книги из ГПНТБ / Агрегаты воздухоснабжения комбинированных двигателей внутреннего сгорания

новешенность ротора ТК нарушается в большей степени во вре­ мя первых часов работы (обкатки). Поэтому после обкатки необходима его повторная балансировка. В процессе последую­ щей эксплуатации величина дисбаланса обычно меняется мало. Так, у турбокомпрессоров типа ТК-34 (4ТК) величина дисбалан­ са после обкатки на некоторых образцах турбокомпрессоров увеличивается в 1,5—2 раза. После работы в течение 3000— 6000 ч увеличение дисбаланса находится примерно в тех же пределах.

ЛОПАТКИ ТУРБИН

Рабочие лопатки турбин являются наиболее напряженными деталями, определяющими во многих случаях надежность и срок службы турбокомпрессоров. Они испытывают напряжения от растяжения и изгиба, вызываемых действием центробежных сил, а также сил, возникающих вследствие изменения направ­ ления движения газа в межлопаточных каналах, переменные на­ пряжения от вибрации со знакопеременной амплитудой. Лопатки также находятся под действием высокой температуры.

Заготовки лопаток турбокомпрессоров получают точным лить­ ем (по выплавляемым моделям) или штамповкой. Лопатки, от­ литые по выплавляемым моделям, почти не нуждаются в меха­ нической обработке, так как для заготовок припуски по перу не превышают 0,2—0,5 мм на сторону. Для турбокомпрессоров со степенью повышения давления л к > 2 и даже выше некоторые предприятия отливают заготовки лопаток без припуска на об­ работку пера. В этом случае лопатки только очищают от литей­ ных пригаров, а их кромки заправляют шлифовкой. Поверхности пера таких лопаток не имеют требуемой для них чистоты, на них возможны снижающие усталостную прочность дефекты. Литые лопатки применяют в нашей стране и за рубежом фирмы Бро­ ун — Бовер, Непир и др. Штампованные заготовки после соот­ ветствующей термической обработки фрезеруют или обрабаты­ вают на копировальных станках. При этом небольшой припуск, примерно 0,1—0,2 мм, оставляют под полировку. Из штампован­ ных заготовок изготовляют лопатки, которые рассчитаны на длительную работу в условиях вибрации при наличии высоких окружных скоростей и температур газов перед турбиной.

Такие лопатки применяют в нашей стране, а также фирмы Браш, МАН и др.

Вместо механической находят применение электроискровая и электрохимическая обработка штампованных заготовок. Преи­ мущества этих способов особенно проявляются при изготовлении лопаток из труднообрабатываемых’ сталей и сплавов. Так как электроискровая обработка нарушает на определенной глубине сплошность металла, что снижает его усталостную прочность, то дается несколько увеличенный припуск (до 0,5 мм), который

242

снимается при отделочных операциях. Электроискровая обработ­ ка позволяет изготовлять целиком рабочие колеса осевых и ра­ диальных турбин, а также вращающиеся спрямляющие аппара­ ты со сложной пространственной формой. Лопатки, изготовлен­ ные с помощью электроискровой обработки, нашли применение в некоторых конструкциях турбокомпрессоров, выпускаемых в Советском Союзе (например, в турбокомпрессоре ТК-23 (2ТК) [25], который рассчитан на лк = 3,5 и температуру газов перед турбиной 700° С и др.).

Профиль лопаток определяет форму межлопаточных каналов рабочего колеса турбины. Он должен тщательно контролиро­ ваться, иначе может быть нарушена форма каналов, а также статическая и вибрационная прочность лопаток. Для лопаток длиной 35—70 мм допуски на размеры профиля обычно не пре­ вышают 0,3 мм. На толщину выходной кромки следует давать еще более жесткий допуск. Это объясняется тем, что в большин­ стве случаев усталостные разрушения лопаток начинаются со стороны тонкой выходной кромки, на которой концентрируются напряжения, и ее чрезмерное утонение недопустимо. Поперечные следы от механической обработки снижают усталостную проч­ ность лопаток, так как они также являются местом концентра­ ции напряжений. Поэтому входные и выходные кромки нагру­ женных лопаток рекомендуется полировать только в продольном направлении. На готовых лопатках вообще не должны допус­ каться риски, раковины, подрезы и другие дефекты, так как они являются очагами появления усталостных трещин. Поверхност­ ные дефекты пера лопаток выявляются люминесцентным спосо­ бом или цветной дефектоскопией. Внутренние дефекты материа­ ла лопаток выявляют с помощью рентгеноскопии.

Материал лопаток должен обладать высокой прочностью, пластичностью, сопротивляемостью ползучести и малой чувстви­ тельностью к надрезам. При умеренных напряжениях и темпе­ ратуре газа перед турбиной до 550° С лопатки турбин изготов­ ляют из сталей ЭИ69, ЭЯ1Т, а при температуре до 550—600° С из стали ЭИ572 и др. Эти стали, обладают удовлетворительными литейными свойствами и применяются для изготовления лопа­ ток точным литьем, хорошо обрабатываются. При температурах газа до 700° С и повышенных напряжениях применяют стали ЭИ481, ЭИ612, ЭИ787. Они более дорогостоящие, труднее обра­ батываются, имеют худшие литейные качества. Сплавы на нике­ левой основе ЭИ765, ЭИ437Б и др. содержат до 80% никеля, дорогостоящие и применяются при температуре газов перед соп­ лами до 700—750° С. Литейные сплавы типа АНВ-300, ЖС6К и др. обладают высокой жаростойкостью, но сравнительно низ­ кими показателями по пределу усталости. Широкого применения для лопаток турбин ТК эти сплавы не получили. Сведения о длительной прочности некоторых из указанных выше сталей и сплавов при работе в различных температурах в течение

10 тыс. ч приведены в табл. 5. Данные о прочности литых ста­ лей. применяемых для изготовления турбинных лопаток, приве­ дены в табл. 6.

6. Длительная прочность литых жаропрочных сталей

Лопатки имеют сложную, как правило, переменную по высоте форму поперечного сечения. При проектировании их обычно сна­ чала профилируют, а затем делают расчет на прочность, кото­ рым определяют действующие напряжения, запасы прочности и сравнивают их с принятыми нормами. Существующие методы расчета позволяют довольно точно определить действующие на­ пряжения в различных сечениях лопаток. Однако часто наблю­ даются разрушения лопаток и их замков, которые по расчету имели достаточный запас прочности по напряжениям от центро­ бежных сил. Анализ таких поломок показывает, что они являют­ ся следствием переменных напряжений, возникающих от резо­ нансных вибраций лопаток, которые вызываются возмущающи­ ми силами, действующими на лопатки при неравномерном по окружности подводе газа, неуравновешенности ротора и т. п. Частота приложения возмущающей силы обычно кратна частоте вращения ротора пТк, т. е. / = пткК, где порядок гармоники К — целое число. Резонанс наступает при совпадении частоты собственных колебаний лопаток с частотой вынужденных коле­ баний (возмущающих сил). Зоны резонансных колебаний лопа­ ток могут быть довольно точно установлены. Для этого в лабо­ раторных условиях определяют частоту собственных колебаний, зная которые строят частотную диаграмму и определяют частоту вращения ротора, при которой наступают резонансные коле­ бания [25].

Хвостовики лопаток, если через них проходит узловая линия колебаний, также подвержены переменным напряжениям. Их разрушения обычно связаны с колебаниями по первой изгибной форме. Так, у одного из турбокомпрессоров фирмы Зульцер при форсировке двигателя по мощности частота вращения ротора увеличилась приблизительно на 10%. В связи с этим стали на­ блюдаться случаи усталостного разрушения елочного хвостовика по первому пазу. Проведенные тензометрические исследования выявили, что в рабочем диапазоне частот вращений ротора имеется несколько резонансных зон колебаний лопаток, начиная с 10-й гармоники и выше (рис. 171). Частота собственных коле­ баний лопаток была равна 2100—2250 Гц, а амплитуда перемен-

244

плитуду напряжений на поверхности пера лопатки. До форси­ рования же двигателя наиболее опасная 10-я гармоника была за пределом рабочей частоты вращения ротора, и поломок ло­ паток не было. Причиной резонансных колебаний лопаток была, как показали исследования, неравномерность потока по окруж­ ности вследствие подвода газа по четырем впускным патрубкам. После того как лопатки были прошиты бандажной проволокой, их резонансные колебания были устранены.

Рис. 171. Зависимость напряжений в замке лопатки тур­ бокомпрессора фирмы Зульцер от порядка гармоники колебаний К

В каждой новой модели турбокомпрессора необходимо тензометрированием устанавливать уровень переменных на­ пряжений, возникающих от вибрации, и достаточность запаса усталостной прочности лопаток для заданного срока службы. Тензометрирование необходимо также и в том случае, когда меняются профиль лопаток, газоподводящие и газоотводящие патрубки. На основе результатов тензометрирования опреде­ ляют расположение резонансных зон, возбуждающие гармони­ ки и их источники, уточняют формы колебаний лопаток в рабо­ чих условиях. Полученные значения переменных напряжений от вибрации служат критерием для оценки надежности лопаток. Запас усталостной прочности профильной части лопатки опре­ деляется по известной формуле

max

где. оа — амплитуда допустимых переменных напряжений асим­ метричного цикла; щт ах— амплитуда максимальных перемен­ ных напряжений от вибрации, замеренная при тензометрировании в рабочих условиях.

2 4 5

Допустимую амплитуду переменных напряжений оа необ­ ходимо определять с учетом влияния постоянных напряжений растяжения, действующих на лопатку, а также учитывать и влияние профиля, так как вследствие сложной формы, нерав­ номерности напряженного состояния, концентраторов напря­ жений и чувствительности к ним материала прочностные свой­ ства лопаток отличаются от свойств образцов. Установлено, что разрушения лопаток, нагруженных одновременно статическими и переменными нагрузками, наступают при меньших напря­ жениях по сравнению с гладкими образцами. Для определения допустимой величины амплитуды переменных напряжений используют результаты экспериментальных исследований [25]. Опыт показывает, что для надежной работы лопаток запас дол­ жен быть Кѵ ^ 3,0. Несколько меньшие запасы прочности могут быть допущены только для кратковременных режимов работы лопаток.

Если тензометрированием установлено, что переменные напряжения в лопатках имеют недопустимые значения и коэф­ фициент запаса по усталостной прочности недостаточен, то разрабатывают мероприятия по их уменьшению. Снизить пере­ менные напряжения от вибрации можно:

1. Уменьшением неравномерности потока газа перед рабо­ чими лопатками. Это в первую очередь достигается тщательным профилированием и отработкой газоподводящих патрубков. Известно, что улиточные подводы обеспечивают более равно­ мерный подвод газа к турбине, чем «встречные» патрубки. Не­ которого выравнивания потока можно достигнуть увеличением зазора между рабочими и сопловыми лопатками. Проведенные фирмой ККК исследования показывают, что увеличение объема газоподводящих патрубков снижает величину резонансных напряжений от вибрации лопаток (увеличение объема на 50% снизило, по данным фирмы, напряжения в лопатках ЦСТ на 30%).

2. Применением бандажей на лопатках (аналогично тому, как это делается в газотурбинных двигателях и паровых турби­ нах). Однако из-за технологических трудностей и высоких окружных скоростей этот способ уменьшения напряжений в ло­ патках турбокомпрессоров для наддува дизелей не получил еще распространения. Бандажированные лопатки применялись в опытных конструкциях типа ТК-30, ТК-34 и др.

3. Демпфированием лопаток, т. е. путем искусственного увеличения сил трения, снижающих амплитуду колебаний. Наибольшее распространение в практике нашло демпфирование с помощью бандажной проволоки. Этот способ применяется в турбокомпрессорах как отечественными заводами, так и зару­ бежными (фирмы Броун-Бовери, Браш, Зульцер и др.). Следует отметить, что наличие бандажной проволоки снижает к. п. д. турбины на 2—4%.

246

4. Увеличением момента сопротивления корневых сечений лопатки.

Наряду с уменьшением напряжений изгиба от вибрации при этом одновременно увеличивается и частота собственных коле­ баний лопатки, т. е. меняется ее вибрационная характеристика. Резонансная зона смещается в область более высоких частот вращения и может быть выведена за рабочий диапазон [25].

Усталостную прочность лопатки можно повысить некоторым улучшением ее формы, ликвидацией острых кромок, улучшени­ ем отделочных операций и т. п. Этого же можно достигнуть, если применить материал с более высоким пределом усталости или соответствующую технологию изготовления (например, штамповку лопаток вместо их отливки).

3)

Рис. 172. Основные типы замочного соединения турбинных лопаток:

а — цилиндрическое; б — Т-образное; в — вильчатое; г — елочное; д — сварное

Соединение рабочих лопаток с диском может быть разъем­ ным или неразъемным. Разъемное соединение осуществляется с помощью замков различной конструкции. В турбокомпрессо­ рах для наддува дизелей применяют следующие основные типы замков (рис. 172):

1. Замок типа Лаваля — цилиндрический. Для изготовления его требуется несложное технологическое оборудование. Так как шаг обычно небольшой, то лопатки с таким замком выпол­ няют попеременно то с длинной, то с короткой ножкой. Недо­ статком соединения этого типа является возникновение при несовпадении центра тяжести лопатки с осью ее ножки больших напряжений изгиба, что может привести даже к разрушению ножки. Цилиндрические замки применяют в турбокомпрессорах низкой и средней напорности (например, ТК-34 (9В), БроунБовери и др.).

2.Замки Т-образные. Такие замки могут воспринимать срав­ нительно небольшую нагрузку и применяются в низконапорных турбокомпрессорах для мощных судовых дизелей.

3.Замки вильчатые (крепятся шпильками). Изготовляются универсальными инструментами. Имеют высокую прочность и жесткость. Применяются также в турбокомпрессорах мощных судовых дизелей.

247

4. Замки елочного типа. Такие замки изготовляются специ­ альными фрезами и протяжками. Для устранения температур­ ных напряжений в «елочном» соединении необходимо преду­ сматривать зазор между телом лопатки и пазом диска. Этот зазор может быть использован также для организации охлажде­ ния лопаток и колеса турбины продувкой воздуха. «Елочный» замок получил широкое распространение. Он применяется в турбокомпрессорах средней и высокой напорности.

Лопатки также могут привариваться к колесу или отливаться с ним как одно целое.

Соединение лопаток с колесом при помощи сварки техно­ логично, поэтому при производстве можно применять автомати­ ческие сварочные аппараты. Оно применяется в турбокомпрес­ сорах с умеренной напорностью (як <2,5), в которых возмож­ но использование материалов с удовлетворительной сваривае­ мостью. Сварное соединение лопаток применяется как основное в ряде конструкций ТК в нашей стране, а также в некоторых конструкциях фирмы Броун-Бовери. Сварное соединение затруд­ няет ремонт роторов, лопатки которых по тем или иным при­ чинам получили повреждения.

Отливка лопаток как одно целое с диском обеспечивает высокую производительность при изготовлении. Однако кон­ троль качества профиля лопаток в этом случае затруднителен.

Как отмечалось выше, хвостовая часть лопаток, кроме напряжений растяжения и изгиба, вызываемых центробежными силами, может испытывать большие переменные напряжения, вызываемые вибрацией, на что указывает обычно усталостный характер ее разрушения. На надежность хвостовой части лопат­ ки значительное влияние оказывают неравномерность распре­ деления напряжений, радиусы скруглений и переходы, которые

тивления опасного сечения замка и пера лопатки. Например, для обеспечения примерной равнопрочное™ профильной части ло­ патки и «елочного» замка при действии вибрационных нагрузок рекомендуется следующее соотношение между моментом сопро­ тивления замка W3 и пера Wn лопатки [7]: W3 І2 > 2,5 Wu.

РАБОЧИЕ КОЛЕСА ЦЕНТРОБЕЖНЫХ КОМПРЕССОРОВ И РАДИАЛЬНЫХ ЦЕНТРОСТРЕМИТЕЛЬНЫХ ТУРБИН

Колеса центробежных компрессоров выполняют составными или цельными. В составном колесе отдельно выполняют диск колеса с радиальными лопатками и осевую часть колеса — вра­ щающийся направляющий аппарат. Чтобы уменьшить возмож­ ность вибрационного разрушения, стык между лопатками коле­ са и ВНА по внешнему их диаметру делается плотным, с

248

натягом 0,05—0,2 мм. Радиальная часть колеса изготовляется обычно фрезерованием, а осевая — или фрезерованием по копи­ рам, или литьем по выплавляемой модели. Так как фрезерова­ ние вращающегося направляющего аппарата трудоемко, такой способ целесообразно применять только для высоконапорных компрессоров. При изготовлении единичных образцов вращаю­ щегося направляющего аппарата профиль лопаток может быть получен на координатном станке с последующей слесарной доводкой. Для изготовления радиальной части составных колес, а также ВНА используют алюминиевые сплавы Д 1, АК4, АК6 и др. При литье по выплавляемым моделям применяют легиро­ ванные и конструкционные стали [например, у турбокомпрес­ соров типа ТК-34 вращающиеся направляющие аппараты изготовляли из стали 2X13].

Целые колеса изготовляет, например, фирма МАН. Межло­ паточные каналы колес турбокомпрессора фирмы МАН образо­ ваны приваренными к диску лопатками. Широкое применение получили целые колеса из алюминиевых сплавов типа АЛ4, отливаемые в кокиль. Механические свойства тангенциальных образцов, вырезанных из литой заготовки отлитого в кокиль колеса компрессора после термообработки по режиму Т-6 при различных температурах, приведены в табл. 7.

7. Зависимость характеристик алюминиевого сплава АЛ4 от температуры

Обладая хорошей технологичностью и низкой трудоемко­ стью, цельнолитые колеса имеют и удовлетворительную проч­ ность. Так, проведенные исследования с применением электро­ тензометрии и лаковых покрытий показали, что колеса турбо­

сутствовала. Отсюда можно сделать вывод, что при тщательно спрофилированной конструкции литые колеса компрессоров

сах радиальную' часть колеса обычно изготовляют фрезерова­

249

Целые колеса радиальных центростремительных турбин изго­ товляют точным литьем по выплавляемым моделям, фрезерова­ нием и электроискровой обработкой. Первый способ нашел особенно широкое применение в турбокомпрессорах автотрак­ торных двигателей, а также двигателей небольших мощностей. Колеса турбин сравнительно больших размеров (например, турбокомпрессоров типа Де-Лаваль) получают в виде отливок.

Так как для турбинных колес применяют жаропрочные сплавы, трудно поддающиеся механической обработке, то из­ готовление их фрезерованием не получило широкого распро­ странения. Электроискровая обработка применяется в турбо­ компрессорах, предназначенных для работы с повышенными окружными скоростями и температурами. По сравнению с лить­ ем этот способ более трудоемок, так как дается повышенный припуск (до 0,5 мм) на отделочные операции. Однако он позво­ ляет изготовить рабочие колеса и спрямляющие аппараты радиальных турбин со сложной пространственной формой из труднообрабатываемых сталей и сплавов, обладающих пло­ хими литейными свойствами (например, ЭИ612, ЭИ787, ЭИ437Б

идр.). Колеса ЦСТ для ТК, устанавливаемых на автотрактор­ ные двигатели, отливают из сталей типа ЭИ572, сплава AHB-3Ö0

идр. В зарубежной практике для этого используют сплавы стеллит и нимоник с высоким содержанием никеля.

Поломки колес, как и поломки турбинных лопаток, обычно происходят вследствие усталостных разрушений от вибрации. При проектировании лопатки колес стремятся сделать возмож­ но более тонкими, чтобы уменьшить загромождение межлопа­ точных каналов и напряженность диска. Однако тонкие лопатки

может оказаться опаснее первой. По 1-й форме колеблется вся лопатка относительно места заделки, а по 2-й форме имеется два колеблющихся участка.

Во избежание совпадения частот собственных колебаний с частотой возмущений, необходимо при проектировании ориен­ тировочно определить оба эти фактора. Частоту собственных колебаний лопаток можно определить по эмпирической форму­ ле, которая дает удовлетворительное совпадение с эксперимен­ тальными данными [33]:

250

требуется сравнить с частотой возмущений, которые вызывают­ ся условиями на входе газа в колесо или на выходе из него. Эта частота обычно кратна частоте вращения ротора, числу лопаток (ребер) или патрубков, расположенных перед или за рабочим колесом. Например, частота возмущения /в от лопаток сопло­

компрессоров типа ТКР-40В и ТК-34С (4ТК.) приведены ниже. Тензометрические датчики наклеивались в местах максималь­ ных напряжений по результатам предварительно проведенных исследований на электродинамическом стенде. У лопаток вра­ щающегося направляющего аппарата в рабочем диапазоне имелось семь резонансных зон (низшая гармоника 7-я); ам­ плитуда возникающих при этом переменных напряжений дости­ гает съ = ±28 МН/м2. У лопаток осевой части колеса компрес­ сора (рис. 174) зафиксировано четыре резонансных зоны (низ­ шая гармоника 6-я), амплитуда возникающих при этом пере­ менных напряжений достигает оѵ = ±19 МН/м2. В радиальной части этого колеса (датчик № 2) резонансных зон не было обна­ ружено. В обоих случаях во входном устройстве было по шести ребер. Вращающийся направляющий аппарат был изготовлен из алюминиевого сплава АК6, а колесо компрессора — отлив­ кой в кокиль из алюминиевого сплава АЛ4. Можно считать, что

251