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

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

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

Известен диск второй ступени ротора компрессора низкого давления авиационного двигателя, включенный в систему из четырех дисков, образующих силовую оболочку вала ротора компрессора. Диск содержит обод для установки и приведения во вращение рабочих лопаток, сообщенный с валом турбины низкого давления (ТНД) турбореактивного двигателя (ТРД) (Н.Н. Сиротин, А.С. Новиков, А.Г. Пайкин, А.Н. Сиротин. Основы конструирования производства и эксплуатации авиационных газотурбинных двигателей и энергетических установок в системе CALS технологий. Книга 1. Москва. Наука 2011. стр. 249-259).

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

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

Поставленная задача решается тем, что диск рабочего колеса второй ступени вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, имеющего корпус с проточной частью, ротор с валом барабанно-дисковой конструкции и шлицевую трубу, согласно изобретению, выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу с центральным отверстием, обод с фронтальной и тыльной полками по ходу потока рабочего тела, наделенный пазами для заведения хвостовиков лопаток рабочего колеса, и полотно, снабженное в периферийной части расположенными под ободом с двух сторон наклонными полками, сконструированными для неразъемного соединения с ответными контактными элементами смежных ступеней вала, при этом полотно диска выполнено с переменным по высоте сечением, конически сужающимся от ступицы к ободу с градиентом G_у.т. уменьшения толщины в указанном направлении, равным

где δ_п.п. - толщина периферийной части полотна диска; δ_к.п. - толщина прикорневой части полотна; H_ср - радиальная высота полотна диска между участками сопряжений со ступицей и ободом; а средний радиус диска от оси вала ротора до внешней поверхности обода в условной плоскости симметрии полотна составляет (0,46÷0,65) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя, причем внешняя поверхность обода диска выполнена составляющей осевой участок внутреннего контура проточной части с осевой длиной, равной проекции образующей обода на ось вала ротора, и с радиусом, возрастающим в осевом сечении КНД в сторону потока рабочего тела, при этом угол наклона образующей внешней поверхности обода диска к оси вала ротора составляет φ=(10÷15)°, а градиент радиального расширения обода G_об, определен в диапазоне

где R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска, определяющие коническую конфигурацию внутреннего контура проточной части в зоне обода диска второй ступени; В_об - осевая ширина обода; кроме того пазы для заведения хвостовиков лопаток равномерно разнесены по периметру обода диска и выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения, при этом подошва каждого паза расположена в плоскости, параллельной оси вала ротора, а продольная ось подошвы паза образует с осью вала ротора в проекции на указанную плоскость угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(17÷25)°.

При этом пазы для заведения хвостовиков лопаток могут быть равномерно разнесены по периметру обода диска с угловой частотой Y_п=(5,4÷7,7) [ед/рад], при этом конфигурация поперечного сечения каждого паза в ободе диска выполнена под замковое соединение с хвостовиком по типу «ласточкин хвост», а базовые поверхности боковых граней паза выполнены встречно наклонными одна к другой с образованием углов β между боковой гранью и подошвой паза, равных β=(63÷78)°.

Фронтальная полка обода диска может быть выполнена с кольцевым выступом в верхней части полки, снабженным понизу прерывистой кольцевой канавкой, выполненной в теле выступа на участках между пазами для хвостовиков глубиной, достаточной для заведения разрезного контровочного кольца в нижнюю часть высоты хвостовика лопатки, причем не менее чем на одном участке между пазами в створе канавки в зоне выступа в полке обода диска выполнены одно или два последовательных радиальных отверстия соответственно для фиксации стопорным элементом и демонтажа контровочного кольца.

В верхней части полотна диска не менее чем под одной из наклонных полок полотна может быть выполнен кольцевой прилив для последующей прерывистой калибровки толщины и длины участков последнего при монтажной балансировке диска.

Наклонные полки, расположенные под ободом диска, могут быть выполнены отходящими от полотна в верхней части последнего с углом наклона относительно оси вала ротора, практически повторяющим угол наклона образующей соответствующего кольцевого участка внутреннего контура проточной части, при этом фронтальная из указанных полок по ходу потока рабочего тела выполнена для неразъемного соединения с ответным соединительным элементом предыдущей ступени - кольцевой проставкой, а тыльная полки выполнена для неразъемного соединения с ответным соединительным элементом - фронтальной полкой диска третьей ступени.

Поставленная задача решается тем, что по второму варианту диск рабочего колеса второй ступени вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, имеющего корпус с проточной частью, ротор с валом барабанно-дисковой конструкции и шлицевую трубу, согласно изобретению, выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу с центральным отверстием, обод с фронтальной и тыльной полками по ходу потока рабочего тела, наделенный пазами для заведения хвостовиков лопаток рабочего колеса, и полотно, снабженное в периферийной части расположенными под ободом с двух сторон наклонными полками, сконструированными для неразъемного соединения с ответными контактными элементами смежных ступеней вала, при этом полотно диска выполнено с переменным по высоте сечением, конически сужающимся от ступицы к ободу, а ступица выполнена симметрично развитой относительно средней условной плоскости полотна, нормальной к оси вала ротора, с осевой шириной, превышающей толщину δ_к.п. прикорневой части полотна в (3,7÷5,1) раза, при этом средний радиус диска от оси вала ротора до внешней поверхности обода в условной плоскости симметрии полотна составляет (0,46÷0,65) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя, причем внешняя поверхность обода диска выполнена составляющей осевой участок внутреннего контура проточной части с осевой длиной, равной проекции образующей обода на ось вала ротора, и с радиусом, возрастающим в осевом сечении КНД в сторону потока рабочего тела, кроме того пазы для заведения хвостовиков лопаток равномерно разнесены по периметру обода диска с угловой частотой Y_п=(5,4÷7,7) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения, при этом подошва каждого паза расположена в плоскости, параллельной оси вала ротора, а продольная ось подошвы паза образует с осью вала ротора в проекции на указанную плоскость угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(17÷25)°.

При этом конфигурация поперечного сечения каждого паза в ободе диска может быть выполнена под замковое соединение с хвостовиком по типу «ласточкин хвост», а базовые поверхности боковых граней паза выполнены встречно наклонными одна к другой с образованием углов β между боковой гранью и подошвой паза, равных β=(63÷78)°.

Полотно диска может быть выполнено конически сужающимся от ступицы к ободу с градиентом G_у.т. уменьшения толщины в указанном направлении, равным

где δ_п.п. - толщина периферийной части полотна диска; δ_к.п. - толщина прикорневой части полотна; Н_ср - радиальная высота полотна диска между участками сопряжений со ступицей и ободом;

Градиент радиального расширения обода G_об может быть определен в диапазоне

где R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска, определяющие коническую конфигурацию внутреннего контура проточной части в зоне обода диска второй ступени; В_об - осевая ширина обода.

Угол наклона образующей внешней поверхности обода диска к оси вала ротора может составлять составляет φ=(10÷15)°.

Фронтальная полка обода диска может быть выполнена с кольцевым выступом в верхней части полки, снабженным понизу прерывистой кольцевой канавкой, выполненной в теле выступа на участках между пазами для хвостовиков глубиной, достаточной для заведения разрезного контровочного кольца в нижнюю часть высоты хвостовика лопатки, причем не менее чем на одном участке между пазами в створе канавки в зоне выступа в полке обода диска выполнены одно или два последовательных радиальных отверстия соответственно для фиксации стопорным элементом и демонтажа контровочного кольца.

В верхней части полотна диска не менее чем под одной из наклонных полок полотна может быть выполнен кольцевой прилив для последующей прерывистой калибровки толщины и длины участков последнего при монтажной балансировке диска.

Наклонные полки, расположенные под ободом диска, могут быть выполнены отходящими от полотна в верхней части последнего с углом наклона относительно оси вала ротора, практически повторяющим угол наклона образующей соответствующего кольцевого участка внутреннего контура проточной части, при этом фронтальная из указанных полок по ходу потока рабочего тела выполнена для неразъемного соединения с ответным соединительным элементом предыдущей ступени - кольцевой проставкой, а тыльная полки выполнена для неразъемного соединения с ответным соединительным элементом - фронтальной полкой диска третьей ступени, кроме того тыльная наклонная полка полотна снабжена элементами лабиринтного уплотнения.

Поставленная задача решается тем, что по третьему варианту диск рабочего колеса второй ступени вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, имеющего корпус с проточной частью, ротор с валом барабанно-дисковой конструкции и шлицевую трубу, согласно изобретению, выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу с центральным отверстием, обод с фронтальной и тыльной полками по ходу потока рабочего тела, наделенный пазами для заведения хвостовиков лопаток рабочего колеса, и полотно, снабженное в периферийной части расположенными под ободом с двух сторон наклонными полками, выполненными для неразъемного соединения с ответными контактными элементами смежных ступеней вала, при этом полотно диска выполнено с переменным по высоте сечением, конически сужающимся от ступицы к ободу, а ступица выполнена симметрично развитой относительно средней условной плоскости полотна, нормальной к оси вала ротора, с осевой шириной, превышающей толщину δ_к.п. прикорневой части полотна в (3,7÷5,1) раза, при этом средний радиус диска от оси вала ротора до внешней поверхности обода в условной плоскости симметрии полотна составляет (0,46÷0,65) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя, причем внешняя поверхность обода диска выполнена составляющей осевой участок внутреннего контура проточной части с осевой длиной, равной проекции образующей обода на ось вала ротора, и с радиусом, возрастающим в осевом сечении КНД в сторону потока рабочего тела, при этом угол наклона образующей внешней поверхности обода диска к оси вала ротора составляет φ=(10÷15)°, а градиент радиального расширения обода G_об определен в диапазоне

где R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска, определяющие коническую конфигурацию внутреннего контура проточной части в зоне обода диска второй ступени; В_об - осевая ширина обода, кроме того фронтальная полка обода диска выполнена с кольцевым выступом в верхней части полки, снабженным понизу прерывистой кольцевой канавкой, выполненной в теле выступа на участках между пазами для хвостовиков глубиной, достаточной для заведения разрезного контровочного кольца в нижнюю часть высоты хвостовика лопатки, а тыльная наклонная полка полотна снабжена элементами лабиринтного уплотнения.

При этом пазы для заведения хвостовиков лопаток могут быть равномерно разнесены по периметру обода диска с угловой частотой Y_п=(5,4÷7,7) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения по типу «ласточкин хвост», при этом подошва каждого паза расположена в плоскости, параллельной оси вала ротора, а продольная ось подошвы паза образует с осью вала ротора в проекции на указанную плоскость угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(17÷25)°, при этом базовые поверхности боковых граней паза выполнены встречно наклонными одна к другой с образованием углов β между боковой гранью и подошвой паза, равных β=(63÷78)°.

Полотно диска может быть выполнено конически сужающимся от ступицы к ободу с градиентом G_у.т. уменьшения толщины в указанном направлении, равным

где δ_п.п. - толщина периферийной части полотна диска; δ_к.п. - толщина прикорневой части полотна; Н_ср - радиальная высота полотна диска между участками сопряжений со ступицей и ободом.

Не менее чем на одном участке между пазами в створе канавки в зоне выступа в полке обода диска могут быть выполнены одно или два последовательных радиальных отверстия соответственно для фиксации стопорным элементом и демонтажа контровочного кольца.

В верхней части полотна диска не менее чем под одной из наклонных полок полотна может быть выполнен кольцевой прилив для последующей прерывистой калибровки толщины и длины участков последнего при монтажной балансировке диска.

Наклонные полки, расположенные под ободом диска, могут быть выполнены отходящими от полотна в верхней части последнего с углом наклона относительно оси вала ротора, практически повторяющим угол наклона образующей соответствующего кольцевого участка внутреннего контура проточной части, а фронтальная из указанных полок по ходу потока рабочего тела выполнена для неразъемного соединения с ответным соединительным элементом предыдущей ступени - кольцевой проставкой, а тыльная полка выполнена для неразъемного соединения с ответным соединительным элементом - фронтальной полкой диска третьей ступени.

Технический результат изобретения, достигаемый приведенной совокупностью существенных признаков диска рабочего колеса второй ступени ротора КНД ТРД, заключается в повышении КПД и расширении диапазона режимов газодинамической устойчивости компрессора на 2,4% при повышении ресурса диска в 2 раза.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

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

на фиг. 2 - фрагмент диска второй ступени вала ротора КНД, вид сбоку;

на фиг. 3 - фрагмент обода диска второй ступени вала ротора КНД, фронтальная проекция;

на фиг. 4 - паз обода диска второй ступени вала ротора КНД, продольный разрез.

Турбореактивный двигатель содержит корпус 1 с проточной частью 2, ротор с валом барабанно-дисковой конструкции и шлицевую трубу.

Диск рабочего колеса второй ступени вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу 3 с центральным отверстием 4, обод 5 с фронтальной и тыльной полками 6 и 7 соответственно по ходу потока рабочего тела, наделенный пазами 8 для заведения хвостовиков лопаток рабочего колеса, и полотно 9. Полотно 9 снабжено в периферийной части расположенными под ободом 5 с двух сторон наклонными полками 10, 11, сконструированными для неразъемного соединения с ответными контактными элементами смежных ступеней вала,

Полотно 9 диска выполнено с переменным по высоте сечением, конически сужающимся от ступицы 3 к ободу 5 с градиентом G_у.т. уменьшения толщины в указанном направлении, равным

где δ_п.п. - толщина периферийной части полотна диска; δ_к.п. - толщина прикорневой части полотна; H_ср - радиальная высота полотна диска между участками сопряжений со ступицей и ободом.

Ступица выполнена симметрично развитой относительно средней условной плоскости полотна, нормальной к оси 12 вала ротора, с осевой шириной, превышающей толщину δ_к.п. прикорневой части полотна в (3,7÷5,1) раза. Средний радиус R_cp диска от оси 12 вала ротора до внешней поверхности 13 обода в условной плоскости симметрии полотна составляет (0,46÷0,65) от радиуса R_пр периферийного контура проточной части 2 двигателя. Внешняя поверхность 13 обода 5 диска выполнена составляющей осевой участок внутреннего контура проточной части 2 с осевой длиной, равной проекции образующей обода 5 на ось 12 вала ротора, и с радиусом, возрастающим в осевом сечении КНД в сторону потока рабочего тела. Угол наклона образующей внешней поверхности 13 обода 5 диска к оси вала ротора составляет φ=(10÷15)°.

Градиент радиального расширения обода G_об определен в диапазоне

где R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска, определяющие коническую конфигурацию внутреннего контура проточной части в зоне обода диска второй ступени; В_об - осевая ширина обода.

Пазы 8 для заведения хвостовиков лопаток равномерно разнесены по периметру обода 5 диска с угловой частотой Y_п=(5,4÷7,7) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями 14, образующими элемент замкового соединения. Подошва 15 каждого паза 8 расположена в плоскости, параллельной оси вала ротора. Продольная ось подошвы 15 паза 8 образует с осью вала ротора в проекции на указанную плоскость угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(17÷25)°. Конфигурация поперечного сечения каждого паза 8 ободе 5 диска выполнена под замковое соединение с хвостовиком по типу «ласточкин хвост». Базовые поверхности боковых граней 14 паза 8 выполнены встречно наклонными одна к другой с образованием углов β между боковой гранью 14 и подошвой 15 паза, равных β=(63÷78)°.

Фронтальная полка 6 обода 5 диска выполнена с кольцевым выступом 16 в верхней части полки, снабженным понизу прерывистой кольцевой канавкой, выполненной в теле выступа на участках между пазами 8 для хвостовиков глубиной, достаточной для заведения разрезного контровочного кольца в нижнюю часть высоты хвостовика лопатки. Не менее чем на одном участке между пазами 8 в створе канавки в зоне выступа в полке 6 обода 5 диска выполнены одно или два последовательных радиальных отверстия 17 соответственно для фиксации стопорным элементом 18 и демонтажа контровочного кольца.

В верхней части полотна 9 диска под тыльной наклонной полкой 11 полотна 9 выполнен кольцевой прилив 19 для последующей прерывистой калибровки толщины и длины участков последнего при монтажной балансировке диска.

Наклонные полки 10, 11, расположенные под ободом 5 диска, выполнены отходящими от полотна в верхней части последнего с углом наклона относительно оси 12 вала ротора, практически повторяющим угол наклона образующей соответствующего кольцевого участка внутреннего контура проточной части 2. Фронтальная полка 10 по ходу потока рабочего тела выполнена для неразъемного соединения с ответным соединительным элементом предыдущей ступени - кольцевой проставкой. Тыльная полка 11 снабжена элементами 20 лабиринтного уплотнения и выполнена для неразъемного соединения с ответным соединительным элементом - фронтальной полкой диска третьей ступени.

Диск второй ступени КНД ТРД изготавливают объемной штамповкой из поковки в виде моноэлемента, включающего выполненные заодно целое массивную ступицу 3, полотно 9 и обод 5. Профили полотна 9 и ступицы 3 формируют обтачиванием заготовки с последующей полировкой.

Изготовленный диск имеет следующие геометрические параметры: габаритная ширина ступицы - 44 мм; диаметр центрального отверстия ступицы - 132 мм; толщина полотна - 9,9 мм на диаметре 250 мм, толщина полотна - 6,3 мм на диаметре 372 мм; ширина обода - 54 мм; минимальный и максимальный диаметры внешней поверхности обода диска - 465 мм и 490 мм соответственно; угол φ наклона внешней поверхности обода диска - 13°.

На внешней стороне обода 5 выполняют протягиванием замковые пазы для крепления лопаток в количестве 42 штук. Пазы 8 выполнены со следующими геометрическими параметрами: угол наклона боковых граней к подошве паза составляет 70°; ширина подошвы - 20 мм.

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

Технический результат настоящего изобретения достигают совокупностью разработанных в изобретении конструктивных решений и геометрических параметров основных элементов диска рабочего колеса второй ступени ротора КНД, а именно радиальных параметров диска, геометрической конфигурации обода 5, принятого сочетания конического полотна 9 с заявленным градиентом G_у.т.=(0,05÷0,07) и осевой ширины ступицы 3, компенсирующих ослабление полотна 9 диска центральным отверстием 4, что приводит к снижению материалоемкости и повышению максимальных допустимых усилий в элементах диска. Выполнение ширины ступицы 3, превышающей толщину прикорневой части полотна 9 в (3,7÷5,1) раза, приводит к снижению материалоемкости и повышению максимальных допустимых усилий в элементах диска. Диаметр отверстия 4 в ступице 3 принят достаточным для пропуска шлицевой трубы при монтаже и ремонтных операциях сборки компрессора.

Функциональное назначение диска второй ступени обеспечивать передачу механической энергии на лопатки рабочего колеса достигают при соблюдении условия, когда средний радиус R_cp диска от оси ротора до внешней поверхности 9 обода 5 в условной плоскости симметрии полотна 9 составляет (0,46÷0,65) от радиуса R_пр периферийного контура проточной части двигателя. Выход за указанный диапазон в область отношений (R_ср/R_пр)<0,46 приводит к неоправданному завышению материалоемкости лопаток рабочего колеса, перегруженности диска крутящим моментом от ТНД, рассогласованию с аэродинамической работой последующих ступеней и как следствие к снижению КПД компрессора, запасов ГДУ и ресурса диска. Выход за найденный в изобретении допустимый диапазон соотношений параметров (R_ср/R_пр)>0,65 недопустимо снизит площадь входного сечения проточной части и расход рабочего тела в зоне второй ступени компрессора, уменьшит мощность двигателя и запас ГДУ при неоправданном повышении материалоемкости диска.

Технический результат настоящего изобретения обеспечивают также заявленной геометрической конфигурацией диска в пределах указанного диапазона отношений разности выходного и входного радиусов к ширине обода 5 диска. Выход градиента G_об за пределы заявленного диапазона G_об=(0,18÷0,26) приведет к недопустимому рассогласованию радиальных параметров входного и выходного проходных сечений проточной части второй ступени и последовательно примыкающей к ней ступеней КНД, не обеспечит необходимых перепадов давлений рабочего тела в указанных ступенях КНД, что, как следствие, приведет к снижению КПД, запасов ГДУ компрессора и ресурса диска, а также к дополнительному эксплуатационному расходу топлива и повышенному износу двигателя.

На внешней стороне обода 5 диска выполняют протягиванием систему пазов 8 для закрепления лопаток в количестве 42 шт. Пазы 8 расположены под углом к оси вращения ротора. Технический результат изобретения достигают при выполнении пазов, расположенных под углом α, принятым из заявленного диапазона (17÷25)°, так как при этом обеспечивается возможность установки хвостовика и пера лопатки под углом, создающим наибольший перепад давлений на входе и выходе потока рабочего тела из рабочего колеса второй ступени ротора КНД и создаются наиболее благоприятные условия работы, повышающие запас ГДУ, КПД и ресурс при минимальной материалоемкости диска. Выход значений угла α за пределы заявленного диапазона приведет к существенному ограничению запаса ГДУ при многорежимной работе компрессора, снижению КПД ступени ротора и возрастанию риска аварийно опасного срыва воздушного потока с установленных в пазах 8 диске лопаток рабочего колеса второй ступени ротора компрессора с результирующей потерей ГДУ. При увеличении угла α_о>25° отклонения оси паза 8 диска от оси вала ротора неоправданно возрастают напряжения в лопатках на всех режимах работы КНД, что приводит к снижению ресурса системы «диск - лопаточный венец», увеличению материалоемкости установленных на диске лопаток и, в конечном счете, к утяжелению компрессора и снижению эксплуатационной экономичности двигателя.

Кроме того, пазы 8 равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(5,4÷7,7) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, встречно наклонными одна к другой под углом β=(63÷78)°, к подошве паза и сопряженные с подошвой через скругления, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки. Технический результат изобретения обеспечивают при насыщении лопаточного венца количеством лопаток и соответственно пазов 8 на ободе 5диске для закрепления хвостовиков лопаток, располагаемых с угловой частотой, принимаемой из диапазона, найденного в изобретении. При уменьшении числа лопаток и соответственно пазов на ободе диска ниже нижнего предела указанного диапазона Y_п<5,4 [ед/рад] нарастает отставание потока от вращения лопаточного венца и возрастает риск потери ГДУ в указанной ступени компрессора. Превышение верхней границы указанного диапазона Y_п>7,7 [ед/рад] и соответствующем увеличении числа лопаток в лопаточном венце, образуемом на диске второй ступени, приводит к неоправданному ухудшению КПД и риску преждевременного запирания потока рабочего тела лопаточным венцом. Кроме того, заявленная геометрия паза 8 обеспечивает повышение концентрации при действии эксплуатационных нагрузок, точности геометрии межлопаточных каналов и формы решетки совместно с рабочими лопатками и повышает ресурс диска.

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

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к компрессорам низкого давления авиационных турбореактивных двигателей. Диск второй ступени ротора компрессора низкого давления ТРД диск выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу с центральным отверстием, обод с пазами для заведения хвостовиков лопаток рабочего колеса и полотно, снабженное наклонными полками. Полотно диска выполнено с переменным по высоте сечением, конически сужающимся от ступицы к ободу с градиентом G_у.т. уменьшения толщины в указанном направлении, равным G_у.т.=(0,05÷0,07) [м/м]. Средний радиус диска от оси вала ротора до внешней поверхности обода в условной плоскости симметрии полотна составляет (0,46÷0,65) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя. Угол наклона образующей внешней поверхности обода диска к оси вала ротора составляет φ=(10÷15)°. Градиент радиального расширения обода G_об определен в диапазоне G_об=(0,18÷0,26) [м/м]. Пазы для заведения хвостовиков лопаток равномерно разнесены по периметру обода диска с угловой частотой Y_п=(5,4÷7,7) [ед/рад]. Продольная ось паза образует с осью вала ротора в проекции на плоскость, параллельную оси вала ротора, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(17÷25)°. Технический результат, достигаемый изобретением, состоит в повышении КПД и увеличении запаса ГДУ на всех режимах работы компрессора при повышении ресурса диска рабочего колеса второй ступени КНД без увеличения материалоемкости диска. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Диск рабочего колеса второй ступени вала ротора компрессора низкого давления (КНД) турбореактивного двигателя (ТРД), имеющего корпус с проточной частью, ротор с валом барабанно-дисковой конструкции и шлицевую трубу, характеризующийся тем, что диск выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу с центральным отверстием, обод с фронтальной и тыльной полками по ходу потока рабочего тела, наделенный пазами для заведения хвостовиков лопаток рабочего колеса, и полотно, снабженное в периферийной части расположенными под ободом с двух сторон наклонными полками, сконструированными для неразъемного соединения с ответными контактными элементами смежных ступеней вала, при этом полотно диска выполнено с переменным по высоте сечением, конически сужающимся от ступицы к ободу с градиентом G_у.т. уменьшения толщины в указанном направлении, равным
G_y.т.=(δ_п.п.-δ_к.п.)/H_ср=(0,05÷0,07) [м/м],
где δ_п.п. - толщина периферийной части полотна диска; δ_к.п. - толщина прикорневой части полотна; H_ср - радиальная высота полотна диска между участками сопряжений со ступицей и ободом; а средний радиус диска от оси вала ротора до внешней поверхности обода в условной плоскости симметрии полотна составляет (0,46÷0,65) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя, причем внешняя поверхность обода диска выполнена составляющей осевой участок внутреннего контура проточной части с осевой длиной, равной проекции образующей обода на ось вала ротора, и с радиусом, возрастающим в осевом сечении КНД в сторону потока рабочего тела, при этом угол наклона образующей внешней поверхности обода диска к оси вала ротора составляет φ=(10÷15)°, а градиент радиального расширения обода G_об определен в диапазоне

где R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска, определяющие коническую конфигурацию внутреннего контура проточной части в зоне обода диска второй ступени; B_об - осевая ширина обода; кроме того пазы для заведения хвостовиков лопаток равномерно разнесены по периметру обода диска и выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения, при этом подошва каждого паза расположена в плоскости, параллельной оси вала ротора, а продольная ось подошвы паза образует с осью вала ротора в проекции на указанную плоскость угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(17÷25)°.

2. Диск второй ступени вала ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающийся тем, что пазы для заведения хвостовиков лопаток равномерно разнесены по периметру обода диска с угловой частотой Y_п=(5,4÷7,7) [ед/рад], при этом конфигурация поперечного сечения каждого паза в ободе диска выполнена под замковое соединение с хвостовиком по типу «ласточкин хвост», а базовые поверхности боковых граней паза выполнены встречно наклонными одна к другой с образованием углов β между боковой гранью и подошвой паза, равных β=(63÷78)°.

3. Диск второй ступени вала ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающийся тем, что фронтальная полка обода диска выполнена с кольцевым выступом в верхней части полки, снабженным понизу прерывистой кольцевой канавкой, выполненной в теле выступа на участках между пазами для хвостовиков глубиной, достаточной для заведения разрезного контровочного кольца в нижнюю часть высоты хвостовика лопатки, причем не менее чем на одном участке между пазами в створе канавки в зоне выступа в полке обода диска выполнены одно или два последовательных радиальных отверстия соответственно для фиксации стопорным элементом и демонтажа контровочного кольца.

4. Диск второй ступени вала ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающийся тем, что в верхней части полотна диска не менее чем под одной из наклонных полок полотна выполнен кольцевой прилив для последующей прерывистой калибровки толщины и длины участков последнего при монтажной балансировке диска.

5. Диск второй ступени вала ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающийся тем, что наклонные полки, расположенные под ободом диска, выполнены отходящими от полотна в верхней части последнего с углом наклона относительно оси вала ротора, практически повторяющим угол наклона образующей соответствующего кольцевого участка внутреннего контура проточной части, при этом фронтальная из указанных полок по ходу потока рабочего тела выполнена для неразъемного соединения с ответным соединительным элементом предыдущей ступени - кольцевой проставкой, а тыльная полки выполнена для неразъемного соединения с ответным соединительным элементом - фронтальной полкой диска третьей ступени.

6. Диск рабочего колеса второй ступени вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, имеющего корпус с проточной частью, ротор с валом барабанно-дисковой конструкции и шлицевую трубу, характеризующийся тем, что диск выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу с центральным отверстием, обод с фронтальной и тыльной полками по ходу потока рабочего тела, наделенный пазами для заведения хвостовиков лопаток рабочего колеса, и полотно, снабженное в периферийной части расположенными под ободом с двух сторон наклонными полками, сконструированными для неразъемного соединения с ответными контактными элементами смежных ступеней вала, при этом полотно диска выполнено с переменным по высоте сечением, конически сужающимся от ступицы к ободу, а ступица выполнена симметрично развитой относительно средней условной плоскости полотна, нормальной к оси вала ротора, с осевой шириной, превышающей толщину δ_к.п. прикорневой части полотна в (3,7÷5,1) раза, при этом средний радиус диска от оси вала ротора до внешней поверхности обода в условной плоскости симметрии полотна составляет (0,46÷0,65) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя, причем внешняя поверхность обода диска выполнена составляющей осевой участок внутреннего контура проточной части с осевой длиной, равной проекции образующей обода на ось вала ротора, и с радиусом, возрастающим в осевом сечении КНД в сторону потока рабочего тела, кроме того пазы для заведения хвостовиков лопаток равномерно разнесены по периметру обода диска с угловой частотой Y_п=(5,4÷7,7) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения, при этом подошва каждого паза расположена в плоскости, параллельной оси вала ротора, а продольная ось подошвы паза образует с осью вала ротора в проекции на указанную плоскость угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(17÷25)°.

7. Диск второй ступени вала ротора компрессора низкого давления по п. 6, отличающийся тем, что конфигурация поперечного сечения каждого паза в ободе диска выполнена под замковое соединение с хвостовиком по типу «ласточкин хвост», а базовые поверхности боковых граней паза выполнены встречно наклонными одна к другой с образованием углов β между боковой гранью и подошвой паза, равных β=(63÷78)°.

8. Диск второй ступени вала ротора компрессора низкого давления по п. 6, отличающийся тем, что полотно диска выполнено конически сужающимся от ступицы к ободу с градиентом G_у.т. уменьшения толщины в указанном направлении, равным

где δ_п.п. - толщина периферийной части полотна диска; δ_к.п. - толщина прикорневой части полотна; H_ср - радиальная высота полотна диска между участками сопряжений со ступицей и ободом;

9. Диск второй ступени вала ротора компрессора низкого давления по п. 6, отличающийся тем, что градиент радиального расширения обода G_об определен в диапазоне

где R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска, определяющие коническую конфигурацию внутреннего контура проточной части в зоне обода диска второй ступени; B_об - осевая ширина обода.

10. Диск второй ступени вала ротора компрессора низкого давления по п. 6, отличающийся тем, что угол наклона образующей внешней поверхности обода диска к оси вала ротора составляет φ=(10÷15)°.

11. Диск второй ступени вала ротора компрессора низкого давления по п. 6, отличающийся тем, что фронтальная полка обода диска выполнена с кольцевым выступом в верхней части полки, снабженным понизу прерывистой кольцевой канавкой, выполненной в теле выступа на участках между пазами для хвостовиков глубиной, достаточной для заведения разрезного контровочного кольца в нижнюю часть высоты хвостовика лопатки, причем не менее чем на одном участке между пазами в створе канавки в зоне выступа в полке обода диска выполнены одно или два последовательных радиальных отверстия соответственно для фиксации стопорным элементом и демонтажа контровочного кольца.

12. Диск второй ступени вала ротора компрессора низкого давления по п. 6, отличающийся тем, что в верхней части полотна диска не менее чем под одной из наклонных полок полотна выполнен кольцевой прилив для последующей прерывистой калибровки толщины и длины участков последнего при монтажной балансировке диска.

13. Диск второй ступени ротора компрессора низкого давления по п. 6, отличающийся тем, что наклонные полки, расположенные под ободом диска, выполнены отходящими от полотна в верхней части последнего с углом наклона относительно оси вала ротора, практически повторяющим угол наклона образующей соответствующего кольцевого участка внутреннего контура проточной части, при этом фронтальная из указанных полок по ходу потока рабочего тела выполнена для неразъемного соединения с ответным соединительным элементом предыдущей ступени - кольцевой проставкой, а тыльная полки выполнена для неразъемного соединения с ответным соединительным элементом - фронтальной полкой диска третьей ступени, кроме того тыльная наклонная полка полотна снабжена элементами лабиринтного уплотнения.

14. Диск рабочего колеса второй ступени вала ротора компрессора низкого давления турбореактивного двигателя, имеющего корпус с проточной частью, ротор с валом барабанно-дисковой конструкции и шлицевую трубу, характеризующийся тем, что диск выполнен в виде моноэлемента, включающего ступицу с центральным отверстием, обод с фронтальной и тыльной полками по ходу потока рабочего тела, наделенный пазами для заведения хвостовиков лопаток рабочего колеса, и полотно, снабженное в периферийной части расположенными под ободом с двух сторон наклонными полками, выполненными для неразъемного соединения с ответными контактными элементами смежных ступеней вала, при этом полотно диска выполнено с переменным по высоте сечением, конически сужающимся от ступицы к ободу, а ступица выполнена симметрично развитой относительно средней условной плоскости полотна, нормальной к оси вала ротора, с осевой шириной, превышающей толщину δ_к.п. прикорневой части полотна в (3,7÷5,1) раза, при этом средний радиус диска от оси вала ротора до внешней поверхности обода в условной плоскости симметрии полотна составляет (0,46÷0,65) от радиуса периферийного контура проточной части двигателя, причем внешняя поверхность обода диска выполнена составляющей осевой участок внутреннего контура проточной части с осевой длиной, равной проекции образующей обода на ось вала ротора, и с радиусом, возрастающим в осевом сечении КНД в сторону потока рабочего тела, при этом угол наклона образующей внешней поверхности обода диска к оси вала ротора составляет φ=(10÷15)°, а градиент радиального расширения обода G_об определен в диапазоне

где R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска, определяющие коническую конфигурацию внутреннего контура проточной части в зоне обода диска второй ступени; B_об - осевая ширина обода, кроме того фронтальная полка обода диска выполнена с кольцевым выступом в верхней части полки, снабженным понизу прерывистой кольцевой канавкой, выполненной в теле выступа на участках между пазами для хвостовиков глубиной, достаточной для заведения разрезного контровочного кольца в нижнюю часть высоты хвостовика лопатки, а тыльная наклонная полка полотна снабжена элементами лабиринтного уплотнения.

15. Диск второй ступени вала ротора компрессора низкого давления по п. 14, отличающийся тем, что пазы для заведения хвостовиков лопаток равномерно разнесены по периметру обода диска с угловой частотой Y_п=(5,4÷7,7) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения по типу «ласточкин хвост», при этом подошва каждого паза расположена в плоскости, параллельной оси вала ротора, а продольная ось подошвы паза образует с осью вала ротора в проекции на указанную плоскость угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(17÷25)°, при этом базовые поверхности боковых граней паза выполнены встречно наклонными одна к другой с образованием углов β между боковой гранью и подошвой паза, равных β=(63÷78)°.

16. Диск второй ступени вала ротора компрессора низкого давления по п. 14, отличающийся тем, что полотно диска выполнено конически сужающимся от ступицы к ободу с градиентом G_у.т. уменьшения толщины в указанном направлении, равным

где δ_п.п. - толщина периферийной части полотна диска; δ_к.п. - толщина прикорневой части полотна; H_ср - радиальная высота полотна диска между участками сопряжений со ступицей и ободом.

17. Диск второй ступени вала ротора компрессора низкого давления по п. 14, отличающийся тем, что не менее чем на одном участке между пазами в створе канавки в зоне выступа в полке обода диска выполнены одно или два последовательных радиальных отверстия соответственно для фиксации стопорным элементом и демонтажа контровочного кольца.

18. Диск второй ступени вала ротора компрессора низкого давления по п. 14, отличающийся тем, что в верхней части полотна диска не менее чем под одной из наклонных полок полотна выполнен кольцевой прилив для последующей прерывистой калибровки толщины и длины участков последнего при монтажной балансировке диска.

19. Диск второй ступени ротора компрессора низкого давления по п. 14, отличающийся тем, что наклонные полки, расположенные под ободом диска, выполнены отходящими от полотна в верхней части последнего с углом наклона относительно оси вала ротора, практически повторяющим угол наклона образующей соответствующего кольцевого участка внутреннего контура проточной части, а фронтальная из указанных полок по ходу потока рабочего тела выполнена для неразъемного соединения с ответным соединительным элементом предыдущей ступени - кольцевой проставкой, а тыльная полка выполнена для неразъемного соединения с ответным соединительным элементом - фронтальной полкой диска третьей ступени.