Конструкции газотурбинных установок - Шварц В.А.
Скачать (прямая ссылка):
В лопатках на концах иногда выполняют бандажные полки, способствующие повышению к. п. д. ступени и улучшению вибрационных характеристик. Ленточные бандажи применяют в газовых турбинах редко, в основном в малонапряженных низкооборотных установках с относительно невысокими температурами. Проволочные бандажи используют в длинных лопатках для улучшения их вибрационных свойств. В абсолютном большинстве рабочие лопатки выполняют без бандажей и их крепление в
261
диске допускает некоторое перемещение — «качку» лопатки в плоскости, перпендикулярной к оси хвоста.
Профильную часть лопатки в верхнем сечении иногда утоняют, чтобы при возможном задевании вершины о корпус исключить серьезные поломки. ¦
Рабочие лопатки турбин стационарных и транспортных ГТУ выполняют в основном фрезерованием из прямоугольных брусков или из специальных поковок. Некоторые жаропрочные сплавы плохо поддаются механической обработке, и профильную часть этих лопаток выполняют злектроэрозионным способом; хвостовую часть лопатки обрабатывают фрезерованием. Существует ряд прогрессивных методов изготовления профильной части лопаток методами прецизионной ковки, точного литья, спеканием и др. Промышленного применения в стационарных и транспортных ГТУ они не получили. Исключение составляет лишь автомобильное газотурбостроение, где возможна массовость производства при минимальной трудоемкости.
В двигателях фирмы Крайслер рабочие лопатки выполняются точным литьем по выплавляемым моделям как одно целое с ободом, который затем приваривают к телу диска из малоуглеродистой стали. Механическая обработка лопаток сводится только к удалению литников на конце каждой лопатки. В первых образцах двигателей лопатки отливали из высоколегированных сплавов; в двигателе А-831 материалом лопаток служит жаропрочный сплав на железной основе.
Точным литьем выполняют также лопатки двигателя GMT-305 компании Дженерал Моторе.
Фирма Форд применяет для двигателя 704 новый способ изготовления турбинных колес. Лопатки, полученные точным литьем, закрепляют сперва в кольцевой оправке в рабочем положении; затем профильную часть лопаток заливают сплавом с низкой температурой плавления, а на хвостовики лопаток под прессом насаживают нагретый диск турбины. После этого обод диска протачивается по торцам, а лопатки—по периферии. Затем сплав, связывающий лопатки, выплавляется.
Английская фирма Остин, проектируя автомобильный двигатель мощностью 120 л. с. с низкооборотной четырехступенчатой турбиной, также преследовала цель удешевления производства. Лопатки всех четырех ступеней имеют постоянное сечение без закрутки и одинаковый профиль; отличаются лопатки только длиной. Выполнены они из полосового материала постоянного профиля, причем обработке подвергаются только хвостовые части. Благодаря низким окружным скоростям напряжения в лопатках столь резко снизились, что появилась возможность их закрепления вильчатыми хвостами на штифтах. Такой способ крепления значительно облегчает производство, но он совершенно исключается в малоступенчатых высокооборотных турбинах.
Крепление рабочих лопаток
Лопатки в малонапряженных конструкциях крепят так же, как и в паровых турбинах,— в тангенциальных пазах, проточенных по окружности: вильчатыми хвостами на заклепках,
Т-образными хвостами, Зубчиковыми хвостами (рис. 183, г). Указанные соединения характерны простотой, малой трудоемкостью изготовления, удобством сборки. Однако в условиях быстрых пусков, вследствие того, что промежуточные тела и хвосты нагре-
часть лопатки турбины ГТ-25-700 JIM3, г — лопатки турбины высокого давления ГТ-6-750 ТМЗ
ваются быстрее, чем диски, из-за тангенциального распора происходит обрыв хвостов лопаток (ГТ-12-3 ЛМЗ, Броун-Бовери).
В напряженных газотурбинных конструкциях повсеместное применение получили осевые хвостовые соединения с елочным профилем (рис. 188, б). Эти соединения имеют большую опорную поверхность и значительную площадь наиболее нагруженного сечения хвоста лопатки. Елочный хвост обеспечивает наименьший радиальный размер обода диска и минимальные напряжения по сравнению с другими типами хвостов. В отличие от тангенциальных хвостов, где отношение площадей сечения хвоста и корневого сечения лопатки редко превышает единицу, в елочных хвостах это отношение достигает двух. Угол между образующими клина выбирают исходя из шага лопаток и обеспечения •равнопрочности всех сечений хвоста лопатки и тела диска между пазами. Величина угла составляет 25—30° — при этом получают минимальный шаг, но сечения нагружены неравномерно. Наи-
263
большие напряжения возникают в сечении А—А хвоста и Б—В тела диска. Сечение А—А нагружено дополнительно изгибными и вибрационными усилиями и наиболее уязвимо: трещины и обрывы обычно появляются именно в этом сечении. Перераспределить напряжения по высоте хвоста лопатки и обода диска, а также понизить уровень напряжений можно, выполнив боковые поверхности обода диска наклонными, а пазы — косыми или дуговыми (рис. 188, а)
Чтобы получить равномерную нагрузку на все зубья, посадку лопаток выполняют свободной — вершина лопатки может качаться в тангенциальном направлении с размахом примерно 0,5—-2 мм на каждые 100 мм высоты лопатки. Под действием центробежной силы и усилия среды лопатки устанавливаются & оптимальном положении, чем частично компенсируются также погрешности обработки элементов хвостового соединения. Обеспечить плотное прилегание всех зубьев елочного хвоста весьма затруднительно, так как коэффициенты расширения материала лопаток и дисков различны (для лопаток используют аустенит-ные стали, для дисков чаще всего перлитные) и температуры этих элементов существенно различаются, причем температура по высоте хвоста лопатки переменна. При нестационарных режимах учесть изменения температурного поля хвоста еще более затруднительно. Поэтому при работе турбины могут иметь место режимы, при которых часть зубьев выходит из контакта, а остальные перегружаются. Елочным хвостам присущ и другой органический недостаток — повышенная концентрация напряжений; для уменьшения напряжений зубья хвоста выполняют по возможности мелкими.
