Эксплуатационные требования, предъявляемые к роторам компрессора. Технологические особенности изготовления роторов компрессоров. Опера

 

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

 

Кафедра 207

 

 

 

 

 

Реферат

по дисциплине

«Технология производства двигателей летательных аппаратов»

 

 

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ  ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К РОТОРАМ  КОМПРЕССОРА. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РОТОРОВ КОМПРЕССОРОВ. ОПЕРАЦИИ ПОВЫШЕННОГО РИСКА ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ РОТОРОВ КОМПРЕССОРОВ. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ РОТОРОВ КОМПРЕССОРОВ. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ И РЕСУРСА РОТОРОВ КОМПРЕССОРОВ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила:

студентка гр. 02-406

Бухтоярова В.И.

Проверил:

Петухов А.Н.

 

 

 

 

 

 

 

Москва, 2013

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

1. Конструкция ротора компрессора

1.1 Роторы компрессоров

1.2 Передняя и задняя цапфы  ротора

2. Эксплуатационные требования к ротору компрессора

3. Типы роторов

2.1 Роторы барабанного  тип

2.2 Роторы дискового типа

2.3 Роторы барабанно – дисковой  конструкции

4. Соединение дисков  компрессора с элементами конструкции  ротора

3.1 Фланцевые соединения  дисков компрессора

3.2 Соединение дисков компрессора радиальными штифтами

3.3 Соединение с помощью торцевых  шлиц и осевой стяжки

3.4 Соединение дисков сваркой

5. Конструкция барабанных  проставок, трактовых и промежуточных  колец 

    ротора  компрессора

6. Нагрузки, действующие на ротор

7. Изготовление валов компрессора

   7.1 Конструкция, технические условия, материалы

         и технологичность валов……………………………………………………...3-6

   7.2 Построение ТП изготовления валов компрессора………………..……….. 6-12

   7.3 Основные операции ТП изготовления валов……………………………. 12-18

   7.4 Повышение ресурса и надежности валов компрессора и турбины…………18                    

   7.5 Технический контроль валов……………………………………......................19

8. Список использованных источников………………………………………..........20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

           Обеспечение  прочности машин и аппаратов  является одной из важнейших  конструкторских задач. На стадии  проектирования производится расчётная  или экспериментальная оценка  возможности развития в несущих  элементах проектируемых конструкций процессов разрушений различных типов: усталостного, хрупкого, квазистатического, разрушения вследствие ползучести материала, коррозии, износа в процессе эксплуатации. При этом должны быть рассмотрены все возможные в условиях эксплуатации конструкции, известные на данный момент механизмы разрушения материала, из которого выполнены её несущие элементы. Для вновь создаваемого класса машин или аппаратов указанные механизмы разрушения выявляются на стадии научно-исследовательского цикла проектирования. С каждым из таких механизмов разрушения связывается определённый критерий прочности — та или иная характеристика физического состояния материала элементов машин и аппаратов, определяемая расчётным или экспериментальным путём. Для каждого из критериев прочности материала конструкции экспериментально устанавливаются его предельные значения. По предельным значениям далее определяются допускаемые значения этих критериев. Последние определяются, как правило, путём деления предельных значений критерия прочности на соответствующий коэффициент запаса прочности. Значения коэффициентов запаса прочности назначаются на основе опыта эксплуатации с учётом степени ответственности проектируемой конструкции, расчётного срока её эксплуатации и возможных последствий её разрушения.

Вибрация – один из часто встречающихся  видов внешнего воздействия, приводящих к усталостному износу и разрушению. При работе авиационных двигателей неизбежно возникают вибрации, достаточно значительные, чтобы вывести конструкцию  из строя. Поэтому в авиационной и космической отраслях промышленности необходимо проводить вибрационные испытания, в том числе, в условиях, приближенных к реальным. Такие испытания проводятся на вибростендах и позволяют определить вибропрочность и вибростойкость двигателя.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. КОНСТРУКЦИЯ  РОТОРА КОМПРЕССОРА

 

1.1 Роторы компрессоров

 

Ротор компрессора - это вращающийся узел с установленными на нем в несколько рядов рабочими лопатками и конструктивными элементами, обеспечивающими его функционирование (рис. 1.1). Ротор предназначен: для восприятия крутящего момента от турбины; для передачи механической энергии рабочему телу через диски и рабочие лопатки; для восприятия и передачи осевых и радиальных сил на опоры.

Частота вращеиия роторов современных осевых компрессоров может достигать более 15 000 об/мин, а окружные скорости на наружном диаметре до 400 м/с.

В конструкции ротора выделяют: барабан или диски, соединенные определенным образом между собой и определяющие силовую схему ротора; переднюю и заднюю цапфы или валы; подшипники опор ротора, расположенные на цапфах ротора или на валу; лабиринтные кольца.

 

 

Рис. 1.1.  Ротор компрессора АИ-20 в сборе: 1 - передняя цапфа; 2 - рабочие лопатки 1-й ступени 

3 - лабиринтные гребешки; 4- задняя цапфа.

 

 

1.2 Передняя и задняя цапфы ротора

 

Цапфа ротора - это опорная часть  вала ротора, на посадочной поверхности которой размещают подшипники. Цапфа на конце вала называется шипом, а в середине шейкой.

Различают переднюю и заднюю цапфы, которые участвуют в восприятии и передаче нагрузок, действующих на ротор.

Основные функции передней цапфы ротора: восприятие и передача нагрузок, действующих на ротор; обеспечение осевой жесткости ротора; фиксация ротора в осевом направлении; фиксация ротора в заданном осевом расположении относительно статора с помощью регулировочного кольца.

Передняя цапфа может быть частью диска или отдельной деталью (рис. 1.2). Для получениия наибольшей осевой жесткости ротора при минимальной массе диафрагму передней цапфы выполняют  конусной с уменьшающейся толщиной от центра к периферии. Угол конусности α выбирают с учетом значений сжимающей силы Рсж = Рос*сosα и изгибной Ризг = Рос*sinα от нагрузок, дейстувющих на диафрагму. Осевая сила Рос, действующая на цапфу, распределяется по образующей конуса и перпендикулярно к ней. Сила Рсж вызывает сжатие диафрагмы, а Ризг - ее изгиб. Если угол α~ 6...8°, то осевая жесткость увеличивается в 2-2,5 раза по сравнению с жесткостью при α = 0.

 

 

 

 

Рис. 1.2. Конструктивная схем: радиально-упорного подшипник нения передней цапфы с рабочим компрессора

 

 

Рис.1.3. Схема установки задней цапфы ротора: 1 - передняя цапфа; 2, 3 - задняя цапфа, закрепленная у предпоследнего и последнего диска соответственно; L1 и L2 - расстояние между опорами в зависимости от характера установки задней цапфы.

 

Место расположения передней цапфы  относительно дисков выбирают таким образом, чтобы обеспечивалось управление расположением плоскости центра масс ротора компрессора относительно передней опоры и, соответственно, расстоянием между опорами.

Если цапфа располагается в  зоне плоскости центра масс ротора компрессора, то такое расположение цапфы считается оптимальным.

Задняя цапф обеспечивает восприятие и передачу нагрузок, действующих на ротор, и соединение роторов компрессора и турбины с помощью вала. Установка задней цапфы осевого компрессора не к последнему диску, а к предпоследнему (рис. 1.3) позволяет уменьшить расстояние между опорами, размеры компрессора и, соответственно, двигателя в осевом направлении.

Если задняя опора двухопорного ротора турбокомпрессора ВД размещается перед ТВД, то задняя часть ротора компрессора преобразуется в заднюю цапфу, которая соединяется с турбиной валом малого диаметра.

Если задняя опора двухопорного ротора турбокомпрессора ВД располагается  за турбиной, то задняя цапфа ротора компрессора непосредственно стыкуется  с соединительным валом большого диаметра, соединяющим ротор компреccopa с турбиной (рис. 1.4). В этой конструкции задняя часть ротора компресс и вал воспринимают Мкр, Мизг и нагружены центробежными силами и полной растягивающей осевой силой от турбины.

 

 

 

 

Рис 1.4. Ротор КВД ТРДДФ РД-33: 1 - передняя цапфа, выполненная заодно с диском третьей ступени, являющаяся развитием ступицы диска; 2 - гребешки лабиринтного уплотнения; 3 - болтовое соединение переднего и заднего барабана с диском; 4 – кольцевые проставки (барабанные участки); 5 – диск заднего лабиринта; 6 – призонная шпилька; 7 – соединительный вал.

 

За счет увеличения диаметра вала достигается обеспечение необходимого значения критической частоты вращения и изгибной жесткости ротора.Однако растягивающие нагрузки от центробежных сил масс оболочки вала достигают значений, при которых требуется введение дополнительных мероприятий по увеличению его прочности. Оребрение оболочки и усиление по фланцам в виде дисков позволяет увеличить его прочность. Ротор такой конструкции является жестким и работает в докритической области. Такая конструкция применена на ТРДД CFM-56-5M.

 

2. ТРЕБОВАНИЯ К РОТОРУ КОМПРЕССОРА

 

Требования к ротору компрессора сводятся к обеспечению:

1. Точности воспроизведения формы  межлопаточных каналов, фронта  и шага решеток профилей конструктивных  углов на входе и выходе  профиля. 

2. Точности положения рабочего  колеса в составе ротора  относительно оси вращения

3. Достаточной изгибной и крутильной  прочности и жесткости

4. Минимальной массы

5. Сохранения расчетных геометрических  параметров межлопаточных каналов  и положения фронта решеток  профилей в процессе эксплуатации.

6. Сохранения заданного положения относительно статора и радиальных зазоров при работе двигателя

7. Сохранения в заданных пределах  значения неуравновешенности в  течение ресурса.

8. Ремонтопригодности

9. Ремонтной и эксплуатационной  технологичности. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. ТИПЫ РОТОРОВ КОМПРЕССОРА

 

3.1 Роторы барабанного типа

 

Ротор барабанного типа представляет собой тонкостенный цилиндр или  коническую оболочку (рис. 3.1) с пазами на внешней поверхности для установки и соединения с рабочими лопатками. К торцам ротора крепятся цапфы, на которых установлены подшипники передней и задней опор. Один из них воспринимает радиальные и осевые нагрузки со стороны ротора, другой воспринимает только радиальные. Несколько рядов лопаток закрепляются на цилиндрическом или коническом барабане, представляющем собой поковку из алюминиевого сплава, или стали, механически обработанную со всех сторон. Две стальные крышки закрывают барабан с торцов и имеют цапфы, которыми ротор опирается на подшипники. Крутящий момент к каждой ступени передается через стенку барабана.

Если проточная часть компрессора формируется по закону D1= const, то барабан выполняют цилиндрическим. Барабанные роторы сохраняют достаточную прочность и жесткость при окружных скоростях вращения барабана не более 180...220 м/с. С барабаном рабочие лопатки соединяются с помощью кольцевого паза.

Достоинства роторов барабанного типа: простота конструкции; низкая удельная масса; высокая изгибная и крутильная жесткость; высокая критическая частота вращения; высокая вибрационная стойкость.

 

 

Рис. 3.1. Ротор компрессора барабанного типа: 1 - передняя цапфа, выполненная заодно с диском 1-ой ступени, являющаяся развитием ступицы диска; 2 – втулки с гребешками лабиринтного уплотнения;

3 - диск 1-й ступени; 4 – фланцевое  соединение диска с барабаном; 5 – барабанные участки ротора;

6 – гребешки лабиринтного уплотнения  на диске последней ступени; 7 – задняя втулка с гребешками  лабиринтного уплотнения; 8 – задняя  цапфа. 

 

Недостатки роторов барабанного  типа: сравнительно невысокая несущая  способность барабана и низкая допустимая рабочая окружная скорость - не более 200 м/с.

Применение ротора с внутренними  кольцевыми ребрами, расположенными в плоскости крепления лопаток, и материалов с большими значениями σ_в/ρ позволяет использовать их и при больших окружных скоростях.

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2 Роторы дискового типа

 

Дисковый ротор представляет собой  совокупность рабочих колес, соединенных между собой и валом определенным образом (рис. 3.2). Ротор дискового типа имеет соединенные с валом специально спрофилированные диски, на периферии которых крепятся рабочие лопатки. Диски обладают большой прочностью и допускают на своем наружном диаметре окружные скорости около 250— 360 м/сек. Поэтому ступени компрессора с дисковыми роторами являются высоконапорными и применяются в ГТД с большими степенями повышения давления воздуха. Вал обеспечивает передачу крутящего момента от турбины к дискам. Каждый диск имеет обод для крепления лопаток и ступицу для соединения с валом. Пакет дисков стягивают с двух сторон гайками. Монтажное усилие стяжки пакета дисков выбирается из условия не "раскрытия" ротора при его нагреве в рабочих условиях, т.е. чтобы не происходило снижение усилия затяжки до нулевого значения.

Между ободами дисков устанавливают  кольцевые проставки (кольца промежуточные, трактовые), которые формируют проточную часть канала, обеспечивают дополнительное демпфирование колебаний дисков и повышают изгибную жесткость ротора. Конструкция промежуточных колец зависит от формы проточной части.

Соединение диска с валом  выполняют посредством прямоугольных или эвольвентных шлицев или шлицев трапециевидного типа и натяга. Шлицы обеспечивают также центрирование дисков на валу.

У дисков со шлицами в отверстии  ступицы в зоне перехода шлица  в паз не всегда обеспечивается достаточная прочность (рис. 3.3). Это связано с тем, что зона перехода шлица в паз является концентратором напряжений, где действуют максимальные растягивающие силы.

 

 

Рис. 3.2. Ротор компрессора дискового типа с соединением дисков с валом с помощью шлицев:

1 – вал со шлицами; 2 – передняя стягивающая гайка; 3 – кольцо для осевой фиксации дисков на валу; 4 – кольцевая проставка (кольцо промежуточное или трактовое); 5 – шлицевое соединение диска с валом; 6 – задняя стягивающая гайка.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис 3.3. Напряженное состояние в пазах шлицев диска в зависимости от их конструктивной схемы: a - диск со шлицами в отверстии ступицы; б - диск со шлицами на выносном элементе ступицы; 1 - шлицы в отверстии ступицы; 2 - ступица; 3 - полотно диска.