Вопрос № 33. Рабочие лопатки осевых компрессоров. Основные требования и конструкционные материалы.

К онструктивно рабочая лопатка осевого компрессора состоит из профильной части (пера), соединяющейся плавным переходом (для снижения концентрации напряжений) с замковой частью (хвостовиком).

Профильная часть лопатки обтекается потоком воздуха и от ее аэродинамических свойств зависят и КПД компрессора.

Рабочая лопатка нагружена при работе центробежными и газовыми силами, вызывающими в пере лопатки значительные напряжения растяжения, изгиба и кручения. Величина центробежной силы, действующей на лопатку, зависит от величины окружной скорости, конструкционного материала, размеров лопатки и достигает 7…900 кН (700 – 90000 даН); величина газовой силы зависит от напорности ступени и размеров лопатки и примерно на порядок меньше центробежной силы.

К рабочим лопаткам осевого компрессора предъявляются следующие основные требования:

1. Высокие аэродинамические свойства профиля – большая подъемная сила, малое сопротивление, бессрывное обтекание в широком диапазоне углов атаки.

2. Высокие точность изготовления и чистота обработки поверхности пера, влияющие как на прочностные, так и на аэродинамические характеристики. Отклонение линейных размеров не превышает 0,05…0,15 мм, угловых – 15 угловых минут.

3. Высокие прочностные и заданные вибрационные характеристики. Разброс частот собственных колебаний лопаток одной ступени не должен превышать 3…4%.

4. Малая масса лопатки, низкая стоимость ее изготовления и возможность массового производства.

Лопатки крепятся к диску или барабану с помощью специального замка. Крепление должно удовлетворять следующим требованиям:

• обеспечивать необходимую прочность соединения;

• обеспечивать точную установку лопаток;

• обеспечивать легкость монтажа и демонтажа;

• простота производства;

• возможность размещения наибольшего (заданного) числа лопаток;

• малая масса.

Лопатки могут изготавливаться и заодно с диском или крепиться к диску сваркой или пайкой. Достоинство такой конструкции – отсутствие слабого элемента (замка), недостатки – сложность изготовления и необходимость замены при ремонте не отдельных поврежденных лопаток, а всего диска. Такая конструкция применяется на авиапроизводных ГТД из-за невозможности разместить необходимое количество лопаток на диске первой ступени без нарушения его прочности. Главный недостаток – дороговизна.

При применении замковых креплений лопатки могут крепиться к ротору в кольцевых, продольных или косых пазах (они могут быть и криволинейными).

Типы применяемых замков:

– трапециевидный (ласточкин хвост) для продольного паза;

– трапециевидный (ласточкин хвост) для кольцевого паза;

– елочный;

– штифтовой;

– шарнирный (вильчато-штифтовой).

Рабочие лопатки изготавливаются из алюминиевых сплавов АК2, АК4, АК4-1, ВД-17; из титановых сплавов ВТ3-1, ВТ-8, ВТ-10, ВТ-18; из сталей 40ХНМА, 40ХН3МА, ЭИ-736, ЭИ-961, Х17Н2, 18ХНВА, 30ХГСА и др.

Рабочие лопатки первых ступеней целесообразно изготавливать из стали, как материала, наиболее хорошо противостоящего ударам посторонних предметов, попадающих на вход в двигатель. При стальных рабочих лопатках диски, на которых они укреплены, естественно, должны выполняться также из стали. Рабочие лопатки вентиляторных ступеней ТРДД могут быть изготовлены из армированных пластиков. Применение армированных композиционных материалов в вентиляторах позволяет увеличить окружную скорость выше 450…480 м/с (для титановых сплавов предельной по условиям прочности является окружная скорость 450 м/с). Это упрощает конструкцию вентилятора, позволяет уменьшить число ступеней турбины вентилятора и улучшает сопряжение турбины с вентилятором или компрессором.