СПОСОБ ЗАМЕНЫ КОМПЛЕКТА РАБОЧИХ ЛОПАТОК СТУПЕНИ ТУРБИНЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 1997 года по МПК F01D5/02 

Изобретение относится к турбомашиностроению и может быть использовано в стационарных газотурбинных установках (ГТУ) и в авиационных газотурбинных двигателях (ГТД), в частности для увеличения их ресурса путем проведения в условиях эксплуатации плановых замен деталей и узлов, отработавших свой ресурс, в частности комплекта рабочих лопаток турбины.

В качестве прототипа выбран способ, описанный в авторском свидетельстве N 1185139, сущность которого состоит в обеспечении замен комплектов рабочих лопаток. По данному способу рабочее колесо балансируется с технологическими лопатками, а штатные лопатки расставляются по круговой диаграмме в зависимости от замеренных значений от статических моментов.

Недостатком этого способа является:
1. Возможность увеличения дисбаланса ротора после замены на нем лопаток. Остаточный дисбаланс небалансированного на станке лопаточного венца может в несколько и более раз превышать нормы, установленные на допустимые остаточные дисбалансы рабочего колеса и ротора.

2. Допуски на изготовление хвостовиков лопаток и лопаточных пазов диска таковы, что необходимо контролировать, как каждая лопатка подходит к своему пазу в диске.

Лопаточные пазы диска, кроме неточностей их изготовления, имеют неточности взаимного расположения, в том числе и в радиальных направлениях. Если установить в такие пазы лопатки равной высоты, то торцы их перьев будут по-разному выступать или утопать.

В прототипе не упоминается вопрос обеспечения равного удаления поверхностей торцов перьев лопаток, относительно оси вращения, что достигается обычно шлифованием торцов лопаток в составе рабочего колеса или ротора, причем лопатки, прошлифованные в составе одного рабочего колеса, могут выступать и утопать в составе другого рабочего колеса.

Итак, основной недостаток способа-прототипа это отсутствие гарантии монтажа резервных лопаток, т.к. подгоночные операции, связанные с обеспечением заданных требований по зазорам и натягам замковой части, а также по нижним и верхним полкам лопаток и их качке, исключают использование этого способа в условиях эксплуатации авиационных ГТД. Указанные недостатки прототипа исключены в предлагаемом способе.

Целью изобретения является существенное увеличение ресурса авиационного двигателя, за счет выполнения в условиях эксплуатации плановых замен рабочих лопаток турбин и других деталей, отработавших свой ресурс.

В настоящее время один и тот же тип авиационного ГТД может поставляться в эксплуатацию с различными ресурсами в зависимости от уровня его технического обслуживания, наличия резервных деталей и отработки технологии восстановительного ремонта при плановых его переработках в условиях эксплуатирующих организаций. Резервные детали и узлы входят в комплект поставки двигателя. Это условие позволяет выполнять на заводе-изготовителе подгоночные операции, необходимые для монтажа резервных деталей, в частности для монтажа резервного комплекта рабочих лопастей турбины.

Способ реализуется следующим образом. Изготавливают резервные комплексы лопаток одновременно с основными. В ходе сборки и балансировки рабочего колеса турбины до установки основного комплекта лопаток устанавливают в диск и подгоняют резервный комплект лопаток. Предварительно определяют статически моменты лопаток и распределяют их на диске по круговой диаграмме.

Как пример необходимости подгонки, отметим следующее: хвостовик лопатки может не войти в лопаточные пазы диска или войти в него с чрезмерными зазорами, в обоих случаях лопатка подлежит замене. Отметим и разный шаг лопаточных пазов диска в радиальном и окружном направлениях, что также приводит к подгонке лопаток при их монтаже на диск. Обычно подгонка включает обеспечение заданных зазоров или натягов в замковой части, по нижней и верхней полкам и по качке лопаток. При необходимости выполняется замена или перестановка лопаток.

После установки лопаток производят шлифование их торцов в составе рабочего колеса. Отличительной особенностью шлифования резервных лопаток является размер наружного диаметра, который уменьшен на величину вытяжки дисков, характерной для заданного ресурса. Отметим, что дальнейшая вытяжка диска практически отсутствует. Далее производят динамическую балансировку рабочего колеса, установкой балансировочных грузов Г₀₁ и Г₀₂ в плоскостях коррекции I и II. Затем демонтируют с рабочего колеса все резервные лопатки и грузы Г₀₁ и Г₀₂, маркируя лопатки номером лопаточного паза диска, и места установки балансировочных грузов на рабочем колесе. Дополнительно составляется таблица координат расположения резервных лопаток и грузов Г₀₁ и Г₀₂ на диске.

Данный двигатель вместе с основным комплектом лопаток и грузами Г₁ и Г₂ поступает в эксплуатацию и работает пока не будет исчерпан ресурс лопаток. При необходимости установки резервных лопаток выполняют частичную разборку двигателя в объеме, необходимом для демонтажа рабочих лопаток турбины и балансировочных грузов рабочего колеса. Демонтируют с рабочего колеса указанные лопатки и грузы; монтируют на рабочее колесо резервные лопатки и грузы Г₀₁ и Г₀₂ согласно маркировкам и таблице записей координат, после чего собирают двигатель.

Предложенное решение может быть усовершенствовано дополнением однотипной замены металлокерамических вставок, устанавливаемых в корпусе соплового аппарата турбины, с целью уменьшения радиального зазора между рабочей лопаткой и корпусом. Заметим, что в процессе эксплуатации ГТД геометрия вставок меняется; происходит износ ее рабочей поверхности, появляется эллипсность, наволакивание металла, коробление. В случае одновременной замены лопаток и вставок решается задача не только повышения ресурса, но и повышения экономичности двигателя.

Способ по своему существу не требует апробации, для его реализации необходима лишь отработка технологии частичной разборки и сборки двигателя в условиях эксплуатации, что неоднократно выполнялось.

Данное техническое решение предложено как вариант при поставке современной военной техники за рубеж.

Технико-экономические показатели предложенного способа определяются резким сокращением числа изготавливаемых ГТД, за счет увеличения их ресурса способом замены комплекта рабочих лопаток ступени турбины газотурбинного двигателя, состоящим в частичной разборке двигателя, демонтаже рабочих лопаток, отработавших ресурс, монтаже на диск лопаток резервного комплекта и сборке двигателя, причем в ходе изготовления рабочего колеса турбины, перед монтажом на диск основного комплекта лопаток, монтируют на диск резервный комплект лопаток, подгоняют лопатки по зазорам, натягам и качке, при необходимости переставляя и заменяя их, обрабатывают окончательно торцы перьев лопаток в составе рабочего колеса или ротора в размер, учитывающий вытяжку диска, динамически балансируют рабочее колесо, устраняя дисбалансы его постановкой грузов в 2 плоскостях коррекции, демонтируют с рабочего колеса все резервные лопатки, маркируя их номером соответствующего паза диска, демонтируют с рабочего колеса балансировочные грузы, маркируя места их установки на рабочем колесе, после чего продолжают изготовление рабочего колеса, далее в ходе плановой замены основного комплекта рабочих лопаток, демонтируют лопатки и балансировочные грузы и монтируют лопатки и балансировочные грузы резервного комплекта, размещая их на диске согласно маркировкам, а одновременно с заменой комплекта рабочих лопаток заменяют металлокерамические вставки соплового аппарата, обеспечивая минимальный зазор между рабочими лопатками и статором, кроме того, заменяют комплекты рабочих лопаток (вентилятора, компрессора, турбины) от нескольких до всех ступеней двигателя или любой турбомашины.

Использование: в турбомашиностроении, преимущественно в турбинах, а именно в авиационных газотурбинных двигателях. Сущность изобретения: выполнение подгоночных и балансировочных операций резервных лопаток в ходе изготовления данного двигателя на заводе-изготовителе, что существенно упрощает технологию замены лопаток в условиях эксплуатации. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ замены комплекта рабочих лопаток ступени турбины газотурбинного двигателя, состоящий в частичной разборке двигателя, демонтаже рабочих лопаток, отработавших ресурс, монтаже на диск лопаток резервного комплекта и сборке двигателя, отличающийся тем, что в ходе изготовления рабочего колеса турбины перед монтажом на диск основного комплекта лопаток монтируют на диск резервный комплект лопаток, подгоняют лопатки по зазорам, натягами и качке, при необходимости переставляя и заменяя их, обрабатывают окончательно торцы перьев лопаток в составе рабочего колеса или ротора в размер, учитывающий вытяжку диска, динамически балансируют рабочее колесо, устраняя дисбалансы его постановкой грузов в двух плоскостях коррекции, демонтируют с рабочего колеса все резервные лопатки, маркируя их номером соответствующего паза диска, демонтируют с рабочего колеса балансировочные грузы, маркируя места их установки на рабочем колесе, после чего продолжают изготовление рабочего колеса, далее в ходе плановой замены основного комплекта рабочих лопаток демонтируют лопатки и балансировочные грузы и монтируют лопатки и балансировочные грузы резервного комплекта, размещая их на диске согласно маркировкам. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что одновременно с заменой комплекта рабочих лопаток заменяют металлокерамические вставки соплового аппарата, обеспечивая минимальный зазор между рабочими лопатками и статором. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что заменяют комплекты рабочих лопаток (вентилятора, компрессора, турбины) от нескольких до всех ступеней двигателя или любой турбомашины.