РАЗДЕЛ 2
МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.5 Рабочие лопатки современных авиационных ГТД и некоторые особенности их эксплуатации
В связи с ростом параметров современных двигателей (степени повышения давления, оборотов вращения роторов и температуры газа) постоянно возрастает и напряженность рабочих лопаток турбины. Обеспечение эффективности современного газотурбинного двигателя, как отмечалось в разделе 1, осуществляется в основном за счет повышения максимальной температуры газа перед турбиной. Достигнутое ее увеличение до 1640-1720 К, при существенном продлении жизненного цикла авиационных ГТД, обусловлено созданием более высокотемпературных и нагруженных охлаждаемых и неохлаждаемых рабочих лопаток турбин, обладающих требуемым ресурсом и высокой надежностью.
Принципиальная схема обеспечения статической и динамической прочности рабочей лопатки турбины на стадии проектирования авиационного ГТД показана на рис. 2.1. Она обеспечивает возможность создания рабочих лопаток турбин, способных эксплуатироваться в условиях высоких температур и комплексном воздействии статических, динамических и термических нагрузок с учетом многочисленных конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов, что является условием разработки двигателей нового поколения. Жесткие требования, предъявляемые к рабочим лопаткам турбины, объясняются тем, что разрушение рабочих лопаток в эксплуатации, как правило, вызывает значительные повреждения, которые зачастую приводят к остановке двигателя в полете и последующему его дорогостоящему ремонту.
Рассмотрим некоторые особенности конструирования рабочих лопаток турбин современных авиационных ГТД, создание которых зависит от решения огромного количества конструкторских, материаловедческих и технологических задач.
Применяемые при создании рабочих лопаток конструктивные решения во многом определяются необходимым уровнем прочностных характеристик материалов и технологическими возможностями серийного производства. Учитывая широкое применение для изготовления лопаток турбин монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов, характеризующихся кристаллографической анизотропией, актуальной задачей, как отмечалось, является учет обусловленной этим обстоятельством существенной анизотропии характеристик упругости, пластичности, кратковременной и длительной прочности, ползучести, усталости и трещиностойкости.
Рис. 2.1. Принципиальная схема обеспечения статической и динамической прочности рабочих лопаток турбины на стадии проектирования авиационного ГТД
Современная охлаждаемая лопатка турбины с высокоэффективной системой охлаждения - это лопатка с особо сложной конструкцией, большим количеством внутренних каналов и развитой системой интенсификаторов охлаждения, отверстий перетекания, щелей и перфорации. Для охлаждаемых рабочих лопаток турбин высокого давления, которые представлены на рис. 2.2, характерно как отсутствие бандажной связи, так и ее наличие, что требует интенсивного охлаждения бандажной полки с учетом всех вытекающих отсюда последствий [130]. Возникающие при их создании проблемы обусловлены как совершенствованием техники охлаждения лопаток [132], так и использованием новых материалов и технологий изготовления.
Рис. 2.2. Примеры современных охлаждаемых рабочих лопаток турбины авиационных ГТД
Неизбежным следствием охлаждения лопаток является неравномерное распределение температуры и высокий уровень температурных напряжений, который в 2-3 раза превышает уровень напряжений, возникающих от действия центробежных и газовых нагрузок. Поэтому в процессе проектирования лопатки очень важно снизить уровень действующих температурных напряжений. Это возможно не только за счет повышения эффективности охлаждения, но и путем выбора определенной ориентации монокристалла, когда относительно высокие прочностные характеристики будут обеспечены при пониженном модуле упругости, поскольку температурные напряжения пропорциональны его величине.
Неохлаждаемые рабочие лопатки, которые показаны на рис. 2.3, как правило, применяются в турбинах низкого давления и вентилятора, а также свободных турбинах. Они выполняются с первоначальной закруткой периферийного сечения относительно корневого на угол, достигающий 30-500. Наличие такой естественной закрутки у лопаток существенно влияет на их напряженное состояние.
абв гРис. 2.3. Примеры современных неохлаждаемых рабочих лопаток турбины авиационных ГТД
Для неохлаждаемых лопаток (см. рис. 2.3) характерно применение бандажных полок с целью повышения КПД и снижения их вибронапряженности. Эффективность бандажирования достигается при гарантированном прижатии контактирующих поверхностей полок за счет предварительного монтажного натяга. Таким образом, неизбежным фактором, учитываемым при проектировании лопаток, является возникновение при взаимодействии бандажных полок контактных напряжений.
На рабочих лопатках, перо которых исходно сильно закручено и значительно раскручивается в поле центробежных сил, применяются Z-образные бандажные полки (рис. 2.3, в,г). Однако внедрение таких полок приводит к повышению статических напряжений от массивной бандажной полки и закручивания пера лопатки. В тоже время, для таких полок характерны высокие контактные напряжения смятия в месте контакта полок, а также наличие концентраторов напряжений в радиусах "зигов". Поэтому в последнее время все чаще применяются так называемые "беззиговые" бандажные полки (рис. 2.3, а,б). Такие лопатки проще в изготовлении, а контактные напряжения имеют более низкие значения за счет большей поверхности контакта и отсутствия концентрации напряжений в местах контакта полок. Масса таких полок несколько меньше, чем Z-образных, а уровень статических напряжений при создании предварительного монтажного натяга ниже.
Если для охлаждаемых лопаток характерны большие перепады температур по сечению лопатки, а напряжения кручения в пере лопатки невелики из-за большой жесткости пера, то для неохлаждаемых лопаток наоборот