Роторы газовых турбин и компрессоров газотурбинных установок

Устройство роторов ГТУ

Роторы газовых турбин и компрессоров работают в сложных условиях: температура воздуха перед компрессором в зимнее время может снижаться до -50° С, а температура газа перед турбиной быть более 1000°С. При слишком низких температурах металлы становятся хрупкими и проявляется такое их свойство, как хладноломкость, а при высоких температурах в результате большой пластичности - ползучесть.

В газотурбинных установках используют цельнокованые, сварные и сборные роторы.

Роторы турбины и компрессора ГТУ могут выполняться как самостоятельные элементы или собираться в единый ротор. Цельнокованые роторы турбины и компрессора показаны на рис.1,а-г.

Ротор, показанный на рис.1,а, состоит из роторов турбины и компрессора, изготовленных из одной поковки. В настоящее время такие роторы в мощных ГТУ не применяют. Основной их недостаток состоит в том, что роторы турбины и компрессоры приходится изготавливать из одного металла.

Рис.1. Цельнокованые роторы
а — из одной поковки (турбины и компрессора),
б,в — барабанного и дискового типов (компрессора),
г — турбины; 1,6 — шейки ротора, 2,5 — концевые уплотнения,
3 — пазы (места установки лопаток компрессора),
4 — диски турбины. 7 — центральное сверление,
8 — фланец, 9 — расточка, 10 — диски с лопатками компрессора;
I,II — компрессорная и турбинная части

Это невыгодно, так как ротор турбины работает при высокой температуре и для него требуется металл высокого качества, а ротор компрессора может быть изготовлен из более дешевого металла. Однако на примере этого ротора удобно рассмотреть назначение основных его элементов. Ротор можно разделить на две части: компрессорную I и турбинную II. На концах ротора выполняются шейки 1 и 6, которыми он опирается на подшипники. За шейками располагаются места установки концевых уплотнений 2 и 5. В компрессорной части ротора протачиваются специальные пазы 3, в которых крепятся рабочие лопатки компрессора, а в турбинной — диски 4, на цилиндрической части которых также выполняются пазы, необходимые для крепления рабочих лопаток турбины.

Вдоль оси ротора для контроля качества металла протачивается центральное отверстие 7. Через него обнаруживают язвы, трещины, пустоты, которые могут возникнуть при ковке заготовки ротора.

Цельнокованые роторы барабанного типа (рис.1,б) применяют в компрессорах. Так как внутри ротора выполнена большая полость (расточка) 9, он получается относительно легким и жестким. На правом конце такого ротора имеется фланец 8, к которому может крепиться концевик с шейкой под подшипник и концевыми уплотнениями или ротор газовой турбины.

Цельнокованые роторы дискового типа (рис.1,в) чаще всего используются в компрессорах. Рабочие лопатки компрессора располагаются в пазах, выполненных на цилиндрической части дисков 10. Если число ступеней в газовых турбинах невелико, в них также применяют цельнокованые роторы. На рис.1,г показан цельнокованый ротор двухступенчатой газовой турбины, который фланцем 8 крепится к ротору компрессора.

Рис.2. Сварной ротор компрессора
1 - шейка, 2 - концевик,
3 - концевые уплотнения, 4 - места установки лопаток,
5 - фланец, 6 - диски

Роторы компрессоров изготавливают также сварными (рис.2). Такие роторы состоят из нескольких сваренных, друг с другом дисков 6. К первому (левому) диску приварен концевик 2 с концевыми уплотнениями 3 и шейкой 1, последний (правый) диск имеет выступ, который заканчивается фланцем 5. Сварные роторы обладают большой прочностью и жесткостью.

В газотурбинных установках часто используются сборные роторы турбин и компрессоров: с насадными дисками, а также из сплошных дисков и из дисков с центральными отверстиями, скрепляемых стяжками.

Рис.3. Ротор компрессора с насадными дисками
1 - диски, 2 - вал, 3 - концевые уплотнения, 4 - шейка

Роторы с насадными дисками (рис.3) в основном применяют в компрессорах. Диски 1 насаживают на вал 2 с натягом, для чего их предварительно нагревают, чтобы диаметр внутренней расточки увеличился. После остывания диски плотно охватывают вал. Роторы такой конструкции можно использовать при относительно небольших температурах.

Рис.4. Сборные роторы
1,7 - концевики, 2,6 - гайки, 3 - диски, 4 - стяжки, 5 - пояски,
8 - зубчнковые (хиртовые) соединения, 9 - ступица, 10 - отверстия в диске

Роторы турбины и компрессора, состоящие из отдельных дисков и концевиков без центрального отверстия, показаны на рис.4,а,б. Диски имеют отверстия 10, расположенные вдали от оси вращения ротора. Через эти отверстия пропущены стяжки 4. С помощью гаек 2 и 6, которые навинчиваются на стяжки, диски и концевики плотно прижимаются друг к другу. Центровка дисков и концевиков обеспечивается окружными поясками 5 (рис.4,а) или специальным зубчиковым (хиртовым) соединением 8 (Рис.4,б).

Применяются также роторы с одной центральной стяжкой 4 (рис.4,в), которая должна быть большого диаметра, чтобы обес¬печивать необходимое усилие натяга гайками. При этом в дисках приходится выполнять центральное отверстие, что снижает их механическую прочность. Чтобы избежать уменьшения прочности дисков, в центральной части их утолщают.— создают ступицу 9.

Рис.5. ротор турбины, собиранный из сплошных дисков

Применяют также другие конструкции сборных роторов. Так, ротор турбины (рис.5) собирают из сплошных дисков 4, соединенных штифтами 2, пропущенными через специальные уголки 3, выточенные заодно с дисками. На рис.6 показан ротор турбины, собранный из дисков 4, соединенных призонными болтами 2, пропущенными через буртики 3 на ступицах соседних дисков.

Рис.6. ротор турбины, соединенный призонными болтами

Все конструкции роторов, приведенные на рис. 1-6, изображены без рабочих лопаток.

Рис.7. Рабочая лопатка турбины
1 - зубцы, 2 - хвостовик, 3 - перо, 4 - полка

Рабочие лопатки (рис.7) крепятся на периферии дисков или цилиндрической поверхности ротора и состоят из пера 3 и хвостовика 2. Между соседними лопатками образуются каналы для прохода газа. Хвостовик необходим для крепления лопатки в диске. Полки 4 образуют дно каналов, ограниченных перьями соседних лопаток.

Рис.7. Хвостовик рабочей лопатки
1 - зубцы, 2 - тело, 3 - перо лопатки, 4 - полка, 5 - выступы диска, 6 - диск, 7 - паз диска

Хвостовик лопатки, образующий зубчиковое соединение с диском, показан на рис.7. Зубцы 1 представляют собой опоры, на которые распределяется нагрузка от сил, возникающих при вращениях и стремящихся вырвать рабочую лопатку из диска 6. Зубцы опираются на выступы 5 диска.

Рабочие лопатки располагаются по всей окружности периферии диска в пазах 7 на точно заданных друг от друга расстояниях (шагах). Если пазы 7 параллельны оси вращения ротора, такое расположение хвостовика называют осевой заводкой. Этот тип хвостовиков широко применяется для крепления рабочих лопаток газовых турбин. В роторах компрессоров чаще применяют косую заводку, при которой пазы расположены под углом к оси вращения ротора.

Рабочие лопатки устанавливают на роторе («облопачивают ротор») до установки его в турбину.

Кроме того, до установки в турбину обязательно проводят статическую и динамическую балансировку как необлопаченного, так и облопаченного ротора.

При статической неуравновешенности центр тяжести ротора не совпадает с осью вращения, а при динамической совпадает, так как одинаковые небалансы расположены в разных плоскостях вдоль оси ротора.

Статическую неуравновешенность можно обнаружить в поле сил тяжести. Если установить ротор на специальные опоры, он займет такое положение, при котором его центр тяжести окажется внизу.

Динамическую неуравновешенность нельзя обнаружить, если ротор не вращается. В этом случае центр тяжести совпадает с осью вращения ротора, который в поле сил тяжести будет неподвижен. Однако если начать вращать ротор, то появятся силы, развиваемые не-балансами, которые создадут момент на плече. Под действием пары сил ротор начнет вибрировать.

При балансировке добиваются, чтобы небаланс укладывался в установленные нормы. Балансировку проводят с помощью специальных приспособлений и станков.