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
Турбина (рисунок 2.13) – осевая, двухступенчатая, состоит из одноступенчатой ТВД и одноступенчатой ТНД. Обе турбины имеют охлаждаемые воздухом сопловые и рабочие лопатки. На пониженных дроссельных режимах работы с целью повышения экономичности двигателя выполнено частичное отключение охлаждения турбины.
Основные параметры и материалы деталей турбины приведены, соответственно, в таблицах 2.3 и 2.4.
Таблица 2.3 - Основные данные турбины
|
Параметр |
Значения |
||
|
Степень понижения полного давления газа | |||
|
КПД турбины по параметрам заторможенного потока | |||
|
Окружная скорость, м/с. | |||
|
Частота вращения ротора, об/мин. | |||
|
Втулочное отношение | |||
|
Температура газа на входе в турбину | |||
Таблица 2.4 - Материалы деталей турбины
Таблица 2.4 - Продолжение
|
ЭП-868-Ш (Средняя часть) ВТ-9 |
|||
Рисунок 2.13 – Турбина АЛ-31Ф
2.5.2 Конструкция турбины высокого давления
Турбина высокого давления предназначена для привода компрессора высокого давления и агрегатов, установленных на коробках приводов двигательных и самолетных агрегатов. Турбина состоит из ротора и статора.
Ротор турбины (рисунок 2.14) состоит из рабочих лопаток 1, диска 2, цапфы 3 и вала 4.
Рисунок 2.14 – Ротор ТВД
Рабочая лопатка (рисунок 2.15) – литая, полая с циклонно-вихревой схемой охлаждения. Во внутренней полости, с целью организации течения охлаждающего воздуха, предусмотрены ребра, перегородки и турбулизаторы.
Профильная часть лопатки (1) отделена от замка (2) полкой (3) и удлиненной
ножкой (4). Полки лопаток, стыкуясь, образуют коническую оболочку, защищающую замковую часть лопатки от перегрева. Удлиненная ножка, обладая относительно низкой изгибной жесткостью, обеспечивает снижение уровня вибрационных напряжений в профильной части лопатки. Трехзубый замок (5) «ёлочного» типа обеспечивает передачу радиальных нагрузок с лопаток на диск. Зуб (6), выполненный в левой части замка, фиксирует лопатку от перемещения ее по потоку, а паз (7) совместно с элементами фиксации обеспечивает удержание лопатки от перемещения против потока (рисунок 2.16).
Рисунок 2.15 – Рабочая лопатка ТВД
Рисунок 2.16 – Осевая фиксация рабочих лопаток ТВД
1-Вырезы; 2-диск; 3-лопатка; 4-пластинчатый замок
Осевая фиксация рабочей лопатки осуществляется зубом и пластинчатым замком. Пластинчатый замок (один на две лопатки) (8)вставляется в пазы лопаток в трех местах диска (9), где сделаны вырезы, и разгоняется по всей окружности лопаточного венца. Пластинчатые замки, устанавливаемые в месте расположения вырезов в диске, имеют особую форму. Эти замки монтируются в деформированном состоянии, а после выпрямления входят в пазы лопаток. При выпрямлении пластинчатого замка лопатки поддерживают с противоположных торцов.
Для снижения уровня вибрационных напряжений в рабочих лопатках между ними под полками размещают демпферы, имеющие коробчатую конструкцию (рисунок 2.17). При вращении ротора под действием центробежных силдемпферы прижимаются к внутренним поверхностям полок вибрирующих лопаток. За счет трения в местах контакта двух соседних полок об один демпферэнергия колебаний лопаток будет рассеиваться, что и обеспечит снижениеуровня вибрационных напряжений в лопатках.
Рисунок 2.17 - Демпфер
Диск (рисунок 2.18) 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, охлаждающего рабочие лопатки. Воздух отбирается из ресивера, образованного двумя буртиками, левой боковой поверхностью диска и аппаратом закрутки. На правой плоскости полотна диска выполнены буртик (3) лабиринтного уплотнения и буртик (4), используемый при демонтаже диска. В ступичной плоской части диска выполнены цилиндрические отверстия (5) под призонные болты, соединяющие вал, диск и цапфу ротора турбины.
Рисунок 2.18 – Диск ТВД
Балансировка ротора осуществляется грузиками (2.19), закрепляемыми в проточке буртика диска и зафиксированными замком. Хвостовик замка загибается на балансировочный грузик.
Рисунок 2.19 – Узел крепления балансировочного груза ротора
Цапфа (1) (рисунок 2.20) обеспечивает опирание ротора о роликовый подшипник. Левым фланцем цапфа центрируется и соединяется с диском турбины.
На наружных цилиндрических проточках цапфы размещены втулки (2) лабиринтных уплотнений. Осевая и окружная фиксация втулок осуществляется радиальными штифтами (3). Для предотвращения выпадания штифтов под воздействием центробежных сил после их запрессовки отверстия во втулках завальцовываются.
На наружной части хвостовика цапфы, ниже втулок лабиринтного уплотнения, размещено контактное уплотнение (рисунок 2.21), зафиксированное корончатой гайкой. Гайка законтрена пластинчатым замком.
Внутри цапфы в цилиндрических поясках центрируются втулки контактного 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 2.22.
Рисунок 2.20 – Цапфа ТВД
Рисунок 2.21 – Узел контактного уплотнения
1-втулка; 2-графитовые кольца; 3-цапфа; 4-корончатая гайка
Рисунок 2.22 – Узел контактного уплотнения
1-стальные втулки; 2-дистанционная втулка; 3-пружина; 4-графитовые кольца
Статор турбины высокого давления состоит (рисунок 2.23) из наружногокольца (1), блока сопловых лопаток (2), внутреннего кольца (3), аппарата закрутки(4), устройства стабилизации радиального зазора (5), клапанного аппарата и воздухо-воздушного теплообменника (6).
Рисунок 2.23 – Статор ТВД
Наружное кольцо (рисунок 2.24) – цилиндрическая оболочка с фланцем, расположенным между корпусом камеры сгорания и корпусом турбины. В левой части кольца на винтах 1 присоединены оболочки 2, являющиеся опорами жаровой трубы 3 камеры сгорания и обеспечивающие подвод охлаждающего воздуха на наружные полки лопаток соплового аппарата. В правой части кольца подвешено устройство 4 обеспечения радиального зазора.
Рисунок 2.24 – Наружное кольцо статора ТВД
Лопатки соплового аппарата объединены в 14 трехлопаточных блоков. Наружные полки блоков лопаток установлены в пазах наружногокольца и закреплены винтами. Лопаточные блоки литые, с вставными и припаянными в двух местах дефлекторами, с припаянной нижней полкой-цапфой. Для предотвращения перетечек газа стыки между блоками сопловых лопаток уплотнены металлическими пластинами, установленными в прорезях на торцах полок первой и третьей лопаток каждого блока.
Внутреннее кольцо (рисунок 2.25) выполнено в виде оболочки с втулками и фланцами, к которым приварена коническая диафрагма. На внешней стороне кольца (1) расположены четырнадцать втулок (2) для центрирования его на цапфах (3) блоков сопловых лопаток. Крышка (4) служит для образования полости охлаждающего воздуха. На левом фланце внутреннего кольца (1) винтами (5) присоединены оболочки (6), на которые опирается жаровая труба (7). Они же обеспечивают подвод вторичного воздуха от ОКС, охлаждающего внутренние полки лопаток соплового аппарата.
На правом фланце (4) приварен аппарат (8) закрутки (рисунок 2.26), представляющий собой сварную оболочковую конструкцию. Аппарат закрутки предназначен для подачи и охлаждения воздуха, идущего к рабочим лопаткам за счет разгона и закрутки по направлению вращения турбины. Для повышения жесткости внутренней оболочки к ней приварены три подкрепляющих профиля (9). Разгон и закрутка охлаждающего воздуха происходит в сужающейся части аппарата закрутки.
Рисунок 2.25 – Внутреннее кольцо статора ТВД
Рисунок 2.26 – Сопловой аппарат устройства закрутки воздуха ТВД
Устройство стабилизации радиального зазора (рисунок 2.27) предназначено для повышения КПД турбины на повышенных режимах. Оно представляет собой кольцо, тепловое состояние которого, а следовательно, и диаметр стабилизирован охлаждением. При увеличении режима, когда диаметр ротора увеличивается за счет разогрева лопаток и диска и их растяжения под действием центробежных сил, величина радиального зазора уменьшается, что приводит к снижению перетекания через зазор и повышению КПД турбины. На кольце "С"-образными секторами закреплены вставки с сотами, выполненными электроэрозией. В окружном направлении вставки зафиксированы радиальными штифтами. При касании лопаток о вставки происходит взаимный износ, что и предотвращает разрушение лопаток.
Рисунок 2.27 – Узел устройства, регулирующего радиальный зазор
1 – штифт; 2 – жиклер; 3 – кольцо; 4 - «С» образный элемент; 5 – вставка; 6 – соты; 7 - экран
Ротор ТВД состоит из рабочего колеса (диска с рабочими лопатками), лабиринтного диска, вала ТВД.
Рабочая лопатка ТВД ‑ охлаждаемая, состоит из хвостовика, ножки, пера и бандажной полки с гребешками. Воздух на охлаждение подводится к хвостовику, проходит по радиальным каналам в теле пера лопатки и выходит через отверстия в передней и задней части пера лопатки в проточную часть. В каждом пазу диска устанавливается по две лопатки. Соединяются лопатки с диском замками «елочного» типа. Лабиринтный диск и диск ТВД охлаждается воздухом из-за КВД.
Турбина низкого давления состоит из ротора и корпуса опор турбин с сопловым аппаратом ТНД. Ротор ТНД состоит из рабочего колеса (диска с рабочими лопатками) и вала ТНД, соединённых между собой болтами. Рабочие лопатки ротора ТНД неохлаждаемые, соединяются с диском замками «елочного» типа. Диск охлаждается воздухом, отбираемым из КВД.
В корпусе опор турбин наружная и внутренняя оболочки соединены между собой стойками, проходящими внутри полых лопаток соплового аппарата второй ступени турбины. Через лопатки проходят также трубопроводы масляных и воздушных коммуникаций. В корпусе опор турбин имеются узлы задних подшипников опор роторов низкого и высокого давления.
Сопловые лопатки, отлитые в виде секторов по три лопатки в секторе, охлаждаются воздухом, отбираемым из-за четвертой ступени КВД.
Турбина вентилятора состоит из ротора и статора. Статор турбины вентилятора состоит из корпуса и пяти сопловых аппаратов, набранных из отдельных литых секторов, по пять лопаток в секторе. Ротор турбины вентилятора дисково-барабанной конструкции. Диски соединяются между собой и с валом турбины вентилятора болтами. Лопатки, как сопловые, так и рабочие, неохлаждаемые; диски турбины вентилятора охлаждаются воздухом, отбираемым из КВД. Рабочие лопатки всех ступеней ротора ТВ бандажированы, соединены с дисками замками «елочного типа».
Выходное устройство турбины состоит из корпуса задней опоры, реактивного сопла внутреннего контура и стекателя.
На корпусе задней опоры турбины имеются места крепления узлов заднего пояса подвески двигателя к самолету. Задний узел подвески двигателя установлен на силовом кольце, которое является частью внешней оболочки корпуса задней опоры. Внутри корпуса расположен подшипниковый узел ротора вентилятора.
В стойках, соединяющих внутреннюю и наружную оболочки корпуса, расположены коммуникации задней опоры ротора вентилятора.
Режим работы зон ТО и ТР
Режим работы этих зон характеризуется числом рабочих дней в году, продолжительностью и количеством смен, временем начала и конца смен, распределением производственной программы во времени и должен быть согласован с графиком выпуска и возврата автомобилей с линии. Работы по ЕО и ТО-1 выполняются в межсменное время. Межсменное время – это...
Расчет количества постов ТР
Ммзп=Пучо / Фрм∙ Рср∙ n ∙ ŋ ,(13) где Пучо- производственная программа по операциям ТР выполняемым на участке стационарной мастерской, чел.-ч.; Фрм- фонд времени рабочего места; Рср- среднее число рабочих, приходящихся на 1 пост, чел; Рср=2 чел; n- число рабочих смен в сутки; n=1; ŋ=0,85-коэффициент использова...
Определение программы участка
Программой участка называется установленный или рассчитанный объем работы. Объем работы участков ремонтного депо зависит от количества вагонов поступающих в деповской ремонт. Так программа ВСУ соответствует запланированной программе конкретного депо. , Программа тележечного участка учитывает, что на данный участок поступает все тележки с...
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.
Лопаточный аппарат турбины состоит из неподвижных направляющих и подвижных рабочих лопаток и предназначен для наиболее полного и экономичного преобразования потенциальной энергии пара в механическую работу. Направляющие лопатки, установленные в корпусе турбины, образуют каналы, в которых пар приобретает необходимую скорость и направление. Рабочие лопатки, расположенные на дисках или барабанах ротора турбины, находясь под действием давления пара, возникающего в результате изменения направления и скорости его струи, приводят вал турбины во вращение. Таким образом, лопаточный аппарат является наиболее ответственной частью турбины, от которого зависит надежность и экономичность ее работы.
Рабочие лопатки имеют разнообразную конструкцию. Нa рис. 17 показана лопатка простого типа, состоящая из трех частей: хвоста или ножки 2, с помощью которых лопатку крепят в ободе диска 1 , рабочей части 4 , находящейся под действием движущейся струи пара, и вершины 6 для закрепления ленточного бандажа 5, которым связывают лопатки с целью создания достаточной жесткости и образования канала между ними. Между ножками лопаток устанавливают промежуточные тела 3. Чтобы предотвратить возникновение температурных напряжений при прогреве и охлаждении турбины, бандажом связывают отдельные группы лопаток, оставляя зазор между бандажами 1-2 мм.
Задняя сторона лопатки называется спинкой; грань со стороны входа пара называется входной кромкой, а грань со стороны выхода пара - выходной кромкой лопатки. Поперечное сечение лопатки в пределах ее рабочей части называется профилем лопатки. По профилю различают активные и реактивные лопатки (рис. 18). Угол? 1 называется входным, а угол? 2 - выходным углом лопатки. У активных лопаток турбин прежней постройки (рис. 18, а) профиль почти симметричный, т. е. входной угол мало отличается от выходного. В реактивных лопатках (рис. 18, б ) профиль несимметричный, выходной угол значительно меньше входного. Для повышения эффективности работы лопаток входные кромки профилей закругляют, а каналы, образованные профилями, выполняют сходящимися. Современные профили активной и реактивной лопаток с обтекаемой входной кромкой показаны на рис. 18, в и г .
Основные характеристики профиля лопаток следующие:
Средняя линия профиля - геометрическое место центров окружностей, вписанных в профиль;
Геометрические углы: входа? 1 л - угол между касательной к средней линии при входе и осью решетки; ? 2 л - то же при выходе;
Углы входа и выхода потока пара: ? 1 - угол между направлением потока пара при входе на рабочую лопатку и осью; ? 2 - то же при выходе;
Угол атаки i - угол между направлением потока пара при входе на рабочую лопатку и касательной к входной кромке по средней ЛИНИИ, Т. е. i = ? 1л – ? 1 ;
Хорда профиля b - расстояние между концами средней линии;
Угол установки? У - угол между хордой профиля и осm. решетки;
Ширина профиля В - размер лопатки по направлению оси турбины;
Шаг t - расстояние между сходственными точками соседних профилей.
Входная кромка современных профилей направляющих и рабочих лопаток малочувствительна к отклонению угла потока на входе. Это позволяет при расчете профиля лопатки допустить углы атаки до 3-5° в любом сечении по высоте лопатки. Входную кромку профилей лопаток при дозвуковой скорости делают толстой и тщательно закругляют, что снижает вихревые потери на входе в канал и повышает вибрационную, коррозионную и эрозионную стойкость лопаток. Такая форма входной кромки обеспечивает на переменных режимах меньшее влияние изменения угла атаки на к. п. д. лопатки, а также более полное использование входной энергии ступеней.
Геометрические характеристики активных и реактивных профилей рабочих и направляющих лопаток приводится в нормалях для лопаток судовых турбин (табл. 1, 2).
Размеры лопаток колеблются в широких пределах. В судовых турбинах высота лопаток первых ступеней ТВД небольшая (от 10 мм), а последних ступеней ТВД достигает 400 мм. Ширина лопаток может быть 14-60 мм. Для уменьшения веса и снижения напряжений от центробежных сил длинным лопаткам придают ширину и толщину, постепенно уменьшающуюся от ножки к вершине. На длинных лопатках бандаж обычно не ставят, а для получения большей жесткости лопатки скрепляют связной проволокой в пакеты по 5-10 лопаток.
По способу изготовления лопатки можно разделить на две группы:
1) изготовленные штамповкой из листового материала (толщиной 1-2 мм) или из прокатанных профильных полос (светло- катаных профилей); промежуточные вставки для этих лопаток выполняются отдельно;
2) изготовленные как одно целое с промежуточными вставками путем фрезерования катаных, тянутых, кованых или литых заготовок.
На рис. 17 показаны лопатки, выполненные из прокатанных профильных полос с отдельными вставками. Механическая обработка таких лопаток сводится к фрезерованию ножки и вершины. Эти лопатки имеют постоянный профиль и применяются для небольших окружных скоростей. Для повышенных окружных скоростей используют полуфрезерованные лопатки из более толстых холоднокатаных профильных полос. В таких лопатках вставка частично выполняется заодно с ними и спинка фрезеруется.
Па рис. 19 изображены различные конструкции цельнофрезерованных лопаток, изготовленных совместно со вставками из горячекатаной полосовой стали прямоугольного и ромбического сечений. Перевязка лопаток (рис. 19, а) осуществляется бандажной лентой. Для больших окружных скоростей лопатку изготовляют как одно целое с бандажной полкой (рис. 19, б ). Смыкаясь, полки образуют сплошное кольцо-бандаж. Как уже отмечалось выше, ширина и толщина длинных лопаток постепенно уменьшается от ножки к вершине (рис. 19, в). Для обеспечения безударного входа пара по всей высоте длинные лопатки иногда выполняют с переменным профилем, у которых угол входа постепенно увеличивается. Такие лопатки называются винтовыми.
По способу крепления на дисках или барабанах различают лопатки двух типов:
1) с погруженной посадкой, у которых хвосты заведены внутрь специальных выточек в ободе диска или барабана;
2) с верховой посадкой, у которых хвосты надеты верхом на гребень диска и закреплены.
На рис. 20 показаны наиболее распространенные формы лопаточных хвостов.
Хвосты 3-11 применяют для крепления направляющих и рабочих лопаток. Хвосты типа 6 используют в современных турбинах сухогрузных судов и танкеров. Хвост 11 делают примерно такой же ширины, что и рабочую лопатку, его применяют для крепления реактивных лопаток. Крепление с верховой посадкой целесообразно для длинных лопаток, подвергающихся действию значительных усилий.
Лопатки с погруженной посадкой крепят также в индивидуальных осевых канавках с помощью сварки. Эти крепления обеспечивают замену любой из лопаток, а также позволяют получить лучшие вибрационные характеристики и наименьший вес лопаток и диска. Крепление лопаток на диске при помощи сварки показано на рис. 21. Плоский хвост 2 лопатки 1 входит в канавку обода диска и приваривается к нему с двух сторон. Для большей прочности лопатки дополнительно скрепляют с диском заклепками 3 и в верхней части сваривают попарно бандажными полками 4. Крепление при помощи сварки повышает точность установки лопаток, упрощает и снижает затраты на их сборку. Приварка лопаток находит применение в газовых турбинах.
Для установки лопаточных хвостов на окружности лопаточного венца обычно делают один-два выреза (замковое отверстие), закрываемые замком. При креплении лопаток с верховыми хвостами типа ЛМЗ в индивидуальных прорезях и с помощью сварки замковые отверстия и замки не требуются.
Обычно лопатки набирают с двух сторон замкового отверстия независимо от количества замков. На рис. 22 изображены некоторые конструкции замков.
На рис. 22, а в районе замка срезаны заплечики обода диска (показаны пунктиром), удерживающие Т-образный хвост. Лопатки, примыкающие к замковой вставке, во многих конструкциях прошиты штифтами и припаены к своим промежуточным вставкам. Замковую вставку забивают между прилегающими лопатками. Через имеющееся в щеке диска отверстие сверлят отверстие в замковой вставке, в которое и забивают заклепку. Концы заклепки расклепывают. На рис. 22, б замок представляет собой вставку 2, закрывающую боковой вырез в ободе диска и прикрепленную винтами 1 . На рис. 22, в показан замок двухвенечного колеса. Вырез для установки замковых лопаток 1 делают в средней части обода диска между лопаточными канавками. Замковые лопатки крепят двумя планками 2, разгоняемыми клином 4, который крепится к ободу винтом 3. К недостаткам приведенных конструкций замков следует отнести ослабление обода вырезами и отверстиями для винтов. На рис. 22, г показан замок с расклинкой конструкции ЛМЗ. Замковые лопатки 2 и 3 изготовляют с выступами внизу, заходящими под хвосты соседних лопаток 1 и 4. После установки подкладки 7, стального клина 6 и подгонки замковой вставки 5, имеющей вырез в нижней части, вставку загоняют между замковыми лопатками.
Замок, конструкция которого показана на рис. 22, д, применяют для реактивных лопаток. Замковый вырез в ободе отсутствует. Лопатки с хвостовиками зубчикового типа заводят в паз ротора в радиальном направлении. Затем поворачивают на 90° с таким расчетом, чтобы зубчики входили в соответствующие канавки в ободе, и перемещают по окружности до места установки. После установки всех лопаток заводят замковую вставку, состоящую из двух частей 1 и 4, разгоняемых клипом 3. Клин удерживается отчеканенными выступами 2.
Хвостовики верхового типа позволяют получить сравнительно простую конструкцию замков. На рис. 22, е показан замок для хвостовика типа обратный молот. Замковая лопатка 5 имеет хвостовик с плоской прорезью, который надевается на реборд 4 обода 1 диска и крепится к нему, заклепками 3 . В месте установки замковой лопатки заплечики 2 (показаны штриховой линией) срезаны.
Лопатки турбины под действием парового потока пара из сопел могут совершать колебания: 1) в плоскости вращения диска - тангенциальная вибрация; 2) в плоскости, перпендикулярной вращению диска,- осевая вибрация; 3) крутильные. Осевая вибрация лопаток связана с вибрацией дисков. Крутильные колебания лопаток характеризуются интенсивными колебаниями их вершин.
Надежность работы лопаточного аппарата зависит от величины и характера вибраций, возникающих как в лопатках, так и в дисках, па которых они закреплены. Кроме того, лопатки, являясь упругими телами, способны вибрировать с собственными частотами. Если собственная частота колебаний лопаток равна или кратна частоте внешней силы, вызывающей эти колебания, то возникают так называемые резонансные колебания, не затухающие, а непрерывно продолжающиеся до прекращения действия силы, вызывающей резонанс, или до изменения ее частоты. Резонансные колебания могут вызвать разрушение рабочих лопаток и дисков. Чтобы избежать этого, облопаченные диски современных крупных турбин до установки на вал подвергают настройке, посредством которой изменяется частота их собственных колебаний.
В целях борьбы с вибрацией лопатки скрепляют в пакеты бандажной лентой или проволокой. На рис. 23 показано крепление лопаток связной проволокой, которую пропускают через отверстия в лопатках и припаивают к ним серебряным припоем. Как и бандажная лента, проволока но окружности состоит из отдельных отрезков длиной от 20 до 400 мм, между которыми возникают тепловые зазоры. Диаметр связной проволоки в зависимости от ширины лопатки принимают 4-9 мм.
Для уменьшения амплитуды колебаний пакетов между ними ставят демпферную проволоку 2 (мостик), ее припаивают к двум- трем крайним лопаткам одного пакета, и она свободно проходит через концевые лопатки соседнего сегмента. Возникающее трение проволоки о лопатки при вибрации пакета уменьшает амплитуду колебаний. С помощью отверстий 1 упрощается установка мостика. Материал для изготовления лопаток должен обладать достаточной стойкостью при высокой температуре и хорошей механической обрабатываемостью, быть коррозионно и эрозионно устойчивым. Лопатки, работающие при температуре пара до 425° С, изготовляют из хромистых нержавеющих сталей марок 1X13 и 2X13 с содержанием хрома 12,5-14,5%. При более высоких температурах (480-500° С) используют хромоникелевые нержавеющие стали с содержанием никеля до 14%. Лопатки, работающие при температуре пара 500-550° С изготовляют из аустенитных сталей ЭИ123 и ЭИ405 с содержанием никеля 12-14% и хрома 14-16%. Литые лопатки выполняют из стали 2X13. Материалом для вставок служит углеродистая сталь марок 15, 25 и 35, для бандажной ленты, связной проволоки, заклепок к лопаткам и заклепок замков - нержавеющая сталь 1X13.
Для пайки бандажных лент и связной проволоки применяют серебряный припой марок ПС Р 45 и ПС Р 65 с содержанием серебра соответственно 45 и 65%.
