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

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

Известен диск первой ступени 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 C1, опубл. 10.02.2006).

Известен диск первой 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 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. 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 первой 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 группой изобретений, объединенных единых творческим замыслом, состоит в разработке диска рабочего колеса первой ступени ротора компрессора низкого давления газотурбинного двигателя (ГТД) с улучшенными конструктивными и аэродинамическими параметрами пространственной конфигурации, обеспечивающими сохранение диском геометрии в процессе эксплуатации при действии эксплуатационных нагрузок, обеспечение точности геометрии межлопаточных каналов и формы решетки совместно с рабочими лопатками, достаточных для увеличения расхода сжимаемого рабочего тела - воздуха, КПД первой 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 первой ступени вала ротора компрессора низкого давления (КНД) стационарного газотурбинного двигателя (ГТД), имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, в которой размещены рабочие лопатки ротора, имеющие хвостовик и перо с продольной осью, а вал выполнен полым, барабанно-дисковой конструкции с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой и сообщен с турбиной низкого давления (ТНД) с возможностью передачи крутящего момента, согласно изобретению, выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в усиленное ступицей полотно с центральным отверстием, при этом радиус диска R_д от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна составляет (0,42÷0,61) от радиуса R_п.ч. периферийного контура проточной части в указанной плоскости; причем обод диска асимметрично соединен с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок и выполнен выходящим в проточную часть с образованием внутреннего контура последней на осевой длине первой ступени вала ротора и силового объединения с ободом диска последующей ступени, при этом внешняя поверхность обода выполнена с углом наклона образующей относительно оси вала ротора, совпадающим с углом наклона образующей внутреннего контура проточной части, радиус которого монотонно изменяется в сторону потока рабочего тела с градиентом радиального расширения G_об, определенным в диапазоне

,

где R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска, B_об - осевая ширина обода; причем обод диска со стороны, обращенной к проточной части, на участке осевой ширины, соизмеримой с проекцией ширины пера на условную осевую плоскость, проходящую через ось вала ротора и совмещенную с продольной осью пера лопатки, снабжен системой пазов для хвостовиков лопаток, при этом продольная ось подошвы каждого из пазов образует с осью вала ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к продольной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(16,8÷24,1)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=N/2π=(5,1÷6,8) [ед/рад], где N - число пазов в ободе диска, и выполнены с взаимно наклонными боковыми гранями, имеющими в поперечном сечении конфигурацию элемента замкового соединения с хвостовиком лопатки, причем полотно с фронтальной стороны диска в зоне, примыкающей к ободу, снабжено расположенным под ним коническим кольцевым элементом, который выполнен с углом β наклона образующей к оси вала ротора, превышающим угол φ наклона образующей внешней поверхности обода на величину Δ, равную Δ=(β-φ), определенную в диапазоне Δ=(39÷47)°, при этом конический кольцевой элемент полотна выполнен с возможностью силового соединения с коническим элементом цапфы для передачи радиальных и осевых усилий на элементы передней опоры ротора.

При этом фронтальная по ходу потока рабочего тела полка обода диска может быть снабжена в подошве каждого паза сквозным отверстием для пропуска фиксатора хвостовика лопатки.

Тыльная по ходу потока рабочего тела полка обода диска может быть развита до контакта с ответной полкой обода диска последующей ступени и выполнена выступающей за габарит пера рабочей лопатки диска первой ступени на ширину, достаточную для размещения в указанной полке элементов лабиринтного уплотнения, выполненных с возможностью взаимодействия через зазор с элементами неподвижного торца лопатки направляющего аппарата статора, обеспечивающего взаимодействие с указанным диском первой ступени ротора по рабочему телу.

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

Поставленная задача по второму варианту решается тем, что диск первой ступени вала ротора компрессора низкого давления стационарного газотурбинного двигателя, имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, в которой размещены рабочие лопатки ротора, имеющие хвостовик и перо с продольной осью, а вал выполнен полым, барабанно-дисковой конструкции с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой и сообщен с турбиной низкого давления с возможностью передачи крутящего момента, согласно изобретению, выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в усиленное ступицей полотно с центральным отверстием, при этом радиус диска R_д от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна составляет (0,42÷0,61) от радиуса R_п.ч. периферийного контура проточной части в указанной плоскости; причем обод диска асимметрично соединен с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок и выполнен выходящим в проточную часть с образованием внутреннего контура последней на осевой длине первой ступени вала ротора и силового объединения с ободом диска последующей ступени, причем обод диска со стороны, обращенной к проточной части, на участке осевой ширины, соизмеримой с проекцией ширины пера на условную осевую плоскость, проходящую через ось вала ротора и совмещенную с продольной осью пера лопатки, снабжен системой пазов для хвостовиков лопаток, при этом продольная ось подошвы каждого из пазов образует с осью вала ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к продольной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(16,8÷24,1)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=N/2π=(5,1÷6,8) [ед/рад], где N - число пазов в ободе диска, и выполнены с взаимно наклонными боковыми гранями, имеющими в поперечном сечении конфигурацию элемента замкового соединения с хвостовиком лопатки.

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

Фронтальная по ходу потока рабочего тела полка обода диска может быть снабжена в подошве каждого паза сквозным отверстием для пропуска фиксатора хвостовика лопатки.

Полотно с фронтальной стороны диска в зоне, примыкающей к ободу, может быть снабжено расположенным под ним коническим кольцевым элементом, выполненным для силового соединения с коническим элементом цапфы для передачи радиальных и осевых усилий на элементы передней опоры ротора, при этом конический кольцевой элемент выполнен с углом β наклона образующей к оси вала ротора, превышающим угол φ наклона образующей внешней поверхности обода на величину Δ, равную Δ=(β-φ), определенную в диапазоне Δ=(39÷47)°.

Внешняя поверхность обода может быть выполнена с углом наклона образующей относительно оси вала ротора, совпадающим с углом наклона образующей внутреннего контура проточной части, радиус которого монотонно изменяется в сторону потока рабочего тела с градиентом радиального расширения G_об, определенным в диапазоне

,

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

Тыльная по ходу потока рабочего тела полка обода диска может быть развита и выполнена выступающей за габарит пера рабочей лопатки диска первой ступени на ширину, достаточную для размещения в указанной полке элементов лабиринтного уплотнения, выполненных с возможностью взаимодействия через зазор с элементами неподвижного торца лопатки направляющего аппарата статора, обеспечивающего взаимодействие с указанным диском первой ступени ротора по рабочему телу.

Поставленная задача по третьему варианту решается тем, что диск первой ступени вала ротора компрессора низкого давления стационарного газотурбинного двигателя, имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, в которой размещены рабочие лопатки ротора, имеющие хвостовик и перо с продольной осью, а вал выполнен полым, барабанно-дисковой конструкции с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой и сообщен с турбиной низкого давления с возможностью передачи крутящего момента, согласно изобретению, выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в усиленное ступицей полотно с центральным отверстием, при этом радиус диска R_д от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна составляет (0,42÷0,61) от радиуса R_п.ч. периферийного контура проточной части в указанной плоскости; причем обод диска асимметрично соединен с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок и выполнен выходящим в проточную часть с образованием внутреннего контура последней на осевой длине первой ступени вала ротора и силового объединения с ободом диска последующей ступени, при этом внешняя поверхность обода выполнена с углом наклона образующей относительно оси вала ротора, совпадающим с углом наклона образующей внутреннего контура проточной части, радиус которого монотонно изменяется в сторону потока рабочего тела с градиентом радиального расширения G_об, определенным в диапазоне

,

где R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска, B_об - осевая ширина обода; причем обод диска со стороны, обращенной к проточной части, на участке осевой ширины, соизмеримой с проекцией ширины пера на условную осевую плоскость, проходящую через ось вала ротора и совмещенную с продольной осью пера лопатки, снабжен системой пазов для хвостовиков лопаток, равномерно разнесенных по периметру диска.

При этом продольная ось подошвы каждого из пазов может образовывать с осью вала ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к продольной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(16,8÷24,1)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=N/2π=(5,1÷6,8) [ед/рад], где N - число пазов в ободе диска, и выполнены с взаимно наклонными боковыми гранями, имеющими в поперечном сечении конфигурацию элемента замкового соединения с хвостовиком лопатки.

Фронтальная по ходу потока рабочего тела полка обода диска может быть снабжена в подошве каждого паза сквозным отверстием для пропуска фиксатора хвостовика лопатки.

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

Полотно с фронтальной стороны диска в зоне, примыкающей к ободу, может быть снабжено расположенным под ним коническим кольцевым элементом, выполненным для силового соединения с коническим элементом цапфы для передачи радиальных и осевых усилий на элементы передней опоры ротора, при этом конический кольцевой элемент выполнен с углом β наклона образующей к оси вала ротора, превышающим угол φ наклона образующей внешней поверхности обода на величину Δ, равную Δ=(β-φ), определенную в диапазоне Δ=(39÷47)°.

Тыльная по ходу потока рабочего тела полка обода диска может быть развита и выполнена выступающей за габарит пера рабочей лопатки диска первой ступени на ширину, достаточную для размещения в указанной полке элементов лабиринтного уплотнения, выполненных с возможностью взаимодействия через зазор с элементами неподвижного торца лопатки направляющего аппарата статора, обеспечивающего взаимодействие с указанным диском первой ступени ротора по рабочему телу.

Поставленная задача по четвертому варианту решается тем, что диск первой ступени вала ротора компрессора низкого давления стационарного газотурбинного двигателя, имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, в которой размещены рабочие лопатки ротора, имеющие хвостовик и перо с продольной осью, а вал выполнен полым, барабанно-дисковой конструкции с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой и сообщен с турбиной низкого давления с возможностью передачи крутящего момента, согласно изобретению, выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в усиленное ступицей полотно с центральным отверстием, при этом обод асимметрично соединен с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок и выполнен выходящим в проточную часть с образованием внутреннего контура последней на осевой длине первой ступени вала ротора и силового объединения с ободом диска последующей ступени, причем обод диска со стороны, обращенной к проточной части, на участке осевой ширины, соизмеримой с проекцией ширины пера на условную осевую плоскость, проходящую через ось вала ротора и совмещенную с продольной осью пера лопатки, снабжен системой пазов для хвостовиков лопаток, при этом продольная ось подошвы каждого из пазов образует с осью вала ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к продольной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(16,8÷24,1)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=N/2π=(5,1÷6,8) [ед/рад], где N - число пазов в ободе диска, и выполнены с взаимно наклонными боковыми гранями, имеющими в поперечном сечении конфигурацию элемента замкового соединения с хвостовиком лопатки, кроме того, тыльная по ходу потока рабочего тела полка обода диска выполнена выступающей за габарит пера рабочей лопатки диска первой ступени на ширину, достаточную для размещения в указанной полке элементов лабиринтного уплотнения, выполненных с возможностью взаимодействия через зазор с элементами неподвижного торца лопатки направляющего аппарата статора, обеспечивающего взаимодействие с указанным диском первой ступени ротора по рабочему телу.

При этом радиус диска R_д от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна может составлять (0,42÷0,61) от радиуса R_п.ч. периферийного контура проточной части в указанной плоскости.

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

Полотно с фронтальной стороны диска в зоне, примыкающей к ободу, может быть снабжено расположенным под ним коническим кольцевым элементом, выполненным для силового соединения с коническим элементом цапфы для передачи радиальных и осевых усилий на элементы передней опоры ротора, при этом конический кольцевой элемент выполнен с углом β наклона образующей к оси вала ротора, превышающим угол φ наклона образующей внешней поверхности обода на величину Δ, равную Δ=(β-φ), определенную в диапазоне Δ=(39÷47)°.

Внешняя поверхность обода может быть выполнена с углом наклона образующей относительно оси вала ротора, совпадающим с углом наклона образующей внутреннего контура проточной части, радиус которого монотонно изменяется в сторону потока рабочего тела с градиентом радиального расширения G_об, определенным в диапазоне

,

где R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска, B_об - осевая ширина обода.

Технический результат изобретения, достигаемый приведенной совокупностью существенных признаков диска рабочего колеса первой ступени ротора КНД ГТД, заключается в повышении КПД и расширении диапазона режимов газодинамической устойчивости компрессора на 2,1% при повышении ресурса диска в 2 раза.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

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

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

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

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

Стационарный газотурбинный двигатель имеет корпус 1 с сужающейся от входа проточной частью 2, в которой размещены рабочие лопатки ротора, имеющие хвостовик и перо с продольной осью. Вал ротора выполнен полым, барабанно-дисковой конструкции с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой 3 и сообщен с турбиной низкого давления с возможностью передачи крутящего момента.

Диск первой ступени вала ротора компрессора низкого давления выполнен в виде моноэлемента, включающего обод 4, переходящий в полотно 5, усиленное ступицей 6 с центральным отверстием 7. Радиус диска R_д от оси 8 вала ротора до внешней поверхности 9 обода 4 в средней плоскости полотна 6 составляет (0,42÷0,61) от радиуса R_п.ч. периферийного контура проточной части 2 в указанной плоскости.

Обод 4 диска асимметрично соединен с полотном 5 диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок - фронтальной полки 10 и тыльной полки 11. Обод 4 диска выполнен выходящим в проточную часть 2 с образованием внутреннего контура последней на осевой длине первой ступени вала ротора и силового объединения с ободом диска последующей ступени.

Внешняя поверхность 9 обода 4 выполнена с углом наклона образующей относительно оси 8 вала ротора, совпадающим с углом наклона образующей внутреннего контура проточной части 2. Радиус обода 4 монотонно изменяется в сторону потока рабочего тела с градиентом радиального расширения G_об, определенным в диапазоне

,

где R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска, B_об - осевая ширина обода.

Обод 4 диска со стороны, обращенной к проточной части 2, на участке осевой ширины, соизмеримой с проекцией ширины пера на условную осевую плоскость, проходящую через ось 8 вала ротора и совмещенную с продольной осью пера лопатки, снабжен системой пазов 12 для хвостовиков лопаток. Продольная ось подошвы 13 каждого из пазов 12 образует с осью 8 вала ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к продольной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(16,8÷24,1)°. Пазы 12 равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой

Y_п=N/2π=(4,8÷6,7) [ед/рад], где N - число пазов в ободе диска.

Пазы 12 выполнены с взаимно наклонными боковыми гранями 14, имеющими в поперечном сечении конфигурацию элемента замкового соединения с хвостовиком лопатки.

Полотно 5 с фронтальной стороны диска в зоне, примыкающей к ободу 4, снабжено расположенным под ним коническим кольцевым элементом 15. Кольцевой элемент 15 выполнен с углом β наклона образующей к оси 8 вала ротора, превышающим угол φ наклона образующей внешней поверхности 9 обода 4 на величину Δ, равную Δ=(β-φ), определенную в диапазоне Δ=(39÷47)°. Кольцевой элемент 15 полотна 5 выполнен с возможностью силового соединения с коническим элементом цапфы для передачи радиальных и осевых усилий на элементы передней опоры ротора.

Фронтальная полка 10 обода 3 диска снабжена в подошве 13 каждого паза 12 сквозным отверстием (не показано) для пропуска фиксатора хвостовика лопатки. Тыльная полка 11 обода 4 диска развита и выполнена выступающей за габарит пера рабочей лопатки диска первой ступени на ширину, достаточную для размещения в указанной полке элементов 16 лабиринтного уплотнения, выполненных с возможностью взаимодействия через зазор с элементами неподвижного торца лопатки направляющего аппарата статора, обеспечивающего взаимодействие с указанным диском первой ступени ротора по рабочему телу. Тыльная полка 11 обода 4 диска первой ступени выполнена развитой до контакта с ответной полкой обода диска последующей ступени с возможностью жесткого силового соединения с последней и передачи крутящего момента от ТНД.

Замковое соединение пазов 12 обода 4 диска с хвостовиками выполнено по типу «ласточкин хвост».

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

Изготовленный диск имеет следующие геометрические параметры: габаритная ширина ступицы - 34 мм; диаметр центрального отверстия ступицы - 120 мм; средняя толщина полотна - 9 мм; ширина обода - 61 мм; минимальный и максимальный диаметры внешней поверхности обода диска - 364 мм и 415 мм соответственно; угол φ наклона внешней поверхности 9 обода 4 диска - 21°.

На внешней стороне обода 4 выполняют протягиванием замковые пазы 12 для крепления лопаток в количестве 37 штук. Пазы 12 выполнены со следующими геометрическими параметрами: угол γ наклона к донной плоскости контактных с хвостовиком лопатки боковых граней 14 паза составляет 70°; ширина подошвы паза - 20 мм; угол оси α паза 12 относительно оси 8 вала ротора в проекции на условную плоскость, проведенную через указанную ось вала ротора нормально к радиусу, проходящему через среднюю точку оси паза составляет 21°.

При запуске газотурбинного двигателя диск первой 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 и через конический кольцевой элемент 15 передает радиальные и осевые нагрузки на опоры вала ротора.

Технический результат настоящего изобретения достигают совокупностью разработанных в изобретении конструктивных решений и геометрических параметров основных элементов диска рабочего колеса первой ступени ротора КНД, а именно радиальных параметров диска, геометрической конфигурации обода 4 с разноплечими кольцевыми полками 10 и 11, принятого сочетания тонкого полотна 5 и осевой ширины ступицы 6, компенсирующей ослабление полотна 5 диска центральным отверстием 7, что приводит к снижению материалоемкости и повышению максимальных допустимых усилий в элементах диска. Диаметр отверстия 7 в ступице 6 принят достаточным для свободного пропуска шлицевой трубы при монтаже и ремонтных операциях сборки компрессора.

Функциональное назначение диска первой ступени обеспечивать передачу механической энергии на лопатки рабочего колеса достигают при соблюдении условия, когда радиус диска R_д от оси 8 вала ротора до внешней поверхности 9 обода 4 в средней плоскости полотна 5 составляет (0,42÷0,61) от радиуса R_п.ч. периферийного контура проточной части 2 двигателя. Выход за указанный диапазон в область отношений (R_д/R_п.ч.)<0,42 приводит к неоправданному завышению материалоемкости лопаток рабочего колеса, перегруженности диска крутящим моментом от ТНД, рассогласованию с аэродинамической работой последующих ступеней и, как следствие, к снижению КПД компрессора, запасов ГДУ и ресурса диска. Выход за найденный в изобретении допустимый диапазон соотношений параметров (R_д/R_п.ч.)>0,61 недопустимо снизит площадь входного сечения проточной части и расход рабочего тела в зоне первой 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 4 диска. Выход градиента G_об за пределы заявленного диапазона G_об=(0,32÷0,46) приведет к недопустимому рассогласованию радиальных параметров входного и выходного проходных сечений проточной части первой ступени и последовательно примыкающей к ней ступеней КНД, не обеспечит необходимых перепадов давлений рабочего тела в указанных ступенях КНД, что, как следствие, приведет к снижению КПД, запасов ГДУ компрессора и ресурса диска, а также к дополнительному эксплуатационному расходу топлива и повышенному износу двигателя. Кроме того, при таком асимметричном решении ширины разноплечих кольцевых конических наклонных полок 10 и 11 обода 4 остаются равноплечими относительно условной средней плоскости полотна 5 диска фронтальная полка 10 и кольцевой участок тыльной полки 11 обода 4 диска, выходящие в проточную часть. Дополнительное уширение тыльной полки 11 обода 4 диска относительно ширины фронтальной полки 10 необходимо и достаточно для размещения в полке 11 элементов 16 лабиринтного уплотнения, выполненных с возможностью взаимодействия через зазор с элементами неподвижного торца лопатки направляющего аппарата статора и работает на технический результат изобретения, повышая ресурс диска.

На внешней стороне обода 4 диска выполняют протягиванием систему пазов 12 для закрепления лопаток. Пазы 12 расположены под углом α к оси вала ротора. Технический результат изобретения достигают при выполнении пазов, расположенных под углом α, принятым из заявленного диапазона (16,8÷24,1)°, 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 первой ступени ротора КНД и создаются наиболее благоприятные условия работы, повышающие запас ГДУ, КПД и ресурс при минимальной материалоемкости диска. Выход значений угла α за пределы заявленного диапазона приведет к существенному ограничению запаса ГДУ при многорежимной работе компрессора, снижению КПД ступени ротора и возрастанию риска аварийно опасного срыва воздушного потока с установленных в пазах 12 диске лопаток рабочего колеса первой ступени ротора компрессора с результирующей потерей ГДУ. При увеличении угла α>24,1° отклонения оси паза 12 диска от оси вращения ротора неоправданно возрастают напряжения в лопатках на всех режимах работы КНД, что приводит к снижению ресурса системы «диск-лопаточный венец», увеличению материалоемкости установленных на диске лопаток и, в конечном счете, к утяжелению компрессора и снижению эксплуатационной экономичности двигателя. Кроме того, пазы 12 равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(5,1÷6,8) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении с гранями 14, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки. Технический результат изобретения обеспечивают при насыщении лопаточного венца количеством лопаток и соответственно пазов 12 на диске для закрепления хвостовиков лопаток, располагаемых с угловой частотой, принимаемой из диапазона, найденного в изобретении. При уменьшении числа лопаток и соответственно пазов 12 на ободе диска ниже нижнего предела указанного диапазона Y_п<5,1 [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>6,8 [ед/рад] и соответствующем увеличении числа лопаток в лопаточном венце, образуемом на диске первой ступени, приводит к неоправданному ухудшению КПД и риску преждевременного запирания потока рабочего тела лопаточным венцом.

Полотно 5 снабжено коническим кольцевым элементом 15, выполненным с углом β наклона образующей к оси 8 вала ротора, превышающим угол φ наклона образующей внешней поверхности 9 обода 4 на величину Δ, равную Δ=(β-φ), определенную в диапазоне Δ=(39÷47)°, что обеспечивает оптимальное повышение объемной жесткости соединения полотна 5 с конической диафрагмой и ресурса диска в условиях многократных изгибно-крутильных нагружений в процессе эксплуатации компрессора, обеспечивает необходимую компактность узла без увеличения материалоемкости диска. Выход Δ за пределы заявленного диапазона приводит к неоправданному увеличению осевых габаритов и повышению материалоемкости конической диафрагмы как переходного элемента передней опоры диска, а также к неоправданному повышению концентрации напряжений от односторонних внеосевых динамических нагрузок на полотно и к снижению ресурса диска, не оказывая положительного влияния на технический результат изобретения.

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

Изобретение относится к области авиадвигателестроения. Диск первой ступени ротора компрессора низкого давления ГТД выполнен в виде моноэлемента, включает обод, переходящий в кольцевое полотно, усиленное ступицей, снабженной центральным отверстием. Обод асимметрично соединен с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок. Радиус диска R_д от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна составляет (0,42÷0,61) от радиуса R_п.ч. периферийного контура проточной части в указанной плоскости. Внешняя поверхность обода выполнена с углом наклона образующей относительно оси вала ротора, совпадающим с углом наклона образующей внутреннего контура проточной части, радиус которого монотонно изменяется в сторону потока рабочего тела с градиентом радиального расширения G_об=(0,32÷0,46) [м/м]. Обод диска снабжен равномерно разнесенных по периметру диска системой пазов для закрепления лопаток. Продольная ось каждого паза образует с осью вала ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к радиальной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(16,8÷24,1)°. Полотно снабжено коническим кольцевым элементом, выполненным с углом наклона образующей к геометрической оси диска, превышающим угол наклона образующей внешней поверхности обода. Достигается повышение КПД и расширение диапазона режимов газодинамической устойчивости компрессора на 2,1% при повышении ресурса диска в 2 раза. 4 н. и 17 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Диск первой ступени вала ротора компрессора низкого давления (КНД) стационарного газотурбинного двигателя (ГТД), имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, в которой размещены рабочие лопатки ротора, имеющие хвостовик и перо с продольной осью, а вал выполнен полым, барабанно-дисковой конструкции с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой и сообщен с турбиной низкого давления (ТНД) с возможностью передачи крутящего момента, характеризующийся тем, что диск выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в усиленное ступицей полотно с центральным отверстием, при этом радиус диска R_д от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна составляет (0,42÷0,61) от радиуса R_п.ч. периферийного контура проточной части в указанной плоскости; причем обод диска асимметрично соединен с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок и выполнен выходящим в проточную часть с образованием внутреннего контура последней на осевой длине первой ступени вала ротора и силового объединения с ободом диска последующей ступени, при этом внешняя поверхность обода выполнена с углом наклона образующей относительно оси вала ротора, совпадающим с углом наклона образующей внутреннего контура проточной части, радиус которого монотонно изменяется в сторону потока рабочего тела с градиентом радиального расширения G_об, определенным в диапазоне
,
где R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска, B_об - осевая ширина обода; причем обод диска со стороны, обращенной к проточной части, на участке осевой ширины, соизмеримой с проекцией ширины пера на условную осевую плоскость, проходящую через ось вала ротора и совмещенную с продольной осью пера лопатки, снабжен системой пазов для хвостовиков лопаток, при этом продольная ось подошвы каждого из пазов образует с осью вала ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к продольной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(16,8÷24,1)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=N/2π=(5,1÷6,8) [ед/рад], где N - число пазов в ободе диска, и выполнены с взаимно наклонными боковыми гранями, имеющими в поперечном сечении конфигурацию элемента замкового соединения с хвостовиком лопатки, причем полотно с фронтальной стороны диска в зоне, примыкающей к ободу, снабжено расположенным под ним коническим кольцевым элементом, который выполнен с углом β наклона образующей к оси вала ротора, превышающим угол φ наклона образующей внешней поверхности обода на величину Δ, равную Δ=(β-φ), определенную в диапазоне Δ=(39÷47)°, при этом конический кольцевой элемент полотна выполнен с возможностью силового соединения с коническим элементом цапфы для передачи радиальных и осевых усилий на элементы передней опоры ротора.

2. Диск первой ступени ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающийся тем, что фронтальная по ходу потока рабочего тела полка обода диска снабжена в подошве каждого паза сквозным отверстием для пропуска фиксатора хвостовика лопатки.

3. Диск первой ступени ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающийся тем, что тыльная по ходу потока рабочего тела полка обода диска развита до контакта с ответной полкой обода диска последующей ступени и выполнена выступающей за габарит пера рабочей лопатки диска первой ступени на ширину, достаточную для размещения в указанной полке элементов лабиринтного уплотнения, выполненных с возможностью взаимодействия через зазор с элементами неподвижного торца лопатки направляющего аппарата статора, обеспечивающего взаимодействие с указанным диском первой ступени ротора по рабочему телу.

4. Диск первой ступени ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающийся тем, что замковое соединение пазов обода диска с хвостовиками выполнено по типу «ласточкин хвост».

5. Диск первой ступени вала ротора компрессора низкого давления стационарного газотурбинного двигателя, имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, в которой размещены рабочие лопатки ротора, имеющие хвостовик и перо с продольной осью, а вал выполнен полым, барабанно-дисковой конструкции с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой и сообщен с турбиной низкого давления с возможностью передачи крутящего момента, характеризующийся тем, что диск выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в усиленное ступицей полотно с центральным отверстием, при этом радиус диска R_д от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна составляет (0,42÷0,61) от радиуса R_п.ч. периферийного контура проточной части в указанной плоскости; причем обод диска асимметрично соединен с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок и выполнен выходящим в проточную часть с образованием внутреннего контура последней на осевой длине первой ступени вала ротора и силового объединения с ободом диска последующей ступени, причем обод диска со стороны, обращенной к проточной части, на участке осевой ширины, соизмеримой с проекцией ширины пера на условную осевую плоскость, проходящую через ось вала ротора и совмещенную с продольной осью пера лопатки, снабжен системой пазов для хвостовиков лопаток, при этом продольная ось подошвы каждого из пазов образует с осью вала ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к продольной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(16,8÷24,1)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=N/2π=(5,1÷6,8) [ед/рад], где N - число пазов в ободе диска, и выполнены с взаимно наклонными боковыми гранями, имеющими в поперечном сечении конфигурацию элемента замкового соединения с хвостовиком лопатки.

6. Диск первой ступени ротора компрессора низкого давления по п. 5, отличающийся тем, что замковое соединение пазов обода диска с хвостовиками выполнено по типу «ласточкин хвост».

7. Диск первой ступени ротора компрессора низкого давления по п. 5, отличающийся тем, что фронтальная по ходу потока рабочего тела полка обода диска снабжена в подошве каждого паза сквозным отверстием для пропуска фиксатора хвостовика лопатки.

8. Диск первой ступени ротора компрессора низкого давления по п. 5, отличающийся тем, что полотно с фронтальной стороны диска в зоне, примыкающей к ободу, снабжено расположенным под ним коническим кольцевым элементом, выполненным для силового соединения с коническим элементом цапфы для передачи радиальных и осевых усилий на элементы передней опоры ротора, при этом конический кольцевой элемент выполнен с углом β наклона образующей к оси вала ротора, превышающим угол φ наклона образующей внешней поверхности обода на величину Δ, равную Δ=(β-φ), определенную в диапазоне Δ=(39÷47)°.

9. Диск первой ступени ротора компрессора низкого давления по п. 5, отличающийся тем, что внешняя поверхность обода выполнена с углом наклона образующей относительно оси вала ротора, совпадающим с углом наклона образующей внутреннего контура проточной части, радиус которого монотонно изменяется в сторону потока рабочего тела с градиентом радиального расширения G_об, определенным в диапазоне
,
где R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска, B_об - осевая ширина обода.

10. Диск первой ступени ротора компрессора низкого давления по п. 5, отличающийся тем, что тыльная по ходу потока рабочего тела полка обода диска развита и выполнена выступающей за габарит пера рабочей лопатки диска первой ступени на ширину, достаточную для размещения в указанной полке элементов лабиринтного уплотнения, выполненных с возможностью взаимодействия через зазор с элементами неподвижного торца лопатки направляющего аппарата статора, обеспечивающего взаимодействие с указанным диском первой ступени ротора по рабочему телу.

11. Диск первой ступени вала ротора компрессора низкого давления стационарного газотурбинного двигателя, имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, в которой размещены рабочие лопатки ротора, имеющие хвостовик и перо с продольной осью, а вал выполнен полым, барабанно-дисковой конструкции с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой и сообщен с турбиной низкого давления с возможностью передачи крутящего момента, характеризующийся тем, что диск выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в усиленное ступицей полотно с центральным отверстием, при этом радиус диска R_д от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна составляет (0,42÷0,61) от радиуса R_п.ч. периферийного контура проточной части в указанной плоскости; причем обод диска асимметрично соединен с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок и выполнен выходящим в проточную часть с образованием внутреннего контура последней на осевой длине первой ступени вала ротора и силового объединения с ободом диска последующей ступени, при этом внешняя поверхность обода выполнена с углом наклона образующей относительно оси вала ротора, совпадающим с углом наклона образующей внутреннего контура проточной части, радиус которого монотонно изменяется в сторону потока рабочего тела с градиентом радиального расширения G_об, определенным в диапазоне
,
где R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска, B_об - осевая ширина обода; причем обод диска со стороны, обращенной к проточной части, на участке осевой ширины, соизмеримой с проекцией ширины пера на условную осевую плоскость, проходящую через ось вала ротора и совмещенную с продольной осью пера лопатки, снабжен системой пазов для хвостовиков лопаток, равномерно разнесенных по периметру диска.

12. Диск первой ступени ротора компрессора низкого давления по п. 11, отличающийся тем, что продольная ось подошвы каждого из пазов образует с осью вала ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к продольной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(16,8÷24,1)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=N/2π=(5,1÷6,8) [ед/рад], где N - число пазов в ободе диска, и выполнены с взаимно наклонными боковыми гранями, имеющими в поперечном сечении конфигурацию элемента замкового соединения с хвостовиком лопатки.

13. Диск первой ступени ротора компрессора низкого давления по п. 12, отличающийся тем, что фронтальная по ходу потока рабочего тела полка обода диска снабжена в подошве каждого паза сквозным отверстием для пропуска фиксатора хвостовика лопатки.

14. Диск первой ступени ротора компрессора низкого давления по п. 11, отличающийся тем, что замковое соединение пазов обода диска с хвостовиками выполнено по типу «ласточкин хвост».

15. Диск первой ступени ротора компрессора низкого давления по п.11, отличающийся тем, что полотно с фронтальной стороны диска в зоне, примыкающей к ободу, снабжено расположенным под ним коническим кольцевым элементом, выполненным для силового соединения с коническим элементом цапфы для передачи радиальных и осевых усилий на элементы передней опоры ротора, при этом конический кольцевой элемент выполнен с углом β наклона образующей к оси вала ротора, превышающим угол φ наклона образующей внешней поверхности обода на величину Δ, равную Δ=(β-φ), определенную в диапазоне Δ=(39÷47)°.

16. Диск первой ступени ротора компрессора низкого давления по п. 11, отличающийся тем, что тыльная по ходу потока рабочего тела полка обода диска развита и выполнена выступающей за габарит пера рабочей лопатки диска первой ступени на ширину, достаточную для размещения в указанной полке элементов лабиринтного уплотнения, выполненных с возможностью взаимодействия через зазор с элементами неподвижного торца лопатки направляющего аппарата статора, обеспечивающего взаимодействие с указанным диском первой ступени ротора по рабочему телу.

17. Диск первой ступени вала ротора компрессора низкого давления стационарного газотурбинного двигателя, имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, в которой размещены рабочие лопатки ротора, имеющие хвостовик и перо с продольной осью, а вал выполнен полым, барабанно-дисковой конструкции с расположенной внутри него осевой шлицевой трубой и сообщен с турбиной низкого давления с возможностью передачи крутящего момента, характеризующийся тем, что диск выполнен в виде моноэлемента, включающего обод, переходящий в усиленное ступицей полотно с центральным отверстием, при этом обод асимметрично соединен с полотном диска с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок и выполнен выходящим в проточную часть с образованием внутреннего контура последней на осевой длине первой ступени вала ротора и силового объединения с ободом диска последующей ступени, причем обод диска со стороны, обращенной к проточной части, на участке осевой ширины, соизмеримой с проекцией ширины пера на условную осевую плоскость, проходящую через ось вала ротора и совмещенную с продольной осью пера лопатки, снабжен системой пазов для хвостовиков лопаток, при этом продольная ось подошвы каждого из пазов образует с осью вала ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к продольной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(16,8÷24,1)°, а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=N/2π=(5,1÷6,8) [ед/рад], где N - число пазов в ободе диска, и выполнены с взаимно наклонными боковыми гранями, имеющими в поперечном сечении конфигурацию элемента замкового соединения с хвостовиком лопатки, кроме того, тыльная по ходу потока рабочего тела полка обода диска выполнена выступающей за габарит пера рабочей лопатки диска первой ступени на ширину, достаточную для размещения в указанной полке элементов лабиринтного уплотнения, выполненных с возможностью взаимодействия через зазор с элементами неподвижного торца лопатки направляющего аппарата статора, обеспечивающего взаимодействие с указанным диском первой ступени ротора по рабочему телу.

18. Диск первой ступени ротора компрессора низкого давления по п. 17, отличающийся тем, что радиус диска R_д от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна составляет (0,42÷0,61) от радиуса R_п.ч. периферийного контура проточной части в указанной плоскости.

19. Диск первой ступени ротора компрессора низкого давления по п. 17, отличающийся тем, что замковое соединение пазов обода диска с хвостовиками выполнено по типу «ласточкин хвост».

20. Диск первой ступени ротора компрессора низкого давления по п. 17, отличающийся тем, что полотно с фронтальной стороны диска в зоне, примыкающей к ободу, снабжено расположенным под ним коническим кольцевым элементом, выполненным для силового соединения с коническим элементом цапфы для передачи радиальных и осевых усилий на элементы передней опоры ротора, при этом конический кольцевой элемент выполнен с углом β наклона образующей к оси вала ротора, превышающим угол φ наклона образующей внешней поверхности обода на величину Δ, равную Δ=(β-φ), определенную в диапазоне Δ=(39÷47)°.

21. Диск первой ступени ротора компрессора низкого давления по п. 17, отличающийся тем, что внешняя поверхность обода выполнена с углом наклона образующей относительно оси вала ротора, совпадающим с углом наклона образующей внутреннего контура проточной части, радиус которого монотонно изменяется в сторону потока рабочего тела с градиентом радиального расширения G_об, определенным в диапазоне
,
где R_max и R_min - максимальный и минимальный радиусы внешней поверхности обода диска, B_об - осевая ширина обода.