ЛОПАТКА РАБОЧЕГО КОЛЕСА РОТОРА КОМПРЕССОРА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2016 года по МПК F04D29/38 F01D5/14 

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

Известна профилированная лопатка компрессора для диска рабочего колеса, имеющего аксиальную, тангенциальную и радиальную ортогональные оси, содержащая стороны повышенного и низкого давления, простирающиеся в радиальном направлении от хвостовика к вершине и в аксиальном направлении между передней и задней кромками, поперечные сечения, имеющие соответствующие хорды и линии изгиба, проходящие между передней и задней кромками, и центры тяжести, выровненные по оси укладки, имеющей двойной изгиб. Сторона низкого давления изогнута вдоль задней кромки вблизи хвостовика для уменьшения разделения потока на нем (RU 2000130594 A, опубл. 27.01.2003).

Известна рабочая лопатка компрессора, включающая перо и хвостовик. Хвостовик лопатки расположен горизонтально, а перо соединено с хвостовиком через промежуточный элемент - ножку. Между ножкой и пером размещена полка, формирующая проточную часть двигателя (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 неопределенность достижения эффективного взаимодействия лопаток с потоком рабочего тела вследствие отсутствия конкретизации диапазонов геометрических и аэродинамических параметров пространственной конфигурации пера и угловой установки лопатки в рабочем колесе третьей ступени ротора, а также сложность получения компромиссного сочетания повышенных значений КПД, газодинамической устойчивости (ГДУ) компрессора и как следствие сложность обеспечения оптимальной динамической прочности и повышенного ресурса лопатки.

Задача, решаемая группой изобретений, объединенных единым творческим замыслом, состоит в разработке лопатки рабочего колеса третьей ступени ротора компрессора низкого давления газотурбинного двигателя с улучшенными конструктивными и аэродинамическими параметрами пространственной конфигурации и жесткостью пера лопатки, обеспечивающими возможность увеличения расхода сжимаемого рабочего тела - воздуха в третьей ступени и подачи воздушного потока в последующую ступень КНД на всех режимах работы двигателя, а также увеличение газодинамической устойчивости и ресурса без увеличения материалоемкости лопатки.

Поставленная задача решается тем, что лопатка рабочего колеса третьей ступени ротора, включающего диск с пазами, компрессора низкого давления газотурбинного двигателя, содержащего проточную часть, которая ограничена по периферийному контуру корпусом двигателя, имеющего турбину низкого давления (ТНД), турбину высокого давления (ТВД) и силовую турбину (СТ), согласно изобретению, содержит перо с радиальной осью, хвостовик с продольной осью, предназначенный для установки в любой из пазов диска рабочего колеса третьей ступени с обеспечением угла α_к установки профиля пера к оси ротора в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к радиальной оси пера лопатки, имеющего в корневом сечении пера значение α_к=(20,4÷29,8)°; причем лопатка выполнена с углом установки профиля пера относительно оси ротора, нарастающим по высоте лопатки с радиальным удалением от упомянутой оси ротора с градиентом G_у.п изменения указанного угла установки профиля, имеющем в проекции на упомянутую условную осевую плоскость ротора значения в диапазоне

где α_к - проекция угла установки профиля пера в корневом сечении лопатки относительно оси ротора на условную осевую плоскость ротора, нормальную к радиальной оси пера лопатки; α_п - проекция угла установки профиля пера в периферийном сечении лопатки относительно оси ротора на условную осевую плоскость ротора, нормальную к радиальной оси пера лопатки; Н_ср - средняя высота пера лопатки;

при этом перо лопатки выполнено с входной и выходной кромками, расходящимися к периферийному торцу с градиентом G_у.x. увеличения хорды,

где L_п.x - длина периферийной хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора и нормальной радиальной оси пера лопатки; L_к.х. - длина корневой хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора и нормальной радиальной оси пера лопатки; Н_ср - средняя высота пера лопатки.

Причем лопатка может быть снабжена с двух сторон пера антивибрационной полкой, расположенной в зоне одной трети высоты пера от периферийного торца пера лопатки, а каждый торец указанной полки выполнен с возможностью взаимного опирания на обращенные к нему ответные торцы антивибрационных полок смежных лопаток рабочего колеса.

Перо лопатки может быть выполнено выпукло-вогнутым с вогнутой поверхностью, называемой корытом, обращенной вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п. - направлению полета) и с выпуклой поверхностью, образующей спинку пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки, при этом хорда, соединяющая входную и выходную кромки пера в корневой зоне, образует с осью ротора в проекции на упомянутую условную плоскость угол α_к установки профиля пера не менее угла α₀ установки хвостовика лопатки.

Перо лопатки может быть выполнено выпукло-вогнутым с вогнутой поверхностью - корытом, обращенной вогнутостью в сторону вращения ротора по часовой стрелке (вид по н.п.) и с выпуклой поверхностью, образующей спинку пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и против направления вращения часовой стрелки (вид по н.п.).

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

Периферийный торец пера лопатки может быть выполнен скошенным с повторением кривизны внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне третьей ступени КНД с уменьшением радиуса в направлении потока рабочего тела с высотой, достаточной для беспрепятственного вращения лопатки рабочего колеса в составе ротора КНД двигателя.

Поставленная задача по второму варианту изобретения решается тем, что лопатка рабочего колеса третьей ступени ротора, включающего диск с пазами, компрессора низкого давления газотурбинного двигателя, содержащего проточную часть, которая ограничена по периферийному контуру корпусом двигателя, имеющего турбину низкого давления, турбину высокого давления и силовую турбину, согласно изобретению, содержит перо с радиальной осью, хвостовик с продольной осью, предназначенный для установки в любой из пазов диска рабочего колеса третьей ступени с обеспечением угла α_к установки профиля пера к оси ротора в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к радиальной оси пера лопатки, имеющего в корневом сечении пера значение α_к=(20,4÷29,8)°; причем лопатка выполнена с углом установки профиля пера относительно оси ротора, нарастающим по высоте лопатки с радиальным удалением от упомянутой оси ротора с градиентом G_у.п. изменения указанного угла установки профиля, имеющем в проекции на упомянутую условную осевую плоскость ротора значения в диапазоне

где α_к - проекция угла установки профиля пера в корневом сечении лопатки относительно оси ротора на условную осевую плоскость ротора, нормальную к радиальной оси пера лопатки; α_п - проекция угла установки профиля пера в периферийном сечении лопатки относительно оси ротора на условную осевую плоскость ротора, нормальную к радиальной оси пера лопатки; Н_ср - средняя высота пера лопатки.

При этом перо лопатки может быть выполнено с входной и выходной кромками, расходящимися к периферийному торцу с градиентом G_у.x. увеличения хорды,

где L_п.x - длина периферийной хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора и нормальной радиальной оси пера лопатки; L_к.х. - длина корневой хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора и нормальной радиальной оси пера лопатки; Н_ср - средняя высота пера лопатки.

Лопатка может быть снабжена с двух сторон пера антивибрационной полкой, расположенной в зоне одной трети высоты пера от периферийного торца пера лопатки, а каждый торец указанной полки выполнен с возможностью взаимного опирания на обращенные к нему ответные торцы антивибрационных полок смежных лопаток рабочего колеса.

Перо лопатки может быть выполнено выпукло-вогнутым с вогнутой поверхностью, называемой корытом, обращенной вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п.) и с выпуклой поверхностью, образующей спинку пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки (вид по н.п.), при этом хорда, соединяющая входную и выходную кромки пера в корневой зоне, образует с осью ротора в проекции на упомянутую условную плоскость угол α_к установки профиля пера не менее угла α₀ установки хвостовика лопатки.

Перо лопатки может быть выполнено выпукло-вогнутым с вогнутой поверхностью - корытом, обращенной вогнутостью в сторону вращения ротора по часовой стрелке (вид по н.п.) и с выпуклой поверхностью, образующей спинку пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и против направления вращения часовой стрелки (вид по н.п.).

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

Поставленная задача по третьему варианту изобретения решается тем, что лопатка рабочего колеса третьей ступени ротора, включающего диск с пазами, компрессора низкого давления газотурбинного двигателя, содержащего проточную часть, которая ограничена по периферийному контуру корпусом двигателя, имеющего турбину низкого давления, турбину высокого давления и силовую турбину, согласно изобретению, содержит перо с радиальной осью, хвостовик с продольной осью, предназначенный для установки в любой из пазов диска рабочего колеса третьей ступени с обеспечением угла α_к установки профиля пера к оси ротора в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к радиальной оси пера лопатки, имеющего в корневом сечении пера значение α_к=(20,4÷29,8)°; причем перо лопатки выполнено с входной и выходной кромками, расходящимися к периферийному торцу с градиентом увеличения хорды G_у.x.,

где L_п.x - длина периферийной хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора и нормальной радиальной оси пера лопатки; L_к.х. - длина корневой хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора и нормальной радиальной оси пера лопатки; Н_ср - средняя высота пера лопатки.

При этом лопатка может быть снабжена с двух сторон пера антивибрационной полкой, расположенной в зоне одной трети высоты пера от периферийного торца пера лопатки, а каждый торец указанной полки выполнен с возможностью взаимного опирания на обращенные к нему ответные торцы антивибрационных полок смежных лопаток рабочего колеса.

Лопатка может быть выполнена с углом установки профиля пера относительно оси ротора, нарастающим по высоте лопатки с радиальным удалением от упомянутой оси ротора с градиентом G_у.п изменения указанного угла установки профиля, имеющем в проекции на упомянутую условную осевую плоскость ротора значения в диапазоне

где α_к - проекция угла установки профиля пера в корневом сечении лопатки относительно оси ротора на условную осевую плоскость ротора, нормальную к радиальной оси пера лопатки; α_п - проекция угла установки профиля пера в периферийном сечении лопатки относительно оси ротора на условную осевую плоскость ротора, нормальную к радиальной оси пера лопатки; Н_ср - средняя высота пера лопатки.

Перо лопатки может быть выполнено выпукло-вогнутым с вогнутой поверхностью, называемой корытом, обращенной вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п.) и с выпуклой поверхностью, образующей спинку пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки (вид по н.п.), при этом хорда, соединяющая входную и выходную кромки пера в корневой зоне, образует с осью ротора в проекции на упомянутую условную плоскость угол α_к установки профиля пера не менее угла α₀ установки хвостовика лопатки.

Перо лопатки может быть выполнено выпукло-вогнутым с вогнутой поверхностью - корытом, обращенной вогнутостью в сторону вращения ротора по часовой стрелке (вид по н.п.) и с выпуклой поверхностью, образующей спинку пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и против направления вращения часовой стрелки (вид по н.п.).

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

Максимальная толщина профиля пера лопатки может быть выполнена наибольшей в корневом сечении и убывающей по высоте пера к периферийному торцу с градиентом G_у.т., равным

где С_к - максимальная толщина корневого сечения профиля пера лопатки; С_п - максимальная толщина периферийного сечения профиля пера лопатки; Н_ср - средняя высота пера лопатки.

Поставленная задача по четвертому варианту изобретения решается тем, что лопатка рабочего колеса третьей ступени ротора, включающего диск с пазами, компрессора низкого давления газотурбинного двигателя, содержащего проточную часть, которая ограничена по периферийному контуру корпусом двигателя, имеющего турбину низкого давления, турбину высокого давления и силовую турбину, согласно изобретению, содержит перо с радиальной осью, хвостовик с продольной осью, предназначенный для установки в любой из пазов диска рабочего колеса третьей ступени с обеспечением угла α_к установки профиля пера к оси ротора в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к радиальной оси пера лопатки, имеющего в корневом сечении пера значение α_к=(20,4÷29,8)°; причем максимальная толщина профиля пера лопатки выполнена наибольшей в корневом сечении и убывающей по высоте пера к периферийному торцу с градиентом G_у.т., равным

где С_к - максимальная толщина корневого сечения профиля пера лопатки; С_п - максимальная толщина периферийного сечения профиля пера лопатки; Н_ср - средняя высота пера лопатки.

При этом лопатка может быть выполнена с углом установки профиля пера относительно оси ротора, нарастающим по высоте лопатки с радиальным удалением от упомянутой оси ротора с градиентом G_у.п изменения указанного угла установки профиля, имеющем в проекции на упомянутую условную осевую плоскость значения в диапазоне

где α_к - проекция угла установки профиля пера в корневом сечении лопатки относительно оси ротора на условную осевую плоскость ротора, нормальную к радиальной оси пера лопатки; α_п - проекция угла установки профиля пера в периферийном сечении лопатки относительно оси ротора на условную осевую плоскость ротора, нормальную к радиальной оси пера лопатки; Н_ср - средняя высота пера лопатки.

Перо лопатки может быть выполнено с входной и выходной кромками, расходящимися к периферийному торцу с градиентом G_у.x. увеличения хорды,

где L_п.x - длина периферийной хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора и нормальной радиальной оси пера лопатки; L_к.х. - длина корневой хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора и нормальной радиальной оси пера лопатки; Н_ср - средняя высота пера лопатки.

Лопатка может быть снабжена с двух сторон пера антивибрационной полкой, расположенной в зоне одной трети высоты пера от периферийного торца пера лопатки, а каждый торец указанной полки выполнен с возможностью взаимного опирания на обращенные к нему ответные торцы антивибрационных полок смежных лопаток рабочего колеса.

Перо лопатки может быть выполнено выпукло-вогнутым с вогнутой поверхностью, называемой корытом, обращенной вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п.) и с выпуклой поверхностью, образующей спинку пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки (вид по н.п.), при этом хорда, соединяющая входную и выходную кромки пера в корневой зоне, образует с осью ротора в проекции на упомянутую условную плоскость угол α_к установки профиля пера не менее угла α₀ установки хвостовика лопатки.

Периферийный торец пера лопатки может быть выполнен скошенным с повторением кривизны внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне третьей ступени КНД с уменьшением радиуса в направлении потока рабочего тела с высотой, достаточной для беспрепятственного вращения лопатки рабочего колеса в составе ротора КНД двигателя.

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

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 изображена лопатка рабочего колеса третьей ступени, вид сбоку;

на фиг. 2 - лопатка рабочего колеса третьей ступени, вид сверху;

на фиг. 3 - перо лопатки рабочего колеса третьей ступени, поперечный разрез;

на фиг. 4 - фрагмент диска рабочего колеса третьей ступени с пазами для установки хвостовиков лопаток, фронтальная проекция.

Газотурбинный двигатель включает компрессор низкого давления, турбину низкого давления, компрессор высокого давления, турбину высокого давления и силовую турбину. В группе изобретений, объединенных единых творческим замыслом, лопатка рабочего колеса третьей ступени ротора компрессора низкого давления ГТД, содержащего проточную часть, ограниченную по периферийному контуру корпусом двигателя, содержит перо 1 с радиальной осью, хвостовик 2 с продольной осью. Хвостовик 2 предназначен для установки в любой из пазов 3 диска 4 рабочего колеса третьей ступени с обеспечением угла α_к установки профиля пера 1 к оси ротора в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к радиальной оси пера 1 лопатки, имеющего в корневом сечении пера значение α_к=(20,4÷29,8)°.

Лопатка выполнена с углом установки профиля пера 1 относительно оси ротора, нарастающим по высоте лопатки с радиальным удалением от упомянутой оси ротора с градиентом G_у.п изменения указанного угла α_к, имеющем в проекции на упомянутую условную осевую плоскость ротора значения в диапазоне

где α_к - проекция угла установки профиля пера 1 в корневом сечении лопатки относительно оси ротора на условную осевую плоскость ротора, нормальную к радиальной оси лопатки; α_п - проекция угла установки профиля пера 1 в периферийном сечении лопатки относительно оси ротора на условную осевую плоскость ротора, нормальную к радиальной оси лопатки; Н_ср - средняя высота пера 1 лопатки.

Перо 1 лопатки выполнено с входной и выходной кромками 5 и 6 соответственно, расходящимися к периферийному торцу 7 с градиентом увеличения хорды G_у.x.,

где L_п.x - длина периферийной хорды, соединяющей входную и выходную кромки 5 и 6 пера 1 лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора и нормальной радиальной оси пера лопатки; L_к.х. - длина корневой хорды, соединяющей входную и выходную кромки 5 и 6 пера 1 лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора и нормальной радиальной оси пера лопатки; Н_ср - средняя высота пера 1 лопатки.

Лопатка рабочего колеса третьей ступени ротора снабжена с двух сторон пера 1 антивибрационной полкой 8, расположенной в зоне одной трети высоты пера 1 от периферийного торца 7 пера 1 лопатки. Каждый торец 9 указанной полки 8 выполнен с возможностью взаимного опирания на обращенные к нему ответные торцы антивибрационных полок смежных лопаток рабочего колеса.

Перо 1 лопатки выполнено выпукло-вогнутым профилем. Вогнутая поверхность профиля пера в виде корыта 10 выполнена обращенной вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п. - направлению полета). Выпуклая поверхность профиля пера 1, образующая спинку 11 пера, выполнена обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки (вид по н.п.). Хорда 12, соединяющая входную и выходную кромки 5 и 6 пера 1 в корневой зоне 13, образует с осью ротора в проекции на упомянутую условную плоскость угол α_к установки профиля пера 1 не менее угла α₀ установки хвостовика 2 лопатки.

Вариантно перо 1 лопатки выполнено выпукло-вогнутым профилем с вогнутой поверхностью - корытом 10, обращенной вогнутостью в сторону вращения ротора по часовой стрелке (вид по н.п.) и с выпуклой поверхностью, образующей спинку 11 пера 1, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и против направления вращения часовой стрелки (вид по н.п.).

Перо 1 лопатки выполнено переменной по ширине и высоте пера толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот спинки 11 и корыта 10 относительно хорды 12, соединяющей входную и выходную кромки 5 и 6 пера 1 лопатки.

Максимальная толщина профиля пера 1 лопатки выполнена наибольшей в корневом сечении и убывающей по высоте пера 1 к периферийному торцу 7 с градиентом G_у.т., равным

где С_к - максимальная толщина корневого сечения профиля пера 1 лопатки; С_п - максимальная толщина периферийного сечения профиля пера 1 лопатки; Н_ср - средняя высота пера 1 лопатки.

Периферийный торец 7 пера 1 лопатки выполнен скошенным с повторением кривизны внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне третьей ступени КНД с уменьшением радиуса в направлении потока рабочего тела с высотой, достаточной для беспрепятственного вращения лопатки рабочего колеса в составе ротора КНД двигателя.

Лопатку рабочего колеса третьей ступени ротора КНД ГТД 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 2 и антивибрационной полки 8. 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 11 пера 1 лопатки. Рабочая поверхность другой полуматрицы штампа включает участок, форма которого выполнена ответной пространственной поверхности корыта 10 пера 1 лопатки. После чего лопатку подвергают механической обработке, включая обдирку облоя фрезерованием, протягивание хвостовика 2.

Доводку обтекаемых поверхностей профилей пера 1 и антивибрационной полки 8 производят фрезерованием с последующей полировкой. Контактные торцы 9 антивибрационной полки 8 упрочняют, нанося на них высокопрочный слой.

Изготовленная таким образом лопатка состоит из объединенных в одно целое пера 1 с хвостовиком 2 и антивибрационной полкой 8, выполненной как сегмент сборного кольца лопаточного венца рабочего колеса третьей ступени ротора КНД ГТД.

Профиль пера лопатки имеет следующие геометрические параметры:

- в корневом сечении профиль пера 1 лопатки выполнен с максимальной толщиной профиля C_max=4,2 мм; длина хорды пера - 40,4 мм; угол α_к установки профиля пера 1 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_к установки профиля пера к оси вращения ротора в проекции на осевую плоскость последнего, нормальную к оси пера лопатки, составляет 55°;

- средняя высота Н_ср профиля пера 1 составляет 145,7 мм.

Антивибрационная полка 8 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.

Лопатка выполнена для фиксации на диске рабочего колеса вала ротора путем установки хвостовика 2 в пазу 3 обода диска 4.

При работе компрессора каждая лопатка рабочего колеса третьей ступени ротора КНД взаимодействует с рабочим телом, передавая последнему кинетическую и потенциальную энергию. В результате возникает направленный к выходу из лопаточного венца рабочего колеса поток сжимаемого рабочего тела, который поступает из межлопаточных каналов лопаточного венца рабочего колеса ротора на лопатки и в межлопаточные каналы направляющего аппарата статора третьей ступени. После выравнивания в направляющем аппарате поток поступает в последующую ступень КНД.

В процессе реализации разработанной в группе изобретений конструкции лопатки рабочего колеса третьей ступени ротора КНД технический результат достигается только при установке лопатки в рабочем колесе с ориентацией профиля пера 1 в корневом сечении лопатки под углом α_к к оси ротора в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную радиальной оси пера 1, в указанном угловом диапазоне значений α_к=(20,4÷29,8)°, в сочетании с одновременным согласованным удовлетворением условий соответствия найденных в группе изобретений геометрических и аэродинамических параметров пространственной конфигурации и градиентов их изменения по высоте лопатки. При назначении угла α_к в корневом сечении лопатки, принятом из интервала значений α_к=(20,4÷29,8)°, найденного в изобретении с учетом углов установки профиля пера последующих ступеней ротора компрессора, достигают наиболее высокие значения КПД, ГДУ компрессора и ресурса лопатки.

При уменьшении угла α_к<20,4° существенно ограничивается диапазон газодинамической устойчивости работы компрессора, падает КПД ступени и возрастает риск аварийно опасного срыва воздушного потока с выпуклой спинки 11 лопатки с результирующей потерей ГДУ. С увеличением угла α_к>29,8° возрастает риск срыва воздушного потока с корыта 10 пера 1 лопатки и снижается КПД. Кроме того при увеличении угла α_к>29,8° неоправданно возрастают напряжения в лопатке на всех режимах работы КНД, что приводит к снижению ресурса, увеличению материалоемкости лопаток 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 диапазонов градиентов G_у.п. по высоте Н_ср пера 1 лопатки. При выполнении трехмерного профиля пера лопатки со значениями градиента G_у.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 11 лопатки с результирующей потерей ГДУ. Увеличение отношения разности углов установки хорды 12 пера 1 по высоте лопатки до значений градиента G_у.x., превышающих верхний принятый по изобретению предел G_у.x.>248,4 [град/М], приводит к недопустимому уменьшению угла раскрытия периферийного участка 14 пера 1 лопатки, что в свою очередь приводит к снижению КПД, негативному уменьшению диапазона ГДУ компрессора и недопустимому рассогласованию работы третьей ступени ротора с последующими ступенями компрессора низкого давления.

Градиент G_у.x. увеличения хорды 12 пера 1 лопатки по средней высоте Н_ср пера 1 лопатки характеризует парусность пера 1, образованную в результате углового расхождения входной и выходной кромок 5 и 6 пера 1 от втулки до периферийного торца 7.

Парусность пера 1 по высоте лопатки спрофилирована по упомянутому градиенту G_у.x углового расширения хорды 12 пера с заявленным диапазоном G_у.х.=(5,8÷8,4)·10^-2 [м/м], что обеспечивает получение технического результата изобретения. Уменьшение отношения разности длин периферийной и корневой хорд пера 1 к средней высоте Н_ср пера (G_у.х.<5,8·10^-2) приводит к образованию недостаточной густоты заполнения кольцевого периферийного участка 14 площади поперечного сечения проточной части лопаточного венца периферийными участками 14 пера 1 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 11 лопатки. Увеличение (G_у.x.>8,4·10^-2) приводит к неоправданному увеличению потерь от трения потока о профиль пера 1 лопатки и к снижению КПД компрессора.

Технический результат повышения ресурса лопатки в два раза достигается при соблюдении условия соотношения разности толщин к средней высоте пера 1 лопатки, принимаемого в пределах найденного в изобретении указанного диапазона значений градиента G_у.т.=(1,44÷1,72)·10^-2 [м/м] за счет обеспечения требуемой статической и динамической жесткости при оптимальной материалоемкости профиля пера 1 лопатки.

При значениях градиента G_у.т.<1,44·10^-2 [м/м] возникает излишнее повышение материалоемкости вследствие неоправданного реальными сочетаниями нагрузок увеличения толщины периферийной части лопатки, что приводит к завышению массы компрессора и снижению экономичности двигателя.

При значениях градиента G_у.т.>1,72·10^-2 [м/м] требуемое повышение ресурса лопатки не достигается из-за снижения динамической прочности в процессе эксплуатации компрессора вследствие неоправданного возрастания параметров изгибных колебаний профиля пера 1 при недопустимом уменьшении максимальной толщины профиля в наиболее нагруженной периферийной части длины пера лопатки.

Таким образом, за счет улучшения конструктивных и аэродинамических параметров в вариантном исполнении лопатки рабочего колеса третьей ступени достигают повышение КПД и расширение диапазона режимов газодинамической устойчивости КНД двигателя без увеличения материалоемкости лопатки.

Изобретение относится к области авиадвигателестроения. Лопатка снабженного пазами диска рабочего колеса ротора компрессора низкого давления (КНД) газотурбинного двигателя (ГТД), включающего проточную часть, ограниченную по периферийному контуру корпусом двигателя, содержит перо и хвостовик. Лопатка предназначена для установки в любой из пазов диска рабочего колеса третьей ступени. Хвостовик лопатки имеет продольную ось, соосную или параллельную геометрической оси паза диска и образующую с осью вращения ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиальной оси пера лопатки, угол установки хвостовика, обеспечивающий получение угла установки профиля пера в корневом сечении лопатки в диапазоне α_к=(20,4÷29,8)°. Перо лопатки выполнено с закруткой относительно оси пера, обеспечивающей нарастание угла установки профиля пера по высоте лопатки с радиальным удалением от оси вращения ротора с градиентом G_у.п.,, определенным в диапазоне G_у.п=(169,5÷248,4) [град/м]. Перо лопатки выполнено с входной и выходной кромками, расходящимися к периферийному торцу с градиентом увеличения хорды G_у.x., составляющим (5,8÷8,4)·10^-2 [м/м]. Толщина профиля пера лопатки выполнена наибольшей в корневом сечении и убывающей по высоте пера к периферийному торцу с градиентом G_у.т.=(1,44÷1,72)·10^-2 [м/м]. Технический результат, достигаемый группой изобретений, состоит в улучшении геометрической конфигурации, пространственной жесткости, силовых и аэродинамических параметров лопатки рабочего колеса третьей ступени вала ротора КНД ГТД, а также в увеличении рабочего ресурса без увеличения материалоемкости и трудоемкости установки лопатки в рабочее колесо компрессора. 4 н. и 21 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Лопатка рабочего колеса третьей ступени ротора, включающего диск с пазами, компрессора низкого давления (КНД) газотурбинного двигателя (ГТД), содержащего проточную часть, которая ограничена по периферийному контуру корпусом двигателя, имеющего турбину низкого давления (ТНД), турбину высокого давления (ТВД) и силовую турбину (СТ), характеризующаяся тем, что лопатка содержит перо с радиальной осью, хвостовик с продольной осью, предназначенный для установки в любой из пазов диска рабочего колеса третьей ступени с обеспечением угла α_к установки профиля пера к оси ротора в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к радиальной оси пера лопатки, имеющего в корневом сечении пера значение α_к=(20,4÷29,8)°; причем лопатка выполнена с углом установки профиля пера относительно оси ротора, нарастающим по высоте лопатки с радиальным удалением от упомянутой оси ротора с градиентом G_у.п изменения указанного угла установки профиля, имеющем в проекции на упомянутую условную осевую плоскость ротора значения в диапазоне
G_у.п.-(α_п-α_к)/H_ср=(169,2÷248,4) [град/м],
где α_к - проекция угла установки профиля пера в корневом сечении лопатки относительно оси ротора на условную осевую плоскость ротора, нормальную к радиальной оси пера лопатки; α_п - проекция угла установки профиля пера в периферийном сечении лопатки относительно оси ротора на условную осевую плоскость ротора, нормальную к радиальной оси пера лопатки; Н_ср - средняя высота пера лопатки;
при этом перо лопатки выполнено с входной и выходной кромками, расходящимися к периферийному торцу с градиентом G_у.х. увеличения хорды,
G_у.х.=(L_п.х.-L_к.х.)/Н_ср=(5,8÷8,4)·10^-2 [м/м],
где L_п.х. - длина периферийной хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора и нормальной радиальной оси пера лопатки; L_к.х. - длина корневой хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора и нормальной радиальной оси пера лопатки; H_ср - средняя высота пера лопатки.

2. Лопатка рабочего колеса третьей ступени ротора по п. 1, отличающаяся тем, что снабжена с двух сторон пера антивибрационной полкой, расположенной в зоне одной трети высоты пера от периферийного торца пера лопатки, а каждый торец указанной полки выполнен с возможностью взаимного опирания на обращенные к нему ответные торцы антивибрационных полок смежных лопаток рабочего колеса.

3. Лопатка рабочего колеса третьей ступени ротора по п. 1, отличающаяся тем, что перо лопатки выполнено выпукло-вогнутым с вогнутой поверхностью, называемой корытом, обращенной вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п. - направлению полета) и с выпуклой поверхностью, образующей спинку пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки, при этом хорда, соединяющая входную и выходную кромки пера в корневой зоне, образует с осью ротора в проекции на упомянутую условную плоскость угол α_к установки профиля пера не менее угла α₀ установки хвостовика лопатки.

4. Лопатка рабочего колеса третьей ступени ротора по п. 1, отличающаяся тем, что перо лопатки выполнено выпукло-вогнутым с вогнутой поверхностью - корытом, обращенной вогнутостью в сторону вращения ротора по часовой стрелке (вид по н.п.) и с выпуклой поверхностью, образующей спинку пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и против направления вращения часовой стрелки (вид по н.п.).

5. Лопатка рабочего колеса третьей ступени ротора по п. 1, отличающаяся тем, что перо лопатки выполнено переменной по ширине и высоте пера толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот спинки и корыта относительно хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки.

6. Лопатка рабочего колеса третьей ступени ротора по п. 1, отличающаяся тем, что периферийный торец пера лопатки выполнен скошенным с повторением кривизны внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне третьей ступени КНД с уменьшением радиуса в направлении потока рабочего тела с высотой, достаточной для беспрепятственного вращения лопатки рабочего колеса в составе ротора КНД двигателя.

7. Лопатка рабочего колеса третьей ступени ротора, включающего диск с пазами, компрессора низкого давления газотурбинного двигателя, содержащего проточную часть, которая ограничена по периферийному контуру корпусом двигателя, имеющего турбину низкого давления, турбину высокого давления и силовую турбину, характеризующаяся тем, что лопатка содержит перо с радиальной осью, хвостовик с продольной осью, предназначенный для установки в любой из пазов диска рабочего колеса третьей ступени с обеспечением угла α_к установки профиля пера к оси ротора в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к радиальной оси пера лопатки, имеющего в корневом сечении пера значение α_к=(20,4÷29,8)°; причем лопатка выполнена с углом установки профиля пера относительно оси ротора, нарастающим по высоте лопатки с радиальным удалением от упомянутой оси ротора с градиентом G_у.п. изменения указанного угла установки профиля, имеющем в проекции на упомянутую условную осевую плоскость ротора значения в диапазоне
G_у.п.=(α_п-α_к)/Н_ср=(169,2÷248,4) [град/м],
где α_к - проекция угла установки профиля пера в корневом сечении лопатки относительно оси ротора на условную осевую плоскость ротора, нормальную к радиальной оси пера лопатки; α_п - проекция угла установки профиля пера в периферийном сечении лопатки относительно оси ротора на условную осевую плоскость ротора, нормальную к радиальной оси пера лопатки; Н_ср - средняя высота пера лопатки.

8. Лопатка рабочего колеса третьей ступени ротора по п. 7, отличающаяся тем, что перо лопатки выполнено с входной и выходной кромками, расходящимися к периферийному торцу с градиентом G_у.х. увеличения хорды,
G_у.х.=(L_п.х.-L_к.х)/H_cp=(5,8÷8,4)·10^-2 [м/м],
где L_п.х - длина периферийной хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора и нормальной радиальной оси пера лопатки; L_к.х. - длина корневой хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора и нормальной радиальной оси пера лопатки; H_ср - средняя высота пера лопатки.

9. Лопатка рабочего колеса третьей ступени ротора по п. 7, отличающаяся тем, что снабжена с двух сторон пера антивибрационной полкой, расположенной в зоне одной трети высоты пера от периферийного торца пера лопатки, а каждый торец указанной полки выполнен с возможностью взаимного опирания на обращенные к нему ответные торцы антивибрационных полок смежных лопаток рабочего колеса.

10. Лопатка рабочего колеса третьей ступени ротора по п. 7, отличающаяся тем, что перо лопатки выполнено выпукло-вогнутым с вогнутой поверхностью, называемой корытом, обращенной вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п.) и с выпуклой поверхностью, образующей спинку пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки (вид по н.п.), при этом хорда, соединяющая входную и выходную кромки пера в корневой зоне, образует с осью ротора в проекции на упомянутую условную плоскость угол α_к установки профиля пера не менее угла α₀ установки хвостовика лопатки.

11. Лопатка рабочего колеса третьей ступени ротора по п. 7, отличающаяся тем, что перо лопатки выполнено выпукло-вогнутым с вогнутой поверхностью - корытом, обращенной вогнутостью в сторону вращения ротора по часовой стрелке (вид по н.п.) и с выпуклой поверхностью, образующей спинку пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и против направления вращения часовой стрелки (вид по н.п.).

12. Лопатка рабочего колеса третьей ступени ротора по п. 7, отличающаяся тем, что перо лопатки выполнено переменной по ширине и высоте пера толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот спинки и корыта относительно хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки.

13. Лопатка рабочего колеса третьей ступени ротора, включающего диск с пазами, компрессора низкого давления газотурбинного двигателя, содержащего проточную часть, которая ограничена по периферийному контуру корпусом двигателя, имеющего турбину низкого давления, турбину высокого давления и силовую турбину, характеризующаяся тем, что лопатка содержит перо с радиальной осью, хвостовик с продольной осью, предназначенный для установки в любой из пазов диска рабочего колеса третьей ступени с обеспечением угла α_к установки профиля пера к оси ротора в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к радиальной оси пера лопатки, имеющего в корневом сечении пера значение α_к=(20,4÷29,8)°; причем перо лопатки выполнено с входной и выходной кромками, расходящимися к периферийному торцу с градиентом увеличения хорды G_у.х.,
G_у.х.=(L_п.х.-L_к.х.)/H_ср=(5,8÷8,4)·10^-2 [м/м],
где L_п.х - длина периферийной хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора и нормальной радиальной оси пера лопатки; L_к.х. - длина корневой хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора и нормальной радиальной оси пера лопатки; H_ср - средняя высота пера лопатки.

14. Лопатка рабочего колеса третьей ступени ротора по п. 13, отличающаяся тем, что снабжена с двух сторон пера антивибрационной полкой, расположенной в зоне одной трети высоты пера от периферийного торца пера лопатки, а каждый торец указанной полки выполнен с возможностью взаимного опирания на обращенные к нему ответные торцы антивибрационных полок смежных лопаток рабочего колеса.

15. Лопатка рабочего колеса третьей ступени ротора по п. 13, отличающаяся тем, что лопатка выполнена с углом установки профиля пера относительно оси ротора, нарастающим по высоте лопатки с радиальным удалением от упомянутой оси ротора с градиентом G_у.п изменения указанного угла установки профиля, имеющем в проекции на упомянутую условную осевую плоскость ротора значения в диапазоне
G_у.п.=(α_п-α_к)/Н_ср=(169,2÷248,4) [град/м],
где α_к - проекция угла установки профиля пера в корневом сечении лопатки относительно оси ротора на условную осевую плоскость ротора, нормальную к радиальной оси пера лопатки; α_п - проекция угла установки профиля пера в периферийном сечении лопатки относительно оси ротора на условную осевую плоскость ротора, нормальную к радиальной оси пера лопатки; Н_ср - средняя высота пера лопатки.

16. Лопатка рабочего колеса третьей ступени ротора по п. 13, отличающаяся тем, что перо лопатки выполнено выпукло-вогнутым с вогнутой поверхностью, называемой корытом, обращенной вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п.) и с выпуклой поверхностью, образующей спинку пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки (вид по н.п.), при этом хорда, соединяющая входную и выходную кромки пера в корневой зоне, образует с осью ротора в проекции на упомянутую условную плоскость угол α_к установки профиля пера не менее угла α₀ установки хвостовика лопатки.

17. Лопатка рабочего колеса третьей ступени ротора по п. 13, отличающаяся тем, что перо лопатки выполнено выпукло-вогнутым с вогнутой поверхностью - корытом, обращенной вогнутостью в сторону вращения ротора по часовой стрелке (вид по н.п.) и с выпуклой поверхностью, образующей спинку пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и против направления вращения часовой стрелки (вид по н.п.).

18. Лопатка рабочего колеса третьей ступени ротора по п. 13, отличающаяся тем, что перо лопатки выполнено переменной по ширине и высоте пера толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот спинки и корыта относительно хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки.

19. Лопатка рабочего колеса третьей ступени ротора по п. 13, отличающаяся тем, что максимальная толщина профиля пера лопатки выполнена наибольшей в корневом сечении и убывающей по высоте пера к периферийному торцу с градиентом G_у.т., равным
G_у.т.=(С_к-С_п)/Н_ср=(1,44÷1,72)·10^-2 [м/м],
где С_к - максимальная толщина корневого сечения профиля пера лопатки; С_п - максимальная толщина периферийного сечения профиля пера лопатки; Н_ср - средняя высота пера лопатки.

20. Лопатка рабочего колеса третьей ступени ротора, включающего диск с пазами, компрессора низкого давления газотурбинного двигателя, содержащего проточную часть, которая ограничена по периферийному контуру корпусом двигателя, имеющего турбину низкого давления, турбину высокого давления и силовую турбину, характеризующаяся тем, что лопатка содержит перо с радиальной осью, хвостовик с продольной осью, предназначенный для установки в любой из пазов диска рабочего колеса третьей ступени с обеспечением угла α_к установки профиля пера к оси ротора в проекции на условную осевую плоскость ротора, нормальную к радиальной оси пера лопатки, имеющего в корневом сечении пера значение α_к=(20,4÷29,8)°; причем максимальная толщина профиля пера лопатки выполнена наибольшей в корневом сечении и убывающей по высоте пера к периферийному торцу с градиентом G_у.т., равным
G_у.т.=(С_к-С_п)/Н_ср=(1,44÷1,72)·10^-2 [м/м],
где С_к - максимальная толщина корневого сечения профиля пера лопатки; С_п - максимальная толщина периферийного сечения профиля пера лопатки; Н_ср - средняя высота пера лопатки.

21. Лопатка рабочего колеса третьей ступени ротора по п. 20, отличающаяся тем, что лопатка выполнена с углом установки профиля пера относительно оси ротора, нарастающим по высоте лопатки с радиальным удалением от упомянутой оси ротора с градиентом G_у.п. изменения указанного угла установки профиля, имеющем в проекции на упомянутую условную осевую плоскость значения в диапазоне
G_у.п.=(α_п-α_к)/H_сp=(169,2÷248,4) [град/м],
где α_к - проекция угла установки профиля пера в корневом сечении лопатки относительно оси ротора на условную осевую плоскость ротора, нормальную к радиальной оси пера лопатки; α_п - проекция угла установки профиля пера в периферийном сечении лопатки относительно оси ротора на условную осевую плоскость ротора, нормальную к радиальной оси пера лопатки; Н_ср - средняя высота пера лопатки.

22. Лопатка рабочего колеса третьей ступени ротора по п. 20, отличающаяся тем, что перо лопатки выполнено с входной и выходной кромками, расходящимися к периферийному торцу с градиентом G_у.х. увеличения хорды,
G_у.х.=(L_п.х.-L_к.х.)/H_ср=(5,8÷8,4)·10^-2 [м/м],
где L_п.х - длина периферийной хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора и нормальной радиальной оси пера лопатки; L_к.х. - длина корневой хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, параллельной осевой плоскости ротора и нормальной радиальной оси пера лопатки; Н_ср - средняя высота пера лопатки.

23. Лопатка рабочего колеса третьей ступени ротора по п. 20, отличающаяся тем, что снабжена с двух сторон пера антивибрационной полкой, расположенной в зоне одной трети высоты пера от периферийного торца пера лопатки, а каждый торец указанной полки выполнен с возможностью взаимного опирания на обращенные к нему ответные торцы антивибрационных полок смежных лопаток рабочего колеса.

24. Лопатка рабочего колеса третьей ступени ротора по п. 20, отличающаяся тем, что перо лопатки выполнено выпукло-вогнутым с вогнутой поверхностью, называемой корытом, обращенной вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п.) и с выпуклой поверхностью, образующей спинку пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки (вид по н.п.), при этом хорда, соединяющая входную и выходную кромки пера в корневой зоне, образует с осью ротора в проекции на упомянутую условную плоскость угол α_к установки профиля пера не менее угла α₀ установки хвостовика лопатки.

25. Лопатка рабочего колеса третьей ступени ротора по п. 20, отличающаяся тем, что периферийный торец пера лопатки выполнен скошенным с повторением кривизны внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне третьей ступени КНД с уменьшением радиуса в направлении потока рабочего тела с высотой, достаточной для беспрепятственного вращения лопатки рабочего колеса в составе ротора КНД двигателя.