Эксплуатационные требования, предъявляемые к роторам компрессора. Технологические особенности изготовления роторов компрессоров. Опера

 

 

Для уменьшения влияния концентраторов напряжений в зоне действия растягивающих усилий от центробежных сил шлицевое соединение вала с диском выносят на некоторое расстояние oт ступицы диска, где σ₂ < σ₁. Здесь σ₁ и σ₂  - напряжения, действующие н шлицевом соединении для первой (а) и второй (б) схем соответственно. Диски со шлицами на выносном элементе позволяют разгрузить паз шлица и тем самым уменьшить влияние концентратора напряжений в месте перехода шлица в паз.

Дисковые роторы сохраняют необходимую  прочность при значениях окружной скорости обода до 280...400 м/с. При больших перегрузках в процессе эволюции JIA вал ротора не всегда обеспечивает изгибную жесткость.

Достоинства ротора дискового типа: большая несущая способность  дисков и высокая рабочая окружная скорость до 400 м/с. Недостатки ротора дискового типа: невысокая критическая частота вращения; небольшая изгибная и крутильная жесткость; высокая удельная масса; сложность конструкции; плотность стыков торцевых поверхностей ступиц обеспечивается монтажным стягиванием ротора со значительным осевым усилием; возможна деформация изгиба дисков из плоскости вращения от осевых усилий при затяжке и разнице температур между ободом и ступицей при нагреве ротора.

 

3.3 Роторы барабанно-дисковой конструкции

 

Ротор барабанно-дисковой конструкции включает в себя барабан (рис. 3.4), обеспечивающий высокую изгибную жесткость ротора, и диски, на которых установлены рабочие лопатки, способные нести высокие окружные скорости. Отдельные секции, имеющие диски и барабанные участки, соединяются между собой, причем соединение делается на таком радиусе, где окружная скорость невелика и допускается по условиям прочности барабана. Эта барабанно-дисковая конструкция имеет достаточно большую жесткость и большое критическое число оборотов.

Такой тип ротора, отличающийся только способом соединения отдельных секций между собой, получил большое распространение.

 

 

Рис. 3.4. Барабанно- дисковый ротор КНД ГТД 3 - его поколения Р29-300.

 

Соединение дисков между собой обеспечивается через барабанные участки или кольцевые проставки, или с натягом и радиальными штифтами. На некоторых типах ГТД соединение дисков между собой проводится призонными болтами или электронно-лучевой сваркой.

Ротор опирается на две опоры: переднюю и заднюю. Достоинства роторов барабанно-дискового типа: большая изгибная жесткость; высокая критическая частота вращения; большая несущая способность дисков; высокая рабочая окружная скорость (до 400 м/с).

 

 

Рис 3.5. Барабанно – дисковый ротор  компрессора ТВД 2 – го поколения АИ-24: 1 – замок;

2 – роликоподшипник; 3 – регулировочное  кольцо; 4, 24 – лабиринтные кольца; 5 – рабочая лопатка; 6 – упорный  штифт; 7,8 – пластинчатые замки; 9 – соединительный штифт; 10 – балансировочный  болт; 11, 12, 19 – лабиринтные кольца; 13 – шарикоподшипник; 14 – гайка; 15 – задний вал; 16 – заглушка; 17 – маслоотражатель; 18 – регулировочное кольцо; 20 – диск 10 – той ступени; 21 – полотно диска 5 – й ступени ротора; 22 – рабочее колесо 1 – й ступени; 23 – балансировочный винт; 25 – упорное кольцо; 26 – гайка. 

 

4. СОЕДИНЕНИЯ ДИСКОВ КОМПРЕССОРОВ С ЭЛЕМЕНТАМИ КОНСТРУКЦИИ РОТОРА

 

Соединение дисков между собой и с элементами конструкции ротора выполняют с помощью фланцевого соединения, торцевых треугольных шлиц центрального стяжного болта или периферийных стяжных болтов, радиальными штифтами, а также сваркой.

 

4.1 Фланцевые соединения дисков компрессора

 

В роторах с фланцевым соединением дисков и отдельных колец-проставок центрирование и передача крутящего момента производятся призонными болтами (рис 4.1). Роторы этого типа наиболее целесообразны при выполнении всех элементов конструкции из стали, когда необходимая жесткость и прочность узлов соединения обеспечиваются при относительно тонких фланцах и небольшом числе стяжных болтов.

При фланцевых соединениях дисков компрессора базовые поверхности выбирают в зависимости от характера соединения (рис. 4.2). Если каждое фланцевое соединение дисков стягивается отдельными болтами, то центрирование сопрягаемых элементов ротора достигается: путем беззазорной посадки по цилиндрическим буртам; стяжными болтами, имеющими беззазорную посадку (призонные болты) или зазор, не влияющий на потерю соосности дисков.

Диаметры отверстий d для  установки крепежных болтов, диаметр  окружности, на которой располагаются отверстия для болтов, и их количество выбираются из условия обеспечения нераскрытия стыка в процессе работы и требуемой посадки.

Если центрирование диска  выполняется по призонным (центрирующим) болтам, то за базу принимают ось диаметра расположения отверстий для этих болтов dц2. Дополнительно указывается, что смещение центра отверстий d под призонные болты от номинального положения обеспечивается технологически в пределах не более 0,01.

 

4.2 Соединение дисков компрессора радиальными штифтами

 

Соединение между собой дисков проводится по посадочным поверхностям с натягом 0,08...0,14. Сборка осуществляется при нагреве охватывающей детали на 30...50 °С выше максимальной рабочей температуры.

Рис. 4.1. Фланцевое соединение дисков болтами: 1 - фланцы соединяемых деталей; 2 - диск компрессора; 3 - призонный болт.

 

Рис. 4.2. Конструктивная схема фланцевого соединения дисков болтами.

 

Натяг устанавливается из условия его сохранения на всех эксплуатационных режимах работы двигателя. Фиксирование дисков осуществляется установкой радиальных штифтов в радиальные гнезда (рис. 4.3). Радиальные гнезда под штифты сверлятся после напрессовки дисков без выхода их во внутреннюю полость ротора, что позволяет исключить попадание стружки в полость ротора. Диаметр d принимается меньше ширины паза для лопаток. Количество штифтов определяется их прочностью на срез.

 

 

     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4.3. Соединение дисков компрессоров радиальными штифтами: 1 - диски; 2 - кольцевые (барабанные) проставки; 3 - разрезное кольцо; 4, 6 - радиальные соединительные штифты; 5 - упорный штифт

 

Так как штифты направлены по радиусу, то они обеспечивают сохранение центрирования и, следовательно, балансировку при радиальных деформациях соединяемых деталей.

Штифты устанавливаются под хвостовиком лопатки с натягом 0,01...0,03. Так как штифты устанавливаются в глухие отверстия, то они выполняются с дренажными каналами. Недостатком такого соединения является то, что барабанные перемычки в этом случае располагаются на максимальном радиусе, что не всегда является оптимальным вариантом.

 

 

 

 

4.3 Соединение дисков с помощью торцевых шлиц и осевой стяжки

 

Если центрирование дисков между собой и передача крутящего момента осуществляются треугольными торцевыми шлицами, то при их соединении применяют стяжные болты (рис. 4.4). Торцевые шлицы выполняются так, что их рабочие поверхности используются для центрирования и для передачи крутящего момента. Рабочие поверхности формируются лучами, исходящими из центра дисков.

При сборке ротора диски и цапфы, имеющие на фланцах торцевые шлицы, стягиваются либо одним центральным болтом большого диаметра, либо несколькими болтами, равномерно распределенными по окружности и проходящими в теле дисков и барабана. Конструкция с одним стяжным болтом имеет меньшую массу и технологичнее.

Конструктивные особенности соединения дисков компрессора с помощью торцевых треугольных шлиц следующие:при радиальной деформации элементов ротора центрирование дисков не нарушается;возможно соединение одним центральным стяжным болтом, а также рядом болтов, расположенных на периферии диска;в соединении с одним центральным стяжным болтом при затяжке гайки центрального стяжного болта возникают осевые деформации дисков и других элементов ротора; торцевыми шлицами не обеспечивается герметичность соединения. Герметичность достигается установкой между фланцами дисков пластины толщиной 0,5 мм и необходимой ширины 11….20 мм; соединение менее технологичио, чем болтовое соединение и с помощью штифтов; предварительная затяжка соединения проводится усилием, превышающим рабочие в 1,5...2 раза.

Недостатки конструкции роторов  с торцевыми шлицами: сложность и трудоемкость изготовления дисков; необходимость создания большой предварительной силы затяжки ротора, вызывающей большие начальные напряжения в деталях.

 

Рис. 4.4. Соединение дисков компрессора длинными стяжными болтами: 1 - диск компрессора; 2 - стяжной болт; 3 - барабанные проставки; 4 - распорная втулка

 

Рис 4.5. Соединение дисков с помощью торцевых шлиц и осевой стяжкой: 1 - стяжной болт;

2 - торцевые шлицы на фланцах; 3 - торцевое соединение по шлицам; 4 - трактовое (промежуточное) кольцо.

 

При передаче крутящего момента в торцевых шлицах появляется осевая составляющая силы, приводящая к раскрытию стыков ротора.

Формирования проточного тракта компрессора между дисками ротора осуществляют установкой трактовых (промежуточных) колец (рис. 4.5).

 

4.4 Соединение дисков сваркой

 

Сварка проводится по месту стыковки соединяемых дисков. Ротор, состоящий из дисков, соединенных с помощью сварки (электронно-лучевая сварка и др.), имеет наименьшую массу по сравнению с другими соединениями.

 

 

 

5. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ БАРАБАННЫХ ПРОСТАВОК, ТРАКТОВЫХ И ПРОМЕЖУТОЧНЫХ КОЛЕЦ РОТОРА КОМПРЕССОРА

 

Барабанной проставкой называется конструктивный элемент в роторе, обеспечивающий силовую связь между дисками, восприятие осевой нагрузки и нагрузок от кручения и изгиба и несущий гребешки лабиринтного уплотнения.

Трактовым кольцом называется конструктивный элемент, устанавливаемый в зоне обода, несущий гребешки лабиринтного уплотнения и определяющий изгибную жесткость ротора. Трактовое кольцо передает осевые силы от диска к диску.

Элементы лабиринтного уплотнения, размещенные на барабанных проставках и трактовых кольцах, обеспечивают герметичность между ротором и статором. Дли барабанной проставки определяющими факторами ее конструкции являются радиальные деформации и прочность, значения которых зависят от окружной скорости. Поэтому выбор конструктивного решения определяется значениями окружной скорости.

Барабанные проставки формируют силовую схему ротора, определяют его изгибную и крутильную жесткость и воспринимают: центробежные силы; крутящие и изгибающие моменты; перепады давлений.

Конструкция барабанных проставок определяется значениями окружных скоростей и выполняется в виде: кольцевой проставки; кольцевой проставки с кольцевым ребром в средней ее части; кольцевой проставки с осевыми перемычками; кольцевой проставки с полотном и ступицей.

Положенис барабанной проставки по радиусу Dбп определяется равенством радиальных деформаций проставки и диска. Если проставка расположена.выше равновесного радиуса, то проставка догружает диск, ниже - диск догружает проставку.

При использовании консольных НА в роторе вводятся трактовые кольца. Положение трактовых колец на периферии дополнительно нагружает диск.

Барабанные проставки и трактовые кольца устанавливаются по центрирующим буртикам дисков с диаметральным натягом 0,02…. 0,15 мм, а трактовые кольца с торцевым натягом 0,02…0,4 мм.

 

 

6. НАГРУЗКИ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА РОТОР

 

Конструкция ротора является несущей  силовой частью двигателя и нагружена (рис. 6.1): газовыми силами; центробежными силами от масс рабочих лопаток Fiцл, дисков Ftцд и барабанных проставок Fiбп; крутящим моментом Мкр от турбины; моментом сопротивления от газовых сил на рабочих лопатках М_{i ко}; изгибающим моментом М_из от массовых сил ротора G, F_i от неуравновешенности ротора, от действия газовых сил; осевыми силами F_{i α}, возникающими на рабочих лопатках и элементах конструкции диска, находящихся в газовоздушном тракте, а также от давления p_{1 в}, p_{2 в}, p_{1 внут}, p_{2 внут} на_.боковые стенки ротора; температурными нагрузками от нагрева ротора; силами, возникающими при эволюциях JIA.

 

 

 

 

Рис. 6.1. Схема распределения нагрузок, действующих на ротор компрессора: F_{1 цл} ... Fi _цл, F_{1 цд}…F_{i цд}, F_{i бп} - центробежные силы от масс рабочих лопаток, дисков, барабанных проставок и других деталей ротора соответственно; F_{1 α}….F_{i α} - осевые газовые силы; M_кр - крутящий момент и эпюра его изменения по длине ротора; M_{i кр} - момент от действия газовых сил на рабочие лопатки; M_г - гироскопический момент, F_j - инерционные силы; G - масса ротора; M_из -  эпюра изгибающих моментов от инерционных и гироскопических сил, P_{п1 r}, P_{п1 o} – радиальная и осевая нагрузки, воспринимаемые радиально - упорным подшипником; P_{п2 r} – радиальная нагрузка, воспринимаемая радиальным подшипником.

 

От действия центробежных сил собственных масс и масс лопаток в элементах ротора возникают напряжения растяжения, стремящиеся разорвать ротор по образующей и растянуть диски и лопатки в радиальном направлении.

Силы собственного веса G и силы инерции, возникающие при эволюциях самолета, действуют в плоскости, проходящей через ось двигателя, и вызвают изгиб ротора. Изгибающий момент от сил собственного веса достигает максимального значения вблизи середины между опорами ротора, так как равнодействующая этих сил приложена в центре тяжести ротора. Изгибная жесткость ротора тем больше, чем больше диаметр барабана ротора и толщина его стенки.

Крутящий момент, передаваемый от турбины на ротор, убывает от последней ступени компрессора к первой, так как в каждой ступени часть подведенного момента через рабочие лопатки передается воздуху. При передаче крутящего момента в элементах (штифтах), соединяющих диски и цапфы ротора возникают окружные усилия, величина которых пропорциональна величине крутящего момента и обратно пропорциональна количеству соединяющих элементов и их расстояниям от оси вращения.