Расскажи друзьям!

Рабочие колеса, применяемые в современных турбодетандерах.

В современных турбодетандерах обычно применяются закрытые и полуоткрытые рабочие колеса с односторонним выходом газа, расположенные на консоли вала. Конструкции данного вида колёс представлены на чертежах приложениия 1.

Основными компонентами закрытого рабочего колеса с односторонним выходом газа (см. Приложение 1) являются покрывные и лопаточные диски, соединяемые заклепками, причём число лопаток рабочих колес подобного типа обычно равно 17—21, а толщина лопатки делается на 1—1,5 мм больше диаметра заклепки и находится в пределах от 8 мм для больших колес до 2,5 мм для малых. Подобные рабочие колеса обладают большой механической прочностью, так как лопатки испытывают только растягивающие нагрузки; изготовленные из алюминиевого сплава АК6, они могут надежно работать при окружной скорости до 500 м/с.

Толщина лопаток у основания обычно равна 1-1,5 мм, а количество их на диаметре определяется минимальным диаметром фрезы.

Для изготовления лопаточного диска используются следующие способы:

  • фрезерование
  • штамповка
  • метод точного литья по выплавляемым моделям.

Следует при этом отметить, что обычно лопаточные диски выполняются фрезерованием. Это происходит потому, что количество выпускаемых однотипных рабочих колес сравнительно невелико.

Как уже было упомянуто выше, оба диска изготовляются из поковок алюминиевого сплава марки АК6. Заклепки, соединяющие диски рабочего колеса, изготовляются из алюминиевого сплава марки В65. С целью уменьшения осевых сил, действующих на рабочее колесо, на лопаточном диске делается разгрузочный бурт. Как правило, на нём располагаются лабиринтные уплотнения. Кольцевая полость между лабиринтами разгрузочного бурта и лабиринтами вала соединяется отверстиями с выходной воронкой колеса. Для уменьшения утечек газа лабиринтные уплотнения на ступице покрывного диска и на разгрузочном бурте могут выполняться ступенчатыми.

Гребни лабиринтных уплотнений изготовляются из латунной или никелевой фасонной ленты и зачеканиваются в пазы дисков рабочего колеса медной проволокой.

Окончательная механическая обработка рабочих колес и зачеканка лабиринтных гребней производятся после клепки.

Рабочие колеса с односторонним выходом газа, располагаемые на консоли вала, соединяются с валом на конической посадке с конусностью 1 : 10. Для передачи крутящего момента служат две призматические шпонки. Колесо крепится к валу болтом, головка которого образует внутренние стенки выходного канала воронки рабочего колеса. Применене конической посадки позволяет производить многократные разборку и сборку ротора без нарушения характера посадки.

Рабочие колеса малых турбодетандеров (диаметром d1 < 100 мм) выполняются большей частью в виде полуоткрытых колес радиально-осевого типа с углом установки лопаток на входе, равным 90° (См. Приложение 1).

Вообще, стоит отдельно сказать о том, что вращающееся рабочее колесо является очень ответственной частью турбодетандера, и, следовательно, должно обладать высокими аэродинамическими качествами и необходимой прочностью как в нормальных температурных условиях, так и в условиях низких температур. Отметим, что конструкция реактивного колеса с длинными лопатками в большой мере зависит от числа лопаток.

Первые конструкции колес делались с большим (порядка 80) числом лопаток, но с конструктивной и технологической точки зрения колеса с большим числом лопаток получаются сравнительно сложными ввиду того, что их приходится делать наборными, со вставными лопатками, изготовляемыми из тонких пластинок.

В свою очередь колеса с малым числом относительно толстых лопаток могут быть цельнофрезерованными, более прочными и легкими, что позволяет значительно увеличить допустимую окружную скорость, т. е. получить больший теплоперепад в одной ступени. По этой причине в последних конструкциях турбодетандеров применяются цельнофрезерованные колеса с небольшим числом лопаток. Со временем опыт показал, что колеса с 17-20 лопатками являются вполне удовлетворительными как с газодинамической, так и конструктивной точки зрения.

Если говорить о разработках наших соотечественников в этой области, то стоит отметить, что первые отечественные реактивные турбодетандеры, разработанные под руководством акад. П. Л. Капицы, имели рабочие колеса с двусторонним выходом газа. Подобное колесо состоит из стрелки, в прорези которой вставляются лопатки, изготовленные из листовой стали. В средней части лопаток имеются заплечики, входящие в кольцевые пазы покрывных дисков, а в верхней части - выступы, которые расклепываются в прорезях покрывных дисков. Для предотвращения смещения и вибрации лопаток заплечики вводятся в кольцо с прорезями. Число лопаток в колесах такой конструкции было значительным - 36 длинных и 36 коротких. Стрелка и покрывные диски были изготовлены из поковок нержавеющей стали, а лопатки из листового проката этой же стали. Так как эти колеса имеют значительный вес, располагаются в средней части ротора и удалены от опор, критическое число оборотов ротора обычно бывает ниже рабочего числа оборотов, т. е. вал получается “гибким”. Для предотвращения значительных колебаний и больших прогибов вала при переходе через критическое число оборотов одну опору снабжают демпфирующим устройством.

Окружные скорости рабочих колес реактивных турбодетандеров находятся в пределах 150-400 м/с, следовательно колеса должны обладать высокими газодинамическими качествами, достаточной механической прочностью при нормальных и низких температурах и малым весом.

В настоящее время в отечественных турбодетандерах нашли широкое применение радиально-осевые рабочие колеса закрытого типа, также в эксплуатации еще находятся турбодетандеры активного типа, колеса которых выполнены наборными или цельнофрезерованными с большим количеством коротких лопаток - до 125 шт (см. Приложение 2).

В заключение стоит отметить, что после окончательного изготовления рабочие колеса сравнительно больших диаметров (d100 мм) подвергаются статической балансировке в специальных качалках. Допустимая величина небаланса принимается такой, чтобы вызываемое ею смещение центра тяжести рабочего колеса с оси вращения не превышало 5 мкм.

Приложение 1

Закрытое рабочее колесо реактивного турбодетандера с односторонним выходом газа

1 - лопаточной диск; 2 - покрывной диск: 3 - заклепка; 4 - гребни лабиринтных уплотнении

Полуоткрытое рабочее колесо радиально-осевого типа.

Приложение 2

Закрытое рабочее колесо реактивного турбодетандера радиально-осевого типа

1 - лопаточный диск; 2 - крыльчатка; 3 - покрывной диск; 4 - заклепки; 5 - гребень лабиринтного уплотнения.

Рабочее колесо активного турбодетандера с наборными лопатками

1 - диск рабочего колеса; 2 - сопатка; 3 – проставка; 4 - ободок; 5 - замковое кольцо; 6 - клиновое кольцо.