Файл: Агрегаты воздухоснабжения комбинированных двигателей внутреннего сгорания..pdf

В составных конструкциях материал диска турбины можно вы­ бирать независимо от его свариваемости, что является их преи­ муществом. Недостаток таких конструкций заключается в том, что характер соединения диска с валом зависит от условий их нагрева и частоты вращения. Поэтому такие роторы нашли при­ менение в турбокомпрессорах низкой и средней напорности. Со­ ставные роторы с центральным стяжным болтом применяют в конструкциях ТК фирмы Де-Лаваль, а также в некоторых об­ разцах ТК, построенных для наддува тепловозного двигателя 16ЧН 24/27 (впоследствии фирма Де-Лаваль отказалась от кон-

Рис. 170. Конструкция составного ротора турбокомпрессора фирмы Зульцер

струкции ротора со стяжным центральным болтом, заменив это соединение сварным). Соединение такого типа применяет фирма Зульцер в ТК тепловозного двигателя типа 12ЧН 28/36 (рис. 170).

Применяются также роторы, в которых его детали соединены при помощи радиальных штифтов. Так, у турбокомпрессоров Пензенского дизельного завода такими штифтами соединялось рабочее колесо компрессора с валом ротора. Радиальные штиф­ ты применялись для соединения колеса турбины с валом ТКР-14-2 [27]. Впоследствии в этом турбокомпрессоре штифтовое соединение было заменено сварным. У турбокомпрессора ТК-38 (6ТК) радиальными штифтами соединено колесо турбины с ва­ лом ротора. Штифтовое соединение обладает теми же преиму­ ществами, что и соединение со стяжными болтами. Оно конст­ руктивно проще. Следует, однако, отметить, что выносливость штифтового соединения ниже, чем сварного [19].

240

Ротор в целом должен обладать достаточной механической жесткостью. В подавляющем большинстве случаев обеспечивает­ ся запас по критической скорости вращения не менее 1,3. Если вал ротора полый, то его разностенность не должна превышать, по рекомендациям фирмы Броун — Бовери, 1%. В противном случае возникает несимметричное поле температур, которое мо­ жет вызвать прогиб вала и его вибрацию.

У низконапорных турбокомпрессоров колесо компрессора при­ нято соединять с валом шпонкой. Такое соединение применялось в нашей стране, фирмой Броун — Бовери и др. В турбокомпрес­ сорах повышенной напорности нашли применение шлицевые соединения. Эти соединения технологичны и достаточно надеж­ ны. Соединение колес с валом радиальными штифтами оправ­ дано лишь в том случае, если под действием центробежных сил и температурных деформаций по месту посадки может образо­ ваться зазор. Следует предусматривать, чтобы штифтовое соеди­ нение не вызывало концентрации напряжений.

Соединения роторов (посадки колес, втулок и др.) должны быть надежными и стабильными. Если они будут нарушаться во время работы, то возможна разбалансировка ротора. Поэтому следует избегать разборки отбалансированного ротора, так как при повторной сборке балансировка его может быть нарушена. Если по условиям конструкции невозможно избежать съема ко­ леса компрессора после балансировки ротора, то соединение его с валом необходимо выполнять с натягом по посадочной поверх­ ности. Так, у турбокомпрессоров типа ТК-23 (2ТК) посадка ко­ леса со шлицами вала выполняется с натягом 0,005—0,05 мм [25]. Чтобы исключить разборку ротора, у большинства конструк­ ций фирмы Броун — Бовери промежуточную стенку, отделяю­ щую полость турбины от полости компрессора, выполняют с осе­ вым разъемом и демонтируют вместе с ротором. У турбоком­ прессора типа ТК-34 (4ТК) один из опорных подшипников, расположенный в охлаждаемой водой промежуточной проставке, выполнен с осевым разъемом (так же, как и сама промежуточ­ ная проставка).

Перед сборкой ротора рабочие колеса, диски, входной на­ правляющий аппарат и пр. необходимо балансировать статиче­ ски. Собранный ротор балансируется динамически. Для съема дисбаланса на рабочих колесах турбины и компрессора нужно предусмотреть кольцевые выступы, с которых при балансировке удаляют часть металла. Практикой подтверждается, что за до­ пустимую величину можно принимать дисбаланс, который вызы­ вает силу, не превышающую силу реакции от веса ротора на дан­ ной опоре. Например, у турбокомпрессора ТК-34 вес ротора 400 Н, допустимая величина дисбаланса 0,3 МН • м.

Иногда рекомендуют для обеспечения нормальной работы до­ пускать наличие центробежной неуравновешенной силы, которая не превышает 4—5% веса диска (ротора). Динамическая урав­

новешенность ротора ТК нарушается в большей степени во вре­ мя первых часов работы (обкатки). Поэтому после обкатки необходима его повторная балансировка. В процессе последую­ щей эксплуатации величина дисбаланса обычно меняется мало. Так, у турбокомпрессоров типа ТК-34 (4ТК) величина дисбалан­ са после обкатки на некоторых образцах турбокомпрессоров увеличивается в 1,5—2 раза. После работы в течение 3000— 6000 ч увеличение дисбаланса находится примерно в тех же пределах.

ЛОПАТКИ ТУРБИН

Рабочие лопатки турбин являются наиболее напряженными деталями, определяющими во многих случаях надежность и срок службы турбокомпрессоров. Они испытывают напряжения от растяжения и изгиба, вызываемых действием центробежных сил, а также сил, возникающих вследствие изменения направ­ ления движения газа в межлопаточных каналах, переменные на­ пряжения от вибрации со знакопеременной амплитудой. Лопатки также находятся под действием высокой температуры.

Заготовки лопаток турбокомпрессоров получают точным лить­ ем (по выплавляемым моделям) или штамповкой. Лопатки, от­ литые по выплавляемым моделям, почти не нуждаются в меха­ нической обработке, так как для заготовок припуски по перу не превышают 0,2—0,5 мм на сторону. Для турбокомпрессоров со степенью повышения давления л к > 2 и даже выше некоторые предприятия отливают заготовки лопаток без припуска на об­ работку пера. В этом случае лопатки только очищают от литей­ ных пригаров, а их кромки заправляют шлифовкой. Поверхности пера таких лопаток не имеют требуемой для них чистоты, на них возможны снижающие усталостную прочность дефекты. Литые лопатки применяют в нашей стране и за рубежом фирмы Бро­ ун — Бовер, Непир и др. Штампованные заготовки после соот­ ветствующей термической обработки фрезеруют или обрабаты­ вают на копировальных станках. При этом небольшой припуск, примерно 0,1—0,2 мм, оставляют под полировку. Из штампован­ ных заготовок изготовляют лопатки, которые рассчитаны на длительную работу в условиях вибрации при наличии высоких окружных скоростей и температур газов перед турбиной.

Такие лопатки применяют в нашей стране, а также фирмы Браш, МАН и др.

Вместо механической находят применение электроискровая и электрохимическая обработка штампованных заготовок. Преи­ мущества этих способов особенно проявляются при изготовлении лопаток из труднообрабатываемых’ сталей и сплавов. Так как электроискровая обработка нарушает на определенной глубине сплошность металла, что снижает его усталостную прочность, то дается несколько увеличенный припуск (до 0,5 мм), который

242

снимается при отделочных операциях. Электроискровая обработ­ ка позволяет изготовлять целиком рабочие колеса осевых и ра­ диальных турбин, а также вращающиеся спрямляющие аппара­ ты со сложной пространственной формой. Лопатки, изготовлен­ ные с помощью электроискровой обработки, нашли применение в некоторых конструкциях турбокомпрессоров, выпускаемых в Советском Союзе (например, в турбокомпрессоре ТК-23 (2ТК) [25], который рассчитан на лк = 3,5 и температуру газов перед турбиной 700° С и др.).

Профиль лопаток определяет форму межлопаточных каналов рабочего колеса турбины. Он должен тщательно контролиро­ ваться, иначе может быть нарушена форма каналов, а также статическая и вибрационная прочность лопаток. Для лопаток длиной 35—70 мм допуски на размеры профиля обычно не пре­ вышают 0,3 мм. На толщину выходной кромки следует давать еще более жесткий допуск. Это объясняется тем, что в большин­ стве случаев усталостные разрушения лопаток начинаются со стороны тонкой выходной кромки, на которой концентрируются напряжения, и ее чрезмерное утонение недопустимо. Поперечные следы от механической обработки снижают усталостную проч­ ность лопаток, так как они также являются местом концентра­ ции напряжений. Поэтому входные и выходные кромки нагру­ женных лопаток рекомендуется полировать только в продольном направлении. На готовых лопатках вообще не должны допус­ каться риски, раковины, подрезы и другие дефекты, так как они являются очагами появления усталостных трещин. Поверхност­ ные дефекты пера лопаток выявляются люминесцентным спосо­ бом или цветной дефектоскопией. Внутренние дефекты материа­ ла лопаток выявляют с помощью рентгеноскопии.

Материал лопаток должен обладать высокой прочностью, пластичностью, сопротивляемостью ползучести и малой чувстви­ тельностью к надрезам. При умеренных напряжениях и темпе­ ратуре газа перед турбиной до 550° С лопатки турбин изготов­ ляют из сталей ЭИ69, ЭЯ1Т, а при температуре до 550—600° С из стали ЭИ572 и др. Эти стали, обладают удовлетворительными литейными свойствами и применяются для изготовления лопа­ ток точным литьем, хорошо обрабатываются. При температурах газа до 700° С и повышенных напряжениях применяют стали ЭИ481, ЭИ612, ЭИ787. Они более дорогостоящие, труднее обра­ батываются, имеют худшие литейные качества. Сплавы на нике­ левой основе ЭИ765, ЭИ437Б и др. содержат до 80% никеля, дорогостоящие и применяются при температуре газов перед соп­ лами до 700—750° С. Литейные сплавы типа АНВ-300, ЖС6К и др. обладают высокой жаростойкостью, но сравнительно низ­ кими показателями по пределу усталости. Широкого применения для лопаток турбин ТК эти сплавы не получили. Сведения о длительной прочности некоторых из указанных выше сталей и сплавов при работе в различных температурах в течение

10 тыс. ч приведены в табл. 5. Данные о прочности литых ста­ лей. применяемых для изготовления турбинных лопаток, приве­ дены в табл. 6.

6. Длительная прочность литых жаропрочных сталей

Лопатки имеют сложную, как правило, переменную по высоте форму поперечного сечения. При проектировании их обычно сна­ чала профилируют, а затем делают расчет на прочность, кото­ рым определяют действующие напряжения, запасы прочности и сравнивают их с принятыми нормами. Существующие методы расчета позволяют довольно точно определить действующие на­ пряжения в различных сечениях лопаток. Однако часто наблю­ даются разрушения лопаток и их замков, которые по расчету имели достаточный запас прочности по напряжениям от центро­ бежных сил. Анализ таких поломок показывает, что они являют­ ся следствием переменных напряжений, возникающих от резо­ нансных вибраций лопаток, которые вызываются возмущающи­ ми силами, действующими на лопатки при неравномерном по окружности подводе газа, неуравновешенности ротора и т. п. Частота приложения возмущающей силы обычно кратна частоте вращения ротора пТк, т. е. / = пткК, где порядок гармоники К — целое число. Резонанс наступает при совпадении частоты собственных колебаний лопаток с частотой вынужденных коле­ баний (возмущающих сил). Зоны резонансных колебаний лопа­ ток могут быть довольно точно установлены. Для этого в лабо­ раторных условиях определяют частоту собственных колебаний, зная которые строят частотную диаграмму и определяют частоту вращения ротора, при которой наступают резонансные коле­ бания [25].

Хвостовики лопаток, если через них проходит узловая линия колебаний, также подвержены переменным напряжениям. Их разрушения обычно связаны с колебаниями по первой изгибной форме. Так, у одного из турбокомпрессоров фирмы Зульцер при форсировке двигателя по мощности частота вращения ротора увеличилась приблизительно на 10%. В связи с этим стали на­ блюдаться случаи усталостного разрушения елочного хвостовика по первому пазу. Проведенные тензометрические исследования выявили, что в рабочем диапазоне частот вращений ротора имеется несколько резонансных зон колебаний лопаток, начиная с 10-й гармоники и выше (рис. 171). Частота собственных коле­ баний лопаток была равна 2100—2250 Гц, а амплитуда перемен-

244