ДИСК ВТОРОЙ СТУПЕНИ РОТОРА КОМПРЕССОРА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2015 года по МПК F04D29/32 F01D5/06 

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к компрессорам низкого давления авиационных турбореактивных двигателей.

Известен диск ротора осевого компрессора низкого давления (КНД) авиационного двигателя, включенный в систему дисков вала рабочих колес ротора компрессора. Диск рабочего колеса включает обод, полотно, ступицу, кольцевой бурт с фланцем и отверстиями в нем под призонные болты. На ободе диска выполнены клиновидные кольцевые углубления, которые образуют кольцевой паз типа "ласточкин хвост" для контакта с клиновидными кольцевыми выступами на торцах полок рабочих лопаток (RU 2269678 С1, опубл. 10.02.2006).

Известен диск второй ступени ротора компрессора низкого давления авиационного двигателя, включенный в систему из четырех дисков, образующих силовую оболочку вала ротора компрессора. Диск содержит обод для установки и приведения во вращение рабочих лопаток, сообщенный с валом турбины низкого давления (ТНД) турбореактивного двигателя (ТРД) (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. 249-259).

К недостаткам известных решений относятся отсутствие 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 диска второй 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 диска.

Задача, решаемая изобретением, состоит в разработке диска рабочего колеса второй ступени 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 второй ступени, подачи воздушного потока в последующие ступени КНД при повышении запасов ГДУ на всех режимах работы двигателя и ресурса без увеличения материалоемкости.

Поставленная задача решается тем, что диск второй ступени вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, в которой размещены имеющие хвостовик и перо с радиальной осью рабочие лопатки ротора, вал которого выполнен полым с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой и сообщен с турбиной низкого давления (ТНД), согласно изобретению выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в кольцевое полотно, усиленное ступицей, снабженной центральным отверстием, причем обод диска асимметрично соединен с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок, фронтальная из которых превышает ширину тыльной не менее чем в 1,07 раза, при этом обод выполнен выходящим в проточную часть и образующим вторую ступень барабанно-дисковой конструкции вала ротора с возможностью силового объединения соответственно с полкой обода диска предшествующей и полотном диска последующей ступени для передачи крутящего момента от ТНД и радиально-осевых усилий от совокупности ступеней вала ротора, причем внешняя поверхность обода выполнена образующей соответствующий осевой участок внутреннего контура проточной части двигателя с радиусом, возрастающим в осевом сечении КНД в сторону потока рабочего тела и с углом образующей внешней поверхности обода относительно оси вала, составляющим (10÷20)°, идентичным осевому углу относительно той же оси образующей внутреннего контура проточной части, монотонно изменяющейся в упомянутом направлении с градиентом радиального расширения G_об, определенным в диапазоне

где R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска, В_об - осевая ширина обода; причем обод диска снабжен со стороны, обращенной к проточной части, на участке осевой ширины, соизмеримой с проекцией ширины пера на условную осевую плоскость, совмещенную с радиальной осью пера лопатки, системой пазов для хвостовиков лопаток, продольная ось каждого из которых образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиальной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(21÷28)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(5,882÷7,962) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком рабочей лопатки.

При этом замковое соединение пазов обода диска с хвостовиками может быть выполнено по типу «ласточкин хвост».

Радиус диска от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна может составлять (0,42÷0,70) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя.

Тыльная полка обода диска может быть снабжена в осевой плоскости каждого паза сквозным отверстием для установки фиксатора хвостовика лопатки.

Тыльная полка обода диска может быть выполнена выступающей за габарит пера рабочей лопатки на ширину, достаточную для контакта и жесткого силового соединения с цилиндрической проставкой, снабженной элементами лабиринтного уплотнения и выполненной с Г-образным в поперечном сечении консольным кольцевым отгибом, образующим фланец, предпочтительно, снабженный системой отверстий для пропуска элементов разъемного соединения с полотном диска последующей ступени вала ротора.

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

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 изображен диск второй ступени вала ротора КНД, продольный разрез;

на фиг. 2 - фрагмент диска второй ступени вала ротора КНД, фронтальная проекция;

на фиг. 3 - фрагмент обода диска второй ступени вала ротора КНД, вид сбоку.

Турбореактивный двигатель выполнен с корпусом 1 с сужающейся от входа проточной частью 2, в которой размещены имеющие хвостовик и перо с радиальной осью рабочие лопатки ротора (на чертежах не показано). Вал выполнен полым с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой 3 и сообщен с турбиной низкого давления.

Диск второй ступени вала ротора компрессора низкого давления ТРД выполнен в виде моноэлемента, включающего обод 4, переходящий в кольцевое полотно 5, усиленное ступицей 6. Ступица 6 снабжена центральным отверстием 7, радиус которого не менее чем на 25% превышает радиус шлицевой трубы 3.

Обод 4 диска асимметрично соединен с полотном 5 диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок 8, 9. Фронтальная полка 8 превышает ширину тыльной полки 9 не менее чем в 1,07 раза.

Обод 4 диска выполнен выходящим в проточную часть 2 и образующим вторую ступень барабанно-дисковой конструкции вала ротора с возможностью силового объединения соответственно с полкой обода диска предшествующей и полотном диска последующей ступени (на чертежах не показано) для передачи крутящего момента от ТНД и радиально-осевых усилий от совокупности ступеней вала ротора. Внешняя поверхность 10 обода 4 диска образует соответствующий осевой участок внутреннего контура проточной части 2 корпуса 1 двигателя.

Обод 4 диска выполнен с возрастающим в осевом сечении КНД радиусом в направлении потока рабочего тела и с углом образующей внешней поверхности 10 обода 4 относительно оси 11 вала, составляющим (10÷20)°, идентичным относительно той же оси осевому углу образующей внутреннего контура проточной части 2, монотонно изменяющейся в упомянутом направлении с градиентом радиального расширения G_об, определенным в диапазоне

R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности 10 обода 4 диска, В_об - осевая ширина обода 4.

Обод 4 диска со стороны, обращенной к проточной части 2 корпуса 1 двигателя, на участке осевой ширины, соизмеримой с проекцией ширины пера рабочей лопатки на условную осевую плоскость, совмещенную с радиальной осью пера рабочей лопатки, снабжен системой пазов 12 для закрепления лопаток. Продольная ось каждого паза 12 образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиальной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(21÷28)°. Пазы 12 равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(5,882÷7,962) [ед/рад]. Пазы 12 выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями 13, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком рабочей лопатки. Замковое соединение пазов 12 обода 4 диска с хвостовиками выполнено по типу «ласточкин хвост».

Радиус диска от оси 11 до внешней поверхности 10 обода 4 в средней плоскости полотна составляет (0,42÷0,70) от радиуса периферийного контура проточной части 2 двигателя.

Диск выполнен с радиальным расстоянием от нижней точки ступицы 6 до верхней поверхности 10 обода 4 в осевой продольной плоскости пера лопатки с условной средней плоскости полотна 5 диска, не менее чем в 1,15 раза меньшим аналогичной радиальной величины рабочей лопатки диска, перекрывающей кольцевой просвет проточной части 2 корпуса 1 двигателя с доведением торца пера до конгруэнтного сопряжения с периферийной внутренней поверхностью проточной части 2 с минимальным зазором, достаточным для обеспечения свободного рабочего вращения системы «диск-лопатка».

Внутренняя поверхность проточной части 2 корпуса 1 двигателя в зоне расположения диска образована участками внешней поверхности 10 обода 4 диска между пазами 12 для установки лопаток.

Тыльная полка 9 обода 4 диска снабжена в осевой плоскости каждого паза сквозным отверстием (на чертежах не показано) для установки фиксатора хвостовика лопатки. Тыльная полка 9 обода 4 диска выполнена выступающей за габарит пера рабочей лопатки на ширину, достаточную для контакта и жесткого силового соединения с цилиндрической проставкой 14. Проставка 14 снабжена элементами 15 лабиринтного уплотнения и выполнена с Г-образным в поперечном сечении консольным кольцевым отгибом, образующим фланец 16, предпочтительно, снабженный системой отверстий 17 для пропуска элементов разъемного соединения с полотном присоединяемого диска последующей ступени вала ротора. Тыльная полка 9 обода 4 диска конструктивно выполнена с возможностью неразъемного присоединения к ней цилиндрической проставки 14 посредством электронно-лучевой сварки.

Диск второй ступени КНД ТРД изготавливают объемной штамповкой из поковки в виде моноэлемента, включающего выполненные за одно целое массивную ступицу 6, полотно 5 и обод 4. Профили полотна 5 и ступицы 6 формируют обтачиванием заготовки с последующей полировкой.

Изготовленный диск имеет следующие геометрические параметры: габаритная ширина ступицы - 30 мм; диаметр центрального отверстия ступицы - 157 мм; средняя толщина полотна - 6 мм; ширина обода - 50 мм; минимальный и максимальный диаметры внешней поверхности обода диска - 464 мм и 491 мм соответственно; угол наклона внешней поверхности обода диска - 15°.

На внешней стороне обода 4 выполняют протягиванием замковые пазы 12 для крепления лопаток в количестве 45 штук. Пазы 12 выполнены со следующими геометрическими параметрами: угол наклона контактных поверхностей с хвостовиком лопатки к донной плоскости паза составляет 70°; ширина основания паза - 18 мм; угол оси паза относительно оси вращения ротора в проекции на условную плоскость, проведенную через ось вращения ротора нормально к радиусу, проходящему через среднюю точку оси паза, составляет 24°.

При запуске турбореактивного двигателя диск второй ступени приводится во вращение крутящим моментом, передаваемым от ТНД, и включает в работу лопатки рабочего колеса. В результате чего происходит нагнетание рабочего тела в КНД. Одновременно диск воспринимает центробежные нагрузки.

Технический результат настоящего изобретения достигают совокупностью разработанных в изобретении конструктивных решений и геометрических параметров основных элементов диска рабочего колеса второй ступени ротора КНД, а именно радиальных параметров диска, геометрической конфигурации обода 4 с разноплечими кольцевыми полками 8 и 9, принятого сочетания тонкого полотна 5 и осевой ширины ступицы 6, компенсирующей ослабление полотна 5 диска центральным отверстием 7, что приводит к снижению материалоемкости и повышению максимальных допустимых усилий в элементах диска. Диаметр отверстия 7 в ступице 6 принят достаточным для свободного пропуска шлицевой трубы при монтаже и ремонтных операциях сборки компрессора. Превышение радиуса отверстия в ступице 6 не менее чем на 25% относительно радиуса шлицевой трубы необходимо для заведения в полость компрессора монтажного и ремонтно-технологического инструмента.

Технический результат настоящего изобретения обеспечивают заявленной геометрической конфигурацией диска в пределах указанного диапазона отношений разности выходного и входного радиусов к ширине обода 4 диска. Выход градиента G_об за пределы заявленного диапазона (0,23÷0,33) приведет к недопустимому рассогласованию радиальных параметров входного и выходного проходных сечений проточной части второй ступени и последовательно примыкающей к ней ступеней КНД, не обеспечит необходимых перепадов давлений рабочего тела в указанных ступенях КНД, что, как следствие, приведет к снижению КПД, запасов ГДУ компрессора и ресурса диска, а также к дополнительному эксплуатационному расходу топлива и повышенному износу двигателя. Кроме того, при таком ассиметричном решении ширины разноплечих кольцевых конических наклонных полок 8 и 9 обода 4 остаются равноплечими относительно условной средней плоскости полотна 5 диска тыльная полка 9 и участок фронтальной полки 8 обода 4 диска, выходящие в проточную часть. Дополнительное уширение фронтальной полки 8 обода 4 диска не менее чем в 1,07 раза относительно ширины тыльной полки 9 необходимо и достаточно для обеспечения подвижного сопряжения силовой оболочки барабанно-дисковой конструкции вала ротора с лопаточным венцом статора второй ступени КНД и работает на технический результат изобретения, повышая КПД, запас ГДУ ступени компрессора и ресурс диска.

На внешней стороне обода 4 диска выполняют протягиванием систему пазов 12 для закрепления лопаток. Пазы 12 расположены под углом к оси вращения ротора. Технический результат изобретения достигают при выполнении пазов, расположенных под углом α, принятым из заявленного диапазона (21÷28)°, так как при этом обеспечивается возможность установки хвостовика и пера лопатки под углом, создающим наибольший перепад давлений на входе и выходе потока рабочего тела из рабочего колеса второй ступени ротора КНД, и создаются наиболее благоприятные условия работы, повышающие запас ГДУ, КПД и ресурс при минимальной материалоемкости диска. Выход значений угла α за пределы заявленного диапазона приведет к существенному ограничению запаса ГДУ при многорежимной работе компрессора, снижению КПД ступени ротора и возрастанию риска аварийно опасного срыва воздушного потока с установленных в пазах 12 диска лопаток рабочего колеса второй ступени ротора компрессора с результирующей потерей ГДУ. При увеличении угла α₀>28° отклонения оси паза 12 диска от оси вращения ротора неоправданно возрастают напряжения в лопатках на всех режимах работы КНД, что приводит к снижению ресурса системы «диск -лопаточный венец», увеличению материалоемкости установленных на диске лопаток и в конечном счете к утяжелению компрессора и снижению эксплуатационной экономичности двигателя.

Кроме того, пазы 12 равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(5,882÷7,962) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении с гранями 13, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки. Технический результат изобретения обеспечивают при насыщении лопаточного венца количеством лопаток и соответственно пазов 12 на диске для закрепления хвостовиков лопаток, располагаемых с угловой частотой, принимаемой из диапазона, найденного в изобретении. При уменьшении числа лопаток и соответственно пазов 12 на ободе диска ниже нижнего предела указанного диапазона Y_п<5,882 [ед/рад] нарастает отставание потока от вращения лопаточного венца и возрастает риск потери ГДУ в указанной ступени компрессора. Превышение верхней границы указанного диапазона Y_п>7,962 [ед/рад] и соответствующее увеличение числа лопаток в лопаточном венце, образуемом на диске второй ступени, приводит к неоправданному ухудшению КПД и риску преждевременного запирания потока рабочего тела лопаточным венцом.

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

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к компрессорам низкого давления авиационных турбореактивных двигателей. Диск второй ступени ротора компрессора низкого давления ТРД выполнен в виде моноэлемента, включает обод, переходящий в кольцевое полотно, усиленное ступицей, снабженной центральным отверстием. Обод асимметрично соединен с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок. Фронтальная полка превышает ширину тыльной полки. Обод диска выполнен с возрастающим в сторону потока рабочего тела в осевом сечении КНД радиусом и с углом образующей внешней поверхности обода относительно оси вала ротора. Обод диска снабжен системой пазов для закрепления лопаток. Продольная ось каждого паза образует с осью вала ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиальной оси пера лопатки, угол установки хвостовика лопатки. Пазы равномерно разнесены по периметру диска с заявленной угловой частотой и выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки. Технический результат, достигаемый изобретением, состоит в повышении КПД и увеличении запаса ГДУ на всех режимах работы компрессора при повышении ресурса диска рабочего колеса второй ступени КНД без увеличения материалоемкости диска. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Диск второй ступени вала ротора компрессора низкого давления (КНД) турбореактивного двигателя (ТРД), имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, в которой размещены имеющие хвостовик и перо с радиальной осью рабочие лопатки ротора, вал которого выполнен полым с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой и сообщен с турбиной низкого давления (ТНД), характеризующийся тем, что диск выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в кольцевое полотно, усиленное ступицей, снабженной центральным отверстием, причем обод диска асимметрично соединен с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок, фронтальная из которых превышает ширину тыльной не менее чем в 1,07 раза, при этом обод выполнен выходящим в проточную часть и образующим вторую ступень барабанно-дисковой конструкции вала ротора с возможностью силового объединения соответственно с полкой обода диска предшествующей и полотном диска последующей ступени для передачи крутящего момента от ТНД и радиально-осевых усилий от совокупности ступеней вала ротора, причем внешняя поверхность обода выполнена образующей соответствующий осевой участок внутреннего контура проточной части двигателя с радиусом, возрастающим в осевом сечении КНД в сторону потока рабочего тела и с углом образующей внешней поверхности обода относительно оси вала, составляющим (10÷20)°, идентичным осевому углу относительно той же оси образующей внутреннего контура проточной части, монотонно изменяющейся в упомянутом направлении с градиентом радиального расширения G_об, определенным в диапазоне

где R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска, В_об - осевая ширина обода; причем обод диска снабжен со стороны, обращенной к проточной части, на участке осевой ширины, соизмеримой с проекцией ширины пера на условную осевую плоскость, совмещенную с радиальной осью пера лопатки, системой пазов для хвостовиков лопаток, продольная ось каждого из которых образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиальной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(21÷28)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(5,882÷7,962) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком рабочей лопатки.

2. Диск второй ступени по п. 1, отличающийся тем, что замковое соединение пазов обода диска с хвостовиками выполнено по типу «ласточкин хвост».

3. Диск второй ступени по п. 1, отличающийся тем, что радиус диска от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна составляет (0,42÷0,70) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя.

4. Диск второй ступени по п. 1, отличающийся тем, что тыльная полка обода диска снабжена в осевой плоскости каждого паза сквозным отверстием для установки фиксатора хвостовика лопатки.

5. Диск второй ступени по п. 1, отличающийся тем, что тыльная полка обода диска выполнена выступающей за габарит пера рабочей лопатки на ширину, достаточную для контакта и жесткого силового соединения с цилиндрической проставкой, снабженной элементами лабиринтного уплотнения и выполненной с Г-образным в поперечном сечении консольным кольцевым отгибом, образующим фланец, предпочтительно, снабженный системой отверстий для пропуска элементов разъемного соединения с полотном диска последующей ступени вала ротора.