CC BY
13
УДК 629.7.036:539.4
А. Н. Михайленко, Т. И. Прибора
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СМЕЩЕНИЯ ПОЛОТНА ДИСКА НА ЕГО НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И
РЕСУРС
Рассмотрены особенности проектирования роторов компрессоров ГТД. Тонкие полотна компрессорных дисков обуславливают необходимость оценки напряженно-деформированного состояния дисков исключительно в составе ротора, с учетом взаимодействия. При изготовлении компрессорных дисков для предотвращения «уводов» полотна и ступицы необходимы достаточно жесткие требования к технологическим процессам. Только высокие требования к проектированию и изготовлению обеспечат необходимый ресурс дискам компрессоров.
Введение
Начальным звеном в создании дисков компрессора газотурбинных двигателей (ГТД) является проектирование, а замыкающим — производство. При этом должны быть получены необходимые прочностные показатели для обеспечения требуемого ресурса.
Диски ГТД относятся к наиболее нагруженным деталям, разрушение которых, согласно нормативным документам, не допускается. Прочность и работоспособность дисков оценивается как по критериям длительной прочности и циклической долговечности, так и по сопротивлению усталости [1].
Компрессорные диски первых ступеней КВД выполнены из титанового сплава и составляют сварной барабан.
Для компрессорных дисков изолированный расчет без учета валов, проставок приводит к погрешностям. Погрешности обусловлены относительно малой толщиной диафрагм дисков, которая соизмерима с толщинами стенок проставок
271 314 557 411 «в 1Ы 504
335,044 403.501 ¡тзТоэё
:«.904 513 :■: 376,754 ио
Рис. 1. Ротор компрессора
и валов. Исходя из этого, расчеты подобных конструкций необходимо выполнять не изолированно, а в системе ротора методом конечных элементов.
Формулирование проблемы
Изготовление дисков связано с высокой трудоемкостью. Трудности вызваны спецификой механической обработки дисков. В отдельных случаях, когда толщина диска по всему полотну находится в требуемых чертежом размерах и допусках, имеет место «увод» полотна диска от номинального положения. Изменение величины «увода» от обода к ступице происходит обычно по линейному закону. Причиной смещения профиля диска является нарушение режимов механической обработки полотна и ступицы дисков. «Увод» ступицы диска от номинального положения относительно вертикальной оси возникает из-за различного уровня поверхностных напряжений, возникающих в процессе механической обработки.
Решение проблемы
Для исключения явления «увода» ступицы диска, технологическим процессом изготовления предусматривается:
- обработка диска на одном станке, выдерживая одинаковые припуски с обеих сторон полотна и ступицы;
- одинаковые для обеих сторон диска режимы резания;
- одинаковый для обеих сторон тип режущего инструмента, режимы охлаждения и охлаждающая жидкость;
- контроль состояния режущей части инструмента;
- фиксация ступицы диска при обработке полотна.
Объектом исследования является часть ротора КВД, состоящая из пяти дисков, сваренных
© А. Н. Михайленко, Т. И. Прибора, 2009
-50 -
в барабан. На примере дисков первой и пятой ступеней проведен анализ влияния смещения полотна и ступицы диска в одну и другую сторону на уровень напряжений в ступице, ободе, и как результат — на ресурс дисков.
Диск первой ступени наиболее чувствителен к качеству вытолнения профиля, сказытается максимальное консольное расположение диска относительно фланцевого крепления. Диск пятой ступени фланцем крепится к диску 6 ступени. Для диска пятой ступени характерна высокая рабочая температура, поэтому так актуален вопрос недопущения увеличения напряжений в этом диске.
Диски второй, третьей и четвертой ступеней займут промежуточное положение между исследованными дисками по характеру изменения напряженно-деформированного состояния в связи со смещением полотна и ступицы. Моделировался «увод» (смещение) полотна на 0,5,1,2, 3,4, 5 мм по полету и против полета. Полученные результаты обработаны и представлены в виде графиков изменения относительных напряжений в ступице, и соответствующих относительных величин ресурса.
Согласно технической документации допускается факт смещения полотна, но в малых пределах. «Увод» полотна диска характерен для стальных компрессорных дисков в той же мере, что и для титановых.
На рис. 2 и 3 представлено распределение окружных напряжений по ступицам дисков первой и пятой ступеней в зависимости от величины и направления отклонения полотна. Для диска первой ступени оптимальным оказалось положение смещения полотна на 0,5 мм в сторону второй ступени. Диск пятой ступени в исходном состоянии имеет оптимальное распределение окружных напряжений по ступице.
Из графика на рис. 4 видно, что отклонения от чертежа по уводу полотна диска в сторону до 5-ти мм вызывает увеличение напряжений в ступице диска. Относительно исходнык напряжений в ступице диска (выполненного в пределах допуска) возросшие относительные напряжения имеют близкий уровень для дисков первой и пятой ступеней. С целью снижения отклонения диска в поле центробежных сил, и тем самым, снижения уровня напряжений в ступице и в ободе, для диска первой ступени выявилась возможность отстройки полотна смещением на 0,5 мм.
Рис. 2. Распределение окружных напряжений в диске 1 ступени с разным смещением полотна
Рис. 3. Распределение окружных напряжений в диске 5 ступени с разным смещением полотна
ШЯЫ1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2009
- 51 -
На рис. 5 показано изменение относительной величины ресурса диска в случае смещения полотна. Циклический ресурс диска определялся расчетным путем по величине напряжения, возрастающего в зависимости от величины отклонения полотна диска. Для оценки бралась относительная величина ресурса, то есть отношение полученной расчетной циклической долговечности к долговечности диска, определенной по напряжениям, соответствующим исходному положению полотна.
Распределение окружных напряжений в ступицах дисков сварного титанового барабана го-
ворит о характере работы дисков в поле центробежных сил (рис. 6). Для диска первой ступени возможна осевая отстройка.
Номинальные напряжения в ободной части, служащие основой определения ресурса дисков, показаны в исходном варианте, как точка отсчета для дальнейшего исследовании по отклонению полотен дисков 1 и 5 ступеней.
На приведенных рис. 7 и 8 видно, что смещение полотна диска на 5 мм в сторону приводит к росту напряжений в ободе диска и в оболочках.
Рис. 4. Анализ изменения относительных напряжений в ступице в зависимости от величины смещения полотна
0,5 ■ —А-
1=^=11
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
сиещение оси доскв
-в- вМ (N11 Мех) [N1 ( N¡3x1
Рис. 5. Анализ изменения ресурса диска в зависимости от величины смещения полотна диска
Окружные напряжения
Рис. 6. Окружные напряжения титанового барабана ротора КВД, выполненного по чертежу
Рис. 7. Увеличение окружных напряжений в ободе при смещении полотна дисков на 5 мм
Рис. 8. Увеличение эквивалентных напряжений в оболочках при смещении полотна дисков на 5 мм
В этом случае на диске первой ступени увеличение номинальных напряжений в ободе составляет 50 % (44,494/30,034 = 1,5), соответственно и напряжения концентрации в замке диска, определяющие ресурс диска вырастут в 1,5 раза; в оболочке эквивалентные напряжения вырастут на 65 % (71,77/43,3 = 1,65).
На диске пятой ступени номинальные напряжения в ободе увеличиваются в 26,086 / 11,733=2,22 раз; в оболочке эквивалентные напряжения вырастут в 47,68/19,3 = 2,47 раз.
В случае смещения полотна диска 1-й ступени на 1 мм (в сторону, противоположную отстройке), номинальные напряжения в ободе увеличиваются на 15 % (34,3/30 = 1,144). При этом ресурс диска уменьшается на 60 % (17131/10738 = 1,595).
Выводы
Использование метода конечных элементов при расчете напряженно - деформированного состояния ротора компрессора дает возможность оценить степень деформации компрессорных дисков в поле центробежных сил, и в случае необходимости внести коррекцию в профиль диска с целью получения оптимального уровня напряжений в ободе и ступице диска. «Уводы» полотен дисков могут быть оценены расчетным методом конечных элементов на моделях в составе ротора с полным набором нагрузок. По графикам, построенным согласно результатам расчетных исследований, можно делать экспресс-прогноз относительного ресурса диска со смещенной ступицей.
Перечень ссылок
1. Петухов А. Н. Сопротивление усталости деталей ГТД / А. Н. Петухов. — М.: Машиностроение, 1993. — С. 24—46.
Поступила в редакцию 25.05.2009
Розглянуто особливост1 проектування pomopie компресор1в ГТД. Тонк1 полотна комп-ресорних диств обумовлюютъ неoбxiднiсmь оцтки напружено-деформованого стану диств виключно в складi ротора, з урахуванням взаемодП. При виготовленш компресорних диств для запоб^ання <^дведенъ» полотна й маточини неoбxiднi доситъ mвеpдi вимоги до тех-нoлoгiчниx процеав. Тыъки висоm вимоги до проектування й виготовлення забезпечатъ неoбxiдний ресурс дискам кoмпpесopiв.
The peculiarities GTE's compressor rotor designing are considered. исключителъно в составе ротора, с учетом взаимодействия. Thin sheets of compressor disks give rise to the necessity of assessment of a deflected mode of disks exclusively as integral part of the rotor, with taking into account interaction. While manufacturing compressor disks, quite strict requirements to production processes are needed to prevent "drift" of sheet and boss. Only high requirements to designing and manufacturing will provide necessary service life for compressor disks.
ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2009
- 53 -
