книги / Осевые и центробежные компрессоры двигателей летательных аппаратов. Теория, конструкция и расчет

Здесь С7Ввн, GJE — расходы воздуха (через внутренний контур и сум­ марный). Площадь проходного сечения FBCHна выходе из вентилятора

известна из расчета ТРДД. Тогда наружный диаметр колеса первой подпорной ступени

Диаметр втулки первой подпорной ступени Ат1подп известен из

конструктивной проработки внутреннего обвода проточной части вен­ тилятора.

С учетом толщины А разделительного кольца необходимо скор­ ректировать диаметральные размеры наружного контура ТРДД. Так, внутренний диаметр канала наружнего контура

А н ” Ас I подп+ 2Д .

Конструктивно схемы проточной части вентиляторных и подпор­ ных ступеней (см. рис. 2.8) выполняются таким образом, что относи­ тельный диаметр втулки dBT уже в первой подпорной ступени равен

0,5—0,6. Это позволяет в отличие от общих рекомендаций применять в них высокоэффективный метод закрутки лопаток по закону посто­ янства циркуляции.

Вопросы для самостоятельной подготовки

1.Какие этапы проектировочных расчетов предшествуют газодинамиче­ скому расчету компрессора?

2.На чем базируются методы согласования основных параметров турбо­

машин в ГТД?

3.На чем базируется метод частичного моделирования?

4.В чем состоит суть метода полного, моделирования?

5.В чем заключается особое свойство высокоэффективных осевых ком­ прессоров, позволяющее сделать обобщение характеристик различных групп компрессоров?

6.На какой стадии проектирования компрессоров целеосообразно ис­ пользовать метод полного моделирования и почему?

7.На какие этапы можно разделить газодинамический расчет осевого компрессора по методу плоских компрессорных решеток?

8.В какой последовательности и с помощью каких зависимостей оцени­ вается густота решеток наиболее нагруженной ступени осевого компрессора?

9.Чем обусловлена необходимость в ряде случаев постановки двух по­ следовательно расположенных спрямляющих решеток в последних ступенях КНД или КВД?

10.Какие улучшения в работе компрессора или турбины можно получить

вслучае применения подпорных ступеней в ТРДД с большой степенью двухконтурности?

Глава 9

ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ АВИАЦИОННЫХ КОМПРЕССОРОВ

9.1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА. КОНСТРУКЦИЯ ЛОПАТОК И ДИСКОВ

В процессе проектирования двигателя в целом и его основных уз­ лов должна использоваться методология системного подхода, заклю­ чающаяся в рассмотрении отдельных узлов ГТД как составной части двигателя в целом, а двигателя — как части летательного аппарата с конкретным назначением. Поэтому эффективность конструктивного решения отдельных деталей и составленных из них узлов оценивается по показателям всего двигателя в системе летательного аппарата.

В связи с этим конструкция хомпрессора должна отвечать ряду требований. Она должна обеспечивать заданный расход воздуха GB и

степень повышения давления я* при наибольшем значении КПД, быть технологичной и надежной, иметь низкую стоимость изготовления и эксплуатации.

Иногда конструктивное исполнение элемента или узла нужно най­ ти, несмотря на противоречивые требования к нему со стороны газовой динамики и прочности, определяющей допустимый уровень напряже­ ний, а следовательно, и окружных скоростей вращающихся частей ро­ тора компрессора. Стремление получить приемлемые диаметральные соотношения вентилятора и турбины сталкивается с конструктивными соображениями, связанными также с прочностью.

Так как вопросы газовой динамики, прочности и конструкции вза­ имосвязаны, при конструировании новых узлов и деталей турбомашин целесообразно ознакомиться с аналогичными образцами уже создан­ ной и хорошо зарекомендовавшей себя в эксплуатации техники. В по­ следнее время наиболее распространена концепция, обеспечивающая «опережающие» разработки при создании новых двигателей. Она ос­ новывается на возможности разработки таких узлов-модулей двигате­ ля (компрессора, турбины, камеры сгорания и др.), которые практиче-

просечки наружного и внутреннего колец и привариваются либо при­ паиваются к ним (см. рис. 9.4). При сборке такого направляющего ап­ парата лопатки вставляются через просечки в наружном кольце.

Тонкие стальные лопатки могут соединяться с внутренними коль­ цами, как показано на рис. 9.5 в сечении А—А. В торцах лопаток концы ее отгибаются в разные стороны и соединяются с кольцом точечной сваркой. В последних ступенях высоконапорных компрессоров направ­ ляющие (спрямляющие) лопатки должны привариваться только к на­ ружному кольцу для обеспечения свободного температурного удлине­ ния лопаток.

Обычно направляющий аппарат конструктивно выполняется так, что лопатки располагаются равномерно по окружности, а перо лопаток — ра­ диально. Однако в некоторых конструкциях направляющие лопатки устанавливаются под небольшим углом к радиусу или они имеют не­ равномерный (по окружности) шаг. Это делается для того, чтобы ра­ бочая лопатка при вращении не одновременно по всей своей высоте пересекала аэродинамический след за направляющей лопаткой пре­ дыдущей ступени. Такое мероприятие снижает переменные силы, воз­ буждающие колебания рабочих лопаток.

Из-за наличия окружной составляющей аэродинамической силы, с которой поток действует на лопатки, направляющий аппарат необ­ ходимо фиксировать от проворачивания в этом направлении.

Фиксация осуществляется с помощью штифтов (см. рис. 9.4) или выступов (позиция 7, рис. 9.5) на корпусных кольцах, входящих в пазы колец направляющих аппаратов. Для этой же цели служат стопорные пластины, вставляемые в местах разъема колец направляющего аппа­ рата или корпуса компрессора.

Входные направляющие аппараты и направляющие (спрямляющие) лопатки последних ступеней компрессора в ряде конструкций ГТД включаются в силовую схему двигателя для передачи усилий с опор ротора на наружный корпус двигателя.

На рис. 9.6 показана конструкция ВНА, в которой верхние полки лопаток ввариваются в наружное кольцо 7, являющееся элементом корпуса компрессора. Нижние полки с помощью фланцев соединяют­ ся с деталями 2 и 7 передней опоры компрессора. Часто ВНА делаются с обогревом передней кромки лопаток, чтобы препятствовать образо­ ванию льда на них. В противном случае образовавшийся слой льда на лопатках ВНА ухудшает аэродинамику обтекания, уменьшает площадь проходного сечения ВНА и приводит к срывным и неустойчивым ре­ жимам работы компрессора. Входная кромка лопатки 6 образуется об­ текателем 5, соединенным с пером лопатки заклепками 9. Образовав­ шийся канал 4 сообщается с полостью 8 отверстиями. Горячий воздух

отбирается в необходимом количестве или из-за компрессора, или изза его промежуточной ступени и подается по трубопроводам в полость 8. Проходя через канал 4, он обогревает лопатку и затем через отвер­ стие в нижней полке проходит в полость 3 и идет далее на обогрев кока в двигателе.

Простой и технологичный силовой спрямляющий аппарат послед­ ней ступени компрессора высокого давления показан на рис. 9.7. В этой конструкции обе полки лопатки 2 соединяются соответственно с наружным корпусом 7 и внутренним силовым кольцом 3 электроклеп­ кой. Для устранения перетечек по сопрягаемым поверхностям служат уплотнения 4.

В другой конструкции (рис. 9.8) лопатка на нижнем торце имеет цапфу 2, с помощью которой закрепляется на внутреннем силовом кольце 7. Верхние полки лопаток входят в проточку в корпусе 4 и фиксируются запрессованным штифтом 5.

Введение регулирования высоконапорных компрессоров (см. разд. 7.5) приводит к необходимости применения регулируемых на­ правляющих аппаратов (РНА). Регулирование осуществляется одно­ временным поворотом всех лопаток направляющего аппарата вокруг радиальных осей. Механизм поворота может быть выполнен или в ви­ де вращающегося зубчатого колеса 7 и зубчатых сегментов 2, распо­ ложенных на цилиндрических цапфах лопатки 3 (рис. 9.9,а), или же в виде специальных рычагов 2, находящихся в шарнирном соединении с движущимся звеном 7 (рис. 9.9,6, в).

Пример конструкции регулируемого входного направляющего ап­ парата показан на рис. 9.10. Лопатки 7 имеют соосные цапфы 2 и 72, вращающиеся в соответствующих подшипниковых втулках 3 и 77. Кольца 10, в которые вставлены втулки 77, препятствуют их дефор­ мации при стягивании деталей 9 и 13 болтами, проходящими между цапфами соседних лопаток (на рисунке показана ось болта). На верх­ ние цапфы 2 запрессованы рычаги 4, шарнирно соединенные со штиф­ тами б. Сами же штифты размещаются на кольце 5, ось которого сов­ падает с осью компрессора. Центровка кольца осуществляется роли­ ками 7, вращающимися в деталях 8, которые крепятся к корпусу ком­ прессора. При повороте кольца 5 управляющим механизмом все лопат­ ки поворачиваются на заданный угол.

Лопатки регулируемого направляющего аппарата могут быть вы­ полнены и в виде консольной конструкции. В этом случае они должны иметь относительно длинные верхние цапфы, вращающиеся в своих подшипниковых втулках.

Рабочие лопатки. Рабочая лопатка компрессора (рис. 9.11) состо­ ит из профильной части, или пера 2 и хвостовика 3, служащего для крепления лопатки к диску. На вогнутой и выпуклой поверхностях

Рис. 9.7. Соединение лопатки НА точечной сваркой

пера могут быть выполнены специальные антивибрационные полочки 1. Такие полочки применяются обычно в первых ступенях компрессо­ ра, а также в первых ступенях каскада высокого давления в двухвальных компрессорах. При сборке таких лопаток на диске между полками соседних лопаток создается натяг, и изгибно-крутильная жесткость лопаток значительно увеличивается, что уменьшает опасность возник­ новения больших переменных напряжений при колебаниях. Антивиб­ рационные полочки располагаются примерно на одной трети высоты лопатки от периферии. В процессе эксплуатации поверхности стыка соседних полок истираются и наклепываются, поэтому между ними образуется зазор и они перестают выполнять свою роль. Для упрочне­ ния этих поверхностей на них наносится (плазменным напылением) слой твердых сплавов.

Площадь сечения пера лопатки уменьшается к периферии, что снижает напряжения растяжения от центробежных сил и напряжения изгиба от газовых сил. Линейные и угловые размеры пера лопатки должны быть выполнены с высокой степенью точности (±0,05—0,1 мм) для того, чтобы получить одинаковые поля скоростей и давлений в каждом межлопаточном канале.

Поверхности пера и галтелей перехода в хвостовик должны иметь высокий (8— 10) класс шероховатости для уменьшения потерь на тре­ ние и увеличение их усталостной прочности.

Наибольшее распространение получило крепление лопаток с по­ мощью трапециевидного паза («ласточкин хвост»), изображенное на рис. 9.11 (позиция 3). Углы между боковыми рабочими поверхностями хвостовика принимаются равными 40, 60 или 90° Посадка хвостовика лопатки в паз диска осуществляется с зазором 0,01—0,03 мм. В неко­ торых случаях для повышения собственной частоты колебаний лопат­ ки посадка стальных лопаток в стальные диски производится с натя­ гом до 0,015 мм. В этом случае хвостовик лопатки омедняют (толщина слоя меди до 0,003—0,005 мм) для устранения задиров посадочных по­ верхностей. Для этой же цели на тыльной поверхности хвостовика мо­ жет быть выполнена продольная канавка (позиция 4 на рис. 9.11) глу­ биной 0,2 мм.

Для крепления стальных компрессорных лопаток последних ступе­ ней в некоторых конструкциях используется хвостовик елочного типа (рис. 9.12). В этом случае лопатки устанавливаются с небольшим за­ зором, что препятствует возникновению больших сжимающих темпе­ ратурных напряжений в соединении из-за разности температур обода и центра диска. Этот способ соединения менее технологичен, чем ука­ занный выше, и его применение в компрессорах должно быть обосно­ вано.