Лопатки первой ступени турбины



Nbsp;                    

ГЛАВА 3

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЛОПАТОК

 

 

КОНСТРУКЦИЯ, ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

И МАТЕРИАЛЫ

 

Рабочие (вращающиеся), направляющие, спрямляющие и сопловые

(неподвижные) лопатки ГТД могут быть сплошными, с каналами охла-

ждения и пустотелыми. В зависимости от назначения и условий работы

лопатки изготовляют горячей штамповкой, прессованием, прокаткой,

вальцеванием из заготовок, полученных методом направленной кристал-

лизации или монокристаллизации металла при литье, методом сварки и

пайки, а также из композитных материалов.

Основными конструктивными элементами лопаток являются:

замковая часть;

перо лопатки;

бандажные полки.

Крепежным элементом у лопаток служит замковая часть, поверхно-

сти которой являются конструкторскими, определяющими положение

лопаток в сборочной единице. Рабочие лопатки компрессорной группы

выполняются трапецеидальной формы (типа ласточкина хвоста) или в

виде вильчатого замка.

У рабочих лопаток турбины замковая часть выполняется в виде

елочного замка, который обеспечивает необходимые показатели проч-

ности и точности соединения лопаток с диском.

Замки Т-образной формы и бульбового типа используются у лопаток

турбонасосных агрегатов.

В связи с тем, что поверхности замковой части являются конструк-

торскими и определяют «ось детали», точность этих поверхностей

обеспечивается, как правило, в пределах IT5-IT6.

 

Замки лопаток

 

Елочный замок (рис. 3.1, а). Для лопаток газовой турбины часто

применяют замок елочного типа компактной формы, который и обес-

печивает точное и надежное соединение лопаток с диском турбины.

 

45


 

 

Рис. 3.1. Замковые части лопаток и их основные параметры:

а – елочный замок; б – замок трапецеидальной формы; в – вильчатый замок

 

 

46

 


 

 

Профиль зубцов замка напоминает профиль упорной резьбы равно-

прочной конструкции. Поверхности замка определяют расположение

лопатки в диске и создают координатную систему детали XдYдZд.

Радиальное ориентирование лопатки в сборочной единице (в колесе

турбины) в направлении оси Zд определяют поверхности профиля зуба

замка. Базовая плоскость XдOдYд находится, как правило, на первом

зубце елочного замка. Этот элемент лопатки обеспечивает ориентиро-

вание в радиальном (ось Zд) и в поперечном (ось Yд) направлениях от-

носительно паза диска.

Осевое положение лопатки в диске определяется торцевой поверх-

ностью Т замка, которая в сборочной единице совпадает с торцевой

поверхностью Д диска. В этой плоскости находится начало координат-

ной системы (точка Од) детали. Ось Xд, которая формализована элемен-

тами елочного замка, может быть параллельна оси диска или повернута

(см. рис. 3.1,а), на угол á.

В поперечном сечении б-б замка контролируются основные геомет-

рические параметры профиля: косвенно с использованием специальных

игл (роликов) диаметры которых обеспечивают контакт с профилем в

средней части, в точках 2 и 3 замка.

Основные параметры профиля замка в поперечном и в продольном

направлениях имеют:

1) допуск на толщину замка (размеры В1, В2,…, Вn) 0,02…0,06 мм.

Контроль осуществляется в точке 1 перпендикулярно плоскости, в ко-

торой находится ось замка (ось лопатки);

2) допуск на шаг зубьев (размеры h1, h2,..., hn) 0,008…0,02 мм. Кон-

троль осуществляется в точках 4 роликов в направлении образующей

конуса замка;

3) допуск на возможное смещение профилей левой и правой части

замка относительно друг друга 0,008…0,02 мм. Данный параметр кон-

тролируется параллельно оси Zд лопатки;

4) допуск на угол â (56°) профиля впадины 5…30′.

5) допуск на угол ã(10°), определяющий положение оси впадины к

оси замка 5′-20′.

6) шероховатость конструкторских поверхностей замка Rz =

= 0,16…0,32 мкм.

7) на образующей поверхности замка лопатки необходимо создать

сжимающие напряжения.

 

 

47


 

 

Замок трапецеидальной формы (рис. 3.1,б). Большое распростра-

нение получило крепление лопаток в диске с помощью трапецеидаль-

ного паза – «ласточкин хвост». Замковая часть лопатки устанавливается

в паз диска с зазором 0,01…0,04 мм. В отдельных случаях для повыше-

ния собственной частоты колебаний лопаток [1] посадка стальных ло-

паток в диски производится с натягом до 0,015 мм с использованием

медного слоя (0,003 … 0,005 мм) для запрессовки.

Допуски на основные параметры профиля замка имеют следующие

значения:

1) 0,02…0,03 мм на толщину замка (размер В1) в среднем сечении,

расположенном относительно опорной поверхности на расстоянии h

(h =3,75 мм);

2) 3…5′ на угол профиля замка угол á;

3) 2…3′ на угол â, определяющий положение образующей замка от-

носительно опорной поверхности Н;

4) 0,003 мм на опорную поверхность Н (проверить по краске приле-

гание 60…80%).

5) Rz = 0,16…0,32 мкм конструкторских поверхностей.

Положение оси Хд замка относительно оси диска может быть, по-

вернуто к оси X (угол á = 30о). В отдельных случаях используют пово-

рот оси замка относительно оси Z. Эти повороты создают пространст-

венное ориентирование лопатки в роторе компрессора, обеспечивают

необходимое положение центра тяжести относительно диска и опти-

мальное положение входного профиля пера.

Вильчатый замок (рис. 3.1,в). На некоторых ступенях осевых ком-

прессоров применяется вильчатый, шарнирный способ крепления лопа-

ток. Он позволяет устанавливать лопатку в плоскости вращения так,

что под действием на нее газодинамической силы и силы инерции ло-

патка покачивается на шарнире, обеспечивая оптимальное положение

пера в рабочем потоке.

Допуски на основные параметры профиля замка имеют следующие

значения:

1) 0,011 мм на посадочный диаметр d;

2) 0,005 мм на соосность посадочного диаметра;

3) 0,01 мм на перпендикулярность конструкторской поверхности К1

относительно посадочного диаметра d;

4) 0,005 мм на опорную плоскость Т;

 

48


 

 

5) 0,02 мм на параллельность торцевых опорных плоскостей поверх-

ностей;

6) Rz = 0,16…0,32 мкм конструкторских поверхностей.

Представленные значения параметров замка лопаток роторной части

ГТД контролируются универсальными и специальными измерительны-

ми средствами. Использование координатно-измерительных машин

(КИМ) с ЧПУ также позволяет осуществлять контроль лопаток и осна-

стки. Для этого необходимо задать траекторию движения датчика ма-

шины и обеспечить его контакт в заданных конструкторских точках

лопатки.

Конструкторские поверхности лопаток создают координатную сис-

тему XдYдZд, которая совмещается с координатной системой рабочих

элементов диска в процессе сборки.

Необходимо отметить, что при ориентировании детали в простран-

стве требуется минимально необходимое, но достаточное количество

конструкторских поверхностей, которые обеспечивают правильное

(точное) положение детали в сборочной единице. Комплекс конструк-

торских поверхностей определяет положение лопаток в дисках ком-

прессора или турбины. Набор этих поверхностей обеспечивает необхо-

димое положение плоскостей координатной системы XдYдZд. Начало

координатной системы лежит в точке 0. Ориентирование в направлении

оси X осуществляется в процессе сборки лопаток с колесом компрессо-

ра или турбины. Это ориентирование выполняется с помощью фикса-

тора или другого специального сборочного элемента.

В связи с особенностями работы ГТД и его элементов, исходя из ус-

ловий прочности и долговечности изделия конструктор в отдельных

случаях увеличивает количество конструкторских поверхностей, нару-

шая правило о минимальной необходимости и достаточности их числа

у детали. Например, у трапецеидального замка лопатки компрессора

имеется минимально необходимое и достаточное количество конструк-

торских поверхностей. У елочного замка турбинной лопатки число

конструкторских поверхностей значительно больше необходимого.

Обеспечивая компактность конструкции и прочностные характери-

стики соединения, принимается более сложная схема расположения

конструкторских поверхностей и увеличивается их количество. Этот

прием позволяет обеспечить качественные показатели изделия по

прочности соединения, но несколько усложняет производство.

 

49


 

 

Перо лопатки

 

Поверхности пера лопатки являются рабочими, к ним предъявляют

высокие требования по точности геометрических параметров и шеро-

ховатости поверхностей.

Рассмотрим на примере первой ступени лопатки турбины способы

назначения размеров и технических требований для ориентирования

пера лопатки относительно конструкторских поверхностей (поверхно-

стей замка лопатки). На рис. 3.2 представлена координатная система

XYZ. Плоскость XZ совпадает с плоскостью вращения турбины. Плос-

кость YZ совпадает с торцевой поверхностью Д диска турбины, отно-

сительно которой фиксируется осевое положение лопатки в процессе

сборки. В то же время эта плоскость является торцевой поверхностью Т

замка лопатки.

В такой конструкции лопатки плоскость симметрии замка повернута

относительно плоскости XZ на угол α. От этой плоскости XдYд в про-

цессе изготовления осуществляется контроль выполнения основных

геометрических параметров пера лопатки. В координатной системе

XдYдZд задаются в поперечных (I-I, II-II, III-III) и в продольных сечени-

ях (1-1, 2-2, 3-3) номинальные размеры точек на корыте и спинке ло-

патки (табл. 3.1).

 

Таблица 3.1. – Пример задания номинальных размеров точек на корыте

(К) и спинке (С) лопатки турбины


 

Сечение


 

О – О


 

1–1


 

2–2


 

3 – 3 ...


попереч-

ное

I–I

II – II

III – III

.... – ....


К

 


С

 

 


К

 

– 2,25


С

 

– 9,72


К

 

– 3,64


С

 

-11,49


К

 

– 3,88


С

 

-11,01


 

В такой таблице можно задать номинальные значения всех точек

профиля пера лопатки. В табл. 3.1 показаны значения только для одно-

го поперечного сечения II-II, ось координатной системы XY которой

совпадает с центром тяжести лопаток.

 

 

50

-


 

 

Рис. 3.2. Координатная система ориентирования

лопатки первой ступени турбины

 

51

 


 

 

При этом допуск на отклонение профиля пера лопатки относительно

заданных номинальных значений – 0,1…0,2 мм (для лопаток средних

размеров).

При обработке пера лопатки необходимо обеспечивать плавность

переходов в сечениях.

Для удобства измерения профиля пера лопатки, или исходя из дру-

гих условий координатная система измерения XиYи может быть перене-

сена в точку Ои центра тяжести лопатки.

Подобный способ задания основных параметров рабочих поверхно-

стей профиля применяется для лопаток компрессора, соплового и на-

правляющего аппаратов и других деталей ГТД подобного типа.

Допуски на другие параметры профиля рабочих поверхностей пера

лопатки следующие:

0,1 … 0,4 мм на толщину входной кромки;

30′ на угол закрутки пера в поперечных сечениях;

0,2 … 0,3 мм на радиус входной кромки пера;

0,5 … 0,7 мм на радиус перехода пера к бандажным полкам;

Ra =1,25 … 2,5 мкм профиля пера лопатки.

Важной характеристикой при эксплуатации лопаток турбины явля-

ется также толщина стенки между наружным контуром профиля пера и

внутренней полостью охлаждения.

Допуск на смещение внутреннего контура относительно наружного

0,2…0,3 мм.

Кроме выполнения показателей качества рабочей поверхности пера

лопатки, необходимо создать термобарьерное керамическое покрытие

толщиной 250 мкм.

 

Бандажные полки

 

Современные ГТД отличаются большим разнообразием конструк-

тивного исполнения бандажных полок лопаток компрессора и турбины.

Они позволяют повысить прочностные характеристики отдельных эле-

ментов конструкции, улучшить условия защиты от вибрации и увели-

чить показатели экономичности изделий. Бандажные полки также по-

зволяют оптимизировать градиент температур в поперечном сечении

двигателя.

На рис.3.2 (вид А) представлена конструкция верхней бандажной

полки лопатки турбины. Сложный профиль полки обеспечивает при

сборке колес турбины замкнутый контур бандажного обода, который

52


 

 

улучшает показатели прочности и экономичности изделия. Соединение

элементов бандажных полок предусматривает различные требования.

В средней части между полками необходимо обеспечить переход-

ную посадку в соединениях; в крайних зонах бандажных полок необхо-

димо создать соединения с гарантированными зазорами.

В связи с этим, точность между стыковыми полками лопатки (раз-

мер П), выполняется в пределах IТ5…IТ6. Расположение этих поверх-

ностей относительно замка лопатки также обеспечивается с высокой

точностью, так как эти параметры непосредственно оказывают влияние

на поворот лопаток в диске, который зависит от момента сил, возни-

кающих при сборке колеса турбины. Малый угол наклона стыковых

поверхностей (γ = 4…5°) к плоскости вращения турбины обеспечивает

небольшой поворот лопаток относительно своих осей и создает плот-

ное соединение в бандажном венце со следующими допусками:

1) 0,03…0,05 мм на размер П;

2) 0,08…0,1 мм на размеры П1, П2;

3) 10′ на угол ã ( 4°30′);

4) 0,01 мм на поворот лопатки относительно оси Z при сборке колеса

турбины. Этот поворот контролируется на длине 30 мм.

Подобные требования предъявляются к нижним замковым полкам

(разрез VIII – VIII) и средним бандажным полкам, которые чаще ис-

пользуются в роторах компрессора и у вентиляторных лопаток.

На верхних бандажных полках лопаток размещаются специальные

уплотнительные элементы (гребешки), которые уменьшают перетека-

ние газа в турбине по лабиринтному уплотнению. Этот элемент конст-

рукции выполняется в пределах IT-5 и выше. Сложность выполнения

элементов уплотнения часто вызывает необходимость производить об-

работку данных поверхностей после сборки лопаток с технологическим

диском турбины.

Из дополнительных требований к лопаткам ГТД можно отметить

следующие. Допуск на массу каждой рабочей лопатки устанавливают

до 5% номинального значения. В процессе сборки колеса турбины

осуществляют распределение лопаток по массе исходя из оптимальной

схемы расположения их в колесе турбины. Разность масс при этом со-

ставляет 2 г.

После сборки колесо турбины подвергают статической балансиров-

ке. На этапе сборки ротора турбины проводится статическая и динами-

ческая балансировки сборочной единицы.

 

53


 

 

Для рабочих лопаток турбины ГТД устанавливается также нижний

допустимый предел частот первой изгибной формы колебаний. В уста-

новившемся серийном производстве лопатки компрессора периодиче-

ски испытывают на усталость на вибростендах.

 

Материал лопаток

 

Лопатки роторной и статорной части ГТД работают в различных

температурных условиях.

На входе в компрессор температура находится в пределах −50° …–

60°С, в зоне последних ступеней компрессора высокого давления он

достигает 600…700°С. На лопатки ротора и статора компрессора ока-

зывают влияние силы потока воздуха от скорости полета летательного

аппарата изменение усилий сжатия на каждой из рабочих ступеней

компрессора. Центробежные силы, возникающие в роторе компрессора,

создают значительные нагрузки на рабочие элементы лопаток.

Лопатки ротора турбины и сопловых направляющих аппаратов ра-

ботают при весьма значительных силовых и температурных нагрузках.

Поток газовой смеси, которая воспламеняется в камере сгорания, пода-

ется на рабочие лопатки турбины и создает высокие температурные и

силовые нагрузки. Температура на входе в турбину равна Тг= 1300 K, а

максимальная Тг max =1550…1600 К [3]. Такие температуры требуют

создания специальной системы охлаждения колес турбины и нанесения

на перо лопатки высокотемпературного барьерного покрытия. Исходя

из этого материал, применяемый для изготовления лопаток роторной и

статорной части ГТД, имеет различные характеристики по химическо-

му составу и механической прочности.

В табл. 3.2 представлен перечень основных материалов, применяе-

мых для лопаток ГТД (по мере развития).

С целью уменьшения массы двигателя в роторе компрессора низко-

го и среднего давлений используются высокотехнологичные жаро-

прочные титановые сплавы с температурой в рабочей ступени колеса

до 500°С.

Наиболее высокие требования предъявляют к материалу лопаток,

работающих в зоне турбины ГТД. Вначале использовались хромонике-

левые сплавы, которые подвергались деформированию методом горя-

чей штамповки (ЭИ437Б, ЭП867, ЭП929 и др.), а после создания конст-

рукции лопаток турбины с охлаждаемой полостью – хромоникелевые

литейные сплавы ЖС-3, ЖС6-К, ВЖЛ-12у и др.

54


 

Таблица 3.2 – Материалы, используемые для изготовления лопаток


 

Лопатки


 

Номер ступени


1


2


3


4


5


6


7 8 9 10 11


12 13 14 15


Компрессор


1Х12Н9Т


1Х17Н2


ХН45МВТЮБР


 

Ротора


(ЭИ-481)

Х15Н5Д2Т

 

ВТ – 9


(ЭИ268Л) (ЭП -718ИД)

38Х2МЮА Х15Н5Д2Т

(ЭП – 517 )

ЖС6У ВИ


ВТ-20


 

Статора 1Х12Н2ВМФ

(ЭИ961-Ш)


 

38Х2МЮА

(ЭП -517)


 

ХН45МВТИБР

(ЭП719 НД)


 

ВТ – 9

 

Номер ступени

Турбина


 

 

Статора


1


2

ЖС6УВИ


3


4


ЖС6ФВИ


Ротора


 

ХН ХН77ТЮР (ЭИ437Б)

 

ХН62ВМКЮ (ЭП867)

 

ХН60ВМТКЮ (ЭИ929)


 

ЖС6К – ВИ


 

ЖС – 3


 

ЖС6 – К

 

ВЖЛ – 12У


 

ЖС6У – ВИ


 

ЖС6Ф– ВИ,


 

ЖС-40


 

ЖС-30ВИ


 

55


 

ЖС-30


 

Таблица 3.3 – Химический состав и механические свойства сплавов,


Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 2495; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!