінні лопатки поділяють на напрямні, які монтуються в статорі турбіни, і робітники, що закріплюються на її роторі. Останні є найбільш складними за конструкцією та мають найбільшу кількість різновидів.
Конструкцію робочих лопаток можна умовно уявити з трьох основних частин: хвоста, робочої частини, головки. Кожна з цих частин має багато конструктивних різновидів. На малюнку представлено один з різновидів конструкцій турбінних лопаток, наведено деякі елементи конструкцій даної та інших лопаток, позначення поверхонь конструктивних елементів.
Приклад конструкції робочої лопатки та елементів конструкцій лопаток: а - лопатка з вільчастим хвостом: 2 - внутрішня поверхня; 2 - вихідна кромка; 3 – зовнішня поверхня; 4 - отвір під скріплюючий дріт; 5 – потовщення; 6 – вхідна кромка; 7 – зовнішній профіль перерізу; 8 – внутрішній профіль перерізу; 9 - зовнішня жолобник; 10 - внутрішня жолобник; 11 – вхідна площина хвоста; 12 - напівотвори під заклепки; 13 – зовнішня радіальна площина хвоста; 14 – внутрішня радіальна площина хвоста; 15 – пази хвоста; 16 - торець хвоста; 17 - вихідна площина хвоста; 18 - вершина пазів хвоста; б - ялинкового профілю, полиця, перехід полиці в робочу частину: 1 - внутрішня площина полиці; 2 - перехідна жолобник; 3 - зовнішня поверхня полиці; в - хвіст двостороннього пазового профілю, поверхні профілю: 2 - верхні; 2 – бічні; 3 – нижні; г – головка з шипом: 1 – торець головки; 2 – внутрішня поверхня шипа; 3 – зовнішня поверхня шипа; 4 – вхідна поверхня шипа; д – бандажна полиця: 2 – внутрішня площина бандажної полиці; 2 - вхідна площина бандажної полиці; 3 – зовнішня площина бандажної полиці; 4 – вхідна площина бандажної полиці; е – перемичка двоярусної лопатки: 2 – нижній ярус; 2 - внутрішня нижня жолобник перемички; 3 – внутрішня площина перемички; 4 – вихідна площина перемички; 5 - внутрішня верхня жолобник перемички; 6 – верхній ярус; 7 - зовнішня поверхня ярусу; 8 - зовнішня верхня жолобник перемички; 9 – зовнішня площина перемички; 10 – вхідна площина перемички; 22 - зовнішня поверхня нижнього ярусу; 12 - зовнішня жолобник нижньої перемички.
Робочі частини напрямних і робочих лопаток розрізняють за низкою ознак: формі перерізів та його взаємного розташування вздовж осі лопатки; нависання (або його відсутності) елементів над профілями робочої частини; способу побудови поверхонь.
За формою перерізів та їх взаємного розташування вздовж осі робочі частини поділяють на частини з постійним профілем та змінним.
Над кінцями робочої частини лопатки може нависати хвіст, полиця, обидва ці елементи одночасно або нависання може бути відсутнім. За даною ознакою робочі частини лопаток поділяють на відкриті, напіввідкриті та закриті.
Якщо конструктивний елемент нависає з одного кінця лопатки, наприклад, з боку хвоста, а з боку головки або в робочій профільній частині лопатки, навісні елементи відсутні, то подібні конструкції лопаток класифікують як лопатки з напіввідкритим профілем робочої частини. Лопатки із закритим профілем мають нависаючі елементи з обох кінців робочої частини. У такої лопатки над робочою частиною з одного боку нависає хвіст, з другого - потовщення.
За способом побудови поверхонь розрізняють лопатки з аналітичними поверхнями робочої частини та зі скульптурними поверхнями. Аналітичні поверхні є поєднанням лінійних, циліндричних і гвинтових поверхонь. Ці поверхні досить просто формалізуються математично. Визначення скульптурної поверхні відбиває технологічний прийом її формування. Для цього використовують шаблони. Переріз робочої частини лопатки припасовують до шаблонів, а між перерізами поверхню доводять на дотик.
Турбінні лопатки в складальній одиниці закріплюють різними способами. Залежно від способу конструкцію лопатки вводять відповідні конструктивні елементи. За цією ознакою лопатки поділяють на хвостову частину і не мають останньої. До лопаток з хвостовою частиною відносяться напрямні лопатки (рисунок 2). Кінцеві частини таких лопаток можуть бути обмежені торцевими поверхнями (рисунок 2 а), поверхнями циліндричної форми або складної форми (рисунок 2 б).
Найбільше поширення мають робочі лопатки, хвостова частина яких обмежена профільними поверхнями наступних форм: Т-подібної без заплічників і із заплечиками, ялинкової, вильчастої, пазової двосторонньої. Лопатка з вильчатим хвостом показана на малюнку 1, а, з ялинковим - на малюнку 1, б, з пазовим двостороннім - на малюнку 1, в, з Т-подібним без заплічників - на малюнку 3, а, б, Т-подібним із заплечиками - малюнку З, в, з грибоподібним - малюнку З, г, з ялинковим - малюнку З, е.
У багатьох конструкціях лопаток з боку головної частини розташований елемент їх зв'язку в пакет за допомогою бандажу, що прикріплюється. Цей елемент може бути виконаний у формі шипа (малюнок, 1, г) або полиці, спільно з полицями ряду лопаток, що утворюють власний бандаж. За формою, розташуванням і кількістю шипи поділяють на прямокутні в один ряд на прямому (у перерізі) зрізі (рисунок 1, г), прямокутні в один ряд на косому зрізі, прямокутні подвійні на прямому зрізі, прямокутні подвійні на косому зрізі, фасонні в один ряд на прямому чи косому зрізі, фасонні подвійні на прямому чи косому зрізі. Є також лопатки, які у головній частині не скріплюються бандажом. Одна з таких конструкцій лопаток показана малюнку 1,а.
У цьому випадку лопатки виконують з отворами 4 (рис. 1 а), які служать для скріплення лопаток в пакет дротом.
Надійність, довговічність, ремонтопридатність та інші якісні показники турбін багато в чому визначаються їх лопатковим апаратом. Тому до конструкцій лопаток пред'являють чіткі технічні вимоги зокрема до матеріалів та їх стану, точності розмірів та геометричної форми лопаток.
Стандартами регламентовано такі параметри лопаток турбін:
- розміри та форми профілів перерізів робочих частин;
- розміри, що визначають розташування у радіальному, осьовому та тангенційних напрямках робочої частини лопатки щодо поверхонь хвоста, що є конструкторськими базами;
- посадкові розміри поверхонь сполучення хвоста з диском, а також хвостів сусідніх лопаток;
- посадочні розміри шипів, а також отворів під скріплюючий дріт;
- розміри, що визначають отвори базових поверхонь;
Регламентуються граничні відхилення розмірів перерізів робочої частини лопатки змінного профілю (рисунок 4 а), a саме: b - хорди; B – ширини; с – товщини; δ ВИХІД - товщини вихідної кромки. Також регламентуються граничні відхилення профілю від його теоретичного становища та прямолінійності.
Граничні відхилення параметрів "b", "B" і "c" залежать від номінального розміру хорди профілю, а параметра δ ВИХ напрямних і від номінального розміру товщини вхідної кромки.
Більшість конструкцій робочих лопаток розміри хорди профілю перебувають у межах від 20 до 300 мм, у напрямних лопаток від 30 до 350 мм. Розміри товщини вихідної кромки напрямних та робочих лопаток знаходяться в межах від 0,5 до 1,3 мм. З урахуванням зазначеного діапазону розмірів призначені можливі граничні відхилення на розміри «b», «B» і «с» і δ ВИХІД, а також від теоретичного профілю та прямолінійності.
Граничні відхилення параметрів профілів робочої частини лопатки з хордою, наприклад, що дорівнює 20 мм, становлять:
b ±0,08; B ±0,08; c ±0,1; δ ВИХІД ± 0,3 мм.
Для середніх за розміром хорд (100 - 150 мм) лопаток визначаються:
b +0,45 -0,20 , B +0,45 -0,20 , c +0,50 -0,20 , δ +0,20 -0,10 від теоретичного профілю +0,25 -0,10 , По прямолінійності 0,15 мм.
Для великих лопаток (ширина хорди 200 - 300 мм) відхилення повинні бути в таких межах:
b +0,70 -0,20 , B +0,70 -0,20 , c +0,80 -0,20 , δ +0,30 -0,10 від теоретичного профілю +0,40 -0,10 , По прямолінійності 0,2 мм.
Допуски на параметри профілів робочої частини напрямних лопаток аналогічні робочим лопаткам.
Лопатка є деталлю, що приєднується до диска робочого колеса турбіни. Основні конструкторські бази пару хвоста з диском відносяться до профільних поверхонь хвоста, а допоміжні конструкторські бази - до профільних поверхонь паза або гребеня диска. Деякі з поверхонь хвоста лопаток передбачені в конструкції як вимірювальна база Б (рисунок 4, б) при вимірюванні розмірів, які визначають робочі частини робочих лопаток в осьовому напрямку. У напіввідкритих лопаток з шипами (поз. I, малюнок 4, б) відхилення розміру L в діапазоні довжин до 100 мм і від 100 мм і більше 1200 мм повинні бути в межах ±0,1 мм. Відхилення зазначеного розміру напіввідкритих лопаток без шипів (поз. II, рисунок 4, б) залежать від величини розміру L і призначаються в межах від ±0,1 мм (при L до 100 мм) до ±0,6 (при L більше 1200 мм ). Граничні відхилення розмірів в осьовому напрямку, які визначають розташування робочої частини лопаток, залежать від довжини робочої частини, розташування перерізу, в якому здійснюється вимірювання, а також від напрямку лопатки заводу при складанні з диском (радіальний завод - поз. I, малюнок 4, в , осьовий завод - поз.
Розмірні ланцюги, що визначають точність розташування робочої частини лопаток у радіальному, осьовому та тангенціальному напрямках. Розміри робочих задають від вихідної кромки до нормалі до поверхні Б і дотичної до точки на вхідній (або вихідний) площині хвоста. Розміри позначені b хв - у першому від хвоста кореневому перерізі; b підлога - в останньому повному контрольному перерізі; b ср - у середньому перерізі, що визначається за лінійним законом щодо b хв і b підлогу. Величини граничних відхилень наведено у таблиці.
Граничні відхилення розмірів, що визначають розташування робочої частини лопаток в осьовому напрямку
| Діапазон довжини робочої частини, мм | Граничні відхилення, мм | |||
| лопаток із радіальним заводом | лопаток із осьовим заводом | |||
| b підлога | b хв | b підлога | b хв | |
| До 100 (включно) | ±0,1 | ±0,1 | ±0,2 | ±0,20 |
| Понад 100 до 300 | ±0,3 | ±0,2 | ±0,3 | |
| Понад 300 до 500 | ±0,4 | ±0,4 | ||
| Понад 500 до 700 | ±0,7 | ±0,3 | ±0,6 | |
| Понад 700 до 900 | ±1,2 | ±1,0 | ||
| Понад 900 до 1200 | ±2,0 | ±1,8 | ||
| Понад 1200 | ±2,8 | ±2,5 | ||
Конструкторською основною опорною базою робочої лопатки радіального заводу при її монтажі в складальній одиниці служить радіально спрямована поверхня хвоста, яка сполучається з аналогічною поверхнею, що також має напрямок сусідньої лопатки, що є в даному випадку конструкторською допоміжною опорною базою. Поверхня хвоста лопатки, що приєднується, береться як вимірювальна база Б з (рисунок 4, г). Остання використовується щодо відхилень розмірів, визначальних розташування робочої частини лопатки в тангенціальному напрямі. Граничні відхилення від номінального значення кута у плані між радіально орієнтованою поверхнею хвоста лопатки і площиною Р-Р профілів перерізів і визначають точність завдання розташування профілів перерізів.
При розробці конструкції робочих лопаток величини граничних відхилень кута призначають в залежності від довжини робочої частини лопатки і з урахуванням (для хвостових перерізів) кута виходу потоку робочого тіла з каналу лопаткового апарату на наступний ступінь тиску. Для всіх довжин робочої частини (до 500 мм і більше) і кутом виходу потоку до 20° відхилення кута, що допускаються, у хвостових перерізів ±5°, а для лопаток з кутом виходу більше 20° складають ±0,12′.
Допустимі відхилення кута у головного перерізу при будь-якому значенні кута виходу потоку становлять ±12′, а в головних перерізах лопаток з довжиною робочої частини більше 500 мм, незалежно від кута виходу потоку відхилення кута, що допускаються, повинні знаходитися в межах ±30′.
Допустимі відхилення розмірів поверхонь елементів, які утворюють ялинкові профілі хвостової частини робочої лопатки, показані на малюнку 5.
Параметри шорсткості поверхонь робочої частини та перехідних жолобників зазвичай задаються в межах Ra = 1,25 - 0,63 мкм, у ряді випадків Ra = 0,63 - 0,32 мкм, а профільних поверхонь хвостів лопаток Ra = 1,25 - 0, 63 мкм.
Вам також можуть бути цікаві статті:
Базування лопаток турбін. Обробка базових поверхонь Технологія обробки поверхонь робочої частини та перехідних поверхонь лопаток турбін Електрохімічна обробка фасонних поверхонь Обробка складних просторових поверхонь
Лопатковий апарат турбіни складається з нерухомих напрямних та рухомих робочих лопаток і призначений для найбільш повного та економічного перетворення потенційної енергії пари в механічну роботу. Напрямні лопатки, встановлені в корпусі турбіни, утворюють канали, в яких пара набуває необхідну швидкість і напрямок. Робочі лопатки, розташовані на дисках або барабанах ротора турбіни, перебуваючи під дією тиску пари, що виникає в результаті зміни напрямку та швидкості його струменя, наводять вал турбіни у обертання. Таким чином, лопатковий апарат є найбільш відповідальною частиною турбіни, від якого залежить надійність та економічність її роботи.
Робочі лопатки мають різноманітну конструкцію. На рис. 17 показана лопатка простого типу, що складається з трьох частин: хвоста або ніжки 2, за допомогою яких лопатку кріплять в обід диску1 , робочої частини4 , що знаходиться під дією рухомого струменя пари, і вершини 6 для закріплення стрічкового бандажа 5, яким зв'язують лопатки з метою створення достатньої жорсткості та утворення каналу між ними. Між ніжками лопаток встановлюють проміжні тіла 3. Щоб запобігти виникненню температурної напруги при прогріванні та охолодженні турбіни, бандажом пов'язують окремі групи лопаток, залишаючи зазор між бандажами 1-2 мм.
Задня сторона лопатки називається спинкою; грань з боку входу пари називається вхідною кромкою, а грань з боку виходу пари - вихідною кромкою лопатки. Поперечний переріз лопатки в межах її робочої частини називається профілем лопатки. За профілем розрізняють активні та реактивні лопатки (рис. 18). Кут? 1 називається вхідним, а кут? 2 - Вихідним кутом лопатки. У активних лопаток турбін колишньої будівлі (рис. 18 а) профіль майже симетричний, тобто вхідний кут мало відрізняється від вихідного. У реактивних лопатках (рис. 18,б ) профіль несиметричний, вихідний кут значно менший за вхідний. Для підвищення ефективності роботи лопаток вхідні кромки профілів закруглюють, а канали, утворені профілями, виконують схожими. Сучасні профілі активної та реактивної лопаток з обтічною вхідною кромкою показані на рис. 18, іг .
Основні характеристики профілю лопаток такі:
Середня лінія профілю - геометричне місце центрів кіл, вписаних у профіль;
Геометричні кути: вход? 1 л - кут між дотичною до середньої лінії при вході та віссю ґрат; ? 2 л - те саме при виході;
Кути входу та виходу потоку пари: ? 1 - кут між напрямком потоку пари при вході на робочу лопатку та віссю; ? 2 - те саме при виході;
Кут атакиi - кут між напрямком потоку пари при вході на робочу лопатку та дотичної до вхідної кромки по середній ЛІНІЇ, тобто.i = ? 1л – ? 1 ;
Хорда профілюb - Відстань між кінцями середньої лінії;
Кут установки? У - кут між хордою профілю та осm. грати;
Ширина профілю - розмір лопатки у напрямку осі турбіни;
Крокt - Відстань між подібними точками сусідніх профілів.
Вхідна кромка сучасних профілів напрямних та робочих лопаток малочутлива до відхилення кута потоку на вході. Це дозволяє при розрахунку профілю лопатки допустити кути атаки до 3-5 ° у будь-якому перерізі по висоті лопатки. Вхідну кромку профілів лопаток при дозвуковій швидкості роблять товстою і ретельно закруглюють, що знижує вихрові втрати на вході в канал і підвищує вібраційну, корозійну та ерозійну стійкість лопаток. Така форма вхідної кромки забезпечує на змінних режимах менший вплив зміни кута атаки на к. п. д. лопатки, а також повніше використання вхідної енергії щаблів.
Геометричні характеристики активних і реактивних профілів робочих і напрямних лопаток наводиться в нормалях для судинних лопаток турбін (табл. 1, 2).
Розміри лопаток коливаються у межах. У суднових турбінах висота лопаток перших щаблів ТВД невелика (від 10 мм), а останніх щаблів ТВД досягає 400 мм. Ширина лопаток може бути 14-60 мм. Для зменшення ваги і зниження напруги від відцентрових сил довгим лопаткам надають ширину і товщину, що поступово зменшується від ніжки до вершини. На довгих лопатках бандаж зазвичай не ставлять, а для отримання більшої жорсткості лопатки скріплюють дротом в пакети по 5-10 лопаток.
За способом виготовлення лопатки можна поділити на дві групи:
1) виготовлені штампуванням з листового матеріалу (товщиною 1-2 мм) або з прокатаних профільних смуг (світло-катаних профілів); проміжні вставки цих лопаток виконуються окремо;
2) виготовлені як одне ціле з проміжними вставками шляхом фрезерування катаних, тягнутих, кованих або литих заготовок.
На рис. 17 показані лопатки, виготовлені з прокатаних профільних смуг з окремими вставками. Механічна обробка таких лопаток зводиться до фрезерування ніжки та вершини. Ці лопатки мають постійний профіль та застосовуються для невеликих окружних швидкостей. Для підвищених окружних швидкостей використовують напівфрезеровані лопатки із товстіших холоднокатаних профільних смуг. У таких лопатках вставка частково виконується разом із ними і спинка фрезерується.
Па рис. 19 зображені різні конструкції суцільнофрезерованих лопаток, виготовлених спільно зі вставками з гарячекатаної смугової сталі прямокутного та ромбічного перерізів. Перев'язка лопаток (рис. 19 а) здійснюється бандажною стрічкою. Для великих окружних швидкостей лопатку виготовляють як одне з бандажною полицею (рис. 19,б ). Змикаючись, полиці утворюють суцільне кільце-бандаж. Як зазначалося вище, ширина і товщина довгих лопаток поступово зменшується від ніжки до вершини (рис. 19, в). Для забезпечення ненаголошеного входу пара по всій висоті довгі лопатки іноді виконують зі змінним профілем, у яких кут входу поступово збільшується. Такі лопатки називаються гвинтовими.
За способом кріплення на дисках чи барабанах розрізняють лопатки двох типів:
1) з зануреною посадкою, у яких хвости заведені всередину спеціальних виточок в обід диска або барабана;
2) з верховою посадкою, у яких хвости надіті верхи на гребінь диска та закріплені.
На рис. 20 показані найбільш поширені форми лопаткових хвостів.
Хвости 3-11 застосовують для кріплення напрямних та робочих лопаток. Хвости типу 6 використовують у сучасних турбінах суховантажних суден та танкерів. Хвіст 11 роблять приблизно такою ж шириною, що і робочу лопатку, його застосовують для кріплення реактивних лопаток. Кріплення з верховою посадкою є доцільним для довгих лопаток, що піддаються дії значних зусиль.
Лопатки з зануреною посадкою кріплять також в індивідуальних осьових канавках за допомогою зварювання. Ці кріплення забезпечують заміну будь-якої з лопаток, а також дозволяють отримати кращі вібраційні характеристики та найменшу вагу лопаток та диска. Кріплення лопаток на диску за допомогою зварювання показано на рис. 21. Плоский хвіст 2 лопатки 1 входить у канавку обода диска і приварюється до нього з обох боків. Для більшої міцності лопатки додатково скріплюють з диском заклепками 3 і у верхній частині попарно зварюють бандажними полицями 4. Кріплення за допомогою зварювання підвищує точність установки лопаток, спрощує і знижує витрати на їх складання. Приварювання лопаток знаходить застосування у газових турбінах.
Для встановлення лопаткових хвостів на колі лопаткового вінця зазвичай роблять один-два вирізи (замковий отвір), що закриваються замком. При кріпленні лопаток з верховими хвостами типу ЛМЗ в індивідуальних прорізах та за допомогою зварювання замкові отвори та замки не потрібні.
Зазвичай лопатки набирають із двох сторін замкового отвору незалежно від кількості замків. На рис. 22 зображені деякі конструкції замків.
На рис. 22, а в районі замку зрізані заплічки обода диска (показані пунктиром), що утримують Т-подібний хвіст. Лопатки, що примикають до замкової вставки, у багатьох конструкціях прошиті штифтами та припаєні до своїх проміжних вставок. Замкову вставку забивають між прилеглими лопатками. Через наявний в щоці диска отвір свердлять отвір в замковій вставці, в який забивають заклепку. Кінці заклепки розклепують. На рис. 22 б замок являє собою вставку 2, що закриває бічний виріз в обід диска і прикріплену гвинтами1 . На рис. 22, показаний замок двовінкового колеса. Виріз для встановлення замкових лопаток1 роблять у середній частині обода диска між лопатковими канавками. Замкові лопатки кріплять двома планками 2, що розганяються клином 4, який кріпиться до обода гвинтом 3. До недоліків наведених конструкцій замків слід віднести ослаблення обода вирізами та отворами для гвинтів. На рис. 22 г показаний замок з розклинкою конструкції ЛМЗ. Замкові лопатки 2 і 3 виготовляють з виступами внизу, що заходять під хвости сусідніх лопаток 1 і 4. Після встановлення підкладки 7, сталевого клина 6 і підгонки замкової вставки 5, що має виріз в нижній частині, заганяють вставку між замковими лопатками.
Замок, конструкція якого показана на рис. 22, д, застосовують для реактивних лопаток. Замковий виріз в обід відсутня. Лопатки з хвостовиками зубчикового типу заводять у паз ротора у радіальному напрямку. Потім повертають на 90° з таким розрахунком, щоб зубчики входили у відповідні канавки в обід, і переміщують по колу до місця встановлення. Після встановлення всіх лопаток заводять замкову вставку, що складається з двох частин 1 і 4, що розганяються кліпом 3. Клин утримується викарбуваними виступами 2.
Хвостовики верхового типу дозволяють одержати порівняно просту конструкцію замків. На рис. 22, е показаний замок для хвостовика типу зворотний молот. Замкова лопатка 5 має хвостовик з плоским прорізом, який одягається на реборд 4 обода 1 диска і кріпиться до нього, заклепками3 . У місці встановлення замкової лопатки заплічики 2 (показані штриховою лінією) зрізані.
Лопатки турбіни під дією парового потоку пари з сопел можуть здійснювати коливання: 1) у площині обертання диска – тангенційна вібрація; 2) у площині, перпендикулярній обертанню диска, - осьова вібрація; 3) крутильні. Осьова вібрація лопаток пов'язана з вібрацією дисків. Крутильні коливання лопаток характеризуються інтенсивними коливаннями вершин.
Надійність роботи лопаткового апарату залежить від величини та характеру вібрацій, що виникають як у лопатках, так і в дисках, на яких вони закріплені. Крім того, лопатки, будучи пружними тілами, здатні вібрувати з власними частотами. Якщо власна частота коливань лопаток дорівнює або кратна частоті зовнішньої сили, що викликає ці коливання, то виникають так звані резонансні коливання, що не згасають, а продовжують продовжувати до припинення дії сили, що викликає резонанс, або до зміни її частоти. Резонансні коливання можуть спричинити руйнування робочих лопаток та дисків. Щоб уникнути цього, облапачені диски сучасних великих турбін до установки на вал піддають налаштуванню, за допомогою якого змінюється частота власних коливань.
З метою боротьби з вібрацією лопатки скріплюють у пакети бандажною стрічкою або дротом. На рис. 23 показано кріплення лопаток зв'язковим дротом, яку пропускають через отвори в лопатках і припаюють до них срібним припоєм. Як і бандажна стрічка, дріт та кола складається з окремих відрізків довжиною від 20 до 400 мм, між якими виникають теплові зазори. Діаметр зв'язкового дроту залежно від ширини лопатки приймають 4-9 мм.
Для зменшення амплітуди коливань пакетів між ними ставлять демпферний дріт 2 (місток), його припаюють до двох-трьох крайніх лопаток одного пакета, і він вільно проходитьчерез кінцеві лопатки сусіднього сегмента. Виникає тертя дроту об лопатки при вібрації пакета зменшує амплітуду коливань. За допомогою отворів 1 спрощується встановлення містка. Матеріал для виготовлення лопаток повинен мати достатню стійкість при високій температурі і хорошу механічну оброблюваність, бути корозійно і ерозійно стійким. Лопатки, що працюють при температурі пари до 425° С, виготовляють з нержавіючих хромистих сталей марок 1X13 і 2X13 з вмістом хрому 12,5-14,5%. При більш високих температурах (480-500 ° С) використовують нержавіючі хромонікелеві сталі з вмістом нікелю до 14%. Лопатки, що працюють при температурі пари 500-550° З виготовляють з аустенітних сталей ЕІ123 та ЕІ405 з вмістом нікелю 12-14% та хрому 14-16%. Литі лопатки виконують із сталі 2X13. Матеріалом для вставок служить вуглецева сталь марок 15, 25 і 35, для бандажної стрічки, зв'язного дроту, заклепок до лопаток та заклепок замків - нержавіюча сталь 1X13.
Для паяння бандажних стрічок та зв'язного дроту застосовують срібний припій марок ПС Р 45 та ПС Р 65 із вмістом срібла відповідно 45 та 65%.
Лопатка- Це робоча деталь ротора турбіни. Ступінь надійно фіксується під оптимальним кутом нахилу. Елементи працюють під колосальними навантаженнями, тому до них пред'являють найжорсткіші вимоги щодо якості, надійності та довговічності.
Застосування та види лопаткових механізмів
Лопаткові механізми широко застосовуються у машинах різного призначення. Найчастіше використовують їх у турбінах та компресорах.
Турбіна – ротаційний двигун, що працює під дією значних відцентрових сил. Основний робочий орган машини – ротор, на якому по всьому діаметру закріплені лопатки. Всі елементи поміщені в загальний корпус спеціальної форми у вигляді патрубків або сопел, що нагнітає і подає. На лопатки подається робоче середовище (пар, газ або вода), рухаючи ротор.
Таким чином, кінетична енергія рухомого потоку перетворюється на механічну енергію на валу.
Розрізняють два основні види турбінних лопаток:
- Робітники – знаходяться на обертових валах. Деталі передають механічну корисну потужність на приєднану робочу машину (часто це генератор). Тиск на робочих лопатках залишається постійним завдяки тому, що напрямні лопатки всю різницю ентальпій перетворюють на енергію потоку.
- Напрямні – закріплені в корпусі турбіни. Дані елементи частково перетворюють енергію потоку, завдяки чому обертання коліс отримує тангенційне зусилля. У турбіні різниця ентальпій має бути знижена. Це досягається шляхом зменшення числа щаблів. Якщо встановити занадто багато напрямних лопаток, зрив потоку загрожуватиме прискореному потоку турбіни.
Методи виготовлення турбінних лопаток
Турбінні лопаткивиготовляють методом лиття по деталях, що виплавляються з високоякісного металопрокату. Використовують смугу, квадрат, дозволяється застосування штампованих заготовок. Останній варіант переважний на великих виробництвах, оскільки коефіцієнт використання металу досить високий, а трудовитрати – мінімальні.
Лопаті турбін проходять обов'язкову термічну обробку. Поверхня покривається захисними складами проти розвитку корозійних процесів, а також спеціальними складами, що підвищують міцність механізму під час роботи в умовах високої температури. Наприклад, нікелеві сплави практично не піддаються механічній обробці, тому методи штампування для виробництва лопаток не підходять.
Сучасні технології подарували можливість виробництва турбінних лопаток шляхом спрямованої кристалізації. Це дозволило одержати робочі елементи з такою структурою, яку практично неможливо зламати. Впроваджується метод виготовлення монокристальної лопаті, тобто одного кристала.
Етапи виробництва турбінних лопаток:
- Лиття або поковка. Лиття дозволяє отримувати лопатки високої якості. Поковка проводиться за спеціальним замовленням.
- Механічна обробка. Як правило, для механічної обробки застосовуються токарно-фрезерні автоматизовані центри, наприклад, японський комплекс Mazak або фрезерні обробні центри, такі як MIKRON швейцарського виробництва.
- Як фінішну обробку застосовують тільки шліфування.
Вимоги до лопаток турбін, матеріали
Лопатки турбіниексплуатуються за умов агресивного середовища. Особливо критична висока температура. Деталі працюють під напругою на розтяг, тому виникають високі зусилля, що деформують, розтягують лопатки. Згодом деталі стосуються корпусу турбіни, машина блокується. Все це обумовлює застосування матеріалів найвищої якості для виготовлення лопаток, здатні витримувати значні навантаження при моменті, що крутить, а також будь-які зусилля в умовах високого тиску і температури. Якістю лопаток турбіни оцінюється загальна ефективність агрегату. Нагадаємо, що висока температура необхідна підвищення ККД машини, що працює за циклом Карно.
Лопатки турбіни- Відповідальний механізм. Завдяки ньому забезпечується надійність роботи агрегату. Виділимо основні навантаження під час роботи турбіни:
- Виникають великі окружні швидкості за умов високої температури у паровому чи газовому потоці, які розтягують лопатки;
- Формуються значні статичні та динамічні температурні напруги, не виключаючи і вібраційні навантаження;
- Температура у турбіні досягає 1000-1700 градусів.
Все це зумовлює застосування високоякісних жароміцних та нержавіючих сталей для виробництва лопаток турбін.
Наприклад, можуть бути використані такі марки як 18Х11МФНБ-ш, 15Х11МФ-ш, а також різні сплави на основі нікелю (до 65%) ХН65КМВЮБ.
Як легуючі елементи до складу такого сплаву додатково вводять наступні компоненти: 6% алюмінію, 6-10% вольфраму, танталу, ренію і трохи рутенію.
Лопатковий механізмповинен мати певну теплостійкість. Для цього в турбіні роблять складні системи охолоджувальних каналів та вихідних отворів, які забезпечують створення повітряної плівки на поверхні робочої або спрямовуючої лопатки. Розпечені гази не торкаються лопаті, тому відбувається мінімальне нагрівання, але самі гази не остигають.
Все це підвищує ККД машини. Охолодні канали формуються за допомогою керамічних стрижнів.
Для виробництва застосовують оксид алюмінію, температура плавлення якого сягає 2050 градусів.
