Двухстороннее крепление лопаток
В большинстве конструкций компрессоров из-за конструкции ротора и корпуса и необходимости получения требуемой жёсткости применяется двухстороннее крепление лопаток. Лопатки НА крепятся к внешнему и внутренним кольцам (полукольцам) или, для снижения массы, внешнее кольцо не применяется, а лопатка крепится непосредственно к корпусу.
Двухстороннее крепление может быть жестким к внутреннему и внешнему кольцу рис.3.36, либо жесткое к одному кольцу (обычно внешнему) и свободное в радиальном направлении ко второму.
Рис.3.36. СА рамного типа с приваренными лопатками: 1– лопатка НА; 2- полукольцо наружное; 3 – бобышка полукольца; 4- полукольцо внутреннее; 5- полукольцо лабиринтного уплотнения; 6- покрытие; 7- лопатка рабочая; 8 – кольцо трактовое; 9 – бобышка корпуса; 10 – винт; 11 – корпус;
Жесткое крепление лопаток к кольцам может обеспечиваться сваркой или приклёпыванием (рис.3.36), замками типа «ласточкин хвост», цапфами и болтами, а также их комбинациями (рис.3.37, рис.3.38).
Жёсткое двухстороннее крепление применяется в коротких лопатах работающих при невысоких температурах, где термические напряжения, вызываемые неравномерным нагревом невелики.
аб
Рис.3.37. Спрямляющий аппарат последней ступени компрессора (с силовыми лопатками): а – крепление замком «ласточкин хвост»; б - крепление винтами; 1 – наружное силовое кольцо; 2 – лопатки спрямляющего аппарата; 3 – внутренний корпус; 4 – цапфа; 5,6 - винты
Жёсткое крепление лопаток НА сваркой обычно применяется в компрессорах с корпусом, имеющим продольный разъём. Лопатки крепятся сваркой к внешним и внутренним кольцам (полукольцам), а внешнее кольцо НА устанавливается в половине корпуса компрессора между трактовыми кольцами и крепится при помощи винтов 5 (рис.3.36). Во многих конструкциях компрессоров спрямляющие лопатки последней ступени являются силовыми, обеспечивая радиальную связь от среднего подшипника на корпус рис.3.37., рис.3.38.
В конструкции приведенной на рис.3.38,а жёсткая силовая связь обеспечивается креплением лопатки 2 во внутреннем кольце 3 резьбовой цапфой 4, а в корпусе 1 замком «ласточкин хвост» и штифтами 9 (рис.3.38,а) или полками и винтами 5,6 (рис.3.37,б).
Конструкция жёсткого крепление лопатки 2 в корпусе 1 резьбовой цапфой 4 и фланцевым креплением сегментного хвостовика нижней полки лопатки болтом 10 к внутреннему кольцу 3, приведена на рис. 3.38, б.
Наиболее часто применяется жесткое крепление лопаток к одному кольцу (корпусу) и свободно ко второму. В конструкции рис.3.39 лопатка при помощи сварки жёстко крепится к внешнему полукольцу 2 и свободно с зазором вставляется в прорезь внутреннего полукольца 3, чем обеспечивается свобода температурных деформаций.
Рис. 3.38. Корпус среднего подшипника с передачей усилий силовыми спрямляющими лопатками: а – силовой пояс; б,в – крепление лопаток;1 – внешнее кольцо; 2 – лопатка; 3 – внутреннее кольцо; 4 – резьбовая цапфа; 5 – диафрагма; 6 – опора подшипника; 7 – задняя диафрагма; 8 – стенка диффузора; 9 – штифт; 10 – болт
Рис.3.39. Лопатка направляющего
аппарата с жестким креплением к верхнему полукольцу и свободным к нижнему: 1 – лопатка; 2 – верхнее полукольцо; 3 – нижнее полукольцо; 4 – винт; 5 –корпус
При отсутствии внешнего кольца лопатки крепятся к корпусу при помощи сварки, резьбовых цапф (рис.3. 40,а), полочек (рис. 3.40,б).
а б
Рис. 3.40 Крепление лопаток НА в корпусе: а – с помощью резьбовых цапф; б – с помощью полочек; 1 – лопатка; 2 - верхняя полочка; 3 – корпус; 4 – штифт; 5 – нижняя полочка; 6 – болт; 7 – внутреннее кольцо; 8-цапфа
Применение полочек для крепления в корпусе или внешнем кольце обеспечивает лопатке свободу радиальных перемещений, поэтому во внутреннем кольце лопатка крепится жёстко с помощью болтов, заклёпок или сварки. Для фиксации лопаток от проворачивания под действием крутящего момента применяются штифты 4, запрессованные в корпусе 3, выступы или другие конструктивные элементы.
Конструкция НА, в котором лопатка крепится в корпусе и внутреннем кольце при помощи цапф, приведена на рис.3.41.
Внешняя цапфа резьбовая и крепится в корпусе жёстко при помощи гаек, а от проворачивания лопатка удерживается полкой устанавливаемой в паз корпуса 1. Внутренняя цилиндрическая цапфа установлена в отверстия внутреннего кольца 3. Внутреннее кольцо разъёмное состоит из двух колец с разрезом по центру отверстий. Кольца стягиваются между собой или крепятся к корпусу (в первой ступени НА) при помощи шпилек или болтов.
Направляющие аппараты, устанавливаемые перед первой ступенью компрессора, часто имеют полые лопатки для прохода горячего воздуха на их обогрев.
Рис. 3.41. СА рамного типа с лопатками, закрепленными в корпусе с помощью резьбовых цапф и гаек: 1 – корпус; 2 – лопатка; 3 – разрезной бандаж; 4 – резиновые уплотнительные кольца; 5 – фиксатор бандажа
Конструктивные решения крепления НА к переднему корпусу компрессора приведены на рис.3.42.
Полая лопатка 2 имеет две цилиндрических цапфы, которыми она устанавливается во внутреннем 3 и внешнем 1 кольцах (рис.3.42,а). Внешнее кольцо состоит из двух половин с разъёмом по центру отверстий, которые стягиваются при сборке переднего и среднего корпуса.
Внутренняя цилиндрическая цапфа имеет лыску, на половину диаметра, для фиксации лопатки от проворачивания. Внутреннее кольцо совместно с фиксирующим кольцом и кольцами лабиринтных уплотнений крепится к переднему корпусу шпильками или болтами. Воздух на подогрев лопатки поступает из кольцевой полости между корпусом и внешним кольцом через полую наружную цапфу проходит через полую лопатку и выбрасывается в проточную часть через каналы на профильной части пера лопатки. В конструкции рис.3.42,б лопатка НА также крепится в переднем корпусе при помощи цилиндрических цапф, но её фиксация от проворачивания осуществляется штифтом 6.
Рис.3.42. Направляющие аппараты компрессоров:
а – НА в виде отдельного узла; б – НА с креплением лопаток к переднему корпусу цилиндрическими хвостовиками; 1 – наружное кольцо (из двух половин); 2 – лопатка; 3 – внутреннее кольцо; 4 – отверстие для выхода воздуха, обогревающего лопатку; 5 – втулка верхней цапфы; 6 - штифт
Для обеспечения газодинамической устойчивости двигателя и снижения гидравлических потерь лопатки входного НА и спрямляющие лопатки первых ступеней однороторных двигателей или КВД многороторных двигателей выполняются поворотными (рис.3.43).
Лопатки имеют цилиндрические цапфы с обоих торцов, при помощи которых они устанавливаются в опорах корпуса и внутреннего кольца. В качестве опор применяются подшипники скольжения (рис.3.43,а), или подшипники качения (рис.3.43,б). На цапфы из алюминиевых сплавов напрессовываются стальные втулки. Иногда для снижения силы трения в опорах и исключения заедания лопаток при деформациях корпуса внутренняя цапфа выполняется бочкообразной (рис. 3.43,б).
Внешняя цапфа длинная и при установке выступает за габариты корпуса для крепления рычага поворота лопатки 4 (рис. 3.43.). Крепление рычага может быть штифтовое, при помощи фасонных втулок, цапф и гаек. При любой конструкции должна обеспечиваться жёсткое, однозначное положение рычага и лопатки. Одновременный поворот всех лопаток осуществляется либо при помощи стального поворотного кольца расположенного снаружи корпуса и своими вырезами (вилками)
Рис. 3.43. Поворотные лопатки НА компрессора: 1 – лопатки; 2 – втулка; 3 – шайба с торцовыми шлицами; 4 – рычаг поворота лопатки; 5 – ролик; 6 – кольцо; 7 – подшипники качения
соединенного с рычагами, закреплёнными на верхних цапфах лопаток (рис3.43,6), либо при помощи зубчатого колеса, соединённого с зубчатыми секторами, закрепленными на нижних цапфах лопаток Поворот колец в обоих случаях производится при помощи силовых цилиндров с управлением, в большинстве конструкций, от давления топлива.
При коротких лопатках иногда применяются поворотные лопатки только с верней цапфой с односторонним креплением в корпусе (рис. 3.43,а).
3.6. КОРПУСЫ ОСЕВЫХ КОМПРЕССОРОВ
Корпус компрессора является одним из основных узлов силовой схемы двигателя. Внутри корпуса на подшипниках крепится ротор компрессора, лопатки направляющих и спрямляющих аппаратов. В силовых поясах корпусов могут выполняться каналы для подвода и отвода масла к опорам и для воздуха отбираемого для обогрева входного устройства и снижения осевой силы на роторе (подачи в думиссную полость).
Каналы выполняются либо непосредственно в самом корпусе, либо при помощи трубок размещаемых в полых стойках корпусов. В полых стойках переднего корпуса проходят также валики коробки приводов. На наружной поверхности корпуса устанавливаются коробка агрегатов, узлы крепления двигателя к самолёту, агрегаты, обеспечивающие работу двигателя (насосы подачи топлива, масла, различные регуляторы и суфлёры).
При работе двигателя на корпус действуют нагрузки:
- силы веса и инерции ротора;
- избыточное давление воздуха на внутренней поверхности проточной части;
- осевые силы лопаток НА;
- крутящие моменты, передаваемые лопатками НА;
- осевые силы, крутящие и изгибающие моменты от присоединенных корпусов входного устройства и камеры сгорания.
- центробежная сила и изгибающие моменты при эволюциях самолёта.
Исходя из нагрузок и условий работы компрессора в составе двигателя, к корпусам предъявляются следующие основные требования:
- достаточная прочность и жёсткость при минимальной массе;
- удобство монтажа спрямляющих и НА;
- простота изготовления;
- герметичность;
- удобство контроля при эксплуатации деталей проточной части, подшипников и приводных узлов коробки агрегатов;
- высокая надёжность, локализация возможных разрушений;
- снижение вредного влияния на человека и окружающую среду.
Требование по локализации возможных разрушений особенно актуально для вентиляторных ТРДД с большой степенью двухконтурности. Например, лопатка вентилятора массой 6,8кг, создающая при вращении центробежную силу в 600кН, при обрыве имеет кинетическую энергию легкового автомобиля МV2/2 при скорости 45 км/ч.
Для предотвращения разрушения корпуса компрессора, двигателя и самолёта в целом необходимо нейтрализовать данную силу внутри корпуса. Для локализации разрушений корпуса компрессора над рабочими лопатками вентилятора устанавливаются удерживающие кольца из очень вязкого, ударопоглащающего материала (рис.3.36).
Корпус осевого компрессора однороторного ТРД обычно состоит из трёх частей: переднего корпуса, среднего корпуса и заднего корпуса.