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

Устройство содержит тонкое кольцо 2, концентрично размещенное в относительно массивных корпусных элементах 3 и 8 с зазором Aj Бла­ годаря такой конструкции прогрев тонких рабочих лопаток компрес­ сора 1 и тонкого кольца 2 происходит почти одновременно, поэтому радиальный зазор Д2 поддерживается практически неизменным на всех режимах работы двигателя. Увеличение диаметра кольца 2 при нагре­ ве ограничивается устранением зазора А\ из-за того, что массивные элементы 3 и 8 вместе с корпусом 4 прогреваются в течение более длительного времени.

При сбросе нагрузки двигателя и снижении температуры в про­ точной части компрессора уменьшение длины рабочей лопатки сопро­ вождается уменьшением диаметра кольца 2. Уменьшение диаметра кольца 2 происходит до тех пор, пока не восстановится зазор Д2, а

ограничительные выступы 5 не соприкоснутся с наружной поверхно­ стью элементов 3 и 8.

Для устранения возможных вибраций деталей этого устройства пре­ дусмотрена установка плоских пружин 7, надеваемых на выступы 6.

С целью снижения термических деформаций корпуса компрессо­ ра двигателя CF6-6 фирмы «Дженерал Электрик» корпус в зоне по­ следних ступеней имеет двойные стенки, обеспечивающие изоляцию его силовой части от нагретого воздуха. Столь простое конструктив­ ное решение позволило снизить удельный расход топлива из-за сохра­ нения минимальных радиальных зазоров на различных режимах рабо­ ты двигателя.

Наиболее эффективными являются активные методы регулирова­ ния радиальных зазоров, при которых зазоры меняются за счет целе­ направленного воздействия на диаметральные размеры смежных дета­ лей. Наличие при этом обратной связи по зазору в системе управления двигателем дает возможность автоматического поддержания радиаль­ ного зазора на оптимальном уровне.

Активные методы регулирования радиальных зазоров могут осу­ ществляться с помощью различных технических решений: изменения температуры деталей (тепловым способом), кинематического или си­ лового воздействия на детали (механическим способом), использова­ ния гидростатического принципа регулирования и комбинации пере­ численных методов.

Как показывает практика, в осевых компрессорах предпочтитель­ ными оказываются механические и тепловые способы регулирования радиальных зазоров. Эти способы могут быть реализованы с програм­ мированным или автоматическим регулированием.

На рис. 9.48 приведена конструкция ступени компрессора с меха­ ническим способом регулирования радиального зазора. Ротор комп­

рессора имеет рабочие лопатки 10 с антивибрационными полками 9 конической наружной формы. Над рабочими лопатками устанавлива­ ется коническая проставка 7, на внутренней поверхности которой на­ несен слой талька, графита или подобного покрытия. Проставка 7, ус­ тановленная по посадке движения в корпус 2, изготовлена за одно це­ лое с кольцевым поршнем 4, который входит в кольцевую полость 5 корпуса 2. Кольцевой поршень 4 снабжен уплотнителем 7 из легко де­ формируемого упругого материала. С противоположной стороны про­ ставка 7 поджата пружиной 77, выполненной из плоских пластин.

Рис. 9.48. Ступень с механическим регулированием радиального зазора

Устройство работает следующим образом. В полость 5 под давле­ нием /?з, избыточным по сравнению с давлением р\ и Р2 , через жиклер 6 поступает воздух из-за последующих ступеней компрессора, а затем по каналам 8 и 3 стравливается в радиальный зазор. Таким образом, на проставку 7 одновременно действуют две противоположно направ­ ленные силы: силаРпр, создаваемая пружиной, и сила/>пор^ создава­ емая поршнем. Если в силу каких-либо причин радиальный зазор уве­ личивается больше заданного, то усиливается стравливание воздуха из полости 5 и в ней происходит снижение давления /?3 . Равновесие сил, действующих на поршень 4, нарушится, и он вместе с проставкой 7 сместится в направлении уменьшения радиального зазора до такого положения, в котором восстановится равновесие действующих на пор­ шень сил. Уменьшение радиального зазора по сравнению с заданным приведет к росту давления в полости 5, что вызовет смещение поршня и проставки 7 влево, и зазор увеличится. Если давление в подости 5 поддерживать по определенной программе в зависимости от режима работы двигателя, то данную схему можно рассматривать как с;хему с программированным регулированием.

К недостаткам такой схемы регулирования следует отнести, преж­ де всего, сложность исполнения, так как такое регулирование требу­ ется практически в каждой ступени компрессора. Кроме того, необхо­ димость иметь бандажные полки приводит к уменьшению КПД комп­ рессора, что снижает эффект от увеличения КПД, получаемого за счет уменьшения радиальных зазоров.

Наиболее эффективная реализация подобного метода регулирова­ ния получается при осевом смещении всего ротора турбомашины с по­ мощью одного исполнительного механизма. В этом случае опоры ро­ тора должны быть снабжены гидростатическими устройствами, позво­ ляющими не только иметь осевое смещение ротора, но и регулировать его в зависимости от режима работы двигателя.

В качестве примера технического решения способа теплового ре­ гулирования радиального зазора по заранее разработанной программе может служить конструкция, представленная на рис. 9.49. Корпус ком­ прессора состоит из силовой оболочки 6 и внутреннего корпуса 11, жестко соединенных между собой с помощью фланцевых соединений. К корпусу 11 вместе с направляющими аппаратами крепятся и сегменты 72, формирующие радиальные зазоры над рабочими лопатками компрессора. С наружной стороны корпус 11 имеет ребра 10 для цен­ трирования кожуха S, которые вместе образуют полости 2, 13 и 9.

3 * * 5 6

При закрытом положении заслонки 3 (на рис. 9.49 это положение показано сплошными линиями) охлаждающий воздух, взятый из про­ точной части компрессора, через отверстия 14 во внутреннем корпусе поступает вначале в полость 2, а затем через отверстия в ребрах 10 в полости 1J, 9 и 7 и далее через отверстие 4 в патрубок 5.

При открытом положении заслонки 3 (на рисунке это положение показано пунктиром) охлаждающий воздух через отверстие 1 попадает

впатрубок 5, не производя охлаждения корпуса 11.

Вдальнейшем охлаждающий воздух из патрубка 5 используется в подобной системе регулирования радиальных зазоров в лопатках тур­ бины.

Программа в данном случае является простейшей, так как только две крайних позиции заслонки 3 определяют количество воздуха, по­ ступающего на охлаждение внутреннего корпуса 11.

Использование для охлаждения корпусов воздуха соседних ступеней компрессора малоэффективно, так как параметры соседних ступеней примерно одинаковы и температура подаваемого охладителя недостаточ­ на для интенсивного отбора тепла у близлежащих ступеней. Желатель­ но, чтобы источник и потребитель охлаждающего воздуха были бы уда­ лены друг от друга по длине проточной части компрессора.

Диапазон регулирования радиальных зазоров в ступенях компрес­ сора может быть расширен, если заменить двухпозиционную заслонку 3 на многопозиционный переключатель. На рис. 9.50 дана конструк­ ция, позволяющая плавно менять расход охлаждающего воздуха. Мно­ гопозиционный переключатель состоит из кольца 4 с окнами J, рычага 1 и поводка 2. Кольцо 4 может поворачиваться в окружном направле­ нии, изменяя при этом площадь проходных сечений в окнах 7 и 11, расположенных на силовой перегородке б. Тем самым плавно меняет­ ся расход охлаждающего воздуха, поступающего из проточной части через отверстия 12 в полости 8 и 10. Если окна 3 на кольце 4 будут полностью совмещены с окнами 7 (как показано на рис. 9.50,6), то ох­ лаждающий воздух через открытые окна 7 попадает в полость 8 (рис. 9.50,а) и, не соприкасаясь с внутренним корпусом компрессора из-за

наличия отражателей 9, выходит в патрубок 5.

При развороте кольца 4 так, чтобы совместились окна 3 и 77, ох­ лаждающий воздух поступает в кольцевое пространство 10 между от­ ражателями 9 и внутренним корпусом компрессора, а затем через от­ верстия в ребрах проходит в полость в и в патрубок 5. Благодаря это­ му происходит охлаждение внутреннего корпуса компрессора, способ­ ствующего тем самым уменьшению радиальных зазоров над рабочими лопатками.

Рис. 9.50. Конструкция с многопозиционным переключателем:

а — течение охлаждающего воздуха; б — регулятор подачи охлаждающего воздуха

Между этими двумя крайними положениями кольца 4 возможны любые промежуточные положения, изменяющие соотношения между количествами охлаждающего воздуха, поступающего в полости 8 и 10. Регулирование положения кольца 4 ведется через исполнительный механизм по заранее отработанной программе в зависимости от режи­ ма работы двигателя.

Рассмотренные системы активного регулирования осуществляют подачу охлаждающего воздуха в соответствии с заранее заданной про­ граммой безотносительно к фактической величине радиального зазо­ ра, так как обратная связь в этих системах отсутствует.

При автоматическом принципе активного регулирования в систе­ ме предусматривается датчик обратной связи, который непрерывно из­ меряет фактическую величину радиального зазора, вырабатывает сиг­ нал на исполнительный механизм, корректирует его значение в нуж­ ном направлении. Существенным преимуществом такого регулирова­

ния является возможность поддержания минимальных зазоров, а так­ же независимость регулирования от чередования режимов работы дви­ гателя.

Подобные системы регулирования зазорами должны быть частью общей системы управления двигателем. Поэтому для реализации по­ добных систем необходима бортовая ЭВМ, способная обеспечить уп­ равление зазорами с необходимым быстродействием. Выдаваемые ею команды воспринимаются исполнительными механизмами, которые управляют регулирующими элементами в линии обдува корпусов.

9.4.ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА. КОНСТРУКЦИЯ ОСНОВНЫХ УЗЛОВ

Конструктивно центробежные компрессоры различаются типом входного устройства, формой лопаток рабочего колеса, типами колеса и диффузора, формами воздухосборников, количеством ступеней сжа­ тия и т.д. В качестве примера на рис. 9.51 представлен продольный разрез центробежного компрессора. Рабочее колесо 1 с односторон­ ним входом посажено на вал 2 ротора турбокомпрессора. На выходе из рабочего колеса воздух попадает сначала в безлопаточный диффу­ зор 5, а затем в лопаточный 4. Оба диффузора располагаются между торцевой стенкой 5, называемой диафрагмой, и покрывным корпусом б. Полость трансмиссий 9 отделена от проточной части лабиринтами 8 и 7. Рассмотрим некоторые конструктивные особенности основных элементов центробежного компрессора.

Входное устройство обычно выполняется по одной из схем, представленных на рис. 6.6. Как отмечалось в разд. 6.4, схема с осе­ вым входом имеет минимальное гидравлическое сопротивление. Обво­ ды входной части патрубка выполняются обычно по лемнискате для обеспечения равномерного поля скоростей на входе в колесо.

Если по конструктивным соображениям передний подшипник ро­ тора турбокомпрессора располагается перед рабочим колесом комп­ рессора, то приходится осуществлять боковой или кольцевой вход на рабочее колесо. В таких входных устройствах гидравлические сопро­ тивления больше, чем сопротивления в осевом устройстве, и для их снижения следует избегать большой кривизны внешних участков пат­ рубка. Конструктивно силовую связь корпуса переднего подшипника с корпусом компрессора в этом случае можно осуществить с помощью тонких, хорошо обтекаемых ребер, число которых должно быть обыч­ но не менее трех.

Рабочее колесо компрессора состоит из приемной части, которую называют вращающимся направляющим аппаратом (ВНА), и собствен-

Рис. 9.51. Центробежный компрессор

но рабочего колеса. ВНА изготовляется отдельно от колеса (рис. 9.52) или фрезеруется заодно с ним. При большом числе лопаток на колесе для уменьшения загромождения входного сечения число лопаток ВНА делается вдвое меньше.

В случае изготовления ВНА в виде отдельной детали необходимо обеспечить при сборке надежную центровку ВНА относительно само­ го колеса. Центровку должна сохраняться при любом режиме работы компрессора. В качестве центрирующих элементов могут использо­ ваться цилиндрические пояски (рис. 9.52, б,в) или фиксирующие штифты (рис. 9.52, а}г).

Со стороны входа воздуха в рабочее колесо проточная часть комп­ рессора ограничивается покрывным корпусом (см. рис. 9.51, позиция 6). Эта деталь соединяет входное устройство с воздухозаборником, фор­ мирует проточную часть и уплотняет зазор по рабочему колесу (в ме­ ридиональной плоскости) во избежание утечек сжатого воздуха. По­ крывной корпус изгибается под действием усилий вследствие разно­ сти давлений на внутренней и внешней его сторонах. Поэтому для по­ вышения жесткости на внешней стороне корпуса иногда выполняются ребра.

С тыльной стороны рабочего колеса проточную часть компрессора ограничивает диафрагма (см. рис. 9.51, позиция 5), которая образует одну из стенок диффузора и служит силовым элементом. На диафраг­ ме обычно располагаются лабиринтное уплотнение для разгрузки осе­ вых сил, лабиринты воздушных и масляных уплотнений полости трансмиссий, каналы подвода и отвода масла и прочие магистрали. Для изоляции проточной части и опоры компрессора от подогрева со стороны камеры сгорания диафрагма изолируется экранами, образую­ щими вентилируемые воздушные полости, и слоем теплоизоляции, как показано на рис. 9.51.

С целью уменьшения зазора между рабочими лопатками и покрыв­ ным корпусом в некоторых конструкциях применяется обмазка корпу­ са слоем талька со связующими добавками.

Соединение колеса центробежного компрессора с валом и переда­ ча крутящего момента от вала колесу осуществляется различными способами.

К соединениям всех типов предъявляются два основных требова­ ния: обеспечение необходимой прочности соединения, передающего крутящий момент, обеспечение центровки колеса относительно вала на всех режимах работы компрессора.

Эти требования выполняются за счет различных конструктивных средств и правильно выбранных посадок сопряженных деталей комп­ рессора. Различают разъемные и неразъемные соединения.

Неразъемные соединения обеспечиваются или запрессованными

Фланцевое соединение обеспечивает передачу крутящего момента силами трения, возникающими на поверхности соприкосновения фланца вала с колесом. Крепежные шпильки удерживаются от вывер­ тывания или упором их торцов в дно резьбовых отверстий, или натя­ гом по среднему диаметру резьбы. При фланцевых соединениях лучше делать так, чтобы вал охватывал посадочные места на колесе. Флан­ цевое соединение несколько усложняет разборку компрессора, если рабочее колесо расположено консольно на валу.

Самое широкое распространение получили шлицевые соединения колеса с валом. В стальных колесах шлицы нарезаются непосредст­ венно на рабочие колеса. Если же колесо из алюминиевого сплава, то в него предварительно запрессовывается стальная шлицевая втулка. В этом случае уменьшается износ соединения при переборках компрес­ сора. При этом втулка в колесо запрессовывается на треугольные мел­ кие шлицы, а на внутреннем диаметре втулки нарезаются укороченные шлицы для уменьшения диаметральных размеров соединения (см. рис. 9.52, г). Обычно шлицы эвольвентные. Однако они не достаточно центрируют колесо, и поэтому необходима дополнительная центровка по специальным цилиндрическим или коническим пояскам.

В случае цилиндрических (прямоугольных) шлиц лучше обеспечи­ вать центровку по боковым граням. Натяг по толщине зуба подбира­ ется экспериментально в пределах от 0 до 0,05 мм.

Диффузор располагается концентрично рабочему колесу, явля­ ется неподвижной частью и может быть выполнен безлопаточным, ло­ паточным, канальным и полуканальным.

Безлопаточный диффузор образуется двумя стенками, одна из которых является продолжением покрывного корпуса, а другая — Ди­ афрагмы. На рис. 9.55 даны схемы безлопаточных диффузоров. На рис. 9.55, а и б ширина диффузора постоянна в радиальном направле­ нии: 62= const. При несовпадении поверхностей I и II в случае, пока­

занном на рис. 9.55, а, возникают заметные гидравлические потери, по­ этому несколько лучше вариант на рис. 9.55, б. Еще меньше потерь имеет конструкция диффузора, показанная на рис. 9.55,в. Однако она менее технологична. Здесь &3= 0,8&2, ^ з = 1»П^2 и канал диффузора

несколько смещен относительно канала колеса в сторону покровного корпуса. При этом 5j = 0,33 ф2Ь3), а &2= 0,58{ . Поверхность стенок

диффузора тщательно полируется.

Лопаточный диффузор представляет собой систему расширяю­ щихся каналов, образованных специальными лопатками и ограничен­ ных с одной стороны покрывным корпусом, а с другой — диафрагм°й. При этом ширина канала лопаточного диффузора в меридиональной плоскости может быть постоянной в радиальном направлении иЛи уве­ личиваться с ростом радиуса.