Вопрос № 34. Рабочие лопатки газовых турбин, основные требования, конструкционные материалы.

Рабочие лопатки обеспечивают преобразование энергии газового потока в механическую работу турбины.

На рабочую лопатку турбины действуют нагрузки:

– центробежная сила от массы пера лопатки, вызывающие напряжения растяжения;

– осевая и окружная газовые силы, вызывающие напряжения изгиба в пере лопатки;

– неравномерное температурное поле, вызывающее термические напряжения.

Кроме того, лопатка турбины подвержена вибрации, коррозионному и эрозионному воздействию со стороны газового потока.

Требования к лопаткам турбины аналогичны требованиям, предъявляемым к компрессорным лопаткам, однако следует отметить, что эти требования применительно к лопаткам турбины более жесткие, так как турбинные лопатки работают в более тяжелых условиях, обусловленных воздействием высоких температур газового потока.

Рабочие лопатки турбин имеют те же конструктивные элементы, что и лопатки компрессора (перо, хвостовик), но иные геометрические пропорции: для них характерными являются более толстые и изогнутые профили, сильно развитые переходные части и хвостовики.

Из соображений прочности и жесткости перо лопатки выполняется клиновидным, с более резким уменьшением площадей сечений от корня к периферии, чем у компрессорных лопаток.

Между профильной и замковой частями обычно выполняется полка, образующая внутренний контур проточной части турбины и защищающая хвостовик лопатки и обод диска от перегрева горячим газом. Сильно развитая переходная часть (длина ее может достигать до 50 % от длины лопатки) позволяет разместить замок лопатки ближе к центру диска в области более низких температур, что благоприятно сказывается на несущей способности замка и позволяет выполнить диск более тонким, так как обод диска будет работать в области пониженных по сравнению с проточной частью температур.

Для снижения уровня вибронапряжений в пере лопатки и для повышения ее демпфирующих свойств часто применяется проволочное, втулочное или полочное бандажирование. Бандажные полки на концах рабочих лопаток образуют в сборе кольцо, которое способствует уменьшению потерь на перетекание, при этом КПД турбины возрастает на 1,5...2 %. Сверху бандажных полок обычно нарезаются гребешки лабиринтного уплотнения, работающего в сочетании с легкоприрабатываемыми металлокерамическими (железоникельграфитовыми) или сотовыми вставками, укрепленными в корпусе турбины. Полки в холодном состоянии могут быть поставлены плотно одна к другой (с небольшим натягом) или с зазором до 0,2 мм.

Свободный конец лопатки при отсутствии бандажной полки заостряется (снимается фаска) для облегчения приработки к покрытию и предотвращения поломок при касании лопатки о покрытие при приработке двигателя.

Комплект рабочих лопаток на колесе подбирается по массе (отклонения в массах лопаток одного комплекта не должны превышать 3...5 граммов) для облегчения балансировки ротора, а также по частоте первого тона изгибных колебаний (допуск – не более 3 %).

Принципиально все типы замковых соединений, применяемых для крепления рабочих лопаток компрессора, могут быть использованы и в турбине, однако большое количество экспериментальных исследований различных типов замков позволило отобрать наиболее работоспособный для крепления лопаток турбины. Таким замком, который применяется в настоящее время в турбине наиболее широко, является «елочный» замок. Он позволяет передать на диск большие центробежные нагрузки (на каждую пару зубьев замка приходится сила до 2...3 тонн) при малой массе и габаритах и осуществлять охлаждение лопаток путем отвода тепла в обод диска и продувкой воздухом замковых зазоров.

Елочному замку присущи недостатки:

– наличие концентраторов напряжения в зубьях замка, что может вызвать усталостные трещины;

– сложность и высокая стоимость изготовления, так как для получения равномерной загрузки зубьев необходима высокая точность их изготовления.

В случае необходимости размещения на диске необходимого количества лопаток, применяют сдвоенные замки – две лопатки крепятся в одном замковом пазу. При таком креплении улучшается демпфирование колебаний лопаток за счет рения не только замка о диск, но и половинок замка между собой.

Лопатки, как правило, крепятся в продольных пазах, но может быть применено крепление и в кольцевых пазах (наиболее приемлемы в этом случае штифтовой и зубчатый замки). В малоразмерных турбинах лопатки могут выполняться заодно с дисками.

Как и для компрессорных лопаток, в турбинах применяется индивидуальная или групповая осевая фиксация.

Групповая фиксация осуществляется дефлекторами, проставочными кольцами, разрезным пружинным кольцом, плоскими секторами-фиксаторами (РД-33).

Индивидуальная фиксация выполняется упорными зубьями, пластинчатыми замками, сухариками в переходной части (АЛ-7).

Возможность применения простых и легких фиксаторов обусловлена тем, что осевая газовая сила, действующая на одну лопатку, не превышает 1000Н, в то время как сила трения, препятствующая выходу лопатки из паза в 10 – 20 раз больше.

Рабочие лопатки могут быть выполнены и заодно с диском (например, турбина ВСУ АИ-9, турбина низкого давления ТРДД 36МТ).

Лопатки газовых турбин работают в тяжелых условиях. Они испытывают высокие напряжения растяжения, значительные изгибные нагрузки, вибрации, имеют неравномерное температурное поле при средней температуре нагрева 1000…1250 К. Поэтому для изготовления лопаток применяют высококачественные жаропрочные сплавы в основном на никелевой основе. Для неохлаждаемых рабочих лопаток при = 1100 К может быть применен сплав ЭИ-437Б или ЭИ-617; при = 1150 К – сплав ЭИ-598; при = 1180…1200 К – сплавы ЭИ-822 и ЭИ-868; для охлаждаемых лопаток при =1250 К и выше – сплавы ЖС6-КП (деформируемый), ЖС-4 (литейный), ЖС6-КУ (улучшенный), сплавы на молибденовой или ниобиевой основе. Разработаны и материалы для изготовления монокристаллических лопаток, например, сплав ВКНА-1В.

В настоящее время разрабатываются конструкции лопаток из фазоармированных материалов для рабочих температур выше 1500 К. Матрица таких материалов – никелевые жаропрочные сплавы или интерметаллиды на основе никеля и титана, например, Ni₃Al, а армирующая фаза – волокна карбидов ниобия или тантала.

В многоступенчатых турбинах (ТВД, ТВаД) лопатки последних ступеней, работающие при сравнительно невысоких температурах, могут быть изготовлены даже из жаропрочных сталей ЭИ-696 или ЭИ-696М.