Энергетическое взаимодействие в турбомашинах осуществляется с помощью специально профилированных элементов называемых лопатками. Они являются главными элементами лопаточной машины. В общем случае лопатка может состоять из трех основных частей (рисунок 1.4): пера, замка, бандажной полки.
Рисунок 1.4 - Типовой вид рабочих лопаток осевых турбины (а) и компрессора (б)
Перо лопатки является той самой специально спрофилированной аэродинамической поверхностью, с помощью которой лопаточная машина осуществляет энергообмен. Оно является обязательным элементом лопатки турбомашины. Другие элементы могут присутствовать или отсутствовать в зависимости от типа, назначения или размерности лопаточной машины, но перо будет иметься всегда.
Перо любой лопатки имеет две боковых стороны. Выпуклая сторона называется спинкой, а вогнутая корытцем(рисунок 1.5). В ряде источников называются стороной разряжения и стороной давления соответственно. Кромка лопатки, расположенная первой по потоку называется входной, а кромка, расположенная последней по течению – выходной.
| а) | б) |
| в) |
Рисунок 1.5 – Основные элементы пера лопатки на примере осевых турбины (а) и компрессора (б) и центробежного компрессора (в)
Замок предназначен для крепления и фиксации пера лопатки в диске ротора или статоре. В осевых компрессорах ГТД и ГТУ наибольшее распространение получили замки типа «ласточкин хвост» с продольным и поперечным расположением пазов. В первом случае паз, в который вставляется лопатка, направлен вдоль оси вращения ротора под небольшим углом (рисунок 1.6 а). Во втором случае паз нарезан по окружности диска (рисунок 1.6 б). Иногда на первых ступенях компрессора и в особенности вентиляторных ступеней ГТД прочность замка «ласточкин хвост» недостаточна для удержания лопаток. В этом случае применяется замок «елочного» типа (рисунок 1.7). Число ярусов «елочки» здесь обычно 2…...3. Аналогичные замки применяются в осевых турбинах авиационного или энергетического назначения. Число зубьев «елки» может достигать 5 штук.
Рисунок 1.6 – Замок типа «ласточкин хвост» с продольными (а) и поперечными (б) пазами
Рисунок 1.7 - Сравнение замков елочного типа и «ласточкин хвост»
Для снижения вибрационных нагрузок в ступенях осевого компрессора могут применяться замки шарнирного типа (рисунок 1.8).
Рисунок 1.8 – Замок шарнирного типа
Замок не является обязательным элементом лопатки. В радиальных лопаточных машинах из-за сложной конфигурации диска замки не применяются и лопатки выполняются как единое целое с РК (рисунок 1.9). Лопатки осевых турбомашин также могут изготавливаться как единое целое с диском для сокращения массы. Рабочее колесо лопаточной машины, изготовленное таким образом, получило название колеса типа «blisk». Такие рабочие колеса могут быть изготовлены методами порошковой металлургии, литьем по выплавляемым моделям, сваркой трением или выточены из единой заготовки (рисунок 1.10).
| а) | б) |
| Рисунок 1.9 - Рабочие колеса центробежного компрессора (а) и радиально осевой турбины (б) лопатки которых выполнены как единое целое с диском | |
| Рисунок 1.10 – Изготовление рабочего колеса осевого компрессора по технологии «blisk» |
Бандажная полка также не является обязательным элементом. Она устанавливается обычно в верхней части лопаток и выполняет две основные функции. Во-первых, при соприкосновении с бандажными полками соседних лопаток образуется жесткое кольцо, которое существенно повышает жесткость рабочего колеса и частоту его собственных колебаний. Таким образом полка выполняет антивибрационную функцию. Чисто антивибрационные полки, устанавливаемые в верхней трети лопатки, характерны для компрессоров (рисунок 1.4б). Во-вторых, установка бандажной полки на верхнем торце лопатки позволяет уменьшить перетекания в радиальном зазоре, что позволяет повысить КПД ступени на 1…...2% (рисунок 1.4а). Бандажные полки в настоящее время являются практически обязательным элементом лопаток осевых турбин ГТД за исключением первых высоконагруженных ступеней (рисунок 1.11), где их применение ограничено по критериям прочности. Иногда рабочие колеса с бандажом применяются в радиальных турбомашинах (т.н. закрытые колеса) (рисунок 1.12).
Совокупность лопаток, установленных на ободе диска или в кольцевом корпусе называется лопаточным венцом (ЛВ) (рисунок 1.13).
Венцы могут быть подвижными и неподвижными. Лопатки, установленные в диске, который связан с приводным валом, образуют подвижный лопаточный венец и называются рабочим колесом (РК). Неподвижные лопатки, установленные в корпусе образуют в компрессоре направляющий аппарат (НА), а в турбине сопловой аппарат (СА).
| Рисунок 1.11 - Рабочая лопатка осевой турбины с бандажной полкой (слева) и без нее (справа) | Рисунок 1.12 - Закрытое рабочее колесо центробежного компрессора |
Рисунок 1.13 - Венец лопаточной машины