Замки лопаток

Замки лопаток — весьма напряженные соединения в двигателе. Так же как и в осевых компрессорах, тяжелый замок у рабочей лопатки турбины приводит к увеличению центробежной силы, в результате чего увеличивается масса не только корневой части лопатки, но и диска турбины (примерно в том же отношении, как и у осевых компрессоров: снижение массы лопатки на 1% снижает массу диска еще на 4—5%, т. е. суммарное уменьшение массы составляет 5—6%). Поэтому конст­рукции замка должно быть уделено особое внимание. Следует к тому же иметь в виду, что конструкция замка существенным образом влия­ет на отвод тепла от лопатки в диск и это сказывается на температуре лопатки.

Были попытки применить в га­зовых турбинах различные способы соединения лопаток с диском. Из них сохранились лишь те, кото­рые обеспечивали малую массу и большую надежность замков лопа­ток.

На рис. 5.08 показано шпилеч­ное крепление лопаток, применяв­шихся на первых ТРД, где каждая лопатка крепится двумя шпильками, запрессованными в диск. Достоинствами этого способа соединения лопаток и диска явля­ются:

1) возможность сравнительно легкой замены лопаток при ремонте;

2) сравнительно хороший тепловой контакт между лопаткой и диском;

3) жесткое закрепление лопаток в диске. Недостатками являются:

1) сравнительно большая масса замкового соединения и перифе­рийной части диска;

2) ослабление обода диска отверстиями под шпильки.

Крепление лопаток с помощью «елочного» замка, наиболее распро­страненное в настоящее время, показано на рис. 5.09.

Лопатка укрепляется в пазу диска посредством зубьев, располо­женных на клиновой ножке лопатки и соответственно на боковой поверхности клинового паза в диске. Зубья работают под действием центробежной силы и изгибающих моментов на срез и изгиб. От пере­мещения вдоль паза лопатка удерживается (см. рис. 5.09, а) с одной стороны выступом 1, выполненным при изготовлении лопатки, с другой отгибным усиком, который показан в положении 3 до загиба. Переме­щение лопатки в пазу диска после загиба усика составляет 0,1—0,3мм.

Так как при ремонте двигателя возможна поломка усика, приме­няют контровку лопатки отгибной пластиной, удерживающей лопатки от перемещений в обе стороны (см. рис. 5.09, б).

Зубья в лопатке и в диске выполняются с большой точностью (рис. 5.10, а), в частности, обращается особое внимание на правильное со­прикосновение рабочих плоскостей замка. Только при этих условиях можно достигнуть равномерного нагружения всех зубьев и избежать опасной перегрузки отдельных элементов замка. На рис. 5. 11 показаны неправильно выполненные пазы диска и хвостовика лопатки, когда со­прикосновение между ними происходит не по всей поверхности зуба. Случай а более опасен для зуба диска, случай б — для зуба лопатки.

«Елочный» замок оказался на практике наилучшим. Достоинства этого замка в следующем:

1) материал корневой части лопатки, имеющей клиновидную фор­му, а также периферийной части диска с уширением к центру диска, нагруженных растягивающими напряжениями от центробежных сил и изгибающими — от газовых и центробежных сил, используется весьма рационально — лопатки и диск при таком замке получаются наиболее легкими;

2) малые размеры корневой части замка лопатки в плоскости диска позволяют разместить на диске большое число лопаток;

3) свободная посадка лопатки в замке не препятствует расширению наиболее нагретой части диска у обода, благодаря чему температурные напряжения в лопатке устраняются, а в ободе диска уменьшаются (до­пускаемое качание лопатки в плоскости вращения в холодном состоя­нии составляет ~1,25 мм на длине 100 мм, величина качания зависит от зазора по нерабочей стороне зубьев замка);

4) свободная посадка лопатки в диске имеет место лишь при не­большой величине центробежной силы (при числе оборотов, равном половине максимального). Уже при малом числе оборотов лопатка са­моустанавливается в замке так, что изгибающие напряжения от цент­робежных сил оказываются минимальными;

5) благодаря наличию сил трения в замке демпфируются колеба­ния лопаток на пониженных числах оборотов (пока центробежные силы лопаток, прижимающие лопатки к диску, невелики и имеются смещения лопатки относительно диска). Демпфирование в замковом соединении, возникающее от внутреннего трения в материале, наблюдается на всех оборотах;

6) в связи с тем, что по нерабочей части зубьев лопаток и диска имеются зазоры А, в некоторых конструкциях можно осуществить ох­лаждение замка с помощью продувки воздуха через указанные зазоры (см. рис. 5.10, б);

7) возможна легкая замена поврежденных лопаток.

Наряду с этими достоинствами «елочный» замок имеет и недостат­ки:

1) небольшая поверхность соприкосновения лопатки и диска по пло­щадкам зубьев приводит к плохому тепловому контакту между лопаткой и диском, вследствие чего теплоотвод от лопатки в диск ухуд­шается.

Теплоотвод от лопатки к диску наибольший у штифтового крепле­ния лопатки, наименьший — у обычного «елочного» замка;

2) вследствие малого радиуса закруглений в зубьях ножки лопатки и диска происходит большая концентрация напряжений, что может при­водить к появлению усталостных трещин (рис. 5. 12).

При малых радиусах закругле­ния в зубьях замка, а также вслед­ствие ухудшения механических свойств материала при высоких тем­пературах могут наблюдаться раз­рушения (рис. 5.13). На рис. 5.14 показано разрушение «елочного» замка, вызванное недостаточной жаропрочностью материала лопаток и переходом деформаций из упру­гих в пластические;

3) для получения более равно­мерной нагрузки на зубья замка необходима высокая степень точно­сти обработки замка по шагу, по углу и другим размерам зубьев. При высокой температуре в месте креп­ления лопаток (около 500—650° С) неравномерная нагрузка на зубья, имеющие неодинаковый шаг, несколько выравнивается благодаря пла­стическим деформациям лопаток и диска. При построении «елочного» замка основными определяющими раз­мерами являются шаг лопаток по наружному диаметру диска и угол клина (см. рис. 5.10, б).

Распределение напряжений по длине зуба замка неравномерно и за­висит от формы лопатки в месте перехода к ножке.

На рис. 5. 15 показано полученное экспериментально распределение напряжений по длине зуба в зависимости от формы перехода к первому зубу замка.

Пазы в диске изготовляются с помощью протяжек, а замковая часть лопатки обрабатывается фрезерованием или с помощью протяжек.

Пазы в диске и замковая часть тщательно контролируются. Угол клина у двигателей меняется от 25 до 50° (наиболее часто 30°).

За последнее время отмечается переход от большого числа зубьев в «елочном» замке (7—8) к меньшему числу (3—4). В последнем слу­чае можно зубья выполнять более крупными и уменьшить концентрацию напряжения в замке (см. вид А на рис. 5.46).