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

Равнодействующая осевых сил, возникающих вследствие действия осевых составляющих аэродинамических сил на лопатки ротора и разности давления воздуха на заднюю и переднюю цапфы ротора, направлена вдоль оси ротора по полету и воспринимается средней опорой двигателя. От действия этих сил ободы и задний вал работают на растяжение.

Усилия от разности давления воздуха в проточной части и внутри ротора вызывают разрыв по образующей или сжатие, в зависимости от направления их действия.

От действия указанных выше сил прочность ротора рассматривается с точки зрения обеспечения его целостности в течение назначенного ресурса, а жесткость с точки зрения способности сохранять начальные формы в процессе эксплуатации.

Несущая часть ротора имеет форму тела вращения, длина которого определяется числом ступеней компрессора. Для обеспечения высокой прочности и достаточной изгибной жесткости, при минимальной массе несущей части ротора, ей придают определенные конструктивные формы.

Прочность ротора определяется допускаемыми окружными скоростями на периферии диска и барабанных проставок.

Жесткость ротора определяется его  изгибной EJ п и крутильной GJ_p жесткостями, где момент инерции J и полярный момент J_p зависят от геометрических параметров ротора, от положения барабанной проставки по радиусу ротора и от ее конструкции.

Изгибная жесткость ротора зависит  также и от расстояния между опорами.

Прочность и жесткость ротора выбирается такой, чтобы в процессе эксплуатации нагрузки, действующие на ротор, не вызывали изгибных деформации ротора, приводящих к раскрытию стыков на стороне растяжения, а также обеспечивали ресурс при малоцикловой усталости (рис. 6.1).

Радиальные и осевые нагрузки Р_{п1 r} и Р_{п1 o}, воспринимаемые радиально- упорным подшипником, и радиальная нагрузка, воспринимаемая радиальным подшипником Р_{п2 r}, через подшипники передаются на опоры ротора.

 

7. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ВАЛОВ КОМПРЕССОРА

 

7.1. Конструкция, технические условия, материалы и технологичность валов

 

Конструкция валов. Валы турбины и  компрессора предназначены для передачи крутящего момента и передачи усилий ротора на опоры двигателя. Они являются наиболее ответственными деталями двигателей, работают с большими нагрузками и с высокой частотой вращения. Поэтому к их прочности, точности, сбалансированности и массе предъявляются высокие требования. Обеспечение этих требований приводит к значительному усложнению конструкция валов и технологии их изготовления, относительно высокой трудоемкости. Необходимость уменьшения массы приводит к усложнению формы валов, заставляет делать их пустотелыми и тонкостенными. Внешние поверхности валов компрессоров (рис. 7.1, в, г) представляют собой различные сочетания гладких шеек, шлицев, резьбы, зубчатых колес, фланцев и т.п. Фланцы некоторых валов часто имеют внутренние или торцевые шлицы, отверстия под крепежные болты. Форма осевых отверстий задается в основном из условий равнопрочности детали, поэтому они бывают прямыми, ступенчатыми, сферическими и другой формы. Большинство валов, кроме осевых, имеют и радиальные отверстия для подвода масла из внутренней полости к наружным трущимся поверхностям.

Технические условия на изготовление валов. Тяжелые условия работы валов  определяют высокие требования к  точности их обработки, которые характеризуются следующими величинами:

Точность рабочих шеек — 6..7 квалитет, а нерабочих — 8... 12 квалитет;

Отклонение геометрической формы  рабочих шеек допускается в пределах 0,005... 0,02 мм, а нерабочих — 0,1.. 0,04 мм;

Биение рабочих шеек относительно друг друга допускается в пределах 0,01...0,04 мм;

Взаимное биение рабочих и нерабочих  шеек допускается в пределах 0,05. .0,2 мм;

Точность сопрягаемых отверстий 5...7 квалитет;

Точность осевых отверстий 8...11 квалитет;

Разностенность (см. рис. 18.1) — не более 0,1 мм;

Точность резьбы 6...7 квалитет;

Точность шлицев 6...7 квалитет;

Шероховатость рабочих поверхностей Ra = 1,25...0,16 мк, а остальных Ra = 5... 1,25 мкм.

Некоторые валы статически и динамически  балансируются с высокой точностью (остаточный дисбаланс 20...40 г • см).

 

 

 

Рис. 7.1. Валы:

в — компрессора; г — с цапфой, технологичной при ротационном  выдавливании

 

 

 

 

 

Рабочие поверхности валов часто  цементируют на глубину от 0,7 до 1,2 мм. Твердость цементируемых поверхностей HRC 2 58. В некоторых случаях рабочие поверхности валов азотируют. Глубина азотируемого слоя колеблется в пределах 0,6...0,9 мм, а твердость HRC ~ 65.

Дефекты поверхностного слоя (трещины, надиры, риски и прижоги) на валах турбины и компрессора не допускаются.

Материалы валов. Для изготовления валов компрессора и турбины  применяются высококачественные легированные стали и сплавы. Для двигателей второго и третьего поколений  чаще всего применялись для валов  компрессоров хромоникелевые стали 18ХНВА, и мартенситные теплостойкие нержавеющие стали 13X11Н2В2МФА (ЭИ961Ш), 1Х12Н2МФАБ (ЭП517); для двигателей четвертого и пятого поколений - 1Х15НМФАБК4 (ЭП866); ЭП718; ЭИ698 (валы компрессоров). Материалами для изготовления дисков и барабанов служат алюминиевые сплавы (при t ≤ 200...250°С), титановые сплавы (ВТ25) и легированные стали (30ХГСА, Х17Н2, ЭП742 и др.)

Технологичность валов ГТД определяется в основном длиной вала, сложностью конфигурации наружных и внутренних поверхностей, наличием удобных подходов режущего инструмента при их обработке и видом заготовки.

Высоколегируемые сплавы, из которых  изготавливают валы турбин, обладают низкой обрабатываемостью резанием. Получение заготовок с малыми припусками, как правило, невозможно. Валы турбины более чем вдвое длиннее валов компрессора. Внутренняя полость валов турбины обычно имеет ступенчатый профиль с удобными подходами режущего инструмента для ее обработки.

Основные рекомендации по технологичности конструкции валов ГТД рассматривают с трех точек зрения: получения заготовок, термической и механической обработок.

Заготовки валов ГТД получают горячим  деформированием и ротационным  выдавливанием.

Технологичность валов из штампованных заготовок. Конструкторам следует стремиться к тому, чтобы штампованные и кованые валы не имели сложной геометрической формы и резких переходов от сечения к сечению.

Вал технологичной конструкции  имеет небольшой диаметр фланца по сравнению с диаметром его  стержня. Заготовку такого вала с  фланцем диаметром до 300 мм можно получить высадкой на горизонтально-ковочной машине (ГКМ) из прессованного прутка или бесшовной трубы. Расход металла при штамповке вала этим способом минимальный. Если заготовку этого вала изготовить из прутка, то КИМ = 0,15, а из бесшовной трубы — 0,3. Точность изготовления при высадке выше.

Дальнейшее увеличение КИМ и  согласование волоконной структуры можно было бы достичь, добавляя операцию ротационного выдавливания, обеспечивающего получение высокого КИМ, оптимальных припусков под механическую обработку, желаемую текстуру и разнозернистость сплава.

Исходная заготовка под ротационное  выдавливание в 2...3 раза короче исходной заготовки под механическую обработку  того же вала и имеет меньшую массу.

Пустотелая штамповка механически обрабатывается до размеров заготовки под ротационное выдавливание. После ротационного выдавливания заготовка должна иметь припуски на толщину стенки 0,5...2,0 мм под окончательную механическую обработку вала. Имеющееся в промышленности оборудование для ротационного выдавливания позволяет обрабатывать заготовки с максимальной толщиной стенки на цилиндрических участках до 16... 18 мм, на конических до 10...12 мм. Таким образом, экономически целесообразная максимальная толщина стенок валов с учетом припусков на цилиндрических участках не должна превышать 6...8 мм, на конических 4...5 мм.

Валы, которые можно получить ротационным  выдавливанием, условно делятся  на три конструктивные группы: цилиндрические, конические (см. рис. 1.1, г) и с цилиндрическими и коническими участками. Наиболее технологичными для ротационного выдавливания являются валы первой группы, наименее технологичными — третьей.

Нетехнологичными конструкциями  являются валы: с высокими наружными  и внутренними выступами (их невозможно изготовить ротационным выдавливанием); с закрытой полостью; имеющие ступени разного диаметра и большие толщины стенок; наличием вогнутых и выпуклых поверхностей на коническом участке.

Технологичная конструкция вала не должна иметь выступов. Толщина стенок может быть переменной или постоянной, угол наклона конической поверхности к оси вала не более 30°.

Технологичность термообрабатываемых  валов. Длина валов в современных ГТД достигает 2000 мм и более. С точки зрения проведения технологических процессов термической обработки вал длиной более 1000 мм можно считать нетехнологичным, так как имеющиеся на заводах электропечи для термической обработки таких валов непригодны, требуются специализированные шахтные электропечи с рабочей температурой 1000 °С и большими размерами рабочего пространства.

Валы, получаемые штамповкой, поступают  на термическую обработку в виде заготовки с припусками более 3 мм на сторону на последующую механическую обработку, поэтому нагрев их под  закалку производят в обычных  электропечах без защитных атмосфер.

Валы, получаемые ротационным выдавливанием, проходят двойную термическую обработку, заготовка вала после обдирки поступает на нормализацию и высокий отпуск для подготовки структуры металла под ротационное выдавливание. Эти операции проводятся в электропечах с окислительной атмосферой. После ротационного выдавливания для получения требуемых механических свойств точные заготовки подвергаются закалке с последующим отпуском или старением. Заготовки, полученные ротационным выдавливанием, обычно имеют припуск на сторону 0,8...1,0 мм. В этом случае операцию закалки следует проводить в вакууме или в среде аргона.

Технологичность валов, обрабатываемых резанием. Для качественного и экономичного изготовления валов необходимо в процессе проектирования учитывать следующие требования по технологичности их конструкции: наружные и в особенности внутренние поверхности должны быть по возможности простыми и доступными для обработки, не иметь завышенных требований к точности и шероховатости; для обеспечения соосности внутренних поверхностей конструкция вала должна допускать обработку всех внутренних поверхностей с одной стороны при одной установке детали; длинномерные валы и валы с выточками и карманами следует проектировать сварной конструкции; предусматривать центровые фаски, используемые как технологические базы при обработке наружных поверхностей; не предусматривать на стержне валов отверстий, оси которых не пересекаются с осью вала.

Нетехнологичным из условий механической обработки является вал компрессора со сложной внутренней полостью (см. рис. 1.1, в). Наличие уступов на концах вала затрудняет доступ режущего инструмента для ее обработки. Эти недостатки конструкции не позволяют получить необходимую разностенность и соосность всех внутренних поверхностей.

Нетехнологичным также является вал  с чрезмерно развитым фланцем  сложной геометрии. У такого вала низкий КИМ и большой объем  механической обработки. Для повышения  технологичности вала турбины целесообразно  упростить геометрию фланца и  внутренней полости. Сварной вариант конструкции вала более технологичен.

 

7.2. Построение технологического процесса

изготовления валов компрессора

 

Заготовки валов. Заготовки валов, как правило, получают горячим деформированием (1050... 1200 °С). Заготовки для пустотелых тонкостенных валов цилиндрической и конической формы можно получить ротационным выдавливанием.

Штампуют заготовки под молотом, на прессах или горизонтально- ковочных машинах. Разъем штампа в зависимости  от формы заготовки может быть вдоль или поперек оси вала (рис. 1.2, а, б). Поперечный разъем возможен обычно в тех случаях, когда вал имеет на конце фланец; а остальная часть его гладкая или ступенчатая с постепенным (от фланца) уменьшением диаметров ступеней. При поперечном разъеме можно получить отверстие со стороны большого торца (у разъема), особенно если заготовка куется на ГКМ. Это делают тогда, когда диаметр отверстия достаточно велик. Даже в единичном производстве валов эти методы предпочитают более дешевым (при малой программе) методам отрезки заготовок непосредственно от прутков, свободной ковке в открытых или полуоткрытых штампах из-за высоких требований к прочности материала и направлению волокон. Эти требования следующие: а) волокна, формируемые при получении заготовок, не должны перерезаться при последующей механической обработке; б) коэффициент использования материала должен быть достаточно высок (с учетом программы выпуска и затраты дорогой штамповой стали). Так, заготовку вала турбины низкого давления из стали 1Х12Н2ВМФ можно получить: штамповкой на молоте в закрытом штампе с продольной плоскостью разъема верхнего и нижнего штампов (КИМ = 0,12) (рис. 7.2, а); с поперечной плоскостью разъема (КИМ =0,23) (рис. 7.2, б); прессованием (КИМ = 0,36) (рис. 7.2, б). Масса специальных закрытых штампов для вариантов "а" и "б" примерно одинакова и в десятки раз превышает массу охватываемой ими заготовки. Необходимы два комплекта этих штампов: предварительные и окончательные. При прессовании используются относительно короткие сменные матрицы

Рис. 7.2. Заготовки валов:

и — при продольной плоскости  разъема штампов; б — при поперечной плоскости разъема штампов; в  —при прессовании; г — при изостатическом вакуумном прессовании из гранул

 

 

из штамповой стали, вставляемые в коническое гнездо универсального корпуса из дешевой стали. В нижнем основании окончательных матриц (состоящих из двух полуматриц с разъемом по плоскости вдоль оси вала) имеется отверстие, через которое пуансон выдавливает в открытое пространство длинную часть заготовки вала. Пуансон, выдавливающий этот металл и обеспечивающий заполнение фигуры матрицы, имеет на конце иглу-оправку, формирующую отверстие части вала, истекающей из матрицы. Таким образом можно получить в валах отверстия малого диаметра длиной 2...2,5 м при высоком КИМ с малыми затратами штамповой стали.

При определении контура заготовки  учитываются нормативные припуски, необходимые для удаления поврежденного  поверхностного слоя и дефектов формы (6...10 мм в зависимости от размеров). Затем с учетом положения плоскости разъема штампов, матриц, направления течения металла, особенности удаления отштампованной заготовки назначают штамповочные уклоны, радиусы скругления (см. рис. 7.2, а, б), участки постоянного сечения (см. рис. 7.2), приводящие к избыточному припуску, (напуску). Так, при выпрессовывании вала через отверстие в матрице конусность не нужна, но дан напуск на постоянство сечения. При высадке фланцев на горизонтально- ковочных машинах пуансон отводится от зажатой в полуматрицах заготовки механизмом машины: можно не делать конусность на высаженной поверхности фланца.