МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ КОМПРЕССОР ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2004 года по МПК F04D19/02 

Изобретение относится к компрессорам газотурбинных двигателей авиационного и наземного применений.

Известен многоступенчатый компрессор газотурбинного двигателя, в роторе которого рабочие лопатки установлены в дисках на первых двух ступенях с помощью продольных замковых соединений типа “ласточкин хвост”, а на последующих ступенях - с помощью кольцевых замковых соединений типа “ласточкин хвост” /1/.

Недостатком такого компрессора является его низкая надежность и повышенная стоимость из-за необходимости доводки замковых соединений различной конструкции.

Наиболее близким к заявляемому является компрессор газотурбинного двигателя, в роторе которого рабочие лопатки установлены в дисках с помощью продольных замковых соединений “рабочая лопатка - диск” типа “ласточкин хвост”, причем замковые соединения всех ступеней отличны друг от друга по своим размерам в поперечном сечении /2/.

Известно, что при работе двигателя на замковое соединение действуют повышенные нагрузки от действия центробежных сил пера лопатки, а также вибронапряжения от газовых сил, воздействующих на перо лопатки. Компрессор известной конструкции не обеспечивает надежное крепление рабочей лопатки на диске, а также демпфирование колебаний пера лопатки на основных режимах работы двигателя без проведения дорогостоящих мероприятий по проектированию и доводке замкового соединения “рабочая лопатка - диск”.

Техническая задача, которая решается изобретением, заключается в повышении надежности конструкции при снижении стоимости за счет уменьшения числа типоразмеров замковых соединений и затрат на их проектирование и доводку.

Сущность изобретения заключается в том, что в многоступенчатом компрессоре газотурбинного двигателя, содержащем ротор, в котором диски и рабочие лопатки выполнены с продольными замковыми соединениями типа “ласточкин хвост”, согласно изобретению рабочие лопатки размещены группами с одним типоразмером замкового соединения, при этом первая и последняя группы со стороны входа в компрессор включают по четыре ступени каждая, а отношение числа ступеней z компрессора к числу групп рабочих лопаток k в компрессоре составляет 3-4.

В высоконапорном многоступенчатом компрессоре газотурбинного двигателя с целью получения высокой степени сжатия и КПД при обеспечении необходимых запасов газодинамической устойчивости первые две ступени со стороны входа в компрессор выполняются со средней степенью сжатия, а две последующие - с повышенной степенью сжатия.

Из-за повышенной степени сжатия и, соответственно, увеличенной аэродинамической нагрузки перо этих ступеней выполняется с увеличенной толщиной и изгибом профиля, особенно в корневых сечениях. Поэтому, несмотря на то, что высота и хорда третьей от входа в компрессор рабочей лопатки существенно меньше первой, максимальная толщина профиля рабочей лопатки третьей ступени в корневом сечении больше, чем у первой и второй рабочих лопаток.

Максимальная толщина профиля в корневом сечении четвертой рабочей лопатки несколько меньше, чем у первой и второй рабочих лопаток. Однако четвертая рабочая лопатка совместно с замковым соединением работает в условиях повышенных температур, вызванных сжатием воздуха в компрессоре, и поэтому по условиям прочности замковое соединение у этой лопатки в поперечном сечении имеет те же размеры, что и у первой, второй и третьей рабочих лопаток.

Пятая рабочая лопатка компрессора выполнена с меньшей напорностью, чем четвертая, а толщина профиля ее корневого сечения существенно меньше, чем у четвертой рабочей лопатки, и поэтому для этой рабочей лопатки замковое соединение выполняется другого типоразмера, что существенно снижает вес компрессора.

На выходе из компрессора с целью получения максимального КПД последние ступени выполняются низконапорными, поэтому геометрические размеры пера рабочих лопаток четырех последних ступеней от входа к выходу компрессора уменьшаются незначительно при одновременном повышении температуры воздуха из-за сжатия. По этой причине рабочие лопатки последних четырех ступеней компрессора выполняются также с одинаковым в поперечном сечении замковым соединением, что повышает надежность компрессора и снижает его стоимость.

В 13-ступенчатом высоконапорном компрессоре двигателя ПС-90А существуют 4 типоразмера замковых соединений “рабочая лопатка-диск”, что позволяет уменьшить затраты на доводку замковых соединений, затраты на технологическое оборудование и оснастку, а также повысить надежность компрессора.

В случае, если z/k<3, стоимость компрессора увеличивается, а также снижается надежность из-за увеличения количества замковых соединений различной геометрии. При z/k>4 увеличивается вес компрессора из-за неоптимального подбора замковых соединений “рабочая лопатка-диск”.

На фиг.1 показан продольный разрез компрессора заявляемой конструкции. На фиг.2 представлен элемент I на фиг.1 в увеличенном виде, на фиг.3 - сечение А-А на фиг.2.

Компрессор газотурбинного двигателя 1 состоит из статора 2 и ротора 3, на шлицевом валу 4 которого установлены диски 5 с рабочими лопатками 6.

Рабочие лопатки 6 крепятся на дисках 5 с помощью продольных замковых соединений 7 типа “ласточкин хвост”, состоящих из паза 8 диска 5 и хвостовика 9 лопатки 6. Хвостовик 9 воспринимает центробежные, газовые и вибрационные нагрузки, воздействующие на перо 10 лопатки 6.

Рабочие лопатки 11, 12, 13 и 14 первой, второй, третьей и четвертой ступеней соответственно со стороны входа 15 в компрессор 1 выполнены с одинаковыми по размерам в поперечном сечении хвостовиками 9.

Рабочие лопатки 16, 17, 18 и 19 последних ступеней 20 компрессора 1 выполнены также с одинаковыми по размерам в поперечном сечении хвостовиками 9.

Рабочие лопатки 21, 22, 23, 24, и 25 средних ступеней компрессора 1 разбиты на две группы с одинаковыми по размерам в поперечном сечении хвостовиками 9.

Отношение числа ступеней z к числу групп рабочих лопаток k в компрессоре составляет 3,25.

В процессе работы газотурбинного двигателя газотурбинной установки в высоконапорном многоступенчатом компрессоре на замковые соединения рабочих лопаток действуют центробежные, газовые и вибрационные нагрузки. Эти нагрузки не нарушают надежность крепления рабочей лопатки на диске, более того, такая конструкция обеспечивает демпфирование колебаний пера лопаток на основных режимах работы газотурбинного двигателя. Общее число групп (типоразмеров) замковых соединений рабочих лопаток составляет 4, а соотношение z/k=3,25. Компрессор такой конструкции работает на газотурбинных установках по 30000 часов без ремонта.

Источники информации

1. Г.С.Скучевский. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструирование и расчет деталей. М.: Машиностроение, 1974, с.69, рис.3.18.

2. С.А.Вьюнов и др. Конструкция и проектирование авиационных ГТД, М.: Машиностроение, 1989, с.74, рис.3.15.

Изобретение относится к компрессорам газотурбинных двигателей авиационного и наземного применений. Техническая задача, которая решается изобретением, заключается в повышении надежности конструкции при снижении стоимости за счет уменьшения числа типоразмеров замковых соединений и затрат на их проектирование и доводку. Сущность изобретения заключается в том, что в многоступенчатом компрессоре газотурбинного двигателя, содержащем ротор, в котором диски и рабочие лопатки выполнены с продольными замковыми соединениями типа "ласточкин хвост", согласно изобретению рабочие лопатки размещены группами с одним типоразмером замкового соединения, при этом первая и последняя группы со стороны входа в компрессор включают по четыре ступени каждая, а отношение числа ступеней z компрессора к числу групп рабочих лопаток k в компрессоре составляет 3-4. 3 ил.

Многоступенчатый компрессор газотурбинного двигателя, содержащий ротор, в котором диски и рабочие лопатки выполнены с продольными замковыми соединениями типа "ласточкин хвост", отличающийся тем, что рабочие лопатки размещены группами с одним типоразмером замкового соединения, при этом первая и последняя группы со стороны входа в компрессор включают по четыре ступени каждая, а отношение числа ступеней z компрессора к числу групп рабочих лопаток k в компрессоре составляет 3-4.