Конструкция, технические условия и материалы лопаток компрессора. Классификация лопаток

Лопатки компрессора являются наиболее массовыми деталями. На некоторых двигателях их число достигает 1500 шт. и более. В зависимости от назначения лопатки компрессора делятся на рабочие, или лопатки ротора компрессора (рис. 219), и лопатки статора компрессора. Они изготавливаются в основном из алюминие­вых и титановых сплавов, высоколегированных сталей и жаропроч­ных сплавов. Длина лопаток на разных двигателях находится в пределах 15...1000 мм. Основную номенклатуру лопаток компрессора составляют лопатки длиной от 60 до 150 мм.

Основными конструктивными элементами, влияющими на техно­логию изготовления лопаток, являются габаритные размеры, наличие одной или двух полок, формы хвостовика и пера (закрутка), толщина и значение радиусов скругления кромок и значение радиусов сопря­жения пера с полкой.

В соответствии с этой классификацией лопатки делятся на груп­пы, и для них отраслевые технологические институты разрабатывают типовые технологические процес­сы, технологическое оборудование и оснастку.

Рис. 219. Лопатки ротора компрессора:

а - с хвостовиком типа «ласточкин хвост»; б – с антивибрационной полкой; в – с шарнирным хвостовиком; г – с кольцевым трапециевидным хвостовиком.

Технические условия на изготовление лопаток компрессора

Точность изготовления основных элементов лопаток компрессора можно характери­зовать следующими данными:

Отклонения профиля спинки △ П_с и корыта △ П_К пера и расчетных сечениях от заданного 0, 06...0, 40 мм

Отклонение профиля входной △ П_ВХ и выходной △ П_ВЫХ кромок 0, 03...0, 2 мм

Отклонение толщины профиля пера △ С_max = △ П_С + △ П_К

Допуск на угол закрутки пера в поперечных сечениях △ α _зак 20'

Отклонение ширины хорды профиля пера △ b (0, 2...0, 6) мм

Шероховатость пера лопаток Ra - 0, 63...0, 08 мкм

Хвостовики лопаток:

Типа " ласточкина хвоста"

Размеры посадочных поверхностей 6-й квалитет

Допуск на угол посадочных поверхностей 60...75°±8'

Шероховатость Ra;

рабочих поверхностей замка 1, 25 мкм

остальных 1, 25...5, 0 мкм

Число типоразмеров примерно 30

Кольцевой трапециевидный хвостовик — разновидность замка типа " ласточкина хвоста" у рабочих лопаток компрессора. При сборке он устанавливается в кольцевой паз венца диска компрессора. Размеры посадочных повер­хностей изготавливаются с точностью 6-го квалитета. Шероховатость рабочих поверхностей Ra =1, 25 мкм.

Шарнирный (вилочный) замок. Отверстие под штифт выполняется по 6-му квалитету. Неперпенди­кулярность оси этого отверстия относительно базового торца — не более 0, 1 мм на длине 100 мм. Шероховатость поверхности отверстия под штифт Ra = 1, 25 мкм, шероховатость остальных поверхностей замковой части лопатки Ra = 5, 0...1, 25 мкм. Проушины серебрят, а затем наносят специальное покрытие.

Спрямляющие и сопловые лопатки с цап­фами. Диаметр цапф обычно задают с допуском по 6...9-му квали­тету. Непараллельность и неперпендикулярность поверхностей полок и цапф — 0, 05...0, 1 мм, относительно нижнего замка — не более 0, 15 мм. Шероховатость этих поверхностей Ra = 2, 50...0, 63 мкм.

Дополнительные условия.Допуск на массу рабо­чей лопатки устанавливают до 2...5 % от массы расчетной лопатки. Для лопаток ротора компрессора устанавливают нижний допустимый предел частот по первой изгибной форме и выборочно испытывают на усталость.

Материалы лопаток компрессора должны обладать хорошими прочностными характеристиками, пластичностью, а также высоким сопротивлением коррозии (электрохимической, солевой, газовой), пылевой эрозии; достаточной жаропрочностью и жаростойкостью, особенно для лопаток последних ступеней компрес­сора высокого давления, где температура воздуха достигает 700... 800 °С. При этом материал лопаток должен иметь и хорошие техно­логические свойства: хорошо обрабатываться резанием, давлением, обладать свариваемостью.

Лопатки компрессора изготавливают из коррозионностойких и теплостойких хромистых сталей, алюминиевых, титановых и жароп­рочных сплавов и композиционных материалов.

Для лопаток компрессора, работающих при температуре нагрева до 550 °С, применяют титановые сплавы: IBT3-1, ВТ8М, ВТ9, ВТ18У, ВТ22, ВТ25У, ВТЗЗ и др.; при температуре нагрева лопаток до 600...650 °С используют коррозионностойкие и теплостойкие стали 13Х12Н2В2МФА-Ш, 15Х12Н2ВМФАБ-Ш, 15Х16К5Н2ВМФАБ-Ш.

Лопатки последних ступеней компрессора, работающие при темпе­ратуре нагрева 650...800 °С, изготавливают из жаропрочных сплавов на никелевой основе: ХН70МВТЮБ, ХН77ТЮ, ХН45МВТЮБР, ВЖ105, ХН77ТЮР и др.

Для лопаток при температуре ниже 250...3.50 " С могут применять­ся алюминиевые сплавы типа АК4, АК6, ВД-17, стеклопластики, например, углепластик-стеклопластик, армированный графитовым волокном (турбовентиляторный двигатель RB-211 английской фирмы " Роллс-Ройс"). Фирма " Пратт энд Уитни" (США) в двигателе J79 использовала боропластик. Недостатком стеклопластиков является низкая эрозионная стойкость, плохое сопротивление удару.

При температуре нагрева лопаток до 400 °С могут быть использо­ваны металлические композиционные материалы, например, бороалюминиевая однонаправленная композиция (при температуре 20 °С = 100... 120 н/мм², γ = 2, 65 г/см³) и бороалюминиевая композиция.

Применение композиционных материалов для лопаток компрессо­ра в настоящее время сдерживается.

Технологичность конструкции лопаток компрессора, изготавливае­мых из штамповок, определяется их материалом, формой, соотноше­нием конструктивных элементов и значением допусков на размеры и форму лопатки.

Конструктору при проектировании лопаток необходимо учитывать ряд факторов, влияющих на технологичность изготовления заготовок методами объемного деформирования. Так, с увеличением угла закрутки пера повышаются нежелательные боковые нагрузки на инструмент в процессе изготовления, увеличивается коробление деталей, снижается стойкость штампов, поэтому угол закрутки не должен превышать 45°. Следует стремиться к уменьшению соотноше­ний площадей поперечных сечений хвостовика и пера. С увеличени­ем указанного соотношения усложняются и становятся более трудо­емкими операции предварительного фасонирования (перераспределе­ния объема исходной заготовки между хвостовиком и пером) под последующую штамповку. Чем больше разница в площадях сечений хвостовика и пера, тем выше перепад температур в хвостовике и перс заготовки лопатки при се охлаждении после горячей штампов­ки, что ведет к увеличению коробления. В лопатках с антивибраци­онной полкой следует стремиться к уменьшению высоты и ширины полки. При горячей штамповке и холодном вальцевании технологич­ность лопаток, повышается с уменьшением пера и увеличением толщины кромок.

Унификация и нормализация конструктивных элементов лопаток, обоснованное назначение допусков на отклонения при их изготовле­нии, выбор материалов лопаток с учетом его обрабатываемости способствуют повышению технологичности конструкции лопаток и созданию типовых прогрессивных технологических процессов их изготовления.

Большое влияние на технологичность конструкции лопаток имеет также правильное оформление чертежей, которое должно соответ­ствовать имеющимся в отрасли ОСТам, в которых обобщен опыт производства лопаток серийных заводов и ОКБ.

Рассмотрим примеры оценки технологичности конструкции неко­торых лопаток.

Наиболее технологичные беззамковые лопатки с постоянным профилем и небольшим углом закрутки пера. Точные заготовки для таких лопаток можно получить штамповкой или вальцеванием из прессованных или катаных профилей.

Лопатка компрессора с антивибрационной полкой, трактовая поверхность которой образована параллельными плоскостями, а не цилиндрической поверхностью, является более технологичной кон­струкцией, позволяющей использовать высокопроизводительные методы ее обработки.