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

/

Рис. 9.35. Конструкция сварных секций ротора компрессора

паток в собранной секции. Сквозные отверстия под штифты делаются лишь там, где можно легко удалить стружку. Внутренние полости, об­ разующиеся между дисками, сообщаются между собой или через цен­ тральные отверстия либо через специальные отверстия, выполненные в теле дисков. В свою очередь внутренняя полость через отверстия в цилиндрической части барабана сообщается с проточной частью. Та­ ким образом, во всей полости ротора устанавливается одинаковое дав­ ление, чем устраняются осевые нагрузки на диски. Гребешки уплотне­ ний, сделанные на барабанных частях секций, устраняют перетекание воздуха через радиальные зазоры между ротором и направляющими лопатками.

На рис. 9.37 показан ротор, в котором секции соединяются после­ довательно с помощью призонных болтов 6. Секции различаются кон­ струкцией. Так, первая секция состоит из цапфы 7, диска 2 с барабан­ ным участком 3 и фланцами 4. Другие секции представляют собой только диск, а трактовая часть между ними заполняется кольцом 5, образующим барабанную часть.

Отверстия для призонных болтов сверлятся и развертываются совме­ стно в каждой секции либо выполняются с помощью сопряженных кон­ дукторов. Чтобы болты не выпадали из отверстий во время сборки, они удерживаются во фланцах с помощью пружинных колец 7, вставленных

в специально проточенные канавки. Ротор такого типа, благодаря бол­ товому креплению и наличию фланцев, обладает большой поперечной жесткостью. Таким образом, в подобных конструкциях передача кру­ тящего момента и взаимная центровка деталей осуществляется только

2. Если же головку болтов расположить вместо гайки 77, то оказывается невозможным доступ к гайке 7, так как по­

лость А при сборке замкнута. От отворачивания гайка 7 фиксируется гранью по цилиндрическому пояску 3, а гайка 77 — пластинчатым замком 72. На правом торце стяжки 5 выполнен четырехгранник 70, за который она удерживается от про­ ворачивания при затяжке гайки 77.

Треугольные шлицы обеспечивают центровку и передачу крутяще­ го момента. Постоянство сборки гарантируется метками или одним широким шлицем.

Конструкции опор, валов, соединительных муфт, силовые схемы двигателя приводятся в специальной литературе или других учебни­ ках [4, 5, 9].

9.3. КОНСТРУКЦИЯ КОРПУСОВ И ВОЗДУШНЫХ УПЛОТНЕНИЙ. РЕГУЛИРОВАНИЕ РАДИАЛЬНОГО ЗАЗОРА

В СТУПЕНЯХ КОМПРЕССОРОВ

Корпус компрессора представляет собой полый цилиндр или усе­ ченный конус, в зависимости от типа проточной части выполненный в виде цельной или разъемной конструкции. Разъем может быть сделан в плоскости оси ротора (рис. 9.43, а) или перпендикулярно ей (рис. 9.43, б). В последнем случае число секций корпуса соответ­ ствует числу ступеней компрессора. Корпус с горизонтальным разъ­ емом позволяет осуществить сборку компрессора с окончательно со­ бранным и сбалансированным ротором. В случае неразъемного корпу­ са сборка компрессора производится с торца.

Ш

Рис. 9.43. Конструктивное выполнение элементов корпуса компрессора

Корпуса компрессоров отливаются из алюминиевых сплавов или свариваются из листовой стали или титанового сплава. Соединение частей корпуса друг с другом осуществляется с помощью фланцев, которые одновременно увеличивают жесткость конструкции. Однако неравномерная жесткость разъемного корпуса (меньшая в плоскости, перпендикулярной разъему, и большая в плоскости разъема) приводит

к неравномерному тепловому расширению корпуса и короблению его при нагревании. Это характерно для литых алюминиевых корпусов. Поэтому с наружной стороны корпуса компрессора необходимо делать оребрение, добиваясь примерно одинаковой жесткости. Необходимая прочность корпуса при тонких стенках обеспечивается горизонтальны­ ми и кольцевыми ребрами.

Центровка секций корпуса с поперечным разъемом осуществляется или с помощью посадочных цилиндрических поясов (рис. 9.43, узлы II и III ) или с помощью призонных болтов (рис. 9.43, узел IV). Если крепление фланцев выполнено по типу узлов II, III, IV и болт вверты­ вается в мягкий металл — сплав алюминия, то необходима предвари­ тельная постановка футорок 4 (см. узел П1), изготовленных из бронзы или латуни и ввернутых в корпус с небольшим натягом по среднему диаметру наружной резьбы. Контровка болтов выполняется с по­ мощью отгибных шайб или специальных фигурных головок болтов с упором их в плоскость (узлы II, IV).

Центровка обеих половин корпуса, имеющего горизонтальный разъем, обеспечивается цилиндрическими штифтами 1 (рис. 9.43,а узел 1), устанавливаемыми с небольшим натягом. Поэтому при разбор­ ке для предохранения от повреждения поверхности стыка рекоменду­ ется применять специальные съемники, состоящие из ввертываемых в

отверстия 2 болтов и упирающиеся в специальную заглушку 3- Минимальная толщина стенок в литых корпусах 3— 6 мм, а в свар­

ных 1,5—3 мм. В сварных конструкциях из листового материала для повышения жесткости корпус иногда выполняется в виде двух концен­ тричных оболочек, между которыми привариваются зигзагообразные ребра жесткости.

Для получения необходимой герметичности стыков раз* 6*11101,0 корпуса расстояние между болтами или шпильками берется в преде­ лах (6—10)rf, где d — диаметр болта или шпильки. Толщина фланца равна двум-трем толщинам стенки корпуса.

Корпус компрессора является силовым элементом и вклюяается в общую силовую схему двигателя. Передача усилий от переднего и за­ днего подшипников компрессора на корпус производится череВ специ­ альные радиальные связи, в качестве которых могут быть использова­ ны лопатки ВНА и спрямляющие лопатки последних ступеней комп­ рессора.

В процессе эксплуатации попадание посторонних пред*16™ » в том числе и птиц, в проточную часть двигателя может привес^11 к по~ ломке лопаток вентилятора и последующих ступеней. ПоэтОмУ Для удержания обломков лопаток при их разрушении и для обе</Дечевия статической прочности и вибропрочности корпус компрессор^ в Раио~ не вентиляторных ступеней усиливают путем намотки на него Эысокомодульных нитей.

Для уменьшения утечки воздуха между ступенями и после комп­ рессора применяются лабиринтные уплотнения. Различные схемы ла­ биринтных уплотнений показаны на рис. 9.44, а, б, в, г, и d, a в табл. 9.1 дано значение коэффициента расхода к для указанных схем.

Корпус

д

Рис. 9.44. Схема лабиринтных уплотнений

Как видно из таблицы, наиболее эффективным является уплотне­ ние типа г. Однако оно оказывается наиболее сложным в изготовлении и может быть применено только в компрессорах, имеющих продоль­ ный разъем корпуса.

При гладком вале более выгодно применение уплотнения б. Чис­ ло гребешков обычно выбирается от 4 до 7. Кромки гребешков не сле­ дует скруглять даже малым радиусом, так как это заметно снижает эффективность уплотнения.

Для уменьшения зазора 5 применяются (на неподвижных деталях) графитотальковые или графитоалюминиевые покрытия, представляю­

щие собой пасты на лаковой основе, которые наносятся на шерохова­ тую поверхность корпуса, сушатся, а затем протачиваются резцом. Толщина покрытия после обработки 1—3 мм.

Осевой зазор между рабочими и спрямляющими лопатками выби­ рается в пределах 15—40% от величины хорды рабочей лопатки на среднем диаметре.

Выбор радиального зазора между рабочими лопатками и корпусом компрессора зависит от температурных деформаций корпуса, его же­ сткости, деформации ротора, производственных допусков на изготов­ ление и сборку деталей компрессора. Точно учесть все эти факторы трудно, поэтому окончательно монтажную величину радиального за­ зора определяют экспериментально при доводке компрессора, хотя расчетное определение величин гарантированного зазора с учетом влияния различных нагрузок является обязательным при проектирова­ нии компрессора и двигателя в целом.

Столь тщательное отношение к выбору радиального зазора связа­ но с тем, что радиальный зазор и КПД двигателя связаны между собой линейной зависимостью. Наиболее существенное влияние радиально­ го зазора на КПД двигателя и, следовательно, на удельный расход топлива наблюдается в компрессоре. Так, увеличение радиального за­ зора в компрессора на 1% приводит к возрастанию удельного расхода топлива CR на 1,5—3%, что ухудшает параметры двигателя.

В процессе эксплуатации двигателя радиальные зазоры не остают­ ся неизменными. Причинами, вызывающими изменение радиальных за­ зоров, являются силовые воздействия на статор и ротор двигателя, а также термические расширения их элементов на различных режимах работы. И хотя последнее обстоятельство наиболее характерно для турбин, где уровень температур гораздо выше, чем у компрессора, тем не менее в современных высоконапорных компрессорах эта причина становится особенно важной из-за высоких температур в последних ступенях и применения тонкостенных конструкций корпусов с целью уменьшения массы двигателя.

Поэтому в турбинах, а в последние годы и в компрессорах, особой проблемой являлось регулирование радиальных зазоров с целью под­ держания их минимальных величин в течение всего полетного цикла летательного аппарата. Для успешного создания турбомашин с такой системой регулирования радиальных зазоров необходимо иметь хро­ нограмму Аг=/(т) изменения радиальных зазоров по времени tfa всех режимах работы двигателя. В свою очередь расчет таких хронограмм на стадии проектирования требует надежных сведений о тепловом со­ стоянии деталей как на стационарном, так и на переходных режимах работы ГТД.

В настоящее время в отечественной и зарубежной литературе име­ ется мало сведений по закономерностям теплоотдачи от воздуха к раз­

личным элементам проточной части осевых компрессоров. Это обсто­ ятельство затрудняет разработку простой инженерной методики рас­ чета теплонапряженного состояния элементов компрессора, а следо­ вательно, и построение хронограммы радиальных зазоров уже на на­ чальной стадии проектирования.

На рис. 9.45 показано качественное изменение радиального зазора Дг осевого компрессора с неохлаждаемым корпусом при изменении ре­ жима работы двигателя от режима малого газа до полной тяги (рис. 9.45,а) и при сбросе нагрузки (рис. 9.45,6). Как видно из рис. 9.45,а в начальный момент раскрутки ротора и возрастания центробежных сил и напряжений в диске и лопатках происходит уменьшение радиально­ го зазора Дг = Дгк - Дгр (где Дгк — относительное радиальное смещение

корпуса компрессора; Дгр — относительное радиальное смещение ро­

тора компрессора). Связано это с тем, что упругие деформации в ме­ талле происходят практически мгновенно при изменении нагрузки. В процессе дальнейшей раскрутки относительно тонкий корпус комп­ рессора прогревается более интенсивно по сравнению с ротором, что приводит к увеличению радиального зазора до Дгшах. Так как в даль­

нейшем размеры корпуса стабилизируются, а ротор (в основном за счет дисков) продолжает прогреваться, зазор постепенно уменьшает­ ся, достигая на стационарном режиме (крейсерский полет, область I на рис. 9.45,а) расчетного минимального значения.

При сбросе нагрузки может происходить небольшое кратковремен­ ное увеличение радиального зазора по сравнению с зазором на крей­ серском режиме (область I на рис. 9.45,6), а затем в зависимости от теплофизических характеристик материала ротора и корпуса (Е — мо­ дуль упругости, а — коэффициент линейного расширения и др.) его уменьшение и даже касание ротором корпуса, что недопустимо.

Рис. 9.45. Нестационарные относительные радиальные смещения корпуса компрессо ра Дгк и ротора Дгр

а — раскрутка; б — снижение частоты вращения ротора