![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Роторы турбин
Ротор турбины состоит из вала и дисков с рабочими лопатками. Он обычно выполняется дискового или барабанно-дискового типа. Число дисков зависит от числа ступеней, конструкции дисков, типа турбины и колеблется от двух до шести. Роторы турбины размещаются на двух самостоятельных опорах или на одной самостоятельной опоре и опоре, общей с компрессором. Задняя опора ротора может находиться за диском или перед ним. В случае переднего расположения опоры (консольного расположения ротора, см. рис. 30) подшипник находится в более благоприятных температурных условиях, но при этом ротор в работе получает значительные радиальные смещения, что вынуждает предусматривать большие монтажные радиальные зазоры во избежание задевания лопаток о стенки корпуса турбины. Тем не менее в большинстве конструкций применяют консольное расположение ротора в одновальном двигателе и ротора турбины высокого давления в двухвальном двигателе. Это объясняется более простым подводом и отводом смазки от опоры, облегчением монтажа, а также тем, что консольная подвеска дисков при заданной жесткости вала позволяет отнести критические обороты за пределы рабочих оборотов за счет действия гироскопического момента. Гироскопический момент дисков направлен в сторону, обратную действию изгибающего момента от неуравновешенной центробежной силы. Но при числе дисков более трех при консольном расположении возникают затруднения с обеспечением жесткости корпуса и ротора. Большая жесткость получается при заднем расположении опоры (см. рис. 31). Но при этом затрудняются подвод и отвод смазки и охлаждение корпуса подшипника и силовых стоек, соединяющих корпус подшипника с силовым корпусом двигателя. Роторы турбин в зависимости от способа соединения дисков с валом и между собой делятся на разборные и неразборные. Разборный ротор обладает лучшей ремонтной технологичностью, но подвергается большой разбалансировке в процессе ремонта и работы. Применение неразъемного ротора усложняет сборку турбины, уменьшает общий технический ресурс Рабочие лопатки обеспечивают преобразование энергии газового потока в механическую работу турбины. Усилия, возникающие на лопатках, через диск передаются на вал турбины. На рабочую лопатку действует аэродинамическая (газовая) сила, вызывающая напряжения изгиба и кручения. От действия центробежной силы в лопатке возникают напряжения растяжения, изгиба и кручения. Самыми опасными являются напряжения растяжения от центробежных сил. Напряжения изгиба и кручения невелики, так как путем рационального выбора профиля газовые силы уравновешиваются изгибающими моментами от центробежных сил. Рабочие лопатки турбины подвержены вибрациям, которые возбуждаются импульсным воздействием потока газа при прохождении их мимо сопловых лопаток. На вибрацию лопаток также оказывает влияние неодинаковый расход газа через каналы СА. Температурные напряжения в лопатке вызываются ее неравномерным нагревом. Так, при запуске тонкие кромки профиля прогреваются быстрее средней массивной части. При этом менее нагретые слои, сдерживая расширение более нагретых, вызывают в них напряжения сжатия. В менее нагретых слоях возникают напряжения растяжения. Рабочие лопатки, кроме того, подвергаются одновременно коррозионному и эрозионному действию газа. Учитывая тяжелые условия работы лопаток и их роль в двигателе (надежность и ресурс лопаток определяют надежность и ресурс двигателя), к конструктивным формам лопаток, способу их крепления в диске, их материалам и технологии изготовления предъявляют особо жесткие требования. Рабочие лопатки турбины имеют те же конструктивные элементы, что и лопатки компрессора, т. е. замок и профильную часть (перо), но геометрические формы и пропорции их иные. Для рабочих лопаток турбин характерны более толстые и изогнутые профили, а также сильно развитые переходные части и хвостовики. Из соображений прочности и жесткости перо рабочей лопатки турбины выполняется с более резким уменьшением площадей сечений от корня к периферии. Свободный конец лопатки заостряется для уменьшения перетекания газа по радиальному зазору между лопаткой и корпусом турбины. Длина лопатки определяется газодинамическим расчетом и зависит от весового расхода газа, его температуры, давления и осевой скорости в проточной части турбины. При высоких степенях повышения давления воздуха в компрессоре рабочие лопатки турбины получаются короткими, что позволяет, не снижая их надежности, увеличить температуру газа перед турбиной. Хорда лопатки определяется газодинамическим расчетом, причем величину хорды оценивают по величине удлинения лопатки, представляющего собой отношение длины лопатки к хорде профиля в корневом сечении. В применяемых конструкциях величина удлинения находится в следующих пределах: у ТРД—2, 3—4, 0, у ТВД—1, 5—4, 0, причем меньшие значения соответствуют первым ступеням турбины. Удлинение лопатки турбины стремятся выполнить по возможности наибольшим за счет уменьшения хорды профиля, так как при этом уменьшается ширина обода диска и, следовательно, вес ротора турбины. Однако этому препятствует возрастание напряжений изгиба в корневом " сечении лопатки и уменьшение частоты собственных колебаний лопатки, снижающее вибропрочность лопатки. Для получения минимальных гидравлических потерь в РК желательно увеличивать хорду лопатки от корня к периферии. Такие лопатки, обеспечивая высокий к. п. д. турбины, имеют пониженную прочность и вибропрочность Рабочие лопатки с увеличивающейся от корня к периферии хэрдой обычно применяют при малой их длине. Длинные лопатки выполняются с постоянной по длине или уменьшающейся от корня к периферии хордой. В результате профилирования лопатки по выбранному закону течения газа лопатка получается закрученной по высоте, так что степень сужения каналов увеличивается по направлению к периферии. Закрутка необходима, чтобы обеспечить плавное обтекание лопатки на всех сечениях по ее длине. Кроме того, она исключает радиальное течение газа в РК за счет большого давления на больших радиусах. В некоторых случаях, когда это возможно по условиям прочности, применяют бандажированные рабочие лопатки с полками на концах. Потери от перетекания газов через радиальные зазоры у турбины с такими полками получаются меньше, и к. п. д. турбины несколько возрастет. Однако полки увеличивают нагрузку лопаток от центробежных сил. Охлаждаемые рабочие лопатки позволяют увеличивать рабочую температуру газа перед турбиной или применять для изготовления лопаток менее дефицитные материалы. Охлаждение лопаток в основном осуществляется воздухом, отбираемым из компрессора, хотя возможно охлаждение и жидкими охладителями (вода, топливо, расплавленные металлы, например натрий и др.). Создание удачной конструкции охлаждаемых лопаток связано с большими конструктивными и технологическими трудностями, так как необходимы: обеспечение равномерного поля температур по сечению; неравномерность приводит к появлению термических напряжений, которые могут свести к нулю эффект охлаждения; сохранение необходимой прочности и вибропрочности; технологичность конструкции. В настоящее время применяют в основном два типа охлаждаемых рабочих лопаток: каркасные и составные. Каркасная лопатка (рис. 32, е) состоит из несущего стержня-каркаса и покрывающей его тонкостенной оболочки. Между каркасом и оболочкой имеются каналы для прохода охлаждающего воздуха. Такие лопатки по своим аэродинамическим качествам мало уступают цельным, неохлаждаемым, но наличие на стержнях поперечных канавок сильно снижает их прочность. Составные лопатки (рис. 32, в) выполняются из двух отдельных частей. Каждую часть изготовляют отдельно, а затем на стыкуемых поверхностях выфрезеровывают каналы. После соединения обеих частей внутри лопатки образуются полости для прохода охлаждающего воздуха.
Рис. 32. Охлаждаемые рабочие лопатки (поперечные сечения)
Кроме перечисленных способов охлаждения рабочих лопаток, возможно охлаждение при помощи защитной пленки (заградительное охлаждение). Такой способ основан на принципе создания защитного слоя охладителя между горячим газом и поверхностью лопатки. В этом случае в стенках лопаток имеется ряд щелей, через которые охладитель вдувается в пограничный слой газа у лопатки. Охлаждение лопаток путем отвода тепла в обод диска является наиболее простым способом, однако эффективность его зависит от типа замка крепления лопатки и теплопроводности материала лопатки. Замки лопаток являются весьма напряженным соединением в двигателе. Наибольшую нагрузку замкового соединения вызывает центробежная сила рабочей лопатки, кроме того, высокая температура замка (600—700°С) заметно снижает его механическую прочность. Замки должны обеспечивать передачу на диск больших центробежных сил рабочих лопаток при малом весе замка, а также хороший отвод тепла от лопатки в диск. Штифтовый и цилиндрический замки (рис. 33, а, б) лопаток ГТД в настоящее время не находят применения, так как они увеличивают вес конструкции и значительно ослабляют обод диска, хотя способствуют хорошему отводу тепла от лопатки в диск.
Рис. 33. Типы крепления рабочих лопаток Крепление лопаток при помощи сварки (рис.33, в) также не распространено, так как не допускает замены лопаток в условиях эксплуатации и требует сложного оборудования для организации процесса сварки (пайки). На турбинах современных ГТД для крепления лопаток к дискам применяются «елочные» замки (рис.33, г). Преимущества этого замка заключаются в следующем: материал корневой части лопатки, имеющей клиновидную форму, а также периферийной части диска используется весьма рационально— лопатки и диск при таком замке получаются наиболее легкими; малые размеры корневой части замка лопатки в плоскости диска позволяют разместить большое число лопаток; свободная посадка лопатки в замке не препятствует расширению наиболее нагретой части диска у обода, благодаря чему температурные напряжения в лопатке устраняются, а в ободе диска уменьшаются; свободная посадка лопатки в диске имеет место лишь при небольшой величине центробежной силы. Уже на малой скорости вращения лопатка самоустанавливается в замке так, что напряжение изгиба от центробежных сил оказывается минимальным; благодаря свободной посадке и силам трения в замке происходит гашение колебаний лопатки и, следовательно, уменьшаются вибрационные напряжения. Амплитуды колебаний уменьшаются, потому что часть энергии колебаний расходуется на преодоление сил трения в замке лопатки; так как по нерабочей части зубьев лопаток и диска имеются зазоры, можно осуществить охлаждение замка продувкой воздуха через эти зазоры; возможна легкая замена поврежденных лопаток. Наряду с этими преимуществами «елочный» замок имеет недостатки: небольшая поверхность соприкосновения лопатки и диска по площадкам зубьев приводит к плохому отводу тепла от лопатки в диск; вследствие малого радиуса закруглений в зубьях ножки лопатки и диска имеет место большая концентрация напряжений, что может приводить к появлению усталостных трещин; для получения более равномерной нагрузки на зубья замка необходима высокая степень точности обработки. При высокой температуре в месте крепления лопаток неравномерная нагрузка на зубья несколько выравнивается благодаря пластическим деформациям лопаток и диска. Однако, как показывает практика, полная равнопрочность при этом не обеспечивается и наиболее нагруженными оказываются наиболее удаленный от центра диска зуб хвостовика лопатки и наиболее близкий к центру зуб перемычки обода, что подтверждается образованием трещин и обрывом лопаток и перемычек по месту расположения этих зубьев. Диски служат для размещения рабочих лопаток и передачи с них на вал крутящего момента и осевой силы. Они нагружаются большими растягивающими усилиями от центробежных сил масс самого диска и размещенных на нем лопаток и изгибающим моментом от разности давлений газа перед рабочими колесами и за ними. В диске возникают также динамические напряжения, вызванные колебаниями, и значительные температурные напряжения, обусловленные неравномерностью его нагрева по радиусу и толщине.
Рис. 34. Диски турбин
Наибольший перепад температур на диске и наибольшие температурные напряжения имеют место через короткий промежуток времени (4—6 мин) после запуска двигателя. Этот перепад на 100—120° С больше, чем на установившемся режиме, и достигает 450—500° С. При запуске внешние слои диска, как более нагретые, стремятся расшириться в окружном и радиальном направлениях в большей степени, чем внутренние менее нагретые слои, которые препятствуют такому расширению. Поэтому на ободе диска возникают большие.окружные напряжения сжатия. По мере прогрева диска величина термических напряжений уменьшается. Диски бывают цельные одновенечные (рис 34, а), двухвенечные (рис.34, б) и составные (рис.34, в). Наибольшее применение получили одновенечные цельные диски как наиболее простые надежные и легкие. Форма и размеры диска определяются конструктивными и прочностными соображениями. Он должен при малом весе обладать достаточной жесткостью и прочностью. Ширина обода диска зависит от осевой ширины лопаток у корня и способа их закрепления. В сечении обод выполняется прямоугольным, трапециевидным (суживающимся к периферии или к центру диска) или в виде комбинации этих форм. Для разгрузки диска от изгибающих моментов, создаваемых газовыми силами, ц. т. обода диска смещают относительно оси симметрии сечения диска по направлению потока. При этом создаются разгружающие моменты от центробежных сил, развиваемых массами обода. Диски имеют наибольшую толщину в центре. В направлении к ободу толщина диска уменьшается. Это необходимо для приближения диска к равнопрочному, т. е. к такому, у которого напряжения на любом радиусе равны. Диски изготовляют ковкой или горячей штамповкой с последующей механической обработкой. На них делают фланцы или развитые бурты для соединения с валом или между собой. При необходимости на дисках предусматривают кольцевые выступы с буртиками лабиринтного уплотнения, выступы для крепления дефлекторов, колец с лабиринтными гребешками или балансировочных грузиков. В теле диска иногда выполняют отверстия для прохода охлаждающего воздуха. Однако наличие отверстий нежелательно, так как они являются концентраторами напряжений и ослабляют диск. Соединения дисков с валом имежду собойпередают большие нагрузки от крутящего и изгибающего моментов и осевой силы, работают в условиях повышенных температур, частых теплосмен и неравномерного нагрева, действия вибрационных нагрузок, возникающих из-за неуравновешенности ротора, пульсации давления газа и других причин. К узлам соединения исходя из условий их работы, конструктивных и технологических соображений предъявляют очень строгие требования, неполное удовлетворение которых может стать причиной разрушения турбины и двигателя. Узлы соединения диска с валом и дисков между собой должны: обладать малым весом и надежно передавать крутящий момент, осевую силу и все другие действующие нагрузки; сохранять центровку и балансировку ротора в горячем и холодном состояниях в процессе работы и не допускать прогибов (обладать большой жесткостью); обеспечивать минимальный нагрев подшипника теплом, передаваемым валу диском; быть технологичными в производстве и простыми при разборке и сборке с сохранением балансировки при повторной сборке.
Рис. 35. Неразборные соединения дисков с валом: а—прессовое соединение диска турбины с валом с двумя поясами центрирования; б—диск с валом выполнены за одно целое; в —вал приварен к фланцу на диске
Неразборные соединения дисков с валом. Широкое применение в турбинах получило неразборное фланцевое соединение диска с валом при помощи гладких радиальных штифтов 3 (рис.35). В этом соединении диск без отверстия своим развитым буртом напрессовывается на фланец вала, чем обеспечивается натяг по посадочным цилиндрическим поверхностям. Затем в совместно обработанные радиальные отверстия ставят с натягом гладкие радиальные штифты. От перемещения под действием центробежных сил штифты фиксируют либо кернением, либо резьбовыми пробками 4. Передача крутящего момента и осевой силы в этом соединении осуществляется за счет сил трения и работы штифтов на срез. Центрирование диска обеспечивается посадкой его на вал по центрирующим поверхностям с натягом. Кроме того, предусмотрена дополнительная горячая центровка при помощи кольцевого бурта 1 в центре диска и выступа внутри вала, между которыми в холодном состоянии имеется зазор. Дополнительная центровка значительно уменьшает вибрацию диска. Для уменьшения теплопередачи от диска на вал на торце фланца вала сделаны кольцевые канавки 2. Это снижает нагревание вала и подшипника турбины. Технология изготовления этого соединения сравнительно проста и не требует больших затрат. В конструкциях, показанных на рис. 35, б и в, соединение диска с валом достигается без увеличения веса, но в них не обеспечивается раздельная отбраковка диска и вала в ремонте, кроме того, имеет место повышенный отвод тепла от диска к валу. Такие конструкции в отдельных случаях могут оказаться целесообразными (для маломощных ГТД). Разборные соединения дисков с валом упрощают сборку двигателя и обеспечивают в ремонте раздельную отбраковку диска и вала, чем снижаются затраты на ремонт. Наиболее простыми являются фланцевые соединения при помощи винтов, болтов и шпилек. В этих соединениях передача крутящего момента осуществляется либо за счет трения по поверхности контакта диска с фланцем вала, либо за счет работы на срез призонных втулок или болтов. При передаче крутящего момента за счет сил трения для уменьшения потребной затяжки винтов (болтов) стык диска с валам размещают на большем радиусе при большой поверхности контакта сопрягаемых деталей.
Рис. 36. Разборные соединения дисков с валом: а—при помощи осевых шлицев и болтов; б—при помощи шлицевоп муфты; в — при помощи стяжного болта
Такие разборные соединения сравнительно просты в производстве, обеспечивают легкость сборки и разборки. Но они имеют ряд серьезных недостатков, например, большой отвод тепла от диска к валу, ослабление диска отверстиями и ослабление стыка из-за вытяжки винтов (болтов), работающих при высоких температурах. При большой разнице в температурных расширениях диска и вала возникают большие усилия среза на призонных втулках или болтах. Для снижения отвода тепла уменьшают толщину перемычки от диска к валу и площадь контакта сопрягаемых деталей. Подшипник ставят на переходную втулку. Между втулкой и валом протекает охлаждающий воздух. Шлицевые соединения хвостовика с валом способствуют уменьшению передачи тепла от диска к валу. В этой конструкции посадочная поверхность подшипника приближена к ц. т. ротора турбины. Соединение диска с валом, а также дисков между собой может осуществляться при помощи центрального стяжного болта 11 (рис. 36, в). Сила предварительной затяжки стяжного болта должна обеспечивать нераскрытие стыков, при самых неблагоприятных условиях. Такими режимами являются выход самолета из пикирования с большой пере грузкой и быстрое охлаждение ротора турбины, например в полете при выключившемся из работы двигателе, когда через Двигатель проходят большие массы холодного воздуха. В этих условиях диски охлаждаются быстрее, чем центральный стяжной болт. Разность температур дисков и болта, достигающая 200-300 Неразборные соединения дисков между собой. Распростра-ненным соединением такого типа является соединение при помощи силового кольца 4 (рис. 37, а) и радиальных штифтов 1, 3. Кольцо устанавливают на кольцевые бурты дисков с натягом и скрепляют с ними радиальными штифтами, которые также ставят с натягом в совместно обработанные отверстия в сопрягаемых элементах соединения.
Рис. 37. Неразборные соединения дисков между собой: а- при помощи силового кольца; б—при помощи кольцевых буртов; 1, 3— радиальные штифты; 2, 5 —диски; 4 —силовое кольцо; в — балансировочный болт; 7 —штифт Осевые усилия и крутящий момент от диска 2 ступени на диск 1 ступени передается силами трения между силовым кольцом и дисками, а также работающими на срез радиальными штифтами. Такое соединение обладает большой прочностью и жесткостью при сравнительно большом расстоянии между рабочими колесами турбины является простым в производстве. Для обеспечения монтажа при неразборном роторе турбины необходимо иметь разборный сопловой аппарат турбины или турбины с продольными разъемом. Разборные соединения дисков между собой применяются более широко, чем неразборные, особенно многоступенчатых турбинах. Крутящий момент передается призонными втулками, работающими на срез, и силами трения. Втулки устанавливают с натягом. Для удобства снятия они имеют по внутренней поверхности резьбу для съемника. Центрирование дисков между собой и с валом обеспечивается призонными втулками. Шпильки удерживаются от проворачивания специальным срезом на головке. Жесткость роторов достигается большой предварительной затяжкой шпилек (болтов) и расположением соединений на значительном радиусе. При передаче крутящего момента через треугольные шлицы возникает дополнительная осевая сила, нагружающая стяжной болт, что является недостатком этого соединения.
|