Турбинные лопатки. Факторы, влияющие на надежность работы турбинных лопаток, охлаждение лопаток

Лопатка -это рабочая деталь ротора турбины. Ступень надежно фиксируется под оптимальным углом наклона. Элементы работают под колоссальными нагрузками, поэтому к ним предъявляют самые жесткие требования по качеству, надежности и долговечности.

Различают два основных вида турбинных лопаток:

1. Рабочие - находятся на вращающих валах. Детали передают механическую полезную мощность на присоединенную рабочую машину (часто это генератор). Давление на рабочих лопатках остается постоянным благодаря тому, что направляющие лопатки всю разность энтальпий преобразуют в энергию потока.
2. Направляющие - закреплены в корпусе турбины. Данные элементы частично преобразуют энергию потока, благодаря чему вращение колес получает тангенциальное усилие. В турбине разница энтальпий должна быть понижена. Это достигается путем уменьшения числа ступеней. Если установить слишком много направляющих лопаток, то срыв потока будет угрожать ускоренному потоку турбины.

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.

Лопаточный аппарат является самой дорогой и наиболее ответственной частью турбины. Экономичность турбины — ее к. п. д.—в первую очередь зависит от качества выполнения лопаточного аппарата. Трудоемкость изготовления лопаток современной мощной паровой турбины достигает 42—45% от общей трудоемкости изготовления всех ее деталей.
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.

Сопловой аппарат первой ступени омывается газом, температура которого с учетом неравномерности после камеры сгорания может на 100 -120 °С превышать среднемассовую перед турбиной. Поэтому в высокотемпературных газовых турбинах его охлаждают весьма интенсивно.

Лопатки турбины эксплуатируются в условиях агрессивной среды. Особо критична высокая температура. Детали работают под напряжением на растяжение, поэтому возникают высокие деформирующие усилия, растягивающие лопатки. Со временем детали касаются корпуса турбины, машина блокируется.

Наиболее частыми причинами аварий рабочих лопаток являются:

1. усталость материала, вызванная вибрацией, приводящая к зарождению трещин усталости, их росту и последующему хрупкому разрушению;
2. коррозионная усталость – усталость в коррозионно–активных средах, характерная для зон фазо­вого перехода, где действуют механизмы концентрирования растворов высокой агрессивности;
3. капельная эрозия, приводящая к износу рабо­чих лопаток, появлению концентрации напряжений и снижению их конструкционной прочности;
4. абразивный износ рабочих и сопловых лопа­ток первых ступеней цилиндров, в которые поступает пар из котла;
5. отрыв рабочих лопаток, вызванный чрезмер­ными центробежными силами;
6. излом рабочих лопаток, вызванный чрезмер­ными изгибающими напряжениями в них;
7. разрушения хвостовиков и связей (бандажей и проволок).

Турбинные лопатки, в частности, турбинные лопатки для газовых турбин, подвергаются во время работы воздействию высоких температур, которые могут приводить к превышению предела напряжения материала. Это относится, в частности, к зонам вблизи передней кромки турбинной лопатки. Для обеспечения возможности использования турбинных лопаток даже при высоких температурах, уже давно известно подходящее охлаждение турбинных лопаток, так что они имеют высокую стойкость к высоким температурам, при этом важность охлаждения лопатки постоянно повышается, в частности, в случае газовых турбин, вследствие повышающихся входных температур газовой турбины. С помощью турбинных лопаток, которые имеют более высокую стойкость к температуре, можно достигать, в частности, более высокую энергетическую эффективность.

Известными типами охлаждения являются, среди прочего, конвективное охлаждение, принудительное охлаждение и пленочное охлаждение. Конвективное охлаждение является, возможно, наиболее распространенным типом охлаждения лопаток. При этом типе охлаждения охлаждающий воздух направляется через проходы внутри лопатки, и конвективный эффект используется для рассеивания тепла. В случае принудительного охлаждения поток охлаждающего воздуха изнутри ударяется в поверхность лопатки. Таким образом, обеспечивается возможность очень эффективного охлаждения в точке соударения, которое, однако, ограничено лишь узкой зоной точки соударения и непосредственного окружения. Поэтому этот тип охлаждения в большинстве случаев используется для охлаждения передней кромки турбинной лопатки, которая подвергается местным высоким температурным напряжениям. В случае пленочного охлаждения охлаждающий воздух направляется изнутри турбинной лопатки наружу через отверстия в турбинной лопатке. Этот охлаждающий воздух протекает вокруг турбинной лопатки и образует изолирующий слой между горячим технологическим газом и поверхностью лопатки. Указанные типы охлаждения, в зависимости от случая применения, можно подходящим образом комбинировать с целью обеспечения возможно более эффективного охлаждения лопатки.

Принудительно охлаждаемая передняя кромка турбинной лопатки известна, например, из US 6238182. Турбинная лопатка содержит литой аэродинамический профиль лопатки с относительно толстой стенкой профиля, в которую вставлена тонкостенная вставка принудительного охлаждения. Вставка принудительного охлаждения опирается через множество ребер, которые в данном случае сужаются в точку, на ребра, которые лежат противоположно им и которые в свою очередь предусмотрены на внутренних сторонах стенки профиля. Пары ребер, образованные таким образом, спаяны вместе, так что они образуют камеры.

Для реализации конвективного охлаждения в случае известных в настоящее время конструкций турбинных лопаток, лопатку, включающую оболочку, например, в виде рубашки лопатки, и охлаждающие проходы, отливают. Дополнительные покрытия обеспечиваются с помощью способов покрытия. В этом случае изготовление охлаждающих проходов, которые формируются в известных турбинных лопатках с помощью способа отливки, занимает особенно много времени и является дорогостоящим.

Дополнительно к турбинной лопатке, которая изготавливается способом литья, известна также из US 2906495 сборка охлаждаемых чисто конвективным способом турбинных лопаток из опорной структуры и оболочки. В этом случае опорная структура формируется в гофрированном виде. Впадины и пики гофрировки припаивают к стороне всасывания или к стороне давления аэродинамического профиля лопатки, который образован оболочкой, в результате чего множество охлаждающих проходов проходят линейно вдоль аэродинамического профиля лопатки.