Старцев Н.И. Конструкция узлов 2007. Н. И. Старцев, С. В. Фалалеев конструкция узлов авиационных двигателей
 Скачать 2.31 Mb.
|
|
Конструкция фиксаторов. Как и в компрессоре, они могут быть групповыми (дефлектор, барабанные проставки и др.) и индивидуальными (рис. 1.47). Рис. 1.47. Конструкция фиксаторов Конструктивное исполнение последних разнообразно. Отметим только то, что в случае с охлаждаемой лопаткой в фиксаторе должны быть предусмотрены отверстия для прохода охладителя, что усложняет ее конструкцию. 1.4. Статор 1.4.1. Статор турбины Статор турбины образует газодинамический тракт. Он является частью силовой схемы статора двигателя и нагружен, как и статор компрессора, внутренним давлением, изгибом, кручением, нагрузками, приходящими от лопаточных венцов сопловых аппаратов (СА), но с наложением температурного поля с большим градиентом температур. В состав статора турбины входит корпус, СА, трактовые кольца, элементы уплотнений и теплоизоляции, система управления радиальными зазорами, система охлаждения и др. Статор конструктивно сопряжен с наружным и внутренним корпусом и ЖТ камеры сгорания, опорой турбины и реактивным соплом. Здесь отметим еще раз значение стыка ЖТ и 1 СА, который должен решить несколько задач – компенсацию тепловых деформаций ЖТ и 1 СА по радиусу и ЖТ в осевом направлении и организацию охлаждения полок СА и полок лопаток 1 РК. При размещении опоры перед турбиной известно несколько решений, которые определяются выбором силовой связи между корпусом компрессора и турбины. При двойной связи приходится использовать трубчато-кольцевую КС (семейство ТРДД Д-30, ПС-90А, ТЕЙ и т.д.) или проводить силовую связь через охлаждаемую пустотелую лопатку 1 СА, как это сделано на ТРДФ Р11Ф2300 и его модификациях. В случае с двойной разомкнутой связью размещение опоры перед турбиной не влияет на конструкцию КС и статора турбины. В опоре ТРДД, расположенной между каскадами проточную часть опоры используют для организации перехода, например, от турбины каскада ВД к турбине каскада НД, совмещая функции ребер опоры и лопаток СА (рис. 1.48,а). Рис. 1.48. Формирование проточной части турбины на участке размещения опор и перехода между каскадами: а) опора турбины ТРДД Д-36 с совмещением функций стоек опоры и лопаток СА; б) переход от каскада ВД к каскаду НД в ТРДД PW2000 При профилировании проточной части промежуточной опоры и “гуся” (перехода между каскадами в виде изогнутого кольцевого канала (рис. 1.48,б)) длину и форму канала выбирают таким образом, чтобы иметь минимальные потери полного давления от диагональности 2 2 r C ρ Поэтому угол подъема α обычно более 30˚ не назначают. Размещая пустотелые лопатки с большой С max профиля, в которых располагаются силовые стойки опоры и трубопроводы, делают переменной высоту межлопаточного канала для сохранения площади проходного сечения. Обычно опора турбины используется для размещения заднего узла подвески двигателя на самолете, что порождает дополнительные нагружения и деформацию опоры, которые передаются на корпус турбины НД, овалируя его, искажают (уменьшают) радиальные зазоры. Отсюда дополнительное требование к жесткости опоры. Важное значение имеет осевой зазор между последним РК, лопатки которого имеют максимальное удлинение, и ребрами опоры. Зазор должен быть таким, чтобы исключить возбуждение колебаний лопаток, т.е. не менее половины ширины венца РК. Обычно зазор делают примерно равным ширине венца РК. 1.4.2. Концепция двустенного статора. Важность перехода к двустенному статору, определяется необходимостью снижения температуры стенки корпуса и управлением радиальными зазорами. На рис.1.49 представлена турбина ТВД АИ-20 первых серий, где статор турбины выполнен одностенным с неохлаждаемыми лопатками СА, соединенными с корпусом сваркой. Свободное температурное расширение лопаток СА происходит от периферии к центру, для чего лопатки свободно с зазором вставлены в просечки внутреннего кольца СА. Лопатки СА и просечки на внутреннем кольце выполнены таким образом, что зазор δ 0 по контуру профиля находится в пределах 0,015…0,1 мм, что обеспечивает центрирование кольца на лопатках СА и скрепленного с ним кольца лабиринтного уплотнения ( рис.1.49 , схема б). В итоге достигается равномерный по окружности радиальный зазор в лабиринтном уплотнении δ 2 Минимизация радиального зазора δ 1 по периферии РК обеспечивается срабатываемым слоем на стенках корпуса в виде керамических вставок, набираемых в паз “ласточкин хвост” через монтажное окно. Срабатываемый слой протачивается до расчетного диаметра D 2 , соответствующего зазору δ 1. Для этой же цели - снижение радиального зазора δ 1 , статор турбины охлаждается набегающим потоком воздуха, для чего корпус турбины окружен кожухом из листового материала с двумя патрубками подвода охладителя. Цели, которые ставились конструктором при выборе одностенного статора - снижение массы и простота конструктивного исполнения статора и сопловых лопаток, здесь достигнуты. Однако такой подход имеет недостатки: высокая температура стенки корпуса, который включен в силовую схему; малый ресурс из-за трещин по сварным швам (жаропрочные материалы плохо свариваются); износ по лопаткам и лабиринтам из-за высокой твердости металлокерамических вставок (керамические вставки, полученные методом спекания имеют достаточную твердость, чтобы противостоять эрозии от действия высокоскоростного горячего газового потока, но изнашивают лопатки, гребешки лабиринтов при контактировании); низкая ремонтопригодность (поврежденную лопатку заменить практически невозможно); велики гидравлические потери во втулочном сечении из-за радиальных втеканий (см. рис. 1.49,в), которые возникают из-за разности статических давлений у передней и задней кромки просечки и установлении некоторого среднего давления в полости А - присоединенном объеме, происходит то, что газ втекает в полость А по передней части щели и вытекает по задней нормально к направлению газового потока. Это последнее и является причиной повышенных гидравлических потерь у втулки. Этот комплекс недостатков и стал причиной поиска новых исполнений статора. В итоге переходят к двустенному статору ( рис.1.50 , 1.51 ). Основная идея - сделать конструкцию разборной и снизить температуру стенок корпуса. Вторая внутренняя стенка двустенного корпуса состоит из отдельных участков: трактовых колец и наружных полок СА. Варьируя расстоянием между стенками и конструкцией крепления СА и трактовых колец к корпусу, можно снижать температуру стенок корпуса, обеспечивать транспортирование охлаждающего воздуха, размещать элементы теплоизоляции и систем управления радиальными зазорами. Крепление и центрирование СА и трактовых колец обеспечивается с помощью посадочных поясков (“зацепов”) на внутренних буртах корпуса, которые, кроме того увеличивают его прочность и жесткость. Следовательно, крепление лопаток СА производится на периферии, а тепловые деформации, как и в случае одностенного статора, распространяются от периферии к центру. Решетка СА обычно выполняется литой в виде блоков из 2..5 пустотелых лопаток или из отдельных лопаток, соединенных в блок сваркой. В этом случае блок сопловых лопаток является отдельной сборочной единицей. Блоки, установленные во внутреннее кольцо (оно обычно является лабиринтным кольцом) и составляет СА, который представляется таким образом сборочной единицей. СА затем вводится в корпус, центрируется по посадочным пояскам внутренних буртов и фиксируется от осевых смещений трактовым кольцом, а в окружном направлении или штифтами или торцевым шлицем. При этом количество фиксаторов определяется при расчете штифтов на срез от действия крутящего момента (обычно по числу блоков СА). Если корпус имеет поперечный разъем, то отдельные части корпуса могут входить в сборочную единицу СА вместе с трактовым кольцом. Механизм центрирования внутреннего (лабиринтного) кольца при закреплении по периферии СА, состоящим из блоков, принципиально не отличается от рассмотренного выше, только центрирование происходит не по лопаткам СА, а по прямоугольным выступам - “шипам”, выполненным на внутренней стенке каждого блока. А в нашем случае по патрубкам подвода воздуха к 1РК. На рис.1.52 показаны отдельные исполнения уплотнений по стыкам блоков СА. На торцах стыков каждого блока литьем или методом ЭХО выполняются канавки, в которые при сборке СА вставляются уплотнители: металлические пластинки из жаропрочного материала (ВЖ-98), уплотнители из материала МР разного исполнения, тонкостенная трубка 3×0,3, запаянная по концам и частично заполненная водой и др. Трудность создания такого уплотнения определяется сложной геометрией уплотнительных стыков, большими габаритами и низкой жесткостью СА как системы. К этому добавляются окружные термические деформации блоков, что приводит к изменению зазора между ними от 0,3..0,5 мм при монтаже до натяга на режиме, а также сам уровень нагрева - 700-1000˚. Снижение теплового потока от внутренней стенки к наружной определяется расстоянием между стенками (10..50мм), т.е. толщиной воздушного слоя. Для увеличения термического сопротивления в это пространство или подводят охладитель или укладывают теплоизоляционный материал (коалиновая вата). Установкой теплоизолятора решается задача радиальных вытеканий из присоединенных объемов над СА простым устранением этих объемов. Подводя итог анализу двустенного корпуса, отметим особенности и положительные стороны такого исполнения: - в конструкции реализован принцип двойной стенки, что позволяет решить две задачи: 1) снизить температуру наружной стенки (корпуса) по сравнению с внутренней на 150- 350К, обеспечив таким образом прочность и жесткость при * 1500....2000 Г T = К. 2) учитывая, что внутренняя стенка не нагружается и не деформируется, гарантируется стабильность радиальных зазоров по режимам и по ресурсу. - блочная конструкция СА уменьшает число стыков и таким образом увеличивает герметичность полости (присоединенного объема) с охлаждающим воздухом, исключая радиального втекания его в тракт; - обеспечивается закрепление лопаток СА в наружном корпусе, свободное расширение к центру и центрирование лабиринтного кольца (16-18 шипов) и постоянство радиальных зазоров по режимам Недостатки такой конструкции связаны с усложнением ее, увеличением числа деталей и веса. 1.4.3. Корпус турбины. Конструктивное исполнение корпуса турбины, как и корпуса компрессора, определяется требованиями: Прочност и и изгибной ж ест кост и, которая влияет на деформации корпуса как оболочки и в конечном счете на величину потребных радиальных зазоров; Гермет ичност и, определяющей потери рабочего тела и утечки топлива при ложном запуске; Точност и исполнения посадочных поверхност ей по буртам на внутренней стороне корпуса для установки СА и трактовых колец, от которой зависит точность установки секций по фронту решетки; Повышенной тепловой инерции и одинаковости радиальных температурных деформаций по окружности, влияющих на изменение радиальных зазоров по режимам; Сниж ение градиент а т емперат ур по высот е фланцев и внут ренних бурт ов, от которого зависит уровень температурных напряжений и коробления этих элементов; Условие непробиваемост и. На рис.1.53 показана часть корпуса турбины ТРДД НК-56, на котором закреплены (см. рис.1.54 ) трактовое кольцо 1 РК, 2СА, и трактовое кольцо 2РК. За базу принята ось диаметра расположения отверстий под призонные болты, которыми скрепляются части корпуса, допускаемое смещение отверстий от номинального положения не более 0,01 мм. Все посадочные диаметры трактовых колец и СА строго согласованы с базовым диаметром. Упорные торцы для трактовых колец и 2СА имеют точное исполнение по 6..7 квалитету и определяют осевую фиксацию этих элементов и точность фронта решетки профилей 2СА и центрирование лабиринтного кольца (внутреннего кольца). Достижение герметичности в поперечных разъемах корпуса в нашем случае обеспечивается помещением в стык (ближе к отверстиям под болты) кольца из медной проволоки диаметром 1 мм. Большой градиент температур по стенке и особенно по фланцам порождает термические напряжения (на внешней части фланца напряжения растяжения, а на внутренней - сжатия), которые могут оказаться выше предела текучести нагретого материала. При этом возникают пластические необратимые деформации корпуса (растяжение), а при остывании после остановки диаметр фланца уменьшается (сжатие). Такая усадка приводит к короблению фланцев и искажению геометрических параметров корпуса и фронта решетки профилей СА. На корпусе размещены лючки осмотра рабочих лопаток, для чего в корпусе в плоскости расположения соплового аппарата (между лопатками) предусмотрены фланцы, расположение которых по окружности диктуется возможностью доступа к лючку при проведении осмотра в мотогондоле самолета. Для обеспечения непробиваемости увеличивают толщину стенки корпуса, размещают фланцы поперечных разъемов и бурты на внутренней стороне в плоскости вращения РК, устанавливают защиту в виде колец толщиной 5-7 мм (ТРДД НК-56), или кольцо из труб (ТВД М601) и др. 1.4.4. Сопловой аппарат. Сопловой аппарат как сборочная единица состоит из набора блоков или отдельных лопаток с уплотнителями между ними и лабиринтным (внутренним) кольцом. Иногда туда включается и часть корпуса (при использовании корпуса с поперечным разъемом). В последнем случае легче контролировать площади проходных сечений СА, герметичность каналов транспортирования охладителя и биения рабочей поверхности лабиринтного кольца (пределы 0.1..0.2 мм). Сопловой аппарат с набором одиночных лопаток чаще находит применение на 1 ступени, где срабатывается максимальный теплоперепад и максимальные * Г T . Такое решение имеет то преимущество, что теплозащитные покрытия “термобарьер” можно наносить на все поверхности лопатки, а в блоке из-за недоступности и сложности формы не на все поверхности. Однако надо помнить, что при одиночных лопатках число стыков, которые являются причиной утечек охладителя, здесь максимально. Для уменьшения потерь охладителя и равномерного распределения его по каждой лопатке над верхней полкой блока организуют замкнутую камеру с одним хорошо уплотненным подводом. 1.4.5. Кольцо лабиринта (или внутреннее кольцо СА). Кольцо лабиринта ( рис.1.55 ) является элементом лабиринтного уплотнения, определяющим потери рабочего тела при перетекании через зазор между СА и ротором. Оно является связующим для блоков и лопаток СА и обеспечивает их тепловые деформации. Конструкция кольца в турбинах последних исполнений отличается использованием в качестве слоя, контактирующего с гребешками лабиринта сотового заполнителя. Заполнитель изготавливается из стальной фольги толщиной 0.03..0.05 мм с диаметром ячеек от 1 до 3 мм и припаивается ко втулке порошковым припоем ВПР11-40Н на основе никеля и хрома с температурой плавления до 1020˚С и рабочей температурой 900˚С. Сотовый заполнитель может состоять из отдельных сегментов, которые устанавливаются с зазором 0,…0,3 мм или одним разъемом - все определяется технологией пайки: для припайки кольца с одним разъемом, чтобы удержать в ячейках порошок припоя кольцо необходимо вращать в процессе пайки, а для закрепления сегмента вращение ненужно. После припайки заполнителя кольцо растачивается на заданный размер диаметра. Второе решение по организации контакта с гребешками лабиринта - кольцо из металлокерамических вставок в виде отдельных прямоугольников устанавливаемых в паз с формой “ласточкина хвоста” в поперечном сечении. После чего кольцо растачивается фасонным резцом с получением кольцевых канавок глубиной 1..1,3 мм ( рис.1.55 ,б). Такая конструкция снижает утечки и изнашивание гребешков лабиринтов бандажных полок, а при отсутствии полок снижается изнашивание пера. Важно отметить, что в конструкции СА турбины НД двигателей последних исполнений (V2500, CFM56, PW4000, Трент) лабиринтное кольцо вообще не присутствует ( рис.1.56 ). На рис.1.57 изображена конструкция турбины фирмы MTU, использующая в проточной части щеточные уплотнения. 1.4.6. Трактовое кольцо. Трактовое кольцо является элементом уплотнения радиального зазора по периферии рабочего колеса и частью внутренней стенки двустенного статора. Кольцо с сотовым заполнителем используется в сочетании с рабочей лопаткой с бандажной полкой. В случае с рабочей лопаткой без бандажной полки применяется трактовок кольцо с металлокерамическим покрытием по аналогии с лабиринтным кольцом или без покрытия. Трактовое кольцо с сотовым заполнителем (рис. 1.58) изготавливается из отдельных сегментов (длиной 150-200 мм) или в виде кольца с одним или двумя разъемами. А А А - А 2 , 2 . . . . 2 , 3 0 , 7 . . . 0 , 8 Рис. 1.58. Трактовое кольцо с сотовым уплотнителем В стыках устанавливаются уплотнители такие же как в СА. Фиксация трактовых колец в окружном направлении производится штифтами, установленными в корпусе или элементами последующего СА. 1.4.7. Лопатки сопловых аппаратов. Лопатки разделены на два класса - неохлаждаемые и охлаждаемые. Неохлаждаемые лопатки ( рис.1.54 ,б) изготавливаются в большинстве случаев теми же способами, что и охлаждаемые - прицензионным, бесприпусковым литьем. Конструктивно они могут быть и полыми с целью облегчения. Охлаждаемые лопатки ( рис.1.54 ,а) имеют сложную форму пера в связи с трехмерным профилированием и соответственно усложненную конструкцию внутренних полостей для повышения эффекта охлаждения. Как уже отмечалось ранее в СА 1 ступени высокотемпературных турбин ( Т * Г ≥1550 - 1600 К) нашли применение лопатки с конвективно-пленочным охлаждением, выполненные по схеме раздельного подвода на конвективно-пленочное (1-я полость) и конвективное охлаждение (2-я полость). На рис. 1.59 представлено фото охлаждаемой лопатки фирмы Роллс-Ройс. Рис. 1.59. Охлаждаемая лопатка турбины ВД На рис.1.54 представлена конструкция охлаждаемой лопатки 1СА турбины ТРДД НК- 56 ( Т * Г = 1550 К). Внутренний объем разделен на две полости, в каждую из которых установлен дефлектор из листового жаропрочного материала толщиной 0,5..0,7 мм, обеспечивающий, через систему отверстий диаметром 0,6..0,8мм (перфорацию), лобовое натекание воздуха на охлаждаемую поверхность. Подвод охладителя в первую полость организован и сверху и снизу и, чтобы исключить отрицательный эффект встречи потоков охладителя, оба потока разделены дефлектором, который припаивается к лопатке по посадочным поверхностям. Дефлектор образует три потока охлаждающего воздуха: выход охлаждения на переднюю кромку обеспечивается снизу (из внутреннего канала КС), охлаждаемые спинки и корыта раздельно подводом сверху. Воздух, выходящий через отверстия в переднем дефлекторе охлаждает лобовым натеканием на внутреннюю оребренную поверхность и затем через отверстия в стенке лопатки диаметром 0,6..0,8мм выходит на внешнюю поверхность, формируя на ней заградительный слой охладителя. Лопатка подвергается виброшлифованию до и после алитирования. Блок состоит из 3 лопаток. В ряде случаев через 2 СА подводится охлаждающий воздух к 2РК (ТРДД RB199, М- 88- 2 и др.), тогда конструкция дефлектора должна обеспечивать проход воздуха. 1.5. Конструкционная прочность элементов турбины 1. Выбор мат ериала Высокие рабочие температуры при резком их изменении (нестационарные тепловые нагрузки) в сочетании с агрессивной газовой средой, статическим, переменными и циклическими нагрузками и ряд других факторов стали причиной повреждений деталей турбин ( рис.1.60 ) и характерных требований к выбору материалов для них. Основные из этих требований: Длит ельная прочност ь (ж аропрочност ь) σ t b τ , определяющая статическую прочность детали при работе с температурой t ºC в заданном временном интервале τ; Жарост ойкост ь (окалиност ойкост ь), сопротивление разрушению поверхности лопаток из-за корозионно - эрозионного воздействия высокотемпературного газового потока; Термост ойкост ь (сопрот ивление т ермоуст алост и), определяющая стойкость горячих деталей (лопаток в первую очередь) к резким изменениям температуры, когда возникает большой градиент температур в тонких поверхностных слоях (или в тонких выходных кромках, которые прогреваются и остывают быстрее, чем тело лопатки), что приводит к появлению трещин в поверхностных слоях и на кромках. Выносливост ь при σ -1 повышенных т емперат урах, гарантирующая прочность при знакопеременных нагрузках. С ростом температуры у жаропрочных сплавов на никелевой основе выносливость может увеличиваться из-за возрастания пластичности. Так у сплава ЖС30 σ -1 =1000 МПа при t=20ºC и σ -1 =320 МПа при t=900ºC. Пласт ичност ь, определяющая чувствительность материала к концентраторам напряжений. При достаточно высокой пластичности (δ>10%) материал не чувствителен к конструктивным концентраторам напряжений. Этим требованиям отвечают жаропрочные сплавы на никелевой основе и кобальтовой основе. Рабочие лопат ки изготавливаются из никелевых сплавов ЖС6К, ЖС6У, ЖС6КП, ЖС30, ХН77ТЮП (ЭИ437Б), ХН70ВМТЮ (ЭИ617). Для изготовления сопловых лопат ок применяют сплавы на никелевой основе из сплавов ЖС6К, ЖС6У, ЭИ652. Диски и дефлект оры дисков изготавливаются из сплавов ЭИ437Б, ХН73МВТЮ (ЭИ698). Для валов используют жаропрочные стали 13Х14Н3В2ФР (ЭИ736), 1Х12Н2МВФАБ (ЭИ517), ЭП693, сплав ЭИ437Б. Корпусные дет али изготавливают из сплава ВЖЛ-14, ХН68ВМТЮК (ЭИ693), ЭИ437Б. 2. Повышение предела выносливост и лопат ки σ -1 (перо, хвостовик, бандажная полка) достигается улучшением чистоты поверхности, снижением остаточных напряжений термообработкой и проведением упрочнения ППД (микрошариками, выброшлифование). Большое число разрушений лопаток имеют усталостное происхождение. Это связано с трудностью оценки интенсивности возбуждения переменными силами на стадии проектирования и с большой чувствительностью возбуждающих сил и выносливости лопаток к случайным отклонениям от регламентных условий эксплуатации и производства. 3. Сниж ение переменных напряж ение σ V , как в конструкции компрессора, достинается снижением возбуждающих сил отстройкой от резонансных колебаний, и демпфированием. Прочность рассчитывается с помощью пакетов на основе МКЭ ( рис.1.61 ). При использовании МКЭ нормы прочности (а также технологию создания конечно- элементной модели) необходимо согласовывать с ЦИАМ. |