23. Рабочие лопатки, валы и диски.

Рабочие лопатки обеспечивают преобразование энергии газового потока в механическую работу турбины. Усилия, возникающие на лопатках, через диск передаются на вал турбины.

В состав роторов входят валы, диски с установленными в них рабочими лопатками, цапфы, кольцевые проставки и другие соединительные элементы. В турбинах ГТД обычно используют роторы вальнодискового типа. Ниже рассмотрены особенности конструкции ос­новных элементов роторов турбин.

Рабочие лопатки (далее РЛ) обеспечивают преобразование энергии газового потока в механическую работу турбины. Усилия от действия газа на РЛ через диск и соединительные элементы передаются на вал. Лопатки работают при высоких температурах и несут большие нагрузки. Поэтому к конструктивным формам, к способу крепления в дисках, к выбору мате­риалов и технологии изготовления РЛ предъявляют особо жесткие требования.

Основные элементы РЛ показаны на рис. 2.4.8.

Бандажные полки обычно устанавливают на первых ступенях турбины. На внешней поверхности полок выполняют один или несколько гребней, играющих роль лабиринтного уплотнения, что позволяет уменьшить перетекание горячего газа мимо лопаточной решетки и повысить КПД ступени. Вторым достоинством бандажных полок является повышение виб­ропрочности лопаток, а к их недостаткам следует отнести усложнение конструкции и увели­чение массы РЛ.

По сравнению с лопатками компрессора для РЛ турбины характерны более массивные и изогнутые по высоте профили. Из соображений прочности и жесткости перо РЛ выполня­ют с уменьшением площадей от корня к периферии.

Перо лопатки имеет сложную пространственную форму. Его профилирование произ­водят по результатам газодинамических и прочностных расчетов. Центры тяжести расчетных сечений располагают либо на радиальном луче, проходящем через центр тяжести корневого сечения пера, или же на луче, наклоненном к радиальному. Во втором случае момент изгиба от действия центробежной силы должен быть направлен против момента от газовых сил.

В нижней части перо лопатки переходит в полку хвостовика. Совокупность полок хвостовиков в лопаточной решетке, смыкаясь между собой, формирует проточную часть га­зового тракта по втулочному сечению. Хвостовик лопатки служит для закрепления её в дис­ке. Ножка хвостовика позволяет отдалить обод диска от горячей проточной части с целью уменьшения теплоподвода к нему.

Рабочие лопатки турбины имеют те же конструктивные элементы, что и лопатки компрессора, т. е. замок и профильную часть (перо), но геометрические формы и пропорции их иные. Для рабочих лопаток турбин характерны более толстые и изогнутые профили, а также сильно развитые переходные части и хвостовики. Из соображений прочности и жесткости перо рабочей лопатки турбины выполняется с более резким уменьшением площадей сечений от корня к периферии. Свободный ко­нец лопатки заостряется для уменьшения перетекания газа по радиаль­ному зазору между лопаткой и корпусом турбины.

Валы ГТД работают в сравнительно тяжелых условиях. На них действуют различные по величине и характеру статические и динами­ческие нагрузки. Кроме того, они подвергаются тепловому воздейст­вию от соединенных с ними нагретых деталей.

Вал должен быть достаточно прочным, жестким, предельно легким, а также простым в изготовлении. Конструкция валов определяется типом двигателя, принятой силовой схемой, числом и расположением опор.

В ряде случаев составной частью вала является барабан осевого компрессора или крыльчатка центробежного. К крыльчатке или бара­бану крепятся цапфы.

Для уменьшения веса валов и обеспечения большой прочности и жесткости при малом весе их выполняют полыми, по возможности равнопрочными, с большим наружным диаметром. С этой же целью стремятся уменьшить расстояние между опорами и длину консоли, делать валы с меньшим числом концентраторов напряжений (шлицев, резьбовых участков, сверлений, буртов, канавок под контровочные пластины).

Крутящий момент от турбины к компрессору, а у ТВД — и к редук­тору воздушного винта передается обычно через шлицевые соединения. На роторы компрессора и турбины действуют осевые нагрузки, на­правленные в противоположные стороны. Осевое фиксирование их между собой позволяет применить в силовой схеме ротора двигателя вместо двух опорно-упорных подшипников один.

Диски служат для размещения рабочих лопаток и передачи с них на вал крутящего момента и осевой силы. Они нагружаются большими растягивающими усилиями от центробежных сил масс самого диска и размещенных на нем лопаток и изгибающим моментом от разности давлений газа перед рабочими колесами и за ними. В диске возникают также динамические напряжения, вызванные колебаниями, и значи­тельные температурные напряжения, обусловленные неравномер­ностью его нагрева по радиусу и толщине.

Диски бывают цельные одновенечные (рис 34, а), двухвенечные (рис.34, б) и составные (рис.34, в). Наибольшее применение получили одновенечные цельные диски как наиболее простые надежные и лег­кие. Форма и размеры диска определяются конструктивными и проч­ностными соображениями. Он должен при малом весе обладать доста­точной жесткостью и прочностью. Ширина обода диска зависит от осевой ширины лопаток у корня и способа их закрепления. В сечении обод выполняется прямоугольным, трапециевидным (суживающимся к периферии или к центру диска) или в виде комбинации этих форм.

Диски изготовляют ковкой или горячей штамповкой с последую­щей механической обработкой. На них делают фланцы или развитые бурты для соединения с валом или между собой. При необходимости на дисках предусматривают коль­цевые выступы с буртиками лаби­ринтного уплотнения, выступы для крепления дефлекторов, колец с лабиринтными гребешками или балансировочных грузиков.

В теле диска иногда выполняют отверстия для прохода охлаждаю­щего воздуха. Однако наличие от­верстий нежелательно, так как они являются концентраторами напря­жений и ослабляют диск.