Конструкция, материалы и технологические процессы изготовления валов ГТД

Конструкция валов. Валы турбины и компрессора предназначе­ны для передачи крутящего момента и передачи усилий ротора на опоры двигателя. Они являются наиболее ответственными деталями двигателей, работают с большими нагрузками и с высокой частотой вращения. Поэтому к их прочности, точности, сбалансированности и массе предъявляются высокие требования. Обеспечение этих требо­ваний приводит к значительному усложнению конструкции валов и технологии их изготовления, относительно высокой трудоемкости. Необходимость уменьшения массы приводит к усложнению формы валов, заставляет делать их пустотелыми и тонкостенными. Внешние поверхности валов турбин (рис. 221, а, б) и компрессоров (рис. 221, в) (в двухвальных ГТД их называют вал турбины высокого давления (ТВД) и вал турбины низкого давления (ТНД)) представляют собой различные сочетания гладких шеек, шлицев, резьбы зубчатых колес, фланцев и т.п. Фланцы некоторых валов часто имеют внутренние или торцевые шлицы, отверстия под крепежные болты. Форма осевых отверстий задается в основном из условий равнопрочности детали, поэтому они бывают прямыми, ступенчаты­ми, сферическими и другой формы. Большинство валов, кроме осе­вых, имеют и радиальные отверстия для подвода масла из внутрен­ней полости к наружным трущимся поверхностям.

Технические условия на изготовление валов. Тяжелые условия работы валов определяют высокие требования к точности их обработ­ки, которые характеризуются следующими величинами:

Точность рабочих шеек — 6..7 квалитет, а нерабочих — 8... 12 квалитет;

Отклонение геометрической формы рабочих шеек допускается в пределах 0, 005...0, 02 мм, а нерабочих — 0, 1...0, 04 мм;

Биение рабочих шеек относительно друг друга допускается в пределах 0, 01..0, 04 мм;

Взаимное биение рабочих и нерабочих шеек допускается в пределах 0, 05.. 0.2 мм;

Точность сопрягаемых отверстий 5...7 квалитет;

Точность осевых отверстий 8... 11 квалитет;

Разностенность (см. рис. 221) — не более 0, 1 мм;

Точность резьбы 6...7 квалитет;

Точность шлицев 6...7 квалитет;

Шероховатость рабочих поверхностей Ra = 1.25...0, 16 мк, а остальных Ra

~ 5... 1, 25 мкм.

Некоторые валы статически и динамически балансируются с высокой точностью (остаточный дисбаланс 20...40 г • см).

Рис. 221. Валы

Рабочие поверхности валов часто цементируют на глубину от 0, 7 до 1, 2 мм. Твердость цементируемых поверхностей HRC г 58. В некоторых случаях рабочие поверхности валов азотируют. Глубина азотируемого слоя колеблется в пределах 0, 6...0, 9 мм, а твердость HRC = 65.

Дефекты поверхностного слоя (трещины, надиры, риски и прижоги) на валах турбины и компрессора не допускаются.

Материалы валов. Для изготовления валов компрессора и турбины применяются высококачественные легированные стали и сплавы. Для двигателей второго и третьего поколений чаще всего применялись для валов компрессоров хромоникелевые стали 18ХНВА, 12ХНЗА, 40ХНМА и мартенситные теплостойкие нержавеющие стали 13X11Н2В2МФА (ЭИ961Ш), 1Х12Н2МФАБ (ЭП517) и для валов турбин - сплавы ХН73МБТЮ (ЭИ698), НХ77ТЮ (ЭИ437А), ХН77ТЮР (ЭИ437БУВД); для двигателей четвертого и пятого поко­лений - 1Х15НМФАБК4 (ЭП866), Х12НМБФ (ЭП609Ш) (валы компрессоров) и ХН70МВТЮБ (ЭИ598), ХН77ТЮ (ЭИ437А), ЭП741НП (валы турбин).

Технологичность конструкции валов. Технологичность валов ГТД определяется в основном длиной вала, сложностью конфигурации наружных и внутренних поверхностей, наличием удобных подходов режущего инструмента при их обработке и видом заготовки.

Высоколегируемые сплавы, из которых изготавливают валы тур­бин, обладают низкой обрабатываемостью резанием. Получение заготовок с малыми припусками, как правило, невозможно. Валы турбины более чем вдвое длиннее валов компрессора. Внутренняя полость валов турбины обычно имеет ступенчатый профиль с удобны­ми подходами режущего инструмента для ее обработки.

Рассмотрим основные рекомендации по технологичности конструк­ции валов ГТД с трех точек зрения: получения заготовок, термичес­кой и механической обработок.

Заготовки валов ГТД получают горячим деформированием и ротационным выдавливанием.

Технологичность валов из штампованных заготовок. Конструкторам следует стремиться к тому, чтобы штампованные и кованые валы не имели сложной геометричес­кой формы и резких переходов от сечения к сечению.

Вал технологичной конструкции имеет небольшой диаметр фланца по сравнению с диаметром его стержня. Заготовку такого вала с фланцем диаметром до 300 мм можно получить высадкой на горизон­тально-ковочной машине (ГКМ) из прессованного прутка или бес­шовной трубы. Расход металла при штамповке вала этим способом минимальный. Если заготовку этого вала изготовить из прутка, то КИМ = 0, 15, а из бесшовной трубы — 0, 3. Точность изготовления при высадке выше.