Конструкция, технические условия и материалы

Конструкция и классификация дисков. Основными кон­структивными элементами диска являются обод (венец) с пазами для крепления лопаток, полотно (диафрагма), фланцы для связи с соседними дисками и валом и ступица.

Диски различают: конструктивно (по способу соединения дисков в роторы) — монолитные и сборные; по способу изготовления — деформируемые, спекаемые (из гранул), литые, сварные, паяные.

У дисков сборной конструкции КИМ значительно выше, чем у дисков монолитной конструкции, и достигает 0, 4. Соединение дисков компрессора в роторы осуществляют штифтами, призонными болта­ми, торцевыми шлицами и стяжной трубой, электронно-лучевой сваркой.

При штифтовом соединении диски между собой соединяются напрессовкой по своим посадочным (центрирующим) поясам с после­дующим креплением штифтами. Диски данной конструкции техноло­гичны: простота их конфигурации (без сложных закрытых карманов, полостей, лабиринтов) и невысокая трудоемкость изготовления.

Диски, соединяемые короткими и длинными призонными болтами, имеют точно расположенные отверстия (±0, 05 мм) с жесткими допусками. Отверстия обрабатывают по специальному кондуктору или на расточном станке, что сопряжено с определенными трудностя­ми. Проще обработка отверстий в дисках в сборе с сопрягаемыми деталями (проставками).

Диски компрессора и турбины, соединяемые в ротор с помощью торцевых шлицев и стяжных болтов, технологичны; их обработка не вызывает трудностей.

В сварном роторе диски, предварительно сцентрированные по точно обработанным технологическим посадочным буртам, соединя­ются между собой электронно-лучевой сваркой. Технологические бурты после сварки срезаются точением. Метод соединения прогрес­сивный, технологичный.

Монолитный ротор компрессора изготавливается из одной моно­литной поковки точением. Он применяется в основном на малораз­мерных двигателях (в вертолетостроении). Трудоемкость изготовле­ния такого ротора очень велика из-за плохого доступа к местам обработки при малых внутренних диаметрах и при относительно большой длине ротора. Конструкция ротора не технологична.

Пазы дисков для соединения с лопатками. Диски в зависимости от способа соединения их с лопатками бывают, монолитные (за одно целое с лопатками, например в ТНА, турбостартерах) и составные неразъемные (сварные, паяные) и разъемные с креплением лопаток в пазах диска (одновенечные, двухвенечные и многовенечные).

Пазы типа " ласточкина хвоста" (рис. 214, а) используются для крепления лопаток в дисках компрессора. Конструкция паза наиболее технологична; паз обрабатывается протягиванием.

Пазы елочного профиля (рис. 214, б) используются в основном для крепления лопаток в дисках турбины, реже — в дисках компрессора. Форма паза технологична: паз обрабатывается протягиванием.

В сравнительно малонагруженных роторах компрессора (с малой частотой вращения) используются диски с шарнирным креплением (рис. 214, в). По трудоемкости и сложности изготовления этот вид крепления технологичен. Проточка паза под проушину лопатки и обработка отверстий под штифты в диске не вызывают затруднений.

Кольцевой паз типа " ласточкина хвоста" представляет собой точно выполненную кольцевую проточку в ободе диска. Кольцевой паз менее технологичен, чем паз формы " ласточкина хвоста" прямого типа. Трудности его изготовления связаны с выдерживанием точных углов при точении, малой стойкостью и жесткостью резцов, невозможностью точного контроля профиля паза при изготовлении и обеспечения высоких требований по точности и волнистости поверхностей. При проектировании дисков с малыми сечениями паза следует избегать применения кольцевых пазов.

Рис. 214. Форма пазов в дисках для соединения с лопатками и торцевые шлицы для соединения дисков в ротор:

а — типа " ласточкина хвоста"; б — елочного профиля; в — с шарнирным креплением; г — торцевые шлицы.

Технические условия на изготовление дисков. Точность обработки отдельных поверхностей дисков и их взаимное расположение характеризуются следующими величинами:

посадочные поверхности и лабиринтные канавки 6... 10-й квалитеты

наружные диаметры 8... 11-й квалитеты

остальные поверхности 11... 12-й квалитеты

биение наружных поверхностей

относительно посадочных 0, 02...0, 1 мм.

Шероховатость посадочных поверхностей и пазов Ra = 1, 25...0, 32 мкм, остальные поверхности Ra = 2, 5...0, 63 мкм.

Пазы для крепления лопаток обычно обрабатываются со следующей точностью:

Елочные пазы (см. рис. 214, б):

Допуск на шаг зубцов 0, 02 мм

Допуск на ширину елочного паза 0, 02...0, 05 мм

Смещение опорных поверхностей елочного профиля

одной стороны относительно другой 0, 02...0, 03 мм

Погрешность углов елочного профиля

и трапеции паза ±(5...15')

Непараллельность опорных поверхностей замка

относительно оси диска на длине замка 0, 05 мм

Погрешность шага пазов (по окружности) 0, 15...0, 3 мм

Пазы типа " ласточкина хвоста" (рис. 214, а):

Посадочный размер (ширина паза А) 8...9-й квалитеты

Погрешность угла замка ±5'

Шаг пазов по окружности 0, 15...0, 3 мм

Торцевые шлицы (рис. 15.1, г) обрабатываются с точностью:

Погрешность окружного шага зубцов 0, 02...0, 05 мм

Допуск на толщину зубца 8... 11-й квалитеты

Погрешность угла зубцов α ₃ = (40...60°) ±10'

Диски балансируются статически и в собранном роторе — динамически.

Допуск на массу диска составляет 5 % массы расчетного диска.

Материалы дисков. Диски турбин работают при высоких темпера­турах (650...750 °С) под напряжением, поэтому их изготовляют из жаропрочных сплавов ХН73МТБЮВД, ЭП741НП, ХН62БМКТЮИД, ЭП743, ЭК79ИД, ВЖ122.

Диски осевых компрессоров работают при более низких темпера­турах, особенно первые ступени, и с меньшей нагрузкой. Их изготав­ливают из алюминиевых сплавов типа АК4-1, АК6-1 (редко), сталей 13Х12Н2В2МФА-Ш, ВНС-22, 15Х12Н2ВМФАБ, 15Х16К5Н2ВМФАБ (при температурах нагрева до 600 °С), титановых сплавов ВТЗ-1, ВТ8М, ВТ18У, ВТ25У, ВТЗЗ (при температурах нагрева до 450 °С) и жаропрочных сплавов ЭП718ИД (при температуре нагрева 700 °С).

Технологичность конструкции дисков. Диски компрессора при небольшой массе имеют большую площадь поверхности, что в сочета­нии с тонкими стенками обусловливает нетехнологичность конструк­ции. Изготовление подобных дисков характеризуется низким КИМ и значительной трудоемкостью механической обработки.

Диски турбины массивнее дисков компрессора и технологичнее. Отношение массы к площади ее поверхности у дисков турбины значительно больше. При конструировании этих дисков следует стремиться к простой геометрической форме без большой разницы между размерами отдельных элементов сечений; избегать ребер и выступов, расположенных между ступицей и ободом (рис. 215, а); изготовление таких дисков связано с повышенным расходом металла и большим объемом последующей механической обработки; предусматривать плавные переходы от сечения к сечению, глубокие полости (рис. 215, б) не рекомендуется, так как они усложняют производство заготовок и их механическую обработку.

Диски больших габаритных размеров с глубокими (рис. 215, в) полостями целесообразно расчленять на несколько элементарных деталей (рис. 215, г): элементарный диск без глубоких полостей и два кольца.

Для изготовления дисков с минимальной механической обработкой необходимо назначать рациональные соотношения между основными конструктивными элементами — диаметром диска и толщиной полот­на, высотой обода или ступицы и толщиной их стенок, радиусами переходов и закруглений, руководствуясь ОСТ 1.41 188—72.

Для уменьшения номенклатуры применяемого режущего и изме­рительного инструмента в пределах одного ротора компрессора или турбины необходимо стремиться при проектировании дисков к мини­мальному числу типоразмеров пазов, канавок, радиусов сопряжений поверхностей и других конструктивных элементов.

Рис. 215. Примеры нетехнологичных конструкций дисков:

а — с выступами А на полотне между ступицей и ободом; б, в — с глубокой полостью; г — технологичная конструкция диска (сборная).