2. Изготовление лопаток

Лопатки газотурбинных двигателей являются наиболее нагруженны­ми деталями, определяющими ресурс, трудоемкость и стоимость двига­теля. Число лопаток в современных двигателях достигает 2 ... 3,5 тыс. штук, поэтому их изготовление производится в условиях крупносерийно­го или массового производства.

Ресурс лопаток двигателей военной авиации - 500 ... 1000 ч, а для гражданской авиации - 10 ... 20 тыс. ч. Стоимость и трудоемкость изго­товления комплекта лопаток составляет 20 ... 35 % от общей стоимости и трудоемкости двигателя.

В процессе эксплуатации лопатки подвергаются:

растяжению и изгибу под действием центробежных сил;

изгибу и кручению под действием газового потока;

воздействию переменных напряжений от вибрационных нагрузок;

воздействию повышенных и высоких температур (300 ... 600 °С для лопаток компрессора и 800 ... 1200 °С для лопаток турбин);

резким колебаниям температуры при пусках и остановках двигателя, вызывающим термическую усталость материалов лопаток; воздействию пылевой, дождевой и газовой эрозии;

электрохимической и высокотемпературной газовой коррозии;

износу и фреттинг-коррозии в местах сопряжений (замковых соеди­нениях, бандажных и антивибрационных полках).

При столь разнообразных и жестких условиях нагружения надежность и ресурс лопаток компрессора и турбины определяются множеством фак­торов, основными из которых являются:

особенности конструкции лопатки, обусловленные уровнем дейст­вующих напряжений и их концентрацией на отдельных конструктивных элементах;

используемые материалы и их состояние после формирования заго­товки;

состояние поверхностного слоя, полученное на финишных стадиях технологического процесса (шероховатость, знак и уровень остаточных напряжений, степень упрочнения и др.);

вид и свойства защитных покрытий.

Три последние группы факторов непосредственно определяются тех­нологией изготовления лопаток.

Лопатки ГТД классифицируют:

по назначению (рабочие лопатки компрессора, рабочие лопатки тур­бины, сопловые и спрямляющие (неподвижные));

по конструктивным признакам (монолитные (сплошные неохлаждаемые); с каналами; пустотелые; вафельные, паянные из двух половинок, охлаждаемые лопатки турбины);

по способу изготовления (деформируемые (кованые, прессованные, вальцованные), литые, свариваемые, спекаемые).

Основными конструктивными элементами лопаток являются: перо, хвостовик, полки пера и хвостовика, антивибрационные и бандажные пол­ки. Перо лопатки имеет сложную пространственную аэродинамическую форму с постоянными или переменными профилями поперечных сечений по длине, а также определенную закрутку. Выпуклую сторону пера назы­вают спинкой, а вогнутую - корытом. Кромку пера со стороны входа газа называют входной (передней), а противоположную - выходной (задней).

Перо лопаток компрессора, как правило, имеет переменную толщину по длине и ширине, закрутку до 40°. Допуск на толщину кромок пера колеблется в пределах 0,06 ... 0,12 мм, а толщина кромок не превышает 0,10 ... 0,25 мм.

Перо рабочих лопаток турбины имеет переменные сечения по длине и закрутку до 60°. Некоторые конструкции лопаток компрессора и турбины ГТД приве­дены на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Лопатки компрессора (а) и турбины (б): 1 ... 7 - размерные группы лопаток

Как видно из рисунка, лопатки значительно отличаются по габаритным размерам и конструктивным элементам пера и хвостови­ка. Такое многообразие объясняется различием в конструктивных и так­тико-технических параметрах ГТД, используемых в военной и граждан­ской авиации, вертолетах, танках, морских судах, энергетических уста­новках и т.д.

Разъемные соединения лопаток с дисками выполняются при помощи замков различной конструкции - елочного, типа «ласточкин хвост», шар­нирного (вильчатого).

Хвостовики лопаток статоров компрессора и турбины могут иметь разнообразную конструкцию. Лопатки статора компрессора оснащены хвостовиками типа «призма», «ласточкин хвост», «цапфа». Обычно эти лопатки имеют два хвостовика. В некоторых конструкциях ГТД применя­ются консольные статорные лопатки с верхним хвостовиком одного из указанных типов, а также беззамковые лопатки, которые устанавливаются в верхние и нижние опоры по торцевым сечениям пера в профильные окна.

Изготовление лопаток занимает особое место в производстве ГТД, что обусловлено следующими факторами:

сложностью и многообразием геометрических форм лопаток;

высокими требованиями по точности изготовления и состоянию по­верхностного слоя;

использованием дорогостоящих и труднообрабатываемых материалов;

высокой трудоемкостью изготовления;

необходимостью использования для обработки и контроля высокоточно­го специализированного оборудования и квалифицированного персонала.

В двигателях новых поколений с целью увеличения «напорности» вентиляторов и ступеней компрессора, устранения антивибрационных полок при сохранении необходимой жесткости, повышения КПД исполь­зуются широкохордные лопатки, в частности со сложной геометрией кромок (рис. 2.2).

а) б)

Рис. 2.2. Вентилятор двигателя TREND 5000 (о) и модель его лопатки (б)