книги / Осевые и центробежные компрессоры двигателей летательных аппаратов. Теория, конструкция и расчет
.pdfХвостовик елочного типа применяется и в длинных лопатках пер вой ступени вентилятора ТРДД с большой степенью двухконтурности (рис. 9.13), так как такое соединение способно воспринимать большие нагрузки при меньших размерах замковой части по сравнению с дру гими типами хвостовиков. Осевая фиксация лопатки в пазу диска осу ществляется с помощью деталей 1 и 2 ротора.
В компрессорах малоразмерных ГТД лопатки имеют малую высо ту, хорду, а следовательно, и малый шаг решетки. В этом случае при индивидуальной посадке лопаток возникают трудности с обеспечени ем прочности тонких перемычек между отдельными пазами в диске. Поэтому в таких компрессорах используется посадка лопаток в коль цевую проточку (рис. 9.14), соответствующую трапециевидному или «елочному» хвостовику. Лопатки в этом случае последовательно заво дятся в паз через специальные фрезерованные пазы, которые после установки всех лопаток заглушаются.
Для крепления лопаток на диске используется также шарнирное соединение, показанное на рис. 9.15. В лопатках с таким соединением уменьшаются напряжения от изгиба, улучшаются вибрационные харак теристики и увеличивается демпфирование колебаний.
Лопатка 1 имеет ножку 2, которая входит с небольшим осевым за зором в кольцевой паз диска. В щеках обода диска 3 и ножке 2 име ются отверстия, в которые вставляются палец 8. В щеках обода палец посажен с натягом. Между пальцами и стальной втулкой 7, запрессо ванной в ножку, имеется зазор, равный 0,5—1,5 мм в зависимости от диаметра пальца. Полый палец от осевого перемещения фиксируется крышками 4 и 9, которые в свою очередь удерживаются от перемеще ния развальцованной трубкой 5. Запрессованная в трубку заглушка б препятствует перетеканию воздуха из полости за лопаткой на вход.
Недостаточная прочность этого соединения допускает возмож ность его применения при окружной скорости на периферии не более 320 м/с. Следует заметить, что вес диска с лопатками при шарнирном соединении примерно на 20% выше, чем при использовании соедине ния типа «ласточкин хвост». Кроме того, при шарнирном соединении на диске размещается меньше лопаток, т.е. уменьшается густота рабо чей решетки и, следовательно, напорность ступени.
Указанные недостатки ограничивают широкое применение шар нирного соединения.
Аэродинамические усилия, действующие на рабочую лопатку в осевом направлении, в несколько раз меньше сил трения, обусловлен ных центробежными силами в замковых соединениях. Поэтому для фиксации лопатки в осевом направлении не делаются массивные крепления. Чаще для этих целей используются пластины различной формы, штифты, пружинные кольца.
На рис. 9.16 и 9.17 показана фиксация с по |
|
|
|
мощью пластин. |
|
|
|
Недостаток фиксации с помощью пластин |
|
|
|
обусловлен тем, что при такой фиксации затруд |
|
|
|
нена точная установка лопаток в осевом направ |
|
|
|
лении и искажается геометрия решетки. Поэто |
|
|
|
му в ряде конструкций перемещению лопатки |
|
|
|
в одну сторону препятствует выступ на хвосто |
|
|
|
вике (рис. 9.18 и 9.19). На рис. 9.18 от переме |
|
|
|
щения влево лопатку фиксирует пластин# 2, |
|
|
|
на рис. 9.19 — кольцо 2, а вправо — выступ 1 |
|
|
|
в ножке лопатки. Лопатка вентилятора, пока |
F |
=1 |
|
занная на рис. 9.20, своей полкой упирается в |
|||
выступ 1 на диске, а перемещению в другую |
|
5 |
|
сторону препятствует кольцо 2. |
|
||
Рис. 9.16. Осевая фикса |
|||
Фиксация с помощью выступов точна, но |
|||
ция лопатки с по |
|||
изготовление лопаток и дисков в этих случаях |
мощью пластин: |
||
усложняется. |
а — пластина в рабо |
||
Фиксация с помощью осевого штифта |
чем положении; |
||
б — пластина до уста |
|||
(рис. 9.21) устраняет перемещение лопатки |
|
новки в паз |
вдоль паза, так как ось паза и ось штифта пе рекрещиваются. Штифт может быть гладким или резьбовым, и после
установки его закернивают. Для разборки соединения штифт высвер ливают и заменяют новым (ремонтным) большего диаметра.
На рис. 9.22, а показана фиксация с помощью пружинного кольца. В хвостовиках лопаток и межпазовых выступах диска выполнены пазы 4 (рис. 9.22, б), образующие при сборке кольцевую канавку, в которую заводится разжимное пружинящее кольцо 1. Это кольцо препятствует смещению лопатки в обе стороны.
От перемещения в окружном на правлении кольцо фиксируется сто пором 3. Отверстия 2 в диске дела ются для демонтажа стопорного
|
кольца. |
|
Недостаток фиксации кольцами |
|
связан со сложностями изготовле |
Рис. 9.17. Фиксация лопатки с по |
ния колец большого диаметра и не |
мощью пластин: |
обходимостью точного соответствия |
а — вид в меридиональной плоско |
паза в лопатках и диске. |
сти; б — вид с торца диска |
Диски компрессоров. Диск в общем случае состоит из трех основ ных элементов: обода 1, полота 2 и ступицы 3 (рис. 9.23). Обод пред ставляет собой уширенную периферийную часть диска, на которой крепятся рабочие лопатки компрессора. Полотно диска обычно выпол няют коническим в сечении, однако если позволяют условия прочно сти, то тонкие диски иногда делают с постоянной по радиусу толщи ной. Возможно сочетание участков с постоянной толщиной и кониче ских.
Часто диски компрессоров в меридиональной пло скости имеют коническую или криволинейную форму полотна, что приводит к возникновению дополнитель ных напряжений от изгиба центробежными силами.
Ступица представляет собой уширенную часть по лотна диска, выполненного с центральным отверсти ем. Наличие ступицы уменьшает тангенциальные на пряжения на внутренней поверхности полотна такого диска. На ступице могут выполняться элементы соеди нения дисков между собой или с валом. В некоторых конструкциях дисков ступица играет роль цапфы, с помощью которой ротор опирается на подшипник.
Переход от одной части диска к другой должен быть плавным с галтелями по возможности большого радиуса для уменьшения концентрации напряжений. Для повышения усталостной прочности дисков их ос новная поверхность (включая и галтели) чисто обраба
тывается (с шероховатостью ^ )» так как наличие рисок приводит к концентрации напряжений и способствует развитию
газовой коррозии при высоких температурах. При изготовлении дисков их толщина выдерживается с допуском в тело порядка 0,1—0,3 мм.
Кроме основных элементов на диске могут быть буртики лабирин тных уплотнений, оболочки для крепления диска к валу или для сое динения дисков между собой и т.п.
На рис. 9.24 показан диск с широко развитой ступицей, на внут ренней поверхности которой выполнены два ряда прямоугольных шлиц 1 и 3 для передачи крутящего момента с вала. Чтобы не вносить концентрацию напряжений в ступице под полотном, шлицы выполне ны по ее краям, где напряжения малы. Резьбовые отверстия 2 исполь зуются для крепления съемника при разборке ротора.
На рис. 9.25 дан диск одноступенчатого вентилятора, имеющего несимметричный профиль полотна 5. На ступице 2 имеются эвольвентные шлицы 7, передающие крутящий момент от вала. Пояски 6 и 8 служат для центрирования диска на валу. Кольцевая канавка 1 на сту пице предусмотрена для крепления съемника при разборке диска с ва-
9.2. РОТОРЫ КОМПРЕССОРОВ. КОНСТРУКТИВНОЕ ВЫПОЛНЕНИЕ СОЕДИНЕНИЙ СЕКЦИЙ
ВРОТОРАХ СМЕШАННОЙ И ДИСКОВОЙ КОНСТРУКЦИЙ
Визготовленных авиационных ГТД конструкции роторов компрес соров весьма разнообразны. Можно выделить три основных типа: ба рабанный, дисковый, смешанный (дисково-барабанный).
Роторы барабанного типа (рис. 9.30, а, б) представляют собой кольцевую деталь цилиндрической, конической или ступенчатой фор мы в меридиональном сечении, чаще всего изготавливаемую из одной заготовки. В роторах подобного типа крутящий момент на лопатки пе редается через стенку барабана. На барабане имеются кольцевые про точки, по форме отвечающие хвостовику рабочих лопаток, в количе стве, соответствующем числу ступеней компрессора. Барабанная часть ротора соединяется с фланцами цапф призонными болтами.
г
Рис. 9.30. Схемы роторов:
а, б — роторы барабанного типа; в — ротор дискового типа; г — ротор смешанного типа
Достоинством таких типов роторов является простота конструк ции, большая поперечная жесткость, что уменьшает прогибы ротора под действием статических и переменных поперечных нагрузок и зна чительно повышает критическую частоту вращения ротора. Это позво ляет назначать минимальные монтажные радиальные зазоры между торцами рабочих лопаток и корпусом компрессора.
Основной недостаток этого типа роторов — небольшие (180—200 м/с) окружные скорости на наружном диаметре барабана, ограниченные ус ловиями его прочности. При больших габаритах ротора возникают трудности с изготовлением заготовки с равномерным гарантирован ным распределением по всей длине высоких механических свойств ма териала. Большое количество материала уходит в стружку при меха нической обработке. Все это снижает технологические достоинства схемы, поэтому барабанный тип ротора применяется только в компрес сорах малоразмерных двигателей (например, вертолетных).
Роторы дискового типа (рис. 9.30, в) имеют соединенные с валом специально спрофилированные диски, на периферии которых крепят ся рабочие лопатки. Диски обладают большой прочностью и допуска ют на своем наружном диаметре окружные скорости 250—350 м/с. Ос новным недостатком такой конструкции является меньшая (по сравне нию с барабанным типом) изгибная жесткость ротора, большая конст руктивная и производственная сложность.
Наибольшее распространение в современных двигателях находят роторы смешанного типа (рис. 9.30, г), сочетающие в себе достоинства роторов барабанного и дискового типов. Барабанная часть выполняет ся на таком радиусе, на котором обеспечивается ее прочность, и в то же время создается большая изгибная жесткость. В роторах подобного типа используются разнообразные способы соединения между собой отдельных секций. Однако прежде чем рассмотреть примеры конст руктивного выполнения соединений секций следует отметить, что сре ди выполненных компрессоров не всегда встречаются схемы роторов, точно соответствующие какому-нибудь одному из упомянутых выше типов. Это объясняется многообразием условий и требований, предъ являемых к той или иной конструкции.
Рассмотрим особенности некоторых более сложных схем роторов. На рис. 9.31 показан ротор, со
стоящий из двух ступеней венти лятора и двух подпорных ступе ней. П оследние расположены консольно, что сокращает рассто яние между опорами. Так как под порные ступени имеют неболь шие окружные скорости, это по зволяет заключить их не на дис ках, а на кольцевых элементах 2 с фланцами. Все элементы ротора соединены призонными болтами.
Трехступенчатый ротор компрессора низкого давления (рис. 9.32) крепится призонными болтами к фланцу вала 3 консольно. Диск вто рой ступени 1 изготовлен заодно с кольцом 2, несущим рабочие ло патки третьей ступени. Это позволяет расположить опору ближе к об щему центру тяжести ротора и тем уменьшить изгибающий момент на валу в сечении под опорой. Для крепления лопаток всех трех ступеней использовано шарнирное соединение.
На рис. 9.33 изображена схема шестиступенчатого компрессора, у которого диски первых трех ступеней крепятся призонными болтами консольно к конической оболочке 7. Оболочка выполнена заодно с пе редней цапфой. Теми же болтами к оболочке крепятся три последую щих диска, соединенные между собой сваркой. Передняя цапфа, по следний диск и общий вал 2 компрессора и турбины соединены при зонными болтами. Таким образом, в этой схеме использована замкну тая силовая связь трех последних дисков, обеспечивающая большую жесткость ротора.
Роторы смешанной конструкции по способу соединения могут быть разъемными и неразъемными. Применение разъемных соедине ний предпочтительно, так как проще осуществляется замена отдель ных секций при ремонте. Иногда же применение таких соединений диктуется условиями сборки двигателя. Однако неразъемные соедине ния обладают большой жесткостью и меньшим весом.
На рис. 9.34 показана схема сварного ротора компрессора. Диски всех девяти ступеней соединены между собой аргонодуговой или электронно-лучевой сваркой по тонким кольцевым буртам, сделанным заодно с дисками (рис. 9.35). Соединение секций выполнено на макси мальном диаметре дисков, что обеспечивает высокую жесткость рото ра. После сварки все швы контролируются, а ротор проходит термо обработку для снятия внутренних напряжений.
К любому виду соединений секций в роторах смешанной конструк ции предъявляются следующие общие требования:
прочность и надежность узла при передаче крутящего момента и осевого усилия;
взаимная центровка деталей в холодном и горячем состояниях для сохранения балансировки ротора;
простота, технологичность и малый вес.
Рассмотрим некоторые наиболее распространенные типы соедине ний.
На рис. 9.36 показан в качестве примера ротор четырехступенчато го осевого компрессора смешанной конструкции, состоящий из сталь ных дисков 7 с барабанными участками 2. Секции ротора напрессова ны друг на друга и заштифтованы. Передача крутящего момента осу ществляется за счет натяга и запрессованных штифтов 3. Глухие от верстия под эти штифты сверлятся и развертываются в пазах для ло-