3.3. Роторы осевых компрессоров
Ротор является основным рабочим элементом компрессора, в которых входят все его вращающиеся детали. Основными деталями ротора являются барабан или диск, на которые установлены рабочие лопатки, цапфы или вал, для установки в опорах и передачи крутящего момента от турбины, детали, обеспечивающие изгибную и крутильную жесткость и устойчивость ротора и детали уплотнений для герметизации воздушных и масляных полостей. При вращении ротора рабочие лопатки передают воздуху, проходящему через проточную часть компрессора механическую энергию, в результате чего давление и энергия потока воздуха возрастают.
В осевых компрессорах ГТД применяется в основном три конструктивных схемы роторов: барабанного, дискового и барабанно-дискового (смешанного) типа.
3.3.1. Роторы барабанного типа
Ротор барабанного типа представляет собой тонкостенный цилиндр или усечённый конус на наружной поверхности, которых прорезаются продольные или кольцевые пазы для крепления замков лопаток рис. 3.12.
а
Рис. 3.12. Роторы барабанного типа: а – ротор с разборными цапфами; б – крепление лопаток замком «ласточкин хвост» в кольцевых пазах; в – ротор сварной; 1 – передняя цапфа; 2 – секции барабана, соединенные сваркой; 3 – хвостовик лопатки; 4 – задняя цапфа; 5 – лопатка; 6 – замок лопатки «ласточкин хвост»; 7 – замыкающая проставка; 8 – клин;9 – стяжной болт; 10 – сварной шов
С торцовых поверхностей крепятся крышки с цапфами для крепления ротора в опорах. Выполнять продольные пазы крепления рабочих лопаток через весь ротор для всех ступеней компрессора технологически проще и дешевле, но нецелесообразно, так как число лопаток для каждой ступени будет одинаково, что не обеспечивает максимальную напорность каждой ступени. Кольцевые пазы выполняются для крепления рабочих лопаток замком «ласточкин хвост» (рис.3.12,б), либо вильчатого типа (рис.3.33,в). Крепление в кольцевых пазах замком типа «ласточкин хвост» позволяет установить в каждой ступени оптимальное число лопаток также, при одинаковой массе, ротор с кольцевыми пазами более прочен, чем ротор с продольными пазами и технологическое изготовление кольцевых пазов проще и дешевле. Однако такое крепление лопаток не нашло широкого применения в компрессорах ГТД ввиду сложности при установке и замене при ремонте.
Барабаны изготавливаются цельными (рис.3.12,а,б) или составными из нескольких частей (рис.3.12,в).
Отдельные части барабанов соединяются между собой при помощи шпилек, болтов (рис.3.12,а), радиальных штифтов или сварки (рис.3.12,в).
Во всех случаях соединений в конструкции ротора должны быть элементы, обеспечивающие точность центровки деталей при переборках и её сохранение на всех режимах эксплуатации. Конструктивное выполнение соединений роторов барабанного и барабанно-дискового типа одинаково и приводится в разделе - роторы барабанно-дискового типа.
Основными преимуществами роторов барабанного типа являются малая масса, простота конструкции, что упрощает технологию и стоимость изготовления. Роторы барабанного типа обладают высокой поперечной (изгибной) жёсткостью и, как правило, высокой критической частотой вращения, что позволяет при достаточной жёсткости элементов силовой схемы двигателя установить весь ротор на двух опорах. Основной недостаток роторов барабанного типа - его малая несущая способность (прочность на разрыв) от центробежных сил вращающихся масс рабочих лопаток установленных на барабане и самого барабана.
Ротора барабанного типа тихоходные, допускающие окружные скорости на среднем диаметре лопаток не более 200…250 м/с. Из-за малой окружной скорости, напорность ступеней невысокая, и для получения заданной степени повышения давления требуется больше число ступеней по сравнению с роторами других типов.
Это приводит к увеличению массы компрессора, что противоречит основному требованию, предъявляемому к компрессорам - обеспечению минимальной удельной массы mк. Малая окружная скорость ротора барабанного типа приводит к большому рассогласованию диаметров турбины и компрессора потому, что оптимальными для турбины являются окружные скорости 350…400 м/с. Поэтому роторы барабанного типа, для высокооборотных ГТД, применяются редко и в основном используются в вентиляторе и подпорных ступенях, расположенных за вентилятором в ТРДД с большой степенью двухконтурности. Для повышения прочности и несущей способности барабанных роторов на внутренней поверхности могут быть выполнены подкрепляющие рёбра (рис.3.12). Ротора барабанного типа могут применяться в малоразмерных, маломощных двигателях.