Лопатки турбины высокого давления. Рабочие и направляющие лопатки турбины. Различают два основных вида турбинных лопаток
1. Угол установки профиля.
g уст = 68,7 + 9,33×10 -4 (b 1 - b 2) - 6,052 ×10 -3 (b 1 - b 2) 2
g уст кор. = 57,03°
g уст. ср. = 67,09°
g уст. пер. = 60,52°
2. Величина хорды профиля.
b Л.ср = S Л.ср / sin g уст.ср = 0,0381 / sin 67,09° = 0,0414 м;
b Л.корн = S Л.корн / sin g уст.корн = 0,0438 / sin 57,03° = 0,0522 м;
b Л.пер = S Л.пер / sin g уст.пер = 0,0347 / sin 60,52° = 0,0397 м;
S Л.корн =К S . корн ∙S Л.ср =1,15∙0,0381=0,0438 м 2 ;
S Л.пер =К S . пер ∙S Л.ср =0,91∙0,0381=0,0347 м 2 ;
3. Шаг охлаждаемой рабочей решетки.
= К т ∙
где , К Л = 0,6 – для рабочих лопаток
с учётом охлаждения
= К т ∙ =1,13∙0,541=0,611
где К т = 1,1…1,15
t Л.ср = b Л.ср ∙ =0,0414∙0,611=0,0253 м
Полученное значение t Л.ср следует уточнить, чтобы получить целое число лопаток в рабочей решетке, необходимое для прочностных расчетов элементов ТВД
5. Относительный радиус скругления выходной кромки лопаток выбирается в долях от шага решетки 2 = R 2 / t (величина 2ср в среднем сечении представлена в табл. 3). В корневых сечениях величина 2 увеличивается на 15…20%, в периферийных сечениях уменьшается на 10…15%.
Таблица 3
В нашем примере выбираем: 2ср = 0,07; 2корн = 0,084; 2пер = 0,06. Тогда радиусы скругления выходных кромок можно определить R 2 = 2 ∙t для расчетных сечений: R 2ср = 0,07 ∙ 0,0252 = 1,76 ∙ 10 -3 м; R 2корн = 0,084 ∙ 0,02323 = 1,95 ∙ 10 -3 м; R 2л.пер = 0,06 ∙ 0,02721 = 1,63 ∙ 10 -3 м.
6. Угол заострения выходной кромки охлаждаемых сопловых лопаток g 2с = 6…8°; рабочих – g 2л = 8…12°. Эти цифры в среднем в 1,5…2 раза больше, чем в неохлаждаемых лопатках. В нашем случае при профилировании рабочих лопаток назначаем g 2л = 10º во всех расчетных сечениях.
7). Конструктивный угол на выходе из сопловых лопаток a 1л = a 1см; на выходе из рабочих лопаток b 2л = b 2см + ∆b к, где среднего сечения Db к = 0;
для корневого Db к = + (1…1,5)°; для периферийного Db к = – (1...1,5)°, а a 1см, b 2см берутся из табл. 2. В нашем примере принимаем для рабочей решетки: Db к = 1,5º ; b 2л.ср = 32º18′ ; b 2л.кор = 36º5′; b 2л.пер = 28º00′ .
8). Угол отгиба выходного участка спинки профиля на среднем диаметре (затылочный угол) g зат = 6…20°: при М 2 £ 0,8 g зат = 14…20°; при М 2 » 1, g зат = 10…14°; при М W £ 1,35, g зат = 6…8°, где . В корневых сечениях g зат берется меньше указанных величин на 1…3°, в периферийных сечениях может достигать 30°.
В нашем примере для рабочей решетки в среднем сечении
,
поэтому выбираем g зат.л.ср = 18º; g зат.л.корн = 15º; g зат.л.пер = 28º.
Лопаточный аппарат турбины состоит из неподвижных направляющих и подвижных рабочих лопаток и предназначен для наиболее полного и экономичного преобразования потенциальной энергии пара в механическую работу. Направляющие лопатки, установленные в корпусе турбины, образуют каналы, в которых пар приобретает необходимую скорость и направление. Рабочие лопатки, расположенные на дисках или барабанах ротора турбины, находясь под действием давления пара, возникающего в результате изменения направления и скорости его струи, приводят вал турбины во вращение. Таким образом, лопаточный аппарат является наиболее ответственной частью турбины, от которого зависит надежность и экономичность ее работы.
Рабочие лопатки имеют разнообразную конструкцию. Нa рис. 17 показана лопатка простого типа, состоящая из трех частей: хвоста или ножки 2, с помощью которых лопатку крепят в ободе диска 1 , рабочей части 4 , находящейся под действием движущейся струи пара, и вершины 6 для закрепления ленточного бандажа 5, которым связывают лопатки с целью создания достаточной жесткости и образования канала между ними. Между ножками лопаток устанавливают промежуточные тела 3. Чтобы предотвратить возникновение температурных напряжений при прогреве и охлаждении турбины, бандажом связывают отдельные группы лопаток, оставляя зазор между бандажами 1-2 мм.
Задняя сторона лопатки называется спинкой; грань со стороны входа пара называется входной кромкой, а грань со стороны выхода пара - выходной кромкой лопатки. Поперечное сечение лопатки в пределах ее рабочей части называется профилем лопатки. По профилю различают активные и реактивные лопатки (рис. 18). Угол? 1 называется входным, а угол? 2 - выходным углом лопатки. У активных лопаток турбин прежней постройки (рис. 18, а) профиль почти симметричный, т. е. входной угол мало отличается от выходного. В реактивных лопатках (рис. 18, б ) профиль несимметричный, выходной угол значительно меньше входного. Для повышения эффективности работы лопаток входные кромки профилей закругляют, а каналы, образованные профилями, выполняют сходящимися. Современные профили активной и реактивной лопаток с обтекаемой входной кромкой показаны на рис. 18, в и г .
Основные характеристики профиля лопаток следующие:
Средняя линия профиля - геометрическое место центров окружностей, вписанных в профиль;
Геометрические углы: входа? 1 л - угол между касательной к средней линии при входе и осью решетки; ? 2 л - то же при выходе;
Углы входа и выхода потока пара: ? 1 - угол между направлением потока пара при входе на рабочую лопатку и осью; ? 2 - то же при выходе;
Угол атаки i - угол между направлением потока пара при входе на рабочую лопатку и касательной к входной кромке по средней ЛИНИИ, Т. е. i = ? 1л – ? 1 ;
Хорда профиля b - расстояние между концами средней линии;
Угол установки? У - угол между хордой профиля и осm. решетки;
Ширина профиля В - размер лопатки по направлению оси турбины;
Шаг t - расстояние между сходственными точками соседних профилей.
Входная кромка современных профилей направляющих и рабочих лопаток малочувствительна к отклонению угла потока на входе. Это позволяет при расчете профиля лопатки допустить углы атаки до 3-5° в любом сечении по высоте лопатки. Входную кромку профилей лопаток при дозвуковой скорости делают толстой и тщательно закругляют, что снижает вихревые потери на входе в канал и повышает вибрационную, коррозионную и эрозионную стойкость лопаток. Такая форма входной кромки обеспечивает на переменных режимах меньшее влияние изменения угла атаки на к. п. д. лопатки, а также более полное использование входной энергии ступеней.
Геометрические характеристики активных и реактивных профилей рабочих и направляющих лопаток приводится в нормалях для лопаток судовых турбин (табл. 1, 2).
Размеры лопаток колеблются в широких пределах. В судовых турбинах высота лопаток первых ступеней ТВД небольшая (от 10 мм), а последних ступеней ТВД достигает 400 мм. Ширина лопаток может быть 14-60 мм. Для уменьшения веса и снижения напряжений от центробежных сил длинным лопаткам придают ширину и толщину, постепенно уменьшающуюся от ножки к вершине. На длинных лопатках бандаж обычно не ставят, а для получения большей жесткости лопатки скрепляют связной проволокой в пакеты по 5-10 лопаток.
По способу изготовления лопатки можно разделить на две группы:
1) изготовленные штамповкой из листового материала (толщиной 1-2 мм) или из прокатанных профильных полос (светло- катаных профилей); промежуточные вставки для этих лопаток выполняются отдельно;
2) изготовленные как одно целое с промежуточными вставками путем фрезерования катаных, тянутых, кованых или литых заготовок.
На рис. 17 показаны лопатки, выполненные из прокатанных профильных полос с отдельными вставками. Механическая обработка таких лопаток сводится к фрезерованию ножки и вершины. Эти лопатки имеют постоянный профиль и применяются для небольших окружных скоростей. Для повышенных окружных скоростей используют полуфрезерованные лопатки из более толстых холоднокатаных профильных полос. В таких лопатках вставка частично выполняется заодно с ними и спинка фрезеруется.
Па рис. 19 изображены различные конструкции цельнофрезерованных лопаток, изготовленных совместно со вставками из горячекатаной полосовой стали прямоугольного и ромбического сечений. Перевязка лопаток (рис. 19, а) осуществляется бандажной лентой. Для больших окружных скоростей лопатку изготовляют как одно целое с бандажной полкой (рис. 19, б ). Смыкаясь, полки образуют сплошное кольцо-бандаж. Как уже отмечалось выше, ширина и толщина длинных лопаток постепенно уменьшается от ножки к вершине (рис. 19, в). Для обеспечения безударного входа пара по всей высоте длинные лопатки иногда выполняют с переменным профилем, у которых угол входа постепенно увеличивается. Такие лопатки называются винтовыми.
По способу крепления на дисках или барабанах различают лопатки двух типов:
1) с погруженной посадкой, у которых хвосты заведены внутрь специальных выточек в ободе диска или барабана;
2) с верховой посадкой, у которых хвосты надеты верхом на гребень диска и закреплены.
На рис. 20 показаны наиболее распространенные формы лопаточных хвостов.
Хвосты 3-11 применяют для крепления направляющих и рабочих лопаток. Хвосты типа 6 используют в современных турбинах сухогрузных судов и танкеров. Хвост 11 делают примерно такой же ширины, что и рабочую лопатку, его применяют для крепления реактивных лопаток. Крепление с верховой посадкой целесообразно для длинных лопаток, подвергающихся действию значительных усилий.
Лопатки с погруженной посадкой крепят также в индивидуальных осевых канавках с помощью сварки. Эти крепления обеспечивают замену любой из лопаток, а также позволяют получить лучшие вибрационные характеристики и наименьший вес лопаток и диска. Крепление лопаток на диске при помощи сварки показано на рис. 21. Плоский хвост 2 лопатки 1 входит в канавку обода диска и приваривается к нему с двух сторон. Для большей прочности лопатки дополнительно скрепляют с диском заклепками 3 и в верхней части сваривают попарно бандажными полками 4. Крепление при помощи сварки повышает точность установки лопаток, упрощает и снижает затраты на их сборку. Приварка лопаток находит применение в газовых турбинах.
Для установки лопаточных хвостов на окружности лопаточного венца обычно делают один-два выреза (замковое отверстие), закрываемые замком. При креплении лопаток с верховыми хвостами типа ЛМЗ в индивидуальных прорезях и с помощью сварки замковые отверстия и замки не требуются.
Обычно лопатки набирают с двух сторон замкового отверстия независимо от количества замков. На рис. 22 изображены некоторые конструкции замков.
На рис. 22, а в районе замка срезаны заплечики обода диска (показаны пунктиром), удерживающие Т-образный хвост. Лопатки, примыкающие к замковой вставке, во многих конструкциях прошиты штифтами и припаены к своим промежуточным вставкам. Замковую вставку забивают между прилегающими лопатками. Через имеющееся в щеке диска отверстие сверлят отверстие в замковой вставке, в которое и забивают заклепку. Концы заклепки расклепывают. На рис. 22, б замок представляет собой вставку 2, закрывающую боковой вырез в ободе диска и прикрепленную винтами 1 . На рис. 22, в показан замок двухвенечного колеса. Вырез для установки замковых лопаток 1 делают в средней части обода диска между лопаточными канавками. Замковые лопатки крепят двумя планками 2, разгоняемыми клином 4, который крепится к ободу винтом 3. К недостаткам приведенных конструкций замков следует отнести ослабление обода вырезами и отверстиями для винтов. На рис. 22, г показан замок с расклинкой конструкции ЛМЗ. Замковые лопатки 2 и 3 изготовляют с выступами внизу, заходящими под хвосты соседних лопаток 1 и 4. После установки подкладки 7, стального клина 6 и подгонки замковой вставки 5, имеющей вырез в нижней части, вставку загоняют между замковыми лопатками.
Замок, конструкция которого показана на рис. 22, д, применяют для реактивных лопаток. Замковый вырез в ободе отсутствует. Лопатки с хвостовиками зубчикового типа заводят в паз ротора в радиальном направлении. Затем поворачивают на 90° с таким расчетом, чтобы зубчики входили в соответствующие канавки в ободе, и перемещают по окружности до места установки. После установки всех лопаток заводят замковую вставку, состоящую из двух частей 1 и 4, разгоняемых клипом 3. Клин удерживается отчеканенными выступами 2.
Хвостовики верхового типа позволяют получить сравнительно простую конструкцию замков. На рис. 22, е показан замок для хвостовика типа обратный молот. Замковая лопатка 5 имеет хвостовик с плоской прорезью, который надевается на реборд 4 обода 1 диска и крепится к нему, заклепками 3 . В месте установки замковой лопатки заплечики 2 (показаны штриховой линией) срезаны.
Лопатки турбины под действием парового потока пара из сопел могут совершать колебания: 1) в плоскости вращения диска - тангенциальная вибрация; 2) в плоскости, перпендикулярной вращению диска,- осевая вибрация; 3) крутильные. Осевая вибрация лопаток связана с вибрацией дисков. Крутильные колебания лопаток характеризуются интенсивными колебаниями их вершин.
Надежность работы лопаточного аппарата зависит от величины и характера вибраций, возникающих как в лопатках, так и в дисках, па которых они закреплены. Кроме того, лопатки, являясь упругими телами, способны вибрировать с собственными частотами. Если собственная частота колебаний лопаток равна или кратна частоте внешней силы, вызывающей эти колебания, то возникают так называемые резонансные колебания, не затухающие, а непрерывно продолжающиеся до прекращения действия силы, вызывающей резонанс, или до изменения ее частоты. Резонансные колебания могут вызвать разрушение рабочих лопаток и дисков. Чтобы избежать этого, облопаченные диски современных крупных турбин до установки на вал подвергают настройке, посредством которой изменяется частота их собственных колебаний.
В целях борьбы с вибрацией лопатки скрепляют в пакеты бандажной лентой или проволокой. На рис. 23 показано крепление лопаток связной проволокой, которую пропускают через отверстия в лопатках и припаивают к ним серебряным припоем. Как и бандажная лента, проволока но окружности состоит из отдельных отрезков длиной от 20 до 400 мм, между которыми возникают тепловые зазоры. Диаметр связной проволоки в зависимости от ширины лопатки принимают 4-9 мм.
Для уменьшения амплитуды колебаний пакетов между ними ставят демпферную проволоку 2 (мостик), ее припаивают к двум- трем крайним лопаткам одного пакета, и она свободно проходит через концевые лопатки соседнего сегмента. Возникающее трение проволоки о лопатки при вибрации пакета уменьшает амплитуду колебаний. С помощью отверстий 1 упрощается установка мостика. Материал для изготовления лопаток должен обладать достаточной стойкостью при высокой температуре и хорошей механической обрабатываемостью, быть коррозионно и эрозионно устойчивым. Лопатки, работающие при температуре пара до 425° С, изготовляют из хромистых нержавеющих сталей марок 1X13 и 2X13 с содержанием хрома 12,5-14,5%. При более высоких температурах (480-500° С) используют хромоникелевые нержавеющие стали с содержанием никеля до 14%. Лопатки, работающие при температуре пара 500-550° С изготовляют из аустенитных сталей ЭИ123 и ЭИ405 с содержанием никеля 12-14% и хрома 14-16%. Литые лопатки выполняют из стали 2X13. Материалом для вставок служит углеродистая сталь марок 15, 25 и 35, для бандажной ленты, связной проволоки, заклепок к лопаткам и заклепок замков - нержавеющая сталь 1X13.
Для пайки бандажных лент и связной проволоки применяют серебряный припой марок ПС Р 45 и ПС Р 65 с содержанием серебра соответственно 45 и 65%.
Ротор ТВД состоит из рабочего колеса (диска с рабочими лопатками), лабиринтного диска, вала ТВД.
Рабочая лопатка ТВД ‑ охлаждаемая, состоит из хвостовика, ножки, пера и бандажной полки с гребешками. Воздух на охлаждение подводится к хвостовику, проходит по радиальным каналам в теле пера лопатки и выходит через отверстия в передней и задней части пера лопатки в проточную часть. В каждом пазу диска устанавливается по две лопатки. Соединяются лопатки с диском замками «елочного» типа. Лабиринтный диск и диск ТВД охлаждается воздухом из-за КВД.
Турбина низкого давления состоит из ротора и корпуса опор турбин с сопловым аппаратом ТНД. Ротор ТНД состоит из рабочего колеса (диска с рабочими лопатками) и вала ТНД, соединённых между собой болтами. Рабочие лопатки ротора ТНД неохлаждаемые, соединяются с диском замками «елочного» типа. Диск охлаждается воздухом, отбираемым из КВД.
В корпусе опор турбин наружная и внутренняя оболочки соединены между собой стойками, проходящими внутри полых лопаток соплового аппарата второй ступени турбины. Через лопатки проходят также трубопроводы масляных и воздушных коммуникаций. В корпусе опор турбин имеются узлы задних подшипников опор роторов низкого и высокого давления.
Сопловые лопатки, отлитые в виде секторов по три лопатки в секторе, охлаждаются воздухом, отбираемым из-за четвертой ступени КВД.
Турбина вентилятора состоит из ротора и статора. Статор турбины вентилятора состоит из корпуса и пяти сопловых аппаратов, набранных из отдельных литых секторов, по пять лопаток в секторе. Ротор турбины вентилятора дисково-барабанной конструкции. Диски соединяются между собой и с валом турбины вентилятора болтами. Лопатки, как сопловые, так и рабочие, неохлаждаемые; диски турбины вентилятора охлаждаются воздухом, отбираемым из КВД. Рабочие лопатки всех ступеней ротора ТВ бандажированы, соединены с дисками замками «елочного типа».
Выходное устройство турбины состоит из корпуса задней опоры, реактивного сопла внутреннего контура и стекателя.
На корпусе задней опоры турбины имеются места крепления узлов заднего пояса подвески двигателя к самолету. Задний узел подвески двигателя установлен на силовом кольце, которое является частью внешней оболочки корпуса задней опоры. Внутри корпуса расположен подшипниковый узел ротора вентилятора.
В стойках, соединяющих внутреннюю и наружную оболочки корпуса, расположены коммуникации задней опоры ротора вентилятора.
Режим работы зон ТО и ТР
Режим работы этих зон характеризуется числом рабочих дней в году, продолжительностью и количеством смен, временем начала и конца смен, распределением производственной программы во времени и должен быть согласован с графиком выпуска и возврата автомобилей с линии. Работы по ЕО и ТО-1 выполняются в межсменное время. Межсменное время – это...
Расчет количества постов ТР
Ммзп=Пучо / Фрм∙ Рср∙ n ∙ ŋ ,(13) где Пучо- производственная программа по операциям ТР выполняемым на участке стационарной мастерской, чел.-ч.; Фрм- фонд времени рабочего места; Рср- среднее число рабочих, приходящихся на 1 пост, чел; Рср=2 чел; n- число рабочих смен в сутки; n=1; ŋ=0,85-коэффициент использова...
Определение программы участка
Программой участка называется установленный или рассчитанный объем работы. Объем работы участков ремонтного депо зависит от количества вагонов поступающих в деповской ремонт. Так программа ВСУ соответствует запланированной программе конкретного депо. , Программа тележечного участка учитывает, что на данный участок поступает все тележки с...
Лопатка
- это рабочая деталь ротора турбины. Ступень надежно фиксируется под оптимальным углом наклона. Элементы работают под колоссальными нагрузками, поэтому к ним предъявляют самые жесткие требования по качеству, надежности и долговечности.
Применение и виды лопаточных механизмов
Лопаточные механизмы широко применяются в машинах различного назначения. Наиболее часто используют их в турбинах и компрессорах.
Турбина - ротационный двигатель, работающий под действием значительных центробежных сил. Основной рабочий орган машины - ротор, на котором по всему диаметру закреплены лопатки. Все элементы помещены в общий корпус специальной формы в виде нагнетающего и подающего патрубков или сопел. На лопатки подается рабочая среда (пар, газ или вода), приводя в движение ротор.
Таким образом, кинетическая энергия движущегося потока преобразуется в механическую энергию на валу.
Различают два основных вида турбинных лопаток:
- Рабочие - находятся на вращающих валах. Детали передают механическую полезную мощность на присоединенную рабочую машину (часто это генератор). Давление на рабочих лопатках остается постоянным благодаря тому, что направляющие лопатки всю разность энтальпий преобразуют в энергию потока.
- Направляющие - закреплены в корпусе турбины. Данные элементы частично преобразуют энергию потока, благодаря чему вращение колес получает тангенциальное усилие. В турбине разница энтальпий должна быть понижена. Это достигается путем уменьшения числа ступеней. Если установить слишком много направляющих лопаток, то срыв потока будет угрожать ускоренному потоку турбины.
Методы изготовления турбинных лопаток
Турбинные лопатки изготавливают методом литья по выплавляемым деталям из высококачественного металлопроката. Используют полосу, квадрат, допускается применение штампованных заготовок. Последний вариант предпочтителен на крупных производствах, так как коэффициент использования металла достаточно высок, а трудозатраты - минимальны.
Лопасти турбин проходят обязательную термическую обработку. Поверхность покрывается защитными составами против развития коррозионных процессов, а также специальными составами, повышающие прочность механизма при работе в условиях высокой температуры. Например, никелевые сплавы практически не поддаются механической обработке, поэтому методы штамповки для производства лопаток не подходят.
Современные технологии подарили возможность производства турбинных лопаток методом направленной кристаллизации. Это позволило получить рабочие элементы с такой структурой, которую практически невозможно сломать. Внедряется метод изготовления монокристальной лопасти, то есть из одного кристалла.
Этапы производства турбинных лопаток:
- Литье или поковка. Литье позволяет получать лопатки высокого качества. Поковка производиться по спец заказу.
- Механическая обработка. Как правило, для механической обработки применяются токарно-фрезерные автоматизированные центры, например, японский комплекс Mazak или же на фрезерные обрабатывающие центра, такие как MIKRON швейцарского производства.
- В качестве финишной обработки применяют только шлифование.
Требования к лопаткам турбин, применяемые материалы
Лопатки турбины эксплуатируются в условиях агрессивной среды. Особо критична высокая температура. Детали работают под напряжением на растяжение, поэтому возникают высокие деформирующие усилия, растягивающие лопатки. Со временем детали касаются корпуса турбины, машина блокируется. Все это обуславливает применение материалов высочайшего качества для изготовления лопаток, способные выдерживать значительные нагрузки при крутящем моменте, а также любые усилия в условиях высокого давления и температуры. Качеством лопаток турбины оценивается общая эффективность агрегата. Напомним, что высокая температура необходима для повышения КПД машины, работающей по циклу Карно.
Лопатки турбины - ответственный механизм. Благодаря нему обеспечивается надежность работы агрегата. Выделим основные нагрузки во время работы турбины:
- Возникают большие окружные скорости в условиях высокой температуры в паровом или газовом потоке, которые растягивают лопатки;
- Формируются значительные статические и динамические температурные напряжения, не исключая и вибрационные нагрузки;
- Температура в турбине достигает 1000-1700 градусов.
Все это предопределяет применение высококачественных жаропрочных и нержавеющих сталей для производства лопаток турбин.
Например, могут быть использованы такие марки как 18Х11МФНБ-ш, 15Х11МФ-ш, а также различные сплавы на основе никеля (до 65%) ХН65КМВЮБ.
В качестве легирующих элементов в состав такого сплава дополнительно вводят следующие компоненты: 6% алюминия, 6-10% вольфрама, тантала, рения и немного рутения.
Лопаточный механизм должен обладать определенной теплостойкостью. Для этого в турбине делают сложные системы охлаждающих каналов и выходных отверстий, которые обеспечивают создание воздушной пленки на поверхности рабочей или направляющей лопатки. Раскаленные газы не касаются лопасти, поэтому происходит минимальный нагрев, но сами газы не остывают.
Все это повышает КПД машины. Охлаждающие каналы формируются при помощи керамических стержней.
Для их производства применяют оксид алюминия, температура плавления которого достигает 2050 градусов.