Меню

Роторы осевых компрессоров действующие нагрузки



Типы роторов осевых компрессоров ГТД и их сравнительная характеристика.

Основными элементами конструкции ротора являются: рабочие лопатки; диски (или барабан), несущие на себе рабочие лопатки; валы и цапфы, которыми ротор опирается через подшипники на статор.

Элементы конструкции ротора, к которым крепятся рабочие лопатки, образуют несущую силовую часть ротора, которая имеет форму тела вращения.

Конструктивная форма несущей части должна обеспечивать высокую жесткость и прочность конструкции при минимальной массе, так как при работе двигателя она нагружается большими по величине центробежными силами масс рабочих лопаток и собственной массы, массовыми инерционными силами, возникающими при эволюциях летательного аппарата, температурными и вибрационными нагрузками.

По конструкции ротора различают:

— ротор барабанно-дисковый (смешанный, комбинированный).

1. Роторы барабанного типа имеют форму цилиндра или усеченного конуса, на внешней поверхности которого выполнены продольные (а) или кольцевые (б) пазы для крепления рабочих лопаток. К торцам крепятся фланцы с опорными цапфами. Крутящий момент передается по барабану.

Крепление лопаток в кольцевых пазах предпочтительнее, так как имеется возможность разместить по ступеням заданное различное количество лопаток, что улучшает характеристики компрессора и, кроме того, кольцевые пазы в меньшей мере, чем продольные, ослабляют барабан.

Барабаны могут быть цельными и составными. Сокращение осевых габаритов конструкции (расстояния между опорами) может быть достигнуто за счет размещения цапф внутри барабана. В этом случае первые и последние ступени будут размещаться на консольных участках барабана.

Преимущества роторов барабанного типа: высокая изгибная жесткость; простота конструкции и технологии изготовления, невысокая стоимость.

Недостатки: ограничение из условий прочности барабана окружной скорости (на наружном диаметре барабана – не более 180…220 м/с), так как барабан работает в основном на разрыв от центробежных сил вращающихся масс рабочих лопаток и самого барабана. Роторы барабанного типа применялись на ранних типах ТРД (ТР-1 и др.)

Такие роторы находят применение в малоразмерных ГТД.

Роторы дискового типа представляют собой набор отдельных дисков, закрепленных на общем валу. Вал обычно выполняется полым. Он служит для передачи крутящего момента и центрирования дисков. Соединение дисков с валом может выполняться напрессовкой (натягом), при помощи шлиц (а, б), болтов (в), соединяющих диски с фланцами вала. При напрессовке величина натяга выбирается из возможности обеспечения передачи крутящего момента в рабочем состоянии, когда диск нагрет и растянут центробежными силами. Очевидно, что величина натяга в холодном состоянии (при монтаже конструкции) получается большей (даже для передачи сравнительно небольшого крутящего момента 350…400 Нм монтажный натяг достигает 12…14 тонн). Для обеспечения сборки и предотвращения повреждений дисков при напрессовке устанавливают переходные втулки (г).

При соединении вала с диском с помощью шлиц необходим небольшой натяг для центрирования пары «диск-вал». Шлицы применяют прямоугольные, треугольные и эвольвентные. При соединении дисков из алюминиевых сплавов, имеющих большие радиальные расширения ступицы, со стальным валом с помощью обычных шлиц предварительного натяга для центрирования обычно бывает недостаточно. В этом случае применяют так называемые «термостойкие» шлицы, боковые грани которых располагаются по радиусу. Они позволяют сохранить плотность соединения при работе. Возможно также использование дисков с упругой ступицей (ТРДД «Спей»).

При фланцевом соединении применяют призонные болты.

Роторы дискового типа допускают большие окружные скорости на наружном диаметре (до 350…450 м/с).

Недостатки дисковых роторов: малая изгибная жесткость из-за малого диаметра вала; возможность возникновения вибрации дисков; сложность монтажа и демонтажа; высокая стоимость производства и ремонта.

Несколько увеличить изгибную жесткость можно за счет увеличения диаметра вала и за счет установки трактовых колец в районе обода диска. За счет установки трактовых (распорных) колец можно также устранить вибрации дисков.

Роторы дискового типа применялись достаточно широко (РД-20, Д25В, «Эвон», КВД Д20П, Д30, Д-30Ф6, Д-30КУ/КУ, ПС-90А, «Олимп» В.О1, «Спей», «Конуэй» RCo.42, и др.), но сейчас не используются, как устаревшие.

Роторы барабанно-дисковой конструкции представляют собой набор дисков с развитыми в осевом направлении буртами, образующими при соединении барабанную часть ротора. Конструкция может выполняться разборной или неразборной.

Соединение секций в роторах барабанно-дискового типа:

· напрессовка секций друг на друга с натягом, диски скреплены штифтами, передающими крутящий момент (глухие или сквозные отверстия в пазах для лопаток);

Читайте также:  Противопролежневый матрас армед трубчатый с компрессор

· соединение секций последовательно с помощью призонных болтов (возможно включение проставок);

· фланцевое соединение дисков и барабанов ротора с помощью болтов и шпилек;

· диски и проставки между ними скреплены длинными стяжными болтами;

· секции соединяются с помощью торцевых треугольных шлицев (на хиртах) и стяжного болта;

· соединение секций сваркой (электронно-лучевая, аргонно-дуговая);

· сварные секции ротора (по несколько дисков) соединены призонными болтами.

Источник

Основные нагрузки, действующие на узлы ГТД. Осевые газовые силы, действующие на узлы ГТД.

Газотурбинные двигатели (ГТД) за последние семьдесят лет своего развития стали основным источником энергии, как для летательных аппаратов (ЛА), так и для наземных энергетических установок и газоперекачивающих агрегатов. Газотурбинные двигатели – классический пример сложнейшего устройства, детали которого работают длительное время в условиях предельно высоких температур и нагрузок. Вместе с тем эти двигатели – образец высочайшей надежности, которая обеспечивается эффективными конструкторскими решениями, сложными газодинамическими, тепловыми и прочностными расчетами [1].

Для разработки экспертной системы, предназначенной для принятия решения по выбору материалов, покрытий и других видов подготовки поверхности, необходимознать и учитывать условия их работы и основные нагрузки, действующие на элементы авиационных двигателей, что позволяет правильно оценивать их влияние на прочностные характеристики узлов двигателя.

Спектр нагрузок, действующих на элементы ГТД, чрезвычайно широк, поэтому для последующего анализа ограничимся основными видами нагрузок, такими как:

· газовые нагрузки, которые возникают как результат воздействия газового потока на элементы проточной части двигателя и газостатические нагрузки;

· массовые нагрузки, к которым относятся силы инерции, возникающие в деталях при вращении ротора;

· температурные нагрузки, возникающие из-за неравномерного нагрева деталей, различия коэффициентов линейного расширения их материалов, при стеснении температурных деформаций.

Силы и моменты, действующие на узлы и детали двигателя, по характеру деформации классифицируются следующим образом [2]:

· растягивающие и сжимающие силы – возникают вследствие давления газов на детали двигателя и от действия центробежных сил вращающихся масс;

· изгибающие моменты – возникают от газовых сил, масс узлов и деталей, а также от инерционных сил;

· крутящие моменты – возникают в роторах от действия воздуха и газов на рабочие лопатки компрессора и турбины и в корпусных деталях от действия воздуха и газов на направляющие лопатки компрессора и сопловые лопатки турбины.

Определение осевых газовых сил

Осевое усилие, возникающее на элементах конструкций дви­гателей, определяется как сумма статических давлений воздуха или газа на поверхности проточной части элементов и газодинами­ческой силы, вызванной изменением количества движения воздуха или газа при прохождении его через рассматриваемый элемент конструкции. Рассмотрим определение осевых сил на примерах отдельных частей двигателя. За положительное направление сил принимается направление движения воздуха в проточной части двигателя, т. е. от входа в сторону реактивного сопла.

Входное устройство двигателя. Осевая сила, действующая на входное устройство двигателя с осевым компрессором, согласно общему определению, рассчитывается по формуле

Ро вх = P1f1 – P2f2 + m(V2-V1) (2.1), где P1 и P2 — статические давления в потоке перед и за входным устройством; f1 и f2 – площади на входе и выходе ВУ; m – расход воздуха; V1 и V2 – скорость воздуха во входном и выходном сечениях ВУ.

Осевое усилие, действующее на РК компрессора (рис. 2), определяется как:

, (2)

где p1, p2 – давления перед и за диском компрессора; pпi, pзi – давления перед и за РЛ компрессора; Dпi, dпi, Dзi, dзi – наружный и внутренний диаметры входной и выходной кромки лопатки; m – расход воздуха; dв – внутренний диаметр диска; С1V и С2V – осевые составляющие скорости воздуха на входе и выходе из РК.

На вал компрессора (и на элементы соединения секций ротора) действуют суммарные осевые силы (от лопаток и дисков), крутящие моменты (от рабочих лопаток).

Осевая сила, действующая на проточную часть НА осевой ступени компрессора (рис. 6):

Читайте также:  Для чего нужны кислородные компрессоры

, (9)

где pпi, pзi, С1V, C2V – статические давления и осевые скорости на средних радиусах лопатки перед и за РК; Dпi, dпi, Dзi, dзi – наружный и внутренний диаметры входной и выходной кромки лопатки; m – расход воздуха.

Сила, действующая на корпус компрессора, будет складываться из осевых сил и крутящих моментов, действующих на каждый лопаточный венец НА и силы от опор компрессора.

Осевые усилия, действующие на КС ГТД, определяются как сумма приложенных к ней статических и динамических усилий под действием статических давлений [2]:

, (11)

где P1, V1, P2, V2 – статические давления и скорости воздуха и газа на входе и выходе из КС; mв – массовый расход воздуха на входе; mг – расход газа на выходе из КС; Dп, dп, Dз, dз – геометрические размеры КС на входе и выходе.

Осевое усилие от газовых сил, величины крутящих моментов, действующее на ротор и статор турбины, определяются аналогично соответствующим силам для компрессора, формулы (2) – (10), но процессы, происходящие в турбине, носят противоположный характер. Так как осевая нагрузка на рабочие лопатки, компрессора направлена против направления потока воздуха, для турбины – по потоку, кроме того направление окружной нагрузки для рабочих лопаток турбин совпадает с направлением вращения, а для компрессора – наоборот.

Вопрос №29.

Основные нагрузки, действующие на узлы ГТД. Силы инерции, действующие на узлы ГТД.

Газотурбинные двигатели (ГТД) за последние семьдесят лет своего развития стали основным источником энергии, как для летательных аппаратов (ЛА), так и для наземных энергетических установок и газоперекачивающих агрегатов. Газотурбинные двигатели – классический пример сложнейшего устройства, детали которого работают длительное время в условиях предельно высоких температур и нагрузок. Вместе с тем эти двигатели – образец высочайшей надежности, которая обеспечивается эффективными конструкторскими решениями, сложными газодинамическими, тепловыми и прочностными расчетами [1].

Для разработки экспертной системы, предназначенной для принятия решения по выбору материалов, покрытий и других видов подготовки поверхности, необходимознать и учитывать условия их работы и основные нагрузки, действующие на элементы авиационных двигателей, что позволяет правильно оценивать их влияние на прочностные характеристики узлов двигателя.

Спектр нагрузок, действующих на элементы ГТД, чрезвычайно широк, поэтому для последующего анализа ограничимся основными видами нагрузок, такими как:

· газовые нагрузки, которые возникают как результат воздействия газового потока на элементы проточной части двигателя и газостатические нагрузки;

· массовые нагрузки, к которым относятся силы инерции, возникающие в деталях при вращении ротора;

· температурные нагрузки, возникающие из-за неравномерного нагрева деталей, различия коэффициентов линейного расширения их материалов, при стеснении температурных деформаций.

Силы и моменты, действующие на узлы и детали двигателя, по характеру деформации классифицируются следующим образом [2]:

· растягивающие и сжимающие силы – возникают вследствие давления газов на детали двигателя и от действия центробежных сил вращающихся масс;

· изгибающие моменты – возникают от газовых сил, масс узлов и деталей, а также от инерционных сил;

· крутящие моменты – возникают в роторах от действия воздуха и газов на рабочие лопатки компрессора и турбины и в корпусных деталях от действия воздуха и газов на направляющие лопатки компрессора и сопловые лопатки турбины.

Силы инерции возникают при изменении величины вектора осевой скорости (при разгоне и торможении самолета) и направления вектора скорости (при изменении траектории полета). При разгоне или торможении (то есть при изменении величины вектора осевой скорости) появляется осевая сила инерции , которая передается с ротора на корпус двигателя через радиально-упорный подшипник.

При изменении траектории полета возникает центробежная сила инерции

,

где – радиус кривизны траектории самолета; – угловая скорость эволюции самолета;

– коэффициент перегрузки.

Коэффициент эксплуатационной перегрузки устанавливается нормами прочности для разных типов самолетов и для различных случаев полета, например, при посадке пассажирского самолета =3 ед. пер., при эволюции в вертикальной плоскости самолета-истребителя =8…9 ед. пер.

4. Гироскопический момент возникает при отклонении траектории полета самолета от прямолинейной и вызывает изгиб ротора:

,

где – массовый момент инерции ротора относительно оси вращения; – угловая скорость вращения ротора.

Читайте также:  Компрессор для замены фреона

В худшем случае , тогда и .

Гироскопический момент дополнительно нагружает подшипники опор ротора и через них передается на корпус, вызывая в роторе и в корпусе напряжения изгиба. Для его уменьшения целесообразно увеличить расстояние между опорами ротора.

5. Крутящий момент передается ротору компрессора от турбины и вызывает в валу или барабане напряжения кручения.

Источник

Вопрос № 5. Роторы осевых компрессоров.

По конструктивному исполнению роторы осевых компрессоров могут быть следующих типов:

Рис. 12. Типы роторов осевых компрессоров:

а — барабанный; б — дисковый; в — смешанный (барабанно-дисковый);

1 — рабочая лопатка; 2 — барабан компрессора; 3 — крышки барабана с цапфами опор;

4 – подшипник, 5- диск; 6 — вал; 7 — барабанные секции.

Схема ротора барабанного типа показана на рис. 12, а.

Несколько рядов рабочих лопаток 1 закрепляются на цилиндрическом или коническом барабане 2, представляющем собой механически обработанную поковку из алюминиевого сплава, титана или стали. Две крышки 3 закрывают барабан с торцев и имеют цапфы, которыми ротор опирается на подшипники 4.

Крутящий момент к каждой ступени передается через стенку барабана.

Достоинствами ротора барабанного типа являются:

— низкая удельная масса;

— большая изгибная жесткость;

— высокая критическая частота вращения;

— высокая вибрационная стойкость.

К недостаткам ротора барабанного типа следует отнести:

— сравнительно невысокую несущую способность барабана;

— низкую рабочую окружную скорость

— не более 200 м/с.

Ротор дискового типа (см. рис. 12, б) имеет соединенные с валом 6 диски 5, на периферии которых крепятся рабочие лопатки 1. Диски стянуты в единый пакет гайками, которые накручены на вал.

Достоинствами ротора дискового типа являются:

— большая несущая способность дисков;

— высокая рабочая окружная скорость — до 400 м/с.

Ступени компрессора с дисковыми роторами являются высоконапорными и применяются в ГТД с большими степенями повышения давления воздуха. Крутящий момент к каждой ступени передается через вал.

Недостатками ротора дискового типа являются:

— сравнительно небольшая изгибная жесткость;

— невысокая критическая частота вращения;

— высокая удельная масса;

Снижение изгибной жесткости ротора дискового типа в сравнении с ротором барабанного типа приводит к снижению критической частоты. Для повышения критического числа оборотов увеличивают потребное сечение вала ротора, но при этом увеличивается и масса компресcopa. Конструкцией, сочетающей в себе достоинства роторов барабанного и дискового типа, является ротор смешанного типа (см. рис. 12, в). В данном случае отдельные секции, имеющие диски 5 и барабанные секции 7, соединяются между собой. Причем соединение делается на таком радиусе, где окружная скорость невелика и допускается по условиям прочности барабана.

Достоинствами ротора барабанно-дискового типа являются:

— сравнительно большая жесткость;

— высокая критическая частота вращения;

— большая несущая способность дисков;

— высокая рабочая окружная скорость — до 400 м/с.

Корпус компрессора является силовой частью двигателя, к нему крепятся спрямляющие аппараты.

На корпус компрессора при работе двигателя действуют газовые силы и моменты. Схема сил и моментов, действующих на корпус, показана на рис. 13.

На лопатках спрямляющего аппарата возникают осевая Fa и окружная Fu газовые силы. Осевая сила передается лопатками СА на корпус. Эпюра этих сил обозначена цифрой 2. Кроме того, в результате разности давления внутри корпуса и давления окружающей среды возникают радиальные силы Fr, эпюры которых показаны на рис. 13 (позиции 1, 4).

Рисунок 13. Силы и моменты, действующие на корпус компрессора.

Рабочие лопатки предназначены для подвода механической энергии к воздуху в ступени осевого компрессора.

Рабочая лопатка (рис. 14) состоит из профильной части (пера 1 лопатки) и замка лопатки (хвостовика или ножки 2).

Профильная часть подвергается крутке, т. е. в каждом поперечном сечении лопатки профили располагаются под различным углом 6 к осевому направлению воздушного потока. Это обеспечивает безударный вход воздуха по высоте лопатки на расчетном режиме и уменьшает перетекание воздуха вдоль лопаток.

Литература

1. Основы конструкции авиационных двигателей. А.М. Кабаков, А.П. Полторак, П.И. Свистунов, И.А. Третьяченко. Москва, Воениздат, 1967г.

Источник