Метрология / Том 2. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок / 5-4-Rotory_osevyh_kompressorov

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

Рисунок 5.27 – Типы роторов осевых компрессоров: а) барабанный; б) дисковый; в) смешанный (барабанно-дисковый)

1 - рабочая лопатка; 2 - барабан компрессора; 3 - крышки барабана с цапфами опор; 4 – диск; 5 - вал; 6 - барабанные секции

Схема ротора барабанного типа показана на Рис. 5.27,à. Несколько рядов рабочих лопаток 1 закрепляются на цилиндрическом или коническом барабане 2, представляющем собой механически обработанную поковку из алюминиевого сплава, титана или стали. Две крышки 3 закрывают барабан с торцев и имеют цапфы, которыми ротор опирается на подшипники 4. Крутящий момент к каждой ступени передается через стенку барабана.

Достоинствами ротора барабанного типа являются:

- простота конструкции;

-низкая удельная масса;

-большая изгибная и крутильная жесткость;

-высокая критическая частота вращения;

-высокая вибрационная стойкость.

Примечание: Критической частотой враще-

ния называют частоту вращения, при которой прогибы ротора становятся бесконечно большими, о чем свидетельствует резкий рост вибрации в опорах ротора.:

ω ÊÐ2 = k / mÄ,

ãäå ω ÊÐ – критическая частота вращения; k – изгибная жесткость вала;

mÄ, – масса диска.

Остаточный дисбаланс, неизбежный даже после тщательной балансировки, неравномерный прогрев и вытяжка дисков и лопаток, а также некоторые другие причины вызывают смещение центра массы рабочего колеса (колес) относительно геометрической оси во время работы двигателя. Роторы барабанного типа получают сваркой отдельных секций, или механической обработкой из цельной заготовки.

К недостаткам ротора барабанного типа следует отнести:

-сравнительно невысокую несущую способность барабана;

-низкую рабочую окружную скорость – не более 200 м/с.

Роторы барабанного типа для авиационных двигателей были заимствованы из конструкций компрессоров для паровых турбин.

Ротор дискового типа (см. Рис. 5.27,á) имеет соединенные с валом 6 диски 5, на периферии которых крепятся рабочие лопатки 1. Диски стянуты в единый пакет гайками, которые накручены на вал. Достоинствами ротора дискового типа являются:

-большая несущая способность дисков;

-высокая рабочая окружная скорость - до 400 м/с.

Ступени компрессора с дисковыми роторами являются высоконапорными и применяются в ГТД

ñбольшими степенями повышения давления воздуха. Крутящий момент к каждой ступени передается через вал. Недостатками ротора дискового типа являются:

-сравнительно небольшая изгибная и крутильная жесткость;

-невысокая критическая частота вращения;

-высокая удельная масса;

-сложность конструкции.

Снижение изгибной жесткости ротора дискового типа в сравнении с ротором барабанного типа приводит к снижению критической частоты. Для повышения критического числа оборотов увеличи- вают потребное сечение вала ротора, но при этом увеличивается и масса компрессора.

Конструкцией, сочетающей в себе достоинства роторов барабанного и дискового типа, является ротор смешанного типа (см. Рис. 5.27,â и 5.28). В данном случае отдельные секции, имеющие диски 5 и барабанные секции 7, соединяются

Рисунок 5.28 – Ротор осевого компрессора смешанного (барабанно-дискового) типа двигателя Rolls-Royce RB162-86 (Печатается с разрешения Rolls-Royce plc)

между собой. Причем соединение делается на таком радиусе, где окружная скорость невелика и допускается по условиям прочности барабана.

Достоинствами ротора барабанно-дискового типа являются:

-сравнительно большая жесткость;

-высокая критическая частота вращения;

-большая несущая способность дисков;

-высокая рабочая окружная скорость - до 400 м/с.

Диапазоны рабочих частот вращения роторов всех типов могут лежать ниже критической частоты - такой ротор называется «жестким». Если же рабочие чатоты больше критического значения - такой ротор называют «гибким». Представленные типы роторов бывают как жесткие, так и гибкие,

âзависимости от диапазона рабочих оборотов.

5.4.2 – Конструкция роторов осевых компрессоров

Конструкция ротора должна обеспечить выполнение трех основных функций:

-передачу крутящего момента;

-передачу осевых усилий;

-взаимное центрирование элементов конструкции ротора.

В зависимости от типа конструкции ротора выполнение этих функций может осуществляться различными способами. Рассмотрим типовые решения, применяемые в конструкциях роторов многоступенчатых осевых компрессоров.

На Рис. 5.29 показан ротор дискового типа, состоящий из вала 1 и расположенных на нем тринадцати рабочих колес 2. Между рабочими колесами установлены промежуточные кольца 3, образу-

Рисунок 5.30 - Диски со шлицами на выносных элементах

Рисунок 5.31 - Соединение дисков с валом прямоугольными шлицами

ющие барабан, стянутый гайками 4 и 5. Передача крутящего момента от вала к дискам и центрирование дисков осуществляется шлицами. Для этого, в основном, используются шлицы двух типов:

-эвольвентные;

-трапециевидные.

Применение эвольвентных шлицев менее распространено, т. к. лучшее центрирование обеспе- чивают прямоугольные шлицы (см. Рис. 5.31), где центрирование осуществляется по радиальным (боковым) поверхностям. В таких шлицах центровка будет сохраняться независимо от тепловых и силовых деформаций ступицы.

Шлицы являются концентраторами напряжений. Для выведения из зоны действия растягивающих усилий от центробежных сил, шлицевое соединение вала с диском выносят на некоторое расстояние от ступицы диска. Такие конструкции получили название - конструкции на выносных элементах (см. Рис. 5.30).

Пакет дисков стянут на шлицевом участке вала с двух сторон гайками 4 и 5 (см. Рис. 5.29). При этом монтажное усилие стяжки пакета дисков выбирается таким образом, чтобы при нагреве ротора в рабо- чих условиях не происходило снижение усилия затяжки до нулевого значения (не происходило «раскрытие» ротора).

Для дополнительного демпфирования дисков и организации проточной части между ободами дисков устанавливают промежуточные кольца. Это существенно повышает изгибную жесткость ротора. Конструкция промежуточных колец или иных проставных элементов ободной части ротора зависит от принятой при проектировании формы проточной части.

Проточная часть по типу образующих ее поверхностей может быть двух видов:

-«гладкой»;

-«негладкой».

Проточная часть называется «гладкой», если наружные поверхности промежуточных колец и дисков образуют в меридиональном сечении плавные линии без уступов (см. Рис. 5.29). Проточ- ная часть называется «негладкой» если на наружной поверхности промежуточных колец имеются выступающие или утопающих элементы воздушных уплотнений (см. Рис. 5.32).

Возможны варианты конструкции ротора без центрального шлицевого вала. На Рис. 5.32 показан ротор того же, что и на Рис. 5.29 компрессора, но другого типа - без внутреннего шлицевого вала. Передние десять дисков из титанового сплава объединены в сварную секцию. Центрирование дисков 1 при сборке обеспечивается с помощью цилиндрических

посадочных участков 2, которые после сварки срезаются. Сварной шов 3 должен контролироваться, а вся сварная секция дисков должна быть термообработана для снятия внутренних напряжений.

К сварной титановой секции 4 призонными болтами 7 крепятся стальные диски последних ступеней 5 с цапфами 6. Такой ротор имеет меньшую массу и большую поперечную жесткость, чем ротор на Рис. 5.29. На практике применяются и другие конструкции роторов компрессоров:

-Рис. 5.26 - передача крутящего момента

èцентрирование дисков с помощью торцовых треугольных шлицев 7, стяжка секций ротора центральным стяжным болтом 8;

-Рис. 5.33 - передача крутящего момента длинными стяжными болтами 2, скрепляющими пакет дисков ротора 1; центрирование дисков и п- роставок 3 осуществляется с помощью цилиндри- ческих призонных участков на болтах и отверстий, выполненных в дисках и проставках, развернутых совместно. Одновременное прижатие по стыкам осуществляется с помощью распорных втулок 4, надетых на болты.

Одной из главных задач при проектировании роторов является сочетание минимальной массы конструкции с максимальным ресурсом и надежностью. Традиционные конструкции роторов на современном этапе практически исчерпали свой ресурс в области снижения массы. Единственным путем остается использование новых легких материалов, включая интерметаллиды.

В то же время современное развитие технологий резания, диффузионной сварки и т.п. открыло новые пути в решении этой непростой задачи. Так, например, использование в роторе любого типа моноколес (блисков) (см. Рис. 5.34) позволяет добиться снижения массы конструкции до 25% от исходного и повысить критическое число оборотов. Моноколесо - это рабочее колесо, в котором лопатки выполнены с диском за одно целое.

Дальнейшим развитием этой идеи являются роторы, изготовленные с применением технологии «блинг». «Блинг» - это рабочее кольцо, в котором лопатки выполнены с диском за одно целое (см. Рис. 5.35). По внутренней поверхности такое кольцо армировано металлокомпозитной матрицей, которая повышает его несущую способность. Армирование производится методом диффузионной сварки. Подобная схема изготовления рабочих колес позволит на новом этапе развития вернуться к конструкции ротора барабанного типа, избежав при этом таких его недостатков, как низкая допустимая рабо- чая окружная скорость и сравнительно невысокая несущая способность барабана.

Рисунок 5.34 – Моноколесо (блиск) осевого компрессора

Отдельно следует остановиться на отличиях, присущих роторам КНД ТРДД с большой степенью двухконтурности или, как их ещ¸ называют, роторам подпорных ступеней (см. Рис. 5.36).

Такие роторы преимущественно барабанного типа. Отдельные диски соединяют между собой болтами (см. Рис. 5.36, a). Болтовое соединение дисков между собой используется обычно при двухступенчатой конструкции. При увеличении количества ступеней ротор выполняют сварным (см. Рис. 5.36, á) или из цельной кольцевой заготовки (см. Рис. 5.36, â). В последнем случае для установки рабочих лопаток чаще всего применяют кольцевой замок, поскольку выполнение лопаточных пазов других типов связано с технологическими сложностями.

Крутящий момент на ротор подпорных ступеней передают как непосредственно с вала НД (см. Рис. 5.37, a), так и через рабочее колесо вентилятора (см. Рис. 5.37, á). В последнем случае рабочие лопатки вентилятора необходимо монтировать в колесо после установки ротора КНД, что создает определенные неудобства при сборке вентилятора и при замене модуля КНД в эксплуатации в случае необходимости.

5.4.3 – Рабочие лопатки компрессора

Рабочие лопатки - одни из самых ответственных и массовых деталей двигателя, работающие в сложных условиях. В процессе работы на них действуют инерционные и аэродинамические силы, вызывающие напряжения растяжения, изгиба и кручения при высокой температуре (для компрессора 300…800°С). Кроме того, лопатки испытывают переменные напряжения от вибрационных нагрузок, амплитуда и частота которых изменяется в широких пределах.

Лопатки подвержены значительному износу в процессе эксплуатации - по торцу пера от задевания о прирабатываемое покрытие рабочих колец, по кромкам - вследствие попадания посторонних предметов. Поломка лопаток приводит к отказу двигателя в целом, поэтому в процессе эксплуатации их периодическим осматривают.

Надежность лопаток зависит не только от их конструктивной прочности, но и от применяемой технологии их изготовления, которая влияет на качество поверхностного слоя.

5.4.3.1 – Требования к рабочим лопаткам

При проектировании и изготовлении рабочих лопаток должны быть обеспечены, помимо общих требований к компрессору (см. раздел 5.1), ряд специфических требований:

-относительно высокая точность исполнения линейных и угловых размеров профиля и замка для обеспечения одинаковых скоростей течения воздушного потока, давлений и температур в каждом лопаточном канале;

-относительно низкая шероховатость обработки пера (Ra = 0,08…1,6 мкм) для уменьшения потерь трения воздуха при обтекании пера лопатки и увеличения усталостной прочности;

-отсутствие концентраторов напряжений, особенно в переходе пера к хвостовику;

Конструкции лопаток компрессора разнообразны. Их параметры (например, размеры профиля и качество поверхности) могут изменяться

âшироком диапазоне в зависимости от конкретного двигателя и его назначения. В то же время любая рабочая лопатка (см. Рис. 5.38) имеет профильную часть (перо) 1, находящуюся в потоке воздуха и замковую часть (хвостовик) 2, предназначенную для ее крепления и передачи усилий от лопатки к ротору. Форма и размеры пера определяются на основании аэродинамического расчета с учетом обеспечения статической и динамической прочности. Условия работы лопаток

компрессоров определяют требования к материалам, из которых они изготавливаются. Для изготовления лопаток компрессора, в основном, используются коррозионно-стойкие и теплостойкие хромистые стали и сплавы, жаропрочные сплавы. Широко применяются титановые сплавы, обладающие малой удельной массой, однако сфера их применения ограничена невысокими по сравнению со сталями рабочими температурами. Возможно применение алюминиевых сплавов и композиционных материалов на первых ступенях компрессора.

5.4.3.2 – Требования, предъявляемые к соединениям

Соединения лопаток 3 с дисками 4 (см. Рис. 5.38) должны удовлетворять следующим требованиям:

-обеспечивать размещение необходимого количества лопаток в диске;

-обеспечивать необходимую прочность и одинаковую жесткость крепления всех лопаток в колесе при минимальной массе хвостовика;

-обеспечивать необходимую точность установки в диске и неизменность их положения при работе;

-обеспечивать простоту монтажа и демонтажа лопаток.

Хвостовики лопаток и пазы в диске изготавливают протяжкой, фрезерованием или точением.

5.4.3.3 – Конструкции соединения лопаток с дисками

Âкомпрессоре наиболее распространено соединение лопаток с дисками типа «ласточкин хвост» (см. Рис. 5.39). В данной конструкции хвостовик лопатки и паз в диске в сечении, перпендикулярном оси паза, имеют трапециевидный профиль (форму равнобедренной трапеции). Хвостовики типа «ласточкин хвост» могут иметь плоские (см. Рис. 5.39, à) и кольцевые рабочие поверхности (см. Рис. 5.39, á).

Переход от профильной части лопатки к замку может осуществляться напрямую, и тогда проточная часть формируется совокупностью лопаток и наружной поверхности обода диска.

Âтом случае, когда угол наклона линии проточной части превышает 5…10°, хвостовик лопатки располагают горизонтально, а перо соединяют

Рисунок 5.39 – Лопатки с хвостовиками типа «ласточкин хвост» а) с кольцевыми рабочими по-

верхностями; б) с плоскими рабочими поверхностями