2.3. Конструктивные особенности и технические условия на изготовление лопаток турбины

Лопатки турбины, как и лопатки компрессора, являются массовыми деталями. Некоторые ГТД имеют до семи ступеней, а количество лопаток достигает 500 шт. на один двигатель.

Длина лопаток турбины для разных двигателей заключена в пределах 40 ... 350 мм, закрутка пера достигает 60°. Основную номенклатуру ло­паток компрессора составляют лопатки длиной 60 ... 250 мм.

Перо рабочей лопатки турбины имеет сложную пространственную аэродинамическую форму с переменными профилями поперечных сече­ний. Сечения пера повернуты относительно друг друга, образуя его за­крутку. Перо сопловых лопаток турбин выполняется без закрутки с по­стоянными или подобными сечениями.

Как правило, максимальная толщина поперечных сечений лопаток турбины больше, чем у лопаток компрессора, что, в частности, связано с наличием в пере внутренних полостей для охлаждения лопаток. Углы поворота потока в межлопаточных каналах турбин также больше, что обусловливает более значительный, чем в лопатках компрессоров, прогиб профиля и как следствие большие момент инерции сечения и жесткость.

Различают охлаждаемые и неохлаждаемые (монолитные) лопатки турбины. Охлаждаемые лопатки бывают многоканальными, дефлекторными, перфорированными и с пористой оболочкой (рис. 2.25).

Рис. 2.25. Охлаждаемые рабочие лопатки турбины:

I - многоканальные (а - в); II - дефлекторные (г, d); III - бездефлекторные с перфорацией (е, ж) и пористой оболочкой (з)

Охлаж­даемыми делаются лопатки первых ступеней турбины. В настоящее вре­мя наиболее часто используются бездефлекторные лопатки с перфораци­ей или без нее. Большин­ство лопаток имеет пер­форационные отверстия. Они чаще всего распола­гаются ближе к входной кромке в два или три ряда, иногда на поверхностях спинки и корыта. Число таких отверстий диамет­ром 0,3 ... 0,6 мм достига­ет 100 и более. Сопловые лопатки обычно охлаж­даемые, с дефлекторами и перфорацией пера.

Совершенство системы охлаждения характеризу­ют безразмерным относи­тельным параметром , называемым глубиной охлаждения. Он определя­ется по формуле:

где Т_г - температура рабочего газа; Т_л - температура материала лопатки; Т_вл - температура охлаждающего воздуха на входе в лопатку.

Теоретический диапазон значений - от 0 до 1. В случае лопат­ка не охлаждается, а при температура лопатки равна температуре охлаждающего воздуха, что на практике неосуществимо. Значения су­ществующих систем охлаждения лопаток находятся в диапазоне 0,1 ... 0,75 и зависят от конструкции системы охлаждения и количества воздуха, подаваемого в лопатку. Параметр удобно использовать для оценки со­вершенства различных систем охлаждения.

В современных ГТД наибольшее распространение получили конвек­тивные и конвективно-пленочные типы систем охлаждения лопаток. При внутреннем конвективном охлаждении воздух проходит через систему каналов внутри лопатки, после чего отводится в проточную часть турби­ны. В зависимости от характера движения воздуха различают системы с продольным, поперечным и комбинированным охлаждением.

Продольную систему охлаждения отличает простота расчета и техно­логического исполнения. Однако при такой системе наблюдается нерав­номерное охлаждение лопатки. Наиболее нагретыми оказываются перед­няя и задняя кромки. При температуре газа более 1450 К такая система уже не обеспечивает работоспособность лопатки, поскольку перегретые кромки не отвечают условиям прочности.

Примером конструкции с поперечным охлаждением могут служить дефлекторные лопатки. Воздух подается внутрь полого дефлектора, по­сле чего через большое количество отверстий выдувается на внутренние поверхности лопатки. Как правило, далее воздух движется по каналу, образуемому наружной поверхностью дефлектора и внутренней поверх­ностью канавки, после чего выбрасывается в проточную часть. Подобная организация движения воздуха приводит к значительному выравниванию поля температур лопатки и повышает параметр . К недостаткам таких систем относится сложность технологического исполнения.

Комбинированные системы охлаждения весьма разнообразны. Дви­жение воздуха может быть организовано не только строго вдоль или по­перек пера лопатки, но и под различными углами.

Конвективно-пленочное, или заградительное, охлаждение не только отводит теплый воздух с горячих деталей, но и защищает поверхность от воздействия высокотемпературного газового потока. При движении воз­духа по внутренней полости лопатки он отбирает часть тепла, поэтому пленочному охлаждению всегда сопутствует конвективное. Поскольку отверстия на поверхности лопатки могут быть размещены практически в любом месте, такая система охлаждения позволяет достаточно просто регулировать распределение пленки по поверхности и избегать локаль­ных перегревов лопатки. Этот тип охлаждения находит применение при температурах выше 1500 К, как правило, в первых ступенях турбин вы­сокого давления. К недостаткам следует отнести сравнительно высокий расход охлаждающего воздуха (примерно в 2 раза больше, чем у лопаток с конвективным охлаждением).

Пористое, или эффузионное, охлаждение не только эффективно охла­ждает пористую стенку лопатки, но и уменьшает теплоотдачу от газа пу­тем образования равномерной защитной воздушной пленки. Благодаря этому для пористого охлаждения требуется в 1,5 ... 3 раза меньше возду­ха, чем для внутреннего конвективного, а при температуре 1900 К расход воздуха может быть снижен почти в 3 раза. Главным препятствием, сдер­живающим применение эффузионного охлаждения, является отсутствие достаточно прочных проницаемых материалов с суммарной площадью сечения пор 0,5 мм² на 1 см² и размером пор не менее 50 ... 100 мкм. К недостаткам этого способа охлаждения следует отнести и быстрое за­сорение пор продуктами горения, что вынуждает использовать дополни­тельную систему преднаддува, чтобы обеспечить работу системы на пе­реходных режимах. Разработки систем пористого охлаждения ведутся во многих исследовательских центрах и лабораториях мира. Проблему пы­таются решить с помощью электронно-лучевого напыления или термо­химического осаждения оболочек с регламентированными и направлен­ными отверстиями (порами), а также применяя специальные листы с ис­кусственно созданными формами и отверстиями (ламиллой) и др.

Наиболее распространенным видом соединения лопатки и диска тур­бины является «елочный» замок, обеспечивающий равномерное распре­деление передаваемой нагрузки. Стандарт устанавливает соединения с 2, 3,4 и 5 парами зубьев.

При обработке елочного хвостовика необходимо выдерживать разме­ры с точностью ±0,008 мм по шагу зубьев и -0,08 по роликам.

Лопатки статора турбины обычно выполняются с двумя хвостовиками типа «призма» или «проушина».

Технические условия на изготовление лопаток турбины характеризу­ются следующими требованиями по точности и шероховатости элемен­тов пера и замка.

Рис. 2.26. Основные конструктивные элементы рабочей лопатки турбины, определяющие точность ее изготовления:

а - перо лопатки; б - елочный профиль хвостовика

Перо лопаток (рис. 2.26, а):

отклонение профиля спинки и корыта пера в расчетных сече­ниях от заданного 0,1 ... 0,3 мм;

отклонение входной и выходной кромок 0,03 ... 0,2 мм;

отклонение толщины профиля пера ;

допуск на толщину стенок пера охлаждаемых лопаток ± 0,3 мм;

смещение выходной кромки от номинального положения в направле­нии оси х ± 0,2 ... ± 0,3 мм;

смещение профиля пера в корневом сечении от номинального поло­жения в направлении оси у ± 0,05 .... ± 0,20 мм;

отклонение ширины хорды профиля пера мм;

допуск на диаметр перфорационных отверстий 0,05 мм;

шероховатость пера лопатки Ra = 0,08 ... 0,63 мкм;

шероховатость внутренней полости пера лопатки Ra = 0,08 ... 0,63 мкм;

шероховатость внутри перфорационных отверстий Ra = 0,15 ... 2,5 мкм.

Елочный замок (рис. 2.26, б):

допуск шага зубцов (5-й квалитет) 0,01 ... 0,02 мм;

толщина хвостовика по средней линии зубцов (6-й квалитет) 0,02 ... 0,06 мм;

допуски на углы замка 10 ... 30';

несимметричность зубцов гребенок 0,02 мм;

шероховатость поверхностей зубцов Ra = 0,32 ... 1,25 мкм;

число типоразмеров елочных замков 100.

Материалы лопаток турбины. Лопатки газовой турбины являются наиболее нагруженными деталями ГТД. Они эксплуатируются в услови­ях высоких температур в агрессивной среде продуктов сгорания, поэтому требования к материалам, особенно к материалам рабочих лопаток, чрез­вычайно высоки.

Материалы лопаток газовых турбин должны обладать высоким сопро­тивлением ползучести, усталости, высокотемпературной газовой коррозии, эрозионному разрушению; иметь высокую жаропрочность и пластичность и в тоже время удовлетворительные технологические свойства (обрабаты­ваемость резанием, давлением, хорошие литейные свойства и др.).

Лопатки компрессора изготавливают из жаропрочных сплавов на ни­келевой и кобальтовой основах, легированных Ti, Al, Mo, W, Nb, Zr, В, V, Y, Hf, La, Re, Та и др. Свойства и особенности этих материалов были рассмотрены в соответствующем разделе книги. Используются в основ­ном литейные жаропрочные сплавы, реже деформируемые. Современные технологии литья суперсплавов позволяют получать лопатки с более вы­сокой жаростойкостью и жаропрочностью, чем методы пластического деформирования.

Для изготовления рабочих и сопловых лопаток применяют следую­щие жаропрочные сплавы: литейные ЖС6К, ВЖЛ-12У при температуре нагрева 950 ... 1000 °С; ЖС6УВИ, ЖС6Ф, ЖС26ВИ, ЖС30, ЖС32 и др. при 1050 ... 1100 °С; деформируемые сплавы ЭП929, ЭП109, ЭП220, ЖС6КП при температуре нагрева до 950 °С. В перспективе для изготов­ления лопаток турбины представляют особый интерес сплавы тугоплав­ких металлов, интерметаллидные сплавы (для лопаток турбины низкого давления), керамокомпозиты.