Лопасть

Лопасть

Лопатка (лопасть) — деталь лопаточных машин, предназначенная для изменения в них параметров газа или жидкости.

Особой разницы в конструктивных особенностях и способах применения между лопастями и лопатками нет, но в употреблении этих понятий чаще лопатками называют лопасти, у которых ширина не менее четверти их длины.

Машины или механизмы, оснащённые рабочими колёсами с установленными на них лопастями или лопатками, в зависимости от типа источника энергии для их перемещения в потоке жидкости или газа, могут быть нагнетательными (компрессоры, вентиляторы, воздуходувки, насосы) или приводными (турбины, ветрогенераторы, мельницы, гидро- и пневмоприводы).

В нагнетательных машинах лопасти или лопатки перемещают поток.

В приводных — поток жидкости или газа приводит в движение лопасти или лопатки.

Основные типы лопаток

Лопаточные машины, в качестве наиболее важного элемента содержат находящиеся на валу диски, оснащенные профилированными лопатками.

Диски, в зависимости от типа и назначения машины, могут вращаться с абсолютно разными скоростями, составляющими от единиц оборотов в минуту у ветрогенераторов и мельниц, до десятков и сотен тысяч оборотов в минуту у газотурбинных двигателей и турбонагнетателей.

Лопатки современных лопаточных машин, в зависимости от назначения, выполняемой данным устройством задачи и среды, в которой они работают, имеют самую различную конструкцию.

Эволюция этих конструкций прослеживается при сравнении лопаток средневековых мельниц — водяной и ветряной, с лопатками ветродвигателя и гидротурбины ГЭС.

На конструкцию лопаток влияют такие параметры, как плотность и вязкость среды, в которой они работают.

Жидкость гораздо плотнее газа, более вязкая и практически несжимаема.

Поэтому форма и размеры лопаток гидравлических и пневматических машин сильно отличается.

Из-за разности объёмов при одинаковом давлении, площадь поверхности лопаток пневматических машин может быть в несколько раз больше лопаток гидравлических.

Различают рабочие, спрямляющие и поворотные лопатки.

Кроме того, в компрессорах могут быть направляющие лопатки, а также входные направляющие лопатки, а в турбинах — сопловые лопатки и охлаждаемые.

Конструкция лопатки

Для каждой лопатки характерен собственный аэродинамический профиль.

Обычно он напоминает крыло летательного аппарата.

Самое существенное отличие лопатки от крыла состоит в том, что лопатки работают в потоке, параметры которого очень сильно изменяются по её длине.

Профильная часть лопатки

По конструкции профильной части лопатки подразделяются на лопатки постоянного и переменного сечений.

Лопатки постоянного сечения применяются для ступеней, в которых длина лопатки не более одной десятой среднего диаметра ступени.

В турбинах большой мощности это, как правило, лопатки первых ступеней высокого давления.

Высота этих лопаток невелика и составляет 20–100 мм.

Лопатки переменного сечения имеют переменный профиль на последующих ступенях, причём площадь поперечных сечений плавно уменьшается от корневого сечения к вершине.

У лопаток последних ступеней это соотношение может достигать 6–8.

Лопатки переменного сечения всегда имеют начальную закрутку, то есть углы, образованные прямой, соединяющей кромки сечения (хордой), с осью турбины, называемыми углами установки сечений.

Эти углы, из соображений аэродинамики, по высоте задаются различными, с плавным увеличением от корня к вершине.

Для относительно коротких лопаток углы закрутки профиля (разность между углами установки периферийного и корневого сечений) составляют 10–30, а для лопаток последних ступеней могут достигать 65–70.

Взаимное расположение сечений по высоте лопатки при образовании профиля и положение этого профиля относительно диска представляет собой установку лопатки на диске и должно удовлетворять требованиям аэродинамики, прочности и технологичности изготовления.

Лопатки в основном изготавливаются из предварительно отштампованных заготовок.

Также применяются методы изготовления лопаток точным литьём или точной штамповкой.

Современные тенденции повышения мощности турбин требуют увеличения длины лопаток последних ступеней.

Создание таких лопаток зависит от уровня научных достижений в области аэродинамики потока, статической и динамической прочности и наличия материалов с необходимыми свойствами.

Современные титановые сплавы позволяют изготовить лопатки длиной до 1500 мм.

Но в этом случае ограничением является прочность ротора, диаметр которого приходится повышать, но тогда необходимо уменьшать длину лопатки для сохранения соотношения из соображений аэродинамики, иначе увеличение длины лопатки неэффективно.

Поэтому существует ограничение длины лопатки, больше которой она не может эффективно работать.

Основные элементы лопатки

Гребешки лабиринтного уплотнения радиального зазора

Бандажная полка

Гребешки торцевого лабиринтного уплотнения

Отверстие для подвода охлаждающего воздуха во внутренние каналы охлаждаемой лопатки