Лопатка - це робоча деталь ротора турбіни. Ступінь надійно фіксується під оптимальним кутом нахилу. Елементи працюють під колосальними навантаженнями, тому до них пред'являють найжорсткіші вимоги щодо якості, надійності і довговічності.
Застосування і види лопаткових механізмів
Лопаток механізми широко застосовуються в машинах різного призначення. Найбільш часто використовують їх в турбінах і компресорах. Турбіна - ротаційний двигун, що працює під дією значних відцентрових сил. Основний робочий орган машини - ротор, на якому по всьому діаметру закріплені лопатки. Всі елементи поміщені в загальний корпус спеціальної форми у вигляді нагнітає і подає патрубків або сопел. На лопатки подається робоче середовище (пар, газ або вода), приводячи в рух ротор. Таким чином, кінетична енергія рухомого потоку перетворюється в механічну енергію на валу.
Розрізняють два основних види турбінних лопаток:
- Робочі - знаходяться на обертають валах. Деталі передають механічну корисну потужність на приєднану робочу машину (часто це генератор). Тиск на робочих лопатках залишається постійним завдяки тому, що напрямні лопатки всю різницю ентальпій перетворять в енергію потоку.
- Напрямні - закріплені в корпусі турбіни. Дані елементи частково перетворюють енергію потоку, завдяки чому обертання коліс отримує тангенціальне зусилля. У турбіні різниця ентальпій повинна бути знижена. Це досягається шляхом зменшення числа ступенів. Якщо встановити занадто багато направляючих лопаток, то зрив потоку буде загрожувати прискореному потоку турбіни.
Методи виготовлення турбінних лопаток
Турбінні лопатки виготовляють методом лиття по виплавлюваних деталей з високоякісного металопрокату. Використовують смугу, квадрат, допускається застосування штампованих заготовок. Останній варіант кращий на великих виробництвах, так як коефіцієнт використання металу досить високий, а трудовитрати - мінімальні.
Лопаті турбін проходять обов'язкову термічну обробку. Поверхня покривається захисними складами проти розвитку корозійних процесів, а також спеціальними складами, що підвищують міцність механізму при роботі в умовах високої температури. Наприклад, нікелеві сплави практично не піддаються механічній обробці, тому методи штампування для виробництва лопаток не підходять.
Сучасні технології подарували можливість виробництва турбінних лопаток методом спрямованої кристалізації. Це дозволило отримати робочі елементи з такою структурою, яку практично неможливо зламати. Впроваджується метод виготовлення Монокристальна лопаті, тобто з одного кристала.
Етапи виробництва турбінних лопаток:
- Лиття або кування. Лиття дозволяє отримувати лопатки високої якості. Кування проводитися по спец замовленням.
- Механічна обробка. Як правило, для механічної обробки застосовуються токарно-фрезерні автоматизовані центри, наприклад, японський комплекс Mazak або ж на фрезерні обробні центри, такі як MIKRON швейцарського виробництва.
- Як фінішної обробки застосовують тільки шліфування.
Вимоги до лопаток турбін, вживані матеріали
Лопатки турбіни експлуатуються в умовах агресивного середовища. Особливо критична висока температура. Деталі працюють під напругою на розтягнення, тому виникають високі деформують зусилля, що розтягують лопатки. Згодом деталі стосуються корпусу турбіни, машина блокується. Все це обумовлює застосування матеріалів найвищої якості для виготовлення лопаток, здатні витримувати значні навантаження при моменті, що крутить, а також будь-які зусилля в умовах високого тиску і температури. Якістю лопаток турбіни оцінюється загальна ефективність агрегату. Нагадаємо, що висока температура необхідна для підвищення ККД машини, що працює за циклом Карно.
Лопатки турбіни - відповідальний механізм. Завдяки йому забезпечується надійність роботи агрегату. Виділимо основні навантаження під час роботи турбіни:
- Виникають великі окружні швидкості в умовах високої температури в паровому або газовому потоці, які розтягують лопатки;
- Формуються значні статичні і динамічні температурні напруги, не виключаючи і вібраційні навантаження;
- Температура в турбіні досягає 1000-1700 градусів.
Все це зумовлює застосування високоякісних жароміцних і нержавіючих сталей для виробництва лопаток турбін. Наприклад, можуть бути використані такі марки як 18Х11МФНБ-ш, 15Х11МФ-ш, а також різні сплави на основі нікелю (до 65%) ХН65КМВЮБ. Як легуючі елементів до складу такого сплаву додатково вводять такі компоненти: 6% алюмінію, 6-10% вольфраму, танталу, ренію і трохи рутенію.
Лопатковий механізм повинен мати певну теплостійкість. Для цього в турбіні роблять складні системи охолоджуючих каналів і вихідних отворів, які забезпечують створення повітряної плівки на поверхні робочої або направляючої лопатки. Розпечені гази не стосуються лопаті, тому відбувається мінімальний нагрів, але самі гази не остигають. Все це підвищує ККД машини. Охолоджуючі канали формуються за допомогою керамічних стрижнів. Для їх виробництва застосовують оксид алюмінію, температура плавлення якого досягає 2050 градусів.