Лопатка турбины двигателя устройство
Главное меню
Судовые двигатели
Лопаточный аппарат турбины состоит из неподвижных направляющих и подвижных рабочих лопаток и предназначен для наиболее полного и экономичного преобразования потенциальной энергии пара в механическую работу. Направляющие лопатки, установленные в корпусе турбины, образуют каналы, в которых пар приобретает необходимую скорость и направление. Рабочие лопатки, расположенные на дисках или барабанах ротора турбины, находясь под действием давления пара, возникающего в результате изменения направления и скорости его струи, приводят вал турбины во вращение. Таким образом, лопаточный аппарат является наиболее ответственной частью турбины, от которого зависит надежность и экономичность ее работы.
Рабочие лопатки имеют разнообразную конструкцию. Нa рис. 17 показана лопатка простого типа, состоящая из трех частей: хвоста или ножки 2, с помощью которых лопатку крепят в ободе диска 1 , рабочей части 4 , находящейся под действием движущейся струи пара, и вершины 6 для закрепления ленточного бандажа 5, которым связывают лопатки с целью создания достаточной жесткости и образования канала между ними. Между ножками лопаток устанавливают промежуточные тела 3. Чтобы предотвратить возникновение температурных напряжений при прогреве и охлаждении турбины, бандажом связывают отдельные группы лопаток, оставляя зазор между бандажами 1—2 мм.
Задняя сторона лопатки называется спинкой; грань со стороны входа пара называется входной кромкой, а грань со стороны выхода пара — выходной кромкой лопатки. Поперечное сечение лопатки в пределах ее рабочей части называется профилем лопатки. По профилю различают активные и реактивные лопатки (рис. 18). Угол ? 1 называется входным, а угол ? 2 — выходным углом лопатки. У активных лопаток турбин прежней постройки (рис. 18, а) профиль почти симметричный, т. е. входной угол мало отличается от выходного. В реактивных лопатках (рис. 18, б ) профиль несимметричный, выходной угол значительно меньше входного. Для повышения эффективности работы лопаток входные кромки профилей закругляют, а каналы, образованные профилями, выполняют сходящимися. Современные профили активной и реактивной лопаток с обтекаемой входной кромкой показаны на рис. 18, в и г .
Основные характеристики профиля лопаток следующие:
— средняя линия профиля — геометрическое место центров окружностей, вписанных в профиль;
— геометрические углы: входа ? 1 л — угол между касательной к средней линии при входе и осью решетки; ? 2 л — то же при выходе;
— углы входа и выхода потока пара: ? 1 — угол между направлением потока пара при входе на рабочую лопатку и осью; ? 2 — то же при выходе;
— угол атаки i — угол между направлением потока пара при входе на рабочую лопатку и касательной к входной кромке по средней ЛИНИИ, Т. е. i = ? 1л – ? 1 ;
— хорда профиля b — расстояние между концами средней линии;
— угол установки ? У — угол между хордой профиля и осm. решетки;
— ширина профиля В — размер лопатки по направлению оси турбины;
— шаг t — расстояние между сходственными точками соседних профилей.
Входная кромка современных профилей направляющих и рабочих лопаток малочувствительна к отклонению угла потока на входе. Это позволяет при расчете профиля лопатки допустить углы атаки до 3—5° в любом сечении по высоте лопатки. Входную кромку профилей лопаток при дозвуковой скорости делают толстой и тщательно закругляют, что снижает вихревые потери на входе в канал и повышает вибрационную, коррозионную и эрозионную стойкость лопаток. Такая форма входной кромки обеспечивает на переменных режимах меньшее влияние изменения угла атаки на к. п. д. лопатки, а также более полное использование входной энергии ступеней.
Геометрические характеристики активных и реактивных профилей рабочих и направляющих лопаток приводится в нормалях для лопаток судовых турбин (табл. 1, 2).
Размеры лопаток колеблются в широких пределах. В судовых турбинах высота лопаток первых ступеней ТВД небольшая (от 10 мм), а последних ступеней ТВД достигает 400 мм. Ширина лопаток может быть 14—60 мм. Для уменьшения веса и снижения напряжений от центробежных сил длинным лопаткам придают ширину и толщину, постепенно уменьшающуюся от ножки к вершине. На длинных лопатках бандаж обычно не ставят, а для получения большей жесткости лопатки скрепляют связной проволокой в пакеты по 5—10 лопаток.
По способу изготовления лопатки можно разделить на две группы:
1) изготовленные штамповкой из листового материала (толщиной 1—2 мм) или из прокатанных профильных полос (светло- катаных профилей); промежуточные вставки для этих лопаток выполняются отдельно;
2) изготовленные как одно целое с промежуточными вставками путем фрезерования катаных, тянутых, кованых или литых заготовок.
На рис. 17 показаны лопатки, выполненные из прокатанных профильных полос с отдельными вставками. Механическая обработка таких лопаток сводится к фрезерованию ножки и вершины. Эти лопатки имеют постоянный профиль и применяются для небольших окружных скоростей. Для повышенных окружных скоростей используют полуфрезерованные лопатки из более толстых холоднокатаных профильных полос. В таких лопатках вставка частично выполняется заодно с ними и спинка фрезеруется.
Па рис. 19 изображены различные конструкции цельнофрезерованных лопаток, изготовленных совместно со вставками из горячекатаной полосовой стали прямоугольного и ромбического сечений. Перевязка лопаток (рис. 19, а) осуществляется бандажной лентой. Для больших окружных скоростей лопатку изготовляют как одно целое с бандажной полкой (рис. 19, б ). Смыкаясь, полки образуют сплошное кольцо—бандаж. Как уже отмечалось выше, ширина и толщина длинных лопаток постепенно уменьшается от ножки к вершине (рис. 19, в). Для обеспечения безударного входа пара по всей высоте длинные лопатки иногда выполняют с переменным профилем, у которых угол входа постепенно увеличивается. Такие лопатки называются винтовыми.
По способу крепления на дисках или барабанах различают лопатки двух типов:
1) с погруженной посадкой, у которых хвосты заведены внутрь специальных выточек в ободе диска или барабана;
2) с верховой посадкой, у которых хвосты надеты верхом на гребень диска и закреплены.
На рис. 20 показаны наиболее распространенные формы лопаточных хвостов.
Хвосты 3—11 применяют для крепления направляющих и рабочих лопаток. Хвосты типа 6 используют в современных турбинах сухогрузных судов и танкеров. Хвост 11 делают примерно такой же ширины, что и рабочую лопатку, его применяют для крепления реактивных лопаток. Крепление с верховой посадкой целесообразно для длинных лопаток, подвергающихся действию значительных усилий.
Лопатки с погруженной посадкой крепят также в индивидуальных осевых канавках с помощью сварки. Эти крепления обеспечивают замену любой из лопаток, а также позволяют получить лучшие вибрационные характеристики и наименьший вес лопаток и диска. Крепление лопаток на диске при помощи сварки показано на рис. 21. Плоский хвост 2 лопатки 1 входит в канавку обода диска и приваривается к нему с двух сторон. Для большей прочности лопатки дополнительно скрепляют с диском заклепками 3 и в верхней части сваривают попарно бандажными полками 4. Крепление при помощи сварки повышает точность установки лопаток, упрощает и снижает затраты на их сборку. Приварка лопаток находит применение в газовых турбинах.
Для установки лопаточных хвостов на окружности лопаточного венца обычно делают один-два выреза (замковое отверстие), закрываемые замком. При креплении лопаток с верховыми хвостами типа ЛМЗ в индивидуальных прорезях и с помощью сварки замковые отверстия и замки не требуются.
Обычно лопатки набирают с двух сторон замкового отверстия независимо от количества замков. На рис. 22 изображены некоторые конструкции замков.
На рис. 22, а в районе замка срезаны заплечики обода диска (показаны пунктиром), удерживающие Т-образный хвост. Лопатки, примыкающие к замковой вставке, во многих конструкциях прошиты штифтами и припаены к своим промежуточным вставкам. Замковую вставку забивают между прилегающими лопатками. Через имеющееся в щеке диска отверстие сверлят отверстие в замковой вставке, в которое и забивают заклепку. Концы заклепки расклепывают. На рис. 22, б замок представляет собой вставку 2, закрывающую боковой вырез в ободе диска и прикрепленную винтами 1 . На рис. 22, в показан замок двухвенечного колеса. Вырез для установки замковых лопаток 1 делают в средней части обода диска между лопаточными канавками. Замковые лопатки крепят двумя планками 2, разгоняемыми клином 4, который крепится к ободу винтом 3. К недостаткам приведенных конструкций замков следует отнести ослабление обода вырезами и отверстиями для винтов. На рис. 22, г показан замок с расклинкой конструкции ЛМЗ. Замковые лопатки 2 и 3 изготовляют с выступами внизу, заходящими под хвосты соседних лопаток 1 и 4. После установки подкладки 7, стального клина 6 и подгонки замковой вставки 5, имеющей вырез в нижней части, вставку загоняют между замковыми лопатками.
Замок, конструкция которого показана на рис. 22, д, применяют для реактивных лопаток. Замковый вырез в ободе отсутствует. Лопатки с хвостовиками зубчикового типа заводят в паз ротора в радиальном направлении. Затем поворачивают на 90° с таким расчетом, чтобы зубчики входили в соответствующие канавки в ободе, и перемещают по окружности до места установки. После установки всех лопаток заводят замковую вставку, состоящую из двух частей 1 и 4, разгоняемых клипом 3. Клин удерживается отчеканенными выступами 2.
Хвостовики верхового типа позволяют получить сравнительно простую конструкцию замков. На рис. 22, е показан замок для хвостовика типа обратный молот. Замковая лопатка 5 имеет хвостовик с плоской прорезью, который надевается на реборд 4 обода 1 диска и крепится к нему, заклепками 3 . В месте установки замковой лопатки заплечики 2 (показаны штриховой линией) срезаны.
Лопатки турбины под действием парового потока пара из сопел могут совершать колебания: 1) в плоскости вращения диска — тангенциальная вибрация; 2) в плоскости, перпендикулярной вращению диска,— осевая вибрация; 3) крутильные. Осевая вибрация лопаток связана с вибрацией дисков. Крутильные колебания лопаток характеризуются интенсивными колебаниями их вершин.
Надежность работы лопаточного аппарата зависит от величины и характера вибраций, возникающих как в лопатках, так и в дисках, па которых они закреплены. Кроме того, лопатки, являясь упругими телами, способны вибрировать с собственными частотами. Если собственная частота колебаний лопаток равна или кратна частоте внешней силы, вызывающей эти колебания, то возникают так называемые резонансные колебания, не затухающие, а непрерывно продолжающиеся до прекращения действия силы, вызывающей резонанс, или до изменения ее частоты. Резонансные колебания могут вызвать разрушение рабочих лопаток и дисков. Чтобы избежать этого, облопаченные диски современных крупных турбин до установки на вал подвергают настройке, посредством которой изменяется частота их собственных колебаний.
В целях борьбы с вибрацией лопатки скрепляют в пакеты бандажной лентой или проволокой. На рис. 23 показано крепление лопаток связной проволокой, которую пропускают через отверстия в лопатках и припаивают к ним серебряным припоем. Как и бандажная лента, проволока но окружности состоит из отдельных отрезков длиной от 20 до 400 мм, между которыми возникают тепловые зазоры. Диаметр связной проволоки в зависимости от ширины лопатки принимают 4—9 мм.
Для уменьшения амплитуды колебаний пакетов между ними ставят демпферную проволоку 2 (мостик), ее припаивают к двум- трем крайним лопаткам одного пакета, и она свободно проходит через концевые лопатки соседнего сегмента. Возникающее трение проволоки о лопатки при вибрации пакета уменьшает амплитуду колебаний. С помощью отверстий 1 упрощается установка мостика. Материал для изготовления лопаток должен обладать достаточной стойкостью при высокой температуре и хорошей механической обрабатываемостью, быть коррозионно и эрозионно устойчивым. Лопатки, работающие при температуре пара до 425° С, изготовляют из хромистых нержавеющих сталей марок 1X13 и 2X13 с содержанием хрома 12,5—14,5%. При более высоких температурах (480—500° С) используют хромоникелевые нержавеющие стали с содержанием никеля до 14%. Лопатки, работающие при температуре пара 500—550° С изготовляют из аустенитных сталей ЭИ123 и ЭИ405 с содержанием никеля 12—14% и хрома 14—16%. Литые лопатки выполняют из стали 2X13. Материалом для вставок служит углеродистая сталь марок 15, 25 и 35, для бандажной ленты, связной проволоки, заклепок к лопаткам и заклепок замков — нержавеющая сталь 1X13.
Для пайки бандажных лент и связной проволоки применяют серебряный припой марок ПС Р 45 и ПС Р 65 с содержанием серебра соответственно 45 и 65%.
Назначение и характеристика изделия — лопатка турбины высокого давления. Конструктивно-технологический анализ.
Основной раздел.
Назначение и характеристика изделия — лопатка турбины высокого давления. Конструктивно-технологический анализ.
Лопатка – это деталь лопаточных машин, предназначенная для изменения параметров жидкости или газа.
Направляющие и рабочие лопатки по своему служебному назначению являются основными деталями паровых и газовых турбин как лопаточных двигателей. В совокупности они образуют проточную часть турбины, в которой происходит преобразование тепловой энергии рабочей среды (пара, газа) в механическую работу вращающегося ротора. Совокупность направляющих и рабочих лопаток называют лопаточным аппаратом турбины.
Газовые турбины применяются во многих областях для приведения в действие генераторов или рабочих машин. При этом внутренняя энергия топлива используется для создания вращательного движения вала турбины. Для этого топливо сжигается в нескольких горелках, причем сжатый воздух подается воздушным компрессором. В результате сжигания топлива создается находящаяся под высоким давлением рабочая среда с высокой температурой. Эта рабочая среда направляется в последующий турбинный блок, где она расширяется, совершая работу.
Лопатки турбин работают в очень тяжелых условиях. Они подвергаются сильному воздействию центробежной силы, изгибающему и пульсирующему воздействию рабочей среды, вызывающему вибрации лопаток, в которых легко могут быть возбуждены резонансные колебания. Все это происходит в первых ступенях турбины при высоких температурах рабочей среды, воздействующей на лопатки как химически, так и механически; в последних ступенях имеет место разъедание (эрозия) входных кромок лопаток частицами воды, содержащейся во влажном паре.
Как правило, направляющая лопатка имеет также называемую хвостовиком лопатки полку, которая для фиксации соответствующей направляющей лопатки расположена на внутреннем корпусе турбины в виде стенового элемента и которая формирует внешнюю границу канала горячего газа для проходящей через турбину рабочей среды. Перо лопатки представляет собой лопасть переменного сечения, ограниченную поверхностями сложного очертания и точно ориентированную в пространстве по отношению к замку. Точность изготовления пера находится в пределах 0,05¸0,15 мм. Замковую часть, при помощи которой лопатки крепятся к дискам, изготовляют с точностью 0,01¾0,02 мм.
Для эффективного направления потока рабочей среды, в направлении примыкающего к ряду направляющих лопаток ряда рабочих лопаток принадлежащая ряду направляющих лопаток направляющая лопатка обычно имеет изогнутый, крыловидный профиль поперечного сечения, так что при удерживаемых максимально незначительными потерях на трение на соответствующей направляющей лопатке устанавливается предусмотренное направление потока и таким образом ряд направляющих лопаток или, соответственно, согласованная с ним ступень турбины имеет максимально высокий коэффициент полезного действия. Для этого передняя кромка направляющей лопатки имеет круглое поперечное сечение, которое сужается в остро сходящуюся заднюю кромку направляющей лопатки. Рабочая лопатка выполнена аналогично, причем, как правило, специфические параметры, как например, максимальная толщина профиля, радиус кривизны на передней кромке и тому подобное, согласованы с соответствующей целью применения, т.е. оптимизированы для особенно эффективной импульсной передачи рабочей среды на соответствующую рабочую лопатку.[17]
Рабочая лопатка турбины высокого давления расположена на листе №1 графической части работы.
Подготовительные операции.
2.1 Подготовка деталей перед наплавкой[15].
Импульсная лазерная наплавка в среде защитных газов с использованием присадочного материала в виде проволоки выполняется с обязательной подготовкой зон дефектов и присадочной проволоки под наплавку.
Подготовка зон дефектов под импульсную лазерную наплавку включает в себя следующие подготовительные технологические операции:
— механическую обработку места дефекта под наплавку;
— обезжиривание места дефекта;
— рафинирование поверхности места дефекта импульсным лазерным излучением.
Подготовка поверхности дефекта включает в себя механическую обработку (разделку) места дефекта, пневмоструйную обработку, обезжиривание и рафинирование поверхности места импульсным лазерным излучением в среде защитных газов.
Технологию разделки поверхности дефекта выбирают с учетом особенностей конкретных дефектов.
Разделку дефектов выполняют механообработкой путем удаления из зоны дефекта (выборка, разделка) повреждённого слоя металла до здоровой основы.
Поврежденный металл удаляется механическим способом – вышлифовкой, фрезерованием борфрезой или слесарной обработкой.
Обезжиривание механически обработанной поверхности зоны дефекта производить с использованием:
— бензином-растворителем БР-1 «Галоша» ГОСТ 443-76 или бензином авиационным Б-70 по ТУ 38-101913-82;
— техническим ацетоном марки А (ГОСТ 2767-84) или ЧДА (ГОСТ 2603-79);
— этиловым спиртом ГОСТ 18300-87, хранящимися в непроливающихся закрытых емкостях в количестве, необходимом для работы в течение смены.
Для обезжиривания поверхности используются хлопчатобумажные салфетки и бязь по ГОСТ 29298-92.
Операции обезжиривания проводить в хлопчатобумажных перчатках светлых тонов по ГОСТ 5007-87.
Подготовленные к наплавке детали или инструмент должны храниться в таре, предохраняющей их от попадания пыли, влаги и других загрязнений, при больших геометрических размерах пресс-форм необходимо обеспечивать их локальную защиту, руководствуясь ГОСТ В 9.003-80.
Контроль над отсутствием загрязнений поверхности зоны дефекта проводить протиркой белой х/б салфеткой смоченной спиртом или ацетоном. На поверхности салфетки после протирки не должно быть следов загрязнений.
После обезжиривания, непосредственно перед наплавкой, поверхность выборки места дефекта подвергается обработке расфокусированным лазерным излучением с минимальным оплавлением поверхностного слоя, в среде защитных газов для очистки поверхности от органических и неорганических загрязнений, а также рафинирования поверхностного слоя от вредных примесей – серы, фосфора и удаление микроскопической металлической пыли, аэрозолей.
Под рафинированием поверхностного слоя понимается переплав поверхностного слоя на глубину несколько десятков микрон с целью минимизации неметаллических включений на поверхности и поверхностном слое.
Усиление (превышение) наплавленного слоя по отношению к заданным геометрическим размерам детали удаляется с помощью механической обработки.
Качество поверхности наплавленного слоя проверяется и принимается после механической обработки контролером ОТК.
При отработке технологии импульсной лазерной наплавки необходимо предусмотреть также изготовление технологических образцов-свидетелей, предназначенных для подтверждения выбора режима импульсной лазерной наплавки.
Технологические образцы-свидетели должны изготовляться из стали одноименной с восстанавливаемой деталью и с аналогичной термической обработкой. Количество образцов в комплекте для каждой конкретной детали устанавливается главным инженером или главным сварщиком (главным металлургом) в соответствии с действующими на предприятии технологиями ремонта.
2.2 Маршрутная технология подготовки деталей к наплавке.
Со склада лопатка помещается на участок очистки. Очищаются с помощью вращающейся проволочной щетки из нержавеющей стали 12Х18Н9. Далее лопатки отправляют на дефектовочный участок осматриваются на наличие дефектов. Поврежденный места помечаются маркером. На слесарном участке произвести разделку дефектов, находящихся в пределах допуска, выходящие за пределы – забраковать. Удалить все имеющиеся трещины. Очистить места дефектов от жировых загрязнений путем окунания в бензин БР-1 «Галоша». После очистки промыть детали в проточной воде. Далее они покрываются консервационной смазкой, упаковываются и доставляются на склад участка лазерной наплавки.
Таблица 2.1 – Маршрутная технология подготовки деталей к наплавке
Участок | Операция | Наименование, содержание | Оборудование, материалы |
Участок мех. обработки | Очистка лопатки от загрязнений | Вращающаяся проволочная щетка | |
Дефектовочный участок | Дефектация. Определение величины и мест износа | Маркер. Линейка, штангенциркуль ШЦ I-125-0,1 ГОСТ 166-89 | |
Слесарный участок | Разделка дефектов. Удаление трещин | Пневмошарошка, пневмошабер | |
Участок очистки | Обезжиривание мест дефектов | Бензин БР-1 «Галоша» | |
Участок очистки | Покрытие консервационной смазкой |
Технология наплавки.
Технологический раздел.
Заключение
Выполнение данного курсового проекта позволило закрепить теоретические знания, полученные при изучении дисциплины «Производство сварных конструкций»
В ходе выполнения данного курсового проекта был разработан технологический процесс наплавки изделия “Лопатка ТВД”. Для этого был проанализирован традиционный заводской технологический процесс и произведена замена существующего способа ручной дуговой наплавки на импульсную лазерную наплавку порошковой проволокой. Подобрано необходимое оборудование. Выполнен расчет режимов импульсной лазерной наплавки. Произведены необходимые расчеты для определения площади производственных помещений и разработана планировка цеха. Также выбраны необходимые способы контроля качества и методы исправления дефектов.
Основной раздел.
Назначение и характеристика изделия — лопатка турбины высокого давления. Конструктивно-технологический анализ.
Лопатка – это деталь лопаточных машин, предназначенная для изменения параметров жидкости или газа.
Направляющие и рабочие лопатки по своему служебному назначению являются основными деталями паровых и газовых турбин как лопаточных двигателей. В совокупности они образуют проточную часть турбины, в которой происходит преобразование тепловой энергии рабочей среды (пара, газа) в механическую работу вращающегося ротора. Совокупность направляющих и рабочих лопаток называют лопаточным аппаратом турбины.
Газовые турбины применяются во многих областях для приведения в действие генераторов или рабочих машин. При этом внутренняя энергия топлива используется для создания вращательного движения вала турбины. Для этого топливо сжигается в нескольких горелках, причем сжатый воздух подается воздушным компрессором. В результате сжигания топлива создается находящаяся под высоким давлением рабочая среда с высокой температурой. Эта рабочая среда направляется в последующий турбинный блок, где она расширяется, совершая работу.
Лопатки турбин работают в очень тяжелых условиях. Они подвергаются сильному воздействию центробежной силы, изгибающему и пульсирующему воздействию рабочей среды, вызывающему вибрации лопаток, в которых легко могут быть возбуждены резонансные колебания. Все это происходит в первых ступенях турбины при высоких температурах рабочей среды, воздействующей на лопатки как химически, так и механически; в последних ступенях имеет место разъедание (эрозия) входных кромок лопаток частицами воды, содержащейся во влажном паре.
Как правило, направляющая лопатка имеет также называемую хвостовиком лопатки полку, которая для фиксации соответствующей направляющей лопатки расположена на внутреннем корпусе турбины в виде стенового элемента и которая формирует внешнюю границу канала горячего газа для проходящей через турбину рабочей среды. Перо лопатки представляет собой лопасть переменного сечения, ограниченную поверхностями сложного очертания и точно ориентированную в пространстве по отношению к замку. Точность изготовления пера находится в пределах 0,05¸0,15 мм. Замковую часть, при помощи которой лопатки крепятся к дискам, изготовляют с точностью 0,01¾0,02 мм.
Для эффективного направления потока рабочей среды, в направлении примыкающего к ряду направляющих лопаток ряда рабочих лопаток принадлежащая ряду направляющих лопаток направляющая лопатка обычно имеет изогнутый, крыловидный профиль поперечного сечения, так что при удерживаемых максимально незначительными потерях на трение на соответствующей направляющей лопатке устанавливается предусмотренное направление потока и таким образом ряд направляющих лопаток или, соответственно, согласованная с ним ступень турбины имеет максимально высокий коэффициент полезного действия. Для этого передняя кромка направляющей лопатки имеет круглое поперечное сечение, которое сужается в остро сходящуюся заднюю кромку направляющей лопатки. Рабочая лопатка выполнена аналогично, причем, как правило, специфические параметры, как например, максимальная толщина профиля, радиус кривизны на передней кромке и тому подобное, согласованы с соответствующей целью применения, т.е. оптимизированы для особенно эффективной импульсной передачи рабочей среды на соответствующую рабочую лопатку.[17]
Рабочая лопатка турбины высокого давления расположена на листе №1 графической части работы.