Радиальные зазоры.

При проектировании газовых турбин рассматриваются различные режимы для обеспечения минимально необходимых зазоров между ротором и статором, которые гарантируют отсутствие задевания ротора за статор. Величины зазоров рассматриваются с учетом их изменения на различных режимах работы: в полете, стоянии и при резко отрицательных температура. Известно, что большие радиальные зазоры ведут к снижению КПД турбины, и увеличивается удельный расход топлива, что приводит к увеличению температуры газа перед турбиной. Величину исходного радиального зазора между концами рабочих лопаток и корпуса выбирают таким образом, чтобы зазор в горячем состоянии был предельно минимальным, после остановки двигателя и охлаждения не происходило задевания деталей ротора за корпусные детали. Из опыта эксплуатации известно, что изменение радиального зазора от 0,5 до 4 мм ведет к снижению КПД турбины до 7%. Радиальный зазор в холодном состоянии обычно составляет от 0,015 до 0,03 длины рабочей лопатки. При выборе этой величины исходят из того, что на наиболее опасном для задевания режиме работы двигателя зазор оставался минимально возможным с учет упругих и пластических деформаций деталей, образующих зазор в процессе эксплуатации, наличие зазоров в подшипнике, биение, отклонение формы допусков на изготовление и других факторов. Величина зазора изменяется в зависимости от теплового состояния, действия центробежных сил на диск и лопатку при вращении, т.к. при этом возникают упругие и пластические деформации лопаток и дисков. При незнании радиальных зазоров назначаются зазоры отдельно для первой и последней ступени. В зависимости от существующих величин температурных расширений, очень точная оценка радиального зазора очень затруднительна. Поэтому в реальных конструкциях минимальный зазор обеспечивается при помощи легко срабатываемых корпусных вставок, состоящих из однослойных или двухслойных керамических материалов. Металлокерамические вставки имеют внутренний слой, который обеспечивает прочность, состоящий из порошкового железа или никеля, и наружный мягкий слой, легко повреждаемый в случае касания лопатки о корпус. Сейчас уменьшение радиального зазора достигается при помощи сотовых вставок, представляющих собой гофрированную ленту, полученную путем высокой температурной пайки. Лента имеет толщину 0,1-0,2 мм. Тонкие вставки резко снижают утечки и повышают КПД турбины на 2%.

Основы проектирования элементов статора двигателя.

Статором называется его неподвижная часть, воспринимающая осевые нагрузки, возникающие в двигателе и не передающие реактивную тягу на корпус самолета. Статор двигателя состоит из: корпус компрессора, корпус КС, корпус турбины, промежуточного корпус, корпус ФК и РС. Корпус компрессора – важнейшая часть статора двигателя, является основным элементом силовой схемы двигателя. Внутри корпуса на подшипниках монтируется ротор двигателя, крепится НА и спрямляющие аппараты, снаружи на корпус устанавливается коробка агрегатов, узлы крепления двигателя к самолету, агрегаты, обеспечивающие работы двигателя, т.е. элементы регулирования автоматики, масляные и топливные насосы и другие узлы.

В стенках корпуса могут быть расположены каналы подвода и отвода к опорам, для подвода воздуха отбираемого для подогрева входного устройства и силы, действующие на корпус компрессора.

На корпус компрессора действуют силы:

1. Силы веса и инерции ротора.

2. Избыточное давление воздуха на внутреннюю поверхность.

3. Осевые силы лопаток НА.

4. Крутящие моменты, передаваемые лопатками НА.

5. Осевые силы и изгибающие моменты, которые передаются на корпус от сопротивляющихся элементов.

Корпус компрессора дожжен удовлетворять следующим требованиям:

1. Достаточную жесткость и прочность при малой массе.

2. удобство монтажа статорных лопаток.

3. Простота конструкции.

4. Герметичность

5. Удобство контроля состояния проточной части подшипника и шестерен.

6. Локализация возможных разрушений.

Последнее требование необходимо для обеспечения высокой надежности двигателя. Для этого необходимо обеспечить непробиваемость корпуса, поэтому конструкция корпуса должна обеспечить нейтрализацию удара, возникающего при обрыве лопатки. Для этого обычного над рабочими лопатками устанавливаются специальные кольца, которые выполнены из очень вязкого ударопоглащающего материала.

Составные части корпуса компрессора в зависимости от типа двигателя могут быть различны, например: если двигатель одноконтурный, то корпус компрессора может состоять из корпуса НА, переднего корпуса и заднего корпуса. передний корпус обычно состоит из наружного и внутреннего кольца, которые соединяются между собой радиальными связями. В качестве радиальных связей могут быть неподвижные лопатки НА или обтекаемые стойки. Радиальные связи воспринимают и передают усилия от передней опоры на корпус двигателя. В переднем корпусе размещаются подшипники передней опоры ротора компрессора, а внутри обтекаемых стоек можно разместить валики привода агрегатов, каналы подвода и отвода масла и теплого воздуха для обогрева воздухозаборника, который соединяется с передним корпусом.

Если в конструкции двигателя отсутствует ВНА, то переднюю опору целесообразно располагать за рабочим колесом первой ступени компрессора. Корпус ВНА вместе с ротором образует проточную часть и представляет собой тонкостенное тело вращения. В зависимости от назначения компрессора, конструктивная схема НА может быть разъемной или неразъемной.

Неразъемный корпус имеет равномерную жесткость, что позволяет обеспечить равномерный радиальный зазор. Такие корпуса более легкие и просты в изготовлении, чем разъемные. Однако сборка самого компрессора очень сложная.

Если корпус компрессора выполнен разъемным, то разъем может быть выполнен продольным или поперечным.

Вид разъема зависит от типа ротора компрессора и его размеров. Корпус компрессора с продольным разъемом позволяет выполнить сборку компрессора с окончательно собранным и сбалансированным ротором. В этом случае половина НА укладывается в первую половину корпуса, затем устанавливается ротор, который закрепляется второй частью корпуса с НА. Затем продольный разъем стягивается болтами. При больших диаметральных размерах компрессора для увеличения равномерной окружной жесткости необходимо выполнить ребра с большими степенями жесткости.

Корпус компрессора с увеличением давления выполняется из различных материалов, например: первую ступень необходимо изготовит из алюминиевых или магниевых сплавов, т.к. давление и температура незначительны, а корпус последней ступени изготовлять из титановых сплавов или жаропрочных сталей, т.к. воздух имеет значительную температуру и значительное давление на последних ступенях. В этом случае для соединения отдельных частей корпуса используется поперечный разъем. Это позволяет установить меньшую величину радиального зазора, чем в корпусе с продольным разъемом.

Корпус с поперечным разъемом, в зависимости от компоновки двигателя, может применяться в различных комбинациях корпусов. В процессе проектирования необходимо учитывать, что разъем облегчает монтаж компрессора, но увеличивает его массу, т.к. в этих случаях необходимо изготовлять дополнительные фланцы. Применение дополнительных фланцев вызывает необходимость фиксации и центровки частей корпуса и обеспечение герметичности соединения. Фиксация производится при помощи фрезонных болтов. При соединении фланцев необходимо обеспечить равномерность затяжки по окружности и необходимо избежать прогибов фланцев при затяжке, а для облегчения разборки рекомендуется применять специальные винты – съемники, которые позволяют легко разъединить стыки деталей корпуса.

Корпусы компрессора можно выполнить литые и сварные. Для получения равнопрочной конструкции стенки могут быть выполнены переменной толщины: 6-10 мм, т.к. давление по проточной части компрессора увеличивается и поэтому толщина стенки так же должна увеличиваться. При выборе толщины стенки необходимо учитывать линейные размеры сопрягаемых элементов. При этом нужно знать, что увеличение стенки при литье требует увеличения времени на охлаждение, а это приводит к ухудшением структуры металла, т.е. снижаются прочностные свойства корпусов. В случае сварных корпусов они изготовляются из листовой стали или титана. При проектировании корпуса необходимо предусмотреть специальные люки или отверстия на корпусе для обеспечения ремонтопригодности и контролепригодности двигателя. Отверстия должны закрепляться специальными пробками. Задний корпус компрессора предназначен для силовой связи между корпусом компрессора и горячей части двигателя.

Задний корпус состоит из наружных и внутренних колец, которые закреплены между собой радиальными связями. В качестве радиальных связей используются профилированные обтекаемые стойки и направляющие лопатки статора. На заднем корпусе компрессора одноконтурного двигателя обычно располагаются узлы крепления двигателя к самолету. Задний корпус является нагретым узлом двигателя и поэтому к нему предъявляются повышенные требования в отношении жесткости и прочности.