Метрология / Том 2. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок / 8-4-Rotory_turbin

8.4 - Роторы турбин

Ротор - наиболее напряженная часть турбины, так как он (в отличие от статорных деталей) подвергается не только тепловым и статическим механическим нагрузкам, но и, дополнительно, связанным с вращением, центробежным и вибрационным.

Именно роторные детали ограничивают циклический ресурс турбины и именно фрагментов деталей ротора (дисков, дефлекторов) при разрушении невозможно предотвратить вылет за пределы корпусов.

Ниже рассмотрены конструкции роторов ряда современных турбин.

8.4.1- Конструкции роторов

Âзначительной степени конструкция ротора определяется центробежными (частотой вращения) и тепловыми нагрузками. Это позволяет (по крайней мере в авиационных двигателях) рассматривать отдельно конструкции роторов турбин высокого давления (10000…19000 об/мин, температура газа на входе в ротор до 1850 К) и низкого давления (2000…8000 об/мин, температура газа на входе в ротор до 1300 К).

8.4.1.1 - Диски турбин

Основной частью ротора турбины является диск. Диск служит для установки рабочих лопаток, создающих крутящий момент, и для передачи этого крутящего момента с лопаток на вал.

Диски турбин (см. Рис. 8.82) в общем случае имеют обод 1 с «елочными» выступами 2, образующими пазы 3 для крепления рабочих лопаток, полотно 4 и ступицу 5, а также фланцы 6 для крепления к другим дискам и к валу. К фланцам диска могут крепиться другие диски, дефлекторы 7, лабиринты, балансировочные грузы.

При проектировании дисков необходимо обеспечить целый ряд требований.

Так, необходимо обеспечить достаточный запас по прочности на разрыв для любых возможных условий эксплуатации, так как разрушение диска всегда приводит к катастрофическим последствиям и не может быть локализовано в пределах корпуса турбины.

Следующее требование - минимальная вероятность разрушения диска от перегрева (т.е. защита от непосредственного контакта с высокотемпературным газом и надежная – с необходимыми запасами – работа системы охлаждения). Диски

ТВД обычно защищены от контакта с газом и потока тепла из проточной части как конструктивно (дефлекторами и промежуточными дисками), так

èсистемой охлаждения (потоками воздуха, охлаждающего диски, дефлекторы).

Эффективная система охлаждения, обеспечи- вающая более низкий уровень температуры диска, дает возможность использования менее дорогих материалов или уменьшения массы. Для охлаждения наиболее нагруженной и наиболее массивной части диска – ступицы – может быть использован охлаждающий воздух с низкой температурой.

Примером является конструкция ротора ТВД CFM56 (см. Рис. 8.22), где ступица диска охлаждается воздухом из-за КНД, который на сотни градусов холоднее обычно используемого для этих целей воздуха КВД. С одной стороны, этот вариант увеличивает температурные напряжения в диске (возникающие из-за разности температур обода и с- тупицы диска). Однако положительный эффект от увеличения прочности ступицы, по-видимому, превалирует.

Конструкция диска должна быть надежной

èдолговечной и обеспечивать передачу крутящего момента с дисков на вал. Как правило, эти элементы диска являются самыми напряженными

èтрудными в обеспечении циклического ресурса. Соединение дисков с валом может быть выполнено несколькими способами:

-Призонными (с малыми зазорами) болтами или штифтами, при этом детали стягиваются гайками или стяжными болтами (ТВД ПС-90А2 – Рис. 8.83, ТВД CFM56 – Рис. 8.23, турбины RB211535E4 - Рис. 8.26).

-Шлицами – через удлиненный фланец диска или вспомогательный вал. Такое соединение является одним из наиболее распространенных (ТВД V2500 – Рис. 8.85, ТВД и ТНД CF6-80C2 - Ðèñ. 8.84, 8.89).

-Шпильками (болтами), расположенными параллельно оси вала и стягивающими между собой диски (см. Рис. 8.88).

Недостатком конструкции со стяжными шпильками (болтами) является вероятность их вытяжки во время эксплуатации. Кроме того, отверстия в дисках для шпилек являются концентраторами напряжений и снижают циклическую долговечность диска. По этим причинам конструкции такого типа сейчас применяются редко.

Фланцы диска, необходимые для крепления к валу, стараются перенести в область наиболее низких напряжений и удлиняют для повышения гибкости и уменьшения градиентов напряжений (см. Рис. 8.84, 8.85, 8.87).

Также необходимо надежное, технологичное

èдолговечное (прежде всего по циклическому ресурсу) замковое соединение с лопатками. Замковое соединение является самым точным по размерам

èсамым трудоемким в производстве диска. Поломка замкового соединения ведет к обрыву рабочей лопатки, последующему повреждению других лопаток в проточной части и вынужденному выклю- чению двигателя в полете.

Âцелом при проектировании диска необходимо найти эффективный компромисс между конструктивной сложностью системы охлаждения, затратами энергоресурсов на охлаждение, свойствами применяемого материала, массой и стоимостью получаемого диска. Основной целью проек-

тирования (при выполнении всех нормативных запасов прочности) является обеспечение необходимого циклического ресурса диска. Циклический ресурс диска определяет величину той части стоимости технического обслуживания, которая затрачивается на замену так называемых деталей «ограниченного циклического ресурса» (Life Limited Parts - LLP) - в первую очередь дисков, а также дефлекторов и промежуточных дисков.

Обеспечение циклического ресурса, т.е. запаса прочности по малоцикловой усталости, является в настоящее время главной задачей при конструировании диска. Для решения этой зада- чи моделируется изменение по времени (т.е. в нестационарной постановке) механических напря-

жений и распределения температур в деталях ротора в течение одного рабочего (полетного) цикла. Задача решается методом итераций – путем последовательных проверок циклического ресурса различных вариантов конструкции (методом конечных элементов) – с изменением конфигурации, материала, температуры. При оптимизации конфигурации диска и других деталей ротора исключаются или ослабляются концентраторы напряжений – те места, в которых располагаемый циклический ресурс минимален.

Основная часть расчетов проводится в предположении об осевой симметрии основных деталей, что является достаточно близким к истине предположением. Моделирование теплового состояния и напряжений в осесимметричной постановке эффективно по соотношению результативности и трудоемкости. Окончательная оптимизация конструкции диска (особенно его фланцевых соединений и замковой части) проводится в полной пространственной постановке – с моделированием распределения нестационарных температур и напряжений в специально выделенных пространственных элементах конструкции.

Все эти расчеты проводятся для ротора в целом – для учета взаимодействия деталей во время работы, которое играет очень важную роль. Кроме того, все упомянутые детали ротора должны иметь одинаковый ресурс – для того, чтобы их можно было заменить одновременно – без дополнительной отправки двигателя в ремонт. При этом упрощается и отслеживание ресурса в эксплуатации с планированием технического обслуживания.

Максимальная достигнутая величина циклического ресурса ротора ТВД составляет 20000…25000 циклов. В роторе ТНД может быть достигнуто более высокое значение циклического ресурса, но с учетом необходимости согласования этого ресурса с ресурсом роторных деталей ТВД увеличение на 5000 циклов только для ТНД уже не имеет практического значения.

8.4.1.2 - Роторы ТВД

Ротор двухступенчатой ТВД ПС-90А2 (см. Рис. 8.83). Конструкцию этого ротора можно счи- тать во многом типичной для современных авиационных ТВД по основным характеристикам:

-крепление дисков к валу (передача крутящего момента) болтовыми и шлицевыми соединениями;

-защита дисков дефлекторами и промежуточ- ными дисками от газового потока из проточной части;

-соединения типа «пушечного замка» для крепления дефлекторов и промежуточных дисков

êосновным дискам;

-наружное охлаждение дисков и замковых соединений за счет закрытия (наддува) охлаждающим воздухом осевых зазоров между ротором и статором;

-использование нескольких источников охлаждающего воздуха (от разных ступеней компрессора);

-аппарат закрутки для подачи охлаждающего воздуха в ротор;

-цилиндрическая проточная часть над бесполочными рабочими лопатками (для исключения влияния осевых перемещений ротора на радиальный зазор);

-крепление лопаток к дискам посредством елочных замков.

Диск 1 первой ступени и диск 2 второй ступени крепятся к валу 3 с помощью болтовых фланцевых соединений соответственно с валом 4 и переходником 5. Переходник передает окружное усилие на вал с помощью шлицевого соединения 6. Рабочие лопатки 7 и 8 крепятся к дискам посредством замковых соединений 9 и 10 елочного типа. Проточная часть над бесполочной 1РЛ цилиндри- ческого типа.

Передний дефлектор 11 защищает от газа диск 1 и замковое соединение 9, а также уплотняет систему подвода воздуха из аппарата закрутки 12 (лопаточной решетки для разгона и закрутки охлаждающего воздуха в направлении вращения диска) к рабочей лопатке 7. Дефлектор 11 крепится

êфланцу диска болтами и к ободу - так называемым «пушечным замком». Снаружи замковое соединение 9 охлаждается утечкой воздуха из лабиринта 13 дефлектора 11. Этот расход и наддувает осевой зазор между 1СА и 1РК. Ступица диска 1 первой ступени, промежуточный диск 14 и диск 2 второй ступени, а также рабочая лопатка 8 охлаждаются воздухом промежуточной (за три ступени до выхода) ступени КВД, подаваемым по каналу 15.

Промежуточный диск 14 служит для уплотнения радиального зазора под 2СА 16 от перетеч- ки газа, а также защиты внутренних полостей ротора от потока тепла из проточной части. Обод промежуточного диска, а также замковые соединения 9 (сзади) и 10 (спереди) защищены от газа охлаждающим воздухом, подаваемым в полость 17 через внутренние полости лопаток 2СА. Это воздух промежуточной (за 3 до выхода) ступени КВД.

Дефлектор (лабиринт) 18 диска второй ступени уплотняет полость за диском от утечки в про-

ления промежуточного лабиринта 20 и заднего дефлектора 31;

-передача крутящего момента от диска 24

êдиску 14 коническими дисками 19 и промежуточ- ным лабиринтом 20;

-передача крутящего момента от ротора к - валу 32 ТВД с помощью необычно длинного фланца 33 диска 14 и шлицевого соединения 34 (увеличенная длина затрудняет изготовление, но удаляет шлицы – как концентраторы напряжений

– от диска);

-ротор (первый диск, основная часть второго диска, рабочие лопатки) охлаждается воздухом изза КВД; отказ от использования промежуточной ступени КВД упростил конструкцию, но увеличил температуру дисков и 2РЛ;

-охлаждающий воздух поступает в ротор че- рез аппарат закрутки 8, выполненный не в осевом (как обычно), а в радиальном направлении;

-полость 13 охлаждается дозированным расходом воздуха через отверстия 15, что позволяет надежно контролировать расход;

-задняя часть диска 24 и дефлектор 31 охлаждаются подачей воздуха промежуточной седьмой ступени КВД через 3СА 27 ТНД.

Для охлаждения валов и масляной полости подшипника используются промежуточные отборы в компрессоре. Полость 35 между ротором ТВД и валом ТНД продувается относительно холодным воздухом из-за КНД, что позволяет хорошо охлаждать вал ТВД и масляную полость. Промежуточ- ный лабиринт 20 охлаждается воздухом 11-ой сту-

6

5

Рисунок 8.85 - Ротор ТВД двигателя V2500 (Pratt&Whitney)

1 – диск первой ступени; 2 – диск второй ступени; 3 – фланец первого диска; 4 – фланец второго диска; 5 – шлицы; 6 - передний дефлектор;

7 – «пушечный» замок; 8 – промежуточный диск; 9 – задний дефлектор второго диска

Конструкции роторов стационарных турбин

На Рис. 8.88 приведена конструкция ротора двухступенчатой ТВД стационарного двигателя GT10С (Siemens). Этот ротор отличается от роторов авиационных ТВД по всем рассмотренным выше конструктивным особенностям.

Диск 1 первой ступени и диск 2 второй ступени соединены между собой и с промежуточной вставкой 3 вала 4 компрессора длинными стяжными болтами 5 и закреплены в один пакет гайками 6. Ротор не имеет дефлекторов и промежуточного диска. Осевой зазор перед диском 1 уплотняется лабиринтами 7, отлитыми спереди на замке и ножке 1РЛ (8). Зазор между дисками уплотнен лабиринтами 9, отлитыми заодно с 1РЛ

(8) и 2РЛ (10). Охлаждающий воздух на 1РЛ подается через аппарат закрутки 11 непосредственно в полость 12 под замком 1РЛ. Часть воздуха пропускается далее в полость 13 под замком 2РЛ. Охлаждение ступиц дисков осуществляется воздухом, поступающим внутрь ротора через отверстия 14 в проставке 3. Лопатки 15 2СА охлаждаются воздухом из-за компрессора, отбираемым из вторичной зоны 16 камеры сгорания. Как следует из схемы, ТВД охлаждается только воздухом изза последней ступени компрессора. 1РЛ бесполоч-

Рисунок 8.87 – Ротор ТВД PW6000 (Pratt&Whitney)

1 – диск; 2 – вал ТВД; 3 – шлицы; 4 – фланец диска; 5 – гайка; 6 – фланцевое соединение; 7 – пере-

дний дефлектор; 8 – полость за аппаратом закрутки; 9 – аппарат закрутки; 10 – отверстия в дефлекторе 7; 11 – полость под замком лопатки; 12 – замок лопатки; 13 – рабочая лопатка ТВД;

14 – задний дефлектор; 15 – межвальная полость; 16 – вал ТНД; 17 – полость ротора ТНД; 18 – вторичная зона КС; 19 – полость над 1СА; 20 – полость над РЛ; 21 – отверстия; 22 – вставка над

РЛ; 23 – кольцевая полость системы охлаждения корпуса; 24 – фланцы корпуса

ная с цилиндрической проточной частью, 2РЛ – с бандажной полкой.

Конструкция ТВД GT10С не рассчитана на работу с высокими температурами газа. Это следует из умеренного давления воздуха за аппаратом закрутки на 1РЛ, которое способно удержать лабиринтное уплотнение 7 (ограниченная эффективность которого следует из трудности минимизации радиального зазора, обеспечения его концентричности и неоптимальной конфигурации зубцов). Лабиринты 9, выполненные заодно с лопатками, могут надежно работать только при умеренной температуре газа. Полость под дисками не имеет надежной изоляции от проникновения газа из проточной части.

8.4.1.3 - Роторы ТНД и СТ

Роторы ТНД и СТ работают при более низких частотах вращения и температурах (см. раздел 8.4.1). В то же время реализуемые на ТНД и СТ степени расширения часто выше, чем на ТВД и увеличиваются с увеличением степени двухконтурности и степени сжатия. Низкие частоты вращения приводят к недостатку окружной скорости и увеличению аэродинамической нагрузки. Для оптими-