Лекция№13

Лекция №13. Автоматизация проектирования лопаток турбомашин.

Специфика исходных данных для конструирования лопаток ТМ.

Целью проектирования лопатки является разработка такой конструкции лопатки, при которой лопатка выполняет свои функции наилучшим образом и может быть изготовлена на имеющемся оборудовании с наименьшими затратами.

В процессе работы турбомашины лопатка должна выполнять следующие функции:

1. Энергетические – обеспечение расчётного преобразования параметров взаимодействующего с лопатками газового потока.

2. Прочностные – воспринимать действующие нагрузки не разрушаясь.

3. Передаточные – осуществлять передачу усилий от диска к потоку газа.

Формирование исходных данных определяющих энергетическую функцию лопаток осуществляется по результатам проектного расчёта потока на разных радиусах на входе и выходе из венца.

Прочностная функция венца – характеризуется способностью воспринимать нагрузку. Для выбранного материала зависит от ресурса двигателя и температуры пера.

Передаточная функция лопатки реализуется способом её крепления к диску. Количественно выражается величиной напряжения на контактных поверхностях, а также прочностными характеристиками хвостовика.

В задании должны быть оговорены возможные отклонения ряда характеристик.

Признаки элементов конструкции и конструктивная схема лопаток.

Процесс разработки конструкции для всех изделий базируются на исходных данных, и проходит через выбор её принципиальной схемы. Такой выбор всегда следует привязывать к апробированным на практике конструктивным решениям.

С этой целью вводится понятие конструктивной схемы, в которой отмечаются все отличительные признаки элементов лопатки (рис. 13.1). Каждый элемент конструкции лопатки: перо 1 , хвостовик 5, бандажная полка 3, нижняя полка 4, замок 2 определяются совокупностью ограничивающих их поверхностей. Перо определяется поверхностями спинки, корыто и кромок.

Бандажная полка, если она не имеет рёбер жесткости и зубцов лабиринтного уплотнения определяется трактовой и боковыми поверхностями.

Рис. 13.1. Лопатка.

Вводится понятие конструктивные признаки элемента конструкции.

Пример: на бандажной полке её трактовая поверхность может быть плоской или частью поверхности вращения.

К числу конструктивных признаков следует относить и количество составляющих подэлементов.

Пример: на бандажной полке можно выделить зубцы лабиринтного уплотнения, которые ограничиваются разными видами поверхностей (см. рис. 13.2).

Рис. 13.2. Различные формы бандажных полок.

Таким образом, каждый элемент определяется качественно совокупностью его конструктивных признаков. Принципиально не отличаются только такие элементы, которые имеют одинаковую структуру и ограничены единообразно расположенными поверхностями, хотя такие элементы могут быть геометрически не подобными.

Под конструктивной схемой лопатки в целом будем понимать качественно определенную совокупность её элементов. Различные лопатки одной и той же конструктивной схемы будут иметь одинаковый состав элементов и подэлементов с одинаковыми признаками. Такие лопатки могут быть получены одним и тем же технологическим процессом с использованием единообразных методов контроля. Лопатки разных конструктивных схем отличаются количеством или расположением составляющих элементов или же признаками элементов. Выбор конструктивной схемы, даже если он опирается на накопленный опыт, является наиболее ответственным этапом в проектировании. Известные конструкции лопаток отличаются многообразием выполнения концевых элементов. Что же касается конструктивных форм пера, то для неохлаждаемых лопаток они не имеют принципиальных качественных отличий, если нет технологических ограничений на вид поверхности.

Выбор конструктивной схеме неохлаждаемой (не обогреваемой) лопатки сводится по существу к принятию решений по выбору её концевых элементов. При таком выборе требуется дать ответ на следующие вопросы:

1. Каков способ крепления или тип соединения лопатки в ответной детали?

2. Каков способ фиксации лопатки от смещения вдоль паза?

3. Как сформировать трактовую поверхность хвостовика?

4. Целесообразна ли постановка бандажной полки и если она нужна, то такими признаками она должна отличаться?

5. Какие лабиринтные уплотнения следует установить на деталях венца для уменьшения утечек?

6. Каковы мероприятия по снижению массы конструкции?

Возможные конструктивные решения по рабочим лопаткам:

1. Из всех способов крепления лопаток на диске применяются те, что обеспечивают относительно малую массу при высокой надёжности. Для компрессорных лопаток – замок «ласточкин хвост», а для турбинных лопаток – замок «ёлочного типа». Таким образом ответ на 1-й вопрос практически однозначный. Рис. 13.3. Формы лопаточных пазов на ободе диска: а – «ласточкин хвост»; б – «елочка»; в – «Т-образный».

2. Фиксация: резьбовыми шпильками, разжимными кольцами и т. д. Предпочтение отдают способу при котором фиксирующие элементы минимально искажают геометрию замка и создают минимальным концентрации напряжений. Лучший способ фиксации является использование деталей ротора, которые выполняют другие функции.

Пример: трактовые кольца, дефлекторы для подвода охлаждающего воздуха к диску и т. п.

3. В турбинных лопатках нижняя полка защищает обод диска от горячих газов, компрессорных лопатках ее часто не делают.

4. В турбине бандажные полки получили широкое распространение, так как её установка снижает перетечки через радиальный зазор, т. е увеличивается КПД. Однако установка бандажной полки увеличивает напряжения, возникающие в лопатке, и усложняет ее конструкцию. Поэтому в современных двигателях бандажную полку могут не применять, вместо этого используют системы регулирования радиального зазора. В компрессоре бандажная полка устанавливается только на длинных вентиляторных лопатках. Ее назначение препятствовать раскрутке лопаток под действием газодинамических сил. Рис. 13.4. Компрессорная лопатка с бандажной полкой.

5. При отсутствии бандажной полки уплотнения от перетекания через радиальный зазор осуществляется путём использования в конструкции колец статора мягких графито-тальковых или сотовых покрытий. Касание этих поверхностей лопатками, на каком либо переходном режиме не приводит к поломке лопаток. Уплотнения от радиальных течений через осевые зазоры осуществляется с помощью лабиринтов на дисках и статоров неподвижных аппаратов. В конструкциях лопаток высокотемпературных турбин в целях уменьшения утечек полки хвостовиков удлиняют в сторону сопловых аппаратов.

6. Возможны следующие мероприятия по снижению массы конструкции:

а) упрощение структуры конструкции;

б) введение полостей и выборок не затрагивающие рабочие поверхности хвостовиков;

в) усложнение поверхностей ограничивающих элемент конструкции;

Первый вариант часто не приемлем.