РАБОЧЕЕ КОЛЕСО РОТОРА КОМПРЕССОРА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2015 года по МПК F04D29/32 F01D5/06 

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к компрессорам низкого давления (КНД) авиационных турбореактивных двигателей (ТРД).

Известно рабочее колесо осевого компрессора двигателя, которое состоит из лопаток, имеющих профилированное перо и хвостовик, а также дисков, имеющих обод, полотно и ступицу. Каждое рабочее колесо снабжено двумя дисками. Оба диска соединены между собой с помощью кольцевого бурта первого диска и посадочного пояска с отверстиями в полотне второго диска. Хвостовик рабочей лопатки выполнен в виде полки с ребрами жесткости на ее внутренней стороне. Полки имеют на переднем и заднем торцах по потоку клиновидные кольцевые выступы. На ободах дисков рабочих колес выполнены ответные клиновидные кольцевые углубления, которые образуют кольцевой паз типа "ласточкин хвост" для контакта с клиновидными кольцевыми выступами на торцах полок рабочих лопаток (RU 2269678 C1, опубл. 10.02.2006).

Известно рабочее колесо осевого компрессора двигателя, содержащее диск, лопатки с хвостовиком, средство осевой фиксации лопаток в замковом соединении типа «ласточкин хвост». На боковых контактных гранях хвостовиков лопаток выполнены фаски по хорде, меньшей радиуса округления. Средство осевой фиксации лопаток выполнено в виде разрезного кольца и прорезей под разрезное кольцо в упорном выступе диска и хвостовике лопаток. Величина радиуса округления и фаски выбраны из расчета предельной нормативной прочности (RU 2476729 C1, опубл. 27.02.2013).

Известно рабочее колесо осевого компрессора, которое состоит из диска компрессора с установленными на нем рабочими лопатками, включающими перо и хвостовик. Хвостовик лопатки расположен горизонтально, а перо соединено с хвостовиком через промежуточный элемент - ножку. Лопатки на диске установлены под углом к потоку рабочего тела (Н.Н. Сиротин, А.С. Новиков, А.Г. Пайкин, А.Н. Сиротин. Основы конструирования производства и эксплуатации авиационных газотурбинных двигателей и энергетических установок в системе CALS технологий. Книга 1. Москва. Наука 2011. стр. 257-263).

К недостаткам известных решений относятся непроработанность системы выбора совокупности необходимых параметров общей конфигурации диска, влияющих на площадь проходного сечения проточной части и размещение на ободе пазов и лопаток, формирующих аэродинамические процессы взаимодействия рабочего колеса ступени ротора с потоком рабочего тела, вследствие отсутствия конкретизации диапазонов геометрических и аэродинамических параметров пространственной конфигурации диска и угловой ориентации упомянутых пазов в ободе диска, а также сложность получения компромиссного сочетания повышенных значений КПД, запасов газодинамической устойчивости (ГДУ) компрессора и как следствие сложность обеспечения оптимальной динамической прочности и повышенного ресурса при минимуме материалоемкости.

Задача, решаемая изобретением, состоит в разработке рабочего колеса ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя (ТРД) с улучшенными конструктивными и аэродинамическими параметрами пространственной конфигурации, обеспечивающими возможность оптимизации профиля и площади проходных сечений проточной части двигателя, достаточных для увеличения расхода сжимаемого рабочего тела - воздуха, КПД третьей ступени, подачи воздушного потока в последующую ступень КНД при повышении запасов ГДУ на всех режимах работы двигателя и ресурса без увеличения материалоемкости.

Поставленная задача в части рабочего колеса решается тем, что рабочее колесо ротора компрессора низкого давления (КНД) турбореактивного двигателя (ТРД), снабженного корпусом с проточной частью и валом барабанно-дисковой конструкции, имеющим цапфы передней и задней опор, согласно изобретению, выполнено в качестве рабочего колеса третьей ступени вала ротора, содержит диск в виде моноэлемента, включающего снабженную центральным отверстием ступицу, сопряженную с полотном, на которое оперт обод, Снабженный рабочими лопатками, имеющими каждая перо с осью, боковыми кромками и хвостовик с продольной осью, при этом перо лопатки выполнено выпукло-вогнутым в поперечном сечении лопатки с вогнутой поверхностью в виде корыта и с выпуклой поверхностью, образующей спинку пера, а обод ассиметрично соединен с полотном диска с образованием двух разноплечих, конически расширяющихся вдоль оси ротора по направлению потока рабочего тела полок - фронтальной и тыльной, суммарная равноплечая часть ширины которых снабжена пазами с заведенными в них хвостовиками лопаток, а выступающий за габарит пазов консольный участок тыльной полки обода развит до контакта с проставкой соединения с диском последующей ступени ротора с возможностью передачи крутящего момента, причем продольная ось каждого из упомянутых пазов диска образует с осью рабочего колеса в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к оси пера лопатки, угол α₀ установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α₀=(21÷26)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска и выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки, при этом хорда, соединяющая в корневой зоне боковые кромки пера каждой лопатки, образует с осью двигателя в проекции на упомянутую условную плоскость угол установки пера лопатки, нарастающий с радиальным удалением от оси колеса с градиентом закрутки пера G_з.п, принятым в диапазоне

G_з.п.=(α_π-α_к)/L_cp=(169,5÷248,4) [град/м],

где α_к - проекция угла закрутки хорды корневого сечения пера лопатки относительно оси ротора в условной осевой плоскости ротора, нормальной к оси пера лопатки; α_п - аналогичная проекция угла закрутки относительно оси ротора наиболее удаленной периферийной хорды пера в плоскости, параллельной упомянутой осевой плоскости; L_cp - средняя осевая длина пера лопатки.

При этом полотно диска может быть снабжено с тыльной стороны по направлению потока рабочего тела кольцевым коническим элементом для силового соединения с ответным коническим элементом задней цапфы ротора, при этом конический элемент выполнен с наклоном образующей к оси вала ротора под углом β, составляющим не менее 35°.

Перо лопатки может быть выполнено расширяющимся к периферийному торцу с градиентом расширения хорды G_x

G_x=(L_п.х.-L_к.х.)/L_cp=(6,1÷8,6)·10^-2 [м/м],

где L_п.х. - длина периферийной хорды, соединяющей боковые кромки пера лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора; L_к.х. - длина корневой хорды, соединяющей боковые кромки пера лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора; L_cp - средняя осевая длина пера лопатки.

Периферийный торец пера лопатки может быть выполнен скошенным с уклоном в направлении потока рабочего тела, конгруэнтным ответной поверхности проточной части двигателя в зоне третьей ступени КНД.

Площадь F₁ ометания воздушного потока лопатками на входе в рабочее колесо может быть выполнена составляющей (0,38÷0,55) от полной площади F₀, условно ограниченной входным контуром воздухозаборника воздушного потока перед коком входного направляющего аппарата (ВНА), в проекции на плоскость, нормальную к оси двигателя, при этом площадь F₁ принята превышающей площадь F₂ на выходе из колеса у выходной кромки лопаток в (1,04÷1,21) раза.

Поставленная задача по второму варианту решается тем, что рабочее колесо ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, имеющего проточную часть, согласно изобретению, содержит лопатки, предназначенные для установки в имеющем диск с пазами рабочем колесе третьей ступени КНД, число которых принято от 39 до 57 лопаток, при этом каждая лопатка содержит перо, длина которого по оси принята перекрывающей с возможностью вращения рабочего колеса поперечное сечение проточной части двигателя на участке длины третьей ступени КНД, причем перо каждой лопатки выполнено с переменной относительно оси ротора осевой закруткой, нарастающей от корневого к периферийному сечению, нормальным к оси пера, с градиентом закрутки пера G_з.п, определенным в проекции на условную осевую плоскость рабочего колеса в диапазоне

G_з.п.=(α_π-α_к)/L_cp=(169,5÷248,4) [град/м],

где α_к - проекция угла закрутки хорды корневого сечения пера лопатки относительно оси ротора в условной осевой плоскости ротора, нормальной к оси пера лопатки; α_п - аналогичная проекция угла закрутки относительно оси ротора наиболее удаленной периферийной хорды пера в плоскости, параллельной упомянутой осевой плоскости; L_cp - средняя осевая длина пера лопатки, причем каждая лопатка снабжена предназначенным для заведения в любой из пазов диска хвостовиком с продольной осью, размещенной под углом к оси ротора, который в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к оси пера лопатки, составляет α₀=(21÷26)°.

При этом перо каждой лопатки может быть выполнено с боковыми кромками, расходящимися к периферийному торцу с градиентом увеличения хорды G_x

G_x=(L_п.х.-L_к.х.)/L_cp=(6,1÷8,6)·10^-2 [м/м], где

где L_п.х. - длина периферийной хорды, соединяющей боковые кромки пера лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора; L_к.х. - длина корневой хорды, соединяющей боковые кромки пера лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора; L_cp - средняя осевая длина пера лопатки.

Перо каждой лопатки может быть выполнено выпукло-вогнутым с вогнутой поверхностью в виде корыта и с выпуклой поверхностью, образующей спинку пера, кроме того, хорда, соединяющая боковые кромки пера в корневой зоне, образует с осью ротора в проекции на упомянутую условную плоскость угол установки пера не менее угла α₀ установки хвостовика лопатки.

Каждая лопатка может быть снабжена антивибрационной полкой, расположенной в зоне одной трети длины от периферийного торца пера лопатки, а каждый торец указанной полки выполнен с возможностью взаимного опирания на обращенный к нему аналогичный торец смежной лопатки рабочего колеса.

Перо каждой лопатки может быть выполнено переменной по ширине и высоте пера толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот спинки и корыта относительно условной хорды, соединяющей боковые кромки пера лопатки.

Технический результат изобретения, достигаемый приведенной совокупностью существенных признаков рабочего колеса третьей ступени ротора КНД ТРД, заключается в повышении КПД и расширении диапазона режимов газодинамической устойчивости компрессора на 2,2% при повышении ресурса рабочего колеса в 2 раза.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 изображено рабочее колесо третьей ступени вала ротора КНД, продольный разрез;

на фиг. 2 - фрагмент рабочего колеса третьей ступени вала ротора КНД, фронтальная проекция;

на фиг. 3 - лопатка рабочего колеса третьей ступени, вид сверху;

на фиг. 4 - перо лопатки рабочего колеса третьей ступени, поперечный разрез;

на фиг. 5 - фрагмент обода диска рабочего колеса третьей ступени, фронтальная проекция.

Рабочее колесо третьей ступени ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, снабженного корпусом с проточной частью и валом барабанно-дисковой конструкции, имеющим цапфы передней и задней опор, содержит диск 1 в виде моноэлемента, включающего ступицу 2 с центральным отверстием 3, сопряженную с полотном 4. На полотно 4 оперт обод 5 с рабочими лопатами 6. Лопатки 6 выполнены выпукло-вогнутыми в поперечном сечении и имеют каждая перо 7 с осью, боковыми кромками 8 и хвостовик 9 с продольной осью.

Обод 5 соединен ассиметрично с полотном 4 диска 1 с образованием двух разноплечих, конически расширяющихся вдоль оси ротора в направлении потока рабочего тела полок - фронтальной полки 10 и тыльной полки 11. Суммарная равноплечая часть ширины полок 10 и 11 снабжена пазами 12, в которые заведены хвостовики 9 лопаток 6. Выступающий за габарит пазов 12 консольный участок тыльной полки 11 обода 5 развит до контакта с проставкой соединения с диском последующей ступени ротора с возможностью передачи крутящего момента.

Продольная ось каждого из указанных пазов 12 диска 1 образует с осью рабочего колеса в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к оси пера 7 лопатки 6, угол α₀ установки хвостовика 9 лопатки 6, определенный в диапазоне значений α₀=(21÷26)°. Пазы 12 равномерно разнесены по периметру диска 1 и выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком 9 лопатки 6.

Хорда, соединяющая в корневой зоне 13 боковые кромки 8 пера 7 каждой лопатки 6, образует с осью двигателя в проекции на упомянутую условную плоскость угол установки пера 7 лопатки 6, нарастающий с радиальным удалением от оси рабочего колеса с градиентом закрутки пера 7 G_з.п, принятым в диапазоне

G_з.п.=(α_π-α_к)/L_cp=(169,5÷248,4) [град/м],

где α_к - проекция угла закрутки хорды корневого сечения пера лопатки относительно оси ротора в условной осевой плоскости ротора, нормальной к оси пера лопатки; α_п - аналогичная проекция угла закрутки относительно оси ротора наиболее удаленной периферийной хорды пера в плоскости, параллельной упомянутой осевой плоскости; L_cp - средняя осевая длина пера лопатки.

Полотно 4 диска 1 снабжено с тыльной стороны по направлению потока рабочего тела кольцевым коническим элементом 14 для силового соединения с ответным коническим элементом задней цапфы ротора с возможностью передачи крутящего момента от ТНД, а также радиальных и осевых усилий на элементы, преимущественно, задней опоры вала ротора. Конический элемент 14 выполнен с наклоном образующей к оси вала ротора под углом β, составляющим не менее 35°.

Перо 7 лопатки 6 выполнено выпукло-вогнутым с вогнутой поверхностью в виде корыта 15, наделенного функцией нагнетания, и с выпуклой поверхностью, образующей спинку 16 пера 7, наделенную функцией всасывания потока рабочего тела при вращении рабочего колеса.

Полотно 4 диска 1 рабочего колеса, усиленное ступицей 2, выполнено с центральным отверстием 3, имеющим диаметр, достаточный для обеспечения свободного пропуска через указанное отверстие двигателя.

Перо 7 лопатки 6 выполнено расширяющимся к периферийному торцу 17 с градиентом расширения хорды G_x

G_x=(L_п.х.-L_к.х.)/L_cp=(6,1÷8,6)·10^-2 [м/м],

где L_п.х. - длина периферийной хорды, соединяющей боковые кромки 8 пера 7 лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора; L_к.х. - длина корневой хорды, соединяющей боковые кромки 8 пера 7 лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора; L_cp - средняя осевая длина пера лопатки.

Периферийный торец 17 пера 7 лопатки 6 выполнен скошенным с уклоном в направлении потока рабочего тела, конгруэнтным ответной поверхности проточной части двигателя в зоне третьей ступени КНД.

Площадь F₁ ометания воздушного потока лопатками 6 на входе в рабочее колесо выполнена составляющей (0,38÷0,55) от полной площади F₀, условно ограниченной входным контуром воздухозаборника воздушного потока перед коком входного направляющего аппарата (ВНА), в проекции на плоскость, нормальную к оси двигателя. Площадь F₁ принята превышающей площадь F₂ на выходе из рабочего колеса у выходной кромки лопаток в (1,04÷1,21) раза.

По второму варианту настоящего изобретения рабочее колесо ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, имеющего проточную часть, содержит рабочие лопатки 6, предназначенные для установки в имеющем диск 1 с пазами 12 рабочем колесе третьей ступени КНД. Каждая лопатка 6 комплекта включает перо 7. Длина пера 7 по радиальной оси принята перекрывающей с возможностью вращения рабочего колеса поперечное сечение проточной части двигателя на участке длины третьей ступени КНД.

Перо 7 каждой лопатки 6 выполнено с переменной относительно оси ротора осевой закруткой, нарастающей от корневого к периферийному сечению, нормальным к оси пера 7, с градиентом закрутки пера G_з.п, определенным в проекции на условную осевую плоскость рабочего колеса в диапазоне

G_з.п.=(α_π-α_к)/L_cp=(169,5÷248,4) [град/м],

где α_к - проекция угла закрутки хорды корневого сечения пера лопатки относительно оси ротора в условной осевой плоскости ротора, нормальной к радиальной оси пера лопатки; α_п - аналогичная проекция угла закрутки относительно оси ротора наиболее удаленной периферийной хорды пера в плоскости, параллельной упомянутой осевой плоскости; L_cp - средняя осевая длина пера лопатки.

Каждая лопатка 6 снабжена предназначенным для заведения в любой из пазов 12 диска 1 хвостовиком 9 с продольной осью, размещенной под углом к оси ротора, который в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к оси пера 7 лопатки, составляет α₀=(21÷26)°.

Перо 7 каждой лопатки 6 выполнено с боковыми кромками, расходящимися к периферийному торцу с градиентом увеличения хорды G_x

G_x=(L_п.х.-L_к.х.)/L_cp=(6,1÷8,6)·10^-2 [м/м],

где L_п.х. - длина периферийной хорды, соединяющей боковые кромки 8 пера 7 лопатки; L_к.х. - длина корневой хорды, соединяющей боковые кромки пера лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора; L_cp - средняя осевая длина пера лопатки.

Количество лопаток 6 рабочего колеса третьей ступени ротора принято от 39 до 57 лопаток.

Перо 7 каждой лопатки 6 выполнено выпукло-вогнутым с вогнутой поверхностью в виде корыта 15 и с выпуклой поверхностью, образующей спинку 16 пера 7. Хорда, соединяющая боковые кромки 8 пера 7 в корневой зоне 13 образует с осью ротора в проекции на упомянутую условную плоскость угол установки пера 7 не менее угла α₀ установки хвостовика 9 лопатки.

Каждая лопатка 6 снабжена антивибрационной полкой 18, расположенной в зоне одной трети длины от периферийного торца 17 пера 7 лопатки 6. Каждый торец 19 указанной полки 18 выполнен с возможностью взаимного опирания на обращенный к нему аналогичный торец смежной лопатки рабочего колеса.

Перо 7 каждой лопатки 6 выполнено переменной по ширине и высоте пера 7 толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот спинки 16 и корыта 15 относительно условной хорды 20, соединяющей боковые кромки 8 пера 7 лопатки 6.

Рабочее колесо третьей ступени КНД ТРД состоит из диска 1 и установленных на нем рабочих лопаток 6. Диск третьей ступени изготавливают объемной штамповкой из поковки в виде моноэлемента, включающего выполненные заодно целое массивную ступицу 2, полотно 4 и обод 5. Профили полотна 4 и ступицы 2 формируют обтачиванием заготовки с последующей полировкой.

Изготовленный диск имеет следующие геометрические параметры: габаритная ширина ступицы - 25 мм; диаметр центрального отверстия ступицы - 150 мм; средняя толщина полотна - 5 мм; ширина обода - 43 мм; минимальный и максимальный диаметры внешней поверхности обода диска - 509 мм и 517 мм соответственно; угол наклона внешней поверхности обода диска - 5°.

Лопатку рабочего колеса третьей ступени ротора КНД ТРД поэтапно изготавливают из прутка авиационного сплава. На первом этапе отрезают фрагмент прутка требуемой длины, из которого электровысадкой с последующей механической обработкой выполняют заготовку лопатки с локальными утолщениями на участках расположения хвостовика 9 и антивибрационной полки 18. На следующем этапе заготовку подвергают общему нагреву в электропечи до состояния термопластичности и выполняют горячую объемную штамповку, используя штамп, состоящий из двух ответно профилированных полуматриц. Рабочая поверхность одной из полуматриц штампа включает участок, форма которого выполнена ответной пространственной поверхности спинки 16 пера 7 лопатки. Рабочая поверхность другой полуматрицы штампа включает участок, форма которого выполнена ответной пространственной поверхности корыта 15 пера 7 лопатки. После чего лопатку подвергают механической обработке, включая обдирку облоя фрезерованием, протягивание хвостовика 9.

Доводку обтекаемых поверхностей профилей пера 7 и антивибрационной полки 18 производят фрезерованием с последующей полировкой. Контактные торцы 19 антивибрационной полки 18 упрочняют, нанося на них высокопрочный слой.

Изготовленная таким образом лопатка состоит из объединенных в одно целое пера 7 с хвостовиком 9 и антивибрационной полкой 18, выполненной как сегмент сборного кольца лопаточного венца рабочего колеса третьей ступени ротора КНД ТРД.

Профиль пера 7 лопатки 6 имеет следующие геометрические параметры:

- в корневом сечении профиль пера лопатки выполнен с максимальной толщиной профиля C_max=4,2 мм; длина хорды пера - 40,4 мм; угол α_к установки профиля пера к оси вращения ротора в проекции на осевую плоскость последнего, нормальную к оси пера лопатки, составляет 24°;

- в периферийном сечении профиль пера лопатки выполнен с максимальной толщиной профиля C_max=1,95 мм; длина хорды пера принята 51 мм; угол α_п установки профиля пера к оси вращения ротора в проекции на осевую плоскость последнего, нормальную к оси пера лопатки, составляет 55°;

- средняя длина L_cp профиля пера составляет 145,7 мм.

На внешней стороне обода 5 диска 1 выполняют протягиванием замковые пазы 12 для крепления лопаток путем установки хвостовика 9 в пазу 12 обода 5 диска. В рабочем колесе третьей ступени устанавливают 57 лопаток. Пазы 12 выполнены со следующими геометрическими параметрами: угол наклона контактных поверхностей с хвостовиком лопатки к донной плоскости паза составляет 70°; ширина основания паза - 16 мм.

Лопатки удерживают от перемещения в радиальном направлении от действия центробежных сил при помощи контактных выступов замка типа «ласточкин хвост». Каждую лопатку удерживают в диске от перемещения в направлении протяжки паза с помощью штифта. Лопатки сопрягают по ответным торцам смежных антивибрационных полок 18.

Антивибрационная полка 18 лопатки выполнена с максимальной толщиной 4 мм и размещена на среднем радиусе от оси вращения ротора, принятым 358 мм, с контактными поверхностями, выполненными под углом 26° к оси вращения ротора в проекции на осевую плоскость последнего, нормальную к оси пера лопатки.

Рабочее колесо имеет следующие геометрические параметры: входной и выходной диаметры внутренней поверхности рабочего колеса - 508 мм и 517 мм; аналогично периферийной поверхности рабочего колеса - 808 мм и 800 мм; максимальная ширина третьей ступени ротора - 43 мм.

В процессе работы ТРД диск 1 рабочего колеса третьей ступени приводится во вращение путем передачи крутящего момента от турбины низкого давления (ТНД) через силовую барабанно-дисковую оболочку вала ротора КНД с включением в работу лопаток 6 рабочего колеса. В результате чего происходит нагнетание воздушного потока в КНД. На вогнутой поверхности в виде корыта 15 пера 7 каждой лопатки 6 создается зона повышенного давления, а на выпуклой поверхности, образующей спинку 16 пера 7, создается при этом зона пониженного давления, усиливающая образование направленного воздушного потока. Вращающиеся лопатки 6 рабочего колеса ротора передают энергию воздушному потоку, направляя сжимаемый поток на лопатки статора третьей ступени, и после выравнивания в последнем поток поступает в последующие ступени КНД. Одновременно диск 1 воспринимает центробежные нагрузки и через конический кольцевой элемент 14 и фронтальную полку 10 передает радиальные и осевые нагрузки на опоры вала ротора.

В процессе реализации разработанной в изобретении конструкции рабочего колеса третьей ступени ротора КНД технический результат достигается только при установке лопатки в рабочем колесе с ориентацией профиля пера 7 в корневом сечении лопатки под углом α_к к оси ротора в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к оси пера 7, в диапазоне угловых значений α_к=(21÷26)° в сочетании с одновременным согласованным удовлетворением условий соответствия найденных в изобретении геометрических и аэродинамических параметров пространственной конфигурации пера 7 и градиентов их изменения по высоте лопатки 6. В качестве оси пера 7 лопатки принята единственная прямая продольная ось профиля пера, совпадающая с осью закрутки профиля. В качестве оси ротора принята ось вращения ротора. При назначении угла α_к в корневом сечении лопатки, принятом из интервала значений α_к=(21÷26)°, найденного в изобретении с учетом углов установки профиля пера предыдущих и последующей ступеней ротора компрессора, достигают наиболее высокие значения КПД, запасов ГДУ компрессора и ресурса рабочего колеса.

При уменьшении угла α_к<21° существенно ограничивается диапазон газодинамической устойчивости работы компрессора, падает КПД ступени и возрастает риск аварийно опасного срыва воздушного потока с выпуклой спинки 16 лопатки с результирующей потерей ГДУ. С увеличением угла α_к>26° возрастает риск срыва воздушного потока с корыта 15 пера 7 лопатки и снижается КПД. Кроме того, при увеличении угла α_к>26° неоправданно возрастают напряжения в лопатке на всех режимах работы КНД, что приводит к снижению ресурса, увеличению материалоемкости рабочего колеса и в конечном счете к утяжелению компрессора и снижению эксплуатационной экономичности двигателя.

Аналогичные процессы имеют место с получением положительного результата при соблюдении и отрицательного при выходе за пределы найденных в группе изобретений границ диапазона градиентов G_з.п. по длине L_cp пера 7 лопатки. При выполнении трехмерного профиля пера лопатки со значениями градиента G_з.п<169,5 [град/м] существенно ограничивается диапазон ГДУ работы КНД, падает КПД ступени и возрастает риск аварийно опасного срыва потока воздушного потока с выпуклой спинки 17 лопатки 6 с результирующей потерей ГДУ. Увеличение отношения разности углов установки хорды пера 7 по длине лопатки до значений градиента G_з.п., превышающих верхний принятый по изобретению предел G_з.п.>248,4 [град/м], приводит к недопустимому уменьшению угла раскрытия периферийного участка пера 7 лопатки, что в свою очередь приводит к снижению КПД, негативному уменьшению диапазона ГДУ компрессора и недопустимому рассогласованию работы третьей ступени ротора с предыдущими и последующей ступенями компрессора низкого давления.

Градиент G_x увеличения хорды 20 пера 7 лопатки 6 по средней длине L_cp пера 7 лопатки характеризует парусность пера, образованную в результате углового расхождения входной и выходной боковых кромок 8 пера 1 от втулки до периферийного торца 17. Парусность пера 7 по высоте лопатки спрофилирована по упомянутому градиенту G_x углового расширения хорды 20 пера с заявленным диапазоном G_x=(6,1÷8,6)·10^-2 [м/м], при котором обеспечивается получение технического результата изобретения. Уменьшение отношения разности длин периферийной и корневой хорд пера 7 к средней длине L_ср пера (G_x<6,1·10^-2) приводит к образованию недостаточной густоты заполнения периферийного кольцевого участка площади поперечного сечения проточной части лопаточного венца периферийными участками пера лопаток в проекции на условную плоскость, нормальную к оси ротора. Как следствие возникает недопустимое снижение запаса ГДУ, сужение диапазона газодинамической устойчивости работы компрессора и существенному снижению КПД за счет возможного срыва воздушного потока со спинки 16 лопатки. Увеличение (G_x>8,6·10^-2) приводит к неоправданному увеличению потерь от трения потока о профиль пера лопатки и к снижению КПД компрессора.

Технический результат настоящего изобретения достигают совокупностью разработанных в изобретении конструктивных решений и геометрических параметров основных элементов диска рабочего колеса третьей ступени ротора КНД, а именно радиальных параметров диска, геометрической конфигурации обода 5 с разноплечими кольцевыми полками 10 и 11, принятого сочетания тонкого полотна 4 и осевой ширины ступицы 2, компенсирующей ослабление полотна 4 диска центральным отверстием 3, что приводит к снижению материалоемкости и повышению максимальных допустимых усилий в элементах диска. Диаметр отверстия 3 в ступице 2 принят достаточным для свободного пропуска шлицевой трубы при монтаже и ремонтных операциях сборки компрессора. Превышение радиуса отверстия в ступице 2 не менее чем на 10% относительно радиуса шлицевой трубы необходимо для заведения в полость компрессора монтажного и ремонтно-технологического инструмента.

Полотно 4 снабжено коническим кольцевым элементом 14, выполненным с углом β наклона образующей к геометрической оси диска, составляющим не менее 35°. Выполнение угла β обеспечивает оптимальное повышение объемной жесткости соединения полотна 4 с конической диафрагмой и ресурса диска в условиях многократных изгибно-крутильных нагружений в процессе эксплуатации компрессора, обеспечивает необходимую компактность узла без увеличения материалоемкости диска. Выполнение угла β<35° привело бы к неоправданному увеличению осевых габаритов и повышению материалоемкости конической диафрагмы как переходного элемента задней опоры диска, не оказывая положительного влияния на технический результат изобретения.

Таким образом, за счет улучшения конструктивных и аэродинамических параметров рабочего колеса третьей ступени достигают повышение КПД и увеличение запаса ГДУ на всех режимах работы компрессора при повышении ресурса рабочего колеса без увеличения материалоемкости.

Группа изобретений, связанных единым творческим замыслом, относится к области авиадвигателестроения, а именно к рабочим колесам компрессоров низкого давления авиационных ТРД. Рабочее колесо третьей ступени вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя содержит диск со ступицей, центральным отверстием, полотно и обод, а также рабочие лопатки, выполненные выпукло-вогнутыми в поперечном сечении. Каждая лопатка включает перо и хвостовик. Обод ассиметрично соединен с полотном диска с образованием двух разноплечих наклонных в направлении вектора потока конических полок. Суммарная равноплечая часть ширины полок снабжена пазами, в которые заведены хвостовики лопаток. Выступающие за габарит пазов консольные участки полок обода развиты до контакта с ответными полками ободов дисков предшествующей и последующей ступеней. Продольная ось каждого из пазов образует с осью рабочего колеса в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к оси пера, угол α₀ установки хвостовика в диапазоне значений α₀=(21÷26)°. Пазы разнесены по периметру диска. При этом хорда боковых кромок пера в корневой зоне лопатки образует с осью ротора в проекции угол установки пера α_к, нарастающий по радиальной высоте пера с градиентом закрутки пера, составляющим G_з.п=(169,5÷248,4) [град/м]. Технический результат, достигаемый изобретением, состоит в повышении КПД и увеличении запаса ГДУ на всех режимах работы компрессора при повышении ресурса рабочего колеса третьей ступени КНД без увеличения материалоемкости. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Рабочее колесо ротора компрессора низкого давления (КНД) турбореактивного двигателя (ТРД), снабженного корпусом с проточной частью и валом барабанно-дисковой конструкции, имеющим цапфы передней и задней опор, характеризующееся тем, что выполнено в качестве рабочего колеса третьей ступени вала ротора, содержит диск в виде моноэлемента, включающего снабженную центральным отверстием ступицу, сопряженную с полотном, на которое оперт обод, снабженный рабочими лопатками, имеющими каждая перо с осью, боковыми кромками и хвостовик с продольной осью, при этом перо лопатки выполнено выпукло-вогнутым в поперечном сечении лопатки с вогнутой поверхностью в виде корыта и с выпуклой поверхностью, образующей спинку пера, а обод ассиметрично соединен с полотном диска с образованием двух разноплечих, конически расширяющихся вдоль оси ротора по направлению потока рабочего тела полок - фронтальной и тыльной, суммарная равноплечая часть ширины которых снабжена пазами с заведенными в них хвостовиками лопаток, а выступающий за габарит пазов консольный участок тыльной полки обода развит до контакта с проставкой соединения с диском последующей ступени ротора с возможностью передачи крутящего момента, причем продольная ось каждого из упомянутых пазов диска образует с осью рабочего колеса в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к оси пера лопатки, угол α₀ установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α₀=(21÷26)°, a пазы равномерно разнесены по периметру диска и выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки, при этом хорда, соединяющая в корневой зоне боковые кромки пера каждой лопатки, образует с осью двигателя в проекции на упомянутую условную плоскость угол установки пера лопатки, нарастающий с радиальным удалением от оси колеса с градиентом закрутки пера G_з.п., принятым в диапазоне
G_з.п.=(α_п-α_к)/L_ср=(169,5÷248,4) [град/м],
где α_к - проекция угла закрутки хорды корневого сечения пера лопатки относительно оси ротора в условной осевой плоскости ротора, нормальной к оси пера лопатки; α_п - аналогичная проекция угла закрутки относительно оси ротора наиболее удаленной периферийной хорды пера в плоскости, параллельной упомянутой осевой плоскости; L_cp - средняя осевая длина пера лопатки.

2. Рабочее колесо по п. 1, отличающееся тем, что полотно диска снабжено с тыльной стороны по направлению потока рабочего тела кольцевым коническим элементом для силового соединения с ответным коническим элементом задней цапфы ротора, при этом конический элемент выполнен с наклоном образующей к оси вала ротора под углом β, составляющим не менее 35°.

3. Рабочее колесо по п. 1, отличающееся тем, что перо лопатки выполнено расширяющимся к периферийному торцу с градиентом расширения хорды G_x
G_x=(L_п.х.-L_к.х.)/L_cp=(6,1÷8,6)·10^-2 [м/м],
где L_п.х. - длина периферийной хорды, соединяющей боковые кромки пера лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора; L_к.х. - длина корневой хорды, соединяющей боковые кромки пера лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора; L_cp - средняя осевая длина пера лопатки.

4. Рабочее колесо по п. 3, отличающееся тем, что периферийный торец пера лопатки выполнен скошенным с уклоном в направлении потока рабочего тела, конгруэнтным ответной поверхности проточной части двигателя в зоне третьей ступени КНД.

5. Рабочее колесо по п. 1, отличающееся тем, что площадь F₁ ометания воздушного потока лопатками на входе в рабочее колесо выполнена составляющей (0,38÷0,55) от полной площади F₀, условно ограниченной входным контуром воздухозаборника воздушного потока перед коком входного направляющего аппарата (ВНА), в проекции на плоскость, нормальную к оси двигателя, при этом площадь F₁ принята превышающей площадь F₂ на выходе из колеса у выходной кромки лопаток в (1,04÷1,21) раза.

6. Рабочее колесо ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, имеющего проточную часть, характеризующееся тем, что содержит рабочие лопатки, предназначенные для установки в имеющем диск с пазами рабочем колесе третьей ступени КНД, число которых принято от 39 до 57 лопаток, при этом каждая лопатка содержит перо, длина которого по оси принята перекрывающей с возможностью вращения рабочего колеса поперечное сечение проточной части двигателя на участке длины третьей ступени КНД, причем перо каждой лопатки выполнено с переменной относительно оси ротора осевой закруткой, нарастающей от корневого к периферийному сечению, нормальным к оси пера, с градиентом закрутки пера G_з.п., определенным в проекции на условную осевую плоскость рабочего колеса в диапазоне
G_з.п.=(α_п-α_к)/L_cp=(169,5÷248,4) [град/м],
где α_к - проекция угла закрутки хорды корневого сечения пера лопатки относительно оси ротора в условной осевой плоскости ротора, нормальной к оси пера лопатки; α_п - аналогичная проекция угла закрутки относительно оси ротора наиболее удаленной периферийной хорды пера в плоскости, параллельной упомянутой осевой плоскости; L_cp - средняя осевая длина пера лопатки, причем каждая лопатка снабжена предназначенным для заведения в любой из пазов диска хвостовиком с продольной осью, размещенной под углом к оси ротора, который в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к оси пера лопатки, составляет α₀=(21÷26)°.

7. Рабочее колесо по п. 6, отличающееся тем, что перо каждой лопатки выполнено с боковыми кромками, расходящимися к периферийному торцу с градиентом увеличения хорды G_x
G_x=(L_п.х.-L_к.х.)/L_cp=(6,1÷8,6)·10^-2 [м/м],
где L_п.х. - длина периферийной хорды, соединяющей боковые кромки пера лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора; L_к.х. - длина корневой хорды, соединяющей боковые кромки пера лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора; L_cp - средняя осевая длина пера лопатки.

8. Рабочее колесо по п. 6, отличающееся тем, что перо каждой лопатки выполнено выпукло-вогнутым с вогнутой поверхностью в виде корыта и с выпуклой поверхностью, образующей спинку пера, кроме того, хорда, соединяющая боковые кромки пера в корневой зоне, образует с осью ротора в проекции на упомянутую условную плоскость угол установки пера не менее угла α₀ установки хвостовика лопатки.

9. Рабочее колесо по п. 6, отличающееся тем, что каждая лопатка снабжена антивибрационной полкой, расположенной в зоне одной трети длины от периферийного торца пера лопатки, а каждый торец указанной полки выполнен с возможностью взаимного опирания на обращенный к нему аналогичный торец смежной лопатки рабочего колеса.

10. Рабочее колесо по п. 8, отличающееся тем, что перо каждой лопатки выполнено переменной по ширине и высоте пера толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот спинки и корыта относительно условной хорды, соединяющей боковые кромки пера лопатки.