Файл: 1. Конструктивные особенности лопаток турбины 5 Материалы, применяемые при изготовлении лопаток турбины 9.docx

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Газотурбинные двигатели (ГТД) нашли широкое применение в различных отраслях промышленности, среди которых энергетическая, авиационная и др. [1]. Ежегодный спрос на ГТД составляет более 1200 штук. Основным потребителем ГТД является энергетика, где они используется в качестве приводов электрогенераторов электростанций различных типов, обеспечивающих конечных потребителей электричеством и теплом. Объём продаж ГТД в данной отрасли неуклонно растёт и если в 2014 году он составлял 22,7 млрд. дол. США или 1280 ГТД, то по прогнозам к 2021 году будет составлять около 27 млрд. дол. США, что составляет около 1500 ГТД.

Другой отраслью промышленности, в которой также в огромном количестве используются ГТД, является авиастроение. Так в 2011 году объём мирового рынка продаж ГТД в авиастроении с оставлял 60,1 млрд. дол. США и по прогнозным оценкам должен вырасти к 2025 году в 1,7 раз и составить 100,8 млрд. дол США [2]. Согласно прогнозам ОАО «НПО «Сатурн» объём продаж ГТД в авиации за период с 2014 года по 2028 год составит около 1440,1 млрд. дол. США при ежегодном росте рынка на 1,4% [3].

Надежность газотурбинных двигателей в значительной степени зависит от надежности рабочих лопаток (РЛ) турбины, поскольку они являются наиболее нагруженными деталями. РЛ подвергаются действию статических, динамических и циклических нагрузок; испытывают термические напряжения; работают в условиях агрессивной газовой среды при высокой температуре [4], [5]. РЛ имеют установленный разработчиком ресурс работы (

---

25 000 часов). Поскольку жаропрочные никелевые сплавы (ЖНС) обладают довольно высокой стоимостью, то ремонт изношенных изделий является экономически целесообразным решением.

Существующие технологии дуговой ремонтной наплавки РЛ обеспечивают низкий коэффициент выхода годной продукции, связанный с
формированием трещин, как в основном, так и в наплавленном металле вследствие большого тепловложения в обрабатываемый материал. Лазерные методы наплавки обладают высокой концентрацией энергии, что позволяет сбалансированно направлять тепловую мощность на расплавление основного и присадочного металла и минимизировать объём расплава и припуски на последующую механическую обработку. На данный момент на территории Российской Федерации отсутствуют отечественные технологические комплексы и реализуемые на них технологии ремонтной лазерной наплавки РЛ ГТД, что обуславливает актуальность настоящей работы.

1.   1   2   3   4   5   6   7   8   9

---

Конструктивные особенности лопаток турбины

Лопатки турбины являются наиболее нагруженными, ответственными и массовыми деталями газотурбинной установки. Некоторые ГТУ имеют до семи ступеней турбинных лопаток. Общее количество лопаток турбины на одном двигателе может достигать более 500 штук. Длина лопаток составляет 40-400 мм, закрутка пера составляет 60 градусов. Основную номенклатуру составляют лопатки длиной от 60 до 250 мм (рисунок 1.1).



Рисунок 1.1. Разновидности лопаток турбины

По назначению лопатки турбины подразделяют на лопатки ротора (рабочие лопатки) и статора (лопатки соплового аппарата). По конструктивному исполнению лопатки подразделяют на отдельные, лопатки в секторах и лопатки в моноколёсах (таблица 1).
Таблица 1. Классификация лопаток турбины ГТД [6].

Конструктивное исполнение	Наружный диаметр, мм	Высота пера, мм	Назначение и эскиз
			Ротор	Статор
			Рабочие	Сопловые
Лопатки отдельные		10-100 101- 250 251- 400
Конструктивное исполнение	Наружный диаметр, мм	Высота пера, мм	Назначение и эскиз
			Ротор	Статор
			Рабочие	Сопловые
Лопатки в цельных рабочих колёсах и цельных сопловых аппаратах	150-300 301-700	10-100 50-400

---

Рабочие лопатки турбины, применяемые в ГТУ, бывают охлаждаемые и неохлаждаемые (монолитные). Лопатки отдельные различают по конструктивному исполнению (рисунок 1.2):

• 
  с ёлочным хвостовиком и без бандажной полки;
  
• 
  с ёлочным хвостовиком и с бандажной полкой.
  

а)	б)
Рисунок 1.2. Одиночные безбандажные охлаждаемые лопатки (а); лопатки отдельные с елочным хвостовиком и с бандажной полкой (б)

Для обеспечения высокого коэффициента полезного действия (КПД) турбины большое значение имеет предотвращение утечек через радиальный зазор между рабочими лопатками и статором. С целью уменьшения перетекания газов на рабочих лопатках применяют бандажные полки с расположенными на них лабиринтными гребешками. Над гребешками рабочих лопаток на ответных статорных деталях выполняется уплотнение. На рабочих лопатках, на которых применение бандажных полок не представляется возможным, уменьшение радиального зазора между ротором и статором достигается за счет нанесения на торец лопаток износостойкого материала, а на проставки статора – прирабатываемого покрытия. Кроме снижения концевых потерь бандажные полки обеспечивают необходимый уровень демпфирования вибрационных напряжений на пере лопатки.

Рабочие охлаждаемые лопатки турбины, различаются конструктивным

---

исполнением системы охлаждения. В настоящее время основными схемами охлаждения рабочих лопаток являются: конвективная, пленочная, конвективно-пленочная и с проникающим охлаждением (рисунок 1.3).


Рисунок 1.3. Рабочая лопатка турбины с конвективно-пленочным охлаждением: 1 – отверстие для выхода охлаждающего воздуха на поверхность пера лопатки и организации пленочного охлаждения; 2 – каналы с петлевым течением охлаждающего воздуха; 3 – ребра (интенсификаторы теплоотдачи)
Лопатки отдельные сопловые выполняются без хвостовика, с призматическим хвостовиком, имеющим сложную форму с тонкими полками радиусной сферической формы, и с призматическим хвостовиком и полками с двух сторон пера. Система охлаждения сопловых лопаток, включающая конфигурацию внутренней полости, перфорацию стенки пера, дефлектор, входные и выходные каналы для воздуха и т.д., подобна системе охлаждения рабочих лопаток.

2. 1   2   3   4   5   6   7   8   9

---