Конструкция, технические условия и материалы лопаток компрессора. Классификация лопаток

Конструкция, технические условия и материалы лопаток компрессора классификация лопаток

 

Лопатки компрессора являются наиболее массовыми  деталями. На некоторых двигателях их число достигает 1500 шт. и более.

В зависимости  от назначения лопатки компрессора  делятся на рабочие, или лопатки  ротора компрессора (рис. 16.19), и лопатки  статора компрессора. Они изготавливаются  в основном из алюминиевых и титановых сплавов, высоколегированных сталей и жаропрочных сплавов. Длина лопаток на разных двигателях находится в пределах 15...1000 мм. Основную номенклатуру лопаток компрессора составляют лопатки длиной от 60 до 150 мм.

Основными конструктивными элементами, влияющими  на технологию изготовления лопаток, являются габаритные размеры, наличие одной или двух полок, формы хвостовика и пера (закрутка), толщина и значение радиусов скругления кромок и значение радиусов сопряжения пера с полкой.

В соответствии с этой классификацией лопатки делятся  на группы, и для них отраслевые технологические институты разрабатывают типовые технологические процессы, технологическое оборудование и оснастку.

        

 

 

 

 

Рис. 16.19. Лопатки ротора компрессора: а —с хвостовиком типа " ласточкина хвоста"; б — с антивибрационной полкой; в — с шарнирным хвостовиком; г — с кольце- трапециевидным хвостовиком.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 16.20. Основные конструктивные элементы рабочих лопаток компрессора, определяющие точность их изготовления:

а — перо лопатки; б — хвостовик типа ^пласточкина хвоста; в" — кольцевой трапециевидный хвостовик; г — шарнирный хвостовик.

 

Технические условия на изготовление лопаток компрессора

Точность  изготовления основных элементов лопаток  компрессора можно характеризовать следующими данными.

Перо лопаток, (рис. 16.20,a)
Отклонения профиля спинки ДПС и корыта ДПК пера в расчетных сечениях от заданного	0,06...0,40 мм
Отклонение  профиля входной ДПвх»и выходной АПВЬ1Х кромок	0,03...0,2 мм
Отклонение  толщины профиля пера ДСтах - ДПС + ДПК . Допуск на угол закрутки пера в поперечных сечениях А«,Я|Р	±(12'...20')
Отклонение  ширины хорды профиля пера Δb	±(0,2...0,6) мм
Шероховатость пера лопаток	Rа — 0,63...0,08 мкм
Хвостовики лопаток: Типа "ласточкина хвоста" (трапециевидные, рис. 16.20, б).
Размеры посадочных поверхностей	6-й квалитет
Допуск  на угол посадочных поверхностей а3	60...75°±8'
Шероховатость Ra:
рабочих поверхностей замка	1,25 мкм
остальных	1,25...5,0 мкм
Число типоразмеров	примерно 30

 

Кольцевой трапециевидный хвостовик (рис. 16.20, в) — разновидность замка типа "ласточкина хвоста" у рабочих лопаток компрессора. При сборке он устанавливается в кольцевой паз венца диска компрессора. Размеры посадочных поверхностей изготавливаются с точностью 6-го квалитета. Допуск на угол

посадочных поверхностей а₃ = 110 Шероховатость рабочих

поверхностей Ra = 1,25 мкм.

Шарнирный (вилочный) замок (рис. 16.20, г). Отверстие под штифт выполняется по 6-му квалитету. Неперпендикулярность оси этого отверстия относительно базового торца — не более 0,1 мм на длине 100 мм. Шероховатость поверхности отверстия под штифт Ra =1,25 мкм, шероховатость остальных поверхностей замковой части лопатки Ra = 5,0...1,25 мкм. Проушины серебрят, а затем наносят специальное покрытие.

Спрямляющие и сопловые лaпатки с цапфами. Диаметр цапф обычно задают с допуском по 6...9-му квалитету. Непараллельность и неперпендикулярность поверхностей полок и цапф — 0,05...0,1 мм, относительно нижнего замка — не более 0,15 мм. Шероховатость этих поверхностей Ra = 2,50...0,63 мкм.

Дополнительные условия. Допуск на массу рабочей лопатки устанавливают до 2...5 % от массы расчетной лопатки. Для лопаток ротора компрессора устанавливают нижний допустимый предел частот по первой изгибной форме и выборочно испытывают на усталость.

Материалы лопаток компрессора должны обладать хорошими прочностными характеристиками, пластичностью, а также высоким сопротивлением коррозии (электрохимической, солевой, газовой), пылевой эрозии; достаточной жаропрочностью и жаростойкостью, особенно для лопаток последних ступеней компрессора высокого давления, где температура воздуха достигает 700... 800 °С. При этом материал лопаток должен иметь и хорошие технологические свойства: хорошо обрабатываться резанием, давлением, обладать свариваемостью.

Лопатки компрессора изготавливают из коррозионно-стойких  и теплостойких хромистых сталей, алюминиевых, титановых и жаропрочных сплавов и композиционных материалов.

Для лопаток компрессора, работающих при  температуре нагрева до 550 "С, применяют титановые сплавы: ВТЗ-1, ВТ8М, ВТ9, ВТ18У, ВТ22, ВТ25У, ВТЗЗ и др. При температуре нагрева лопаток до 600...650 °С используют коррозионно-стойкие и теплостойкие стали 13Х12Н2В2МФА-Ш, 15Х12Н2ВМФАБ-Ш, 15Х16К5Н2ВМФАБ-Ш.

Лопатки последних ступеней компрессора, работающие при температуре нагрева 650...800 °С, изготавливают из жаропрочных сплавов на никелевой основе: ХН70МВТЮБ, ХН77ТЮ, ХН45МВТЮБР, ВЖ105, ХН77ТЮР и др.

Для лопаток при температуре ниже 250...350 °С могут применяться алюминиевые сплавы типа АК4, АК6, ВД-17, стеклопластики, например, углепластик-стеклопластик, армированный графитовым волокном (турбовентиляторный двигатель RB-211 английской фирмы "Роллс-Ройс"). Фирма "Пратт энд Уитни" (США) в двигателе J79 использовала боропластик. Недостатком стеклопластиков является низкая эрозионная стойкость, плохое сопротивление удару.

При температуре  нагрева лопаток до 400 "С могут  быть использованы металлические композиционные материалы, например, бороа- люминиевая однонаправленная композиция (при температуре 20 °С а_в = 100... 120 Н/мм², Е = 2,3 • 10 МН, у = 2,65 г/см³) и бороалюми- ниевая композиция.

Применение  композиционных материалов для лопаток  компрессора в настоящее время сдерживается.

Технологичность конструкции лопаток компрессора, изготавливаемых из штамповок, определяется их материалом, формой, соотношением конструктивных элементов и значением допусков на размеры и форму лопатки.

Конструктору при проектировании лопаток необходимо учитывать ряд  факторов, влияющих на технологичность  изготовления заготовок методами объемного  деформирования. Так, с увеличением  угла закрутки пера повышаются нежелательные  боковые нагрузки на инструмент в  процессе изготовления, увеличивается  коробление деталей, снижается стойкость  штампов, поэтому угол закрутки не должен превышать 45°. Следует стремиться к  уменьшению соотношений площадей поперечных сечений хвостовика и пера. С увеличением указанного соотношения усложняются и становятся более трудоемкими операции предварительного фасонирования (перераспределения объема исходной заготовки между хвостовиком и пером) под последующую штамповку. Чем больше разница в площадях сечений хвостовика и пера, тем выше перепад температур в хвостовике и пере заготовки лопатки при ее охлаждении после горячей штамповки, что ведет к увеличению коробления. В лопатках с антивибрационной полкой следует стремиться к уменьшению высоты и ширины полки. При горячей штамповке и холодном вальцевании технологичность лопаток, повышается с уменьшением пера и увеличением толщины кромок.

Унификация и нормализация конструктивных элементов лопаток, обоснованное назначение допусков на отклонения при их изготовлении, выбор материалов лопаток с учетом его обрабатываемости способствуют повышению технологичности конструкции лопаток и созданию типовых прогрессивных технологических процессов их изготовления.

Большое влияние на технологичность конструкции  лопаток имеет также правильное оформление чертежей, которое должно соответствовать имеющимся в отрасли ОСТам, в которых обобщен опыт производства лопаток серийных заводов и ОКБ.

Рассмотрим примеры оценки технологичности  конструкции некоторых лопаток. Наиболее технологичные беззамковые лопатки с постоянным профилем и небольшим углом закрутки пера. Точные заготовки для таких лопаток можно получить штамповкой или вальцеванием из прессованных или катаных профилей.

Лопатка компрессора с антивибрационной полкой, трактовая поверхность которой  образована параллельными плоскостями, а не цилиндрической поверхностью, является более технологичной конструкцией, позволяющей использовать высокопроизводительные методы ее обработки.

 

16.7. построение технологического  процесса изготовления лопаток компрессора

 

Заготовки лопаток. Лопатки компрессора изготавливают только из деформируемых теплостойких сталей, алюминиевых, титановых и жаропрочных сплавов. Заготовками для лопаток являются штамповки, полученные горячим деформированием на кривойшпно-шатунных прессах, изотермической штамповкой, высокоскоростной штамповкой, вальцеванием. В последнее время ведутся работы по изготовлению лопаток из профильной полосы ЭХО.

Штамповка заготовок на кривошипно-шатунных прессах была наиболее распространена: припуск по перу 0,8...1,5 мм на сторону, КИМ — 0,15. На смену ей приходят методы получения точных заготовок с  малыми припусками — изотермическая и высокоскоростная штамповка.

Изотермическая штамповка. Температура деформируемой заготовки, штампа и окружающего их пространства поддерживается примерно постоянной на протяжении всего цикла обработки, т.е. процесс деформирования протекает при постоянной температуре в изотермических условиях. Например, изотермическое штампование заготовок из стали осуществляется при температуре нагрева 1100±20 °C.

Изотермическая штамповка используется для изготовления из сталей и титановых  сплавов точных заготовок лопаток  длиной 70... 400 мм с припуском и  без припуска на размерную обработку (до 0,05 мм).

Припуск по перу под шлифование 0,2...0,5 мм на сторону. Шероховатость пера после пескоструйной очистки заготовки Ra = 5... 2,5 мкм.

Заготовку штампуют на специализированных тихоходных гидравлических прессах ПА2634, ПА2638, 2642 и 2646 с усилиями соответственно 2500, 6300, 16000 и 42000 кН, оснащенных специальными установками для изотермического деформирования с индукционным нагревом типа УИДИН и УИС. Заготовка штампуется за 2...3 перехода. Первые два перехода — на гидровинтовых пресс-молотах, последний переход — методом изотермической штамповки.

Исходные заготовки из титановых  сплавов покрывают суспензией стекла для защиты от окисления. Сперва их нагревают в электрической печи до 920...950 °С, а затем их помещают в УИДИН, где поддерживается температура 870...890 "С. Процесс штамповки высокоэффективен: КИМ повысился с 0,07...0,14 до 0,28...0,55; трудоемкость обработки снизилась на 30...40 %; повысилась эксплуатационная надежность лопаток, улучшились условия труда и экологическая обстановка.

Высокоскоростная штамповка. Скорость деформирования этим методом составляет 16...40 м/с. При штамповке на обычном кузнечно-прессовом оборудовании скорость деформирования равна 0,1...6 м/с. Основными технологическими преимуществами высокоскоростной штамповки являются улучшение теплового баланса штамповок, увеличение инерционных сил, способствующих лучшему заполнению металлом гравюры штампа; уменьшение контактного трения и увеличение пластичности металла при больших скоростях деформаций. Все это обеспечивает изготовление штамповок сложной формы без облоя, с тонкими кромками, малыми радиусами (г = 0,5... 2,0 мм) и малыми штамповочными уклонами или совсем без них (1...30"). Припуск по перу 0,2 мм на сторону (крупногабаритные лопатки) и без припуска на механическую обработку (мелкие и средние лопатки). Недостатки этого метода — можно штамповать только однополочные лопатки, повышенный износ штампов.

Штампуют  заготовки из сталей и пластичных титановых сплавов на высокоскоростных молотах (ВСМ) с энергией удара до 5 кН • м за 1...2 удара (с промежуточным  подогревом). Примерные режимы высокоскоростной штамповки на ВСМ с энергией удара 4 кН • м для стали 13Х12Н2В2МФА  — 1150 °С; с припуском под безразмерное полирование; - титановый сплав ВТ9 — 980 "С. Можно получить заготовку  без пропуска на механическую обработку. Шероховатость поверхности заготовки Ra = 5 мкм; КИМ — 0,4...0,5.

Широкое внедрение этого метода в серийное производство сдерживается из-за нехватки специализированного технологического оборудования.

Из приведенного выше материала  о заготовках лопаток компрессора следует, что современный уровень кузнечно-штамповочного производства, новые технологические процессы объемного деформирования (штамповка на гидровинтовых прессах, изотермическая и высокоскоростная штамповка, холодное вальцевание) позволяют получать заготовки лопаток с припусками по перу, исключающие грубые обдирочные и черновые операции механической обработки. Можно изготавливать заготовки с припусками под финишные операции механической обработки (шлифование, полирование) и без припуска; при этом припуски на хвостовике лопаток также существенно уменьшаются. Припуски и допуски для точных заготовок лопаток приведены в табл. 16.1.

Заготовки лопаток, изготавливаемых  без припуска на размерную механическую обработку (холодным вальцеванием, изотермической штамповкой), выполняются с точностью  по перу, регламентируемой чертежом готовой  детали.

Технологические базы. Выбор технологических баз существенно зависит от конструкции лопатки, ее размеров, вида и точности заготовки. Существует много вариантов технологических баз, используемых в практике. Рассмотрим два их них.

 

Точность заготовок компрессорных  лопаток, полученных" прогрессивными способами объемного деформирования

 

Площадь проекции пера на плоскость  пазъёма штампа, см	Припуск по перы на сторону, мм	Допуск на толшину пера, мм	Припуск по хвостожику, мм
До 50	0,3	+0,6 -0.2	До 1,0
50...75	0,3	+0,6 -0.2	До 1,2
75...125	0,4	+0,8 -0.2	До 1,5
125...200	1,0	+1,0 -0.4	До 2,0
200...350	1,5	+1,0 -1,0	До 2,5