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

Хвостовик елочного типа применяется и в длинных лопатках пер­ вой ступени вентилятора ТРДД с большой степенью двухконтурности (рис. 9.13), так как такое соединение способно воспринимать большие нагрузки при меньших размерах замковой части по сравнению с дру­ гими типами хвостовиков. Осевая фиксация лопатки в пазу диска осу­ ществляется с помощью деталей 1 и 2 ротора.

В компрессорах малоразмерных ГТД лопатки имеют малую высо­ ту, хорду, а следовательно, и малый шаг решетки. В этом случае при индивидуальной посадке лопаток возникают трудности с обеспечени­ ем прочности тонких перемычек между отдельными пазами в диске. Поэтому в таких компрессорах используется посадка лопаток в коль­ цевую проточку (рис. 9.14), соответствующую трапециевидному или «елочному» хвостовику. Лопатки в этом случае последовательно заво­ дятся в паз через специальные фрезерованные пазы, которые после установки всех лопаток заглушаются.

Для крепления лопаток на диске используется также шарнирное соединение, показанное на рис. 9.15. В лопатках с таким соединением уменьшаются напряжения от изгиба, улучшаются вибрационные харак­ теристики и увеличивается демпфирование колебаний.

Лопатка 1 имеет ножку 2, которая входит с небольшим осевым за­ зором в кольцевой паз диска. В щеках обода диска 3 и ножке 2 име­ ются отверстия, в которые вставляются палец 8. В щеках обода палец посажен с натягом. Между пальцами и стальной втулкой 7, запрессо­ ванной в ножку, имеется зазор, равный 0,5—1,5 мм в зависимости от диаметра пальца. Полый палец от осевого перемещения фиксируется крышками 4 и 9, которые в свою очередь удерживаются от перемеще­ ния развальцованной трубкой 5. Запрессованная в трубку заглушка б препятствует перетеканию воздуха из полости за лопаткой на вход.

Недостаточная прочность этого соединения допускает возмож­ ность его применения при окружной скорости на периферии не более 320 м/с. Следует заметить, что вес диска с лопатками при шарнирном соединении примерно на 20% выше, чем при использовании соедине­ ния типа «ласточкин хвост». Кроме того, при шарнирном соединении на диске размещается меньше лопаток, т.е. уменьшается густота рабо­ чей решетки и, следовательно, напорность ступени.

Указанные недостатки ограничивают широкое применение шар­ нирного соединения.

Аэродинамические усилия, действующие на рабочую лопатку в осевом направлении, в несколько раз меньше сил трения, обусловлен­ ных центробежными силами в замковых соединениях. Поэтому для фиксации лопатки в осевом направлении не делаются массивные крепления. Чаще для этих целей используются пластины различной формы, штифты, пружинные кольца.

вдоль паза, так как ось паза и ось штифта пе­ рекрещиваются. Штифт может быть гладким или резьбовым, и после

установки его закернивают. Для разборки соединения штифт высвер­ ливают и заменяют новым (ремонтным) большего диаметра.

На рис. 9.22, а показана фиксация с помощью пружинного кольца. В хвостовиках лопаток и межпазовых выступах диска выполнены пазы 4 (рис. 9.22, б), образующие при сборке кольцевую канавку, в которую заводится разжимное пружинящее кольцо 1. Это кольцо препятствует смещению лопатки в обе стороны.

От перемещения в окружном на­ правлении кольцо фиксируется сто­ пором 3. Отверстия 2 в диске дела­ ются для демонтажа стопорного

Диски компрессоров. Диск в общем случае состоит из трех основ­ ных элементов: обода 1, полота 2 и ступицы 3 (рис. 9.23). Обод пред­ ставляет собой уширенную периферийную часть диска, на которой крепятся рабочие лопатки компрессора. Полотно диска обычно выпол­ няют коническим в сечении, однако если позволяют условия прочно­ сти, то тонкие диски иногда делают с постоянной по радиусу толщи­ ной. Возможно сочетание участков с постоянной толщиной и кониче­ ских.

Часто диски компрессоров в меридиональной пло­ скости имеют коническую или криволинейную форму полотна, что приводит к возникновению дополнитель­ ных напряжений от изгиба центробежными силами.

Ступица представляет собой уширенную часть по­ лотна диска, выполненного с центральным отверсти­ ем. Наличие ступицы уменьшает тангенциальные на­ пряжения на внутренней поверхности полотна такого диска. На ступице могут выполняться элементы соеди­ нения дисков между собой или с валом. В некоторых конструкциях дисков ступица играет роль цапфы, с помощью которой ротор опирается на подшипник.

Переход от одной части диска к другой должен быть плавным с галтелями по возможности большого радиуса для уменьшения концентрации напряжений. Для повышения усталостной прочности дисков их ос­ новная поверхность (включая и галтели) чисто обраба­

тывается (с шероховатостью ^ )» так как наличие рисок приводит к концентрации напряжений и способствует развитию

газовой коррозии при высоких температурах. При изготовлении дисков их толщина выдерживается с допуском в тело порядка 0,1—0,3 мм.

Кроме основных элементов на диске могут быть буртики лабирин­ тных уплотнений, оболочки для крепления диска к валу или для сое­ динения дисков между собой и т.п.

На рис. 9.24 показан диск с широко развитой ступицей, на внут­ ренней поверхности которой выполнены два ряда прямоугольных шлиц 1 и 3 для передачи крутящего момента с вала. Чтобы не вносить концентрацию напряжений в ступице под полотном, шлицы выполне­ ны по ее краям, где напряжения малы. Резьбовые отверстия 2 исполь­ зуются для крепления съемника при разборке ротора.

На рис. 9.25 дан диск одноступенчатого вентилятора, имеющего несимметричный профиль полотна 5. На ступице 2 имеются эвольвентные шлицы 7, передающие крутящий момент от вала. Пояски 6 и 8 служат для центрирования диска на валу. Кольцевая канавка 1 на сту­ пице предусмотрена для крепления съемника при разборке диска с ва-

9.2. РОТОРЫ КОМПРЕССОРОВ. КОНСТРУКТИВНОЕ ВЫПОЛНЕНИЕ СОЕДИНЕНИЙ СЕКЦИЙ

ВРОТОРАХ СМЕШАННОЙ И ДИСКОВОЙ КОНСТРУКЦИЙ

Визготовленных авиационных ГТД конструкции роторов компрес­ соров весьма разнообразны. Можно выделить три основных типа: ба­ рабанный, дисковый, смешанный (дисково-барабанный).

Роторы барабанного типа (рис. 9.30, а, б) представляют собой кольцевую деталь цилиндрической, конической или ступенчатой фор­ мы в меридиональном сечении, чаще всего изготавливаемую из одной заготовки. В роторах подобного типа крутящий момент на лопатки пе­ редается через стенку барабана. На барабане имеются кольцевые про­ точки, по форме отвечающие хвостовику рабочих лопаток, в количе­ стве, соответствующем числу ступеней компрессора. Барабанная часть ротора соединяется с фланцами цапф призонными болтами.

г

Рис. 9.30. Схемы роторов:

а, б — роторы барабанного типа; в — ротор дискового типа; г — ротор смешанного типа

Достоинством таких типов роторов является простота конструк­ ции, большая поперечная жесткость, что уменьшает прогибы ротора под действием статических и переменных поперечных нагрузок и зна­ чительно повышает критическую частоту вращения ротора. Это позво­ ляет назначать минимальные монтажные радиальные зазоры между торцами рабочих лопаток и корпусом компрессора.

Основной недостаток этого типа роторов — небольшие (180—200 м/с) окружные скорости на наружном диаметре барабана, ограниченные ус­ ловиями его прочности. При больших габаритах ротора возникают трудности с изготовлением заготовки с равномерным гарантирован­ ным распределением по всей длине высоких механических свойств ма­ териала. Большое количество материала уходит в стружку при меха­ нической обработке. Все это снижает технологические достоинства схемы, поэтому барабанный тип ротора применяется только в компрес­ сорах малоразмерных двигателей (например, вертолетных).

Роторы дискового типа (рис. 9.30, в) имеют соединенные с валом специально спрофилированные диски, на периферии которых крепят­ ся рабочие лопатки. Диски обладают большой прочностью и допуска­ ют на своем наружном диаметре окружные скорости 250—350 м/с. Ос­ новным недостатком такой конструкции является меньшая (по сравне­ нию с барабанным типом) изгибная жесткость ротора, большая конст­ руктивная и производственная сложность.

Наибольшее распространение в современных двигателях находят роторы смешанного типа (рис. 9.30, г), сочетающие в себе достоинства роторов барабанного и дискового типов. Барабанная часть выполняет­ ся на таком радиусе, на котором обеспечивается ее прочность, и в то же время создается большая изгибная жесткость. В роторах подобного типа используются разнообразные способы соединения между собой отдельных секций. Однако прежде чем рассмотреть примеры конст­ руктивного выполнения соединений секций следует отметить, что сре­ ди выполненных компрессоров не всегда встречаются схемы роторов, точно соответствующие какому-нибудь одному из упомянутых выше типов. Это объясняется многообразием условий и требований, предъ­ являемых к той или иной конструкции.

Рассмотрим особенности некоторых более сложных схем роторов. На рис. 9.31 показан ротор, со­

стоящий из двух ступеней венти­ лятора и двух подпорных ступе­ ней. П оследние расположены консольно, что сокращает рассто­ яние между опорами. Так как под­ порные ступени имеют неболь­ шие окружные скорости, это по­ зволяет заключить их не на дис­ ках, а на кольцевых элементах 2 с фланцами. Все элементы ротора соединены призонными болтами.

Трехступенчатый ротор компрессора низкого давления (рис. 9.32) крепится призонными болтами к фланцу вала 3 консольно. Диск вто­ рой ступени 1 изготовлен заодно с кольцом 2, несущим рабочие ло­ патки третьей ступени. Это позволяет расположить опору ближе к об­ щему центру тяжести ротора и тем уменьшить изгибающий момент на валу в сечении под опорой. Для крепления лопаток всех трех ступеней использовано шарнирное соединение.

На рис. 9.33 изображена схема шестиступенчатого компрессора, у которого диски первых трех ступеней крепятся призонными болтами консольно к конической оболочке 7. Оболочка выполнена заодно с пе­ редней цапфой. Теми же болтами к оболочке крепятся три последую­ щих диска, соединенные между собой сваркой. Передняя цапфа, по­ следний диск и общий вал 2 компрессора и турбины соединены при­ зонными болтами. Таким образом, в этой схеме использована замкну­ тая силовая связь трех последних дисков, обеспечивающая большую жесткость ротора.

Роторы смешанной конструкции по способу соединения могут быть разъемными и неразъемными. Применение разъемных соедине­ ний предпочтительно, так как проще осуществляется замена отдель­ ных секций при ремонте. Иногда же применение таких соединений диктуется условиями сборки двигателя. Однако неразъемные соедине­ ния обладают большой жесткостью и меньшим весом.

На рис. 9.34 показана схема сварного ротора компрессора. Диски всех девяти ступеней соединены между собой аргонодуговой или электронно-лучевой сваркой по тонким кольцевым буртам, сделанным заодно с дисками (рис. 9.35). Соединение секций выполнено на макси­ мальном диаметре дисков, что обеспечивает высокую жесткость рото­ ра. После сварки все швы контролируются, а ротор проходит термо­ обработку для снятия внутренних напряжений.

К любому виду соединений секций в роторах смешанной конструк­ ции предъявляются следующие общие требования:

прочность и надежность узла при передаче крутящего момента и осевого усилия;

взаимная центровка деталей в холодном и горячем состояниях для сохранения балансировки ротора;

простота, технологичность и малый вес.

Рассмотрим некоторые наиболее распространенные типы соедине­ ний.

На рис. 9.36 показан в качестве примера ротор четырехступенчато­ го осевого компрессора смешанной конструкции, состоящий из сталь­ ных дисков 7 с барабанными участками 2. Секции ротора напрессова­ ны друг на друга и заштифтованы. Передача крутящего момента осу­ ществляется за счет натяга и запрессованных штифтов 3. Глухие от­ верстия под эти штифты сверлятся и развертываются в пазах для ло-