Лопатки турбин являются сложными по конструкции оригинальными деталями. Число конструктивных разновидностей лопаток весьма велико. Конструкции лопаток можно классифицировать по различным признакам.
Турбинные лопатки подразделяют на направляющие, которые монтируются в статоре турбины, и рабочие, закрепляемые на её роторе. Последние являются наиболее сложными по конструкции и имеют наибольшее число разновидностей.
Конструкцию рабочих лопаток можно условно представить состоящей из трёх основных частей: хвоста, рабочей части, головки. Каждая из этих частей имеет большое количество конструктивных разновидностей. На рисунке представлена одна из разновидностей конструкций турбинных лопаток, приведены некоторые элементы конструкций данной и других лопаток, обозначения поверхностей конструктивных элементов.
![Конструкции рабочей лопатки и элементов конструкций лопаток Конструкции рабочей лопатки и элементов конструкций лопаток](https://chiefengineer.ru/wp-content/uploads/2015/09/konstrukciya-rabochei-lopatki.jpg)
Рабочие части направляющих и рабочих лопаток различают по ряду признаков: форме сечений и их взаимному расположению вдоль оси лопатки; нависанию (или его отсутствию) элементов над профилями рабочей части; способу построения поверхностей.
По форме сечений и их взаимному расположению вдоль оси рабочие части подразделяют на части с постоянным профилем и переменным.
Над концами рабочей части лопатки может нависать хвост, полка, оба этих элемента одновременно или нависа- ние может отсутствовать. По данному признаку рабочие части лопаток подразделяют на открытые, полуоткрытые и закрытые.
Если конструктивный элемент нависает с одного конца лопатки, например со стороны хвоста, а со стороны головки или в рабочей профильной части лопатки нависающие элементы отсутствуют, то подобные конструкции лопаток классифицируют как лопатки с полуоткрытым профилем рабочей части. Лопатки с закрытым профилем имеют нависающие элементы с обоих концов рабочей части. У такой лопатки над рабочей частью с одной стороны нависает хвост, а с другой — утолщение.
По способу построения поверхностей различают лопатки с аналитическими поверхностями рабочей части и со скульптурными поверхностями. Аналитические поверхности представляют собой сочетание линейных, цилиндрических и винтовых поверхностей. Эти поверхности достаточно просто формализуются математически. Определение скульптурной поверхности отражает технологический приём её формирования. Для этого используют шаблоны. Сечения рабочей части лопатки припасовывают к шаблонам, а между сечениями поверхность доводят на ощупь.
Турбинные лопатки в сборочной единице закрепляют различными способами. В зависимости от способа в конструкцию лопатки вводят соответствующие конструктивные элементы. По этому признаку лопатки подразделяют на имеющие хвостовую часть и не имеющие последней. К лопаткам с хвостовой частью относятся направляющие лопатки (рисунок 2). Концевые части таких лопаток могут быть ограничены торцовыми поверхностями (рисунок 2, а), поверхностями цилиндрической формы или сложной формы (рисунок 2, б).
![Примеры конструкций направляющих лопаток турбин Примеры конструкций направляющих лопаток турбин](https://chiefengineer.ru/wp-content/uploads/2015/09/konstrukciya-napravlyayuchih-lopatok-turbin.jpg)
Наибольшее распространение имеют рабочие лопатки, хвостовая часть которых ограничена профильными поверхностями следующих форм: Т-образной без заплечиков и с заплечиками, ёлочной, вильчатой, пазовой двусторонней. Лопатка с вильчатым хвостом показана на рисунке 1, а, с ёлочным — на рисунке 1, б, с пазовым двусторонним — на рисунке 1, в, с Т-образным без заплечиков — на рисунке 3, а, б, Т-образным с заплечиками — на рисунке З, в, с грибовидным — на рисунке З, г, с ёлочным — на рисунке З, е.
![Конструкции соединения хвостов лопаток с дисками рабочих колёс Конструкции соединения хвостов лопаток с дисками рабочих колёс](https://chiefengineer.ru/wp-content/uploads/2015/09/soedinenie-hvostov-lopatok.jpg)
Во многих конструкциях лопаток со стороны головной части расположен элемент их связи в пакет посредством прикрепляемого бандажа. Данный элемент может быть выполнен в форме шипа (рисунок, 1, г) или полки, совместно с полками ряда лопаток, образующих собственный бандаж. По форме, расположению и числу шипы подразделяют на прямоугольные в один ряд на прямом (в сечении) срезе (рисунок 1, г), прямоугольные в один ряд на косом срезе, прямоугольные двойные на прямом срезе, прямоугольные двойные на косом срезе, фасонные в один ряд на прямом или косом срезе, фасонные двойные на прямом или косом срезе. Имеются также лопатки, которые в головной части не скрепляются бандажом. Одна из таких конструкций лопаток показана на рисунке 1,а.
В этом случае лопатки выполняют с отверстиями 4 (рис. 1, а), которые служат для скрепления лопаток в пакет проволокой.
Надёжность, долговечность, ремонтопригодность и другие качественные показатели турбин во многом определяются их лопаточным аппаратом. Поэтому к конструкциям лопаток предъявляют чёткие технические требования в частности к материалам и их состоянию, точности размеров и геометрической формы лопаток.
Стандартами регламентированы следующие параметры лопаток турбин:
- размеры и формы профилей сечений рабочих частей;
- размеры, которые определяют расположение в радиальном, осевом и тангенциальных направлениях рабочей части лопатки относительно поверхностей хвоста, являющихся конструкторскими базами;
- посадочные размеры поверхностей сопряжений хвоста с диском, а также хвостов соседних лопаток;
- посадочные размеры шипов, а также отверстий под скрепляющую проволоку;
- размеры, определяющие отверстия от базовых поверхностей;
Регламентируются предельные отклонения размеров сечений рабочей части лопатки переменного профиля (рисунок 4, а), a именно: b — хорды; B — ширины; с — толщины; δВЫХ — толщины выходной кромки. Также регламентируются предельные отклонения профиля от его теоретического положения и прямолинейности.
Предельные отклонения параметров «b», «B» и «c» зависят от номинального размера хорды профиля, а параметра δВЫХ направляющих и от номинального размера толщины входной кромки.
У большинства конструкций рабочих лопаток размеры хорды профиля находятся в пределах от 20 до 300 мм, у направляющих лопаток от 30 до 350 мм. Размеры толщины выходной кромки направляющих и рабочих лопаток находятся в пределах от 0,5 до 1,3 мм. С учётом указанного диапазона размеров назначены возможные предельные отклонения на размеры «b», «B» и «с» и δВЫХ, а также от теоретического профиля и прямолинейности.
Предельные отклонения параметров профилей рабочей части лопатки с хордой, например, равной 20 мм, составляют:
b ±0,08; B ±0,08; c ±0,1; δВЫХ ± 0,3 мм.
Для средних по размеру хорд (100 — 150 мм) лопаток определяются:
b+0,45-0,20, B+0,45-0,20 , c+0,50-0,20, δ+0,20-0,10 от теоретического профиля +0,25-0,10, по прямолинейности 0,15 мм.
Для крупных лопаток (ширина хорды 200 — 300 мм) отклонения должны находится в следующих пределах:
b+0,70-0,20, B+0,70-0,20 , c+0,80-0,20, δ+0,30-0,10 от теоретического профиля +0,40-0,10, по прямолинейности 0,2 мм.
Допуски на параметры профилей рабочей части направляющих лопаток аналогичны рабочим лопаткам.
Лопатка является присоединяемой деталью к диску рабочего колеса турбины. Основные конструкторские базы сопряжения хвоста с диском относятся к профильным поверхностям хвоста, а вспомогательные конструкторские базы — к профильным поверхностям паза или гребня диска. Некоторые из поверхностей хвоста лопаток предусмотрены в конструкции в качестве измерительной базы Биз (рисунок 4, б) при измерении размеров, которые определяют рабочие части рабочих лопаток в осевом направлении. У полуоткрытых лопаток с шипами (поз. I, рисунок 4, б) отклонения размера L в диапазоне длин до 100 мм и от 100 мм и более 1200 мм должны находиться в пределах ±0,1 мм. Отклонения указанного размера полуоткрытых лопаток без шипов (поз. II, рисунок 4, б) зависят от величины размера L и назначаются в пределах от ±0,1 мм (при L до 100 мм) до ±0,6 (при L более 1200 мм). Предельные отклонения размеров в осевом направлении, которые определяют расположение рабочей части лопаток, зависят от длины рабочей части, расположения сечения, в котором осуществляется измерение, а также от направления завода лопатки при сборке с диском (радиальный завод — поз. I, рисунок 4, в, осевой завод — поз. II, рисунок 4,в).
![Размерные цепи, определяющие точность расположения рабочей части лопаток Размерные цепи, определяющие точность расположения рабочей части лопаток](https://chiefengineer.ru/wp-content/uploads/2015/09/razmernye-cepi-lopatok.jpg)
Размеры рабочих задают от выходной кромки до нормали к поверхности Биз и касательной к точке на входной (или выходной) плоскости хвоста. Размеры обозначены bхв — в первом от хвоста корневом сечении; bпол — в последнем полном контрольном сечении; bср — в среднем сечении, определяемом по линейному закону относительно bхв и bпол. Величины предельных отклонений приведены в таблице.
Предельные отклонения размеров, определяющих расположение рабочей части лопаток в осевом направлении
Диапазон длины рабочей части, мм | Предельные отклонения, мм | |||
лопаток с радиальным заводом | лопаток с осевым заводом | |||
bпол | bхв | bпол | bхв | |
До 100 (включительно) | ±0,1 | ±0,1 | ±0,2 | ±0,20 |
Свыше 100 до 300 | ±0,3 | ±0,2 | ±0,3 | |
Свыше 300 до 500 | ±0,4 | ±0,4 | ||
Свыше 500 до 700 | ±0,7 | ±0,3 | ±0,6 | |
Свыше 700 до 900 | ±1,2 | ±1,0 | ||
Свыше 900 до 1200 | ±2,0 | ±1,8 | ||
Свыше 1200 | ±2,8 | ±2,5 |
Конструкторской основной опорной базой рабочей лопатки радиального завода при её монтаже в сборочной единице служит радиально направленная поверхность хвоста, которая сопрягается с аналогичной поверхностью, имеющей тоже направление соседней лопатки, являющейся в данном случае конструкторской вспомогательной опорной базой. Поверхность хвоста присоединяемой лопатки берётся в качестве измерительной базы Биз (рисунок 4, г). Последняя используется при определении отклонений размеров, определяющих расположение рабочей части лопатки в тангенциальном направлении. Предельные отклонения от номинального значения угла у в плане между радиально ориентированной поверхностью хвоста лопатки и плоскостью Р-Р профилей сечений и определяют точность задания расположения профилей сечений.
При разработке конструкции рабочих лопаток величины предельных отклонений угла у назначают в зависимости от длины рабочей части лопатки и с учётом (для хвостовых сечений) угла выхода потока рабочего тела из канала лопаточного аппарата на следующую ступень давления. Для всех длин рабочей части (до 500 мм и более) и углом выхода потока до 20° допускаемые отклонения угла у хвостовых сечений ±5°, а для лопаток с углом выхода более 20° составляют ±0,12′.
Допускаемые отклонения угла у у головного сечения при любом значении угла выхода потока составляют ±12′, а в головных сечениях лопаток с длиной рабочей части более 500 мм, вне зависимости от угла выхода потока допускаемые отклонения угла должны находиться в пределах ±30′.
Допускаемые отклонения размеров поверхностей элементов, которые образуют ёлочные профили хвостовой части рабочей лопатки, показаны на рисунке 5.
![Графическое построение профилей ёлочного хвоста рабочей лопатки Графическое построение профилей ёлочного хвоста рабочей лопатки](https://chiefengineer.ru/wp-content/uploads/2015/09/graficheskoe-postroenie-profilei-lopatki.jpg)
Параметры шероховатости поверхностей рабочей части и переходных галтелей обычно задаются в пределах Ra = 1,25 — 0,63 мкм, в ряде случаев Ra = 0,63 — 0,32 мкм, а профильных поверхностей хвостов лопаток Ra = 1,25 — 0,63 мкм.