Файл: Агрегаты воздухоснабжения комбинированных двигателей внутреннего сгорания..pdf

плитуду напряжений на поверхности пера лопатки. До форси­ рования же двигателя наиболее опасная 10-я гармоника была за пределом рабочей частоты вращения ротора, и поломок ло­ паток не было. Причиной резонансных колебаний лопаток была, как показали исследования, неравномерность потока по окруж­ ности вследствие подвода газа по четырем впускным патрубкам. После того как лопатки были прошиты бандажной проволокой, их резонансные колебания были устранены.

Рис. 171. Зависимость напряжений в замке лопатки тур­ бокомпрессора фирмы Зульцер от порядка гармоники колебаний К

В каждой новой модели турбокомпрессора необходимо тензометрированием устанавливать уровень переменных на­ пряжений, возникающих от вибрации, и достаточность запаса усталостной прочности лопаток для заданного срока службы. Тензометрирование необходимо также и в том случае, когда меняются профиль лопаток, газоподводящие и газоотводящие патрубки. На основе результатов тензометрирования опреде­ ляют расположение резонансных зон, возбуждающие гармони­ ки и их источники, уточняют формы колебаний лопаток в рабо­ чих условиях. Полученные значения переменных напряжений от вибрации служат критерием для оценки надежности лопаток. Запас усталостной прочности профильной части лопатки опре­ деляется по известной формуле

max

где. оа — амплитуда допустимых переменных напряжений асим­ метричного цикла; щт ах— амплитуда максимальных перемен­ ных напряжений от вибрации, замеренная при тензометрировании в рабочих условиях.

2 4 5

Допустимую амплитуду переменных напряжений оа необ­ ходимо определять с учетом влияния постоянных напряжений растяжения, действующих на лопатку, а также учитывать и влияние профиля, так как вследствие сложной формы, нерав­ номерности напряженного состояния, концентраторов напря­ жений и чувствительности к ним материала прочностные свой­ ства лопаток отличаются от свойств образцов. Установлено, что разрушения лопаток, нагруженных одновременно статическими и переменными нагрузками, наступают при меньших напря­ жениях по сравнению с гладкими образцами. Для определения допустимой величины амплитуды переменных напряжений используют результаты экспериментальных исследований [25]. Опыт показывает, что для надежной работы лопаток запас дол­ жен быть Кѵ ^ 3,0. Несколько меньшие запасы прочности могут быть допущены только для кратковременных режимов работы лопаток.

Если тензометрированием установлено, что переменные напряжения в лопатках имеют недопустимые значения и коэф­ фициент запаса по усталостной прочности недостаточен, то разрабатывают мероприятия по их уменьшению. Снизить пере­ менные напряжения от вибрации можно:

1. Уменьшением неравномерности потока газа перед рабо­ чими лопатками. Это в первую очередь достигается тщательным профилированием и отработкой газоподводящих патрубков. Известно, что улиточные подводы обеспечивают более равно­ мерный подвод газа к турбине, чем «встречные» патрубки. Не­ которого выравнивания потока можно достигнуть увеличением зазора между рабочими и сопловыми лопатками. Проведенные фирмой ККК исследования показывают, что увеличение объема газоподводящих патрубков снижает величину резонансных напряжений от вибрации лопаток (увеличение объема на 50% снизило, по данным фирмы, напряжения в лопатках ЦСТ на 30%).

2. Применением бандажей на лопатках (аналогично тому, как это делается в газотурбинных двигателях и паровых турби­ нах). Однако из-за технологических трудностей и высоких окружных скоростей этот способ уменьшения напряжений в ло­ патках турбокомпрессоров для наддува дизелей не получил еще распространения. Бандажированные лопатки применялись в опытных конструкциях типа ТК-30, ТК-34 и др.

3. Демпфированием лопаток, т. е. путем искусственного увеличения сил трения, снижающих амплитуду колебаний. Наибольшее распространение в практике нашло демпфирование с помощью бандажной проволоки. Этот способ применяется в турбокомпрессорах как отечественными заводами, так и зару­ бежными (фирмы Броун-Бовери, Браш, Зульцер и др.). Следует отметить, что наличие бандажной проволоки снижает к. п. д. турбины на 2—4%.

246

4. Увеличением момента сопротивления корневых сечений лопатки.

Наряду с уменьшением напряжений изгиба от вибрации при этом одновременно увеличивается и частота собственных коле­ баний лопатки, т. е. меняется ее вибрационная характеристика. Резонансная зона смещается в область более высоких частот вращения и может быть выведена за рабочий диапазон [25].

Усталостную прочность лопатки можно повысить некоторым улучшением ее формы, ликвидацией острых кромок, улучшени­ ем отделочных операций и т. п. Этого же можно достигнуть, если применить материал с более высоким пределом усталости или соответствующую технологию изготовления (например, штамповку лопаток вместо их отливки).

3)

Рис. 172. Основные типы замочного соединения турбинных лопаток:

а — цилиндрическое; б — Т-образное; в — вильчатое; г — елочное; д — сварное

Соединение рабочих лопаток с диском может быть разъем­ ным или неразъемным. Разъемное соединение осуществляется с помощью замков различной конструкции. В турбокомпрессо­ рах для наддува дизелей применяют следующие основные типы замков (рис. 172):

1. Замок типа Лаваля — цилиндрический. Для изготовления его требуется несложное технологическое оборудование. Так как шаг обычно небольшой, то лопатки с таким замком выпол­ няют попеременно то с длинной, то с короткой ножкой. Недо­ статком соединения этого типа является возникновение при несовпадении центра тяжести лопатки с осью ее ножки больших напряжений изгиба, что может привести даже к разрушению ножки. Цилиндрические замки применяют в турбокомпрессорах низкой и средней напорности (например, ТК-34 (9В), БроунБовери и др.).

2.Замки Т-образные. Такие замки могут воспринимать срав­ нительно небольшую нагрузку и применяются в низконапорных турбокомпрессорах для мощных судовых дизелей.

3.Замки вильчатые (крепятся шпильками). Изготовляются универсальными инструментами. Имеют высокую прочность и жесткость. Применяются также в турбокомпрессорах мощных судовых дизелей.

247

4. Замки елочного типа. Такие замки изготовляются специ­ альными фрезами и протяжками. Для устранения температур­ ных напряжений в «елочном» соединении необходимо преду­ сматривать зазор между телом лопатки и пазом диска. Этот зазор может быть использован также для организации охлажде­ ния лопаток и колеса турбины продувкой воздуха. «Елочный» замок получил широкое распространение. Он применяется в турбокомпрессорах средней и высокой напорности.

Лопатки также могут привариваться к колесу или отливаться с ним как одно целое.

Соединение лопаток с колесом при помощи сварки техно­ логично, поэтому при производстве можно применять автомати­ ческие сварочные аппараты. Оно применяется в турбокомпрес­ сорах с умеренной напорностью (як <2,5), в которых возмож­ но использование материалов с удовлетворительной сваривае­ мостью. Сварное соединение лопаток применяется как основное в ряде конструкций ТК в нашей стране, а также в некоторых конструкциях фирмы Броун-Бовери. Сварное соединение затруд­ няет ремонт роторов, лопатки которых по тем или иным при­ чинам получили повреждения.

Отливка лопаток как одно целое с диском обеспечивает высокую производительность при изготовлении. Однако кон­ троль качества профиля лопаток в этом случае затруднителен.

Как отмечалось выше, хвостовая часть лопаток, кроме напряжений растяжения и изгиба, вызываемых центробежными силами, может испытывать большие переменные напряжения, вызываемые вибрацией, на что указывает обычно усталостный характер ее разрушения. На надежность хвостовой части лопат­ ки значительное влияние оказывают неравномерность распре­ деления напряжений, радиусы скруглений и переходы, которые

тивления опасного сечения замка и пера лопатки. Например, для обеспечения примерной равнопрочное™ профильной части ло­ патки и «елочного» замка при действии вибрационных нагрузок рекомендуется следующее соотношение между моментом сопро­ тивления замка W3 и пера Wn лопатки [7]: W3 І2 > 2,5 Wu.

РАБОЧИЕ КОЛЕСА ЦЕНТРОБЕЖНЫХ КОМПРЕССОРОВ И РАДИАЛЬНЫХ ЦЕНТРОСТРЕМИТЕЛЬНЫХ ТУРБИН

Колеса центробежных компрессоров выполняют составными или цельными. В составном колесе отдельно выполняют диск колеса с радиальными лопатками и осевую часть колеса — вра­ щающийся направляющий аппарат. Чтобы уменьшить возмож­ ность вибрационного разрушения, стык между лопатками коле­ са и ВНА по внешнему их диаметру делается плотным, с

248

натягом 0,05—0,2 мм. Радиальная часть колеса изготовляется обычно фрезерованием, а осевая — или фрезерованием по копи­ рам, или литьем по выплавляемой модели. Так как фрезерова­ ние вращающегося направляющего аппарата трудоемко, такой способ целесообразно применять только для высоконапорных компрессоров. При изготовлении единичных образцов вращаю­ щегося направляющего аппарата профиль лопаток может быть получен на координатном станке с последующей слесарной доводкой. Для изготовления радиальной части составных колес, а также ВНА используют алюминиевые сплавы Д 1, АК4, АК6 и др. При литье по выплавляемым моделям применяют легиро­ ванные и конструкционные стали [например, у турбокомпрес­ соров типа ТК-34 вращающиеся направляющие аппараты изготовляли из стали 2X13].

Целые колеса изготовляет, например, фирма МАН. Межло­ паточные каналы колес турбокомпрессора фирмы МАН образо­ ваны приваренными к диску лопатками. Широкое применение получили целые колеса из алюминиевых сплавов типа АЛ4, отливаемые в кокиль. Механические свойства тангенциальных образцов, вырезанных из литой заготовки отлитого в кокиль колеса компрессора после термообработки по режиму Т-6 при различных температурах, приведены в табл. 7.

7. Зависимость характеристик алюминиевого сплава АЛ4 от температуры

Обладая хорошей технологичностью и низкой трудоемко­ стью, цельнолитые колеса имеют и удовлетворительную проч­ ность. Так, проведенные исследования с применением электро­ тензометрии и лаковых покрытий показали, что колеса турбо­

сутствовала. Отсюда можно сделать вывод, что при тщательно спрофилированной конструкции литые колеса компрессоров

сах радиальную' часть колеса обычно изготовляют фрезерова­

249

Целые колеса радиальных центростремительных турбин изго­ товляют точным литьем по выплавляемым моделям, фрезерова­ нием и электроискровой обработкой. Первый способ нашел особенно широкое применение в турбокомпрессорах автотрак­ торных двигателей, а также двигателей небольших мощностей. Колеса турбин сравнительно больших размеров (например, турбокомпрессоров типа Де-Лаваль) получают в виде отливок.

Так как для турбинных колес применяют жаропрочные сплавы, трудно поддающиеся механической обработке, то из­ готовление их фрезерованием не получило широкого распро­ странения. Электроискровая обработка применяется в турбо­ компрессорах, предназначенных для работы с повышенными окружными скоростями и температурами. По сравнению с лить­ ем этот способ более трудоемок, так как дается повышенный припуск (до 0,5 мм) на отделочные операции. Однако он позво­ ляет изготовить рабочие колеса и спрямляющие аппараты радиальных турбин со сложной пространственной формой из труднообрабатываемых сталей и сплавов, обладающих пло­ хими литейными свойствами (например, ЭИ612, ЭИ787, ЭИ437Б

идр.). Колеса ЦСТ для ТК, устанавливаемых на автотрактор­ ные двигатели, отливают из сталей типа ЭИ572, сплава AHB-3Ö0

идр. В зарубежной практике для этого используют сплавы стеллит и нимоник с высоким содержанием никеля.

Поломки колес, как и поломки турбинных лопаток, обычно происходят вследствие усталостных разрушений от вибрации. При проектировании лопатки колес стремятся сделать возмож­ но более тонкими, чтобы уменьшить загромождение межлопа­ точных каналов и напряженность диска. Однако тонкие лопатки

может оказаться опаснее первой. По 1-й форме колеблется вся лопатка относительно места заделки, а по 2-й форме имеется два колеблющихся участка.

Во избежание совпадения частот собственных колебаний с частотой возмущений, необходимо при проектировании ориен­ тировочно определить оба эти фактора. Частоту собственных колебаний лопаток можно определить по эмпирической форму­ ле, которая дает удовлетворительное совпадение с эксперимен­ тальными данными [33]:

250