книги из ГПНТБ / Агрегаты воздухоснабжения комбинированных двигателей внутреннего сгорания

например высокопрочные чугуны (ВПЧ). Эти чугуны обладают весьма важным преимуществом по сравнению с серыми чугунами — способностью к пластической деформации (относительное удлинение в ВПЧ находится в пределах 3—10%) и более высо­ кими пределами прочности. Недостатком их является несколько худшее заполнение литейных форм, склонность к образованию усадочных раковин и других литейных дефектов. Несмотря на

это основные изготовители

А-А

ТК за рубежом (фирмы Зульцер, Броун-Бовери, за­ воды ГДР и др.) применя­ ют ВПЧ для сложных кор­ пусных отливок ТК-

На рис. 165 показано расположение трещины в корпусе турбокомпрессора типа ТКР-40, отлитого из серого чугуна СЧ 24-44 (тре­ щина по сечению А—А). Че­ рез этот корпус проходили подводящий и отводящий газьп Трещина была обна­ ружена после 1000 ч рабо-

Рис. 165. Напряжения в корпусе турбокомпрессора ТКР-40:

а — корпус; б — график изменения напряжений в корпусе; / — вход газа; II — выход газа; 1 — полость водя­ ного охлаждения; 2 — трещина: 3 — места наклепки тензодатчиков; 4 — внутренние напряжения; 5 — темпера­

турные напряжения

ты. С целью определения причин появления трещины методом электротензометрирования были определены внутренние оста­ точные напряжения, а также напряжения, которые возникали в корпусе при работе вследствие воздействия температур. Из гра­ фика (рис. 166) видно, что величина внутренних напряжений пре­ вышала 58,8 МН/м2 (сжатие), а температурные напряжения пре­ вышали 80 МН/м2 (растяжение). Неудачным было расположе­ ние технологического лючка для очистки водяной полости, кото­ рый снижал податливость боковой стенки, а также принятый режим термообработки (отжиг перед механической обработкой, выгрузка из печи при 300° С). После отказа от технологического лючка, введения повторного отжига после предварительной ме­ ханической обработки напряженность корпуса была значитель­ но уменьшена: внутренние напряжения уменьшены в 2—2,5 ра­ за, а температурные— приблизительно в 3 раза.

233

С целью снижения массы отливок корпусов турбокомпрессо­ ров применяют алюминиевые сплавы типа АЛ4 и АЛ5. Из этих сплавов отлиты корпуса турбокомпрессоров типа ТК-34 (4ТК) (рис. 163), устанавливаемых на тепловозные двигатели типа ДН 23/30 (11Д45, 14Д40), а также корпуса турбокомпрессоров

вают на тепловозных, судовых и стационарных двигателях типов 16ДН 23/30 и 12ДН 23/30, термометрическим исследованиям под­ вергались газоприемная улитка, разъемная проставка и выпуск­ ной корпус. На рис. 167 указаны места установки термопар и изменение температуры в различных точках на стенке канала подвода газов в зависимости от температур газов перед турбиной и охлаждающей воды. Повышение температуры газов перед турбиной вызывает соответственное повышение температуры сте­ нок, омываемых газом. Снижение температуры охлаждающей воды на входе в турбокомпрессор приводит к некоторому сни­ жению нагрева стенок. Стенки же выпускного корпуса этого ТК

234

омываются (так же как и стенки разъемной проставки) уже от­ работавшими в турбине газами, которые имеют более низкую температуру (максимальная 470° С).

В эксплуатации максимальная температура газов перед тур­ биной у турбокомпрессоров указанного типа не превышает 450° С. Вследствие этого нагрев корпусных деталей находится на допустимом уровне. Надежность работы их проверена длитель­ ными испытаниями на заводских стендах, а также в эксплуата­ ции на тепловозных двигателях.

Рис. 167. Распределение температуры на стенках газовой улитки в зависи­ мости от температур газов и охлаждающей воды:

/, 2 и 3 — места установки термопар на улитке; сплошные линии — ^ввх ~ 70я С; штриховые линии — ^ÜBX = 50° С

Экранированием омываемых газом поверхностей можно сни­ зить тепловую напряженность корпусов из алюминиевых спла­ вов, увеличить срок их службы. Это подтверждается проведен­ ными термометрическими исследованиями опытного образца турбокомпрессоров типа ТК-30, корпус турбины которого был изготовлен из алюминиевого сплава АЛ5. В нем помещались не­ охлаждаемые газоподводящие патрубки толщиной 10—12 мм, отлитые из высокопрочного чугуна ВПЧ-НМ, выполнявшие функ­ цию экранов. При температуре тазов перед турбиной 675° С сред­ няя температура газоподводящих патрубков была равна 607° С, а средняя температура охлаждаемого алюминиевого корпуса 97° С (разница температур в различных точках этого корпуса со­ ставляла приблизительно 40° С). Однако экранирующие устрой­

с повышенными температурами газов.

235

В литых деталях необходимо выдерживать равномерную тол­ щину стенок. Ребра, утолщения или утонения стенок могут быть причиной образования трещин. Для обеспечения стабильности литейной формы и удобства очистки литья корпуса должны иметь достаточные по размерам технологические отверстия, ко­ торые закрываются фланцами или резьбовыми пробками. Сле­ дует учитывать, что применяемые в этих случаях пробки с кони­ ческой резьбой при их затягивании могут создавать напряжения, превосходящие предел прочности материала корпуса (эти напря­ жения в одном из корпусов ТКР-40 достигли приблизительно 120 МН/м2). Сварные корпуса изготовляют из листовой стали 20, 2X13, 1Х18Н9Т и др. Их применяют, например, фирмы Браш, Броун — Бовери и др. В сварных конструкциях корпусов целе­ сообразны стыковые швы, обеспечивающие более высокую уста­ лостную прочность.

В корпуса монтируют неподвижные лопаточные аппараты — сопловой аппарат и диффузор. По методу изготовления сопло­ вые аппараты могут быть литыми, сварными и сборными (из отдельных механически обработанных деталей). Иногда литой сопловой аппарат собирают из штампованных лопаток, располо­ женных в определенном порядке и залитых в специальных фор­ мах чугуном, образующим внутреннее и наружное кольца. Более совершенным в технологическом отношении является сопловой аппарат, отлитый со всеми лопатками по выплавляемой модели. Трудоемкость изготовления такого аппарата значительно ниже. В сборных конструкциях сопловые лопатки должны иметь спе­ циальные платики или хвостовики, при помощи которых они соединяются с ободьями. Обработка их более трудоемка. Изве­ стны случаи поломки лопаток сопловых аппаратов по месту их соединения с ободьями вследствие вибрационной нагрузки от потока газов [25]. Крепление соплового аппарата к корпусу долж­ но обеспечивать свободу радиального расширения его внешнего кольца, которое в рабочих условиях нагрето больше, чем сам корпус.

По конструкции диффузоры бывают лопаточные и безлопа­ точные (щелевые). В лопаточном диффузоре углы уширения межлопаточных каналов оказывают существенное влияние на к. п. д. компрессора и его рабочий диапазон. Оптимальные углы уширения легче обеспечить профилированными лопатками (т. е. лопатками переменной толщиной). Диффузор же с тонкими ло­ патками постоянной толщины изготовить технологически проще.

Диффузоры изготовляют обычно из алюминиевых сплавов АЛ4, АЛ5, АЛ9 и др. отливкой с последующей обработкой про­ филя лопаток на копировально-фрезерных станках. В крупносе­ рийном и массовом производстве применяется отливка диффузо­ ров в кокиль. Известны конструкции диффузоров с приклепан­ ными и приклеенными лопатками. Представляется экономически перспективным изготовление их из пластмасс.

236

Р О Т О Р

Ротор турбокомпрессора состоит из вала, опирающегося, как правило, на две опоры, рабочих колес компрессора и газовой турбины. На валу размещаются детали уплотнений, а также подшипниковых узлов. Вследствие вращения и неравномерного нагрева в деталях ротора возникают напряжения, которые во многих случаях приближаются к пределу текучести материалов.

При температуре газа перед соплами до 550° С диски турби­ ны турбокомпрессора обычно изготовляют из сталей типа 2X13,

сплавов при различных температурах при испытании деталей в течение 10 тыс. ч по справочным данным приведена в табл. 5.

5. Длительная прочность жаропрочных сталей

Чтобы обоснованно выбрать материал деталей ротора путем расчета или эксперимента, определяют их рабочие температуры. Результаты термометрического исследования деталей ротора ТК-38 (6ТК) (рис. 168, а) при температуре газа перед турбиной 615° С приведены на рис. 168, б. Температура измерялась с по­ мощью облученных нейтронами алмазных индикаторов, заделан­ ных в тело деталей. Градиент температуры по высоте лопатки составил 1500 К/м, а по диску турбины в радиальном направле­ нии 1700 К/м. Градиент температуры в осевом направлении дис­ ка 500 К/м (одна сторона диска охлаждалась воздухом через систему уплотнений). Температура вала ротора в точках 8, 9 и 10 соответственно равна 158, 130 и 152° С.

Валы роторов выполняют цельноковаными, сварными и со­ ставными. Цельнокованые валы применяют при сравнительно низких температурах газов перед турбиной, когда диск турбины можно изготовлять из низколегированных конструкционных ста­ лей. Такие валы применяют в турбокомпрессорах мощных судо­ вых двухтактных двигателей. Сварные конструкции валов нашли наиболее широкое распространение в современных конструкци­ ях ТКОни обеспечивают достаточную надежность и техноло-

237

гичность. Экономия жаропрочных сталей и сплавов в сварных роторах компенсирует обычно все затраты на их изготовление. Известны указания о том, что сварные роторы стоят дешевле, чем цельнокованые [25]. Разница в стоимости возрастает с рос­ том температуры газов перед турбиной. О высокой надежности сварных роторов свидетельствуют длительная эксплуатация их на ТК различных типов, а также проведенные ЦНИИТМАШем исследования их выносливости [19]. Испытывались сварные об­ разцы полых валов, выполненных из двух дисков (сплавов ЭИ765) и двух полувалов (сталь ЭП395). При оптимальной фор­ ме сварного шва и технологии сварки пределы выносливости

Рис. 168. Распределение температур в роторе ТК.-38 (6ТК):

сварных соединений оказались лишь на 12—24% ниже, чем пре­ дел выносливости основного металла. Большую надежность име­ ет сварное соединение, получаемое при помощи вставки, про­ плавляемой в среде аргона (рис. 169). При испытаниях отдель­ ных образцов такого соединения предел выносливости за ІО7 цик­ лов составил 165 МН/м2, а сварных соединений с подкладным нерасплавляемым кольцом за тот же период циклов был равен 105 МН/м2 (предел выносливости образцов из основного метал­ ла составил 165 МН/м2). Наибольшую несущую способность при испытаниях на выносливость показали роторы с большей подат­ ливостью сопрягаемых элементов, т. е. с уменьшенной жестко­ стью полого вала в районе шва. При большой жесткости в райо­ не шва возникали трещины термического происхождения. Впо­ следствии подобные трещины были выявлены на роторах турбокомпрессоров после их длительной эксплуатации (на дис­ ках из стали ЭИ481).

С целью обеспечения наибольшей прочности сварного соеди­ нения следует:

выполнять форму сварного шва чашеобразной, располагая его во избежание термических трещин на достаточном расстоянии от галтелей;

устранять резкие переходы от одного сечения к другому (в районе сварного шва) ;

238

использовать проплавляемые в среде аргона вставки в стыке свариваемых деталей для повышения предела усталости;

выполнять посадочные поверхности в районе сварного шва, чтобы облегчить сборку деталей ротора под сварку, уменьшить коробление;

применять электроды, которые рекомендуются для сваривае­ мых в данном случае сталей (например, для сварки стали 2X13 с углеродистой сталью 45 можно применять электроды НТУ-3, для сварки сталей ЭИ481 и ЭИ612 — электроды ЦТ-10, НИАТ-5 и др.; для сплава ЭИ765 в лабораторных условиях ЦНИИТМАШ были опробованы электроды ЦТ-28 и ЦТ-31);

подвергнуть ротор после сварки термообработке.

Рис. 169. Разделка кромок под сварку:

а — с непроплавляемым подкладным кольцом из стали 1ХІ8Н9Т; 6 — с расплавляемой вставкой из проволоки ЭИ367

Для сплавов на никелевой основе (например, ЭИ765) реко­ мендуется двойной отпуск. Для валов с дисками из сталей 2X13, ЭИ481 и ЭИ612 в практике обычно применяют низкотемператур­ ный отжиг.

Сварные конструкции роторов применяют в турбокомпрессо­ рах, выпускаемых в нашей стране и за рубежом. В турбоком­ прессорах с ЦСТ валы с рабочими колесами также соединяют путем электросварки, а в некоторых случаях припаивают медью [27] или используют сварку трением.

Составные конструкции валов имеют несколько разновидно­ стей, которые применяются в зависимости от конструктивной компоновки и назначения турбокомпрессора. В турбокомпрессо­ рах для мощных судовых двигателей встречаются конструкции валов, которые скреплены с диском турбины болтами. Подобное соединение выполнено у турбокомпрессоров Нэпир серии S510.

В других конструкциях ТК этой фирмы диски турбин сочлене­ ны с валом по цилиндрической посадке, фиксируются от проворо­ та торцовым зубом, который входит в соответствующий паз ро­ тора, а от осевого смещения — сидящей на валу гайкой. Подоб­ ные конструкции встречаются и у ТК фирмы Браш. Эта же фирма применяет соединение диска турбины с валом на шпильках, ввернутых в торец вала и проходящих сквозь отверстия в диске.

239

В составных конструкциях материал диска турбины можно вы­ бирать независимо от его свариваемости, что является их преи­ муществом. Недостаток таких конструкций заключается в том, что характер соединения диска с валом зависит от условий их нагрева и частоты вращения. Поэтому такие роторы нашли при­ менение в турбокомпрессорах низкой и средней напорности. Со­ ставные роторы с центральным стяжным болтом применяют в конструкциях ТК фирмы Де-Лаваль, а также в некоторых об­ разцах ТК, построенных для наддува тепловозного двигателя 16ЧН 24/27 (впоследствии фирма Де-Лаваль отказалась от кон-

Рис. 170. Конструкция составного ротора турбокомпрессора фирмы Зульцер

струкции ротора со стяжным центральным болтом, заменив это соединение сварным). Соединение такого типа применяет фирма Зульцер в ТК тепловозного двигателя типа 12ЧН 28/36 (рис. 170).

Применяются также роторы, в которых его детали соединены при помощи радиальных штифтов. Так, у турбокомпрессоров Пензенского дизельного завода такими штифтами соединялось рабочее колесо компрессора с валом ротора. Радиальные штиф­ ты применялись для соединения колеса турбины с валом ТКР-14-2 [27]. Впоследствии в этом турбокомпрессоре штифтовое соединение было заменено сварным. У турбокомпрессора ТК-38 (6ТК) радиальными штифтами соединено колесо турбины с ва­ лом ротора. Штифтовое соединение обладает теми же преиму­ ществами, что и соединение со стяжными болтами. Оно конст­ руктивно проще. Следует, однако, отметить, что выносливость штифтового соединения ниже, чем сварного [19].

240

Ротор в целом должен обладать достаточной механической жесткостью. В подавляющем большинстве случаев обеспечивает­ ся запас по критической скорости вращения не менее 1,3. Если вал ротора полый, то его разностенность не должна превышать, по рекомендациям фирмы Броун — Бовери, 1%. В противном случае возникает несимметричное поле температур, которое мо­ жет вызвать прогиб вала и его вибрацию.

У низконапорных турбокомпрессоров колесо компрессора при­ нято соединять с валом шпонкой. Такое соединение применялось в нашей стране, фирмой Броун — Бовери и др. В турбокомпрес­ сорах повышенной напорности нашли применение шлицевые соединения. Эти соединения технологичны и достаточно надеж­ ны. Соединение колес с валом радиальными штифтами оправ­ дано лишь в том случае, если под действием центробежных сил и температурных деформаций по месту посадки может образо­ ваться зазор. Следует предусматривать, чтобы штифтовое соеди­ нение не вызывало концентрации напряжений.

Соединения роторов (посадки колес, втулок и др.) должны быть надежными и стабильными. Если они будут нарушаться во время работы, то возможна разбалансировка ротора. Поэтому следует избегать разборки отбалансированного ротора, так как при повторной сборке балансировка его может быть нарушена. Если по условиям конструкции невозможно избежать съема ко­ леса компрессора после балансировки ротора, то соединение его с валом необходимо выполнять с натягом по посадочной поверх­ ности. Так, у турбокомпрессоров типа ТК-23 (2ТК) посадка ко­ леса со шлицами вала выполняется с натягом 0,005—0,05 мм [25]. Чтобы исключить разборку ротора, у большинства конструк­ ций фирмы Броун — Бовери промежуточную стенку, отделяю­ щую полость турбины от полости компрессора, выполняют с осе­ вым разъемом и демонтируют вместе с ротором. У турбоком­ прессора типа ТК-34 (4ТК) один из опорных подшипников, расположенный в охлаждаемой водой промежуточной проставке, выполнен с осевым разъемом (так же, как и сама промежуточ­ ная проставка).

Перед сборкой ротора рабочие колеса, диски, входной на­ правляющий аппарат и пр. необходимо балансировать статиче­ ски. Собранный ротор балансируется динамически. Для съема дисбаланса на рабочих колесах турбины и компрессора нужно предусмотреть кольцевые выступы, с которых при балансировке удаляют часть металла. Практикой подтверждается, что за до­ пустимую величину можно принимать дисбаланс, который вызы­ вает силу, не превышающую силу реакции от веса ротора на дан­ ной опоре. Например, у турбокомпрессора ТК-34 вес ротора 400 Н, допустимая величина дисбаланса 0,3 МН • м.

Иногда рекомендуют для обеспечения нормальной работы до­ пускать наличие центробежной неуравновешенной силы, которая не превышает 4—5% веса диска (ротора). Динамическая урав­