книги / Осевые и центробежные компрессоры двигателей летательных аппаратов. Теория, конструкция и расчет
.pdf/
Рис. 9.32. Консольный ротор |
Рис. 9.33. Ротор с замкнутой силовой |
трехступенчатого компрессора |
связью элементов |
Рис. 9.35. Конструкция сварных секций ротора компрессора
паток в собранной секции. Сквозные отверстия под штифты делаются лишь там, где можно легко удалить стружку. Внутренние полости, об разующиеся между дисками, сообщаются между собой или через цен тральные отверстия либо через специальные отверстия, выполненные в теле дисков. В свою очередь внутренняя полость через отверстия в цилиндрической части барабана сообщается с проточной частью. Та ким образом, во всей полости ротора устанавливается одинаковое дав ление, чем устраняются осевые нагрузки на диски. Гребешки уплотне ний, сделанные на барабанных частях секций, устраняют перетекание воздуха через радиальные зазоры между ротором и направляющими лопатками.
На рис. 9.37 показан ротор, в котором секции соединяются после довательно с помощью призонных болтов 6. Секции различаются кон струкцией. Так, первая секция состоит из цапфы 7, диска 2 с барабан ным участком 3 и фланцами 4. Другие секции представляют собой только диск, а трактовая часть между ними заполняется кольцом 5, образующим барабанную часть.
Отверстия для призонных болтов сверлятся и развертываются совме стно в каждой секции либо выполняются с помощью сопряженных кон дукторов. Чтобы болты не выпадали из отверстий во время сборки, они удерживаются во фланцах с помощью пружинных колец 7, вставленных
в специально проточенные канавки. Ротор такого типа, благодаря бол товому креплению и наличию фланцев, обладает большой поперечной жесткостью. Таким образом, в подобных конструкциях передача кру тящего момента и взаимная центровка деталей осуществляется только
призонными болтами. Необходимо |
|
|
отметить, что в подобных конструк |
|
|
циях сам болт и гайка должны быть |
|
|
зафиксированы от отворачивания. |
|
|
Для этого на головке болта делается |
|
|
лыска (рис. 9.38, вид А), а под гайку |
|
|
2 подкладывается контровочная отгиб- |
|
|
ная пластина 7. |
|
|
Фиксация болта 2 от выпадения |
|
|
из отверстия при сборке может быть |
|
|
осуществлена с помощью разрезных |
|
|
колец 7, как показано на рис. 9.39. |
Рис. 9.38. Соединение дисков с по |
|
Узел соединения двух дисков |
мощью призонных болтов |
|
компрессора 4 и 8 с оболочками 2 и |
|
|
9 соседних дисков и цапфой 73 изображен на |
|
|
рис. 9.40. Между дисками расположено кольцо 7 |
|
|
П-образного сечения. Все элементы соединяют |
|
|
ся стяжками 5. Поскольку соединяемые детали |
|
|
тонкостенные, для устранения их изгиба при за |
|
|
тяжке гаек в отверстия, выполненные во флан |
|
|
цах проставки 7, устанавливаются дистанцион |
|
|
ные втулки б. Применение болтов с головками |
|
|
здесь невозможно, так как из полости А мешает |
Рис. 9.39. Фиксация |
|
установить длинный болт коническая оболочка |
призонного болта |
2. Если же головку болтов расположить вместо гайки 77, то оказывается невозможным доступ к гайке 7, так как по
лость А при сборке замкнута. От отворачивания гайка 7 фиксируется гранью по цилиндрическому пояску 3, а гайка 77 — пластинчатым замком 72. На правом торце стяжки 5 выполнен четырехгранник 70, за который она удерживается от про ворачивания при затяжке гайки 77.
С помощью аналогичных про |
|
ставок и втулок одним болтом или |
|
стяжкой можно соединить несколь |
|
ко дисков. |
|
На рис. 9.41 показан ротор, в ко |
|
тором диски, имеющие барабанные |
|
участки 7, скреплены между собой |
|
стяжными болтами 3. Радиус распо |
|
ложения барабанных участков и |
Рис. 9.40. Соединение дисков между |
болтового соединения выбирается |
собой и валом |
|
Треугольные шлицы обеспечивают центровку и передачу крутяще го момента. Постоянство сборки гарантируется метками или одним широким шлицем.
Конструкции опор, валов, соединительных муфт, силовые схемы двигателя приводятся в специальной литературе или других учебни ках [4, 5, 9].
9.3. КОНСТРУКЦИЯ КОРПУСОВ И ВОЗДУШНЫХ УПЛОТНЕНИЙ. РЕГУЛИРОВАНИЕ РАДИАЛЬНОГО ЗАЗОРА
В СТУПЕНЯХ КОМПРЕССОРОВ
Корпус компрессора представляет собой полый цилиндр или усе ченный конус, в зависимости от типа проточной части выполненный в виде цельной или разъемной конструкции. Разъем может быть сделан в плоскости оси ротора (рис. 9.43, а) или перпендикулярно ей (рис. 9.43, б). В последнем случае число секций корпуса соответ ствует числу ступеней компрессора. Корпус с горизонтальным разъ емом позволяет осуществить сборку компрессора с окончательно со бранным и сбалансированным ротором. В случае неразъемного корпу са сборка компрессора производится с торца.
Ш
Рис. 9.43. Конструктивное выполнение элементов корпуса компрессора
Корпуса компрессоров отливаются из алюминиевых сплавов или свариваются из листовой стали или титанового сплава. Соединение частей корпуса друг с другом осуществляется с помощью фланцев, которые одновременно увеличивают жесткость конструкции. Однако неравномерная жесткость разъемного корпуса (меньшая в плоскости, перпендикулярной разъему, и большая в плоскости разъема) приводит
к неравномерному тепловому расширению корпуса и короблению его при нагревании. Это характерно для литых алюминиевых корпусов. Поэтому с наружной стороны корпуса компрессора необходимо делать оребрение, добиваясь примерно одинаковой жесткости. Необходимая прочность корпуса при тонких стенках обеспечивается горизонтальны ми и кольцевыми ребрами.
Центровка секций корпуса с поперечным разъемом осуществляется или с помощью посадочных цилиндрических поясов (рис. 9.43, узлы II и III ) или с помощью призонных болтов (рис. 9.43, узел IV). Если крепление фланцев выполнено по типу узлов II, III, IV и болт вверты вается в мягкий металл — сплав алюминия, то необходима предвари тельная постановка футорок 4 (см. узел П1), изготовленных из бронзы или латуни и ввернутых в корпус с небольшим натягом по среднему диаметру наружной резьбы. Контровка болтов выполняется с по мощью отгибных шайб или специальных фигурных головок болтов с упором их в плоскость (узлы II, IV).
Центровка обеих половин корпуса, имеющего горизонтальный разъем, обеспечивается цилиндрическими штифтами 1 (рис. 9.43,а узел 1), устанавливаемыми с небольшим натягом. Поэтому при разбор ке для предохранения от повреждения поверхности стыка рекоменду ется применять специальные съемники, состоящие из ввертываемых в
отверстия 2 болтов и упирающиеся в специальную заглушку 3- Минимальная толщина стенок в литых корпусах 3— 6 мм, а в свар
ных 1,5—3 мм. В сварных конструкциях из листового материала для повышения жесткости корпус иногда выполняется в виде двух концен тричных оболочек, между которыми привариваются зигзагообразные ребра жесткости.
Для получения необходимой герметичности стыков раз* 6*11101,0 корпуса расстояние между болтами или шпильками берется в преде лах (6—10)rf, где d — диаметр болта или шпильки. Толщина фланца равна двум-трем толщинам стенки корпуса.
Корпус компрессора является силовым элементом и вклюяается в общую силовую схему двигателя. Передача усилий от переднего и за днего подшипников компрессора на корпус производится череВ специ альные радиальные связи, в качестве которых могут быть использова ны лопатки ВНА и спрямляющие лопатки последних ступеней комп рессора.
В процессе эксплуатации попадание посторонних пред*16™ » в том числе и птиц, в проточную часть двигателя может привес^11 к по~ ломке лопаток вентилятора и последующих ступеней. ПоэтОмУ Для удержания обломков лопаток при их разрушении и для обе</Дечевия статической прочности и вибропрочности корпус компрессор^ в Раио~ не вентиляторных ступеней усиливают путем намотки на него Эысокомодульных нитей.
Для уменьшения утечки воздуха между ступенями и после комп рессора применяются лабиринтные уплотнения. Различные схемы ла биринтных уплотнений показаны на рис. 9.44, а, б, в, г, и d, a в табл. 9.1 дано значение коэффициента расхода к для указанных схем.
Корпус
д
Рис. 9.44. Схема лабиринтных уплотнений
Как видно из таблицы, наиболее эффективным является уплотне ние типа г. Однако оно оказывается наиболее сложным в изготовлении и может быть применено только в компрессорах, имеющих продоль ный разъем корпуса.
При гладком вале более выгодно применение уплотнения б. Чис ло гребешков обычно выбирается от 4 до 7. Кромки гребешков не сле дует скруглять даже малым радиусом, так как это заметно снижает эффективность уплотнения.
Для уменьшения зазора 5 применяются (на неподвижных деталях) графитотальковые или графитоалюминиевые покрытия, представляю
щие собой пасты на лаковой основе, которые наносятся на шерохова тую поверхность корпуса, сушатся, а затем протачиваются резцом. Толщина покрытия после обработки 1—3 мм.
Осевой зазор между рабочими и спрямляющими лопатками выби рается в пределах 15—40% от величины хорды рабочей лопатки на среднем диаметре.
Выбор радиального зазора между рабочими лопатками и корпусом компрессора зависит от температурных деформаций корпуса, его же сткости, деформации ротора, производственных допусков на изготов ление и сборку деталей компрессора. Точно учесть все эти факторы трудно, поэтому окончательно монтажную величину радиального за зора определяют экспериментально при доводке компрессора, хотя расчетное определение величин гарантированного зазора с учетом влияния различных нагрузок является обязательным при проектирова нии компрессора и двигателя в целом.
Столь тщательное отношение к выбору радиального зазора связа но с тем, что радиальный зазор и КПД двигателя связаны между собой линейной зависимостью. Наиболее существенное влияние радиально го зазора на КПД двигателя и, следовательно, на удельный расход топлива наблюдается в компрессоре. Так, увеличение радиального за зора в компрессора на 1% приводит к возрастанию удельного расхода топлива CR на 1,5—3%, что ухудшает параметры двигателя.
В процессе эксплуатации двигателя радиальные зазоры не остают ся неизменными. Причинами, вызывающими изменение радиальных за зоров, являются силовые воздействия на статор и ротор двигателя, а также термические расширения их элементов на различных режимах работы. И хотя последнее обстоятельство наиболее характерно для турбин, где уровень температур гораздо выше, чем у компрессора, тем не менее в современных высоконапорных компрессорах эта причина становится особенно важной из-за высоких температур в последних ступенях и применения тонкостенных конструкций корпусов с целью уменьшения массы двигателя.
Поэтому в турбинах, а в последние годы и в компрессорах, особой проблемой являлось регулирование радиальных зазоров с целью под держания их минимальных величин в течение всего полетного цикла летательного аппарата. Для успешного создания турбомашин с такой системой регулирования радиальных зазоров необходимо иметь хро нограмму Аг=/(т) изменения радиальных зазоров по времени tfa всех режимах работы двигателя. В свою очередь расчет таких хронограмм на стадии проектирования требует надежных сведений о тепловом со стоянии деталей как на стационарном, так и на переходных режимах работы ГТД.
В настоящее время в отечественной и зарубежной литературе име ется мало сведений по закономерностям теплоотдачи от воздуха к раз
личным элементам проточной части осевых компрессоров. Это обсто ятельство затрудняет разработку простой инженерной методики рас чета теплонапряженного состояния элементов компрессора, а следо вательно, и построение хронограммы радиальных зазоров уже на на чальной стадии проектирования.
На рис. 9.45 показано качественное изменение радиального зазора Дг осевого компрессора с неохлаждаемым корпусом при изменении ре жима работы двигателя от режима малого газа до полной тяги (рис. 9.45,а) и при сбросе нагрузки (рис. 9.45,6). Как видно из рис. 9.45,а в начальный момент раскрутки ротора и возрастания центробежных сил и напряжений в диске и лопатках происходит уменьшение радиально го зазора Дг = Дгк - Дгр (где Дгк — относительное радиальное смещение
корпуса компрессора; Дгр — относительное радиальное смещение ро
тора компрессора). Связано это с тем, что упругие деформации в ме талле происходят практически мгновенно при изменении нагрузки. В процессе дальнейшей раскрутки относительно тонкий корпус комп рессора прогревается более интенсивно по сравнению с ротором, что приводит к увеличению радиального зазора до Дгшах. Так как в даль
нейшем размеры корпуса стабилизируются, а ротор (в основном за счет дисков) продолжает прогреваться, зазор постепенно уменьшает ся, достигая на стационарном режиме (крейсерский полет, область I на рис. 9.45,а) расчетного минимального значения.
При сбросе нагрузки может происходить небольшое кратковремен ное увеличение радиального зазора по сравнению с зазором на крей серском режиме (область I на рис. 9.45,6), а затем в зависимости от теплофизических характеристик материала ротора и корпуса (Е — мо дуль упругости, а — коэффициент линейного расширения и др.) его уменьшение и даже касание ротором корпуса, что недопустимо.
Рис. 9.45. Нестационарные относительные радиальные смещения корпуса компрессо ра Дгк и ротора Дгр
а — раскрутка; б — снижение частоты вращения ротора