Позиционные задачи

Типы и конструкция роторов осевых компрессоров, их сравнительная оценка и области применения. Конструкция рабочих лопаток и узлов их крепления. Статоры осевых компрессоров. Зазоры между ротором и статором, уплотнение проточной части осевого компрессора Нагрузки, действующие на ротор и статор осевого компрессора. Способы уменьшения осевой газодинамической силы, действующей на ротор компрессора.

Лекция №5

По конструкции ротора:

- ротор барабанный;

- ротор дисковый;

- ротор барабанно-дисковый (смешанный).

2.6. Рабочие лопатки. Конструкция и крепление к ротору

Конструктивно рабочая лопатка осевого компрессора состоит из профильной части (пера), соединяющейся плавным переходом (для снижения концентрации напряжений) с замковой частью (хвостовиком), предназначенным для соединения лопатки с диском.

Профильная часть обтекается на рабочем режиме околозвуковым или сверхзвуковым потоком воздуха и от её аэродинамических качеств зависят как напор ступени, так и КПД.

В хвостовике выделяют:

· полку хвостовика – часть лопатки, прилегающую к перу и расположенную между пером и хвостовиком лопатки или ножкой хвостовика;

· ножку хвостовика – элемент хвостовика лопатки, расположенный между полкой хвостовика и замком.

Переход от пера к замку может быть без промежуточных элементов, тогда проточная часть формируется совокупностью лопаток и наружной поверхностью диска.

В том случае, когда угол наклона образующей проточной части превышает 5 – 10^о, хвостовик располагают горизонтально, а перо соединяют с хвостовиком через промежуточный элемент – ножку. Ножка позволяет значительно разгрузить хвостовик лопатки. Между ножкой и пером размещают полку, совокупность которых и формирует проточную часть.

Рис.5.1 Рабочая лопатка компрессора

1 – перо; 2 – антивибрационная полка на промежуточном радиусе; 3 – хвостовик; 4 – диск; 5 – ножка; 6 – бандажная полка на торце пера

Профильная часть лопатки нагружена центробежными и газовыми силами, вызывающими в ней лопатки значительные напряжения растяжения, изгиба и кручения. Кроме того, вследствие неравномерного поля скоростей и давлений потока в лопатках постоянно действуют также вибрационные напряжения изгиба и кручения, уровень которых при определенных условиях может возрастать до значительной величины. Величина допускаемых напряжений в лопатках оказывает определяющее влияние на вес рабочего колеса и, следовательно, вес ротора и компрессора в целом.

Величина центробежной силы, действующей на лопатку, зависит от величины окружной скорости, конструкционного материала, размеров лопатки и достигает 7…900 кН (700 – 90 000 даН); величина газовой силы зависит от напорности ступени и размеров лопатки и примерно на порядок меньше центробежной силы.

Рис.5.2.

К рабочим лопаткам осевого компрессора предъявляются следующие основные требования:

1. Высокие аэродинамические свойства профиля – большая подъемная сила, малое сопротивление, бессрывное обтекание в широком диапазоне углов атаки.

2. Высокие точность изготовления и чистота обработки поверхности пера, влияющие как на прочностные, так и на аэродинамические характеристики. Отклонение линейных размеров не превышает 0,05…0,15 мм, угловых – 15 угловых минут.

3. Высокие прочностные и заданные вибрационные характеристики. Разброс частот собственных колебаний лопаток одной ступени не должен превышать 1…2%.

4. Малая масса лопатки, низкая стоимость ее изготовления и возможность массового производства;

5. Возможно меньшие концентраторы напряжений, особенно в месте перехода профильной части к хвостовику;

6. Конструкция хвостовика, позволяющая легко собирать ротор и заменять лопатку в случае её повреждения;

7. Обеспечена необходимая долговечность.

Лопатки крепятся к диску или барабану с помощью специального замка. Крепление должно удовлетворять следующим требованиям:

– обеспечивать необходимую прочность соединения;

– обеспечивать точную установку лопаток;

– обеспечивать легкость монтажа и демонтажа;

– простота производства;

– возможность размещения наибольшего (заданного) числа лопаток;

– малая масса.

Лопатки могут изготавливаться и заодно с диском или крепиться к диску сваркой или пайкой. Достоинство такой конструкции – отсутствие слабого элемента (замка), недостатки – сложность изготовления и необходимость замены при ремонте не отдельных поврежденных лопаток, а всего диска. Такая конструкция применялась, например на ТРДД ДВ-2 (моноколесо вентилятора), в настоящее время разрабатываются конструкции как моноколес (блисков), так и единых неразборных роторов с лопатками (блингов).

При применении замковых креплений лопатки могут крепиться к ротору в кольцевых, продольных или косых пазах (они могут быть и криволинейными).

Типы применяемых замков:

– трапециевидный (ласточкин хвост) для продольного паза;

– трапециевидный (ласточкин хвост) для кольцевого паза;

– елочный;

– штифтовой;

– шарнирный (вильчато-штифтовой).

Трапециевидные замки «ласточкин хвост» применяются в осевых компрессорах ГТД наиболее широко. Прост в исполнении. При продольном пазе число лопаток в диске меньше, чем у хвостовика ёлочного типа.

По форме замок – равнобочная трапеция с углом при основании 45…70⁰, что соответствует углу при вершине 90…40⁰ (меньший угол при основании уменьшает высоту замка, но снижает прочность соединения).

Первый тип - =40^о и 60^о, второй тип - =60^о и 90^о(см. рис.5.3).

Второй тип замка позволяет отдалить профильную часть лопатки от зоны контакта рабочих граней замка, что снижает концентрацию напряжений в галтели. Третий тип замка позволяет снизить концентрацию напряжений при большой искривленности корневого сечения лопатки.

Рис.5.3 Конструктивные исполнения замка «ласточкин хвост»

Рис. 5.4. Замок типа ласточкин хвост и паз в диске.

Замок в пазу может быть установлен с натягом (при этом повышается жесткость замкового соединения, но ухудшаются условия монтажа и демонтажа) или с зазором (обеспечивается демпфирование колебаний лопатки и улучшается сборка – разборка). Грани хвостовика обычно выполняются параллельно хорде корневого сечения лопатки, соответственно пазы в дисках размещаются под углом к оси ротора, близким к углу установки профиля корневого сечения лопатки, что снижает массу переходной части от замка к перу, увеличивает прочность соединения вследствие уменьшения удельного давления на поверхность контакта.

В профильных продольных пазах лопатки необходимо фиксировать в осевом направлении, так как лопатка может перемещаться в осевом направлении под действием составляющей центробежной силы и газовых сил; величины этих сил могут оказаться больше, чем силы трения в замке.

Способы индивидуальной фиксации (каждой лопатки отдельно):

– осевыми или радиальными штифтами;

– выступом в хвостовике (упором в диск);

– пластинчатыми фиксаторами;

Фиксация лопаток в осевом направлении может быть индивидуальной и групповой.

– упорным штифтом в диске в сочетании с пластинчатым фиксатором.

Рис. 5.5. Фиксация рабочих лопаток от смещения в осевом направлении

1 – обод диска; 2 – пластина; 3 – лопатка

Рис.5.6. Фиксация рабочих лопаток от смещения

4 – штифт; 5 – гладкий или резьбовой штифт;

Способы групповой фиксации (всех лопаток одного лопаточного венца вместе):

– разжимным пружинным кольцом;

– трактовыми кольцами, расположенными между дисками.

Рис. 5.7. – общее контровочное разрезное кольцо;; 2 – лопатка; 3 – стопор; 4 – диск; 5 – отверстие в диске для демонтажа кольца 1; 6 - канавка

При установке лопатки с натягом ее хвостовик покрывается слоем меди или серебра, играющим роль «сухой» смазки, что облегчает монтаж и демонтаж лопатки.

Рис.5.8.

Трудности в размещении большого числа лопаток при использовании продольного замка типа «ласточкин хвост» отсутствуют у замка с кольцевым пазом. Угол при вершине замка =110^о. Возможна замена лопатки без разборки ротора при продольном разъеме корпуса компрессора.

Елочный замок в осевых компрессорах ГТД применяется сравнительно редко. Его применение оправдано, например, в случае применения массивных алюминиевых лопаток и алюминиевых дисков, когда контактные напряжения смятия при применении трапециевидного замка велики из-за сравнительно небольшой площади поверхности смятия (АМ-3, РД3М-500). Елочный замок применяется также при креплении массивных стальных лопаток вентилятора (НК-22) и титановых лопаток вентилятора RB.211-22B массой в 7,5 кг или при повышенных температурах и значительных нагрузках (последние ступени компрессора). Недостатки елочного замка – сложность и высокая стоимость производства, наличие концентраторов напряжений.

Шарнирное крепление находит применение для установки длинных лопаток первых ступеней компрессора и вентиляторных лопаток (АЛ-21, КНД Д30КУ/КП, АИ-25, «Спей», «Конуэй» и др.). Отверстия в хвостовике лопатки и диске развертываются и в них устанавливаются с зазором штифты. На щеки проушин лопатки и обод диска наносится специальная паста – двухсернистый молибден MoS₂ (cухая смазка) для уменьшения трения. Такое крепление обеспечивает самоустановку лопаток под действием газовых и центробежных сил, снижая изгибные напряжения в пере, а также уменьшает в 2-3 раза вибрационные напряжения.

Недостатки вильчато-штифтового крепления – сложность производства, повышенная масса хвостовика и крепления в целом. По условиям прочности такое крепление не рекомендуется применять при окружных скоростях ротора более 300…350 м/с.

Рис. 5.9. Шарнирный замок

1- обод диска; 2 – штифт; 3 – заклепка; 4 – лопатка; 5 - втулка

Рис.5.10 Лопатка с проушинами

Для облегчения балансировки ротора лопатки при монтаже подбираются по массе. Диаметрально противоположные лопатки не должны отличаться по массе более, чем на 1-2 грамма.

Основные требования к конструкции вентилятора при высоких значениях двухконтурности:

· необходимая прочность лопаток и корпуса;

· приемлемая компоновка двигателя;

· уровень шума, удовлетворяющий требованиям.

Конструкция лопаток вентилятора

1. Лопатка вентилятора имеет дозвуковое профилирование у втулки и сверхзвуковой профиль в концевой части пера. Применение стреловидных лопаток с прямой и обратной стреловидностью.

2. Использование лопатки большого удлинения с бандажной полкой примерно на 2/3 высоты лопатки и на торце (CFM.56-2), JT9D-3 (двух бандажных полок) в двигателях 4 поколения.

3. Применение широкохордной лопатки без бандажной полки на всех двигателях 5 поколения. Полые титановые широкохордные лопатки применяются начиная с диаметра вентилятора более 1700 мм. Отсутствие у широкохордных лопаток полки хвостовика, формирующей проточную часть и замена её проставками, закрепленными на диске. Повышенная ударопрочность широкохордных лопаток.

4. Использование широкохордных лопаток из композиционного материала с титановой оковкой кромок

5. Крепление лопатки к диску замком типа «ласточкин хвост» и «елочка» (Роллс-Ройс). Использование на двигателях 5 поколения криволинейных пазов под лопатку в диске.

6. Обеспечение возможности замены лопаток вентилятора без съема двигателя с крыла, без вскрытия масляных полостей и с балансировкой ротора за счет балансировочных грузов, установленных напротив каждой лопатки.

7. Применение для двигателей малой тяги (до 3000 даН) одноступенчатых вентиляторов с конструкцией «моноколесо» («блиск»).

Конструкция дисков вентилятора

1. Крепление цапфы барабанного ротора подпорных ступеней к диску вентилятора.

2. Применение диска вентилятора с двумя и более (до четырех) полотнами.

3. Изготовление диска вентилятора с фланцами для крепления проставок (платформ) между лопатками.

4. Использование вращающихся коков вентилятора конической формы с переменным углом конусности, закрепленных на диске (антиобледенительные и сепарирующие свойства).

Конструкция корпуса вентилятора

1. Установка «бронировки» корпуса вентилятора для предотвращения нелокализованного отказа двигателя (стальной или дюралевой экранного типа или оребрением, стеклопластиковой, кевларовой).

2.

3. Цельнокомпозитный корпус вентилятора сотовой конструкции с встроенными элементами шумоглушения и бронировки. Может применяться только при использовании композитных лопатках вентилятора.

Конструктивные решения для снижения шума вентилятора

1. Тихоходный вентилятор одноступенчатый вентилятор.

2. Увеличенный осевой зазор между рабочим колесом вентилятора и направляющим аппаратом (2 …2,5 хорды РК).

3. Установка композитных шумоглушащих панелей до и после лопатки вентилятора (акустическая защита корпуса).

4. Широкохордные лопатки без бандажных полок.

Рис. 5.11 1. Двойной корпус с металлической бронировкой.

2. Широкохордная лопатка.

3. Диск с тремя полотнами.

4. Проставки между лопатками, крепящимися к диску.

5. Вращающийся кок.

6. Крепление барабана подпорных ступеней к диску вентилятора.

Рис. 5.12 Два ряда бандажных полок вентиляторной ступени одноступенчатого вентилятора (JT9D-3A)

Рис. 5.13 Рабочие лопатки вентилятора ТРДД фирмы Роллс-Ройс RB.211-524 (с бандажной полкой и ёлочным замком) и RB.211-535E4 (широкохордная полая с криволинейным замком типа «ласточкин хвост»).

Рис. 5.14 Полая лопатка вентилятора

Рис. 5.15 Бронировка корпуса вентилятора из композиционного материала

Рис. 5.16 Диск с двумя полотнами

Экранная бронировка из материала корпуса вентилятора – алюминиевый сплав

Вращающийся кок с сепарирующими свойствами

Рис. 5.17 Стреловидная лопатка вентилятора

Рис. 5.18 -стеклопластиковая бронировка вентилятора;

10 – истираемое (прирабатываемое) покрытие;

14 – сотовая шумоглушащая панель;

17 – направляющий аппарат, удаленный от РК на 2 хорды.

Рис.5.19 Лопатка вентилятора двигателя

1 – сотовый наполнитель; 2 оболочки-обшивки

2.8. Конструкция статоров осевых компрессоров

Статор совместно с ротором образует проточную часть осевого компрессора. Основными конструктивными элементами статора являются корпус компрессора, входной направляющий аппарат (ВНА), направляющие (НА) и спрямляющие (С_ПА) аппараты.

Корпус осевого компрессора является одним из основных элементов силовой системы двигателя и служит для крепления лопаток ВНА, НА и С_ПА, а также опор ротора. С внешней стороны на корпусе устанавливаются узлы крепления двигателя к самолету(ТРД), монтируются коробки приводов агрегатов и другие элементы конструкции.

Исходя из условий работы корпус должен иметь достаточную прочность, заданную жесткость, герметичность при малой массе, должен быть простым в изготовлении, обеспечивать удобство монтажа неподвижных лопаток и ротора, осмотр проточной части при эксплуатации.

Конструктивно корпус осевого компрессора (ТРД, ТВД, ТВлД) чаще всего состоит из трех частей:

– переднего корпуса с лопатками ВНА;

– среднего корпуса с регулируемыми и неподвижными лопатками НА;

– заднего корпуса с лопатками С_ПА.

В осевых компрессорах для предотвращения на нерасчетных режимах неустойчивой работы применяются различные устройства, позволяющие частично изменить геометрические характеристики проточной части или выполнить частичный перепуск воздуха в атмосферу (в ТРДД – во второй контур). К таким устройствам относятся:

– автоматические клапаны (АИ-25, Д-36, Д-136, АИ-20, ТВ3-117),

– ленты перепуска воздуха (ВД-7, РД9Б, АМ-3, АЛ-7Ф, Д25В)

– заслонки (Д20П, Д30П, НК-12) для частичного перепуска воздуха;

– поворотные лопатки ВНА и НА (ВД-7, АЛ-7Ф, АМ-3, Д30КУ/КП, НК-8, ТВ3-117).

Клапаны, заслонки или ленты располагаются обычно на среднем корпусе компрессора за неустойчиво работающими ступенями. Число сечений, откуда перепускается воздух, обычно не превышает двух. На расчетных или близких к ним режимах перепуск выключен. При снижении режима работы двигателя сначала включается перепуск из переднего пояса, затем – из заднего. Перепуск необходимо организовать так, чтобы неравномерность потока в проточной части была наименьшей. С этой точки зрения предпочтительными являются ленты перепуска, но они имеют невысокую прочность (подвержены вибрациям).

Передний корпус является силовым элементом двигателя (для ТРД и ТРДД с малой двухконтурностью m<2,4). В нем обычно размещаются подшипник передней опоры ротора и элементы ВНА. На ТВД к переднему корпусу крепятся лобовой картер и редуктор. Передний корпус – литая или сварная конструкция, состоящая из двух концентрических колец, соединенных обтекаемыми стойками (радиальными или под некоторым углом к радиусу) или лопатками ВНА, или теми и другими вместе, осуществляющими силовую связь корпуса подшипника с наружным кольцом переднего корпуса. На переднем корпусе устанавливаются такелажные узлы и вспомогательные узлы крепления двигателя к летательному аппарату.

Рис.5.20 Передний корпус

1 – внутреннее кольцо переднего силового корпуса; 2 – силовые стойки; 3 - отверстия для выхода теплого воздуха, обогревающего переднюю кромку стоек; 4 – наружное кольцо переднего корпуса; 5 – вспомогательный узел крепления двигателя к самолету; регулируемый ВНА с обогреваемой передней кромкой; 15 – ротор компрессора; 16 – роликовый подшипник передней опоры ротора компрессора

ВНА устанавливается перед первой ступенью компрессора для создания закрутки воздуха на входе в рабочее колесо. Часто лопатки ВНА выполняются поворотными для расширения диапазона бессрывной работы компрессора. Иногда поворотной выполняется задняя часть ВНА – закрылок. Поворотные лопатки имеют цапфы, опорами которых служат подшипники качения или чаще – скольжения (стеклофторопластовые вкладыши). Одновременный поворот лопаток может выполняться с помощью шестеренного механизма (АМ-3) или поворотным кольцом и рычагами, закрепленными на верхних цапфах лопаток ВНА (ТВ3-117, АЛ-7Ф и др.). Во избежание обледенения лопаток ВНА они выполняются пустотелыми или с наружным дефлектором. Стойки переднего корпуса и лопатки ВНА обогреваются горячим воздухом, иногда – горячим маслом. Для предотвращения обледенения элементы переднего корпуса компрессора покрывают гидрофобными лаками. К переднему корпусу крепят обтекатель втулки ротора компрессора (кок), который также обогревают.

Рис. 5.21 Поворотный ВНА КВД ТРДДФ АЛ-31Ф

1 – обечайка; 2 – регулировочное кольцо; 3 – поводок; 4 – шайба; 5 – винт; 6 – пластинчатая контровка; 7 – штифт; 8 – контровка штифта; 9 – внутренняя втулка; 10 – внешняя втулка; 11 – внешняя цапфа; 12- поворотная лопатка ВНА; 13 – внутренняя цапфа; 14 – втулка; 15 – разрезное полукольцо; 16 – стакан; 17 – разрезное полукольцо;

Средний корпус обычно определяет форму проточной части осевого компрессора. В нем крепятся лопатки НА. Он является промежуточным силовым элементом для передачи усилий от передней опоры ротора к основным узлам подвески двигателя.

Средний корпус может быть литым, сварным или механически обработанным, может выполняться неразъемным и разъемным. Для повышения жесткости сварных тонкостенных корпусов к ним привариваются профили – продольные и поперечные ребра жесткости. На среднем корпусе обычно устанавливаются элементы механизации компрессора.

Неразъемные корпусы имеют наименьшую массу, равнопрочны, обладают одинаковой жесткостью по всем радиальным направлениям, что позволяет обеспечивать стабильность радиальных зазоров между лопатками и статором. Однако такая конструкция сложна в сборке (необходим разъемный ротор).

Разъемные корпусы облегчают сборку двигателя и контроль лопаточных венцов в эксплуатации, однако имеют повышенную массу и худшие прочностные и жесткостные свойства. Корпусы могут иметь несколько поперечных или продольный разъемы, или их комбинации. Корпусы с поперечными монтажными разъемами имеют равномерную и высокую жесткость по окружности. Такой корпус образуется рядом колец-отсеков, число которых равно числу ступеней компрессора. Кольца соединяются между собой по фланцам болтами. Фланцы одновременно играют роль ребер жесткости. У корпуса с продольным монтажным разъемом обеспечивается наиболее простая сборка компрессора, большая свобода в выборе конструктивных типов НА, С_ПА и роторов, а также ремонт в условиях эксплуатации. Монтаж компрессора выполняется с окончательно собранным и отбалансированным ротором. Центровка частей корпуса при продольном разъеме – штифтами, при поперечных разъемах – посадочными буртами или призонными болтами.

Рис. 5.22 Схемы корпусов направляющих аппаратов компрессора

а - неразъемный корпус; б – разъемный корпус с поперечными разъемами; в – разъемный корпус с продольным разъемом; г – разъемный корпус с технологическими разъемами

В ТРДД корпуса КСД и КВД могут выполнятся двойными (ДВ-2, Д‑36, Д‑18Т, Д‑436, RB.211‑535C),. Внутренний корпус образует проточную часть компрессора, к нему крепятся направляющие аппараты ступеней. Он нагружен внутренним давлением воздуха и газовыми силами и моментами от направляющих аппаратов. Наружный корпус является силовым, передает осевые силы и гироскопические усилия от промежуточных корпусов и ротора на соседние узлы и связан с внутренним кольцевыми проставками, шпангоутами, являющимися силовыми связями. Одновременно он обеспечивает удержание лопаток в случае возможного их обрыва. Наличие двух концентрических корпусов облегчает обеспечение минимальных радиальных зазоров (уменьшение тепловой инерционности корпуса), а так же управление ими и позволяет уменьшить овализацию внутреннего корпуса.

На внутреннюю поверхность корпуса, над рабочими лопатками, наносится специальное истираемое покрытие, которое предотвращает повреждение лопаток при задевании ими корпуса. В стенках корпусов выполняют окна для перепуска части воздуха в атмосферу (ТРД, ТВД) или во второй контур (КСД и КВД ТРДД) на нерасчетных режимах через антипомпажные устройства (клапаны и ленты перепуска). Окна перепуска воздуха должны быть расположены в таком количестве и в таких местах, чтобы не было сильного искажения поля скоростей и давлений перед рабочими лопатками. Искажение потока может привести к повышенной вибрации и разрушению лопаток. С этой целью воздух отбирают через большое число отверстий, равномерно расположенных по окружности, или через кольцевую щель. Окна размещают не над рабочими лопатками, а относят в плоскость НА, перед или за НА.

По способу центрирования фланцев в сборе выделяют три типа фланцевых соединений (см. рис.5.23)

Рис.5.23 Типы фланцевых соединений:

тип 1 – с центрированием призонными болтами или штифтами;

тип 2 - с центрированием по наружной центрирующей поверхности (относительно диаметра окружности расположения болтов);

тип 3 - с центрированием по внутренней центрирующей поверхности.

В каждом из типов соединения можно использовать различные комбинации крепежных элементов:

- болты с многогранными головками и самоконтрящиеся гайки;

- болты с многогранными головками и самоконтрящимися анкерными (закрепленными на фланце) гайками;

- болты с шестигранными головками и пластинчатыми контровками в сочетании с несамоконтрящимися гайками;

- болты с круглыми головками и лысками, препятствующими провороту болтов, в сочетании с самоконтрящимися гайками или шестигранными гайками с пластинчатыми контровками;

- в соединении, где затруднена затяжка гаек ключом и применение анкерных гаек, в одном из фланцев выполняются резьбовые отверстия для ввинчивания винтов с шестигранными головками или отверстия для шпилек в сочетании с самоконтрящимися или шестигранными гайками.

Болты, шпильки и гайки следует применять с резьбами М5, М6, М8, М10.

Центрирование фланцев в соединениях типа 1 осуществляется центрирующими призонными болтами или штифтами, число которых должно составлять примерно 1/3 общего числа болтов. Штифты устанавливаются в промежутках между болтами. Центрирующие поверхности болтов и штифтов должны выполнятся диаметром 5,6,8 или 10 мм с посадкой b12.

Тощина фланцев м количество болтов должны выбираться из условий статической прочности и обеспечения герметичности (нераскрытия) стыка и находится в пределах 4 – 7 мм.

Рис.5.24 выбор размеров фланцев соединения третьего типа

а) – рекомендуемые размеры фланца типа 3 б) – геометрия фланца с выборками

Шаг отверстий t на фланцах принимают равным (3,5 – 7)d болта (рис.5.24б), а для корпусов, нагруженных избыточным давлением более 0,5МПа, (3 – 5)d болта. Для снижения веса в промежутках между отверстиями допускается выборка материала (см. рис.5.24б). Контур выборки не должен пересекать окружность, на которой расположены оси отверстий.

Переход от фланца к обечайке делают коническим с углом 5 – 7о и длиной большего катета 15 – 20 мм (см. рис.5.24). Непараллельность поверхностей А и Б должна быть не более 0,05 мм. Смещение отверстий с диаметром от номинального положения 0,03 – 0,08 мм для призонных болтов и 0,5 – 0,20 мм для остальных.

Направляющие аппараты (НА) служат для выпрямления воздушного потока за рабочим колесом на заданный угол с сохранением предварительной закрутки для последующих ступеней и частичного преобразования кинетической энергии потока воздуха в потенциальную энергию давления.

НА представляют собой кольцевые наборы профилированных лопаток, укрепленных в корпусе. Лопатки На нагружены газовыми силами и испытывают в основном напряжения изгиба. В условиях имеющего место неравномерного поля скоростей и давлений возможны значительные вибрационные напряжения, особенно в длинных лопатках первых НА. Лопатки ВНА и лопатки НА последней ступени, называемого СА, часто одновременно выполняют роль стоек в силовых рамах корпуса входного устройства и заднего корпуса компрессора. Поэтому они нагружаются дополнительными внешними усилиями.

Конструктивное исполнение НА разнообразно и зависит главным образом от принятой схемы корпуса (разъемный или неразъемный) и ротора.

По силовой схеме направляющие аппараты могут быть консольными и двухопорными (с жестким креплением к обоим кольцам или к одному с жестким, а к другому кольцу со свободным креплением). Направляющие аппараты с консольными лопатками применяют в сочетании с роторами, у которых проточная часть по внутреннему диаметру полностью образована элементами ротора (КВД Д‑30КУ/КП, ТВ3‑117, АЛ‑31Ф и др.).

Иногда внутренние свободные концы длинных консольных лопаток соединяют разъемными или неразъемными бандажами (полурамное крепление).

Лопатки НА могут крепиться неразборно (привариваться или припаиваться к корпусу) или крепиться к корпусу с помощью бандажей. Силовая связь бандажа с корпусом осуществляется с помощью штифтов или винтов (число мест соединения – не менее 6 – 8). При разъемном корпусе лопатки НА могут крепиться к нему индивидуально с помощью резьбовых цапф. Однако при таком креплении из-за большого числа отверстий снижается прочность корпуса.

Рис. 5.25 НА

Для обеспечения газодинамической устойчивости компрессора лопатки ВНА и НА (как консольные, так и двухопорные) могут выполнятся поворотными с целью регулирования проходных сечений по тракту компрессора.

Задний корпус компрессора обычно является основным силовым элементом двигателя (ТРД). На нем размещаются основные узлы подвески двигателя к самолету и монтируется корпус задней опоры компрессора (среднего подшипника). Для обеспечения силовой связи подшипника с корпусом зачастую используют лопатки спрямляющего аппарата. В этом случае используется рамное крепление лопаток.

Рис. 5.26 Задний корпус

В двухконтурных двигателях основной силовой элемент двигателя – разделительный корпус компрессора. Он является задним корпусом КНД и одновременно – передним корпусом КВД. К нему крепятся коробка приводов и агрегаты двигателя.

Корпус вентилятора является силовым элементом двигателя. Он образует проточную часть двигателя от входа в двигатель до спрямляющего аппарата вентилятора. Одной из задач, решаемых конструкцией корпуса вентилятора является задача локализации повреждений при обрыва лопатки вентилятора. Применяются следующие конструктивные решения данной задачи:

· удерживающее кольцо из композиционного материала (кевлара) изготавливается намоткой на металлический корпус в виде цилиндрической или конической обечайки с ребрами жесткости («Трент» 800);

· металлический корпус с утолщенной частью над лопаткой (CFM.56-7B);

· металлический корпус с двойной обечайкой над лопаткой, внутренняя – тонкая, выполняет роль экрана, наружная – толстая, удерживает лопатку (SaM.146);

· удерживающее кольцо из стеклопластика вставляется внутрь металлического корпуса (Д-18Т).

2.9. Зазоры между ротором и статором, уплотнение проточной части осевого компрессора. Механизация компрессора.

Применив цилиндрическую систему координат к двигателю (осевая координата совпадает с осью двигателя), можно разделить зазоры (в компрессоре и турбине) на два вида:

· осевые (расстояние между двумя соседними лопаточными венами);

· радиальные (между концом рабочей лопатки и корпусом или между внутренним бандажом лопаток НА и барабаном ротора).

Радиальные и осевые зазоры между ротором и статором устанавливают такими, чтобы исключить возможности касания частей ротора о детали статора при самых неблагоприятных условиях работы двигателя, когда вследствие упругих и температурных деформаций корпуса и ротора зазоры, установленные в холодном состоянии (монтажные зазоры) уменьшаются. Одновременно в них должно быть обеспечено минимальное перетекание воздуха.

Радиальные зазоры в проточной части оказывают большое влияние как на рабочие характеристики компрессора (расход воздуха, КПД), так и всего двигателя (увеличение относительного радиального зазора на 1% в КВД снижает КПД на 1 - 2% и увеличивает удельный расход топлива на 0,65…2,0%). Еще более сильное влияние оказывает увеличение радиального зазора на запас газодинамической устойчивости (1% изменения радиального зазора уменьшает запас ГДУ на 3%).

Рис. Примерное изменение радиального зазора по режимам работы двигателя

При выборе радиальных зазоров следует учитывать их изменение при увеличении температуры ротора и статора, вытяжку рабочих лопаток и ротора от действия центробежных сил и деформацию статора от действия внутреннего избыточного давления. Допустимые величины относительного радиального зазора 0,002…0,007 для лопаток первых ступеней и 0,015…0,04 для последних ступеней. Величина может быть уменьшена до 0,0015…0,004 (для первых ступеней) при использовании мягких прирабатываемых покрытий рабочих колец корпуса над концами рабочих лопаток на основе графита, талька, композитов. Чем жестче корпус и ротор, тем меньше радиальные зазоры.

Радиальный зазор между бандажом НА и гребешками лабиринтного уплотнения в холодном состоянии обычно составляет = 0,2…2,0 мм.

Осевые зазоры для уменьшения длины компрессора желательно иметь минимальными. Однако при слишком малых зазорах возможна неустойчивая работа ступени и сильные вибрации лопаток.

На среднем радиусе относительная величина осевого зазора составляет 0,15…0,25.

При рассмотрении осевых зазоров учитывается осевое смещение статора относительно ротора, а радиальных зазоров – радиальное смещение. При рассмотрении зазоров, образованных коническими поверхностями необходимо учитывать как осевое, так и радиальное смещение статора относительно ротора.

Детали ротора и статора работают в различных условиях:

· имеют различное тепловое состояние;

· испытывают различные нагрузки.

Это приводит к изменению зазоров между ротором и статором во время работы двигателя. При запуске двигателя растет температура в проточной части компрессора и изменяется тепловое состояние деталей. Детали ротора обладают большей тепловой инерцией (более массивные), чем детали статора. Из-за этого радиальный зазор увеличивается относительно монтажного. Далее зазор перестает увеличиваться и начинает уменьшаться по мере прогрева ротора (ротор догоняет статор). Зазоры стабилизируются, когда тепловое состояние узлов компрессора становится постоянным на установившемся режиме. В этих рассуждениях пренебрежем вытяжкой деталей ротора от действия центробежных сил, так как её влияние значительно меньше. При остановке двигателя корпус компрессора остывает быстрее, чем ротор, поэтому радиальный зазор уменьшается и становится меньше монтажного. Скорость изменения зазоров пропорциональна времени, за которое происходит полный останов двигателя. Если монтажные зазоры выбраны неправильно, то при резком снижении режима работы двигателя радиальные зазоры могут стать нулевыми, произойдет заклинивание ротора.

При выборе монтажных зазоров необходимо учитывать их влияние на зазоры в процессе осуществления полетного цикла, а значит на КПД компрессора и его ГДУ. Течение воздуха в компрессоре имеет сложную трехмерную структуру. В зависимости от величины зазора меняется характер течения и, как следствие, изменяется КПД компрессора. Для каждого конкретного компрессора существует величина осевого и радиального зазоров (различного для каждой ступени компрессора), обеспечивающая максимальный КПД. Но и в этом случае всегда существуют «паразитные течения», влияние которых должно быть минимизировано.

Отрицательное влияние на КПД компрессора оказывают:

- неравномерность потока в следе за лопатками при минимальном осевом зазоре между лопатками статора и ротора;

- потери на трение при большом осевом зазоре между лопатками статора и ротора;

- неудачное расположение скачков уплотнения при взаимодействии ротора и статора в случае неоптимального (в смысле КПД ступени) осевого зазора между лопатками статора и ротора;

- перетекание воздуха из области повышенного давления (на выходе) в область пониженного давления (на входе) при большом радиальном зазоре, с уменьшением высоты лопатки (увеличении относительного зазора) усиливается влияние обратных потоков на КПД компрессора;

- образование вихревых зон на торцах лопаток из-за отсутствия сдува вихря при перетекании (обратные потоки);

- работа части пера лопатки в пристеночной области при небольшой (близкой к нулю) величине радиального зазора.

Следовательно, выбор радиальных и осевых зазоров – это компромисс между КПД компрессора и бездефектной работой его узлов. Или оптимизация величин осевых и радиальных зазоров по КПД компрессора при ограничении на них по условию бездефектной работы его узлов.

Уплотнения в осевом компрессоре применяются для изолирования воздушных и масляных полостей и для уменьшения перетекания воздуха из полостей с большим давлением (с выхода ступени) в полости с меньшим давлением (на вход ступени).

По конструктивному исполнению уплотнения могут быть контактными (безрасходными) и бесконтактными (расходными).

Контактные уплотнения – кольцевые, торцовые, радиально-торцовые (РТКУ) применяются для уплотнения масляных полостей. Они предназначены для ограничения полости суфлирования (полости подшипника) и исключения перетекания масла из нее в проточную часть двигателя. Например, в двигателях Д-36, Д-136, Д-336 на всех опорах установлены однотипные РТКУ – графитовые радиально-торцовые контактные уплотнения

Кольцевые уплотнения типа поршневых колец (применяют 2-3 разрезных кольца) выполняются с кольцами диаметром более 200 мм при относительных скоростях до 100 м/с и перепадах давления до 0,2…0,3 МПа (передняя опора Р11Ф-300). Кольца изготавливают из хромистого чугуна с пористым хромированием торцовых поверхностей или из оловянистой бронзы. Упругость колец подбирается так, чтобы при вращении вала кольцо оставалось неподвижным или лишь слегка покачивалось.

Рис.

Торцовое контактное уплотнение создается прижатием невращающейся уплотнительной втулки с кольцом из антифрикционного материала к буртику вала (F100-PW-100). Усилие прижима зависит от затяжки пружины и перепада давления по обе стороны уплотнения. В качестве антифрикционного материала используются графит, чугун, бронза, композиционные материалы.

Рис.

При оценке эффективности РТКУ определяется расход воздуха через РТКУ из полости наддува в полость суфлирования. Давление в полости наддува выше, чем давление в подшипниковой полости (полости суфлирования), поэтому масло из полости суфлирования не попадает в полость наддува, а воздух из полости наддува поступает в полость суфлирования.

Расход воздуха через РТКУ определяется по формуле Христиановича

,

где – коэффициент расхода;

– эмпирический коэффициент для РТКУ данной схемы;

и – полные давление и температура воздуха в полости наддува;

– площадь проходного сечения;

– газодинамическая функция – приведенная массовая скорость.

Параметры воздуха и перед РТКУ (в полости наддува) берутся из результатов расчета наддува. Площадь проходного сечения для данного типа РТКУ слагается из нескольких составляющих:

,

где – просвет на дуге 60⁰ по наружному диаметру графитового кольца;

– зазор между графитовым кольцом РТКУ и контртелом при «всплытии» РТКУ во время работы двигателя;

– площадь зазора в разрезе графитового кольца РТКУ, выступающем над контртелом.

Газодинамическая функция – отношение скорости воздуха при адиабатном течении к критической скорости потока. Величина определяется по соотношению давлений в предмасляной полости и полости суфлирования : , где – показатель адиабаты для воздуха.

Температура воздуха на выходе из РТКУ определяется по зависимости .

В качестве бесконтактных уплотнений применяются лабиринтные и щелевые. Лабиринтные уплотнения используют принцип многократного дросселирования газа, протекающего через каналы с резко изменяющимися проходными сечениями (через узкую щель в большой объем).

Рис.

Эффективность работы лабиринтного уплотнения зависит от числа гребешков, их конфигурации, перепада давления между уплотняемыми полостями и от величины зазоров. Эффективность уплотнения оценивается величиной утечки

, кг/с,

где – коэффициент расхода, учитывающий особенности расширения газа в зазоре и неполноту торможения в камере лабиринта (зависит от типа лабиринта и формы гребешков);

– площадь сечения щели, м²;

и – давления по обе стороны лабиринта, Па;

– газовая постоянная, Дж/кг град (для воздуха = 287);

– число гребешков.

Величина через уплотнение рекомендуется не более 1% от расхода воздуха.

Экспериментальные исследования показали, что эффективность уплотнений при увеличении числа гребешков больше 6 – 8 возрастает незначительно. Поэтому, при необходимости установки большого количества гребешков или при ограниченной длине лабиринта выполняют двух- или трехъярусные компоновки. Кроме типа и числа гребешков на эффективности уплотнения сказывается форма кромок. Экспериментально установлено, что даже небольшое скругление кромок приводит к заметному ухудшению работы уплотнения.

Осевые и радиальные щелевые уплотнения являются разновидностью лабиринтных уплотнений.

Рис.

Лабиринтные и щелевые уплотнения обычно работают в паре с мягкими легко прирабатываемыми покрытиями.

1. Построение точки пересечения прямой с плоскостью.

2. Построение прямой пересечения двух плоскостей.

3. Пересечение поверхности плоскостью.

4. Пересечение линии с поверхностью.

5. Взаимное пересечение поверхностей. Общий случай пересечения поверхностей.

6. Метод вспомогательных секущих плоскостей.

Дата добавления: 2014-01-03