Файл: Агрегаты воздухоснабжения комбинированных двигателей внутреннего сгорания..pdf

например высокопрочные чугуны (ВПЧ). Эти чугуны обладают весьма важным преимуществом по сравнению с серыми чугунами — способностью к пластической деформации (относительное удлинение в ВПЧ находится в пределах 3—10%) и более высо­ кими пределами прочности. Недостатком их является несколько худшее заполнение литейных форм, склонность к образованию усадочных раковин и других литейных дефектов. Несмотря на

это основные изготовители

А-А

ТК за рубежом (фирмы Зульцер, Броун-Бовери, за­ воды ГДР и др.) применя­ ют ВПЧ для сложных кор­ пусных отливок ТК-

На рис. 165 показано расположение трещины в корпусе турбокомпрессора типа ТКР-40, отлитого из серого чугуна СЧ 24-44 (тре­ щина по сечению А—А). Че­ рез этот корпус проходили подводящий и отводящий газьп Трещина была обна­ ружена после 1000 ч рабо-

Рис. 165. Напряжения в корпусе турбокомпрессора ТКР-40:

а — корпус; б — график изменения напряжений в корпусе; / — вход газа; II — выход газа; 1 — полость водя­ ного охлаждения; 2 — трещина: 3 — места наклепки тензодатчиков; 4 — внутренние напряжения; 5 — темпера­

турные напряжения

ты. С целью определения причин появления трещины методом электротензометрирования были определены внутренние оста­ точные напряжения, а также напряжения, которые возникали в корпусе при работе вследствие воздействия температур. Из гра­ фика (рис. 166) видно, что величина внутренних напряжений пре­ вышала 58,8 МН/м2 (сжатие), а температурные напряжения пре­ вышали 80 МН/м2 (растяжение). Неудачным было расположе­ ние технологического лючка для очистки водяной полости, кото­ рый снижал податливость боковой стенки, а также принятый режим термообработки (отжиг перед механической обработкой, выгрузка из печи при 300° С). После отказа от технологического лючка, введения повторного отжига после предварительной ме­ ханической обработки напряженность корпуса была значитель­ но уменьшена: внутренние напряжения уменьшены в 2—2,5 ра­ за, а температурные— приблизительно в 3 раза.

233

С целью снижения массы отливок корпусов турбокомпрессо­ ров применяют алюминиевые сплавы типа АЛ4 и АЛ5. Из этих сплавов отлиты корпуса турбокомпрессоров типа ТК-34 (4ТК) (рис. 163), устанавливаемых на тепловозные двигатели типа ДН 23/30 (11Д45, 14Д40), а также корпуса турбокомпрессоров

вают на тепловозных, судовых и стационарных двигателях типов 16ДН 23/30 и 12ДН 23/30, термометрическим исследованиям под­ вергались газоприемная улитка, разъемная проставка и выпуск­ ной корпус. На рис. 167 указаны места установки термопар и изменение температуры в различных точках на стенке канала подвода газов в зависимости от температур газов перед турбиной и охлаждающей воды. Повышение температуры газов перед турбиной вызывает соответственное повышение температуры сте­ нок, омываемых газом. Снижение температуры охлаждающей воды на входе в турбокомпрессор приводит к некоторому сни­ жению нагрева стенок. Стенки же выпускного корпуса этого ТК

234

омываются (так же как и стенки разъемной проставки) уже от­ работавшими в турбине газами, которые имеют более низкую температуру (максимальная 470° С).

В эксплуатации максимальная температура газов перед тур­ биной у турбокомпрессоров указанного типа не превышает 450° С. Вследствие этого нагрев корпусных деталей находится на допустимом уровне. Надежность работы их проверена длитель­ ными испытаниями на заводских стендах, а также в эксплуата­ ции на тепловозных двигателях.

Рис. 167. Распределение температуры на стенках газовой улитки в зависи­ мости от температур газов и охлаждающей воды:

/, 2 и 3 — места установки термопар на улитке; сплошные линии — ^ввх ~ 70я С; штриховые линии — ^ÜBX = 50° С

Экранированием омываемых газом поверхностей можно сни­ зить тепловую напряженность корпусов из алюминиевых спла­ вов, увеличить срок их службы. Это подтверждается проведен­ ными термометрическими исследованиями опытного образца турбокомпрессоров типа ТК-30, корпус турбины которого был изготовлен из алюминиевого сплава АЛ5. В нем помещались не­ охлаждаемые газоподводящие патрубки толщиной 10—12 мм, отлитые из высокопрочного чугуна ВПЧ-НМ, выполнявшие функ­ цию экранов. При температуре тазов перед турбиной 675° С сред­ няя температура газоподводящих патрубков была равна 607° С, а средняя температура охлаждаемого алюминиевого корпуса 97° С (разница температур в различных точках этого корпуса со­ ставляла приблизительно 40° С). Однако экранирующие устрой­

с повышенными температурами газов.

235

В литых деталях необходимо выдерживать равномерную тол­ щину стенок. Ребра, утолщения или утонения стенок могут быть причиной образования трещин. Для обеспечения стабильности литейной формы и удобства очистки литья корпуса должны иметь достаточные по размерам технологические отверстия, ко­ торые закрываются фланцами или резьбовыми пробками. Сле­ дует учитывать, что применяемые в этих случаях пробки с кони­ ческой резьбой при их затягивании могут создавать напряжения, превосходящие предел прочности материала корпуса (эти напря­ жения в одном из корпусов ТКР-40 достигли приблизительно 120 МН/м2). Сварные корпуса изготовляют из листовой стали 20, 2X13, 1Х18Н9Т и др. Их применяют, например, фирмы Браш, Броун — Бовери и др. В сварных конструкциях корпусов целе­ сообразны стыковые швы, обеспечивающие более высокую уста­ лостную прочность.

В корпуса монтируют неподвижные лопаточные аппараты — сопловой аппарат и диффузор. По методу изготовления сопло­ вые аппараты могут быть литыми, сварными и сборными (из отдельных механически обработанных деталей). Иногда литой сопловой аппарат собирают из штампованных лопаток, располо­ женных в определенном порядке и залитых в специальных фор­ мах чугуном, образующим внутреннее и наружное кольца. Более совершенным в технологическом отношении является сопловой аппарат, отлитый со всеми лопатками по выплавляемой модели. Трудоемкость изготовления такого аппарата значительно ниже. В сборных конструкциях сопловые лопатки должны иметь спе­ циальные платики или хвостовики, при помощи которых они соединяются с ободьями. Обработка их более трудоемка. Изве­ стны случаи поломки лопаток сопловых аппаратов по месту их соединения с ободьями вследствие вибрационной нагрузки от потока газов [25]. Крепление соплового аппарата к корпусу долж­ но обеспечивать свободу радиального расширения его внешнего кольца, которое в рабочих условиях нагрето больше, чем сам корпус.

По конструкции диффузоры бывают лопаточные и безлопа­ точные (щелевые). В лопаточном диффузоре углы уширения межлопаточных каналов оказывают существенное влияние на к. п. д. компрессора и его рабочий диапазон. Оптимальные углы уширения легче обеспечить профилированными лопатками (т. е. лопатками переменной толщиной). Диффузор же с тонкими ло­ патками постоянной толщины изготовить технологически проще.

Диффузоры изготовляют обычно из алюминиевых сплавов АЛ4, АЛ5, АЛ9 и др. отливкой с последующей обработкой про­ филя лопаток на копировально-фрезерных станках. В крупносе­ рийном и массовом производстве применяется отливка диффузо­ ров в кокиль. Известны конструкции диффузоров с приклепан­ ными и приклеенными лопатками. Представляется экономически перспективным изготовление их из пластмасс.

236

Р О Т О Р

Ротор турбокомпрессора состоит из вала, опирающегося, как правило, на две опоры, рабочих колес компрессора и газовой турбины. На валу размещаются детали уплотнений, а также подшипниковых узлов. Вследствие вращения и неравномерного нагрева в деталях ротора возникают напряжения, которые во многих случаях приближаются к пределу текучести материалов.

При температуре газа перед соплами до 550° С диски турби­ ны турбокомпрессора обычно изготовляют из сталей типа 2X13,

сплавов при различных температурах при испытании деталей в течение 10 тыс. ч по справочным данным приведена в табл. 5.

5. Длительная прочность жаропрочных сталей

Чтобы обоснованно выбрать материал деталей ротора путем расчета или эксперимента, определяют их рабочие температуры. Результаты термометрического исследования деталей ротора ТК-38 (6ТК) (рис. 168, а) при температуре газа перед турбиной 615° С приведены на рис. 168, б. Температура измерялась с по­ мощью облученных нейтронами алмазных индикаторов, заделан­ ных в тело деталей. Градиент температуры по высоте лопатки составил 1500 К/м, а по диску турбины в радиальном направле­ нии 1700 К/м. Градиент температуры в осевом направлении дис­ ка 500 К/м (одна сторона диска охлаждалась воздухом через систему уплотнений). Температура вала ротора в точках 8, 9 и 10 соответственно равна 158, 130 и 152° С.

Валы роторов выполняют цельноковаными, сварными и со­ ставными. Цельнокованые валы применяют при сравнительно низких температурах газов перед турбиной, когда диск турбины можно изготовлять из низколегированных конструкционных ста­ лей. Такие валы применяют в турбокомпрессорах мощных судо­ вых двухтактных двигателей. Сварные конструкции валов нашли наиболее широкое распространение в современных конструкци­ ях ТКОни обеспечивают достаточную надежность и техноло-

237

гичность. Экономия жаропрочных сталей и сплавов в сварных роторах компенсирует обычно все затраты на их изготовление. Известны указания о том, что сварные роторы стоят дешевле, чем цельнокованые [25]. Разница в стоимости возрастает с рос­ том температуры газов перед турбиной. О высокой надежности сварных роторов свидетельствуют длительная эксплуатация их на ТК различных типов, а также проведенные ЦНИИТМАШем исследования их выносливости [19]. Испытывались сварные об­ разцы полых валов, выполненных из двух дисков (сплавов ЭИ765) и двух полувалов (сталь ЭП395). При оптимальной фор­ ме сварного шва и технологии сварки пределы выносливости

Рис. 168. Распределение температур в роторе ТК.-38 (6ТК):

сварных соединений оказались лишь на 12—24% ниже, чем пре­ дел выносливости основного металла. Большую надежность име­ ет сварное соединение, получаемое при помощи вставки, про­ плавляемой в среде аргона (рис. 169). При испытаниях отдель­ ных образцов такого соединения предел выносливости за ІО7 цик­ лов составил 165 МН/м2, а сварных соединений с подкладным нерасплавляемым кольцом за тот же период циклов был равен 105 МН/м2 (предел выносливости образцов из основного метал­ ла составил 165 МН/м2). Наибольшую несущую способность при испытаниях на выносливость показали роторы с большей подат­ ливостью сопрягаемых элементов, т. е. с уменьшенной жестко­ стью полого вала в районе шва. При большой жесткости в райо­ не шва возникали трещины термического происхождения. Впо­ следствии подобные трещины были выявлены на роторах турбокомпрессоров после их длительной эксплуатации (на дис­ ках из стали ЭИ481).

С целью обеспечения наибольшей прочности сварного соеди­ нения следует:

выполнять форму сварного шва чашеобразной, располагая его во избежание термических трещин на достаточном расстоянии от галтелей;

устранять резкие переходы от одного сечения к другому (в районе сварного шва) ;

238

использовать проплавляемые в среде аргона вставки в стыке свариваемых деталей для повышения предела усталости;

выполнять посадочные поверхности в районе сварного шва, чтобы облегчить сборку деталей ротора под сварку, уменьшить коробление;

применять электроды, которые рекомендуются для сваривае­ мых в данном случае сталей (например, для сварки стали 2X13 с углеродистой сталью 45 можно применять электроды НТУ-3, для сварки сталей ЭИ481 и ЭИ612 — электроды ЦТ-10, НИАТ-5 и др.; для сплава ЭИ765 в лабораторных условиях ЦНИИТМАШ были опробованы электроды ЦТ-28 и ЦТ-31);

подвергнуть ротор после сварки термообработке.

Рис. 169. Разделка кромок под сварку:

а — с непроплавляемым подкладным кольцом из стали 1ХІ8Н9Т; 6 — с расплавляемой вставкой из проволоки ЭИ367

Для сплавов на никелевой основе (например, ЭИ765) реко­ мендуется двойной отпуск. Для валов с дисками из сталей 2X13, ЭИ481 и ЭИ612 в практике обычно применяют низкотемператур­ ный отжиг.

Сварные конструкции роторов применяют в турбокомпрессо­ рах, выпускаемых в нашей стране и за рубежом. В турбоком­ прессорах с ЦСТ валы с рабочими колесами также соединяют путем электросварки, а в некоторых случаях припаивают медью [27] или используют сварку трением.

Составные конструкции валов имеют несколько разновидно­ стей, которые применяются в зависимости от конструктивной компоновки и назначения турбокомпрессора. В турбокомпрессо­ рах для мощных судовых двигателей встречаются конструкции валов, которые скреплены с диском турбины болтами. Подобное соединение выполнено у турбокомпрессоров Нэпир серии S510.

В других конструкциях ТК этой фирмы диски турбин сочлене­ ны с валом по цилиндрической посадке, фиксируются от проворо­ та торцовым зубом, который входит в соответствующий паз ро­ тора, а от осевого смещения — сидящей на валу гайкой. Подоб­ ные конструкции встречаются и у ТК фирмы Браш. Эта же фирма применяет соединение диска турбины с валом на шпильках, ввернутых в торец вала и проходящих сквозь отверстия в диске.

239