3. Конструкции и виды лопаток

Наиболее сложными и специфическими деталями турбины являются рабо­чие и сопловые лопатки. В газотурбинных установках это также лопатки осево­го воздушного компрессора.

Разработка процессов изготовления лопаточного аппарата требует глубо­ких знаний не только технологических дисциплин, но и теории турбомашин и газодинамики. Это связано с тем, что обрабатываемые поверхности, образую­щие конструктивную форму лопаток и имеющие сложную конфигурацию, иг­рают определяющую роль при эксплуатации турбин. Таким образом, разработ­ке технологических процессов производства лопаток должно предшествовать тщательное изучение конструктивных особенностей рабочих и сопловых лопа­ток и анализ назначения каждой из их поверхностей.

Лопатки следует разделить на две группы:

• рабочие, или подвижные, лопатки;

• сопловые (направляющие), или неподвижные.

В зависимости от области применения лопатки разделяются:

• на активные;

• на реактивные.

В ступенях турбины с активными лопатками рабочее тело расширяется только в каналах (соплах), образованных направляющими лопатками. При этом происходит превращение потенциальной энергии в кинетическую, таким обра­зом, рабочее тело до поступления на рабочие лопатки приобретает определен­ную скорость.

В реактивных ступенях расширение рабочего тела происходит как в кана­лах, образованных сопловыми (направляющими) лопатками, так и в каналах, образованных рабочими лопатками.

Активные и реактивные лопатки заметно отличаются формой профилей.

Канал, образованный двумя соседними активными лопатками, выполнен так, что площадь сечения его по ходу струи рабочего тела остается неизменной.

155

У реактивных лопаток угол входа рабочего тела близок или равен 90°, по­этому профиль имеет вытянутую форму. В каналах, образованных такими ло­патками, происходит превращение потенциальной энергии в кинетическую. На реактивных лопатках для стабильного формирования потока выходные кромки имеют прямолинейные участки значительной длины.

Каналы, которые образованы двумя соседними рабочими лопатками, должны иметь определенные сечения, достигаемые соответствующим выпол­нением профиля, который может быть по высоте постоянным или переменным.

Необходимое расстояние между двумя лопатками определяется конструк­цией хвоста лопатки, изготовленного заодно с промежуточным телом или со­прягаемого с отдельными дополнительными вставками - промежуточными те­лами. Каждая часть лопатки имеет свое название, выработанное практикой (рис. 31).

Наличие большого числа турбостроительных заводов, самостоятельно кон­струирующих турбины, сказалось на чрезвычайно большом разнообразии форм рабочих и сопловых (направляющих) лопаток.

На рис. 32 показаны наиболее широко применяемые типы рабочих лопа­ток, на рис. 36 - сопловых (направляющих) лопаток. Более сложными в изго­товлении являются рабочие лопатки.

Рабочие лопатки независимо от разнообразия конструкций имеют следу­ющие общие элементы, указанные на рис. 31: хвостовую часть, предназначен­ную для закрепления лопатки на диске или непосредственно на роторе; сред­нюю (рабочую) часть, на которой энергия пара или газа преобразуется в механическую энергию и головную часть, заканчивающуюся шипами, утонени­ем или бандажными полками (см. рис. 32, поз. 10,27, 3).

Лопатки некоторых ступеней с собственными бандажами, соединяющими соседние лопатки с помощью шлицов, зубцов и т. п., применяются для отстрой­ки от резонансных колебаний.

В приведенном примере (см. рис. 32, поз. 3) соседние лопатки скреплены в пакеты по две с помощью электросварки.

156

Рис. 31. Конструктивные элементы рабочих лопаток: а - рабочая часть и хвост: 1 - внутренняя поверхность; 2 - выходная кромка; 3 - наружная поверхность; 4 - отверстие под скрепляющую проволоку; 5 - утолщение; 6 - входная кромка; 7 - наружный профиль сечения; 8 - внутренний профиль сечения; 9 - наружная галтель; 10 — внутренняя галтель; 11 входная плоскость хвоста; 12 — полуотверстия для заклепки; 13 - наружная радиальная плоскость хвоста; 14 — внутренняя радиальная плоскость хвоста; 15 - пазы хвоста; 16 - торец хвоста; 17 - выходная плоскость хвоста; 18 вершина пазов; 6 — го­ловка с шипом: 1 - торец головки; 2 - внутренняя поверхность шипа; 3 - наружная поверх­ность шипа; 4 - входная поверхность шипа; в - головка с утонением (1); г - переход с полки хвоста в рабочую часть: 1 - внутренняя плоскость полки; 2 — наружная плоскость полки; д — перемычка двухъярусной лопатки: 1 - нижний ярус; 2 — внутренняя нижняя галтель пере­мычки; 3 - внутренняя плоскость перемычки; 4 — выходная плоскость перемычки; 5 - внут­ренняя верхняя галтель перемычки; 6 - верхний ярус; 7 - наружная плоскость яруса; 8 - наружная верхняя галтель перемычки; 9 - наружная плоскость перемычки; 10 - входная плоскость перемычки; 11 - наружная плоскость нижнего яруса; 12 - наружная галтель ниж­ней перемычки; е - разгрузочная полость хвоста (1); ж - бандажная полка: 1 - внутренняя плоскость бандажной полки; 2 — входная плоскость бандажной полки; 3 — наружная плос­кость бандажной полки; 4 выходная плоскость бандажной полки

157

Рис. 32. Типовые представители рабочих лопаток с Т-образными и вильчатыми хвостами из комплекта облопачивания турбины 50МВт с типовыми требованиями к облопачиванию:

I — колеса Кертиса (поз. 1—9); П ступеней ВД и СД (поз. 10—18);

Ш — ступеней НД (поз. 19—27)

Электросварка также широко применяется при изготовлении решетки ло­паточных каналов диафрагм, сварными делаются лопатки диафрагм последних ступеней и т. п.

На рис. 33 показана группа двухъярусных лопаток. Ярусы разделены бан­дажными полками.

а б в

Рис. 33. Типы двухъярусных рабочих лопаток: а - 24-й ступени турбины мощностью 24 МВт; б — 39-й ступени турбины мощностью 50 МВт; в — 11-й ступени турбины мощностью 100 МВт

В области высокого давления турбин малой мощности слабонагруженные лопатки выполняются по всей высоте одинаковой толщины (рис. 34), а канал между лопатками для прохода пара образуется путем вставки между ними спе­циальных промежуточных тел. У всех лопаток мощных турбин межлопаточный канал создается путем утолщения хвостов (см. рис. 32, поз. 3).

На рис. 35 показана лопатка газовой турбины, выполненная под торцовую заводку в паз ротора.

159

а

Рис. 34. Типовые крепления лопаток турбин малой мощности: а - реактивной турбины; б - активной турбины:

1 - профильная часть; 2 - хвост; 3 - диск турбины;

4. - промежуточные тепа (вставки);

5. - ленточный бандаж; 6 - головка лопатки с шипом

Рис. 35. Вид лопатки под торцевую заводку при облопачивании ротора газовой турбины 160

Наиболее распространенные виды сопловых (направляющих) лопаток по­казаны на рис. 36. Лопатки могут набираться в пазы, проточенные в корпусах цилиндров, направляющих аппаратов, сегментов сопел и в сопловых коробках. Лопатки некоторых видов (см. рис. 36, а, в, г) заливаются в тела чугунных диа­фрагм. Такие лопатки имеют разнообразные формы - от простых до весьма сложных. В зависимости от этого заготовки заказывают штампованные (см. рис. 36, в), светлокатаного профиля (для сварных диафрагм) или получае­мые методом точного литья по выплавляемым моделям (см. рис. 36, а, г), что особо эффективно в крупносерийном производстве.

Кроме монолитной (неохлаждаемой) лопатки (см. рис. 35), в газовых тур­бинах могут применяться охлаждаемые рабочие лопатки (рис. 37).

Охлаждаемые лопатки бывают многоканальными, дефлекторными, безде- флекторными, перфорированными и с пористой оболочкой (см. рис. 37). Наименьшую эффективность охлаждения имеют лопатки с тремя каналами и петлевой системой движения воздуха. Несколько лучшую эффективность охлаждения имеют лопатки с радиальными отверстиями (й = 1,25 мм). Наилуч­ший эффект получается в литых лопатках со вставным дефлектором и лопатках с пористым охлаждением. Большинство лопаток имеет перфорационные отвер­стия, они располагаются чаще всего ближе к входной кромке в два или в три ряда, реже - по спинке и корыту. Отверстия диаметром 0,3-0,6 мм, их число - до 100 и более.

Сопловые лопатки газовых турбин также бывают охлаждаемыми с дефлек­тором и перфорацией пера лопатки.

Приведенные конструкции рабочих и сопловых лопаток не исчерпывают всего многообразия видов, но вполне достаточны для изучения типовых техно­логических процессов обработки лопатки в целом, а также их отдельных типо­вых элементов.

За пределами пособия осталось рассмотрение конструкций рабочих лопа­ток и лопаток статора осевых воздушных компрессоров, газотурбинных уста­новок. Однако при несомненной специфике их видов, типовой процесс изго­товления компрессорных лопаток близок по своему составу и применяемым методам обработки к рассматриваемым далее техпроцессам.

161

Рис. 36. Типовые представители сопловых (направляющих) лопаток: а, в, г, д- лопатки, заливаемые в тела чугунных диафрагм; б - диафрагма; е - лопатка, устанавливаемая в паровые коробки цилиндров

Рис. 37. Охлаждаемые рабочие лопатки турбины: а - многоканальные (I - III); б - дефлекторные (I, II); в - бездефлекторные с перфорацией (I, II) и с пористой оболочкой (Ш)

162