СОПЛОВЫЕ ЛОПАТКИ

При соединении корпуса турбины с корпусом подшипника сопло­вые лопатки никогда не включают в силовую связь. Объясняется это тем, что сопловые лопатки турбины располагаются между внутренним и наружным кольцом соплового аппарата, при этом необходимо обес­печить возможность свободного теплового расширения сопловых лопа­ток. Если бы лопатки и оба кольца соплового аппарата имели одинако­вую температуру и одинаковый коэффициент линейного расширения, то радиальное удлинение лопаток и увеличение длин окружностей колец были между собой согласованы. Однако при работе турбины лопатки нагреваются до более высокой температуры, чем кольца, которые отво­дят тепло в корпус двигателя, охлаждаемый воздухом. Кроме того, из-за неравномерности температурного поля лопатки имеют различные удли­нения. Поэтому тепловые расширения лопаток и колец оказываются несогласованными. Для того чтобы в сопловом аппарате не возникло добавочных напряжений и не произошло его коробление, лопатки или крепятся жестко к одному из колец, а в другом кольце они устанавли­ваются с необходимым зазором, или устанавливаются между кольцами и не крепятся к ним. В этом случае возникающие тангенциальные силы воспринимаются специальными упорами в виде привернутых или при­варенных деталей. Силовую же связь корпусов подшипника и соплового аппарата осуществляют шпильками или винтами.

На рис. 5.23, а показан корпус подшипника турбины, который имеет силовую связь с наружным кольцом соплового аппарата с помощью длинных силовых шпилек 2, проходящих внутри сопловых лопаток. Лопатки 5 соплового аппарата, выполненные из листовой жаропрочной стали, закрепляются в наружном кольце 1 и имеют свободное темпера­турное расширение.

На рис. 5.23, б показано силовое соединение корпуса 7 подшипника с наружным кольцом 6 соплового аппарата стяжным винтом 1, который проходит через полую литую сопловую лопатку 4. Сопловая лопатка по­мещается между башмаками, из которых верхний 3 крепится винтами к наружному кольцу 6, а нижний 5 — к корпусу 7. Концентричность расположения корпуса 7 и наружного кольца 6 достигается с помощью установки распорных трубок 2. Следует отметить, что это соединение (по сравнению, например, с конструкцией, показанной на рис. 5.22) является более легким. Однако необходимо уделить большое внимание выбору сечения стяжного винта,. так как происходит неодинаковая деформация диска корпуса подшип­ника 7 (см. рис. 5.23, б) и кольца 6 от действия сил газов и тепловая деформация от разной температуры их нагрева. На одном из двигате­лей поломка стяжных винтов была устранена при уменьшении сечения винтов, что позволило винтам изгибать­ся при деформации корпусов.

На рис. 5.24 показан сопловой аппа­рат разъемной конструкции. Соединение лопаток с кольцами осуществляется здесь посредством косых пазов в кольцах 1 и 2 и соответствующих выступов 4 и 5 на лопатках 3. Выступы у лопаток и пазы в кольцах сделаны под разными углами к оси двигателя у ножки и вершины ло­патки. Лопатки крепятся во внутреннем кольце 2 с помощью замков 6, имеющих­ся на выступах ножек лопаток.

При сборке такого соплового аппа­рата лопатки вначале закрепляются во внутреннем кольце 2, а затем перемеще­нием вдоль оси двигателя с одновремен­ным поворачиванием надевается наруж­ное кольцо 1. Зазор между концом ло­патки и наружным кольцом обеспечивает свободное удлинение лопатки при ее нагревании.

Сопловая лопатка (рис. 5.25) изго­товляется прецизионной отливкой из жа­ростойкого кобальтового сплава, разме­ры отливки выдерживаются с точностью до 0,2—0,5 мм. После отливки произво­дится механическая обработка и поли­ровка профилированной части.

Узел крепления соплового аппарата к корпусу двигателя показан на рис. 5. 26.

Крепление осуществляется с помощью фланцев на торцах колец. Зазор в лабиринтном уплотнении 8 регулируется подбором толщины регулиро­вочного кольца 9. Фланцы 1, 11 и 6 на наружном 4 и внутреннем 10 коль­цах соплового аппарата и на корпусе турбины выполняют также роль ребер жесткости.

Достоинством описанного соплового аппарата является сравнитель­ная простота конструкции и возможность легкой замены лопаток.

На рис. 5.27, а показан разъемный сопловой аппарат I ступени турбины ТВД. Лопатки 1, полученные прецизионным литьем, вставля­ются в прорези наружного 4 и внутреннего 2 колец. Выступающие кон­цы лопаток закрываются лентой 9, которая в месте стыка сваривается с помощью накладки 8 в нескольких точках аргоно-дуговой сваркой. Кроме внутреннего кольца 2, имеется еще кольцо 3, где для каждой лопатки есть манжета 7. От тангенциальных перемещений лопатки удер­живаются прорезями в кольцах 4 и 2, манжетами 7, а от радиальных — кольцом 6, отбортовка которого входит в паз на лопатке.

Сопловой аппарат неразъемной конструкции II ступени этого дви­гателя показан на рис. 5.27, б. Как видно, лопатки вставлены в прорези наружного кольца 1 и приварены к нему. В прорези внутреннего кольца 4 лопатки вставлены свободно. Для устранения утечки газа через за­зоры между лопатками и отверстиями в кольце 1 в него вставляется и приваривается кольцо 5.

На рис. 5.28 показана сопловая лопатка с воздушным охлаждением.

Сопловая лопатка 1 изготовлена из листовой хромомарганцевой стали и имеет внутри дефлектор 3, приваренный точечной сваркой к нижней части лопатки. Охлаждающий воздух подается в дефлектор и через сверления в нем попадает внутрь лопатки, причем основная масса воздуха подводится к передней кромке лопатки.

Нагретый воздух вытекает из лопатки через щели в задней кромке и смешивается с горячими газами. Для образования щелей в лопатку вставлены и приварены точечной сваркой три клиновидные пластины 4. Благодаря такому выходу воздуха из лопаток используется эжектирующее действие потока газов, обтекающих лопатку. Воздух для охлажде­ния сопловых лопаток подводится к каналу от последней ступени комп­рессора.

Недостатком сварных сопловых аппаратов является сравнительно большая трудоемкость их изготовления, связанная с большим числом соединяемых деталей и необходимостью установки их перед сваркой в специальные приспособления. Кроме того, в процессе эксплуатация сварка является надежной лишь при равномерном нагреве деталей и при отсутствии вибраций.

Литые сопловые лопатки с воздушным охлаждением показаны на рис. 5.29.

Схема конструкции охлаждаемых лопаток английского ТРДД «Конуэй» приведена на рис. 5.30.

Следует иметь в виду, что ресурс рабочих и сопловых лопаток оп­ределяется тремя основными причинами: ползучестью, коррозией и тер­мической усталостью.

Ползучесть представляет собой необратимую деформацию материа­ла под действием нагрузки при высокой температуре. Ползучесть в ра­бочих лопатках приводит к остаточным удлинениям, которые должны быть учтены при выборе радиального зазора между тор­цом лопатки и корпусом турбины. В сопло­вых лопатках ползучесть вызывает коробле­ние от перепада давления на выпуклой и во­гнутой поверхностях лопатки.

Коррозия (имеется в виду газовая кор­розия) является общим понятием, вклю­чающим все виды разъедания поверхности лопатки и близкого к ней слоя.

Термическая усталость определяется термическими нагрузками и числом циклов нагружения. На рис. 5.31 показана схема появления термической усталости в сопло­вой лопатке. При раскрутке турбины тонкие входные и выходные кромки нагреваются быстрее и расширяются сильнее, чем более холодная их область, расположенная в сере­дине хорды (см. рис. 5.31, а). При снижении числа оборотов входная и выходная кромки охлаждаются быстрее, чем их центральная часть (см. рис. 5. 31,6).

В результате чередования этих циклов возникает термическая уста­лость материала, что приводит к образованию трещин на входной и вы­ходной кромках (см. рис. 5.31, в).

Для уменьшения передачи тепла от сопловых лопаток в корпус тур­бины поверхность контакта между лопатками и корпусом уменьшают.

На рис. 5.32 показан сопловой аппарат II ступени турбины ТРД, где поверхность контакта между полками сопловых лопаток и корпусом уменьшена благодаря тому, что соприкосновение между ними происхо­дит не по плоскости, а по вершинам треугольных выступов, полученных на полках накаткой. Охлаждающий воздух, проходящий по каналам между выступами, отводит тепло в тракт двигателя за турбиной.

Для уменьшения теплоотвода применяют также прокладку А (см. рис. 5.32, а) из листовой жаропрочной стали. Тепловое сопротивление двух стыков этой прокладки (с корпусом турбины и сопловой лопаткой) сильно уменьшает теплоотвод. На рис. 5.32, б показана другая конст­рукция литой сопловой лопатки с полкой. Для уменьшения теплоотвода поверхность контакта между полкой и корпусом также уменьшена.

Входные и выходные углы сопловых лопаток определяются из га­зодинамического расчета турбины. В производстве лопатки как моно­литные, так и сварные контролируются с помощью шаблонов. При сбор­ке двигателя тщательно контролируются размеры проходного сечения соплового аппарата, так как от этих размеров зависят мощность и к.п.д. турбины, а следовательно, величина тяги и расход топлива у двигателя. Величина отклонения от номинального размера площади проходного сечения соплового аппарата одноступенчатой турбины допускается при­мерно 0,5% и для двухступенчатой — 1,5%. Регулировка проходного сечения соплового аппарата осуществляется доработкой выходных кро­мок сопловых лопаток или, если это возможно, изменением угла установки лопаток.