Роторы компрессоров

Ротор осевого компрессора предназначен для преобразования при помощи рабочих лопаток механической энергии, подводимой к нему от турбины, частично в энергию давления, а частично в кинетическую энергию воздушного потока. Одновременно с давлением растет и тем­пература воздуха.

Конструктивно роторы осевых компрессоров выполняются бара­банного, дискового или барабанно-дискового типов.

Ротор барабанного типа представляет собой тонкостенный цилиндр либо усеченный конус, изготовленный из алюминиевого сплава или стали, на котором в продольных или кольцевых пазах закреплены рабочие лопатки.

Барабан 2 (рис.8) имеет коническую форму и своими передней 1 и задней 4 цапфами опирается на подшипники. Рабочие лопатки рас­положены в кольцевых пазах.

Рис.8. Ротор барабанной конструкции: 1-передняя цапфа; 2 —барабан; 3— призонный болт; 4— задняя цапфа

Крепление лопаток в кольцевых пазах лучше, чем в продольных, так как число лопаток в каждой ступени различно и прочность барабана выше. Однако установка и крепление лопаток, особенно последних, сложнее, чем в случае применения продольных пазов. Одинаковое число лопаток для всех ступеней при продольных пазах не обеспечивает максимальную напорность всех ступеней, но изготовление барабана с продольными пазами дешевле, а крепление лопаток проще.

К преимуществам ротора барабанного типа относятся: высокая изгибная жесткость, простота конструкции и технология изготовления, невысокая стоимость.

Основными недостатками ротора такого типа являются:

ограничение (из условия прочности барабана) окружной скорости ротора на наружном диаметре — не более 180—200 м/сек, так как ба­рабан работает в основном на разрыв от центробежных сил вращающих­ся масс лопаток и самого барабана; недостаточная прочность барабана в случае выполнения продольных пазов, а применение более толстой стенки барабана увеличивает его вес;

невозможность менять число лопаток в ступенях в случае продольных пазов, что снижает напорность компрессора и при заданной степени повышения давления увеличивает число ступеней, длину и вес компрес­сора;

невыгодность малой окружной скорости для работы турбины, по­этому, чтобы получить на турбине окружную скорость порядка 300— 350 м/сек, диаметр ее ротора должен значительно превышать диаметр ротора компрессора, что вызывает несогласованность в диаметрах компрессора, камеры сгорания и турбины.

Ротор дискового типа представляет собой набор отдельных дисков, закрепленных на общем валу. Вал 1(рис.9), опирающийся на под­шипники, служит для передачи крутящего момента и центрирования дисков 2.

Каждый диск имеет обод 7 для крепления лопаток и ступицу 8 для соединения с валом. Для обеспечения, прочности обода, ослабленного выполненными в нем пазами под замки крепления лопаток, он выпол­няется утолщенным. Чтобы получить равнопрочность диска, ослаб­ленного в центральной части отверстием под вал 1 с напрессованной на него втулкой 3, его стенки к ступице обычно делают более толстыми, а сама ступица выполняется значительно утолщенной.

Важным требованием к соединению диска с валом является обеспе­чение надежного центрирования диска и передачи крутящего момента.

Рис.9. Ротор дисковой конструкции

Соединение дисков с валом осуществляется путем напрессовки на ко­нический или ступенчатый вал, а также при помощи шлицев или ку­лачков.

При соединении дисков с валом при помощи шлицев натяг нужен лишь для центрирования дисков, а крутящий момент передается через шлицы. Недостатками шлицевого соединения являются невозможность передачи больших крутящих моментов и возникновение концентрации напряжений в шлицах.

К преимуществом роторов дискового типа относится возможность работы при больших окружных скоростях (на наружном диаметре диска допускается = З00 м / сек и более), что увеличивает напорность компрессора и хорошо согласует диаметр турбины с диаметром компрессора.

Недостатками являются: малая изгибная жесткость приводящая к необходимости применения валов большого диаметра что увеличивает вес ротора; необходимость постановки двух опор ротора компрессора; сложность производства, монтажа и демонтажа, что увеличи­вает стоимость изготовления и ремонта.

Ротор барабанно-дискового типа представляет собой набор дисков с развитыми в осевом направлении коническими 2 (рис.10) или цилиндрическими 4 буртами, которые имеют насадочные пояски для центровки дисков и лабиринтные гребешки.

Рис. 10. Ротор барабанно-дисковой конструкции

К заднему диску крепится коническая цапфа 5, а передний диск 1 сам переходит в цапфу. Диски между собой и цапфой соединены при помощи натяга и равных штифтов 3, количество которых равно числу рабочих лопаток.

При данном способе соединения дисков барабанная часть одного диска запрессовывается в обод другого, для чего диск с охватывающим ободом нагревается на 50-100° С выше рабочих температур диска, чтобы сохранить необходимый натяг в рабочем состоянии ротора После запрессовки сверлят и развертывают радиальные отверстия, в которые с натягом устанавливают штифты 3. Большой диаметр барабана высокую жесткость. Толщина стенок диска и барабана получается небольшой, а вес ротора данной конструкции не превышает веса ротора барабанной конструкции.

Применение роторов барабанно-дискового типа целесообразно при выполнении всех элементов конструкции из стали. Такой ротор имеет малый вес, прост в изготовлении и удобен в сборке.

Рис.11 Ротор компрессора высокого давления:

1—проставка; 2— призонный болт

Для уменьшения расстояния между опорами и в случае применения конических опор, которые повышают изгибную жесткость ротора, несколько ступеней дискового или барабанного типа 3 (рис.12) консольно крепят к передней или задней цапфе ротора 4.

Рис. 12. Ротор компрессора низкого давления:

1 — передняя цапфа; 2 —проставка; 3 — две ступени бара­банного типа, расположенные консольно; 4 — задняя цапфа

Ротор барабанно-дискового типа, сочетая в себе преимущества ро­торов барабанного типа (большая изгибная жесткость при малом весе) и роторов дискового типа (высокая прочность), нашел широкое при­менение во многих современных серийных газотурбинных двигателях.