Старцев Н.И. Конструкция узлов 2007. Н. И. Старцев, С. В. Фалалеев конструкция узлов авиационных двигателей
 Скачать 2.31 Mb.
|
|
" Сборка ротора ТВД" 1.2.1. Конструкция ротора. Для анализа конструкции ротора турбины дискового типа возьмем турбину ВД ТРДД GE90( рис.1.36 ): Диск первой ступени несет вал-бочку с фланцем для стыковки с ротором компрессора ВД и задний носок вала. В данном случае вал-бочка и задний носок ротора выполнены как единое целое с диском, однако есть исполнения, где вал-бочка и задний носок ротора отъемные. Диск второй ступени устанавливается на задний носок вала первого диска по шлицам и двум центрирующим пояскам. На передней стороне диска первой ступени установлен вращающийся дефлектор для подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам и диску через подкручивающую решетку. Функциональное назначение ротора турбины - передать на вал крутящий момент, сохраняя при этом заданную геометрию межлопаточных каналов и положения переднего и заднего фронта решеток профилей. Как и в роторе компрессора, требования по сохранению заданной геометрии межлопаточных каналов ( рис.1.37 ) должно быть выполнено с учетом температурных деформаций элементов ротора и статора. Это означает, что и газодинамическое проектирование и оценку прочности ротора турбины необходимо вести по геометрическим параметрам в горячем состоянии. Ослабление натягов по центрирующим пояскам может привести к изменению балансировки ротора. Поэтому в конструкции турбин обычно придерживаются правила - “охватывающая деталь должна иметь меньшие радиальные деформации” ( рис.1.38 , задний фланец). В данном примере нагретый диск деформируется больше чем охватывающий фланец заднего носка и в результате таких деформаций натяг по центрирующему пояску не ослабляется. Другой конструктивный прием сохранения посадки по центрирующим пояскам - сделать в соответствии с теорией оболочек длинную оболочку, соединяющую диск с фланцем ( рис.1.38 ,б), выдерживая условие: 1.285 3; l R β β δ ≤ = Важный момент - конструкция мест установки балансировочных грузов. Способ простого снятия материала в плоскости коррекции сопряжен с опасностью повреждения высоконагруженных деталей ротора (диск, валы), приводящих к усталостным разрушениям. Поэтому чаще всего используются навесные грузы ( рис.1.39 ), укрепленные в плоскости коррекции. 1.2.2. Конструкция дисков Температурный режим и условия работы турбинных дисков первых ступеней отличаются от условий работы дисков компрессора: как указывалось ранее температуры ступицы диска 300-650ºС, а обода составляет 600-900ºС. Увеличение теплоперепада на ступенях турбины ВД, предпринимаемое для уменьшения числа ступеней, ведет к возрастанию частоты вращения, что и определяет форму диска в меридиональном сечении: ступица растет в объеме настолько, что масса ее становится соизмеримой с массой остальной части диска. Поэтому диски первых ступеней имеют форму с элементами диска конической формы, с плавными радиусами перехода от полотна к ступице, что часто приближает полотно к гиперболической форме. Диски турбины НД ближе по форме к компрессорным дискам. На рис. 1.40 показаны основные геометрические параметры диска турбины ВД ТРДД НК-93. За базовые поверхности диска принимают один из посадочных диаметров (поверхность М) и торец (поверхность Н). Точность базовых диаметров назначается в пределах от Н6 до r6 для обеспечения посадок от натяга до зазора. R 6 0 - 2 1 1 5 h 1 2 ( - 0 , 3 5 ) 2 0 3 , 5 h 8 ( - 0 , 0 7 2 ) 5 4 , 5 8 , 2 h 1 2 ( - 0 , 1 5 ) З 1 2 0 H 1 1 ( + 0 , 2 2 ) З 1 3 6 H 6 ( + 0 , 0 2 5 ) K З 1 8 4 h 1 2 ( - 0 , 4 6 ) З 1 4 6 H 6 ( + 0 , 0 2 5 ) M H 0 . 0 4 H 3 0 h 8 ( - 0 , 0 3 3 ) 9 8 H 1 0 ( + 0 , 1 4 ) 6 3 , 1 H 1 0 ( + 0 , 1 2 ) P 5 h 1 0 ( - 0 , 0 4 8 ) 0 . 0 2 М Н 0 , 0 2 К 0 , 0 3 М Н 0 , 0 4 Р 2 4 ± 0 , 1 4 2 Е 2 4 ± 0 , 1 4 2 Е 7 8 , 5 ± 0 , 3 2 2 h 1 2 ( - 0 , 2 1 ) 3 ± 0 , 1 2 9 ± 0 , 3 Рис. 1.40. Геометрические параметры диска Радиальные и торцевые биения центрирующих поверхностей на другой стороне диска относительно базовых составляют 0,02…0,03 мм, а биения остальных поверхностей вращения не должны превышать 0,06мм. При центрировании диска по призонным болтам за базу принимается ось диаметра, окружности расположения отверстий для этих болтов. Ответственным элементом в структуре диска являются пазы для хвостовика елочного типа, точность расположения и исполнения, которых обеспечивает и точность геометрии межлопаточных каналов и фронта решетки. Пазы ориентированы или вдоль оси двигателя или под некоторым углам, но не более 15º. Подошва паза диска делается параллельной оси двигателя. Шаг равномерного размещения пазов по окружности обода диска определяется числом пазов и допускаемым отклонениям оси номинального положения 0,1 мм, отмеченным в ТУ чертежа. Технология blisk нашла применение пока только для малоразмерных турбин, так как используемые в турбине материалы (на основе никеля и кобальда) труднообрабатываемые и - свариваемые. Видеоролик : рабочее колесо малоразмерной турбины Ближе к ободу диска выполнены элементы-зацепы для крепления дефлектора с передней стороны и для крепления уплотнительного элемента с задней стороны диска. Для повышения предела выносливости поверхность диска подвергается: - травлению для выявления трещин и зональной рекристаллизации; - термообработке для снятия напряжений; - абразивно-жидкостной обработке для повышения класса шероховатости; - обработке микрошариками для повышения предела выносливости. 1.2.3. Конструкция вала. Функции вала, соединяющего ротор турбины и компрессора передать крутящий момент от турбины к компрессору, а также воспринять осевые силы и изгибающий момент. В каскаде высокого давления конструкция вала определяется местоположением опоры турбины ВД и типом ротора компрессора. При размещении опоры за турбиной и роторе компрессора барабанно-дисковой конструкции это тонкостенный вал большого диаметра с высокой изгибной и крутильной жесткостью. Прочность вала определяют растягивающие напряжения от центробежных сил, поэтому, оптимизируя вал по массе, прибегают к подребрению стенок (GE90). При размещении опоры перед турбиной ВД вал представляет сочетание цилиндрического вала малого диаметра с конической частью стыкуемой с ротором компрессора (PW4000). Отдельного рассмотрения требует вал турбины НД – пустотелый вал большой длины (до 2- х метров) и малого диаметра, который лимитируется радиальными зазорами между ротором ВД и самим валом. В трехвальном ТРДД зазор между валом СД и валом НД находится в пределах 5…7 мм и при нерасчетных максимальных прогибах возможно задевание валов, которое приводит к разогреву и потере несущей способности вала. Ротор НД это обычно трехопорная система (балка), поэтому в конструкции такого ротора присутствует элемент обеспечивающий статическую определимость: гарантированный “ холодный” зазор 0,3 мм между контактными площадками стяжных элементов, сферический шарнир и т.п. 1.2.4. Конструкция дефлектора. Дефлектор может быть закреплен на рабочем колесе или быть независимым, неподвижным. На рис. 1.41,а показано рабочее колесо турбины ВД ТРДД НК-56 с двумя дефлекторами, схема крепления к диску одинакова: дефлектор скреплен с диском в зоне ступицы по центральному сечению болтами и у обода соединениями типа “байонет” и изначально не нагружает диск. Нагружение несимметричного дефлектора массовыми силами и перепадами давлений определяет сложную картину напряжений в нем (рис. 1.41,б). Рис. 1.41. Конструктивные формы дефлекторов диска турбины ВД НК-56 (а) и распределение напряжений (в МПа) по переднему дефлектору (б) Проще картина нагружений у дефлектора ТРДД М-88 (рис. 1.42,а). Укороченный дефлектор (рис. 1.42,б) получается при формировании подвода охладителя к рабочему колесу через подкручивающую решетку. Рис. 1.42. Дефлекторы дисков разных форм: а) Симметричный дефлектор турбины ВД ТРДДФ М88, б) укороченный дефлектор 1 РК турбины ВД ТРДД PW4000, в) дефлекторы дисков турбин ВД малоразмерного ТРДД AS900 Дефлектор центрируется и крепится к диску по периферии (болтами или замком типа “байонет”) и нагружает диск. В случае с соединением байонет дефлектор устанавливается по базовым поверхностям с зазором 0,1…0,15 мм, по торцевым поверхностям с небольшим натягом 0,1..0,15 мм, и фиксируется пластинчатыми контровками, штифтами или другим способом. И в малогабаритных ГТД дефлектор центрируется по диску и прижимается к нему осевой силой (рис. 1.42,в). Для исключения на расчетных режимах затекания горячих газов в зону хвостовиков лопаток и потерь охладителя на периферии дефлектора в каналы устанавливаются уплотнительное кольцо. 1.2.5. Конструкция барабанной проставки. На барабанной проставке размещаются гребешки лабиринтного уплотнения. В роторе дискового типа передача крутящего момента и осевой силы происходит в зоне ступицы, а в зоне обода устанавливается связующий элемент, несущий гребешки лабиринтного уплотнения и определяющий изгибную жесткость ротора, который называют трактовым кольцом. Барабанная проставка воспринимает кроме кручения, изгиба и осевую силу, трактовое кольцо осевые силы от диска к диску не передает. Барабанные проставки и трактовые кольца устанавливаются по центрирующим буртикам дисков с диаметральным натягом 0,02..0,15 мм, а трактовые кольца и с торцевым натягом 0,02..0,04 мм. На рис. 1.43 даны рекомендации по выбору конструктивной формы трактовых колец, радиальные деформации и прочность которых зависит от окружной скорости. Рис. 1.43. Конструктивные формы трактовых колец в роторе турбины 1.2.6. Конструкция заднего носка ротора. Функциональное назначение заднего носка ротора - опора ротора (задняя), отсюда требования к конструкции заднего носка ротора по минимизации дисбаланса и сохранении первоначального дисбаланса по ресурсу, требования по обеспечению тепловых расширений ротора и по снижению теплового потока к подшипнику. Конструктивно задний носок может быть выполнен заодно с диском или отъемным. Во втором случае это болтовое соединение со ступицей диска (ротор турбины ВД ТРДД НК-56, см. рис.1.41 Тепловое сопротивление этого элемента можно увеличить уменьшением площади контакта в соединении с диском выборкой канавок на фланце, охлаждением самого носка воздухом и, наконец, уменьшением площади контакта кольца подшипника с носком за счет кольцевых проточек или других элементов на посадочном диаметре. 1.3. Конструирование лопаток 1.3.1. Рабочая лопатка неохлаждаемая. Для лопаток без бандажной полки проектирование пера завершается выбором профилей по высоте лопатки, параметров решетки и оценкой прочности. Этот процесс итерационный. Необходимо иметь ввиду, что на лопатку действуют значительные центробежные ( рис.1.44 ) и газовые силы. При проектировании пера из условия прочности минимальное отношение площади корневого и периферийного сечения должно быть в пределах 1,5..1,6. Значение параметра шероховатости, пера рабочей лопатки турбины R z =2.0 мкм (8 класс). Чаще всего соединение пера с хвостовиком происходит через полку хвостовика и ножку (рис. 1.45). Рис. 1.45. Структурные связи элементов рабочей лопатки турбины: 1- перо, 2 - полка, 3 - ножка, 4 - замок Профиль пера в каждом сечении задается точками с координатами для спинки и корыта. Проект ирование полки хвост овика - на ней должна распологаться лопатка. Формирование нож ки, ее высоты и площади сечения по елочному пазу определяются функциями, которыми наделяет этот элемент конструктор при проектировании рабочего колеса турбины: снижение температуры обода диска, уменьшение переменных напряжений в пере отстройкой и демпфированием, снижение массы рабочего колеса требуют увеличения высоты ножки, следовательно, и, уменьшение диаметра диска. Однако уход на меньший диаметр диска уменьшает возможности размещения заданного числа лопаток. Высота ножки h н =(0,05..0,4)h пера Ширина и толщина ножки d н и b н , полученных при расчете на прочность, оцениваются с точки зрения размещения - поперечное сечение ножки должно вписаться в габариты полки хвостовика и разместиться на базовой поверхности хвостовика елочного типа. Выбор хвост овика елочного т ипа завершающий этап в формировании конструкции лопатки без бандажной полки. Для соединения рабочих лопаток с диском в авиационных турбинах применяется только хвостовик елочного типа (рис. 1.46), что сопряжено с его преимуществами: Рис. 1.46. Хвостовик елочного типа клиновидная форма (клин к центру) обеспечивает размещение большего числа лопаток на окружности диска, при этом сечения с максимальными напряжениями в хвостовиках лопаток и в перемычках дисков разнесены на разные радиусы R Л и R Д. При такой форме хвостовика и выступа диска равномернее передается центробежная сила от масс лопаток на диск по сравнению с другими типами креплений - с меньшей концентрацией напряжений; свободная установка лопаток в диск (с зазором 0,2..0,3 мм) исключает температурные напряжения в системе “хвостовик - паз”, облегчает замену лопаток при монтажных операциях; зазоры с нерабочей стороны зуба хвостовика позволяют организовать продувку соединения охлаждающим воздухом и таким образом снизить температуру обода и тепловой поток в диск; работа хвостовика в упругопластической области, определяемая высоким уровнем рабочих температур и нагрузок, приводит к равномерному нагружению всех зубьев за счет перераспределения деформаций. Нужно отметить и недостатки: затруднен теплоотвод от рабочих лопаток в диск из-за малой площади контакта хвостовика и обода; концентрация напряжений по радиусам впадин хвостовика и выступа; высокая требуемая точность исполнения шага и других элементов, что увеличивает трудоемкость изготовления лопаток. Конструктивные формы хвостовика елочного типа регламентируются стандартом ОСТ 110975- 73, где массив конкретных исполнений определяется варьированием шагом S, углом φ между средними линиями гребенок зубьев, углом β между средней линией гребенки и рабочей поверхностью зуба, углом γ между рабочей и нерабочей поверхностью зуба и числом пар зубьев q (табл. 2.3). Выбранный хвостовик должен обеспечивать запасы прочности, размещение заданного числа лопаток в диске и размещение на базовой поверхности ножки хвостовика. Далее следует подробный расчет теплового состояния лопатки по режимам, исследование статической прочности, расчеты на колебания с использованием конечно - элементных моделей. После чего возможны изменения в конструкции лопатки: в пере, в бандажной полке, хвостовике. 1.3.2. Рабочая лопатка охлаждаемая. При проектировании охлаждаемой лопатки решается задача получения требуемой величины охлаждения и выполнения всех требований, рассмотренных при анализе конструкции неохлаждаемой лопатки. Лопатка строится в той же системе координат, что и неохлаждаемая и проектирование начинается с оценки потребных расходов охладителя и проходных сечений внутренних каналов. Ранее принятое условие, что отношение площади корневого сечения пера к периферийному: S кор / S пер = 1,5..1,6 , сохраняется и здесь, а минимальную толщину стенок в периферийном сечении можно принять 0,8..1,2 мм. Предельные отклонения толщин стенок должны назначаться в сторону увеличения номинального размера. Не допускается из условия прочности утолщения стенок периферийной зоны пера в изготовленной лопатке, без одновременного утолщения стенок в корневой зоне. Отклонение от заданного расчетом номинального размера щели для выпуска охлаждающего воздуха должно изменяться от –10% до +20%. Выбор хвостовика охлаждаемой лопатки имеет ту особенность, что из – за размещения каналов подвода охладителя уменьшает его живое сечение и несущая способность. Оптимизируется конструкция хвостовика при выбранной базовой плоскости подбором (уменьшением) угла φ и введением перемычек, обеспечивающих увеличение жесткости хвостовика при действии сжимающих сил. |