Глава 8 - Турбины ГТД

ческим последствиям, особенно если это случилось в полете.

Практика испытаний и эксплуатации двухвальных авиационных двигателей показывает, что при поломке вала газогенератора (на стенде или в полете) ротор ТВД не уходит в раскрутку, а сдвигается назад (это допускает конструкция роликового подшипника) под действием разницы давлений и тормозится о статор. Для раскрутки ротору ТВД не хватает мощности, в том числе из-за уменьшения оборотов и помпажа компрессора.

В отличие от ТВД роторы ТНД и СТ при потере кинематической связи с компрессором обычно имеют достаточную мощность для быстрой раскрутки, так как продолжающий вращаться ротор газогенератора обеспечивает сохранение значительной части давления и расхода газа на входе в турбину. Как показывает опыт, для достижения оборотов разрушения ротору ТНД (не имеющему конструктивных мероприятий против раскрутки) достаточно 0,2…0,3 секунды. За это время частота вращения увеличивается на 3000…4000 об/мин.

Исключение такого развития событий обеспе- чивается при проектировании турбины и двигателя в целом.

Наиболее простым решением является увели- ченный запас по прочности дисков – так, чтобы лопатки ротора в любом случае оборвались раньше достижения опасной для диска частоты вращения и лишили ротор крутящего момента. Однако такое решение из-за увеличенной массы дисков применимо только для наземных турбин. Оно использовано, в частности, в СТ ПС-90ГП-2 (см. Рис. 8.4.1.3_3).

Для авиационных ТНД связанное с утолщением дисков увеличение массы является неприемлемым. Поэтому для остановки ротора авиационной ТНД применяются специальные меры – отсечка топлива (как можно более быстрая) и/или обеспечение увеличенного тормозящего момента ротора о детали статора.

Система с отключением поступления топлива и обеспечением эффективного механического торможения ротора ТНД о статор (такую систему называют комплексной) реализована для ТНД ПС-90А. Отключение подачи топлива производится по сигналу датчиков, контролирующих превышение заранее установленного максимального зна- чения частоты вращения ротора или изменение разности частоты вращения («скольжения») роторов ТНД и КНД (вентилятора).

Наиболее эффективным (по простоте) решением является обеспечение достаточного тормозящего момента для остановки ротора. Это решение

применено в большинстве авиационных конструкций и реализуется специальными конструктивными мерами, к которым относятся:

-исключение препятствий для сдвига освободившегося ротора турбины назад (под действием перепада давления) для наиболее полного контакта со статором;

-исключения возможности упора ротора (во время сдвига назад) в небольшое пятно контакта –

âэтом случае под действием сил трения металл

âэтом пятне контакта плавится и образуется временный «упорный подшипник», на котором ротор практически беспрепятственно раскручивается;

-искусственное увеличение тормозящего момента – выгнутая вперед входная кромка одной из сопловых лопаток (см. Рис. 8.1.2.4_3, 8.1.2.4_5), которая увеличивает площадь зацепления с выходной кромкой лопатки ротора.

8.4.2 - Рабочие лопатки турбин

Рабочие лопатки – сложные и дорогостоящие детали турбины. Так же как и сопловые лопатки, они находятся под воздействием высокотемпературного газового потока. Кроме того, в отличие от сопловых лопаток, рабочие лопатки подвергаются воздействию центробежных сил, вращаясь с частотой до 20000 об/мин и окружной скоростью до 600 м/с. Напряжения от центробежных сил делают рабочие лопатки более чувствительными и к вибрационным нагрузкам. Необходимость противостоять всем этим нагрузкам определяет конструкцию рабочих лопаток.

Общая характеристика рабочих лопаток

Лопатка (в общем виде – Рис. 8.4.2_1) состоит из профильной части, замка, нижней и верхней (бандажной) полок, а также ножки, соединяющей профильную часть и нижнюю полку с замком. Основными и обязательными частями рабочей лопатки являются профильная часть, замок и нижняя полка. Профильная часть 9 (см. Рис. 8.4.1.1_1) рабочей лопатки при установке лопаток в диск образует лопаточный венец, обеспечивающий необходимый поворот и расширение потока рабочего тела

ñминимальными потерями – т.е. выполнение главной задачи лопатки.

Замок 10 рабочей лопатки обеспечивает крепление лопатки в диске – в пазах 3 между выступами 2 на ободе диска. Соединение лопатки

ñдиском производится с помощью замкового соединения так называемого «елочного» типа. Коли- чество зубьев в «елочном» замке может составлять от 1…2 (для лопаток, работающих с малыми на-

470

Глава 8 - Турбины ГТД

Рисунок 8.4.2_1 - Трехмерная геометрическая модель рабочей лопатки

пряжениями от центробежных сил) до 5 – для лопаток с высоким уровнем напряжений. Уровень напряжений зависит от окружной скорости (частоты вращения ротора и диаметра проточной части) и массы самой лопатки. В лопатках авиационных ТВД основное значение имеет частота вращения (до 20000 об/мин), а для последних ступеней турбин стационарных двигателей большой мощности (200…400 МВт) напряжения (при частоте вращения 3000…3600 об/мин) определяются, в основном, массой лопаток.

Направление паза в ободе диска может не соответствовать оси вращения турбины Этот угол определяется при проектировании корневого се- чения лопатки. Если корневое сечение не вписывается в прямоугольник (который представляет собой нижняя полка с прямым пазом), то боковые грани нижней полки наклоняют под требуемым углом к оси вращения турбины. Под таким же углом к оси вращения нарезают и замковый паз в ободе диска. Это менее предпочтительный (чем прямой паз в диске) вариант, но иногда он бывает неизбежен. Если конструкция позволяет, можно допустить некоторое различие углов установки замка и нижней полки лопатки (до 15?), сохраняя прямой паз в диске.

Нижняя полка 10 лопатки нужна для образования внутреннего контура проточной части турбины. Кроме того, под нижней полкой могут быть размещены демпферы (рис. 8.4.2_2) – грузы, за счет своей центробежной силы уменьшающие (демпфирующие) через посредство нижней полки вибрационные напряжения в лопатке.

Ножка 11 (расположена между нижней полкой и замком) лопатки может практически отсутствовать. Увеличение длины ножки позволяет уменьшить диаметр обода диска и в общем случае уменьшить диаметр и массу диска (увеличению длины ножки может препятствовать уменьшение поперечного сечения выступов диска и увеличение массы лопатки). Увеличение длины ножки позволяет также снизить поток тепла от проточной части и профильной части лопаток в диск. Кроме того, при минимизации уровня вибрационных напряжений в лопатке изменение ее длины за счет ножки предоставляет определенные возможности по управлению вибрационными характеристиками лопатки.

Бандажная полка служит для размещения лабиринтного уплотнения радиального зазора над рабочей лопаткой (на полке может быть размещено от одного до трех зубцов). Кроме того, бандаж-

471

Глава 8 - Турбины ГТД

Рисунок 8.4.2_2 - Демпфер и его установка в лопатку 1 – демпфер; 2 – нижняя полка

лопатки; 3 – контактные поверхности демпфера

ная полка в большинстве случаев служит средством управления вибрационными характеристиками лопаток. При проектировании бандажной полки необходимо ее центр тяжести разместить в центре тяжести верхнего сечения пера. При этом кромки полки должны иметь минимальное «свисание» относительно профиля – для уменьшения напряжений изгиба от центробежных сил.

Для ТВД проблема дополнительных напряжений в профильной части и замке от массы бандажной полки может быть очень острой, так как там уровень напряжений и так высок. Кроме того, в ТВД бандажные полки чаще всего требуют охлаждения из-за высокого уровня температуры газа. При этом в первой ступени ТВД из двух рассмотренных выше направлений использования бандажной полки (уменьшение потерь к.п.д в радиальном зазоре и демпфирование вибраций) чаще всего можно воспользоваться только первым. Большая жесткость на кручение короткой и толстой (из-за размещения каналов охлаждения) профильной части лопатки затрудняет выбор правильных параметров зацепления (в этом случае трудно выбрать оптимальный натяг из-за опасности возникновения больших напряжений в лопатке). Это приводит к тому, что в большинстве случаев рабочие лопатки ТВД выполняются без бандажных полок (таковы все рассмотренные в разделе 8.1.2 конструкции ТВД GEAircraft Engines и Pratt&Whitney). Для рабочей лопатки второй ступени ТВД гораздо боль-

ше возможностей для применения полки. Однако

èздесь полку применяют сравнительно редко (например, ТВД ПС-90А2). Известным современным исключением из правила применения бесполочных рабочих лопаток на первой ступени ТВД служат рабочие лопатки ТВД RB211/Trent компании RollsRoyce (см. Рис. 8.4.3_7). Следует, правда, иметь в виду, что одноступенчатая ТВД с полочной лопаткой в двигателях Rolls-Royce имеет не очень высокий перепад давлений (около 3.0).

«Разгрузка» профильной части лопатки от напряжений изгиба.

На рабочие лопатки действуют как центробежные, так и газовые силы – силы газового потока, возникающие от разницы давлений перед лопаточ- ным венцом и за ним, а также от разницы давления между корытом и спинкой. От действия этих сил возникают напряжения изгиба, которые действуют совместно с напряжениями от центробежных сил. Однако для рабочих условий возможна почти полная компенсация напряжений изгиба за счет центробежных сил при конструировании профиля лопатки. При этом центры тяжести расчетных сечений располагают на линии, расположенной под наклоном к радиальному направлению – так, чтобы возникающий при действии центробежных сил момент был направлен прямо противоположно действию суммарного момента газовых сил. Смещение центров тяжести от радиального направления определяется в расчетах на прочность. Полная компенсация газовых сил возможна только для определенных рабочих условий (режима), так как величина газовых сил изменяется в зависимости от абсолютных параметров режима работы турбины.

Обеспечение вибрационной прочности рабочих лопаток.

Практика доводки показывает, что случаи обрыва рабочих лопаток по причине недостаточной статической прочности встречаются очень редко

èчаще всего в результате каких-либо производственных отклонений. В то же время доводка рабо- чих лопаток для снижения уровня вибронапряжений является обычным делом. Это объясняется тем, что точность аналитических предсказаний средней температуры и среднего уровня напряжений (необходимых для определения статической прочности лопатки) существенно выше, чем при определении резонансной частоты вращения и уровня вибрационных напряжений. Более того, даже проведение необходимых экспериментальных работ по определению вибронапряжений в лопатках не дает полной уверенности в форме колебаний, их частотном диапазоне, уровне и месте возникновения.

472

Глава 8 - Турбины ГТД

Дело в том, что для правильного проведения такого эксперимента (выбора его методологии, типа датчиков и их расположения) необходимо предварительное моделирование вибрационных характеристик лопаток в инженерном пакете высокого уровня (ANSYS, NASTRAN). Однако точ- ность аналитического моделирования (построение сеток, задание корректных граничных условий) не может быть заранее гарантирована. Поэтому такое большое значение при проектировании рабочих лопаток придается обеспечению приемлемого уровня вибронапряжений и необходимых запасов по частоте вращения от резонансных частот.

Источниками возбуждения колебаний могут служить форсунки камеры сгорания, сопловые лопатки, стойки промежуточных опор и так далее. Поскольку точно предсказать источник возникновения опасной частоты часто невозможно, целесообразно исключить саму возможность возникновения колебаний за счет конструкции лопатки. В общем случае необходимо, чтобы конструкция лопатки по своим характеристикам (жесткости, моменту инерции, площади отдельных сечений, массе отдельных элементов) исключала саму возможность появления резонансов в рабочем диапазоне частоты вращения.

В случае неудовлетворительных результатов анализа вибрационных характеристик производится следующая итерация проекта лопатки с необходимыми изменениями. Иногда необходимо начи- нать новую итерацию с изменения площадей

èмомента инерции базовых профилей в аэродинамическом проектировании.

Однако исключение возможности возникновения колебаний за счет конструкции лопатки возможно далеко не всегда и в этом случае применяются два средства управления (с ограниченными возможностями) уровнем вибронапряжений в лопатках.

Первое из них – это применение бандажной полки на верхнем конце рабочей лопатки, имеющей зацепления с полками соседних лопаток специальными контактными поверхностями (см. Рис. 8.4.2_1). Контактные поверхности бандажных полок лопаток соединяются в колесе между собой с монтажным «натягом» и демпфируют колебания лопаток за счет трения. Окружной размер по контактным поверхностям делают больше шага лопаток в колесе, при этом полку при сборе лопаток в колесо необходимо повернуть

èтем самым между полками создается «натяг». Чем меньше жесткость пера лопатки на кручение, тем больше надо делать натяг. Угол контактных поверхностей по отношению к окружному направле-

нию может изменяться от 45 до 15 градусов (см. Рис. 8.4.2_1). При уменьшении этого угла натяг растет даже при незначительном увеличении момента, прикладываемого к полке при сборе лопаток в колесо. Все эти величины оптимизируются при прочностном расчете лопатки.

Второе средство управления уровнем вибронапряжений – демпферы 1, устанавливаемые под нижнюю полку 2 лопатки (см. Рис. 8.4.2_2). Для лопаток, не имеющих бандажной полки (или имеющих бандажную полку «аэродинамического» назначения – без контактных граней) они применяются в обязательном порядке. Контактными поверхностями 3 демпферы прижимаются (за счет центробежных сил) к нижним поверхностям полок 2 и за счет трения уменьшают (демпфируют) колебания лопаток. Демпферы влияют, в основном, на уровень вибронапряжений и относительно слабо – на собственную частоту колебаний лопатки.

Обеспечение малоцикловой прочности рабочих лопаток.

Запас по малоцикловой усталости рабочих лопаток реализуется при анализе и последующей оптимизации циклической долговечности конструкции лопатки в 2D-постановке (для отдельных сечений по длине лопатки) и 3D-постановке (для лопатки в целом и ее отдельных наиболее напряженных – по тепловым и центробежным нагрузкам - элементов). При моделировании типового рабоче- го цикла турбины моделируются размах (изменение местного уровня напряжений от минимального до максимального с учетом знака) и темп изменения напряжений в отдельных элементах лопатки за весь рабочий цикл. Для отдельных сечений и пространственных элементов лопатки большое значение имеет уровень стационарных и нестационарных температурных напряжений.

При моделировании напряжений в рабочем цикле особую трудность представляет собой достоверное моделирование граничных условий для всех критических с точки зрения малоцикловой прочности элементов конструкции лопатки. Поэтому на настоящем этапе в оптимизации и доводке конструкции лопатки по малоцикловой усталости наиболее важно использовать и правильно интерпретировать свой и чужой опыт.

Изготовление лопаток современных тур-

áèí.

Лопатки современных турбин почти исклю- чительно отливаются по выплавляемым моделям. Лопатки ТВД могут изготавливаться по специальной технологии заливки и охлаждения - с полу- чением отливки с направленной кристаллизацией или монокристалла. В отливках рабочих

473