Конструктивные схемы и расчет роторов осевых компрессоров ГТД

Осевые компрессоры газотурбинных двигателей (ГТД) различаются схемой проточной части, количеством и конструкцией роторов, числом ступеней, способами обеспечения газодинамической устойчивости (ГДУ) и другими особенностями, связанными с назначением, параметрами и компоновкой двигателя.

В одноконтурных двигателях компрессор может быть однокаскадным (одновальным) и двухкаскадным (двухвальным), в двухконтурных — двух- и трехкаскадным. Каждый каскад компрессора состоит из двух основных частей — ротора и статора.

Конструктивные типы роторов осевых компрессоров. Ротор осевого компрессора состоит из нескольких рядов рабочих лопаток, закрепленных на ободах соединенных между собой дисков или на барабане. Барабан посредством вала или цапф опирается на подшипники, центрирующие ротор относительно статора.

По конструкции элементов, к которым крепятся рабочие лопатки, различают следующие типы роторов:
- барабанный;
- дисковый;
- барабанно-дисковый (как показано на рис. 2.4.10).

Рис. 2.4.10. Типы роторов компрессоров: а — барабанный; б — дисковый; в — барабанно-дисковый; 1 — барабан; 2 — лопатка; 3 — диск; 4 — вал

Роторы барабанного типа. Эти роторы являются развитием роторов, применяемых в традиционном турбомашиностроении, и отличаются от них тем, что с целью снижения массы барабан 1 стремятся спроектировать с минимально возможной толщиной стенки. Возможно создание роторов с цилиндрическими и коническими барабанами. Барабан связан с валом и опорами посредством цапф.

Ротор барабанного типа может быть предпочтительным при низких частотах вращения и центробежных нагрузках от лопаток 2, что типично для подпорных ступеней двухконтурных двигателей, имеющих один вал с вентилятором. Он отличается простотой и технологичностью конструкции, большой жесткостью на изгиб в поперечном направлении, что повышает критическую частоту вращения.

Недостатком такой конструкции является ограничение на допускаемую по требованиям прочности и массе частоту вращения. В зависимости от типа крепления лопаток к барабану, расположения опор и от расстояний между рядами лопаток, образующими ступени компрессора или турбины, окружная скорость на максимально нагруженном диаметре барабана ограничивается величиной:

u = √((2π[σ]hδ - k(Q_л + Q_з)z) / (2πhδρk)) (2.4.7)

где:

· [σ] — допускаемое номинальное напряжение в барабане;

· h — длина части барабана, соответствующая одной ступени компрессора или турбины;

· δ — толщина оболочки барабана;

· k — коэффициент запаса, учитывающий неоднородность распределения напряжений в барабане;

· Q_л — центробежная нагрузка на барабан от одной лопатки;

· Q_з — центробежная нагрузка замковой части барабана;

· z — число лопаток ступени;

· ρ — плотность материала барабана.

Окружные скорости на максимально нагруженном диаметре барабана не должны превышать 180...200 м/с.

Ротор барабанного типа представляет интерес для перспективных ГТД, например, с лопатками и барабаном из композиционных материалов. В ряде случаев конструктивные элементы в виде барабанного ротора могут быть включены в конструкцию ротора смешанного типа.

Роторы дискового типа. В таких роторах рабочие лопатки 2 находятся на специально спрофилированных дисках 3. Для современных конструкционных материалов окружные скорости на периферии дисков достигают 300...380 м/с.

Диски соединяют с валом 4, диаметр которого соответствует диаметрам отверстий дисков, с помощью посадки или шлицевого соединения. Ротор с дисками позволяет существенно повысить нагруженность ступени компрессора. Однако он обладает меньшей по сравнению с барабанным ротором жесткостью на изгиб, что обусловливает снижение критических частот вращения.

Кроме того, снижение изгибной жесткости увеличивает прогибы ротора при эволюциях самолета, что в свою очередь сказывается на радиальных и осевых зазорах в системе ротор – корпус, характеристиках двигателя и его надежности.

В дисковой конструкции ротора диски собираются на валу, который передает вращающий момент от турбины всем ступеням. В этом случае нужно, чтобы посадка центральной (наиболее напряженной) части диска на вал не ослабевала в работе и центровка дисков не нарушалась.

Рис. 2.4.11. Ступени компрессора с ротором дискового типа с деформируемой ступицей: 1 — деформируемый участок ступицы; 2 — направляющая лопатка; 3 — проставка; 4 — вал; а — при отсутствии вращения; б — при вращении

Конструктивное решение этой проблемы может быть таким, как показано на рис. 2.4.11. Ступица диска имеет упругодеформируемый участок 1, который защищает шлицевую втулку диска, посаженную на вал 4, от растяжения центробежными силами. Для предотвращения колебаний дисков между ободами под направляющими лопатками 2 установлены кольцевые проставки 3 (трактовые кольца), которые не участвуют в передаче вращающего момента.

Рис. 2.4.12. Ротор компрессора с передачей вращающего момента от вала с помощью шлицев, с центровкой дисков на широкой ступице: 1 — втулочная часть; 2 — вал

В роторе компрессора, схема которого показана на рис. 2.4.12, вал 2 является центрирующим элементом. Втулочная часть 1 дисков делается широкой, чтобы на крайние сечения втулки не передавались перемещения от полотна диска и посадка втулки на вал не ослабевала.

Роторы смешанного (барабанно-дискового) типа. Роторы смешанного типа получили наибольшее распространение в авиационных двигателях, поскольку сочетают достоинства роторов барабанного и дискового типов.

Наиболее распространенной и перспективной является барабанно-дисковая конструкция ротора (см. рис. 2.4.10, в), в которой диски 3 через перемычки 4, расположенные по радиусу вблизи ободов, соединены между собой с помощью болтов, штифтов или сварки. Барабанно-дисковая конструкция обладает высокой жесткостью и несущей способностью. Благодаря размещению образующей барабана на радиусах, которые обеспечивают прочность соединений проставок с дисками, возрастает жесткость всего ротора и повышаются его критические частоты вращения.

Способы соединения дисков и секций ротора. Болтовые и штифтовые соединения. Распространенным видом соединения дисков является болтовое: с короткими болтами, соединяющими два соседних диска; с болтами, расположенными на некотором удалении от оси компрессора и стягивающими сразу несколько дисков; с одним центральным стяжным болтом 2, расположенным на оси ротора (см. рис. 2.4.13).

Рис. 2.4.13. Соединение ступеней ротора с помощью торцовых шлицев: 1 — торцовые шлицы; 2 — центральный болт; 3, 4 — передняя и задняя упругие цапфы

В неразъемных роторах секции могут быть соединены при помощи радиальных штифтов 1 (см. рис. 2.4.14, а) и натягов по центрирующим пояскам или методом сварки (см. рис. 2.4.14, б). Соединение с помощью радиально расположенных штифтов может передавать вращающий, изгибающий моменты и осевую силу, а также обеспечивает центровку дисков в случае ослабления натяга по центровочным пояскам при нагреве и вытяжке дисков, обусловленном действием центробежных сил и температурных расширений.

Рис. 2.4.14. Соединение дисков барабанно-дискового ротора: а — с последовательной напрессовкой секций и креплением их радиальными штифтами; б — сваркой и с помощью стяжных болтов; 1 — штифт; 2 — диск; 3 — барабанная часть; 4 — отгибной замок, фиксирующий лопатку в осевом направлении; 5 — места сварки; 6 — стяжной болт; 7 — втулка

Как показывает опыт эксплуатации, при больших ресурсах отмечались случаи разрушения штифтов от многоцикловой усталости (МЦУ), что может ограничить дальнейший рост ресурса.

Преимущество неразборного ротора заключается в том, что при сборке или переборке двигателя не нарушается балансировка ротора, выполненная на балансировочном станке. При этом, как показал многолетний опыт эксплуатации семейства двигателей с штифтовым креплением секций турбокомпрессоров различной размерности, можно не применять упругодемпферные опоры как средство предупреждения повышенной вибрации двигателя.

В конструкциях с разъемными роторами применяются соединения с помощью длинных стяжных болтов 6 (см. рис. 2.4.14, б), фланцев 1 (см. рис. 2.4.15) и торцовых шлицев. В роторах с первым и вторым типом соединений передача крутящего момента и центровка осуществляются соответственно короткими и длинными призонными болтами.

Рис. 2.4.15. Фланцевое соединение ступеней роторов: 1 — фланец; 2 — призонный болт

При использовании длинных болтов для повышения жесткости ротора и обеспечения прижатия по стыкам всех смежных деталей применяются распорные втулки, внутри которых располагаются болты. Болты выполняются призонными не по всей длине, а только на участках сопряжения с дисками и фланцами барабанных проставок и распорных втулок. Недостатком такого соединения является нарушение балансировки при переборках, а также ослабление дисков отверстиями, являющимися концентраторами напряжений, что требует некоторого утолщения полотна диска.

Соединения на торцовых шлицах и сварные конструкции. Соединение с помощью треугольных торцовых шлицев, нарезаемых на торцах оболочек дисков, образующих барабан, может воспринимать нагрузки только при затягивании большой осевой силой, достигающей десятков килоньютонов. Кроме передачи нагрузок шлицевое соединение должно обеспечивать центровку деталей ротора. Сила затяжки должна в основном сохраняться при всех режимах работы двигателя. Поэтому стяжная система должна быть достаточно податливой.

В качестве такой системы обычно применяется длинный центральный болт и цапфы, представляющие собой пластины или пологие конические оболочки переменной толщины. При больших силах затяжки цапфы претерпевают значительную осесимметричную деформацию, что приводит к потере плотности стыка по длине шлицев и зацеплению только по их кромкам. При этом несколько нарушается центровка.

Кроме того, вследствие различия относительных радиальных перемещений шлицев сопрягаемых дисков, также может несколько нарушиться их центровка, а следовательно, балансировка ротора, что может привести к повышенным вибрациям двигателя.

Следует также отметить, что упругие в осевом направлении цапфы, применяемые в конструкции ротора, обладают большой изгибной податливостью, что понижает жесткость ротора и увеличивает его прогибы при действии нагрузок, возникающих при эволюциях самолета. Для предотвращения повышенных вибраций при сдаточных испытаниях необходимо производить балансировку ротора компрессора в рабочих условиях. Это требует разработки специальных узлов и методов балансировки.

Болтовые соединения должны обеспечивать центровку дисков в роторе компрессора, стабильность усилий и контактных напряжений в соединении. Поэтому нежелательно, а в ряде случаев и недопустимо, применение свободной посадки болтов в болтовые отверстия дисков. Наиболее распространена посадка болтов с минимальным натягом.

Соединения дисков (особенно болтовые, радиальными штифтами и радиальными шлицами) являются зонами концентрации напряжений, которые определяют ресурс конструкции. Поэтому недопустимо их расположение в местах с высоким уровнем номинальных напряжений в детали.

Конструкция ротора со стяжкой одним болтом нередко встречается в турбовальных или краткоресурсных двигателях небольшого размера (например, Т-63-А-5А, Т700-GE-700, в которых осевые ступеней сочетаются с последней центробежной ступенью).

В роторах смешанного типа возможны различные способы крепления дисков с проставками:
1. Болтовое соединение — наиболее распространенный способ.
2. Крепление с помощью радиальных шлицев и радиальных штифтов.
3. Крепление дисков к валу шлицами с фиксированием барабана из проставок и дисков резьбовым соединением на валу.

В последнее время получили широкое распространение сварные роторы, в которых соединение дисков с проставками и цапфами выполняется сваркой. Это позволяет увеличить радиусы образующей барабана и существенно повысить изгибную жесткость ротора.

Компоновочные особенности роторов компрессоров. Нередко в одном компрессоре используют разные виды соединений дисков. Например, если более холодная передняя часть ротора изготовлена из титанового сплава, а горячая (последние ступени) — из стали, то диски из одного материала сваривают, а стальную и титановую части соединяют с помощью коротких болтов.

Если барабанно-дисковая конструктивная схема состоит из нескольких ступеней, то компрессор обычно имеет переднюю и заднюю цапфы, которыми он опирается на подшипники. При этом не обязательно, чтобы цапфы закреплялись на первом и последнем дисках. Передние или задние диски (или те и другие) могут консольно пристыковываться к средней части каскада, опирающейся на подшипники.

Ротор каскада из одной – трех ступеней может опираться на подшипники с помощью одной цапфы на двух подшипниках, то есть быть консольным.