Глава 5 изготовление валов гтд.

5.1. Конструкция, технические требования и

МАТЕРИАЛЫ.

Валы ГТД отличаются большим разнообразием по конструктивной форме и назначению. Валы турбины, компрессоров, приводов различных агрегатов представляют собой комбинации гладких цилиндрических и конических шеек, фланцев, шлицевых элементов, резьб, отверстий, зубчатых колес и других элементов. Валы работают при высоких оборотах, повышенных температурах, передают значительные крутящие моменты, подвержены высокочастотным колебаниям. При этом они должны иметь минимальную массу и высокую надежность в работе. На рисунке 5.1 представлены схемы валов ГТД, которые отличаются ажурностью, сложностью конструктивной формы и наличием большого количества ответственных элементов. На рисунке 5.1А представлен вал ступенчатый с фланцевым элементом. Этот фланец обеспечивает соединение вала с турбиной. Вал, представленный на рисунке 5.1Б имеет коническую образующую значительной протяженности с малой толщиной стенки. Вал цилиндрической формы, представленный на рисунке 5.1С отличается «закрытой» формой внутренней поверхности, которая также создает тонкостенную конструкцию с большим количеством ответственных элементов. Представленные валы имеют основные и вспомогательные конструкторские поверхности, которые определяют положение этих валов в изделии и создают «ось детали». Конструкторские поверхности валов, как правило, выполняются в пределах 5-го квалитета точности. Расположение конструкторских поверхностей относительно друг друга также обеспечивается с высокой точностью.

На рисунке 5.2 представлен эскиз вала низкого давления ротора ГТД. Этот вал имеет значительную протяженность (длина вала равна 2440 мм), обеспечивает работу турбины низкого давления и соединяет ее с ротором компрессора (см. рисунок 1.1).

Валы газовых турбин являются ответственными деталями роторной части двигателя. Значительная частота вращения роторов, большие нагрузки от действия осевых и радиальных сил создают высокие напряжения в валах и требуют повышенной точности обработки и балансировки при их изготовлении.

В начале развития авиационной техники применялись «жесткие» валы, число оборотов которых, были ниже расчетных критических. Эти валы обладали высокой жесткостью, но имели значительный вес. Стремление к снижению веса двигателя привело к использованию «гибких» роторов ГТД. Валы для «гибких» роторов отличаются наличием тонкостенной, ажурной конструкции. Эти валы имеют сложный контур наружных и внутренних поверхностей создающих равнопрочную конструкцию.

Роторы «гибких» турбин и компрессоров, различных схем, должны обладать способностью быстрого перехода зоны критических оборотов. Этот переход определяется мощностью газовой турбины, над мощностью потребляемой компрессором. В процессе эксплуатации валы воспринимают значительные перепады силовых и температурных нагрузок при различных режимах эксплуатации ГТД. Такие валы должны подвергаться тщательной балансировке и иметь минимальную неуравновешенность массы по всему профилю. В процессе эксплуатации «гибких» роторов воздействуют внешние причины, которые определяются неравномерностью потока газа на рабочие лопатки турбины и компрессора, неравномерностью работы шестерен редукторов, подачей масла в зону смазки подвижных элементов, несносностью осей рабочих поверхностей валов и возможными перекосами в радиальных и торцевых соединениях и т. д.

Валы редукторов, приводов турбонасосных агрегатов и других элементов ГТД также обладают малым весом, и форма их приближена к равнопрочной конструкции.

Валы ГТД изготавливаются из различных сталей и сплавов. Материалом для валов ГТД служат высококачественные, низкоуглеродистые легированные стали 18ХН3А, 12ХН3А, 15Х12Н2МВФАБ. Поверхности низкоуглеродистых сталей подвергаются цементации. В процессе цементации, на глубину 0,7 –1,2 мм, закалке и отпуску стали 18ХН3А, 12ХН3А получают твердость на поверхности HRC= 58 ед, в = 1000 –1200 Мпа.  = 11 – 15%, НВ 390 (d10/3000 = 3,1 мм),  = 55 – 70%.

Легированные стали с повышенным содержанием углерода, 38 ХА, 38ХМЮА, 40ХНМА приобретают повышенную твердость за счет закалки и отпуска. Эти стали, могут также подвергаться термохимическому улучшению за счет азотирования поверхностей. При азотировании поверхностей конструкторских и рабочих шеек валов достигается твердость HRC = 65 ед.

Для валов разового использования применяются углеродистые стали (ст-40, ст-45 и др).

В качестве примера, для оценки технологичности конструкции, основных требований по точности и расположению основных поверхностей и других особенностей рассмотрим вал ротора низкого давления (ВНА) ГТД.

На рисунке 5.2 приведен эскиз вала ротора ВНА. Этот вал изготавливается из высокопрочной легированной стали 15Х12Н2МВФАБ. Химический состав этой стали следующий: 0,15% углерода, 12% хрома, 2% никеля, 1% молибдена, 1% вольфрама, 1% ванадия. Данная сталь по химическому составу улучшена, и вредные примеси уменьшены до минимума. Данная сталь получена методом электрошлакового переплава, она обладает коррозионной стойкостью и является жаростойким и жаропрочным материалом. Твердость данного материала равна НВ 321 – 388. Коэффициент обрабатываемости этой стали механическими методами равен

К= 0,3. Скорости резания при обработке такого материала составляют 65 м/мин резцами из твердого сплава и 20 м/мин резцами из быстрорежущих инструментальных сталей.

Данная деталь представляет собой длинный полый вал с плавным переходом во фланец значительных габаритных размеров. Наружная поверхность вала, примыкающая к фланцу, имеет коническую образующую с цилиндрическими поясками. На этих поясках размещены лабиринтные уплотнения (элемент 1), на цилиндрическом пояске в средней части (элемент 11) устанавливается уплотнение для разделения воздушных сред с различными физическими свойствами. Третий поясок (элемент111) является основной конструкторской поверхностью вала (диаметр шейки вала равен 160m5). На этом пояске выполняется спиральная канавка. Канавка служит для подвода и отвода тепла из рабочей зоны подшипника. Подшипник устанавливается на цилиндрическую поверхность и прижимается к опорному торцу К3 с помощью гайки. Резьба М130  1,5 (левая), расположена на наружной цилиндрической поверхности вала. Вдоль образующей цилиндрическая поверхности (стебля) вала имеются канавки глубиной от 2 до 3 мм. На этой поверхности размещены также замковые и шлицевые элементы (сечение В-В, Н-Н, вид А и др.). На конце вала в шахматном порядке размещены 6 радиальных отверстий диаметром 22 мм. Эти отверстия служат для подвода «холодного» воздуха от компрессора для охлаждения вала в данной зоне. Шлицы, расположенные на конце вала (сечение В-В) предназначены для соединения ротора компрессора с турбиной.

Шлицевые элементы являются второй основной конструкторской поверхностью, так как определяют, совместно с поверхностью К1 положение вала в двигателе. Образующая поверхность шлицов выполняется в виде эвольвенты с модулем, равном 2,5, количество зубьев равно 50. Угол профиля на делительной окружности обеспечивается равным 20 градусам. Наружная поверхность шлицевого венца выполняется с высокой точностью.

Внутренний профиль вала имеет сложный фасонный контур, переходящий от конической поверхности у большого фланца в цилиндрическую форму. У большого фланца методом фрезерования выполняются 12 фасонных выступов, протачивается торцевая коническая канавка и создается коническая образующая поверхность во внутренней полости вала, приближая его к равнопрочной конструкции.

Торцевые поверхности большого фланца выполняются с высокой точностью. Точность формы и расположения этих поверхностей относительно основных конструкторских баз (К1, К2) обеспечивает качественное соединение элементов ротора компрессора. Во фланце размещаются 24 отверстия О 10 +0,016 мм, 6 резьбовых отверстий М8 и 12 отверстий О12р6. Данные отверстия служат для надежного соединения вала с ротором компрессора. Кроме этого на конической образующей вала, в зоне первого цилиндрического пояска (элемент 1) размещаются 6 косых отверстий О 10 мм.

Высокие требования к валам, особенно «гибких» роторов, предъявляются к расположению конструкторских, рабочих и свободных поверхностей. В таблице 5.1 представлены требования по расположению основных поверхностей валов относительно друг друга.

Таблица 5.1.

Обозначение Поверхности	Размер	Требование к поверхности и ее расположению
К1	О 160 р5	О 0,01 = 0,01
К2	О127,532	О 0,01 = 0,01 0,005 К1
К3		0,01 0,01 К1
Д1	О 346,5h7	0,03 К1, К2
Д2	О 264 М7	0,03 К1, К2
Т		0,01 0,02 К1, К2
Т1		0,01 // 0,02 Т
Д3	О 296 h6	О 0,02 0,03 К1, К2
Д4	О 237 g6	О 0,02 0,03 К1, К2
Свободные поверхности Сi	10 – 13 квалитет	Биение цилиндрических поверхностей 0,06 0,1 К1, К2 Биение торцевых поверхностей не более 0,06 мм

На основании анализа, представленной конструкции вала ротора низкого давления отметим некоторые особенности валов ГТД:

- Высокие требования к материалу вала и контролю его

качественных показателей.

- Небольшой коэффициент обрабатываемости металла методами лезвийной обработки. Для вала низкого давления ротора ГТД он равен 0,3.

- Вал ротора ГТД имеет сложную конструкцию с наличием на образующих поверхностях значительного количества ответственных рабочих элементов, выемок, канавок, отверстий и различных облегчений.

- Высокие требования к качеству конструкторских и рабочих поверхностей вала.

- Повышенные требования к расположению свободных поверхностей относительно номинального положения (допустимое биение этих поверхностей, относительно номинального положения не более 0,08 мм).

- Высокие требования к качеству поверхностей и состоянию поверхностного слоя.

- Повышенные требования к сбалансированности вала после механической обработки.