3.4.1. Соединение лопаток с дисками
Соединение заключается в установке хвостовика лопатки в соответствующем продольном или окружном пазу диска или наружной поверхности барабана.
Крепление лопатки должно обеспечивать следующие основные требования:
- возможность размещения, оптимального из условия газодинамического расчёта, необходимого количества лопаток на ободе диска;
- достаточная прочность, при минимальной массе обода диска;
- точность установки и её сохранения на всех режимах и всего эксплуатационного ресурса;
- одинаковая жесткость крепления всех лопаток ступени, для исключения разброса собственных частот колебаний;
- технологичность изготовления и низкая стоимость;
- простота установки и замены при эксплуатации;
В компрессорах широко применяется крепление рабочих лопаток трапециевидными замками типа «ласточкин хвост» (рис3.28,а), как наиболее простое и полностью обеспечивающее перечисленные выше требования.
Профиль хвостовика лопатки и паза в диске в плоскости перпендикулярной оси вала имеет трапециевидную форму с углом при вершине 2a =30…40.
Рис. 3.30. Крепление лопаток компрессоров в продольных пазах:
а – замок типа «ласточкин хвост»; б – демпфирующий замок
Пазы в диске выполняются протяжкой, а хвостовики лопаток – фрезерованием. Лопатка устанавливается в паз либо с небольшим натягом до 0,015мм, либо с зазором 0,01…0,04мм. Посадка с натягом применяется, когда необходимо увеличить частоту собственных колебаний лопатки, но при этом в ободе диска возникают напряжения, которые необходимо учитывать при проведении прочностных расчётов. При работе двигателя эти напряжения возрастают и могут быть причиной разрушения диска. Для устранения надиров на контактных поверхностях замка и упрощения монтажа и демонтажа лопаток на хвостовик наносится слой меди или серебра, служащий смазкой при запрессовке. Наиболее часто применяется свободная посадка, которая обеспечивает простоту установки и замены лопатки, не нагружает обод диска и улучшает демпфирование колебаний лопаток. Демпфирующие свойства проявляются за счёт сил трения при перемещении лопатки в замковой части при колебаниях до частот вращения (0.5…07)nмах. Выше этой частоты крепление становится жёстким. При большой длине лопаток может применяться замок типа «ласточкин хвост», но со скруглёнными рабочими поверхностями (рис.3.28,б). Лопатки устанавливаются в паз диска с большими зазорами, допускающими качание на концах лопаток до 5…8мм. Это позволяет лопаткам самоустанавливаться и обеспечивает демпфирование изгибных колебаний.
Замковое соединение типа «ласточкин хвост» не обеспечивает фиксацию лопатки от осевых нагрузок. В компрессорах широко применяется осевая фиксация лопаток как групповая, так и индивидуальная. Групповая фиксация лопаток обеспечивается одним конструктивным элементов для всех лопаток ступени.
Это может быть выполнено упругим с разрезом кольцом 1, устанавливаемым в кольцевой паз 6 в хвостовике лопатки 2 и диске 4 (см. рис.3.29).
Рис.3.29. Фиксация рабочих лопаток о смещения в осевом направлении при помощи общего пружинящего разрезного кольца: 1 – кольцо контровочное; 2 – лопатка; 3 – стопор; 4 – диск; 5 –отверстие; 6–паз в хвостовике лопатки
Для крепления кольца от смещения в окружном направлении в месте разреза кольца устанавливается специальный штифт 3 с развальцовкой. Для снятия кольца при демонтаже в диске, в плоскости кольцевого паза, выполняются отверстия 5.
На рис.3.30 приведено конструктивное решение группового крепления лопаток.
Рис.3.30. Фиксация лопатки общими сплошным и разрезным кольцами: 1 – диск; 2 – сплошное кольцо; 3 – штифт, контрящий кольцо 2 (развальцовывается на диск); 4 – разрезное кольцо
Лопатки крепятся в продольных пазах при помощи разрезного кольца 4 и сплошного кольца 2. Сплошное кольцо 2 контрится в диске штифтами 3 с развальцовкой.
Применение групповой фиксации лопаток ступени упрощает технологию изготовления и сборки, обеспечивает однозначность установки всех лопаток, что повышает стабильность балансировки.
Конструктивных способов исполнения индивидуального крепления каждой лопатки может быть очень много (рис.3.31).
Рис.3. 31. Фиксация рабочих лопаток от смещения в осевом направлении: а.б.в.г.д.- отгибными пластинами; е – радиальными штифтами; ж – осевыми винтами; 1 – диск; 2 – отгибная пластина; 3 -лопатка; 4 штифт радиальный; 5 – винт
Это различные отгибные пластины 2 (рис.3.31), радиальные штифты 4, либо осевые винты 5. Пластины могут выполняться фасонными (рис.3.31,а,б) и для её фиксации в ободе диска или хвостовике делается соответствующее углубление, а края пластины отгибаются на лопатку или диск. Пластина может быть и ровной, но с разрезами либо уширением по краям (рис.3.31,г,д). Фиксация лопатки осуществляется путем отгиба края пластины на лопатку и диск.
На рис.3.32 приведён пример конструктивного исполнения крепления лопатки при помощи радиального штифта 4, устанавливаемого в диск 1 и лопатку 5.
Рис.3.32.Фиксация лопаток от смещения в осевом направлении радиальными штифтами: а – контровка штифтов кольцом; б – контровка штифтов втулкой; 1 – диск; 2 –болт, удерживающий кольцо и одновременно балансировочный грузик,; 3 – кольцо, предохраняющее штифт от выпадания; 4 – радиальный штифт, фиксирующий лопатку; 5 – рабочая лопатка; 6 – втулка, контрящая штифт
Для простоты замены лопаток и повышения сохранности диска при ремонте в радиальное отверстие диска устанавливается втулка 6. После установки радиальных штифтов 4 край втулки 6 завальцовывается для предотвращения выпадания штифтов. Одновременная контровка всех радиальных штифтов может осуществляться кольцом 3, закреплённым с диском 1 болтом 2, одновременно служащим балансировочным грузиком (рис.3.32,а).
Осевая фиксация всех лопаток ступени одновременно может быть выполнена фланцами кольцевых проставок 4 и 5 ротора (рис.3.18).
Конструктивное исполнение комбинированного, осевого крепления лопаток радиальным штифтом и отгибной пластиной приведёно на рис. 3.31, е. При использовании для фиксации лопатки осевых винтов или штифтов 5 (рис.3.31,ж) отверстия под них, в хвостовике лопатки и диске выполняются одновременно, после установки хвостовика лопатки в диск.
Для крепления лопаток с большим удлинением применяется шарнирный (вильчатый) замок (рис. 3.33,в). Лопатка устанавливается в кольцевой паз обода, имеющий вильчатый профиль. Хвостовик лопатки имеет одну или несколько проушин и полку. Хвостовик 1 устанавливается в паз диска 5 свободно и фиксируется втулкой 6 и заклёпкой 9, развальцованной на втулку 8.
Рис.3.33 Крепление лопаток компрессора в кольцевых пазах: а – зубчатый замок; б – трапециевидный замок; в – вильчатый замок; г – крепление между двумя тонкими дисками; д – крепление в месте разъема ротора; 1 – лопатка; 2 – сухарь; 3 – клин; 4 – промежуточная проставка; 5 – обод диска; 6 –ось лопатки; 7 – ось проставки; 8 – втулка; 9 - заклепка
Наличие зазоров позволяет лопатке поворачиваться под действием изгибающих моментов от газовых и центробежных сил относительно втулки, установленной в диске с натягом. При этом лопатка самоустанавливается и в ней практически отсутствуют напряжения изгиба. При шарнирном соединении устраняются резонансные колебания лопатки по низшим формам и вследствие трения проскальзывания в шарнире и аэродинамического демпфирования в два-три раза снижаются вибрационные напряжения по сравнению с креплением лопатки замком типа «ласточкин хвост». Для устранения износа и схватывания контактные поверхности хвостовика и обода покрываются твердой смазкой на основе двусернистого молибдена. Для ограничения качания лопаток и образования внутренней поверхности проточной части компрессора, между лопатками могут быть установлены качающиеся проставки 4, также закреплённые шарнирно на ободе диска при помощи штифтов 7 развальцованных с одного торца. К числу недостатков вильчатого соединения можно отнести большие напряжения смятия и среза во втулках и штифтах при работе, а также значительная масса соединения.
Монтаж и крепление рабочих лопаток с хвостовиком трапециевидной формы в кольцевой паз осуществляется последовательной установкой каждой лопатки в кольцевой паз через прорезь, по размеру основания замка хвостовика, последней устанавливается промежуточная проставка 4, которая расклинивается в трапециевидной прорези клином 3 (рис.3.33,б). Применяется также метод крепления лопаток в кольцевом пазу путем последовательной установкой через прорезь всех лопаток и затем сдвижкой всего кольцевого набора на половину ширины хвостовика и фиксация его в окружном направлении относительно диска пластинчатыми замками. При угле установки лопатки >900 (рис.3.33,а) лопатки вставляются в кольцевой паз и разворачиваются, последние лопатки имеют уменьшенную ширину хвостовика. Последним устанавливается сухарь 2, который расклинивается клином 3. Существенный недостаток крепления лопаток в кольцевых пазах необходимость снятия многих лопаток при замене одной.