Глава 4 изготовление дисков гтд.

1. Конструкция, технические требования и

МАТЕРИАЛЫ.

Диски являются наиболее ответственными элементами конструкции роторной части ГТД. Начиная с входа в проточную часть ГТД и при выходе газов из турбины, действуют силовые и температурные нагрузки, которые воспринимает вращающийся ротор (рисунок 1.1). В дисках компрессора и турбины закреплены лопатки, которые обеспечивают постепенное сжатие воздуха в компрессоре низкого давления (КНД), среднего давления (КСД) и высокого давления (КВД). Затем смесь воздуха и топлива из камеры сгорания (КС) подается на турбину. Поток газов, имеющих высокую температуру (Тг.max.=1600К), поступая на лопатки турбины, создает вращение роторной части ГТД. Реактивная сила, возникающая в роторе, обеспечивает работу изделия.

Диски воспринимают значительные осевые и центробежные нагрузки по всему тракту проточной части ГТД. Изменения давления в проточной части компрессора увеличивают температуру воздуха и требуют использования для дисков компрессора различных материалов. Диски первых ступеней компрессора изготавливаются в основном из титановых сплавов ВТ-9, ВТ-20, ... (см. таблицу 1.1). По мере роста давления и температуры в проточной части компрессора материал для дисков изменяется. Используются диски из теплоустойчивых низколегированных сталей (18ХНВА, 10ХН3А, ... и других). На последних ступенях компрессора высокого давления, где температура достигает 600-700С, используются для дисков хромоникелевые стали и сплавы 04ХН40МДТЮ, ХН45ВМТЮБР и другие.

Диски турбины ГТД работают при весьма высоких силовых и температурных нагрузках. Напряжения, возникающие в дисках, достигают 500 МН/м. Температура на входе в турбину равна Тг. кр = 1300К и Тг. мax = 1600 К., поэтому для дисков турбины в основном используются хромоникелевые сплавы с высоким содержанием никеля (62 - 73 %).

Периферийная часть диска (обод диска) воспринимает действие высоких температур. С целью уменьшения воздействия этих температурных нагрузок по профилю полотна диска создаются лабиринтные уплотнения, которые уменьшают перетекание газовой смеси к внутренней части ротора. Перепад температур по радиусу диска достигает 400К, что вызывает большие температурные напряжения в материале, приводящие к появлению трещин и в отдельных случаях к разрушению диска. Такие условия работы дисков при значительных частотах вращения требуют высокой сбалансированности элементов роторной части и отсутствия, значительных перетеканий газов в лабиринтных уплотнениях ГТД.

Диски турбины ГТД представляют собой равнопрочную конструкцию, учитывающую воздействие осевых, центробежных и температурных напряжений и неравномерность их воздействия по всему профилю.

На рисунке 4.1 представлен эскиз диска турбины первой ступени двухконтурного ГТД. Этот диск изготавливается из хромоникелевого сплава ЭИ698ПД (ХН62БМКТЮ-ПД) получаемого методом вакуумного дугового переплава. Этот сплав весьма трудно подвергается механической обработке, но благодаря комплексу хороших физико-механических свойств используется для дисков турбины ГТД:

а) Механические свойства сплава:

- твердость НВ 302...375 единиц,

- временное сопротивление разрыву в = 1150 Мпа (117 кг/мм 2),

- относительное удлинение s = 13%,

- относительное сужение  = 14%,

- сплав деформируется в температурном интервале 1160 - 1000С.

б) Химический состав:

- углерод - 0,03 - 0,07%,

- кремний - 0,5%,

- марганец - 0,4%,

- сера - 0,07%,

- фосфор - 0,015%,

- хром - 13,0 - 16,0%,

- никель - 70% (основа),

- титан - 2,32 - 2,75%,

- алюминий - 2,8 -3,2%,

- ниобий - 1,9 -2,2%,

- железо - 2%,

- свинец - 0,01%,

- бор - 0,005%,

- церий - 0,005%.

Сурьма, олово, висмут, мышьяк не более 1 балла по шкале спектрального анализа.

Благодаря добавлению 0,005% бора сплав существенно превосходит по жаростойкости другие сплавы. Этот сплав обладает хорошим сочетанием прочности и пластичности. Он также обладает хорошей коррозионной стойкостью.

Диск турбины первой ступени (рисунок 4.1) имеет следующие основные элементы:

- усиленная массивная ступица;

- центрирующие пояски для ориентирования диска в роторе;

- равнопрочное, конусообразное полотно диска;

- обод диска, в котором расположены пазы для установки и закрепления лопаток;

- элементы центрирования и закрепления дифлекторных и лабиринтных колец;

- высокоточные отверстия для установки и крепления дисков к валам с помощью призонных болтов.

Основными конструкторскими поверхностями диска являются поверхности К1 и К2. Эти поверхности определяют положение диска относительно передней опоры ротора. Поверхности Р1 и Р2 служат для соединения диска с элементом вала для задней опоры ротора ГТД (рисунок 1.1).

Точность выполнения данных поверхностей и точность расположения их относительно друг друга обеспечивается в пределах IT5 -IT6. Плоскостность торцевой поверхности К1 выполняется с точностью до 0,01 мм., а шероховатость этой поверхности до Ra = 2.5 мкм. Поверхность К1 создает плотное прилегание диска к торцевой поверхности вала в процессе сборки ротора. Эта поверхность определяет координатную плоскость ZOY (рисунок 4.1). Центрирование диска выполняется поверхностью К2. Данная поверхность создает координатную ось OX детали. Она выполняется по IT5 и создает при сборке ротора беззазорное соединение по поверхности Д1 диаметром 262 Н6/k5. Эта посадка обеспечивает возможные предельные значения натягов от - 0,003 мм. до - 0,058 мм.

Поверхность Д2 диаметром 222k5 и прилегающий торец Р1 обеспечивают соединение диска с валом для задней опоры. Представленные поверхности создают координатную систему XYZ диска ГТД.

Относительно координатной системы XYZ в диске турбины расположены основные рабочие элементы:

- поверхности елочного замка диска;

- поверхности для центрирования и закрепления колец лабиринтных уплотнений и дефлекторов;

- отверстия для соединения диска с валом.

Ось елочного паза (рисунок 4.1, вид А) повернута к оси диска на угол , который равен в нашем случае 8. Допуск на данный угол составляет 10. Через первый паз замка проходит базовая плоскость (сечение а-а), которая определяет координатную систему установки лопатки в диске. Для создания точного положения лопаток в пазах диска базовая плоскость, начиная с нулевого паза диска, контролируется. Допустимое отклонение положения фактической базовой плоскости от номинального положения не должно превышать 0,03 мм. на длине 100 мм.

Профиль елочного замка диска получают методом протягивания. Точность геометрических параметров елочного замка (рисунок 4.1, сечение а-а) обеспечивается в следующих пределах:

- допуск на шаг зубьев паза (размеры h1,h2,...hn) - 0,02 мм.,

- допуск на угол профиля паза (угол ) - 10,

- допуск на положение паза относительно оси (угол ) - 10,

- допуск на ширину паза (размеры В0, В1, ...Вn) - 0,08 мм.

В процессе установки лопаток в диск осуществляется селективная сборка. При этом пазы диска разбиваются на 3 группы:

1 группа имеет размеры - 14,19 + 0,04 мм.,

2 группа имеет размеры - 14,23 + 0,04 мм.,

3 группа имеет размеры - 14,27 + 0,04 мм.

Перед установкой лопаток в диск каждая лопатка проверяется на наличие качки в замке. Эта качка проверяется на полной длине лопатки и должна составлять 0,3 мм.

Постановка лабиринтных и дифлекторных колец производится по основным К1 и Р1 и дополнительным поверхностям Р4, Р5 с правой стороны диска (элемент Б, рисунок 4.1) и Р6, Р7 с левой стороны диска (элемент С, рисунок 4.1). В процессе установки выступы колец вводятся в пазы П (вид Г), а за счет поворота кольца создают натяг в зоне размера 4,5 -0,08 мм. для правой стороны и в зоне размера 0,65 - 0,07 мм. для левой стороны. Такая сборка лабиринтных колец обеспечивает их неподвижное соединение с диском.

Отверстия для крепления дисков с помощью призонных болтов выполняются в пределах IT5 (Ø 14+0,017 мм., Ø 14,5+0,019 мм.). Свободные поверхности этого отверстия выполняется в пределах IT10 (Ø 14,2+0,07 мм.). Расположение отверстий относительно друг друга и положение их относительно конструкторских поверхностей К1 и К2 выполняется в пределах допуска - 0,04 мм.

Допустимое смещение свободных поверхностей до 0,2 мм.

Необходимо отметить, что диски компрессоров и турбины, работая при значительных частотах вращения, должны иметь минимальные смещения вращающихся неуравновешенных масс. Для уменьшения «скрытой неуравновешенности» элементов роторов необходимо уменьшать источники, порождающие эту неуравновешенность в процессе изготовления и сборки. В связи с этим точность расположения поверхностей, роторной части двигателя, включая свободные поверхности, выполняется с повышенными требованиями. Так, например, допуск на смещение свободных поверхностей контура диска должен быть не более 0,06 мм.

Поверхности диска воспринимают значительные напряжения при эксплуатации. С целью улучшения качественных показателей поверхностей они подвергаются абразивно-жидкостной обработке, а на профиль рабочей замковой части диска воздействуют микро-шариками для создания в поверхностном слое сжимающих напряжений. Все поверхности диска подвергаются полированию для снятия вредных остаточных напряжений и получению шероховатости поверхностей до 2,5 мкм. по Ra.

Диски ротора ГТД подвергаются тщательному контролю на всех этапах обработки.

На рисунке 4.2 представлен эскиз диска пятой ступени, который расположен в средней части ротора осевого компрессора. Наружный диметр диска равен 675 мм., внутренний диаметр равен 160 мм. Это отверстие позволяет обеспечить подачу воздуха во внутренний тракт компрессора и создать охлаждение, как самих дисков, так и высоконагруженных элементов ротора диска - валов, подшипников, и т. д.

Диски компрессора имеют следующие основные элементы:

- центрирующий поясок К1 и торец К2 для ориентирования диска в роторе компрессора,

- наружный обод (ширина обода 47 мм.) служит для установки и закрепления лопаток,

- тонкостенное полотно диска (толщина полотна диска равна 3,5 мм.),

- усиленный поясок в средней части диска (толщина пояска равна 8 мм.) с 30-ю отверстиями диаметром 10 мм. для закрепления диска в роторе компрессора смешанного вида [1].

По наружному диаметру диска под углом 35 к оси расположены 65 пазов трапецеидальной формы (рисунок 4.2, сеч. а - а). Эти пазы обеспечивают ориентирование лопаток и их закрепление в осевом и радиальном направлениях. Конструкторскими поверхностями являются центрирующий поясок диаметром 330 мм. (поверхность К1) и прилегающий торец К2 . Эти поверхности выполняются с высокой точностью.

Для изготовления таких дисков используется титановый сплав ВТ-9, ВТ-20 и др. (см. таблица 1.1).

а) механические свойства сплава ВТ-9:

- твердость НВ 269 - 363 единицы,

- временное сопротивления разрыву в = 1029 - 1225 Мпа (105 -125 кг/мм2).

- относительное удлинение s = 9%,

- относительное сужение  = 25%.

б) химический состав:

- алюминий - 5,8 - 7,0 %,

- молибден - 2,8 - 3,8 %,

- цирконий - 0,8 - 2,0 %,

- кремний - 0,2 - 3,5 %.

Основой сплава является титан. Примесей в данном сплаве не более 0,865 %.

Обрабатываемость материала по отношению к стали 45 невысокая. Коэффициент обрабатываемости составляет 0,2.

Преимуществом титановых сплавов являются высокие механические свойства и коррозионная стойкость при малой плотности материала (4,5г/см2). Эти сплавы обладают термической стабильностью и не охрупчиваются при длительной работе под нагрузкой в условиях нагрева 400 - 500С. Сплав ВТ - 9 является жаропрочным.

При работе ГТД в дисках компрессора возникают значительные напряжения от центробежных сил, массы самих дисков и массы лопаток, установленных на ободе. В дисках компрессора действуют также температурные напряжения, вызываемые неравномерным нагревом диска по радиусу и толщине. Напряжения от сил газов вызывают изгиб дисков.

Диски компрессора относятся к деталям, имеющим ажурные, тонкостенные, высоконагруженные элементы.