Конструктивно-схемные решения охлаждаемых рабочих лопаток

Наиболее простыми конструктивно-схемными решениями при конвективном способе охлаждения являются канальные системы, различающиеся как числом каналов, так и их формами, а также направлением движения охлаждающего воздуха (радиальным и петлевым).

При конструктивно-канальной схеме с радиальным (рис. 4.23, а) и петлевым движением воздуха (рис. 4.23, б) имеет место значительная разница температур охлаждения, а следова­тельно, и материала лопатки. Наибольшее снижение температуры материала в сечениях, близких к корневому, рационально, так как обеспечивает повышение запаса прочности в наиболее нагру­женных сечениях и меньшее снижение температуры материала лопатки в сечениях, близких к вершине, что принципиально допустимо (см. подразд. 5.1.5, 5.1.6). При петлевом течении охла­ждающий воздух (рис. 4,23, б) подается в два канала, располо­женных у входной и выходной кромок профиля, через отверстия в удлиненном хвостовике со стороны корыта. Далее воздух по­падает в средний канал, по которому он движется в противополож­ном направлении и выходит через отверстие с другой стороны хвостовика. При этом можно ожидать меньшей разницы темпера­тур в середине сечения и у кромок, так как охлаждающий воздух входит в средний канал уже несколько подогретым. Однако, как видно из графиков, снижается и уровень охлаждения. Поддержа­ние более высокого уровня охлаждения потребует подачи боль­шего количества воздуха G_охл, что нежелательно.

Рис.4.23. Конструктивные схемы охлаждаемых рабочих лопаток и уровень охлаждения (снижение нагрева) по высоте лопатки и длине хорды пера в корневом сечении:

В настоящее время в высокотемпературных турбинах ГТД наиболь­шее применение нашли охлаждаемые рабочие лопатки, где используются два основных принципа охлаждения - лопатки с внутренним (конвективным) воздушным охлаждением (рис.1, а и б) и лопатки с пленочным охлаждением (рис.1,в). Возможны также лопатки с проникающим охлаждением, в которых по всей поверхности полого пера расположены поры или отверстия для выпуска воздуха, образующего защитный слой на поверхности лопатки. Однако такие лопатки не нашли в настоящее время реального конструктивного воплощения. Лопатки с внутренним воздушным охлаждением могут иметь радиальное (рис.1,а) петлевое или полупетлевое (рис.1,б) течение охлаждающего воздуха. Для осуществления заданного по скорости и направлению течения воздуха во внутреннюю полость пера лопатки часто помещается дефлектор, который может быть перфорированным (рис.1,б). Для изменения направления течения воздуха во внутренней полости пера охлаждаемой лопатки размещаются направляю­щие перегородки (рис.1,а и 1, в).

Пленочное охлаждение лопаток турбины более эффективно, чем внутреннее воздушное, однако, выпуск большого количества охлаж­дающего воздуха для создания защитной пелены на поверхности ло­патки приводит к заметному увеличению потерь и снижению КПД турбины.

При дальнейшем повышении температуры газа перед рабочим ко­лесом турбины для сохранения температуры поверхности лопатки и интенсивности ее охлаждения на прежнем уровне необходимо пониже­ние температуры воздуха, используемого для охлаждения турбины. Это можно выполнить в топливовоздушном или воздухо-воздушном теплообменниках, или за счет предварительной закрутки охлаждающего воздуха в направлении вращения рабочего колеса турбины.

 

Соединения рабочих лопаток с дисками.

Турбина

Рабочие лопатки крепятся в ободе диска (фиксируется в радиальном направлении) с помощью хвостови­ков елочного типа. Такое крепление нашло широкое применение в турбинах ГТД. Оно обладает достаточной прочностью и жесткостью при малых габаритах и массе хвостовика, незначительно ослабляет обод диска, обеспечивает высокую точность установки ло­патки по шагу и углу, имеет хороший теплоотвод от лопатки в диск, дает возможность размещения на ободе необходимого числа лопаток, малую стоимость изготовления, монтажа и демонтажа. В осевом направлении лопатка фиксируется, как правило, пластинчатыми контровками или их разновидностями. Посадка лопаток в пазу обода осуществляется с небольшими радиальными и окружными зазорами, что уменьшает возможность возникновения дополнительных монтажных и температурных напряжений в соединении и позволяет осуществлять эффективное охлаждение элементов узла продувкой охлаждающего воздуха. Осевая фиксация лопатки в пазу обода осуществляется легкосъемочными фиксирующими пластинами и штифтами. В качест­ве фиксирующего упора используются специальные пазы в хвостовике лопатки.

Компрессор

Крепление рабочей лопатки к диску осуществляется с помощью хвостовика. В компрессорах ГТД чаще всего применяются хвостовики лопаток трех разновидностей: “ласточкин хвост”, “проушина” и

елочного типа.

 

 

.

 

 

Хвостовик типа "ласточкин хвост" получил наибольшее распрост­ранение в компрессорах ГТД (рис. 1,б). Он прост в исполнении, так как имеет всего два рабочие поверхности, имеет малую массу и не­большие геометрические размеры. Хвостовик лопатки 1 устанавливает­ся в паз диска 2 (см. рис. 1,б) в большинстве случаев с зазором 0,01...0,04 мм.

При совместном действии на лопатку статических и динамических сил в хвостовике возникают большие напряжения от изгиба и растяже­ния, а от контактных давлений при перемещении лопатки в процессе колебании возникает фретинг-коррозия. Для уменьшения отрицатель­ного действия фретинг-коррозии на хвостовик наносится покрытие из слоя меди, серебра или двусернистого молибдена толщиной 0,003...0,005 мм.

Хвостовик лопатки типа "проушина" показан на рис. 1.а. В два продольных паза, выполненных в диске 4, устанавливаются проушины 5 хвостовика лопатки. Крепление лопатки осуществляется осью 1, которая в тело диска устанавливается с натягом, а в тело хвостовика - с зазором. Ось 1 фиксируется в осевом направлении шайбой 3 и пи­стоном 2. Такой хвостовик выполняет роль шарнира, благодаря которому лопатка под воздействием газодинамических и инерционных сил, поворачиваясь, располагается не радиально в плоскости вращения, а под некоторым углом к радиусу. Это приводит к снижению вибрацион­ных напряжений при колебаниях лопаток. Свободная подвеска, допускающая покачивание лопатки при работе двигателя, способствует рассеянию энергии. Для уменьшения износа и заедания в шарнире проушину лопатки 5 изнутри и с торцов и наружную поверхность оси 1 покрыва­ют двусернистым молибденом.

Недостатком хвостовика является его сложность, большие габариты и масса, а также дополнительные потери в ступени за счет перетекания воздуха через зазоры в соединении хвостовика с диском, что снижает КПД ступени.

Хвостовик елочного типа используется обычно для крепления сильно нагруженных рабочих лопаток первых ступеней вентилятора ТРДД. Хвостовик имеет малые габариты, способен воспринимать боль­шие нагрузки и позволяет разместить большее число лопаток на рабочем колесе заданного диаметра по сравнению с хвостовиками других типов. На рис.1,в показан хвостовик лопатки 1 вентилятора ТРДД елочного типа с одной парой зубьев. Рабочие тем­пературы хвостовиков лопаток, расположенных на входе в двигатель, невелики. В связи с этим перераспределения нагрузок между зубьями хвостовика за счет пластической деформации материала, как это про­исходит в елочных хвостовиках лопаток газовых турбин, в компрессорах практически не будет. Поэтому число пар зубьев хвостовика лопатки компрессора обычно бывает не более двух. По этой же причине (отсутствие перераспределения нагрузок) зубья хвостовика изготовляются с большей точностью, что удорожает конструкцию.