СЕКЦИЯ ВАЛА РОТОРА КОМПРЕССОРА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2016 года по МПК F04D29/32 F01D5/06 

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

Известен вал ротора многоступенчатой турбины двигателя, включающий диски первой, второй и третьей ступени с возможностью оснащения рабочими лопатками. Диски контактируют между собой нижними фланцами. В окружном направлении зафиксированы штифтами, образуя внутренний силовой пояс. Диск третьей ступени с помощью фланца прикреплен к валу (RU 2211337 С1, опубл. 27.08.2003).

Известен вал ротора барабанно-дискового типа осевого компрессора двигателя с дисками, попарно объединенными в ступени и расположенными последовательно по потоку в продольной плоскости сечения барабана. Оба диска каждой ступени соединены между собой с помощью кольцевого бурта первого диска и посадочного пояска в полотне второго диска. Кольцевой бурт второго диска образует трактовую барабанную оболочку, выполняя роль проставки между вторым и первым дисками каждой последующей рабочей ступени. На ободах дисков выполнены клиновидные кольцевые углубления, которые образуют кольцевой паз типа "ласточкин хвост" для контакта с клиновидными кольцевыми выступами на торцах полок рабочих лопаток ротора (RU 2269678 С1, опубл. 10.02.2006).

Известен вал ротора компрессора низкого давления (КНД), включающий систему из четырех дисков, каждый из которых 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 дисков, образующих конфигурацию вала ротора и влияющих на площадь проходного сечения проточной части и размещение на ободе диска пазов и лопаток, формирующих аэродинамические процессы взаимодействия вала ротора с потоком рабочего тела, вследствие отсутствия конкретизации диапазонов геометрических и аэродинамических параметров пространственной конфигурации дисков и угловой ориентации пазов в ободах дисков, 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 вала ротора при минимуме материалоемкости дисков и их соединений в конструкции вала.

Задача настоящего изобретения состоит в разработке вала ротора барабанно-дисковой конструкции КНД ТРД с дисками улучшенной аэродинамической конфигурации, пространственной жесткости узлов и элементов соединения дисков вала ротора, обеспечивающими получение параметров вала, а также внутреннего контура и проходного сечения проточной части, формируемых дисками и проставками вала, необходимыми для повышения КПД, газодинамической устойчивости и ресурса без увеличения материалоемкости компрессора.

Поставленная задача решается тем, что секция вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, включающего корпус с проточной частью, согласно изобретению выполнена в качестве первой секции вала ротора по ходу воздушного потока в КНД и включает цапфу передней опоры вала ротора, диск первой ступени, диск второй ступени и цилиндрическую проставку, снабженную фланцем, при этом секция выполнена неразборной, причем каждый диск выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в кольцевое полотно, усиленное ступицей, снабженной центральным отверстием, а обод каждого диска снабжен со стороны, обращенной к проточной части, системой пазов для замкового соединения с рабочими лопатками ротора, причем продольная ось каждого из пазов диска первой ступени образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиусу, проведенному через центральную точку оси паза, угол α, определенный в диапазоне значений α=(19÷25)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y=(4,777÷6,688) [ед./рад], при этом обод диска первой ступени выполнен с возрастающим от входа к выходу из секции радиусом с градиентом радиального расширения G_{1 об}, определенным в диапазоне

где R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска первой ступени, а В_об - осевая ширина диска первой ступени; кроме того обод диска первой ступени асимметрично соединен с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок, тыльная из которых превышает ширину фронтальной не менее чем в два раза, при этом радиус диска от оси ротора до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна диска составляет (0,32÷0,55) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя.

При этом конфигурация поперечного сечения пазов обода диска первой ступени может быть выполнена по типу «ласточкин хвост».

Участки внешней поверхности обода дисков первой и второй ступени между пазами для лопаток ротора могут быть выполнены образующими внутреннюю поверхность проточной части двигателя.

Фронтальная полка обода диска первой ступени может быть снабжена в осевой плоскости каждого паза сквозным отверстием для пропуска фиксатора хвостовика лопатки.

Тыльная полка обода диска первой ступени может быть развита на ширину, достаточную для размещения в указанной полке элементов лабиринтного уплотнения и обеспечения контакта с ответной фронтальной полкой обода диска второй ступени.

По второму варианту поставленная задача решается тем, что секция вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, включающего корпус с проточной частью, согласно изобретению выполнена в качестве первой секции вала ротора по ходу воздушного потока в КНД и включает последовательно соединенные цапфу передней опоры вала ротора, диск первой ступени, диск второй ступени и завершающую указанную секцию вала ротора кольцевую цилиндрическую проставку, снабженную фланцем для разъемного соединения с последующей секцией вала ротора, при этом секция выполнена неразборной, причем каждый диск выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в кольцевое полотно, усиленное ступицей, снабженной центральным отверстием, а обод каждого диска снабжен со стороны, обращенной к проточной части, системой пазов, обеспечивающих возможность замкового соединения с рабочими лопатками ротора, причем обод диска первой ступени выполнен с возрастающим от входа к выходу из секции радиусом, а образующая внешней поверхности обода диска первой ступени составляет с осью вала в осевой плоскости последнего угол φ=(17÷27)°.

При этом обод диска первой ступени может быть выполнен с возрастающим от входа к выходу из секции радиусом с градиентом радиального расширения G_{1 об}, определенным в диапазоне

где R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска первой ступени, а В_об - осевая ширина обода диска первой ступени.

Обод диска первой ступени может быть асимметрично соединен с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок, тыльная из которых превышает ширину фронтальной не менее чем в два раза, при этом радиус диска от оси ротора до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна диска составляет (0,324-0,55) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя.

Обод диска первой ступени может быть снабжен со стороны, обращенной к проточной части двигателя, системой пазов, предназначенных для последующего размещения лопаток, продольная ось каждого из которых образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиусу, проведенному через центральную точку оси паза, угол α, определенный в диапазоне значений α=(19÷25)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y=(4,777÷6,688) [ед./рад].

Полотно диска первой ступени с фронтальной стороны может быть снабжено в зоне, примыкающей к ободу, расположенным под ободом коническим кольцевым элементом, который выполнен с углом наклона образующей к геометрической оси диска, превышающим угол наклона образующей внешней поверхности обода и принятым в диапазоне β=(52÷72)°, а также с возможностью силового соединения с коническим элементом цапфы передней опоры.

По третьему варианту поставленная задача решается тем, что секция вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, включающего корпус с проточной частью, согласно изобретению выполнена в качестве первой секции вала ротора по ходу воздушного потока в КНД и включает последовательно соединенные цапфу передней опоры вала ротора, диск первой ступени, диск второй ступени и цилиндрическую проставку, снабженную фланцем, при этом секция выполнена неразборной, причем каждый диск выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в кольцевое полотно, усиленное ступицей, снабженной центральным отверстием, а обод каждого диска снабжен со стороны, обращенной к проточной части, системой пазов для последующего замкового соединения с рабочими лопатками ротора, при этом продольная ось каждого из пазов диска второй ступени образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиусу, проведенному через центральную точку оси паза, угол α, определенный в диапазоне значений α=(21÷27)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска, причем обод диска второй ступени выполнен с возрастающим от входа к выходу из секции радиусом с градиентом радиального расширения G_{2 об}, определенным в диапазоне

где R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска второй ступени, а В_об - осевая ширина обода диска второй ступени; при этом радиус диска второй ступени от оси ротора до верхней поверхности обода в средней плоскости полотна диска составляет (0,42÷0,70) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя.

При этом конфигурация поперечного сечения пазов обода диска второй ступени может быть выполнена по типу «ласточкин хвост».

Участки внешней поверхности обода дисков первой и второй ступени между пазами для лопаток ротора могут быть выполнены образующими внутреннюю поверхность проточной части двигателя.

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

Тыльная полка обода диска второй ступени может быть выполнена с возможностью неразъемного соединения с цилиндрической проставкой, имеющей ширину, достаточную для размещения на ней элементов лабиринтного уплотнения и обеспечения контакта с диском третьей ступени второй секции вала ротора.

По четвертому варианту поставленная задача решается тем, что секция вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, включающего корпус с проточной частью, согласно изобретению выполнена в качестве первой секции вала ротора по ходу воздушного потока в КНД и включает последовательно соединенные цапфу передней опоры вала ротора, диск первой ступени, диск второй ступени и завершающую указанную секцию вала ротора кольцевую цилиндрическую проставку, снабженную фланцем для возможного разборного соединения с последующей секцией вала ротора, при этом секция выполнена неразборной, причем каждый диск выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в кольцевое полотно, усиленное ступицей, снабженной центральным отверстием, а обод диска снабжен со стороны, обращенной к проточной части, системой пазов, обеспечивающих возможность последующего замкового соединения с лопатками ротора, причем обод диска второй ступени выполнен с возрастающим от входа к выходу из секции радиусом, а образующая внешней поверхности обода диска второй ступени первой секции составляет с осью вала в осевой плоскости последнего угол φ=(10÷20)°.

При этом обод диска второй ступени может быть выполнен с возрастающим от входа к выходу из секции радиусом с градиентом радиального расширения G_{2 об}, определенным в диапазоне

где R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска второй ступени, а В_об - осевая ширина обода диска второй ступени.

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

Обод диска второй ступени может быть снабжен со стороны, обращенной к проточной части двигателя, системой пазов, предназначенных для последующего размещения лопаток, продольная ось каждого из которых образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиусу, проведенному через центральную точку оси паза, угол α, определенный в диапазоне значений α=(21-4-27)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y=(5,88÷7,96) [ед./рад].

Технический результат группы изобретений, достигаемый приведенной совокупностью существенных признаков вала ротора КНД ТРД, заключается в повышении КПД и расширении запаса газодинамической устойчивости в полном диапазоне режимов работы компрессора на 2,2% при повышении ресурса вала ротора в 2 раза.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 изображен вал ротора компрессор низкого давления ТРД, продольный разрез;

на фиг. 2 - фрагмент обода дисков первой секции вала ротора КНД, вид сверху.

Секция вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, включающего корпус с проточной частью, выполнена в качестве первой секции вала ротора по ходу воздушного потока в КНД и включает цапфу 1 передней опоры вала ротора, диск 2 первой ступени, диск 3 второй ступени и цилиндрическую проставку 4, снабженную фланцем 5.

Первая секция выполнена неразборной. Каждый диск 2 и 3 выполнен в виде моноэлемента, включающего обод 6, переходящий в кольцевое полотно 7, усиленное ступицей 8, снабженной центральным отверстием 9. Обод 6 каждого диска 2, 3 снабжен со стороны, обращенной к проточной части, системой пазов 10 для замкового соединения с рабочими лопатками 11 ротора.

Продольная ось каждого из пазов 10 диска 2 первой ступени образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиусу, проведенному через центральную точку оси паза 10, угол α, определенный в диапазоне значений

α=(19÷25)°.

Пазы 10 равномерно разнесены по периметру диска 2 с угловой частотой Y=(4,777÷6,688) [ед./рад].

Обод 6 диска 2 первой ступени выполнен с возрастающим от входа к выходу из секции радиусом с градиентом радиального расширения G_{1 об}, определенным в диапазоне

где R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности 14 обода 6 диска 2, а В_об - осевая ширина обода диска 2.

Обод 6 диска 2 первой ступени асимметрично соединен с полотном 7 диска 2 с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок 12 и 13. Тыльная полка 13 превышает ширину фронтальной полки 12 не менее чем в два раза. Радиус диска 2 от оси ротора до внешней поверхности 14 обода 6 в средней плоскости полотна 7 диска 2 составляет (0,32÷0,55) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя.

Конфигурация поперечного сечения пазов 10 обода 6 диска 2 первой ступени выполнена по типу «ласточкин хвост».

Участки внешней поверхности 14 обода 6 дисков 2 и 3 первой и второй ступени соответственно между пазами 10, предназначенными для последующей установки лопаток 11, выполнены образующими внутреннюю поверхность проточной части двигателя в зоне расположения дисков.

Фронтальная полка 12 обода 6 диска 2 первой ступени снабжена в осевой плоскости каждого паза 10 сквозным отверстием (на чертежах не показано) для пропуска фиксатора хвостовика 15 лопатки 11.

Тыльная полка 13 обода 6 диска 2 первой ступени развита на ширину, достаточную для размещения в указанной полке элементов 16 лабиринтного уплотнения и обеспечения контакта с ответной фронтальной полкой 17 обода 6 диска 3 второй ступени с возможностью силового соединения с последней и передачи крутящего момента от ТНД.

По второму варианту секция вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, включающего корпус с проточной частью, выполнена в качестве первой секции вала ротора по ходу воздушного потока в КНД и включает последовательно соединенные цапфу 1 передней опоры вала ротора, диск 2 первой ступени, диск 3 второй ступени и завершающую указанную секцию вала ротора кольцевую, преимущественно, цилиндрическую проставку 4, снабженную фланцем 5 для разъемного соединения с последующей секцией вала ротора.

Первая секция выполнена неразборной. Каждый диск 2, 3 выполнен в виде моноэлемента, включающего обод 6, переходящий в кольцевое полотно 7, усиленное ступицей 8, снабженной центральным отверстием 9. Обод 6 каждого диска 2, 3 снабжен со стороны, обращенной к проточной части, системой пазов 10, обеспечивающих возможность замкового соединения с рабочими лопатками 11 ротора.

Обод 6 диска 2 первой ступени выполнен с возрастающим от входа к выходу из секции радиусом. Образующая внешней поверхности 14 обода 6 диска 2 первой ступени составляет с осью вала в осевой плоскости последнего угол φ=(17÷27)°.

Обод 6 диска 2 первой ступени выполнен с возрастающим от входа к выходу из секции радиусом с градиентом радиального расширения G_{1 об}, определенным в диапазоне

где R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности 14 обода 6 диска 2, а В_об - осевая ширина обода диска 2.

Обод 6 диска 2 первой ступени асимметрично соединен с полотном 6 диска 2 с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок 12 и 13. Тыльная полка 13 превышает ширину фронтальной полки 12 не менее чем в два раза. Радиус диска 2 от оси ротора до внешней поверхности обода 6 в средней плоскости полотна 7 диска 2 составляет (0,32÷0,55) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя.

Обод 6 диска 2 первой ступени снабжен со стороны, обращенной к проточной части двигателя, системой пазов 10, предназначенных для последующего размещения лопаток 11. Продольная ось каждого паза 10 образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиусу, проведенному через центральную точку оси паза, угол α, определенный в диапазоне значений α=(19÷25)°. Пазы 10 равномерно разнесены по периметру диска 2 с угловой частотой Y=(4,777÷6,688) [ед./рад].

Полотно 7 диска 2 первой ступени с фронтальной стороны снабжено в зоне, примыкающей к ободу 6, расположенным под ободом 6 коническим кольцевым элементом 18. Кольцевой элемент 18 выполнен с углом наклона образующей к геометрической оси диска 2, превышающим угол наклона образующей внешней поверхности 14 обода 6 и принятым в диапазоне β=(52÷72)°. Кольцевой элемент 18 выполнен для силового соединения с коническим элементом 19 цапфы 1 передней опоры и передачи через конический кольцевой элемент 18 диска 2 радиальных, осевых усилий и крутящего момента на элементы передней опоры ротора.

По третьему варианту секция вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, включающего корпус с проточной частью, выполнена в качестве первой секции вала ротора по ходу воздушного потока в КНД и включает последовательно соединенные цапфу 1 передней опоры вала ротора, диск 2 первой ступени, диск 3 второй ступени и цилиндрическую проставку 4, снабженную фланцем 5.

Первая секция выполнена неразборной. Каждый диск 2 и 3 выполнен в виде моноэлемента, включающего обод 6, переходящий в кольцевое полотно 7, усиленное ступицей 8, снабженной центральным отверстием 9. Обод 6 каждого диска 2, 3 снабжен со стороны, обращенной к проточной части, системой пазов 10 для последующего замкового закрепления рабочих лопаток 11 ротора.

Продольная ось каждого из пазов 10 диска 3 второй ступени образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиусу, проведенному через центральную точку оси паза 10, угол α, определенный в диапазоне значений

α=(21÷27)°. Пазы 10 равномерно разнесены по периметру диска 3.

Обод 6 диска 3 второй ступени выполнен с возрастающим от входа к выходу из секции радиусом с градиентом радиального расширения G_{2 об}, определенным в диапазоне

где R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности 14 обода 6 диска 3, а В_об - осевая ширина обода 6 диска 3.

Радиус диска 3 второй ступени от оси ротора до верхней поверхности 14 обода 6 в средней плоскости полотна 7 диска 3 составляет (0,42÷0,70) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя.

Конфигурация поперечного сечения пазов 10 обода 6 диска 3 второй ступени выполнена по типу «ласточкин хвост».

Участки внешней поверхности 14 обода 6 дисков первой и второй 2 и 3 соответственно ступени между пазами 10 для последующей установки лопаток 11 выполнены образующими внутреннюю поверхность проточной части двигателя.

Тыльная полка 20 обода 6 диска 3 второй ступени снабжена в осевой плоскости каждого паза 10 сквозным отверстием (на чертежах не показано) для пропуска фиксатора хвостовика 15 лопатки 11.

Тыльная полка 20 обода 6 диска 3 второй ступени выполнена с возможностью неразъемного соединения с цилиндрической проставкой 4, имеющей ширину, достаточную для размещения на ней элементов лабиринтного уплотнения 21 и обеспечения контакта с диском 22 третьей ступени второй секции вала ротора с возможностью жесткого силового соединения с последней и передачи крутящего момента от ТНД.

По четвертому варианту секция вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, включающего корпус с проточной частью, выполнена в качестве первой секции вала ротора по ходу воздушного потока в КНД и включает последовательно соединенные цапфу 1 передней опоры вала ротора, диск 2 первой ступени, диск 3 второй ступени и завершающую указанную секцию вала ротора кольцевую цилиндрическую проставку 4, снабженную фланцем 5, для возможного разборного соединения с последующей секцией вала ротора.

Первая секция выполнена неразборной. Каждый диск 2 и 3 выполнен в виде моноэлемента, включающего обод 6, переходящий в кольцевое полотно 7, усиленное ступицей 8, снабженной центральным отверстием 9. Обод 6 каждого диска 2, 3 снабжен со стороны, обращенной к проточной части, системой пазов 10 для последующего замкового соединения с рабочими лопатками 11 ротора.

Обод 6 диска 3 второй ступени выполнен с возрастающим от входа к выходу из секции радиусом. Образующая внешней поверхности 14 обода 6 диска 3 второй ступени первой секции составляет с осью вала в осевой плоскости последнего угол β=(10÷20)°.

Обод 6 диска 3 второй ступени выполнен с возрастающим от входа к выходу из секции радиусом с градиентом радиального расширения G_{2 об}, определенным в диапазоне

где R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности 14 обода 6 диска 3 второй ступени, а В_об - осевая ширина обода диска 3 второй ступени.

Радиус диска 3 второй ступени от оси ротора до верхней поверхности 14 обода 6 в средней плоскости полотна 7 диска 3 составляет (0,42÷0,70) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя.

В первой секции обод 6 диска 3 второй ступени снабжен со стороны, обращенной к проточной части двигателя, системой пазов 10 для последующего размещения лопаток 11. Продольная ось каждого из пазов 10 образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиусу, проведенному через центральную точку оси паза, угол α, определенный в диапазоне значений α=(21÷27)°. Пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y=(5,88÷7,96) [ед./рад].

Пример реализации изобретения

Вал ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя выполнен ступенчатой барабанно-дисковой конструкцией.

Диски первой и второй ступеней, входящие в первую секцию вала ротора КНД ТРД, изготавливают объемной штамповкой из поковки в виде моноэлемента, включающего выполненные за одно целое массивную ступицу 8, полотно 7 и обод 6. Профили полотна 7 и ступицы 8 формируют обтачиванием заготовки с последующей полировкой. На внешней стороне обода 6 выполняют протягиванием замковые пазы 10 для крепления лопаток 11.

Изготовленный диск первой ступени имеет следующие геометрические параметры: габаритная ширина ступицы - 34 мм; диаметр центрального отверстия ступицы - 120 мм; средняя толщина полотна - 9 мм; ширина обода - 61 мм; входной и выходной диаметры внешней поверхности обода диска - 364 мм и 415 мм; угол наклона внешней поверхности обода диска - 21°.

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

Первую секцию вала ротора изготавливают, последовательно соединяя неразъемно на сварке сборочные единицы - цапфу 1 передней опоры с диском 2 первой ступени. Затем тыльную полку 13 обода 6 диска 2 первой ступени также неразъемно на сварке соединяют с фронтальной полкой 17 диска 3 второй ступени. К тыльной полке 20 обода 6 диска 3 второй ступени присоединяют на сварке цилиндрическую проставку 4, снабженную фланцем 5 с радиально разнесенными отверстиями, для последующего соединения с полотном 7 диска 22 третьей ступени, входящего во вторую секцию. Соединение сборочных единиц выполняют электронно-лучевой сваркой под глубоким вакуумом.

При запуске двигателя вал ротора, объединяющий диски всех ступеней, приводится во вращение крутящим моментом, передаваемым от ТНД через объединенные в силовую оболочку барабанно-дисковой конструкции вала ротора КНД ободы дисков, и включает в работу лопатки рабочего колеса. В результате происходит нагнетание потока рабочего тела в КНД. При этом вал ротора КНД обеспечивает стабильность проектной формы и положение дисков всех ступеней в составе барабанно-дисковой конструкции на всех возможных режимах работы ТРД за счет восприятия силовой оболочкой вала сочетания нагрузок, возникающих в процессе работы компрессора, и через конические кольцевые элементы передает радиальные и осевые нагрузки на опоры вала ротора с меньшими потерями энергии и при пониженных вибрациях.

Технический результат изобретения достигают совокупностью разработанных в изобретении конструктивных решений и геометрических параметров основных элементов вала ротора КНД ТРД, а именно радиальных параметров дисков 2 и 3 соответственно первой и второй ступеней с геометрической конфигурацией внешней поверхности обода 6 дисков 2, 3 вала, образующей поверхность внутренней стенки проточной части двигателя, принятого сочетания тонкого полотна 7 и осевой ширины ступицы 8, компенсирующей ослабление полотна 7 диска центральным отверстием 9, что приводит к снижению материалоемкости и повышению максимальных допустимых усилий в элементах диска. Геометрические параметры центральный отверстий 9 в ступице 8 приняты достаточными для свободного пропуска шлицевой трубы при монтаже и ремонтных сборках. Превышение радиуса отверстия в ступице 9 относительно радиуса шлицевой трубы необходимо для заведения в полость компрессора монтажного и ремонтно-технологического инструмента при выполнении монтажных и ремонтных работ.

Функциональное назначение дисков 2 и 3 первой и второй ступеней - обеспечивать передачу механической энергии на лопатки 11 рабочего колеса. Это достигают при соблюдении условия, когда радиус R_д1 диска 2 первой ступени от оси ротора до внешней поверхности 14 обода 6 в средней плоскости полотна 7 составляет (0,32÷0,55) от радиуса R_п.к.1 периферийного контура проточной части двигателя, а радиус R_д2 диска 3 второй ступени - (0,42÷0,70) от радиуса R_п.к.2 периферийного контура проточной части двигателя. Выход за указанный диапазон в область отношений (R_д/R_п.к.) меньше заявленного значения приводит к неоправданному завышению материалоемкости лопаток рабочего колеса, перегруженности диска крутящим моментом от ТНД, рассогласованию с аэродинамической работой последующих ступеней и, как следствие, к снижению КПД компрессора, запасов ГДУ и ресурса диска. Выход за найденный в изобретении допустимый диапазон соотношений параметров (R_д/_п.к.) больше заявленного значения недопустимо снизит площадь входного сечения проточной части и расход рабочего тела в зоне первой и второй ступеней компрессора, уменьшит мощность двигателя и запас ГДУ при неоправданном повышении материалоемкости дисков.

Технический результат настоящего изобретения обеспечивают также заявленной геометрической конфигурацией диска 2 первой ступени в пределах указанного диапазона отношений разности выходного и входного радиусов к ширине обода 6 диска 2. Выход градиента G_об1 за пределы заявленного диапазона G_об=(0,31÷0,52) приведет к недопустимому рассогласованию радиальных параметров входного и выходного проходных сечений проточной части первой ступени и последовательно примыкающих 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 2, а также к дополнительному эксплуатационному расходу топлива и повышенному износу двигателя. Кроме того, при таком асимметричном решении ширины разноплечих кольцевых конических наклонных полок 12 и 13 обода 6 остаются равноплечими относительно условной средней плоскости полотна 7 диска фронтальная полка 12 и кольцевой участок тыльной полки 13 обода 4 диска, выходящие в проточную часть. Дополнительное уширение тыльной полки 13 обода 4 диска относительно ширины фронтальной полки 10 необходимо и достаточно для обеспечения подвижного сопряжения силовой оболочки барабанно-дисковой конструкции вала ротора с лопаточным венцом статора первой ступени КНД и работает на технический результат изобретения, повышая КПД, запас ГДУ ступени компрессора и ресурс диска первой ступени.

Технический результат настоящего изобретения обеспечивают также заявленной геометрической конфигурацией диска 3 второй ступени в пределах указанного диапазона отношений разности выходного и входного радиусов к ширине обода 6 диска 3. Выход градиента G_об1 за пределы заявленного диапазона G_об2=(0,23÷0,33) приведет к недопустимому рассогласованию радиальных параметров входного и выходного проходных сечений проточной части второй ступени и последовательно примыкающих 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 3, а также к дополнительному эксплуатационному расходу топлива и повышенному износу двигателя.

На внешней стороне обода 6 дисков 2 и 3 первой и второй ступеней выполняют протягиванием систему пазов 10 для закрепления лопаток 11. Пазы 10 расположены под углом к оси ротора. Технический результат изобретения достигают при выполнении пазов 10, расположенных под углом α, принятым из заявленного диапазона (19÷25)° для диска первой ступени и (21÷27)° для диска второй ступени, 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 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 10 дисков лопаток рабочего колеса ротора компрессора с результирующей потерей ГДУ. При увеличении угла α отклонения оси паза 10 диска от оси ротора выше заявленных значений 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 10 равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(4,777÷6,688) [ед./рад] для диска 2 первой ступени и Y_п=(5,88÷7,96) [ед./рад] для диска 3 второй ступени. Паза 10 выполнены в поперечном сечении с гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки. Технический результат изобретения обеспечивают при насыщении лопаточного венца количеством лопаток и соответственно пазов 10 на диске для закрепления хвостовиков лопаток, располагаемых с угловой частотой, принимаемой из диапазона, найденного в изобретении. При уменьшении числа лопаток и соответственно пазов 10 на ободе диска ниже нижнего предела указанного диапазона нарастает отставание потока от вращения лопаточного венца и возрастает риск потери ГДУ в указанной ступени компрессора. Превышение верхней границы указанного диапазона и соответствующем увеличении числа лопаток в лопаточном венце, образуемом на диске первой ступени, приводит к неоправданному ухудшению КПД и риску преждевременного запирания потока рабочего тела лопаточным венцом.

Полотно 7 диска 2 первой ступени снабжено коническим кольцевым элементом 18, выполненным с углом β=(52÷72)° наклона образующей к оси диска. Выполнение угла β принятым в диапазоне β=(52÷72)° обеспечивает оптимальное повышение объемной жесткости соединения полотна 7 диска с конической диафрагмой и ресурса вала в условиях многократных изгибно-крутильных нагружений в процессе эксплуатации компрессора, обеспечивает необходимую компактность узла без увеличения материалоемкости вала. Выполнение угла β<52° привело бы к неоправданному увеличению осевых габаритов и повышению материалоемкости конической диафрагмы вала как переходного элемента передней опоры, не оказывая положительного влияния на технический результат изобретения. Выполнение угла β>72° превышающим найденный в изобретении допустимый угловой диапазон величин β приводит к неоправданному повышению концентрации напряжений от односторонних внеосевых динамических нагрузок на полотно соответствующего диска и к снижению ресурса вала.

Таким образом, за счет улучшения конструктивных и аэродинамических параметров дисков первой и второй ступеней, объединенных в первую секцию вала ротора, достигают повышение КПД и расширение диапазона режимов газодинамической устойчивости КНД двигателя, а также снижение материалоемкости и повышение изгибной жесткости ротора и максимальных допустимых напряжений в элементах дисков.

Группа изобретений относится к области авиадвигателестроения. Секция вала ротора компрессора низкого давления (КНД) турбореактивного двигателя (ТРД), включающего корпус с проточной частью, выполнена в качестве первой секции вала ротора по ходу воздушного потока в КНД. Секция включает цапфу передней опоры вала ротора, диск первой ступени, диск второй ступени и цилиндрическую проставку. Секция выполнена неразборной. Каждый диск выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в кольцевое полотно, усиленное ступицей, снабженной центральным отверстием. Обод каждого диска снабжен системой пазов для замкового соединения с рабочими лопатками ротора. Продольная ось каждого из пазов образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиусу, проведенному через центральную точку оси паза, угол α. Пазы равномерно разнесены по периметру диска. Обод каждого диска выполнен с возрастающим от входа к выходу из секции радиусом с градиентом радиального расширения, составляющим G_1об=(0,31÷0,52) [м/м] и G_2об=(0,23÷0,33) [м/м]. Причем обод диска первой ступени асимметрично соединен с полотном диска с образованием разноплечих наклонных полок. Радиус диска первой ступени от оси ротора до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна диска составляет (0,32÷0,55) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя и (0,42÷0,70) для диска второй ступени. Технический результат, достигаемый изобретением, состоит в повышении КПД и увеличении запаса газодинамической устойчивости на всех режимах работы компрессора при повышении ресурса вала ротора КНД без увеличения материалоемкости. 4 н. и 15 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Секция вала ротора компрессора низкого давления (КНД) турбореактивного двигателя (ТРД), включающего корпус с проточной частью, характеризующаяся тем, что выполнена в качестве первой секции вала ротора по ходу воздушного потока в КНД и включает цапфу передней опоры вала ротора, диск первой ступени, диск второй ступени и цилиндрическую проставку, снабженную фланцем, при этом секция выполнена неразборной, причем каждый диск выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в кольцевое полотно, усиленное ступицей, снабженной центральным отверстием, а обод каждого диска снабжен со стороны, обращенной к проточной части, системой пазов для замкового соединения с рабочими лопатками ротора, причем продольная ось каждого из пазов диска первой ступени образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиусу, проведенному через центральную точку оси паза, угол α, определенный в диапазоне значений α=(19÷25)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y=(4,777÷6,688) [ед./рад], при этом обод диска первой ступени выполнен с возрастающим от входа к выходу из секции радиусом с градиентом радиального расширения G_{1 об}, определенным в диапазоне

где R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска первой ступени, а В_об - осевая ширина диска первой ступени; кроме того обод диска первой ступени асимметрично соединен с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок, тыльная из которых превышает ширину фронтальной не менее чем в два раза, при этом радиус диска от оси ротора до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна диска составляет (0,32÷0,55) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя.

2. Секция вала ротора компрессора низкого давления ТРД по п. 1, отличающаяся тем, что конфигурация поперечного сечения пазов обода диска первой ступени выполнена по типу «ласточкин хвост».

3. Секция вала ротора компрессора низкого давления ТРД по п. 1, отличающаяся тем, что участки внешней поверхности обода дисков первой и второй ступени между пазами для лопаток ротора выполнены образующими внутреннюю поверхность проточной части двигателя.

4. Секция вала ротора компрессора низкого давления ТРД по п. 1, отличающаяся тем, что фронтальная полка обода диска первой ступени снабжена в осевой плоскости каждого паза сквозным отверстием для пропуска фиксатора хвостовика лопатки.

5. Секция вала ротора компрессора низкого давления ТРД по п. 1, отличающаяся тем, что тыльная полка обода диска первой ступени развита на ширину, достаточную для размещения в указанной полке элементов лабиринтного уплотнения и обеспечения контакта с ответной фронтальной полкой обода диска второй ступени.

6. Секция вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, включающего корпус с проточной частью, характеризующаяся тем, что выполнена в качестве первой секции вала ротора по ходу воздушного потока в КНД и включает последовательно соединенные цапфу передней опоры вала ротора, диск первой ступени, диск второй ступени и завершающую указанную секцию вала ротора кольцевую цилиндрическую проставку, снабженную фланцем для разъемного соединения с последующей секцией вала ротора, при этом секция выполнена неразборной, причем каждый диск выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в кольцевое полотно, усиленное ступицей, снабженной центральным отверстием, а обод каждого диска снабжен со стороны, обращенной к проточной части, системой пазов, обеспечивающих возможность замкового соединения с рабочими лопатками ротора, причем обод диска первой ступени выполнен с возрастающим от входа к выходу из секции радиусом, а образующая внешней поверхности обода диска первой ступени составляет с осью вала в осевой плоскости последнего угол φ=(17÷27)°.

7. Секция вала ротора компрессора низкого давления ТРД по п. 6, отличающаяся тем, что обод диска первой ступени выполнен с возрастающим от входа к выходу из секции радиусом с градиентом радиального расширения G_{1 об}, определенным в диапазоне

где R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска первой ступени, а В_об - осевая ширина обода диска первой ступени.

8. Секция вала ротора компрессора низкого давления ТРД по п. 6, отличающаяся тем, что обод диска первой ступени асимметрично соединен с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок, тыльная из которых превышает ширину фронтальной не менее чем в два раза, при этом радиус диска от оси ротора до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна диска составляет (0,32÷0,55) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя.

9. Секция вала ротора компрессора низкого давления ТРД по п. 6, отличающаяся тем, что обод диска первой ступени снабжен со стороны, обращенной к проточной части двигателя, системой пазов, предназначенных для последующего размещения лопаток, продольная ось каждого из которых образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиусу, проведенному через центральную точку оси паза, угол α, определенный в диапазоне значений α=(19÷25)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y=(4,777÷6,688) [ед./рад].

10. Секция вала ротора компрессора низкого давления ТРД по п. 6, отличающаяся тем, что полотно диска первой ступени с фронтальной стороны снабжено в зоне, примыкающей к ободу, расположенным под ободом коническим кольцевым элементом, который выполнен с углом наклона образующей к геометрической оси диска, превышающим угол наклона образующей внешней поверхности обода и принятым в диапазоне β=(52÷72)°, а также с возможностью силового соединения с коническим элементом цапфы передней опоры.

11. Секция вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, включающего корпус с проточной частью, характеризующаяся тем, что выполнена в качестве первой секции вала ротора по ходу воздушного потока в КНД и включает последовательно соединенные цапфу передней опоры вала ротора, диск первой ступени, диск второй ступени и цилиндрическую проставку, снабженную фланцем, при этом секция выполнена неразборной, причем каждый диск выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в кольцевое полотно, усиленное ступицей, снабженной центральным отверстием, а обод каждого диска снабжен со стороны, обращенной к проточной части, системой пазов для последующего замкового соединения с рабочими лопатками ротора, при этом продольная ось каждого из пазов диска второй ступени образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиусу, проведенному через центральную точку оси паза, угол α, определенный в диапазоне значений α=(21÷27)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска, причем обод диска второй ступени выполнен с возрастающим от входа к выходу из секции радиусом с градиентом радиального расширения G_{2 об}, определенным в диапазоне

где R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска второй ступени, а В_об - осевая ширина обода диска второй ступени; при этом радиус диска второй ступени от оси ротора до верхней поверхности обода в средней плоскости полотна диска составляет (0,42÷0,70) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя.

12. Секция вала ротора компрессора низкого давления ТРД по п. 11, отличающаяся тем, что конфигурация поперечного сечения пазов обода диска второй ступени выполнена по типу «ласточкин хвост».

13. Секция вала ротора компрессора низкого давления ТРД по п. 11, отличающаяся тем, что участки внешней поверхности обода дисков первой и второй ступени между пазами для лопаток ротора выполнены образующими внутреннюю поверхность проточной части двигателя.

14. Секция вала ротора компрессора низкого давления ТРД по п. 11, отличающаяся тем, что тыльная полка обода диска второй ступени снабжена в осевой плоскости каждого паза сквозным отверстием для пропуска фиксатора хвостовика лопатки.

15. Секция вала ротора компрессора низкого давления ТРД по п. 11, отличающаяся тем, что тыльная полка обода диска второй ступени выполнена с возможностью неразъемного соединения с цилиндрической проставкой, имеющей ширину, достаточную для размещения на ней элементов лабиринтного уплотнения и обеспечения контакта с диском третьей ступени второй секции вала ротора.

16. Секция вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, включающего корпус с проточной частью, характеризующаяся тем, что выполнена в качестве первой секции вала ротора по ходу воздушного потока в КНД и включает последовательно соединенные цапфу передней опоры вала ротора, диск первой ступени, диск второй ступени и завершающую указанную секцию вала ротора кольцевую цилиндрическую проставку, снабженную фланцем для возможного разборного соединения с последующей секцией вала ротора, при этом секция выполнена неразборной, причем каждый диск выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в кольцевое полотно, усиленное ступицей, снабженной центральным отверстием, а обод диска снабжен со стороны, обращенной к проточной части, системой пазов, обеспечивающих возможность последующего замкового соединения с лопатками ротора, причем обод диска второй ступени выполнен с возрастающим от входа к выходу из секции радиусом, а образующая внешней поверхности обода диска второй ступени первой секции составляет с осью вала в осевой плоскости последнего угол φ=(10÷20)°.

17. Секция вала ротора компрессора низкого давления ТРД по п. 16, отличающаяся тем, что обод диска второй ступени выполнен с возрастающим от входа к выходу из секции радиусом с градиентом радиального расширения G_{2 об}, определенным в диапазоне

где R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска второй ступени, а В_об - осевая ширина обода диска второй ступени.

18. Секция вала ротора компрессора низкого давления ТРД по п. 16, отличающаяся тем, что радиус диска второй ступени от оси ротора до верхней поверхности обода в средней плоскости полотна диска второй ступени составляет (0,42÷0,70) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя.

19. Секция вала ротора компрессора низкого давления ТРД по п. 16, отличающаяся тем, что обод диска второй ступени снабжен со стороны, обращенной к проточной части двигателя, системой пазов, предназначенных для последующего размещения лопаток, продольная ось каждого из которых образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиусу, проведенному через центральную точку оси паза, угол α, определенный в диапазоне значений α=(21÷27)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y=(5,88÷7,96) [ед./рад].