Метрология / Том 2. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок / 5-4-Rotory_osevyh_kompressorov
.pdf
Глава 5 - Компрессоры ГТД
Рисунок 5.43 – Фиксация лопаток от перемещений штифтами
a) радиальным штифтом; б) осевым резьбовым штифтом;
1 – лопатка рабочая; 2 – диск; 3 – радиальный штифт; 4 - контровочная втулка; 5 - резьбовой штифт
с плоскими рабочими поверхностями. Шерохова- |
- осевыми штифтами (см. Рис. 5.43, á). Äëÿ |
тость рабочих поверхностей Ra = 0,8…1,6 мкм. По- |
фиксации осевыми штифтами после сборки рабо- |
садка в замковом соединении может быть с зазо- |
чего колеса на границе между хвостовиком рабо- |
ром 0,01…0,04 мм или жесткой с натягом до |
чей лопатки 1 и дном паза в диске 2 выполняют |
0,015 ìì. |
резьбовое отверстие, в которое устанавливают |
Посадка лопаток в диск с зазором применяет- |
резьбовой штифт 5, который фиксируется от вы- |
ся наиболее часто. Она позволяет осуществлять |
падывания следующим рабочим колесом. Этот спо- |
легкий монтаж и демонтаж лопаток. Посадка с за- |
соб не ремонтопригоден и, кроме того, резьбовое |
зором допускает небольшую качку лопаток в окруж- |
отверстие является концентратором напряжений, |
ном направлении и тем самым демпфирует коле- |
что отрицательно сказывается на усталостной |
бания лопаток силами трения, возникающими |
прочности лопатки и диска. |
в соединении. |
- контровочными пластинами или проволокой |
Для демпфирования колебаний лопаток и об- |
(см. Рис. 5.44). В дне лопаточного паза диска 2 за- |
легчения сборки - разборки также применяют по- |
ранее выполняют специально спрофилированные |
крытие рабочих поверхностей хвостовика сереб- |
пазы 5 (или отверстие 6) для постановки контро- |
ром или медью толщиной 0,003…0,005 мм. |
вочной пластины 3 (контровочной проволоки 4). |
Для отстройки от резонансов применяется |
В процессе сборки рабочего колеса контровочную |
посадка с натягом. Это повышает собственные ча- |
пластину 3 или контровочную проволоку 4 уста- |
стоты колебаний лопаток. Наибольшая величина |
навливают в подготовленное место, а над ними |
натяга в соединении выбирается из условия непре- |
помещают рабочую лопатку 1, после чего высту- |
вышения допустимых напряжений. |
пающие концы загибают. |
Для предотвращения перемещений лопатки |
- сплошными кольцами (см. Рис. 5.45). При |
вдоль паза в диске при работе двигателя ее необ- |
использовании сплошного кольца его устанавли- |
ходимо фиксировать. Фиксация лопаток осуществ- |
вают по пояску, выполненному в диске 1 с пере- |
ляется несколькими способами [5.5]: |
ходной посадкой. В хвостовиках лопаток 2 имеются |
- радиальными штифтами (см.Рис. 5.43, à). |
проточки для предотвращения их продольных пе- |
Для фиксации радиальными штифтами отверстия |
ремещений. От перемещения в окружном направ- |
в рабочих лопатках 1 и диске 2 выполняются от- |
лении кольцо 4 фиксируется радиальным штифтом |
дельно в каждой детали. При сборке в рабочее ко- |
3 за обод диска 1. |
лесо, совместив отверстия в лопатках и в диске, |
- разрезными кольцами (см. Рис. 5.46). Разрез- |
в них вставляют втулку 4 со штифтом 3. После чего |
ное контровочное кольцо 3 устанавливают в канав- |
загибают усик контровочной втулки, фиксируя тем |
ку, проточенную в диске 1 и лопатках 2. При работе |
самым штифт от выпадывания. |
двигателя оно прижимается к лопаткам центробеж- |
41
Глава 5 - Компрессоры ГТД
à) |
á) |
â) |
Рисунок 5.44 - Фиксация лопаток от перемещений контровочными пластинами и проволокой а, б) контровочными пластинами; в) контровочной проволокой;
1 – лопатка рабочая; 2 – диск; 3 – контровочная пластина; 4 - контровочная проволока; 5 – паз; 6 – отверстие
ной силой, а от перемещения в окружном направлении фиксируется стопором 5 за обод диска. Для сжатия кольца при демонтаже лопаток из колеса в диске выполнены специальные отверстия 4.
В роторах с гладкой проточной частью фиксацию лопаток от осевого перемещения в пазу можно осуществить с помощью рядом стоящих деталей, как показано на Рис. 5.38.
Для предотвращения перемещений в окружном направлении лопатки 2, устанавливаемой в кольцевом пазе 4 диска 1 (см. Рис. 5.47), ее фиксация осуществляется контровочными замками 3 через поперечные пазы 5 в диске 1. Крайние лопатки имеют пазы 6 в полках под замки. Замок фиксируется в кольцевом пазе диска при помощи винта.
Еще одним способом крепления лопаток в диск является так называемый шарнирный замок (см. Рис. 5.48). В данной конструкции лопатки 1 своими проушинами 2 устанавливаются в кольцевые пазы 3 обода диска 4 (между ребордами 5) и фиксируется пальцами 6, которые в свою очередь контрятся заклепками 7.
Рисунок 5.45 - Фиксация лопаток от перемещений сплошным кольцом 1 – диск; 2 – лопатка рабочая; 3 – контровочный штифт; 4 – сплошное кольцо
42
Глава 5 - Компрессоры ГТД
Рисунок 5.46 - Фиксация лопаток от перемещений разрезным кольцом 1- диск; 2 - лопатка рабочая;
3 - разрезное кольцо; 4 - отверстия под съемник; 5 - стопор кольца
При этом лопатка имеет зазор как относительно диска 4, так и относительно пальца 6, и поэтому сохраняет возможность поворота относительно оси пальца, закрепленного в ребордах. Такое крепление благоприятно сказывается на вибрационном состоянии лопатки, поскольку большая подвижность соединения по сравнению с соединением «ласточкин хвост» позволяет значительно лучше демпфировать возникающие в работе колебания. Однако та же самая подвижность соединения может привести к повышенному износу или ôðåò- тинг-коррозии лопаток, диска и фиксирующих штифтов. (Примечание - фреттинг-коррозией называется явление износа материала, возникающего на контактных поверхностях в результате постоянных взаимных перемещений деталей). Чтобы это предотвратить, необходимо принимать специальные меры, например, наносить твердую смазку или износостойкие покрытия.
Определенным недостатком подобного соединения является то, что в собранном РК невозможно обработать торцы лопаток с целью обеспечения
Рисунок 5.47 - Фиксация от перемещений лопаток с кольцевыми рабочими поверхностями (Печатается с разрешения Rolls-Royce plc.)
1 - диск; 2 - рабочая лопатка; 3 - контровочный замок ; 4 - кольцевой паз в диске; 5 - паз для ввода замка в кольцевой паз диска; 6 - паз в лопатке под контровочный замок
минимального радиального зазора. Лопатки с шарнирным замком имеют самую большую массу из рассмотренных в этом разделе. Поэтому шарнирное соединение возможно использовать только в рабо- чих колесах, имеющих сравнительно небольшие окружные скорости (не более 300 м/с) на периферии. В противном случае не удается удовлетворить требования прочности как к ребордам диска, так и к самому штифту. Исходя из указанных причин, такое соединение, в основном, получило распространение в КНД ТРД и ТРДД с малой степенью двухконтурности и в современных двигателях используется редко.
43
Глава 5 - Компрессоры ГТД
Рисунок 5.48 - Шарнирное соединение лопатки с диском 1 - рабочая лопатка; 2 - проушины лопатки; 3 - кольцевые пазы; 4 - диск; 5 - реборды диска; 6 - палец; 7 - заклепка; 8 - втулка
5.4.3.4 – Особенности крупногабаритных рабочих лопаток вентилятора
При проектировании крупногабаритных лопаток вентилятора необходимо решить следующие проблемы.
Первая проблема заключается в том, что из-за малой величины отношения диаметра диска к длине лопаток трудно разместить необходимое количе- ство лопаток. Обычно для вентилятора используют соединение типа «ласточкин хвост». Для крупногабаритных же лопаток при возникновении проблем с размещением необходимого количества пазов иногда применяют замок елочного типа с двумя зубьями, который меньше ослабляет ободную часть диска.
Следующая проблема связана с обеспечением допустимых вибронапряжений в лопатках. Для демпфирования колебаний и снижения вибронапряжений лопатки вентилятора с большим удлинением выполняют с антивибрационными полками на одном или нескольких уровнях (см. Рис. 5.49).
В современных авиационных двигателях, особенно в ТРДД с большой степенью двухконтурности, наибольшее применение нашли ши-
Рисунок 5.49 – Вентилятор с антивибрационными полками на двух уровнях двигателя Pratt&Whitney PW4000
рокохордные лопатки без антивибрационных полок (см. Рис. 5.50).
Основные цели введения широкохордных лопаток:
- уменьшение потерь, связанных с закромоч- ными следами от антивибрационных полок;
44
Глава 5 - Компрессоры ГТД
Рисунок 5.50 – Сравнение современной широкохордной и полочной лопаток вентиляторов
-уменьшение влияния следов от полок на характеристики спрямляющей решетки;
-обеспечения максимального расхода воздуха на единицу площади, что позволяет свести к минимуму поперечные габариты двигателя;
-повышение аэродинамической эффективности вентилятора;
-снижение уровня шума вентилятора;
-повышение стойкости двигателя к попаданию в него посторонних предметов;
-уменьшение общего количества лопаток вентилятора;
-уменьшение массы.
Проведенные исследования показывают, что только отказ от антивибрационных полок дает несколько преимуществ:
-газодинамическая эффективность вентилятора повышается до 6%;
-удельноый расход топлива на крейсерских режимах снижается на 4%;
-увеличивается расход воздуха через венти-
лятор.
Последнее обстоятельство оказывается чрезвычайно важным, так как проходящий по наружному контуру воздушный поток создает около 75% общей тяги. При заданной площади проходного сечения широкохордная лопатка без антивибрационных полок предоставляет большие возможности по выбору, повышению и оптимизации тяги.
Применение новых конструкторских и технологических решений позволяет снизить массу каждой лопатки в отдельности. Это пустотелые титановые лопатки с сотовым заполнителем или с гофрирован-
Рисунок 5.51 – Пустотелая титановая лопатка двигателя Rolls-Royce RB-211 (Печатается с разрешения RollsRoyce plc)
ным листом, пустотелые титановые лопатки с соединением двух половин по средней линии методом диффузионной сварки, лопатки из полимерных композиционных материалов (ПКМ), лопатки из неполимерных композиционных материалов (например, лопатки из материала на основе борного волокна в алюминиевой матрице с титановой обшивкой). На Рис. 5.51 показана стреловидная широкохордная титановая лопатка вентилятора с сотовым заполнителем двигателя Rolls-Royce RB-211.
45