Соединение лопаток с дисками

Соединение заключается в установке хвостовика лопатки в соответствующем продольном или окружном пазу диска или наружной поверхности барабана.

Крепление лопатки должно обеспечивать следующие основные требования:

- возможность размещения, оптимального из условия газодинамического расчёта, необходимого количества лопаток на ободе диска;

- достаточная прочность, при минимальной массе обода диска;

- точность установки и её сохранения на всех режимах и всего эксплуатационного ресурса;

- одинаковая жесткость крепления всех лопаток ступени, для исключения разброса собственных частот колебаний;

- технологичность изготовления и низкая стоимость;

- простота установки и замены при эксплуатации;

В компрессорах широко применяется крепление рабочих лопаток трапециевидными замками типа «ласточкин хвост» (рис3.28,а), как наиболее простое и полностью обеспечивающее перечисленные выше требования.

Профиль хвостовика лопатки и паза в диске в плоскости перпендикулярной оси вала имеет трапециевидную форму с углом при вершине 2a =30…40.

Рис. 3.30. Крепление лопаток компрессоров в продольных пазах:

а – замок типа «ласточкин хвост»; б – демпфирующий замок

Пазы в диске выполняются протяжкой, а хвостовики лопаток – фрезерованием. Лопатка устанавливается в паз либо с небольшим натягом до 0,015мм, либо с зазором 0,01…0,04мм. Посадка с натягом применяется, когда необходимо увеличить частоту собственных колебаний лопатки, но при этом в ободе диска возникают напряжения, которые необходимо учитывать при проведении прочностных расчётов. При работе двигателя эти напряжения возрастают и могут быть причиной разрушения диска. Для устранения надиров на контактных поверхностях замка и упрощения монтажа и демонтажа лопаток на хвостовик наносится слой меди или серебра, служащий смазкой при запрессовке. Наиболее часто применяется свободная посадка, которая обеспечивает простоту установки и замены лопатки, не нагружает обод диска и улучшает демпфирование колебаний лопаток. Демпфирующие свойства проявляются за счёт сил трения при перемещении лопатки в замковой части при колебаниях до частот вращения (0.5…07)n_мах. Выше этой частоты крепление становится жёстким. При большой длине лопаток может применяться замок типа «ласточкин хвост», но со скруглёнными рабочими поверхностями (рис.3.28,б). Лопатки устанавливаются в паз диска с большими зазорами, допускающими качание на концах лопаток до 5…8мм. Это позволяет лопаткам самоустанавливаться и обеспечивает демпфирование изгибных колебаний.

Замковое соединение типа «ласточкин хвост» не обеспечивает фиксацию лопатки от осевых нагрузок. В компрессорах широко применяется осевая фиксация лопаток как групповая, так и индивидуальная. Групповая фиксация лопаток обеспечивается одним конструктивным элементов для всех лопаток ступени.

Это может быть выполнено упругим с разрезом кольцом 1, устанавливаемым в кольцевой паз 6 в хвостовике лопатки 2 и диске 4 (см. рис.3.29).

Рис.3.29. Фиксация рабочих лопаток о смещения в осевом направлении при помощи общего пружинящего разрезного кольца: 1 – кольцо контровочное; 2 – лопатка; 3 – стопор; 4 – диск; 5 –отверстие; 6–паз в хвостовике лопатки

Для крепления кольца от смещения в окружном направлении в месте разреза кольца устанавливается специальный штифт 3 с развальцовкой. Для снятия кольца при демонтаже в диске, в плоскости кольцевого паза, выполняются отверстия 5.

На рис.3.30 приведено конструктивное решение группового крепления лопаток.

Рис.3.30. Фиксация лопатки общими сплошным и разрезным кольцами: 1 – диск; 2 – сплошное кольцо; 3 – штифт, контрящий кольцо 2 (развальцовывается на диск); 4 – разрезное кольцо

Лопатки крепятся в продольных пазах при помощи разрезного кольца 4 и сплошного кольца 2. Сплошное кольцо 2 контрится в диске штифтами 3 с развальцовкой.

Применение групповой фиксации лопаток ступени упрощает технологию изготовления и сборки, обеспечивает однозначность установки всех лопаток, что повышает стабильность балансировки.

Конструктивных способов исполнения индивидуального крепления каждой лопатки может быть очень много (рис.3.31).

Рис.3. 31. Фиксация рабочих лопаток от смещения в осевом направлении: а.б.в.г.д.- отгибными пластинами; е – радиальными штифтами; ж – осевыми винтами; 1 – диск; 2 – отгибная пластина; 3 -лопатка; 4 штифт радиальный; 5 – винт

Это различные отгибные пластины 2 (рис.3.31), радиальные штифты 4, либо осевые винты 5. Пластины могут выполняться фасонными (рис.3.31,а,б) и для её фиксации в ободе диска или хвостовике делается соответствующее углубление, а края пластины отгибаются на лопатку или диск. Пластина может быть и ровной, но с разрезами либо уширением по краям (рис.3.31,г,д). Фиксация лопатки осуществляется путем отгиба края пластины на лопатку и диск.

На рис.3.32 приведён пример конструктивного исполнения крепления лопатки при помощи радиального штифта 4, устанавливаемого в диск 1 и лопатку 5.

Рис.3.32.Фиксация лопаток от смещения в осевом направлении радиальными штифтами: а – контровка штифтов кольцом; б – контровка штифтов втулкой; 1 – диск; 2 –болт, удерживающий кольцо и одновременно балансировочный грузик,; 3 – кольцо, предохраняющее штифт от выпадания; 4 – радиальный штифт, фиксирующий лопатку; 5 – рабочая лопатка; 6 – втулка, контрящая штифт

Для простоты замены лопаток и повышения сохранности диска при ремонте в радиальное отверстие диска устанавливается втулка 6. После установки радиальных штифтов 4 край втулки 6 завальцовывается для предотвращения выпадания штифтов. Одновременная контровка всех радиальных штифтов может осуществляться кольцом 3, закреплённым с диском 1 болтом 2, одновременно служащим балансировочным грузиком (рис.3.32,а).

Осевая фиксация всех лопаток ступени одновременно может быть выполнена фланцами кольцевых проставок 4 и 5 ротора (рис.3.18).

Конструктивное исполнение комбинированного, осевого крепления лопаток радиальным штифтом и отгибной пластиной приведёно на рис. 3.31, е. При использовании для фиксации лопатки осевых винтов или штифтов 5 (рис.3.31,ж) отверстия под них, в хвостовике лопатки и диске выполняются одновременно, после установки хвостовика лопатки в диск.

Для крепления лопаток с большим удлинением применяется шарнирный (вильчатый) замок (рис. 3.33,в). Лопатка устанавливается в кольцевой паз обода, имеющий вильчатый профиль. Хвостовик лопатки имеет одну или несколько проушин и полку. Хвостовик 1 устанавливается в паз диска 5 свободно и фиксируется втулкой 6 и заклёпкой 9, развальцованной на втулку 8.

Рис.3.33 Крепление лопаток компрессора в кольцевых пазах: а – зубчатый замок; б – трапециевидный замок; в – вильчатый замок; г – крепление между двумя тонкими дисками; д – крепление в месте разъема ротора; 1 – лопатка; 2 – сухарь; 3 – клин; 4 – промежуточная проставка; 5 – обод диска; 6 –ось лопатки; 7 – ось проставки; 8 – втулка; 9 - заклепка

Наличие зазоров позволяет лопатке поворачиваться под действием изгибающих моментов от газовых и центробежных сил относительно втулки, установленной в диске с натягом. При этом лопатка самоустанавливается и в ней практически отсутствуют напряжения изгиба. При шарнирном соединении устраняются резонансные колебания лопатки по низшим формам и вследствие трения проскальзывания в шарнире и аэродинамического демпфирования в два-три раза снижаются вибрационные напряжения по сравнению с креплением лопатки замком типа «ласточкин хвост». Для устранения износа и схватывания контактные поверхности хвостовика и обода покрываются твердой смазкой на основе двусернистого молибдена. Для ограничения качания лопаток и образования внутренней поверхности проточной части компрессора, между лопатками могут быть установлены качающиеся проставки 4, также закреплённые шарнирно на ободе диска при помощи штифтов 7 развальцованных с одного торца. К числу недостатков вильчатого соединения можно отнести большие напряжения смятия и среза во втулках и штифтах при работе, а также значительная масса соединения.

Монтаж и крепление рабочих лопаток с хвостовиком трапециевидной формы в кольцевой паз осуществляется последовательной установкой каждой лопатки в кольцевой паз через прорезь, по размеру основания замка хвостовика, последней устанавливается промежуточная проставка 4, которая расклинивается в трапециевидной прорези клином 3 (рис.3.33,б). Применяется также метод крепления лопаток в кольцевом пазу путем последовательной установкой через прорезь всех лопаток и затем сдвижкой всего кольцевого набора на половину ширины хвостовика и фиксация его в окружном направлении относительно диска пластинчатыми замками. При угле установки лопатки >90⁰ (рис.3.33,а) лопатки вставляются в кольцевой паз и разворачиваются, последние лопатки имеют уменьшенную ширину хвостовика. Последним устанавливается сухарь 2, который расклинивается клином 3. Существенный недостаток крепления лопаток в кольцевых пазах необходимость снятия многих лопаток при замене одной.

3.5. НАПРАВЛЯЮЩИЕ И СПРЯМЛЯЮЩИЕ АППАРАТЫ

Направляющие и спрямляющие аппараты устанавливаются либо перед рабочим колесом, либо за ним и представляют собой кольцевой набор неподвижных лопаток в корпусе (статоре) с образованием расширяющихся каналов.

Под определением направляющий аппарат в дальнейшем будем понимать аппараты, устанавливаемые перед первой ступенью компрессора и предназначенные для снижения относительной скорости потока на входе в рабочее колесо, что повышает напорность дозвуковой ступени.

Спрямляющие аппараты размещаются за рабочим колесом и их основное назначение преобразовать кинетическую энергию потока после рабочего колеса в потенциальную энергию давления с наименьшими потерями и развернуть поток для входа на следующую ступень или камеру сгорания под требуемым углом. Практически направляющий аппарат является частным случаем спрямляющего аппарата, а их конструктивное исполнение одинаково. В дальнейшем при рассмотрении их конструкций будем пользовать одним термином для направляющих и спрямляющих аппаратов - направляющие аппараты (НА).

При работе компрессора на лопатки НА действует поток воздуха, вызывая в них напряжения кручения и изгиба, как статические, так и вибрационные. Направляющие аппараты последних ступеней часто применяются в качестве радиальных силовых связей от корпуса подшипника к корпусу компрессора, что приводит к их дополнительному нагружению. Требования, предъявляемые к лопаткам направляющих аппаратов, практически, идентичны требованиям к рабочим лопаткам.

Лопатки НА крепятся либо непосредственно к корпусу компрессора, либо в промежуточном кольце или полукольцах, которые затем размешаются в корпусе. Конструктивное решение крепления лопаток определяется требованием обеспечения необходимой жёсткости, точности установки, идентичности и неизменности при замене, а также удобство и технологичность технического обслуживания. По способу крепления различают НА с односторонним (консольным) креплением лопаток (рис.3.34,а), двухстороннее крепление лопаток в двух кольцах (рамное крепление), которое может быть в сплошных кольцах (рис.3.34,б), либо разрезных (рис.3,34, в).

Рис.3.34. Схемы спрямляющих аппаратов: а – с консольными лопатками; б – рамного типа (неразрезной); в – рамного типа (разрезной)