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

5.5 – Статоры осевых компрессоров

Статор компрессора обычно состоит из нескольких основных частей, которые в зависимости от назначения и выполняемой функции могут называться:

-корпус входной;

-корпус с регулируемыми и неподвижными НА;

-корпус отборов;

-корпус задней опоры.

В двух- и трехкаскадных компрессорах роль входных корпусов выполняет разделительный корпус. Пример статора компрессора представлен на Рис. 5.52.

Внутри корпуса крепятся опоры ротора, НА. Снаружи на обечайке и фланцах монтируются агрегаты (топливные и масляные насосы и т.п.), трубопроводные и электрические коммуникации, приводы механизации компрессора, узлы подвески двигателя к самолету. На корпусе выполнены специальные отверстия для отбора воздуха на различные нужды и смотровые люки для периодического контроля в эксплуатации рабочих и направляющих лопаток.

Статор воспринимает разнообразные нагрузки:

-осевые силы;

-гироскопические усилия;

-силы давления;

-массу и силы инерции ротора;

-изгибные и крутящие моменты от сопрягаемых деталей;

-тепловые деформации.

К статору предъявляются ряд специфических требований:

-герметичность;

-локализация возможного разрушения роторных деталей;

-простота изготовления и монтажа НА и различных агрегатов;

-обеспечение минимальных радиальных зазоров на всех режимах работы двигателя.

5.5.1 – Конструкции корпусов

Корпусы компрессора обычно представляют собой кольцевые цилиндрические или конические детали с фланцами на переднем и заднем торцах для крепления корпусов между собой (см. Рис. 5.52). Корпусы (см. Рис. 5.53) могут быть неразъемными и разъемными.

Корпус без продольного разъема обладает меньшей массой и большей жесткостью, но его изготовление более трудоемко, а сборка и разборка более сложная - такой корпус требует последовательную, поэтапную сборку и разборку ротора и статора.

Корпус с продольным разъемом также имеет свои недостатки. Неравномерная жесткость корпуса по окружности (большая в плоскости разъема

и меньшая – в перпендикулярной к нему плоскости) приводит к неравномерному расширению корпуса и, следовательно, к дополнительной овализации в процессе работы. Параметры компрессора ухудшены из-за увеличенных зазоров - зазоры приходится увеличивать из-за большей овализации корпуса. Через разъемы происходят дополнительные утечки воздуха. Худшая центровка статора с ротором. Основным преимуществом корпуса с продольным разъемом является удобство сборки, а на одноконтурных двигателях, особенно промышленного применения, возможность разборки корпуса и ремонта без разборки двигателя.

В современных авиационных двигателях предпочтение отдают комбинированным корпусам, в которых используются продольные и поперечные разъемы. Это, помимо прочего, позволяет изменять марку материала корпуса в зависимости от рабо- чей температуры от первой ступени к последней. Например для первых ступеней - алюминиевый корпус, затем - титановый, а последние ступени могут иметь корпус из жаропрочного сплава.

5.5.1.1 – Корпус входной

Корпус входной представляет собой силовой неразъемный корпус, предназначенный для передачи усилий от передней опоры компрессора. Может применяться конструкция, когда в силовую схему включаются лопатки ВНА, что уменьшает габариты и массу компрессора. Для увеличения запасов газодинамической устойчивости может применяться конструкция с регулируемой выходной кромкой ВНА (см. Рис 5.54).

Внутри стоек размещают коммуникации подвода к деталям опоры и отвода от них масла, а также воздуха на наддув уплотнений и обогрев обтекателя.

5.5.1.2 – Корпусы с направляющими аппаратами

Корпусы с НА (см. Рис. 5.52) представляют собой кольцевые детали, в которых закреплены лопатки НА подвижные и неподвижные. Эти корпусы формируют проточную часть компрессора и реализуют силовую связь между разделительным (входным) корпусом и корпусом камеры сгорания. В передней части корпуса компрессора для увели- чения запасов газодинамической устойчивости применяют НА, регулируемые по специальной программе (см. Рис. 5.55).

Корпус 1 с регулируемыми НА чаще всего выполняют с продольным разъ¸мом 3 для облегчения сборки компрессора. Лопатки 2 связаны друг с дру-

Рисунок 5.53 - Схема корпусов

a) без продольного разъема; б) с продольным разъемом

Рисунок 5.54 – Входной корпус со стойками, совмещенными с лопатками НА, двигатель Snecma M88

(Фотография любезно предоставлена компанией Snecma Moteurs)

5.5.1.3 – Корпус отборов

Корпус отборов1 (см. Рис. 5.57) представляет собой деталь, расположенную над корпусом 2 с НА и образующую с ним кольцевую полость 4 со щелью отбора 3. На корпусе выполняются отверстия (см. Рис. 5.58) для отбора сжатого воздуха. Воздух расходуется на различные нужды - кондициони-

Рисунок 5.57 – Корпус отборов 1 - корпус отборов; 2 - корпус с НА;

3 - щель отбора воздуха;

4 - кольцевая полость

рование пассажирского салона самолета, наддув опор двигателя, охлаждение или обогрев различ- ных узлов. Воздух отбирается из проточной части компрессора через отверстия в корпусе с НА или из кольцевой щели, образованной двумя последовательными корпусами с НА.

5.5.1.4 – Корпус задней опоры

Корпус задней опоры компрессора обеспечи- вает силовую связь между компрессором 1 и камерой сгорания 2 (см. Рис. 5.59). Внутри корпуса размещена задняя опора 3 компрессора. Корпус представляет собой два кольца, соединенные между собой радиальными связями, которыми являются либо лопатки спрямляющего аппарата 4 последней ступени компрессора, либо специально спрофилированные стойки на входе в КС. В последнем случае корпус чаще называют «корпусом камеры сгорания». Внутреннее кольцо корпуса задней опоры 5 с опорой компрессора соединяет силовая диафрагма 6. К наружному кольцу корпуса могут монтироваться узлы крепления двигателя к самолету.

Температура воздуха в районе корпуса задней опоры компрессора может достигать 550…600îС. На корпус действует высокое избыточное давление, от опоры передаются значительные радиальные и осевые (в случае, если установлен радиаль- но-упорный подшипник) усилия. Таким образом, корпус задней опоры компрессора является одним из самых нагруженных узлов всего двигателя.

Рисунок 5.58 - Корпус отборов КВД двигателя ПС-90А

5.5.2 – Корпус вентилятора. Удержание лопаток при обрыве

Согласно требованиям Авиационных Правил корпусы в ГТД должны быть спроектированы таким образом, чтобы обеспечить локализацию повреждений. Локализация - это удержание внутри корпуса двигателя фрагментов его конструкции, образовавшихся вследствие поломок лопаток роторов, а также вызванных ими вторичных явлений. При этом не должно происходить значительных разрывов и опасной деформации наружного корпуса или защитного экрана, но фрагменты могут выходить через воздухозаборник или выходное устройство двигателя.

Лопатка вентилятора ТРДД с большой степенью двухконтурности является самой тяжелой лопаткой двигателя. Поэтому задача локализации повреждений при обрыве лопатки вентилятора приобретает особое значение. Решается эта задача конструкцией корпуса вентилятора.

Рисунок 5.59 – Корпус задней опоры в КВД двигателя ПС-90А.

Корпус 1 вентилятора (см. Рис. 5.60) является силовым элементом двигателя. Он образует проточную часть от входа в двигатель до входа в спрямляющий аппарат 2 вентилятора. На внутреннюю часть корпуса вентилятора наносится прирабатываемое покрытие для обеспечения минимального радиального зазора над рабочими лопатками вентилятора.

На Рис. 5.60 представлен корпус вентилятора с мероприятиями по локализации повреждений при обрыве рабочей лопатки 3. Корпус вентилятора состоит из корпуса-матрицы 4, изготовленного из алюминиевого сплава, и удерживающего кольца 5 из кевлара (композиционного материала с высокой прочностью). Назначение корпуса-матрицы – сохранение формы корпуса при обрыве лопатки, а назначение намотки из кевлара – удержать лопатку и предотвратить разрушение удерживающего кольца. Как правило, в корпус также встраиваются шумоглушащие панели 6.

Рисунок 5.60 – Корпус вентилятора двигателя Trent 800

1 - корпус вентилятора; 2 - спрямляющий аппарат вентилятора; 3 - рабочая лопатка вентилятора;

4- алюминиевый корпус-матрица;

5- кевларовая оболочка; 6 - панели с ЗПК

5.5.3– Направляющие аппараты (НА)

НА представляют собой набор лопаток закрепленных в корпусе неподвижно или имеющих возможность поворота профиля вокруг оси. Направляющие лопатки могут заранее помещаться в кольцевую деталь, после чего собранный НА устанавливается в корпус компрессора. Последний НА компрессора чаще называют спрямляющим аппаратом. Спрямляющий аппарат разворачивает воздушный поток на выходе из компрессора до осевого направления перед его входом в КС.

Условия работы направляющих лопаток аналогичны рабочим, поэтому к направляющим лопаткам предъявляют требования, подобные требованиям к рабочим лопаткам (см. раздел 5.4.3.1). Отличиями в работе является то, что направляющие лопатки не испытывают растягивающих напряжений от центробежных сил.

5.5.3.1 – Конструкция НА

Лопатки НА по способу закрепления в корпусе делятся на консольные и двухопорные.

Неподвижные консольные лопатки крепятся к корпусу или кольцу НА чаще всего хвостовиками

Рисунок 5.63 – Поворотная лопатка НА

a) консольная; б) двухопорная;

1 - перо; 2 - наружный цилиндрический хвостовик; 3- внутренний цилиндрический хвостовик; 4 - упорный торец

компенсации несоосности цилиндрических отверстий в корпусе и внутреннем кольце на хвостовики лопаток устанавливают сферические подшипники, значительно снижающие усилия поворота лопатки.

Âслучае использования НА с консольным креплением лопаток ротор компрессора должен иметь «гладкую» (см. раздел 5.4.2) проточную часть. Поэтому двухопорные лопатки в первую очередь применяют в поворотных и неподвижных НА первых ступеней компрессора, где лопатки имеют большое относительное удлинение.

Âгорячей части компрессора лопатки могут устанавливаться с жесткой связью только по одному (наружному или внутреннему) кольцу. Соответственно в другом кольце лопатки имеют возможность перемещения вдоль своей радиальной оси. Это делается с целью обеспечения возможности дополнительных температурных расширений.

5.6– Регулирование компрессоров

ГТД являются по характеру использования многорежимными, широкодиапазонными машинами. Например, авиационный ГТД должен обеспе- чивать необходимые параметры как в условиях старта на земле, так и в условиях полета на боль-

ших высотах с различными, в том числе и сверхзвуковыми скоростями полета. При определенных условиях работы ГТД возможно существенное снижение к.п.д. компрессора на отдельных режимах, несмотря на его высокое значение на расчетном режиме. Кроме того, на некоторых режимах возможно появление признаков неустойчивой работы компрессоров, что недопустимо для работы двигателя.

Необходимые характеристики удается полу- чить рациональным выбором расчетного режима

ñпомощью регулирования компрессора:

-перепуском воздуха;

-поворотом направляющих лопаток. Целями регулирования являются:

-обеспечение запасов газодинамической устойчивости;

-обеспечение к.п.д. компрессора;

-изменение соотношений между расходом воздуха, частотой вращения и степенью повышения полного давления для улучшения характеристик двигателя;

-обеспечение допустимого предела вибрационных напряжений в лопатках.

Основными способами регулирования компрессора являются поворот направляющих лопаток и перепуск воздуха на низких частотах вращения.

5.6.1 – Поворот направляющих лопаток компрессора

Поворот направляющих лопаток компрессора позволяет достичь высоких характеристик двигателя на разных режимах работы путем подстройки геометрических углов лопаток под направление воздушного потока в соответствии с условиями работы компрессора. Количество ступеней поворотных аппаратов и диапазоны углов поворота лопаток выбираются при проектировании компрессора.

Существует множество различных конструкций механизмов поворота лопаток направляющих аппаратов. Привод механизма выбирается, исходя из потребного усилия и времени перекладки, диапазона регулирования. В конструкции механизма поворота может быть один или два привода. Привод может быть гидравлическим (рабочее тело – жидкость), пневматическим (рабочее тело – воздух) или электрическим.

Перекладка поворотных лопаток НА может осуществляться:

-из одного крайнего положения в другое крайнее положение за короткий промежуток времени (десятые доли секунды),

-по программе в зависимости от изменения приведенных оборотов КВД.