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 А, 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 четвертой 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 группы изобретений, объединенных единым творческим замыслом, состоит в разработке лопатки рабочего колеса четвертой ступени ротора компрессора низкого давления (КНД) газотурбинного двигателя (ГТД) с улучшенными конструктивными и аэродинамическими параметрами пространственной конфигурации и жесткостью пера лопатки, обеспечивающими возможность увеличения расхода сжимаемого рабочего тела - воздуха в четвертой ступени на всех режимах работы двигателя, а также увеличение газодинамической устойчивости и ресурса без увеличения материалоемкости лопатки.

Поставленная задача решается тем, что лопатка рабочего колеса четвертой ступени, имеющего диск с пазами и лопаточный венец с фронтальной линией решетки профилей пера, в составе ротора компрессора низкого давления газотурбинного двигателя, содержащего проточную часть, ограниченную по периферийному контуру корпусом двигателя, имеющего турбину низкого давления, турбину высокого давления и силовую турбину, согласно изобретению, содержит хвостовик и перо с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой, сопряженными входной и выходной кромками, при этом перо выполнено со спиральной закруткой относительно оси пера, создающей переменный по высоте пера угол γ_уст установки профиля пера, определенный как угол между общей касательной, соединяющей входную и выходную кромки, образуя хорду профиля, и фронтальной линией решетки профилей в плоской развертке цилиндрического сечения лопаточного венца, имеющий в корневом сечении пера значение γ_уст.к.=(61,3÷69,3)°, а в периферийном сечении значение γ_уст.п=(38,7÷46,7)°, при этом угол γ_уст установки профиля пера выполнен убывающим по высоте лопатки с градиентом G_y.п изменения угла γ_уст., имеющим значения в диапазоне

G_y.п.=(γ_уст.к.-γ_уст.п)/Н_ср=(217,0÷311,9) [град/м],

где γ_уст.к - угол установки профиля в корневом сечении пера лопатки; у_уст.п - то же в периферийном сечении пера лопатки; Н_ср - средняя высота пера лопатки; а входная и выходная кромки пера выполнены парусно расходящимися к периферийному торцу лопатки с градиентом G_y.x. увеличения соединяющей их хорды, равным

G_y.x.=(L_п.x.-L_к.х.)/H_cp=(2,9÷4,3)·10^-2 [м/м],

где L_п.x - длина периферийной хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, перпендикулярной к оси спиральной закрутки пера лопатки; L_к.х. - то же, длина корневой хорды; Н_ср - средняя высота пера лопатки.

При этом лопатка выполнена с отношением высоты h входной кромки профиля пера к средней хорде L_cp.x., разделяющей площадь рабочей поверхности пера на две равные части, составляющим h/L_cp.x.=(1,33÷1,91).

Хвостовик лопатки может быть выполнен с подошвой, имеющей продольную ось, расположенную в условной плоскости, параллельной оси ротора, и снабжен канавкой для фиксации лопатки в диске от смещения хвостовика вдоль оси паза разрезным контровочным кольцом.

Перо лопатки может быть выполнено с корытом, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п. - направлению полета) и со спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки (вид по н.п.).

Перо лопатки может быть выполнено с корытом, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора по часовой стрелке (вид по н.п.) и со спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и против направления вращения часовой стрелки (вид по н.п.).

Периферийный торец пера лопатки может быть выполнен скошенным с повторением кривизны внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне четвертой 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 решается тем, что лопатка рабочего колеса четвертой ступени, имеющего диск с пазами и лопаточный венец с фронтальной линией решетки профилей пера, в составе ротора компрессора низкого давления газотурбинного двигателя, содержащего проточную часть, ограниченную по периферийному контуру корпусом двигателя, имеющего турбину низкого давления, турбину высокого давления и силовую турбину, согласно изобретению, содержит хвостовик и перо с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой, сопряженными входной и выходной кромками, при этом перо выполнено со спиральной закруткой относительно оси пера, создающей переменный по высоте пера угол γ_уст установки профиля пера, определенный как угол между общей касательной, соединяющей входную и выходную кромки, образуя хорду профиля, и фронтальной линией решетки профилей в плоской развертке цилиндрического сечения лопаточного венца, имеющий в корневом сечении пера значение γ_уст.к.=(61,3÷69,3)°, а в периферийном сечении значение у_уст.п=(38,7÷46,7)°, при этом угол γ_уст установки профиля пера выполнен убывающим по высоте лопатки с градиентом G_y.п изменения угла γ_уст., имеющим значения в диапазоне

G_y.п.=(γ_уст.к.-γ_уст.п)/Н_ср=(217,0÷311,9) [град/м],

где γ_уст.к - угол установки профиля в корневом сечении пера лопатки; γ_уст.п - то же в периферийном сечении пера лопатки; Н_ср - средняя высота пера лопатки; причем лопатка выполнена с отношением высоты h входной кромки профиля пера к средней хорде L_cp.x., разделяющей площадь рабочей поверхности пера на две равные части, составляющим h/L_cp.x.=(1,33÷1,91).

При этом входная и выходная кромки пера могут быть выполнены парусно расходящимися к периферийному торцу лопатки с градиентом G_y.x. увеличения соединяющей их хорды, равным

G_y.x.=(L_п.x.-L_к.x.)/H_ср=(2,9÷4,3)·10^-2 [м/м],

где L_п.x - длина периферийной хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, перпендикулярной к оси спиральной закрутки пера лопатки; L_к.х. - то же, длина корневой хорды; Н_ср - средняя высота пера лопатки.

Хвостовик лопатки может быть выполнен с подошвой, имеющей продольную ось, расположенную в условной плоскости, параллельной оси ротора, и снабжен канавкой для фиксации лопатки в диске от смещения хвостовика вдоль оси паза разрезным контровочным кольцом.

Перо лопатки может быть выполнено с корытом, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п. - направлению полета) и со спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки (вид по н.п.).

Вариантно перо лопатки может быть выполнено с корытом, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора по часовой стрелке (вид по н.п.) и со спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и против направления вращения часовой стрелки (вид по н.п.).

Периферийный торец пера лопатки может быть выполнен скошенным с повторением кривизны внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне четвертой 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 третьему варианту решается тем, что лопатка рабочего колеса четвертой ступени, имеющего диск с пазами и лопаточный венец с фронтальной линией решетки профилей пера, в составе ротора компрессора низкого давления газотурбинного двигателя, содержащего проточную часть, ограниченную по периферийному контуру корпусом двигателя, имеющего турбину низкого давления, турбину высокого давления и силовую турбину, согласно изобретению, содержит хвостовик и перо с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой, сопряженными входной и выходной кромками, при этом перо выполнено со спиральной закруткой относительно оси пера, создающей переменный по высоте пера угол γ_уст установки профиля пера, определенный как угол между общей касательной, соединяющей входную и выходную кромки, образуя хорду профиля, и фронтальной линией решетки профилей в плоской развертке цилиндрического сечения лопаточного венца, имеющий в корневом сечении пера значение γ_уст.к.=(61,3÷69,3)°, а в периферийном сечении значение γ_уст.п=(38,7÷46,7)°, причем 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, при этом входная и выходная кромки пера выполнены парусно расходящимися к периферийному торцу лопатки с градиентом G_y.x. увеличения соединяющей их хорды, равным

G_y.x.=(L_п.x.-L_к.х.)/H_сp=(2,9÷4,3)·10^-2 [м/м],

где L_п.x - длина периферийной хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, перпендикулярной к оси спиральной закрутки пера лопатки; L_к.х. - то же, длина корневой хорды; Н_ср - средняя высота пера лопатки; кроме того лопатка выполнена с отношением высоты h входной кромки профиля пера к средней хорде L_cp.x., разделяющей площадь рабочей поверхности пера на две равные части, составляющим h/L_cp.x.=(1,33÷1,91).

При этом угол γ_уст установки профиля пера может быть выполнен убывающим по высоте лопатки с градиентом G_y.п изменения угла γ_уст., имеющим значения в диапазоне

G_y.п.=(γ_уст.к.-γ_уст.п)/Н_ср=(217,0÷311,9) [град/м],

где γ_уст.к - угол установки профиля в корневом сечении пера лопатки; γ_уст.п - то же в периферийном сечении пера лопатки; Н_ср - средняя высота пера лопатки.

Хвостовик лопатки может быть выполнен с подошвой, имеющей продольную ось, расположенную в условной плоскости, параллельной оси ротора, и снабжен канавкой для фиксации лопатки в диске от смещения хвостовика вдоль оси паза разрезным контровочным кольцом.

Перо лопатки может быть выполнено с корытом, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п. - направлению полета) и со спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки (вид по н.п.).

Вариантно перо лопатки может быть выполнено с корытом, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора по часовой стрелке (вид по н.п.) и со спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и против направления вращения часовой стрелки (вид по н.п.).

Периферийный торец пера лопатки может быть выполнен скошенным с повторением кривизны внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне четвертой 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 четвертому варианту решается тем, что лопатка рабочего колеса четвертой ступени, имеющего диск с пазами и лопаточный венец с фронтальной линией решетки профилей пера, в составе ротора компрессора низкого давления газотурбинного двигателя, содержащего проточную часть, ограниченную по периферийному контуру корпусом двигателя, имеющего турбину низкого давления, турбину высокого давления и силовую турбину, согласно изобретению, содержит хвостовик и перо с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой, сопряженными входной и выходной кромками, при этом перо выполнено со спиральной закруткой относительно оси пера, создающей переменный по высоте пера угол γ_уст установки профиля пера, определенный как угол между общей касательной, соединяющей входную и выходную кромки, образуя хорду профиля, и фронтальной линией решетки профилей в плоской развертке цилиндрического сечения лопаточного венца, имеющий в корневом сечении пера значение γ_уст.к.=(61,3÷69,3)°, а в периферийном сечении значение γ_уст.п=(38,7÷46,7)°, причем 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, при этом максимальная толщина профиля пера лопатки выполнена наибольшей в корневом сечении и убывающей по высоте пера к периферийному торцу с градиентом G_y.т., равным

G_y.т.=(С_к-С_п)/Н_ср=(1,82÷2,62)·10^-2 [м/м],

где С_к - максимальная толщина корневого сечения профиля пера лопатки; С_п - то же, периферийного; Н_ср - средняя высота пера лопатки; кроме того лопатка выполнена с отношением высоты h входной кромки профиля пера к средней хорде L_cp.x., разделяющей площадь рабочей поверхности пера на две равные части, составляющим h/L_cp.x.=(1,33÷1,91).

При этом угол γ_уст установки профиля пера может быть выполнен убывающим по высоте лопатки с градиентом G_y.п изменения угла γ_уст., имеющим значения в диапазоне

G_y.п.=(γ_уст.к.-γ_уст.п)/Н_ср=(217,0÷311,9) [град/м],

где γ_уст.к - угол установки профиля в корневом сечении пера лопатки; γ_уст.п - то же в периферийном сечении пера лопатки; Н_ср - средняя высота пера лопатки.

Входная и выходная кромки пера могут быть выполнены парусно расходящимися к периферийному торцу лопатки с градиентом G_y.x. увеличения соединяющей их хорды, равным

G_y.x=(L_п.x.-L_к.х.)/H_cp=(2,9÷4,3)·10^-2 [м/м],

где L_п.x - длина периферийной хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, перпендикулярной к оси спиральной закрутки пера лопатки; L_к.х. - то же, длина корневой хорды; Н_ср - средняя высота пера лопатки.

Хвостовик лопатки может быть выполнен с подошвой, имеющей продольную ось, расположенную в условной плоскости, параллельной оси ротора, и снабжен канавкой для фиксации лопатки в диске от смещения хвостовика вдоль оси паза разрезным контровочным кольцом.

Перо лопатки может быть выполнено с корытом, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п. - направлению полета) и со спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки (вид по н.п.).

Вариантно перо лопатки может быть выполнено с корытом, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора по часовой стрелке (вид по н.п.) и со спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и против направления вращения часовой стрелки (вид по н.п.).

Периферийный торец пера лопатки может быть выполнен скошенным с повторением кривизны внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне четвертой 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, достигаемый приведенной совокупностью существенных признаков лопатки рабочего колеса четвертой 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 четвертой ступени, вид сбоку;

на фиг. 2 - перо лопатки рабочего колеса четвертой ступени, поперечный разрез;

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

Лопатка рабочего колеса четвертой ступени, имеющего диск с пазами и лопаточный венец с фронтальной линией решетки профилей пера, в составе ротора компрессора низкого давления газотурбинного двигателя, содержащего проточную часть, ограниченную по периферийному контуру корпусом двигателя, имеющего турбину низкого давления, турбину высокого давления и силовую турбину, содержит хвостовик 1 и перо 2. Перо 2 лопатки выполнено с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом 3 и выпуклой спинкой 4, сопряженными входной и выходной кромками 5 и 6 соответственно. Перо 2 лопатки выполнено со спиральной закруткой относительно оси пера 2, создающей переменный по высоте пера угол γ_уст установки профиля пера, определенный как угол между общей касательной, соединяющей входную и выходную кромки 5 и 6, образуя хорду 7 профиля, и фронтальной линией 8 решетки профилей в плоской развертке цилиндрического сечения лопаточного венца, имеющий в корневом сечении пера значение γ_уст.к.=(61,3÷69,3)°, а в периферийном сечении значение γ_уст.п=(38,7÷46,7)°. В качестве оси пера 2 лопатки принята продольная ось профиля пера, совпадающая с осью закрутки профиля. В качестве оси ротора принята ось вращения ротора.

Угол γ_уст установки профиля пера 2 выполнен убывающим по высоте лопатки с градиентом G_y.п изменения угла γ_уст., имеющем значения в диапазоне

G_y.п.=(γ_уст.к.-γ_уст.п)/Н_ср=(217,0÷311,9) [град/м],

где γ_уст.к - угол установки профиля в корневом сечении пера лопатки; γ_уст.п - то же в периферийном сечении пера лопатки; Н_ср - средняя высота пера лопатки.

Входная и выходная кромки 5 и 6 пера 2 лопатки выполнены парусно расходящимися к периферийному торцу 9 лопатки с градиентом G_y.x. увеличения соединяющей их хорды 7, равным

G_y.x.=(L_п.x.-L_к.х.)/H_cp=(2,9÷4,3)·10^-2 [м/м],

где L_п.x - длина периферийной хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, перпендикулярной к оси спиральной закрутки пера лопатки; L_к.х. - то же, длина корневой хорды; Н_ср -средняя высота пера лопатки.

Перо 2 лопатки выполнено переменной по ширине и высоте пера 2 толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот спинки 4 и корыта 3 относительно хорды 7, соединяющей входную и выходную кромки 5 и 6 пера 2 лопатки. Максимальная толщина профиля пера 2 лопатки выполнена наибольшей в корневом сечении и убывающей по высоте пера к периферийному торцу 9 с градиентом G_y.т., равным

G_y.т.=(С_к-С_п)/Н_ср=(1,82÷2,62)·10^-2 [м/м],

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

Лопатка выполнена с отношением высоты h входной кромки 5 профиля пера 2 к средней хорде L_cp.x., разделяющей площадь рабочей поверхности пера на две равные части, составляющим h/L_ср.х.=(1,33÷1,91).

Хвостовик 1 лопатки выполнен с подошвой 10, имеющей продольную ось, расположенную в условной плоскости, параллельной оси ротора, и снабжен канавкой 11 для фиксации лопатки в диске от смещения хвостовика вдоль оси паза разрезным контровочным кольцом.

Перо 2 лопатки выполнено с корытом 3, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п.- направлению полета) и со спинкой 4 пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки (вид по н.п.).

Вариантно перо 2 лопатки выполнено с корытом 3, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора по часовой стрелке (вид по н.п.) и со спинкой 4 пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и против направления вращения часовой стрелки (вид по н.п.).

Периферийный торец 9 пера 2 лопатки выполнен скошенным с повторением кривизны внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне четвертой 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 четвертой 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 локальным утолщением на участке расположения хвостовика 1. 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 4 пера 2 лопатки. Рабочая поверхность другой полуматрицы штампа включает участок, форма которого выполнена ответной пространственной поверхности корыта 3 пера 2 лопатки. После чего лопатку подвергают механической обработке, включая обдирку облоя фрезерованием, протягивание хвостовика 1. Доводку обтекаемых поверхностей профилей пера 2 производят фрезерованием с последующей полировкой. Изготовленная таким образом лопатка состоит из объединенных в одно целое пера 2 с хвостовиком 1, выполненной как сегмент сборного кольца лопаточного венца рабочего колеса четвертой ступени ротора КНД ГТД.

Профиль пера 2 лопатки имеет следующие геометрические параметры:

- в корневом сечении профиль пера лопатки выполнен с максимальной толщиной профиля C_max=4,16 мм; длина хорды пера - 49 мм; угол γ_уст.к установки профиля пера между соединяющей входную и выходную кромки 5 и 6 профиля хордой 7 и фронтальной линией 8 решетки лопаточного венца составляет 65,3°;

- в периферийном сечении профиль пера лопатки выполнен с максимальной толщиной профиля C_max=2,7 мм; длина хорды пера принята 52 мм; угол γ_уст.п установки профиля пера составляет 42,7°;

- средняя высота Н_ср профиля пера составляет 84 мм.

Лопатка выполнена для фиксации на диске рабочего колеса вала ротора путем установки хвостовика 1 в пазу обода диска.

При работе компрессора каждая лопатка рабочего колеса четвертой 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 четвертой ступени. После выравнивания в направляющем аппарате поток поступает далее во входной направляющий аппарат компрессора высокого давления.

В процессе реализации разработанной в изобретении конструкции лопатки рабочего колеса четвертой ступени ротора КНД технический результат достигается только при установке лопатки в рабочем колесе с ориентацией профиля пера 2 под углом γ между соединяющей входную и выходную кромки 5 и 6 профиля хордой 7 и фронтальной линией 8 решетки лопаточного венца, составляющем в корневом сечении γ_уст.к=(61,3÷69,3)° и в периферийном сечении значение γ_уст.п=(38,7÷46,7)°, в сочетании с одновременным согласованным удовлетворением условий соответствия найденных в изобретении геометрических и аэродинамических параметров пространственной конфигурации и градиентов их изменения по высоте пера лопатки. При назначении угла γ_уст. в корневом и периферийном сечениях пера лопатки, принятых из найденного в изобретении интервала значений γ_уст.к и γ_уст.п с учетом углов установки профиля пера предыдущих ступеней ротора компрессора, достигают наиболее высокие значения КПД, ГДУ компрессора и ресурса лопатки. При уменьшении углов γ_уст.к и γ_уст.п ниже заявленных значений существенно ограничивается диапазон газодинамической устойчивости работы компрессора, падает КПД ступени и возрастает риск аварийно опасного срыва воздушного потока с выпуклой спинки 4 пера 2 лопатки с результирующей потерей ГДУ. С увеличением углов γ_уст.к и γ_уст.п выше заявленных значений возрастает риск срыва воздушного потока с корыта 3 пера 2 лопатки и снижается КПД, а также 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 изобретении границ диапазонов градиентов G_y.п=(217,0÷311,9) [град/м] по высоте Н_ср пера 2 лопатки. При выполнении трехмерного профиля пера лопатки со значениями градиента G_y.п<217,0 [град/м] существенно ограничивается диапазон ГДУ работы КНД, падает КПД ступени и возрастает риск аварийно опасного срыва потока воздушного потока с выпуклой спинки 4 пера лопатки с результирующей потерей ГДУ. Увеличение отношения разности углов установки хорды 7 пера 2 по высоте лопатки до значений градиента G_y.п., превышающих верхний предел G_y.п.>311,9 [град/м], приводит к недопустимому уменьшению угла раскрытия периферийного участка пера 2 лопатки, что в свою очередь приводит к снижению КПД, негативному уменьшению диапазона ГДУ компрессора и недопустимому рассогласованию работы четвертой ступени ротора с последующими ступенями НКД.

Градиент G_y.x. увеличения хорды 7 пера 2 лопатки по средней высоте Н_ср пера 1 лопатки характеризует парусность пера, образованную в результате углового расхождения входной и выходной кромок 5 и 6 пера 2 от втулки до периферийного торца 9. Парусность пера по высоте лопатки спрофилирована по градиенту G_y.x углового расширения хорды 7 пера 2 с заявленным диапазоном G_y.x.=(2,9÷4,3)·10^-2 [м/м], что обеспечивает получение технического результата изобретения. Уменьшение отношения разности длин периферийной и корневой хорд пера 2 к средней высоте Н_ср пера (G_y.х.<2,9·10^-2) приводит к образованию недостаточной густоты заполнения периферийного кольцевого участка площади поперечного сечения проточной части лопаточного венца периферийными участками пера 2 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 4 пера 2 лопатки. Увеличение (G_y.x.>4,3·10^-2) приводит к неоправданному увеличению потерь от трения потока о профиль пера 2 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 2 лопатки, принимаемого в пределах найденного в изобретении указанного диапазона значений градиента G_y.т.=(1,82÷2,62)·10^-2 [м/м] за счет обеспечения требуемой статической и динамической жесткости при оптимальной материалоемкости профиля пера 2 лопатки. При значениях градиента G_y.т.<1,82·10^-2 [м/м] возникает излишнее повышение материалоемкости вследствие неоправданного реальными сочетаниями нагрузок увеличения толщины периферийной части пера лопатки, что приводит к завышению массы компрессора и снижению экономичности двигателя. При значениях градиента G_y.т.>2,62·10^-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 2 при недопустимом уменьшении максимальной толщины профиля в наиболее нагруженной периферийной части длины пера лопатки.

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

Изобретение относится к области авиадвигателестроения. Лопатка рабочего колеса четвертой ступени, имеющего диск с пазами и лопаточный венец с фронтальной линией решетки профилей пера, в составе ротора компрессора низкого давления (КНД) газотурбинного двигателя (ГТД), содержащего проточную часть, ограниченную по периферийному контуру корпусом двигателя, имеющего силовую турбину, содержит хвостовик и перо с выпукло-вогнутым профилем. Перо лопатки выполнено со спиральной закруткой относительно оси пера, создающей переменный по высоте пера угол γ_уст установки профиля пера, определенный как угол между общей касательной, соединяющей входную и выходную кромки, образуя хорду профиля, и фронтальной линией решетки профилей в плоской развертке цилиндрического сечения лопаточного венца, имеющий в корневом сечении пера значение γ_уст.к.=(61,3÷69,3)°, а в периферийном сечении значение γ_уст.п=(38,7÷46,7)°. Лопатка выполнена с переменным по высоте пера углом γ установки профиля пера относительно фронтальной линии решетки профилей лопаточного венца, убывающим с радиальным удалением от оси ротора с градиентом G_y.п=(217,0÷311,9) [град/м]. Перо лопатки выполнено с входной и выходной кромками, расходящимися к периферийному торцу с градиентом увеличения хорды G_y.x=(2,9÷4,3)·10^-2 [м/м]. Перо лопатки выполнено переменной по ширине и высоте пера толщиной. Максимальная толщина профиля пера лопатки выполнена наибольшей в корневом сечении и убывающей по высоте пера к периферийному торцу с градиентом G_y.т.=(1,82÷2,62)·10^-2 [м/м]. Технический результат состоит в улучшении геометрической конфигурации, пространственной жесткости, силовых и аэродинамических параметров лопатки рабочего колеса четвертой ступени вала ротора КНД ГТД, а также в повышении КПД и расширении диапазона режимов ГДУ компрессора при повышении ресурса лопатки. 4 н. и 21 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Лопатка рабочего колеса четвертой ступени, имеющего диск с пазами и лопаточный венец с фронтальной линией решетки профилей пера, в составе ротора компрессора низкого давления (КНД) газотурбинного двигателя (ГТД), содержащего проточную часть, ограниченную по периферийному контуру корпусом двигателя, имеющего турбину низкого давления (ТНД), турбину высокого давления (ТВД) и силовую турбину (СТ), характеризующаяся тем, что содержит хвостовик и перо с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой, сопряженными входной и выходной кромками, при этом перо выполнено со спиральной закруткой относительно оси пера, создающей переменный по высоте пера угол γ_уст установки профиля пера, определенный как угол между общей касательной, соединяющей входную и выходную кромки, образуя хорду профиля, и фронтальной линией решетки профилей в плоской развертке цилиндрического сечения лопаточного венца, имеющий в корневом сечении пера значение γ_уст.к.=(61,3÷69,3)°, а в периферийном сечении значение γ_уст.п=(38,7÷46,7)°, при этом угол γ_уст установки профиля пера выполнен убывающим по высоте лопатки с градиентом G_y.п. изменения угла γ_уст., имеющим значения в диапазоне
G_у.п.=(γ_уст.к.-γ_уст.п)/Н_ср=(217,0÷311,9) [град/м],
где γ_уст.к. - угол установки профиля в корневом сечении пера лопатки; γ_уст.п - то же в периферийном сечении пера лопатки; Н_ср - средняя высота пера лопатки; а входная и выходная кромки пера выполнены парусно расходящимися к периферийному торцу лопатки с градиентом G_y.x. увеличения соединяющей их хорды, равным
G_y.x.=(L_п.x-L_к.x.)/H_cp=(2,9÷4,3)·10^-2 [м/м],
где L_п.х - длина периферийной хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, перпендикулярной к оси спиральной закрутки пера лопатки; L_к.х. - то же, длина корневой хорды; Н_ср - средняя высота пера лопатки.

2. Лопатка рабочего колеса четвертой ступени ротора по п. 1, отличающаяся тем, что лопатка выполнена с отношением высоты h входной кромки профиля пера к средней хорде L_cp.х., разделяющей площадь рабочей поверхности пера на две равные части, составляющим h/L_cp.x.=(1,33÷1,91).

3. Лопатка рабочего колеса четвертой ступени ротора по п. 1, отличающаяся тем, что хвостовик лопатки выполнен с подошвой, имеющей продольную ось, расположенную в условной плоскости, параллельной оси ротора, и снабжен канавкой для фиксации лопатки в диске от смещения хвостовика вдоль оси паза разрезным контровочным кольцом.

4. Лопатка рабочего колеса четвертой ступени ротора по п. 1, отличающаяся тем, что перо лопатки выполнено с корытом, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п. - направлению полета) и со спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки (вид по н.п.).

5. Лопатка рабочего колеса четвертой ступени ротора по п. 1, отличающаяся тем, что перо лопатки выполнено с корытом, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора по часовой стрелке (вид по н.п.) и со спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и против направления вращения часовой стрелки (вид по н.п.).

6. Лопатка рабочего колеса четвертой ступени ротора по п. 1, отличающаяся тем, что периферийный торец пера лопатки выполнен скошенным с повторением кривизны внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне четвертой 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 четвертой ступени, имеющего диск с пазами и лопаточный венец с фронтальной линией решетки профилей пера, в составе ротора компрессора низкого давления газотурбинного двигателя, содержащего проточную часть, ограниченную по периферийному контуру корпусом двигателя, имеющего турбину низкого давления, турбину высокого давления и силовую турбину, характеризующаяся тем, что содержит хвостовик и перо с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой, сопряженными входной и выходной кромками, при этом перо выполнено со спиральной закруткой относительно оси пера, создающей переменный по высоте пера угол γ_уст установки профиля пера, определенный как угол между общей касательной, соединяющей входную и выходную кромки, образуя хорду профиля, и фронтальной линией решетки профилей в плоской развертке цилиндрического сечения лопаточного венца, имеющий в корневом сечении пера значение γ_уст.к.=(61,3÷69,3)°, а в периферийном сечении значение γ_уст.п=(38,7÷46,7)°, при этом угол γ_уст установки профиля пера выполнен убывающим по высоте лопатки с градиентом G_y.п изменения угла γ_уст., имеющим значения в диапазоне
G_у.п.=(γ_уст.к.-γ_уст.п)/Н_ср=(217,0÷311,9) [град/м],
где γ_уст.к - угол установки профиля в корневом сечении пера лопатки; γ_уст.п - то же в периферийном сечении пера лопатки; Н_ср - средняя высота пера лопатки; причем лопатка выполнена с отношением высоты h входной кромки профиля пера к средней хорде L_cp.x., разделяющей площадь рабочей поверхности пера на две равные части, составляющим h/L_ср.х.=(1,33÷1,91).

8. Лопатка рабочего колеса четвертой ступени ротора по п. 7, отличающаяся тем, что входная и выходная кромки пера выполнены парусно расходящимися к периферийному торцу лопатки с градиентом G_y.x. увеличения соединяющей их хорды, равным
G_y.x=(L_п.x-L_к.х.)/H_cp=(2,9÷4,3)·10^-2 [м/м],
где L_п.x - длина периферийной хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, перпендикулярной к оси спиральной закрутки пера лопатки; L_к.х. - то же, длина корневой хорды; Н_ср - средняя высота пера лопатки.

9. Лопатка рабочего колеса четвертой ступени ротора по п. 7, отличающаяся тем, что хвостовик лопатки выполнен с подошвой, имеющей продольную ось, расположенную в условной плоскости, параллельной оси ротора, и снабжен канавкой для фиксации лопатки в диске от смещения хвостовика вдоль оси паза разрезным контровочным кольцом.

10. Лопатка рабочего колеса четвертой ступени ротора по п. 7, отличающаяся тем, что перо лопатки выполнено с корытом, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п. - направлению полета) и со спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки (вид по н.п.).

11. Лопатка рабочего колеса четвертой ступени ротора по п. 7, отличающаяся тем, что перо лопатки выполнено с корытом, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора по часовой стрелке (вид по н.п.) и со спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и против направления вращения часовой стрелки (вид по н.п.).

12. Лопатка рабочего колеса четвертой ступени ротора по п. 7, отличающаяся тем, что периферийный торец пера лопатки выполнен скошенным с повторением кривизны внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне четвертой ступени КНД с уменьшением радиуса в направлении потока рабочего тела с высотой, достаточной для беспрепятственного вращения лопатки рабочего колеса в составе ротора КНД двигателя.

13. Лопатка рабочего колеса четвертой ступени, имеющего диск с пазами и лопаточный венец с фронтальной линией решетки профилей пера, в составе ротора компрессора низкого давления газотурбинного двигателя, содержащего проточную часть, ограниченную по периферийному контуру корпусом двигателя, имеющего турбину низкого давления, турбину высокого давления и силовую турбину, характеризующаяся тем, что содержит хвостовик и перо с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой, сопряженными входной и выходной кромками, при этом перо выполнено со спиральной закруткой относительно оси пера, создающей переменный по высоте пера угол γ_уст. установки профиля пера, определенный как угол между общей касательной, соединяющей входную и выходную кромки, образуя хорду профиля, и фронтальной линией решетки профилей в плоской развертке цилиндрического сечения лопаточного венца, имеющий в корневом сечении пера значение γ_уст.к.=(61,3÷69,3)°, а в периферийном сечении значение γ_уст.п=(38,7÷46,7)°, причем 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, при этом входная и выходная кромки пера выполнены парусно расходящимися к периферийному торцу лопатки с градиентом G_y.x. увеличения соединяющей их хорды, равным
G_y.x.=(L_п.x.-L_к.х.)/H_cp=(2,9÷4,3)·10^-2 [м/м],
где L_п.x - длина периферийной хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, перпендикулярной к оси спиральной закрутки пера лопатки; L_к.х. - то же, длина корневой хорды; Н_ср - средняя высота пера лопатки; кроме того лопатка выполнена с отношением высоты h входной кромки профиля пера к средней хорде L_cp.x., разделяющей площадь рабочей поверхности пера на две равные части, составляющим h/L_cp.x.=(1,33÷1,91).

14. Лопатка рабочего колеса четвертой ступени ротора по п. 13, отличающаяся тем, что угол γ_уст установки профиля пера выполнен убывающим по высоте лопатки с градиентом G_y.п изменения угла γ_уст., имеющим значения в диапазоне
G_y.п.=(γ_уст.к.-γ_уст.п)/Н_ср=(217,0÷311,9) [град/м],
где γ_уст.к - угол установки профиля в корневом сечении пера лопатки; γ_уст.п - то же в периферийном сечении пера лопатки; Н_ср - средняя высота пера лопатки.

15. Лопатка рабочего колеса четвертой ступени ротора по п. 13, отличающаяся тем, что хвостовик лопатки выполнен с подошвой, имеющей продольную ось, расположенную в условной плоскости, параллельной оси ротора, и снабжен канавкой для фиксации лопатки в диске от смещения хвостовика вдоль оси паза разрезным контровочным кольцом.

16. Лопатка рабочего колеса четвертой ступени ротора по п. 13, отличающаяся тем, что перо лопатки выполнено с корытом, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п. - направлению полета) и со спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки (вид по н.п.).

17. Лопатка рабочего колеса четвертой ступени ротора по п. 13, отличающаяся тем, что перо лопатки выполнено с корытом, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора по часовой стрелке (вид по н.п.) и со спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и против направления вращения часовой стрелки (вид по н.п.).

18. Лопатка рабочего колеса четвертой ступени ротора по п. 13, отличающаяся тем, что периферийный торец пера лопатки выполнен скошенным с повторением кривизны внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне четвертой ступени КНД с уменьшением радиуса в направлении потока рабочего тела с высотой, достаточной для беспрепятственного вращения лопатки рабочего колеса в составе ротора КНД двигателя.

19. Лопатка рабочего колеса четвертой ступени, имеющего диск с пазами и лопаточный венец с фронтальной линией решетки профилей пера, в составе ротора компрессора низкого давления газотурбинного двигателя, содержащего проточную часть, ограниченную по периферийному контуру корпусом двигателя, имеющего турбину низкого давления, турбину высокого давления и силовую турбину, характеризующаяся тем, что содержит хвостовик и перо с выпукло-вогнутым профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой, сопряженными входной и выходной кромками, при этом перо выполнено со спиральной закруткой относительно оси пера, создающей переменный по высоте пера угол γ_уст установки профиля пера, определенный как угол между общей касательной, соединяющей входную и выходную кромки, образуя хорду профиля, и фронтальной линией решетки профилей в плоской развертке цилиндрического сечения лопаточного венца, имеющий в корневом сечении пера значение γ_уст.к.=(61,3÷69,3)°, а в периферийном сечении значение γ_уст.п=(38,7÷46,7)°, причем 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, при этом максимальная толщина профиля пера лопатки выполнена наибольшей в корневом сечении и убывающей по высоте пера к периферийному торцу с градиентом G_y.т., равным
G_y.т.=(С_к-С_п)/Н_ср=(1,82÷2,62)·10^-2 [м/м],
где С_к - максимальная толщина корневого сечения профиля пера лопатки; С_п - то же, периферийного; Н_ср - средняя высота пера лопатки; кроме того лопатка выполнена с отношением высоты h входной кромки профиля пера к средней хорде L_cp.х., разделяющей площадь рабочей поверхности пера на две равные части, составляющим h/L_ср.х.=(1,33÷1,91).

20. Лопатка рабочего колеса четвертой ступени ротора по п. 19, отличающаяся тем, что угол γ_уст установки профиля пера выполнен убывающим по высоте лопатки с градиентом G_y.п изменения угла γ_уст., имеющим значения в диапазоне
G_y.п.=(γ_уст.к.-γ_уст.п)/Н_ср=(217,0÷311,9) [град/м],
где γ_уст.к - угол установки профиля в корневом сечении пера лопатки; γ_уст.п - то же в периферийном сечении пера лопатки; Н_ср - средняя высота пера лопатки.

21. Лопатка рабочего колеса четвертой ступени ротора по п. 19, отличающаяся тем, что входная и выходная кромки пера выполнены парусно расходящимися к периферийному торцу лопатки с градиентом G_y.x. увеличения соединяющей их хорды, равным
G_y.x.=(L_п.x.-L_к.х.)/H_cp=(2,9÷4,3)·10^-2 [м/м],
где L_п.x - длина периферийной хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки в условной плоскости, перпендикулярной к оси спиральной закрутки пера лопатки; L_к.х. - то же, длина корневой хорды; Н_ср - средняя высота пера лопатки.

22. Лопатка рабочего колеса четвертой ступени ротора по п. 19, отличающаяся тем, что хвостовик лопатки выполнен с подошвой, имеющей продольную ось, расположенную в условной плоскости, параллельной оси ротора, и снабжен канавкой для фиксации лопатки в диске от смещения хвостовика вдоль оси паза разрезным контровочным кольцом.

23. Лопатка рабочего колеса четвертой ступени ротора по п. 19, отличающаяся тем, что перо лопатки выполнено с корытом, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п. - направлению полета) и со спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки (вид по н.п.).

24. Лопатка рабочего колеса четвертой ступени ротора по п. 19, отличающаяся тем, что перо лопатки выполнено с корытом, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора по часовой стрелке (вид по н.п.) и со спинкой пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и против направления вращения часовой стрелки (вид по н.п.).

25. Лопатка рабочего колеса четвертой ступени ротора по п. 19, отличающаяся тем, что периферийный торец пера лопатки выполнен скошенным с повторением кривизны внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне четвертой ступени КНД с уменьшением радиуса в направлении потока рабочего тела с высотой, достаточной для беспрепятственного вращения лопатки рабочего колеса в составе ротора КНД двигателя.