Основы проектирования элементов статора двигателя.

Статором называется его неподвижная часть, воспринимающая осевые нагрузки, возникающие в двигателе и не передающие реактивную тягу на корпус самолета. Статор двигателя состоит из: корпус компрессора, корпус КС, корпус турбины, промежуточного корпус, корпус ФК и РС. Корпус компрессора – важнейшая часть статора двигателя, является основным элементом силовой схемы двигателя. Внутри корпуса на подшипниках монтируется ротор двигателя, крепится НА и спрямляющие аппараты, снаружи на корпус устанавливается коробка агрегатов, узлы крепления двигателя к самолету, агрегаты, обеспечивающие работы двигателя, т.е. элементы регулирования автоматики, масляные и топливные насосы и другие узлы.

В стенках корпуса могут быть расположены каналы подвода и отвода к опорам, для подвода воздуха отбираемого для подогрева входного устройства и силы, действующие на корпус компрессора.

На корпус компрессора действуют силы:

1. Силы веса и инерции ротора.

2. Избыточное давление воздуха на внутреннюю поверхность.

3. Осевые силы лопаток НА.

4. Крутящие моменты, передаваемые лопатками НА.

5. Осевые силы и изгибающие моменты, которые передаются на корпус от сопротивляющихся элементов.

Корпус компрессора дожжен удовлетворять следующим требованиям:

1. Достаточную жесткость и прочность при малой массе.

2. удобство монтажа статорных лопаток.

3. Простота конструкции.

4. Герметичность

5. Удобство контроля состояния проточной части подшипника и шестерен.

6. Локализация возможных разрушений.

Последнее требование необходимо для обеспечения высокой надежности двигателя. Для этого необходимо обеспечить непробиваемость корпуса, поэтому конструкция корпуса должна обеспечить нейтрализацию удара, возникающего при обрыве лопатки. Для этого обычного над рабочими лопатками устанавливаются специальные кольца, которые выполнены из очень вязкого ударопоглащающего материала.

Составные части корпуса компрессора в зависимости от типа двигателя могут быть различны, например: если двигатель одноконтурный, то корпус компрессора может состоять из корпуса НА, переднего корпуса и заднего корпуса. передний корпус обычно состоит из наружного и внутреннего кольца, которые соединяются между собой радиальными связями. В качестве радиальных связей могут быть неподвижные лопатки НА или обтекаемые стойки. Радиальные связи воспринимают и передают усилия от передней опоры на корпус двигателя. В переднем корпусе размещаются подшипники передней опоры ротора компрессора, а внутри обтекаемых стоек можно разместить валики привода агрегатов, каналы подвода и отвода масла и теплого воздуха для обогрева воздухозаборника, который соединяется с передним корпусом.

Если в конструкции двигателя отсутствует ВНА, то переднюю опору целесообразно располагать за рабочим колесом первой ступени компрессора. Корпус ВНА вместе с ротором образует проточную часть и представляет собой тонкостенное тело вращения. В зависимости от назначения компрессора, конструктивная схема НА может быть разъемной или неразъемной.

Неразъемный корпус имеет равномерную жесткость, что позволяет обеспечить равномерный радиальный зазор. Такие корпуса более легкие и просты в изготовлении, чем разъемные. Однако сборка самого компрессора очень сложная.

Если корпус компрессора выполнен разъемным, то разъем может быть выполнен продольным или поперечным.

Вид разъема зависит от типа ротора компрессора и его размеров. Корпус компрессора с продольным разъемом позволяет выполнить сборку компрессора с окончательно собранным и сбалансированным ротором. В этом случае половина НА укладывается в первую половину корпуса, затем устанавливается ротор, который закрепляется второй частью корпуса с НА. Затем продольный разъем стягивается болтами. При больших диаметральных размерах компрессора для увеличения равномерной окружной жесткости необходимо выполнить ребра с большими степенями жесткости.

Корпус компрессора с увеличением давления выполняется из различных материалов, например: первую ступень необходимо изготовит из алюминиевых или магниевых сплавов, т.к. давление и температура незначительны, а корпус последней ступени изготовлять из титановых сплавов или жаропрочных сталей, т.к. воздух имеет значительную температуру и значительное давление на последних ступенях. В этом случае для соединения отдельных частей корпуса используется поперечный разъем. Это позволяет установить меньшую величину радиального зазора, чем в корпусе с продольным разъемом.

Корпус с поперечным разъемом, в зависимости от компоновки двигателя, может применяться в различных комбинациях корпусов. В процессе проектирования необходимо учитывать, что разъем облегчает монтаж компрессора, но увеличивает его массу, т.к. в этих случаях необходимо изготовлять дополнительные фланцы. Применение дополнительных фланцев вызывает необходимость фиксации и центровки частей корпуса и обеспечение герметичности соединения. Фиксация производится при помощи фрезонных болтов. При соединении фланцев необходимо обеспечить равномерность затяжки по окружности и необходимо избежать прогибов фланцев при затяжке, а для облегчения разборки рекомендуется применять специальные винты – съемники, которые позволяют легко разъединить стыки деталей корпуса.

Корпусы компрессора можно выполнить литые и сварные. Для получения равнопрочной конструкции стенки могут быть выполнены переменной толщины: 6-10 мм, т.к. давление по проточной части компрессора увеличивается и поэтому толщина стенки так же должна увеличиваться. При выборе толщины стенки необходимо учитывать линейные размеры сопрягаемых элементов. При этом нужно знать, что увеличение стенки при литье требует увеличения времени на охлаждение, а это приводит к ухудшением структуры металла, т.е. снижаются прочностные свойства корпусов. В случае сварных корпусов они изготовляются из листовой стали или титана. При проектировании корпуса необходимо предусмотреть специальные люки или отверстия на корпусе для обеспечения ремонтопригодности и контролепригодности двигателя. Отверстия должны закрепляться специальными пробками. Задний корпус компрессора предназначен для силовой связи между корпусом компрессора и горячей части двигателя.

Задний корпус состоит из наружных и внутренних колец, которые закреплены между собой радиальными связями. В качестве радиальных связей используются профилированные обтекаемые стойки и направляющие лопатки статора. На заднем корпусе компрессора одноконтурного двигателя обычно располагаются узлы крепления двигателя к самолету. Задний корпус является нагретым узлом двигателя и поэтому к нему предъявляются повышенные требования в отношении жесткости и прочности.

 

Особенности проектирования промежуточного корпуса. (ПК)

 

Он обычно располагается между первым и вторым контуром (для разделения потока). ПК используется в двухконтурных двигателях, выполненных по двух и трехвальной схеме. ПК образует воздушные тракты наружного и внутреннего контура и выполняет силовую функцию. Трехвальные двигатели имеют два ПК: основной и дополнительный. Дополнительный находится за вентилятором. Основной ПК в трехвальном двигателе состоит из трех концентрических колец, соединенных между собой стойками обтекаемой формы. Внутри этих стоек размещены трубопроводы для подвода и отвода масла, приводы топливомасляных и пусковых агрегатов. В двухконтурном двигателе ПК является главным силовым элементом, например: в ПК двигателя АЛ-31Ф устанавливается задняя опора ротора КНД, передняя опора ротора КВД и ЦКП. ПК выполняется из титанового сплава. Задняя опора КНД воспринимает осевую нагрузку от ротора КНД. На статоре компрессора крепятся лопатки НА, т.е. НА компрессора представляет собой кольцевой набор неподвижных или поворотных профилированных лопаток. Лопатки образуют расширяющиеся каналы и подвергаются изгибу и кручению со стороны газовых сил, поэтому в них могут возникать значительные переменные напряжения, особенно на первых длинных лопатках начальных ступеней. Лопатка статора очень часто используют в качестве радиальных связей для передачи усилий от корпуса подшипника к корпусу компрессора. Лопатка НА нагружается значительными дополнительными усилиями, поэтому лопатка статора крепится непосредственно к корпусу компрессора или устанавливается в промежуточных кольцах или полукольцах, которые затем устанавливаются в корпус. Крепления лопатки должно обеспечить необходимую жесткость, высокую точность, не изменяющую установку лопатки. По способу крепления разделяют: лопатки с консольным креплением и двухсторонним креплением. При консольном – лопатка крепится жестко к корпусу или промежуточному наружному кольцу одного конца. Для этой цели в начале лопатки имеются полочки прямоугольный формы, которые крепятся к корпусу при помощи винтов, для измерения перетекания воздуха, разделительный зазор между торцами лопатки должен быть минимальным. Известно, что величина радиального зазора выбирается с учетом биения ротора, упругих, изгибающих и температурных деформаций и значений допусков на детали ротора и статора. Двухстороннее крепление лопатки применяется для получения повышенной жесткости статора компрессора. В этом случае лопатки располагаются между внешними и внутренними кольцами. В последнее время с целью уменьшения массы ротора лопатки крепятся к корпусу двухсторонним креплением, различают два вида:

1. С жестким креплением лопаток к обоим кольцам

2. С жестким креплением лопаток к одному кольцу и свободным к другому, при этом допускается свободное радиальное перемещение лопаток.

При любом виде крепления на внутреннюю поверхность нижнего кольца наносится специальное лабиринтное уплотнение, представляющее собой гребешки, нарезанные на поверхности ротора. Это уплотнение уменьшает перетекание воздуха между степенями и способствует увеличению КПД компрессора. В случае жесткого крепления к обоим концам лопатки устанавливаются таким образом, чтобы исключить любое перемещение. Обычно это обеспечивается путем сварки. Подобное крепление используют для лопаток, работающих при невысоких температурах, когда температурная деформация не значительна. Однако, в большинстве случаев целесообразнее применять жесткие крепления к внешнему кольцу или корпусу и свободное перемещение во внутреннем кольце, при этом обеспечивается радиальное перемещение лопатки при температурных деформациях.

 

 

Особенности проектирования лопаток газовой турбины. (ГТ)

Сопловые лопатки, собраннее в решетку в каждой ступени ГТ, образуют сопловой аппарат. Сопловые лопатки в зависимости от рабочей температуры газа выполняются охлаждаемыми или нет. При этом учитывается, что сопловые лопатки могут иметь более высокую температуру нагрева, т.к. в отличии от рабочих лопаток они не нагружены центробежными силами. Сопловой аппарат выполняет две функции?

1. Выполняет разворот потока газа, чтобы газ плавно вошел на лопатки турбины.

2. Происходит расширение газа.

В современных двигателях сопловые лопатки первых ступеней имеют температуру выше 1000 ⁰С, а при существующей неравномерности температурного поля отдельные лопатки могут быть нагреты до температуры 1400 ⁰С и выше. В месте с тем, вследствие разной толщины профилей охлаждаемых и неохлаждаемых лопаток прогрев и охлаждение происходит с различной скоростью. Кроме этого, в зависимости от компоновочных требований внутри лопатки может быть предусмотрено расположение каких-либо конструктивных элементов, например: наличие силовой связи, при помощи болтов и шпилек, магистрали подвода и отвода масла. В этом случае относительные размеры лопаток увеличиваются, и, соответственно уменьшается их число по окружности. Все это сказывается на протекании газодинамических процессов, т.к. изменение расхода воздуха через сопловой аппарат влияет на величину работы, получаемой на турбине. С другой стороны, уменьшение количества лопаток является положительным фактором с точки зрения экономической эффективности, т.к. в этом случае происходит уменьшение затрат на приобретение жаропрочных материалов на изготовление лопаток. В процессе проектирование соплового аппарата необходимо учитывать, что при нагрев соплового аппарата от холодного аппарата до горячего проходная площадь поперечного сечения соплового аппарата увеличивается на 2 – 3% от рассчитанной в холодном состоянии. Поэтому величину проходного сечения соплового аппарата необходимо обеспечить в пределах допустимых, путем подбора рабочих лопаток. Сопловая лопатка обычно выполняется с полками, которые образуют проточную часть и используются для крепления.

При проектировании сопловых лопаток надо учитывать следующие требования:

1. Обеспечение необходимой точности установки лопатки в корпусе и стабильность их положения под нагрузкой при многократных изменениях теплового режима и наличие вибраций при работе двигателя.

2. Обеспечить простоту подвода охлаждающего воздуха на охлаждаемую лопатку и для уменьшения нагрева наружного соплового корпуса, при обеспечении герметизации стыков и сведения к минимуму величину утечек

3. Исключение местного и общего перегрева.

4. Обеспечение технологичности изготовления лопатки при установки корпусных деталях.

5. Обеспечение возможности замены лопаток при подборе выходного сечения и дефектных лопаток в процессе эксплуатации и ремонта.

6. При проектирование лопаток необходимо поддерживать принцип экономичной целесообразности.

При охлаждении лопатки первой ступени подвод охлаждаемого воздуха выполняется как со стороны наружного силового корпуса, так и со стороны внутреннего. При этом подвод воздуха может быть отделен и поддаваться в переднюю и заднюю область с различными значениями давления и температур. Статор ГТ двигателя АЛ-31Ф состоит из сопловых аппаратов ТНД и ТВД. Сопловые лопатки статора ТВД пустотелые и охлаждаемые. Наружные и внутренние полки образуют с другими полками соседних лопаток проточную часть. Внутренняя полость сопловых лопаток разделяется перегородкой. А на передней кромке лопатки имеются перфорации, которые обеспечивают пленочное охлаждение наружной поверхности. В задней и передней полости размещены дефлекторы, имеющие отверстия для охлаждаемого воздуха. Сопловой аппарат ТНД так же состоит из охлаждаемых пустотелых лопаток. Проточная часть соплового аппарата ТНД образуется при помощи наружных и внутренних полок и профиля лопаток. Во внутренней полости пера лопатки расположены перфорированные дефлекторы и на внешней полости лопатки имеются поперечные ребра, для организации течения воздуха, с целью повышения эффективности охлаждения.