2.3. Конструкция турбины компрессора

Турбина компрессора обеспечивает привод ротора компрессора и агрегатов. Она состоит из ротора, сопловых аппаратов I и II ступеней, опоры ротора.

Детали турбины компрессора подвержены влиянию высоких температур потока газа и больших механических нагрузок. Наи­более теплонапряженными являются сопловые и рабочие лопатки турбины, а также диски РК. Длительное воздействие механических нагрузок (центробежных и аэродинамических сил) в условиях высокой температуры вызывает пластические деформации металла при напряжениях, Значительно меньших пределов текучести. С другой стороны, в этих условиях металл разрушается при напря­жении, значительно меньшем предела прочности, причем с уве­личением времени приложения нагрузки разрушающие напряже­ния уменьшаются.

Таким образом, при высокой температуре прочность металла зависит не только от величины механических нагрузок, но и от продолжительности их воздействия. Наряду с этим надежность и прочность деталей турбины в большей степени зависят от числа циклов нагружения и теплосмен, связанных с запусками, остано­вами и изменениями режимов работы двигателя. Это делает задачу обеспечения высокой надежности турбины особенно сложной. Вот почему большинство деталей турбины компрессора выполнено из специальных жаропрочных сталей и сплавов. Облегчению условий работы и повышению работоспособности турбины способствует охлаждение большинства ее деталей воздухом.

2.4. Ротор турбины компрессора

Ротор ТК (рис. 4.2, см. вклейку) состоит из рабочих лопаток 8, 9, дисков РК I — 26 и РК II — 25 ступеней, четырех вращающихся де­флекторов 7, 6,10,11, вала 27, стяжных болтов 15, узла соединения ротора компрессора с валом ТК и вращающихся деталей задней опоры ротора ТК (третьей опоры двигателя). Ротор ТК установлен на двух опорах. Передней его опорой служит задняя цапфа ротора компрессора, на которой смонтирован радиально-упорный шари­ковый подшипник второй опоры двигателя; задней опорой — радиально-опорный роликоподшипник 16 третьей опоры двигателя, расположенной за ротором ТК.

Такое расположение опор делает ротор ТК более жестким и позволяет уменьшить зазоры между гребешками наружных полок рабочих лопаток и металлокерамическими уплотнителями обойм сопловых аппаратов ТК, что в конечном итоге, повышает КПД турбины компрессора.

2.4.1. Рабочие лопатки 8, 9 относятся к числу самых ответственных деталей двигателя. В их межлопаточных каналах происходит пре­образование кинетической энергии и энтальпии газового потока в механическую энергию вращения ротора ТК. Они работают в условиях весьма высоких температур и давлений, испытывают большие центробежные, вибрационные и температурные напря­жения.

Рабочие лопатки 5, 9 изготавливаются прецизионным литьем из жаропрочного сплава ЖС-6К. Они имеют перо (профильную часть) наружную и внутреннюю полки и хвостовик типа «елочка» с удлиненной ножкой. Перо в каждом сечении вдоль лопатки имеет свой вполне определенный профиль. Перо имеет закрутку вдоль лопатки, обеспечивающую плавное обтекание лопаток и радиальное равновесие газового потока вдоль лопатки. Перо ло­патки плавно переходит в полки. Наружные и внутренние полки после установки лопаток в диск РК образуют наружную и внут­реннюю стенки, ограничивающие проточную часть турбины. Внут­ренняя полка лопатки плавно переходит в хвостовик с удлиненной ножкой. На хвостовике выполнены две пары зубьев замка типа «елочка» и выступ, ограничивающий осевое перемещения лопатки в диске РК. Наружные полки стыкуются между собой с помощью зигзагообразных вырезов с зазорами по окружности и натягом в осевом направлении, образуя кольцевой бандаж, повышающий виброустойчивость лопаточного венца. На наружной поверхности бандажных полок выполнены гребешки, которые с металлокерамическими покрытиями обойм сопловых аппаратов образуют ла­биринтные уплотнения проточной части турбины по внешнему контуру, что способствует повышению КПД турбины.

Крепление рабочих лопаток в дисках РК аналогично и осуще­ствляется: в радиальном и окружном направлениях с помощью замков типа «елочка», имеющих по две пары зубьев; в осевом направлении — ограничительными выступами хвостовиков лопа­ток и передними вращающимися дефлекторами 7 и 10.

Количество рабочих лопаток в РК I ступени — 133, в РК II - 101.

2.4.2. Диски 26, 25 рабочих колес служат для размещения на них рабочих лопаток и для передачи на вал 27 ТК вращающего момента и осевых сил, создаваемых в лопаточных аппаратах при работе двигателя.

Диск нагружается большими растягивающими усилиями от центробежных сил масс самого диска и размещенных на нем рабочих лопаток и изгибающими моментами от разности давлений газа перед РК и за ним. В диске также возникают динамические напряжения, вызванные колебаниями, и значительные темпера­турные напряжения, обусловленные неравномерностью его нагрева по радиусу. Диски РК изготовлены из поковок высоколегированного жа­ропрочного сплава ХН73МВТЮВД с последующей механической обработкой.

Диск 26 РК I ступени ТК имеет обод, полотно и ступицу. На ободе равномерно по окружности под некоторым углом к оси выполнены пазы типа «елочка» для монтажа рабочих лопаток. Обод плавно переходит в тонкое полотно. На полотне с обеих сторон выполнено по два цилиндрических пояса с торцевыми радиальными шлицами для соединения диска 26 с валом 27 и с диском 25 РК II ступени.

На передних цилиндрических поясах выполнены сквозные ра­диальные отверстия для прохода охлаждающего воздуха. Между цилиндрическими поясами просверлено двенадцать отверстий под стяжные болты 15, На внешние цилиндрические пояса устанав­ливаются и центрируются по их наружным поверхностям и тор­цевым расточкам полотна: спереди — передний вращающийся дефлектор 7 и сзади — задний вращающийся дефлектор 6. У центрального отверстия полотно уширено и плавно переходит в ступицу, которая обеспечивает достаточную прочность центральной части диска.

Диск 25 РК II ступени ТК конструктивно выполнен анало­гично диску 26. Он также имеет обод, полотно и ступицу. На ободе выполнены пазы типа «елочка» для монтажа рабочих лопаток. На полотне спереди выполнено два цилиндрических пояса и торцевая расточка для центрирования и монтажа пере­днего вращающегося дефлектора 10 диска РК II ступени. На цилиндрических поясах спереди имеются торцевые радиальные шлицы, которые служат для центровки и соединения дисков 25 и 26, и просверлено двенадцать сквозных отверстий под стяжные болты 15. Сзади на полотне выполнен кольцевой бурт, к кото­рому прижимается задний вращающийся дефлектор 11. Дефлек­тор центрируется по внутренней цилиндрической расточке за­днего кольцевого бурта и крепиться двенадцатью стяжными бол­тами 15. Ступица диска 25 сзади развита в цапфу, на которую монтируются вращающиеся детали третьей опоры двигателя. Для обеспечения герметичности внутренней полости ротора ТК в цапфу устанавливается уплотнительное кольцо 23 и завора­чивается гайка – заглушка 22 законтренная замком 21. Вращаю­щиеся детали третьей опоры двигателя закрепляются на цапфе гайкой 18 с замком 17.

2.4.3. Вращающиеся дефлекторы 7, 6, 10, 11 защищают диски РК и хвостовики рабочих лопаток от воздействия на них потока горячих газов и повышают эффективность их воздушного охлаж­дения. Кроме того передние вращающиеся дефлекторы 7 и 10 фиксируют рабочие лопатки в осевом направлении. Вращающиеся дефлекторы изготовлены из поковок высоколегированного жароп­рочного сплава ХН73МВТЮВД с последующей механической об­работкой.

Передний вращающийся дефлектор 7 диска РК I ступени ТК представляет собой тонкостенное полотно, переходящее в ступицу. На полотне спереди имеются: балансировочный бурт и цилинд­рический бурт с гребешками лабиринтного уплотнения. Расточка в ступице служит для монтажа и центрирования дефлектора 7 на переднем цилиндрическом бурте диска РК I ступени ТК. В ступице просверлены наклонные отверстия для прохода охлаждающего воздуха в полость между дефлектором 7 и диском 26. Сзади вращающийся дефлектор имеет центрирующий бурт, который входит в торцевую расточку диска 26 РК с гарантированным осевым зазором, что обеспечивает постоянное прижатие враща­ющегося дефлектора к полкам хвостовиков рабочих лопаток как на холодном, так и на горячем двигателе. Вращающийся дефлектор 7 в окружном направлении фиксируется восемью осевыми штифтами 5. Задний вращающийся дефлектор 6 РК I ступени ТК конструктивно выполнен аналогично переднему вращающемуся дефлектору 7, но в зеркальном изображении. Он имеет те же конструктивные элементы, но на периферии выполнен ряд отвер­стий для прохода охлажденного воздуха в проточную часть тур­бины. В окружном направлении он фиксируется шестью ради­альными стопорами 12.

Передний вращающийся дефлектор 10 РК II ступени ТК кон­структивно выполнен аналогично переднему вращающемуся де­флектору 7 РК I ступени ТК, но спереди на цилиндрическом поясе он имеет один гребешок лабиринтного уплотнения. Фиксация в окружном направлении производится шестью радиальными сто­порами 12.

Задний вращающийся дефлектор 11 РК II ступени ТК спереди имеет центрирующий бурт. В полотне дефлектора просверлено двенадцать отверстий под стяжные болты и ряд отверстий на периферии для прохода охлаждающего воздуха в проточную часть турбины. Сзади на полотне имеются кольцевой баланси­ровочный бурт и ступица с гребешками лабиринтного уплотне­ния.

2.4.4. Вал ротора ТК 27 предназначен для передачи вращающего момента от ротора ТК к ротору компрессора. Кроме того он воспринимает осевую силу, действующую на ротор ТК, ее массу и гидроскопический момент. Вал 27 ротора ТК сварной конст­рукции изготовлен из поковок нержавеющей деформируемой стали 1Х12Н2ВМФШ. Он состоит из передней и задней ци­линдрических, и средней конической частей, сваренных между собой электронно-лучевой сваркой. Затем полученная таким об­разом заготовка подвергается механической обработке. На пере­дней части вала снаружи имеются цилиндрический и шлицевой пояски соответственно для центровки и соединения вала ротора ТК с задней цапфой ротора компрессора. Через эти эвольвентные шлицы передается вращающий момент от ротора ТК к ротору компрессора. Во внутренней полости вала спереди устанавлива­ются детали узла соединения вала ротора ТК с ротором ком­прессора. Для этого внутри вала имеются: кольцевой выступ с эвольвентными шлицами для установки фиксатора 2; цилинд­рическая расточка для монтажа регулировочного кольца 3 и пружины 1 фиксатора; однозаходная резьба с шагом 1, 5 мм для вворачивания стяжной втулки 30. На конусной поверхности вала спереди выполнен кольцевой бурт для монтажа баланси­ровочных грузиков 25, которые фиксируются штифтами 4. На задней цилиндрической поверхности средней части вала про­сверлены четырнадцать радиальных отверстий для прохода вто­ричного воздуха в полость вала для охлаждения дисков РК и хвостовиков рабочих лопаток. На задней торцевой поверхности фланца вала выполнены: радиальные шлицы для центровки и соединения вала 27 с диском 26 РК I ступени ТК; двенадцать осевых отверстий под стяжные болты и восемь осевых отверстий на гладкой внешней поверхности под штифты 5, фиксирующие передний вращающийся дефлектор 7 в окружном направлении. На наружной цилиндрической поверхности фланца нарезаны гребешки лабиринтного уплотнения.

Стяжные болты 15 предназначены для соединения вала 27 ротора ТК, дисков РК 26 и 25 с установленными на них враща­ющимися дефлекторами 7, 6, 10 и 11 в единый узел. Стяжные болты имеют: круглую головку с лыской, стержень с цилиндри­ческими опорными буртиками, резьбовую часть и четырехгранник. Лыска головки препятствует провороту стяжного болта при затяжке гайки 13. Цилиндрические опорные буртики стяжных болтов слу­жат для уменьшения изгибных напряжений от центробежных сил и вибраций самих стяжных болтов. На буртике, расположенном около резьбы, выполнены лыски для прохода воздуха на охлаж­дение задней стенки диска 25 РК II ступени ТК. Четырехгранник используют для удержания стяжных болтов 15 от скручивания при затяжке гаек 13, которая производится с большими усилиями. Степень затяжки гаек 13 контролируется по вытяжке стяжных болтов 15, которые должны быть 0,12 мм. Гайки 13 контрятся пластинчатыми замками 14.

Все детали ротора ТК в процессе их изготовления и сборки проходят раздельную балансировку. Окончательно собранный ро­тор подвергается динамической балансировке на своих опорах. Допустимый дисбаланс достигается подбором по массе баланси­ровочных грузиков 28 и путем съема металла с кольцевых поясков вращающихся дефлекторов 7 и 11.