Метрология / Том 2. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок / 5-3-Konstruktivnyje_i_silovyje_skhemy_kompressorov

Рисунок 5.21 – Корпус компрессора дв. ПС-90А с каналами для активного регулирования радиальных зазоров

1 - корпус обдува; 2 – кожух; 3 - отверстия обдува; 4 - корпус компрессора; 5 - отверстия для сброса воздуха в наружный контур

ставленной на Рис. 5.21, только в ней не будет кожуха 2 и выпускных отверстий 5.

Преимущество этого способа в том, что воздух, заполняющий полость над корпусом, остается в системе, а не сбрасывается в наружный колнтур, как в случае с дополнительным охлаждением корпусом. С другой стороны, эффективность способа гораздо ниже. Для увеличения эффективности, необходимо уменьшать жесткость корпуса, например, делать его более тонким, что может привести к уменьшению ресурса. Однако такой способ регулирования зазоров может получить развитие в случае создания новых жаропрочных материалов с небольшой жесткостью и высокими прочностными характеристиками.

Таким образом, выбор зазоров в компрессорах осуществляется в два этапа:

- на первом этапе, на стадии выполнения проектировочных газодинамических расчетов определяются «оптимальные» величины зазоров. В дальнейшем, при доводке двигателя, размеры зазоров могут быть уточнены;

- на втором этапе монтажные зазоры, конструкция и геометрия деталей компрессора определяются таким образом, чтобы при работе на основных режимах работы величина зазора была близка к оптимальной и при этом не допускала задеваний во всем диапазоне работы компрессора. Последнее требование подразумевает, что минимальная величина зазора должна превышать величину, определяемую действием всевозможных факторов, способных ее изменить (допуск на изготовление и сборку; люфт подшипников; нагрузки от воздействия на двигатель со стороны самолета, и т.д.). При этом минимальная величина зазора определяется с учетом всех возможных циклов работы двигателя.

На изготовление и сборку деталей существуют допуски, из-за которых величина зазора в компрессоре непостоянна в окружном направлении. Кроме этого, при работе компрессора из-за неравномерности прикладываемых нагрузок происходит дополнительная овализация деталей и смещение осей деталей ротора и статора. Для уменьшения изменения радиального зазора в окружном направлении на корпусах над рабочими лопатками наносится легковырабатываемое покрытие. Кроме этого, для улучшения приработки по торцам лопаток профиль пера на торцах утончают.

Заключение о правильности назначенных зазоров делают по результатам осмотра газовоздушного тракта компрессора после проведения испытаний, а так же измерением радиальных и осевых зазоров при работе компрессора.

5.3 – Конструктивные и силовые схемы осевых компрессоров

Осевые компрессоры делятся на три группы: одно-, двухили трехкаскадные.

В однокаскадных компрессорах (см. Рис. 5.22) ротор 1 расположен на двух опорах – с роликовым подшипником, воспринимающим радиальные нагрузки, и радиально-упорным шариковым подшипником, фиксирующим положение ротора относительно статора 2. При этом передача усилий от передней опоры происходит через радиальные стойки 3 входного корпуса, а от задней – по корпусу КС через спрямляющий аппарат 4 последней ступени компрессора или стойки КС.

При сравнительной простоте конструкции однокаскадные компрессоры с большой степенью сжатия, имеющие, соответственно, большое число ступеней, для обеспечения газодинамической устойчивости на всех режимах работы двигателя требуют сложных систем регулирования. Например,

использования поворотных направляющих лопаток, систем перепуска воздуха, что в свою очередь снижает надежность и экономичность работы компрессора. Более подробно вопросы регулирования компрессора будут рассмотрены в разделе 5.6.

В настоящее время большее распространение получили двух- и трехкаскадные схемы компрессоров. Двухкаскадный компрессор состоит из двух осевых компрессоров 1 и 2 соответственно низкого давления , расположенного впереди, и высокого давления, расположенного за ним (см. Рис. 5.23). Двухкаскадный компрессор не имеет жесткой свя-

зи между двумя роторами, что позволяет каждому из роторов вращаться с оптимальной для них частотой. Это оказывает положительное влияние на величину запасов газодинамической устойчивости компрессора.

В то же время конструктивно компрессор становится сложнее. Так длинный вал каскада низкого давления зачастую нуждается в дополнительной, межвальной, опоре. Обеспечение нормальной работы подшипника в такой опоре становится сложной инженерной задачей. В двухкаскадных компрессорах современных двигателей, спроекти-

рованных с применением новейших методов аэродинамических и прочностных трехмерных расче- тов, стало возможным уменьшить число ступеней за счет увеличения работы на каждую ступень. Это позволило уменьшить общую длину компрессора и избежать этой проблемы.

Для увеличения запасов газодинамической устойчивости ВНА, а также НА (обычно с первой по четвертую ступени) КВД делают с поворотными НА. В двигателях, работающих в широком диапазоне скоростей на входе, может применяться по-

воротный ВНА КНД (см. Рис. 5.54).

Âдвухкаскадных компрессорах ТРД(см.Рис. 5.23)

èТРДД с малой степенью двухконтурности (m = 0,2…2) КНД обычно состоит из трех - пяти ступеней. Передача усилий от передней опоры чаще всего происходит, как у однокаскадных компрессоров - через радиальные стойки входного корпуса. Иногда для уменьшения габаритов и массы эту функцию могут выполнять лопатки неподвижного ВНА или неподвижной части поворотного ВНА. Передача усилий от задней опоры осуществ-

ляется по корпусу промежуточному (разделительному) 3 через профилированные силовые стойки.

Разделительный корпус ТРДД является силовым элементом двигателя, который разделяет потоки наружного и внутреннего контуров. Кроме того, на нем располагают узлы крепления двигателя к самолету.

Âдвухкаскадных компрессорах ТРДД с большой степенью двухконтурности (m > 4), например, ПС-90А (см. Рис. 5.24) КНД состоит из одной вентиляторной ступени 1. В КНД могут быть включе- ны от одной до четырех (редко – до семи) так называемых подпорных ступеней 2 для повышения суммарной степени сжатия внутреннего контура компрессора.

Поскольку от ВНА в данном случае отказываются из-за его громоздкости, усилия от обеих опор передаются по корпусу разделительному че- рез профилированные силовые стойки. В некоторых случаях целесообразно силовые стойки разделительного корпуса совместить с лопатками спрямляющего аппарата вентилятора. Обычно эту схему применяют в двигателях с коротким наружным контуром или в трехкаскадных двигателях (см. Рис. 5.25).

Âсвязи с тем, что ВНА отсутствует, обтекатель 4 крепят непосредственно к диску вентилятора. КВД 3 (см. Рис. 5.24) состоит обычно из пяти…десяти ступеней. В редких случаях их число достигает двенадцать…четырнадцать. Усилия от передней опоры передаются через профилированные стойки разделительного корпуса 5, а от задней – по корпусу КС через спрямляющий аппарат 6 последней ступени компрессора или стойки КС.

Трехкаскадный компрессор ТРДД представлен на Рис. 5.25. Он представляет собой три отдельных компрессора работающих с собственными ча- стотами вращения и находящихся на отдельных валах и опорах:

- вентилятор 1 (КНД для ТРДД с малой степенью двухконтурности);

- ÊÑÄ 2; - ÊÂÄ 3.

Такая конструкция позволяет повысить запасы устойчивой работы компрессора. Количество ступеней вентилятора – одна, КНД – три…пять, КСД – четыре…шесть, КВД – четыре…восемь.

Конструктивно трехкаскадный компрессор еще сложнее, чем двухкаскадный. Для дополнительного увеличения запасов газодинамической устойчивости ВНА КСД, ВНА КВД, а также НА первой…третьей (обычно) ступеней КВД делают поворотными.

5.4 – Роторы осевых компрессоров

Основными деталями ротора являются рабо- чие лопатки 1 (см. Рис. 5.26), диски (или барабан) 2, цапфы (или вал) 3 и 4 и подшипники 5 и 6. Ротор осевого компрессора является подвижным узлом, совершающим вращательное движение. Ча- стота вращения роторов современных осевых компрессоров может достигать 15000 об/мин, а окружные скорости на наружном диаметре - 400 м/с. На таких оборотах ротор испытывает высокие нагрузки, которые и определяют тип его конструкции.

5.4.1 – Типы роторов осевых компрессоров

По конструктивному исполнению роторы осевых компрессоров могут быть следующих типов:

-барабанного;

-дискового;

-смешанного.

Рисунок 5.26 - Ротор компрессора двигателя Honeywell TFE731-60 (Материал любезно предоставлен компанией Honeywell)

1 - рабочая лопатка; 2 - диск компрессора; 3 - цапфа передней опоры; 4 - цапфа задней опоры; 5 - шарикоподшипник; 6 – роликоподшипник; 7 - торцевые треугольные шлицы; 8 - центральный стяжной болт; 9 - гайка стяжного болта