В лопаточном аппарате формируется поток рабочего тела и происходит преобразование тепловой энергии рабочего тела в механическую работу.
Рабочие лопатки ГТУ и паровых турбин конструктивно состоят из трех основных частей: хвоста, рабочей части, головки. Каждая из них имеет множество разновидностей. Конструктивные элементы основных частей рабочих лопаток приведены на рис. 6.1.
Рис. 6.1. Конструктивные элементы рабочих лопаток паровых турбин и газотурбинных установок: а — рабочая часть и хвост (1 — внутренняя поверхность; 2 — выходная кромка; 3 — наружная поверхность; 4 — отверстие под скрепляющую проволоку; 5 — утолщение; 6 — входная кромка; 7 — наружный профиль сечения; 8 — внутренний профиль сечения; 9 — наружная галтель; 10 — внутренняя галтель; 11 — входная плоскость хвоста; 12 — полуотверстия для заклепки; 13 — наружная радиальная плоскость хвоста; 14 — внутренняя радиальная плоскость хвоста; 15 — пазы хвоста; 16 — торец хвоста; 17 — выходная плоскость хвоста; 18 — вершина пазов); б — головка с шипом (1 — торец головки; 2 — внутренняя поверхность шипа; 3 — наружная поверхность шипа; 4 — входная поверхность шипа); в — головка с утонением (1); г — переход с полки хвоста в рабочую часть (1 — внутренняя плоскость полки; 2 — наружная плоскость полки); д — перемычка двухъярусной лопатки (1 — нижний ярус; 2 — внутренняя нижняя галтель перемычки; 3 — внутренняя плоскость перемычки; 4 — выходная плоскость перемычки; 5 — внутренняя верхняя галтель перемычки; 6 — верхний ярус; 7 — наружная плоскость яруса; 8 — наружная верхняя галтель перемычки; 9 — наружная плоскость перемычки; 10 — входная плоскость перемычки; 11 — наружная плоскость нижнего яруса; 12 — наружная галтель нижней перемычки); е — разгрузочная полость хвоста (1); ж — бандажная полка (1 — внутренняя плоскость бандажной полки; 2 — входная плоскость бандажной полки; 3 — наружная плоскость бандажной полки; 4 — выходная плоскость бандажной полки).
Расстояние между наружным профилем одной турбинной лопатки и внутренним профилем соседней, определяющей межлопаточный канал, может быть создано утолщением хвостовой части либо, если утолщение в конструкции лопатки отсутствует, путем вставки отдельного промежуточного тела. По высоте каналы активных ступеней турбины ограничиваются бандажной лентой, прикрепляемой шипами к торцу головной части или поверхностями бандажных полок, являющимися конструктивными элементами самих лопаток.
Классификация лопаток с постоянным профилем рабочей части паровых и газовых турбин по группам, подгруппам и видам приведена на схеме 6.1, а классификация лопаток с переменным профилем рабочей части — на схеме 6.2. В основу классификации групп, подгрупп и видов положены конструктивные особенности элементов лопаток и их сочетания, которые предопределяют технологический процесс изготовления.
Все многообразие рабочих и направляющих лопаток и промежуточных тел паровых турбин и ГТУ разделено на две группы по форме сечений рабочей части и их взаимному расположению вдоль оси. По этому главному признаку различают: группу лопаток с постоянным профилем рабочей части и промежуточные тела; группу с переменным профилем рабочей части.
Одним из признаков, по которым лопатки классифицируются в подгруппы, служит наличие или отсутствие в конструкции элементов, которые нависают над профилями концов рабочей части. Нависающим элементом конструкции может быть хвост или полка, являющаяся неотъемной частью лопатки. По этому признаку лопатки подразделяются на открытые (рис. 6.2, а—г), полуоткрытые (рис. 6.2, д—л) и закрытые (рис. 6.2, з). Если элемент нависает с одного конца лопатки, например со стороны хвоста, а со стороны головки или в рабочей профильной части нависающих элементов нет, то такие лопатки включаются в подгруппу полуоткрытых. Закрытые лопатки имеют нависающие элементы с обоих концов рабочей части.
Рис. 6.2. Конструкции лопаток газотурбинных установок и паровых турбин.
В соответствии с классификатором группы лопаток с постоянным профилем рабочей части состоят из трех подгрупп открытых, четырех подгрупп полуоткрытых и одной группы закрытых лопаток. Группа лопаток с переменным профилем рабочей части составлена из одной открытой, шести полуоткрытых и одной закрытой подгрупп.
Отнесение конструкции лопатки паровой турбины к какой-либо группе основано на учете наличия или отсутствия того или иного конструктивного элемента, а также на учете особенностей конструктивных элементов и особенностях их взаимного расположения.
Открытые турбинной лопатки с постоянным профилем рабочей части отнесены к той или иной группе по признаку наличия или отсутствия хвоста. Лопатки без хвоста составляют группу направляющих лопаток. Полуоткрытые лопатки распределены по конкретный группам в зависимости от того, с одной или двух сторон относительно рабочей части размещен хвост, в зависимости от конструкции хвоста, его элементов и геометрической формы поверхностей хвоста.
Направляющие лопатки паровых турбин и газотурбинных установок чаще всего не имеют каналов, и только лопатки, составляющие виды 3 и 4 (схема 6.2), такие каналы имеют. В конструкции лопаток, составляющих виды 5, 6 и 7 (схема 6.1) введены дополнительные конструктивные элементы — отверстия и пазы под заливку.
Кроме приведенных в классификаторе сведений, хвостовые части некоторых из видов лопаток характеризуются дополнительными данными.
Хвосты лопаток газотурбинных установок и паровых турбин вида 1 подгруппы 2; видов 1 и 2 подгруппы 3; 0 и 1 подгруппы 8 (схема 6.1), а также вида 1 и 2 подгруппы 2 (схема 6.2) имеют Т-образную форму без заплечиков. Хвостам лопаток видов 3 и 4 подгруппы 3, вида 2 подгруппы 8 (схема 6.1) придана Т-образная форма с заплечиками. Т-образную форму с заплечиками профильного сечения имеют хвосты лопаток видов 4 и 7 подгруппы 5 (схема 6.1) и 5—8 подгруппы 2 (схема 6.2). Конструктивный элемент — односторонний паз — объединяет хвосты лопаток видов 5 и 6 подгруппы 2, а также видов 1 и 2 подгруппы 4 (схема 6.1). Односторонние пазовые хвосты прямо — и косоугольного поперечного сечения и профильных форм входят в виды 1 и 2 подгруппы 7 (схема 6.1), в вид 2 подгруппы 6 (схема 6.2). Пазовую двустороннюю форму имеют хвосты лопаток вида 8 подгруппы 2, вида 5 подгруппы 4 (схема 6.1) и вида 8 подгруппы 8 (схема 6.2). Двусторонние пазовые хвосты прямо — и косоугольного и профильного поперечного сечения имеют лопатки видов 3 и 4 подгруппы 7 (схема 6.1), а также видов 4, 5 и 7 подгруппы 6 (схема 6.2). Лопатки турбин с хвостами с внутренним Т-образным пазом входят в вид 5 подгруппы 7 и в вид 5 подгруппы 8 (схема 6.1), а также в виды 8 и 9 подгруппы 6 (схема 6.2). Хвосты зубчиковой формы входят в лопатки вида 3 подгруппы 2, видов 5—8 подгруппы 3 и вида 4 подгруппы 8 (схема 6.1). Лопатки с хвостами также зубчиковой формы с заплечиками входят в состав вида 8 подгруппы 4 (схема 6.1), с заплечиками прямо — и косоугольного, профильного поперечных сечений — в состав вида 5 подгруппы 5, а также видов 5—8 подгруппы 6 (схема 6.1). Лопатки паровых турбин и ГТУ с хвостами зубчиковой формы без заплечиков, имеющие прямо — и косоугольные профильные сечения, объединены в видах 1 и 2 подгруппы 5 (схема 6.1), в видах 2 и 3 подгруппы 4 (схема 6.2). Лопатки с вильчатыми хвостами составляют виды 1 подгруппы 6 (схема 6.1) и 3 подгруппы 8 (схема 6.2), а с вильчатыми двухъярусными хвостами — виды 1—4 подгруппы 3 (схема 6.2). Грибовидная форма определяет конструкцию хвостов лопаток видов 3 и 4 подгруппы 6, вида 3 подгруппы 8 (схема 6.1), а также видов 5—8 подгруппы 3, вида 4 подгруппы 8 (схема 6.2). Хвост елочный прямо- и косоугольного профильного сечений является конструктивным признаком лопаток видов 1—3 подгруппы 5 и видов 1 и 2 подгруппы 8 (схема 6.2). Лопатки газотурбинных установок с высаженным хвостом прямо — и косоугольных, а также профильных поперечных сечений входят в виды 1 и 2 подгруппы 7 (схема 6.2).
Изображенные на рис. 6.2, а—з конструкции представляют собой лопатки с постоянным профилем рабочей части. На рис. 6,2, ж—и показаны лопатки переменного профиля рабочей части.
Лопатки турбин и газотурбинных установок (рис. 6.2, а—в) не имеют хвостов. Одна из них (рис. 6.2, б) обладает отличительной особенностью — она пустотелая. Конструкция на рис. 6.2, в — двухъярусная, каждый ярус отделен друг от друга перемычкой.
Лопатка (рис. 6.2, г) снабжена хвостом, который не закрывает профильную часть. Конструкция хвоста (рис. 6.2, д) — односторонняя, а у лопаток, приведенных на рис. 6.2, е—л, — двусторонняя.
Приведенные на рисунке лопатки турбин по конструкции хвоста подразделяются:
— на Т-образный без заплечиков (рис. 6.2, г, б);
— грибовидный (рис. 6.2, в, з);
— пазовый двусторонний (рис. 6.2, ж);
— вильчатый (рис. 6.2, и);
— зубчиковый (рис. 6.2, к);
— елочный (рис. 6.2, л).
База хвоста рабочих лопаток газотурбинных установок и турбин — опорные поверхности профиля, сопрягаемые с такого же назначения поверхностями диска, могут быть либо плоскими, либо цилиндрическими.
Поверхности хвоста, являющиеся базами при сопряжении с такого же назначения поверхностями соседних лопаток или с промежуточными телами, различаются по форме сечений, а также, по расположению к другим поверхностям хвоста, а следовательно, и к поверхностям диска. Сечение хвоста лопатки, изображенной на рис. 6.2, г, повторяет сечение рабочей части. Наружная радиальная поверхность хвоста лопатки ГТУ и турбины (рис. 6.2, д) профильная, внутренняя радиальная поверхность хвоста повторяет внутренний профиль рабочей части. Наружные и внутренние радиальные поверхности хвостов лопаток (рис. 6.2, е—л) являются плоскостями. В сечении указанные плоскости образуют прямые линии, перпендикулярные к входной и выходной плоскостям хвоста (рис. 6.2, е—и), а у конструкций лопаток (рис. 6.2, к, л) — прямые наклонные линии к входной и выходной плоскостям хвоста.
Поверхность торца головки лопатки турбины с шипом, т. е. у конструкций по рис. 6.2, а—з, может быть плоской либо цилиндрической. Торец головки лопаток паровых турбин, не предназначенных для скрепления с бандажом и не имеющих собственного бандажа, может быть прямым, как показано на рис. 6.2, ж, а, или косым, как на рис. 6.2, и, к. При этом профиль в головной части может быть с утонением или без него. Некоторые из конструкций головных частей лопаток изображены на рис. 6.3.
Рис. 6.3. Конструкции головных частей лопаток газотурбинных установок и паровых турбин: а — прямоугольный шип; б — шип прямоугольный на косом срезе; в — шип прямоугольный двойной; г — шип профильный; д — шип профильный на косом срезе; е — шип профильный двойной.
Приведенные конструкции представителей не отображают всего многообразия лопаток и их элементов, и в определенной мере сведения о них будут дополнены при рассмотрении технических требований.