Роторы барабанно-дискового типа
Ротор барабанно-дискового (смешанного) типа имеет в своей конструкции, как диски, так и барабанные участки, поэтому такие ротора имеют высокую изгибную жёсткость и высокую прочность.
Ротор смешанного типа состоит из отдельных секций, включающих в себя либо диск с развитым цилиндрическим (коническим) буртом (рис. 3.18, поз.2, 3), либо диск и отдельную кольцевую проставку (рис.3.18, поз. 7), передающую крутящий момент.
Рис. 3.18. Ротор барабанно-дискового типа с креплением секций призонными болтами: 1 – цапфа; 2 – диск; 3 – барабанный участок; 4 и 5 – фланцы; 6 – болт; 7 – проставка; 8 – отгибная контровочная шайба; 9 – упругое кольцо, удерживающие болты от осевого перемещения при надевании диска и проставки на болты
Секции соединяются между собой, и бурты или проставки образуют барабан. Передний и задний диски имеют конические цапфы (рис.3.18, поз. 1) для установки опор и передачи крутящего момента с вала турбины. Для получения высокой жёсткости, надёжной передачи крутящего момента и центровки целесообразно располагать бурты или проставки на возможно большем радиусе. Однако кольцевые бурты дополнительно нагружают диск. Поэтому радиус выполнения буртов определяется из условия равенства радиальных деформаций бурта и диска, для их взаимной разгрузки. Ротор, состоящий из дисков и кольцевых проставок проще в изготовлении, однако имеет дополнительные разъёмы, что снижает его жёсткость и увеличивает массу по сравнению с роторами, состоящими из дисков с буртами.
Для предотвращения вибраций дисков большого диаметра и повышения жесткости барабанно-дисковых роторов с соединением дисков кольцевыми проставками вблизи обода, в полотне диска выполняется центральное отверстие со ступицей (см. рис.3.18).
Надежность роторов барабанно-дискового типа во многом определяется надёжностью соединения входящих в него секций, при выполнении требований:
- надёжной передачи крутящего момента от секции к секции;
- нераскрытии стыковых соединений при всех режимах и условиях эксплуатации;
- сохранение центровки в течение всего эксплуатационного ресурса.
Конструктивное исполнение соединений роторов смешанного типа очень разнообразно, которые можно объединить в два основных класса - разъёмные и неразъёмные (в условиях эксплуатации и эксплуатационного ремонта).
В роторах с неразъёмным соединением секций их соединение обеспечивается при помощи натяга и радиальных штифтов (рис.3.19), либо сварки (рис.3.12,в).
Рис.3.19. Ротор барабанно-дискового типа неразъёмной конструкции с последовательной напрессовкой секций и шрифтовым креплением их: 1 – отгибной замок, устраняющий смещение лопатки влево; 2 – радиальный штифт, устраняющий смещение лопатки вправо; 3 – диск; 4 – барабанная часть диска; 5 - штифт
При соединении секций радиальными штифтами бурт (кольцевая проставка) одного диска запрессовывается в обод другого, при этом охватываемый элемент нагревается до температуры примерно на 500С выше максимально возможной при эксплуатации, что обеспечивает сохранение натяга при любых эксплуатационных режимах. Под давлением запрессовки в сочленяющихся элементах сверлятся и развертываются в пазах для лопаток радиальные отверстия под штифты. В случае установки штифтов в глухие отверстия, для их разгрузки из полости под штифтами удаляется воздух при помощи выполнения штифтов полыми (при диаметре штифтов более 5мм.), либо выполнением на цилиндрической поверхности штифтов фаски (при диаметре менее 5мм.).
В данной конструкции крутящий момент передаётся за счет работы радиальных штифтов на срез и обеспечивается надежная центровка соединяемых деталей при всех режимах эксплуатации. Большой диаметр места соединения элементов ротора позволяет разместить большое число радиальных штифтов малого диаметра, что обеспечивает прочность и жёсткость ротора. Толщина стенок барабанных выступов (кольцевых проставок) и дисков получается небольшой даже при больших диаметрах ротора и масса таких роторов практически не превышает массу роторов барабанного типа, а удельная масса компрессора значительно меньше.
Однако неразъёмное соединение секций роторов смешанного типа имеет и существенные недостатки:
- сложность выполнения дисков с развитыми барабанными буртами;
- неразъёмность конструкции в условиях эксплуатации;
- обязательное наличие продольного разреза в корпусе направляющих аппаратов.
В связи с переходом на проектирования новых двигателей модульной конструкции и их обслуживанию по техническому состоянию, которые предусматривают замену либо всего ротора, либо компрессора в целом то целесообразно применение сварных роторов. Сварная конструкция ротора имеет наименьшую массу и наибольшую жёсткость из всех возможных типов роторов.
Разъёмные ротора отличаются конструктивным исполнением соединений секций между собой и способом передачи крутящего момента от секции к секции. Наиболее часто применяемые конструктивные решения это фланцевое соединение секций и стяжкой призонными болтами (высокоточными болтами, устанавливаемыми в отверстия соединяемых деталей с натягом), либо на торцовых поверхностях барабанных участков соединяемых секций выполняются треугольные шлицы, а секции стягиваются или центральным болтом, либо несколькими нецентральными болтами.
В роторах с фланцевым соединением секций (рис.3.18) центровка секций и их стяжка осуществляется при помощи призонных болтов 6. Конструкция может состоять из отдельных дисков и кольцевых проставок 7 с фланцами, либо диски с барабанными участками 3 имеющими фланец 4 (см. рис.3.18). В одном роторе возможны любые сочетания конструктивного исполнения дисков и барабанных проставок.
Для соединения секций ротора применяются как короткие, так и длинные призонные болты. Короткие призонные болты 6 соединяют две, три соседних секции (рис.3.18), длинные призонные болты 2 стягивают несколько секций одновременно (рис.3.20).
Рис.3.20. Ротор компрессора, в котором диски и проставки соединены с помощью длинных стяжных болтов и распорных втулок: 1 –диск; 2 – болт; 3 – проставка; 4 – распорная втулка
Для повышения жесткости ротора и одновременного, равномерного прижатия по стыкам всех смежных соединяемых деталей длинными призонными болтами, применяются распорные втулки 4 (рис.3.20). Распорные втулки располагаются внутри барабанных проставок напротив отверстий для стяжных болтов. Обычно, сами болты выполняются призонными не по всей длине, а только на участке сопряжения с диском 1, барабанных проставок 3 и распорных втулок 4 (см. рис.3.20).
Это упрощает технологию изготовления болтов и сборки ротора и повышает точность и надёжность центровки. В любом случае призонный участок болта должен гарантированно перекрывать торцовые стыки всех сопрягаемых деталей. Отверстия для призонных болтов сверлят и развёртывают совместно в сопрягаемых элементах, либо выполняют с помощью кондукторов.
Так как головки болтов при последовательной сборке ротора часто располагаются в недоступных полостях то, для предотвращения выпадания болтов при сборке и их прокручивании при затяжке гаек, применяются специальные элементы. Это может быть групповая фиксация болтов упругими разрезными кольцами 9 на рис.3.18, либо индивидуальные контровочные шайбы 4 на рис.3.21.
Рис.3.21. Фиксация призонного болта от смещения в осевом направлении при монтаже диска: 1 – призонный болт; 2 – диск; 3 – проставка; 4 – контровочная шайба (загибается в положении болта на упоре); 5 – головка призонного болта со срезами
Для исключения прокручивания болта на его головке выполняется фаска, обеспечивающая стопорение болта в окружном направлении за счёт упора в цилиндрическую поверхность проставки (рис.3.21). Для получения конструкции ротора малой массы элементы ротора данного типа целесообразно выполнять из стальных или титановых сплавов. Для устранения осевых нагрузок, из-за разности давлений действующих на диски, внутрь ротора, через специальные отверстия в барабанных проставках или трактовых кольцах, подводится воздух, а сами диски выполняются с центральным отверстием, либо с отверстиями в полотне диска.
В роторах смешанного типа с соединением при помощи торцевых шлиц и стяжного болта секции состоят из дисков с двумя барабанными выступами, на торцевых поверхностях которых нарезаны треугольные шлицы (рис.3.22).
Передача крутящего момента и центровка секций осуществляется при помощи этих шлиц. Торцевые шлицы самоцентрируются при увеличении осевых или радиальных нагрузок. Стяжка секций ротора осуществляется либо центральным болтом, либо нецентральными болтами.
Рис.3.22. Схема ротора барабанно-дискового типа секции которого, соединяются с помощью торцевых шлиц: а, в – конструктивная схема; б, г, д – схемы к расчету на прочность; 1,2 – податливые фланцы цапф
При стяжке секций ротора центральным болтом обеспечивается одинаковая по окружности жесткость ротора. При стяжке нецентральными болтами поперечная жесткость переменна по окружности, но масса ротора меньше.
Расположением барабанных проставок и их формой можно добиться, чтобы они образовали тело равного сопротивления изгибу, что увеличит жесткость ротора и уменьшит массу.
Недостаток ротора данного типа это:
- сложность и большая стоимость изготовления дисков с торцевыми шлицами;
- большое усилие затяжки стяжного болта для обеспечения плотности стыка во всем диапазоне режимов эксплуатации;
- небольшая несущая способность, что ограничивает допустимые скорости вращения.