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

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

Известно рабочее колесо осевого компрессора двигателя, которое состоит из лопаток, имеющих профилированное перо и хвостовик, а также дисков, имеющих обод, полотно и ступицу. Каждое рабочее колесо снабжено двумя дисками. Оба диска соединены между собой с помощью кольцевого бурта первого диска и посадочного пояска с отверстиями в полотне второго диска. Хвостовик рабочей лопатки выполнен в виде полки с ребрами жесткости на ее внутренней стороне. Полки имеют на переднем и заднем торцах по потоку клиновидные кольцевые выступы. На ободах дисков рабочих колес выполнены ответные 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).

Известно рабочее колесо осевого компрессора двигателя, содержащее диск, лопатки с хвостовиком, средство осевой фиксации лопаток в замковом соединении типа «ласточкин хвост». На боковых контактных гранях хвостовиков лопаток выполнены фаски по хорде, меньшей радиуса округления. Средство осевой фиксации лопаток выполнено в виде разрезного кольца и прорезей под разрезное кольцо в упорном выступе диска и хвостовике лопаток. Величина радиуса округления и фаски выбраны из расчета предельной нормативной прочности (RU 2476729 C1, опубл. 27.02.2013).

Известно рабочее колесо осевого компрессора, которое состоит из диска компрессора с установленными на нем рабочими лопатками, включающими перо и хвостовик. Хвостовик лопатки расположен горизонтально, а перо соединено с хвостовиком через промежуточный элемент - ножку. Лопатки на диске установлены под углом к потоку рабочего тела (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 непроработанность 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 рабочего колеса третьей 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.

Задача, решаемая изобретением, состоит в разработке рабочего колеса ротора компрессора низкого давления газотурбинного двигателя (ГТД) 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 третьей ступени, подачи воздушного потока в последующую ступень КНД при повышении запасов ГДУ на всех режимах работы двигателя и ресурса без увеличения материалоемкости.

Поставленная задача в части рабочего колеса по первому варианту решается тем, что рабочее колесо ротора, включающего вал барабанно-дисковой конструкции компрессора низкого давления газотурбинного двигателя, имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, согласно изобретению выполнено в качестве рабочего колеса третьей ступени вала ротора, содержит диск в виде моноэлемента, включающего ступицу с центральным отверстием, полотно и обод, а также лопатки, имеющие каждая хвостовик и перо с профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой, сопряженными входной и выходной кромками; при этом радиус диска R_д от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна составляет (0,59÷0,84) от радиуса R_п.ч. периферийного контура проточной части в указанной плоскости, при этом обод диска соединен с полотном с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок и выполнен выходящим в проточную часть с образованием внутреннего контура последней на осевой длине третьей ступени вала ротора и силового объединения через проставки с дисками предшествующей и последующей ступеней, 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, продольная ось каждого из которых образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к продольной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(17÷25)° [град], а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(7,7÷10,6) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении, с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки, 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_у.т., равным

,

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

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 встречно наклонены одна к другой с образованием углов Υ между боковой гранью и подошвой паза Υ=(56÷80)°, при этом переход от боковой грани к подошве выполнен плавным с постоянным или переменным радиусом в поперечном сечении.

Тыльная полка обода диска может быть выполнена выступающей за габарит пера лопатки на ширину, достаточную для контакта и неразъемного силового соединения через кольцевую проставку с полотном последующего диска четвертой ступени, а для разъемного соединения через проставку с диском предшествующей ступени в полотне диска под ободом выполнены отверстия под крепежные элементы, разнесенные по окружности с угловой частотой (5,3÷7,9) [ед/рад].

Полотно диска может быть снабжено с тыльной стороны по ходу рабочего тела кольцевым коническим элементом для силового соединения с ответным коническим элементом цапфы задней опоры вала ротора, при этом конический элемент выполнен с наклоном образующей к оси вала ротора под углом β, составляющим не менее 48°.

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

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.

Хвостовик лопатки может быть 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.

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 третьей ступени КНД с уменьшением радиуса в направлении потока рабочего тела с высотой, достаточной для беспрепятственного вращения лопатки рабочего колеса в составе ротора КНД двигателя.

Поставленная задача в части рабочего колеса по второму варианту решается тем, что рабочее колесо ротора, включающего вал барабанно-дисковой конструкции компрессора низкого давления газотурбинного двигателя, имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, согласно изобретению выполнено в качестве рабочего колеса третьей ступени вала ротора, содержит диск в виде моноэлемента, включающего ступицу с центральным отверстием, полотно и обод, а также лопатки, имеющие каждая хвостовик и перо с профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой, сопряженными входной и выходной кромками; при этом радиус диска R_д от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна составляет (0,59÷0,84) от радиуса R_п.ч. периферийного контура проточной части в указанной плоскости, при этом обод диска соединен с полотном с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок и выполнен выходящим в проточную часть с образованием внутреннего контура последней на осевой длине третьей ступени вала ротора и силового объединения через проставки с дисками предшествующей и последующей ступеней, кроме того, 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 равномерно разнесенных по периметру диска пазов для установки хвостовиков лопаток, число которых принято от 48 до 66 лопаток, при этом пазы выполнены с взаимно наклонными боковыми гранями, имеющими в поперечном сечении конфигурацию элемента замкового соединения с хвостовиком лопатки, причем 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 , а в периферийном сечении значение , при этом угол γ_уст установки профиля пера выполнен убывающим по высоте лопатки с градиентом G_у.п. изменения угла γ_уст., имеющим значения в диапазоне

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.

При этом конфигурация поперечного сечения каждого паза в ободе диска может быть выполнена под замковое соединение с хвостовиком по типу «ласточкин хвост», при этом продольная ось каждого из которых образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к продольной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(17÷25)° [град], а базовые поверхности боковых граней паза встречно наклонены одна к другой с образованием углов Υ между боковой гранью и подошвой паза Υ=(56÷80)°, при этом переход от боковой грани к подошве выполнен плавным с постоянным или переменным радиусом в поперечном сечении.

Тыльная полка обода диска может быть выполнена выступающей за габарит пера лопатки на ширину, достаточную для контакта и неразъемного силового соединения через кольцевую проставку с полотном последующего диска четвертой ступени, а для разъемного соединения через проставку с диском предшествующей ступени в полотне диска под ободом выполнены отверстия под крепежные элементы, разнесенные по окружности с угловой частотой (5,3÷7,9) [ед/рад].

Полотно диска может быть снабжено с тыльной стороны по ходу рабочего тела кольцевым коническим элементом для силового соединения с ответным коническим элементом цапфы задней опоры вала ротора, при этом конический элемент выполнен с наклоном образующей к оси вала ротора под углом β, составляющим не менее 48°.

Перо лопатки может быть выполнено переменной по ширине и высоте пера толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот спинки и корыта относительно хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки, при этом максимальная толщина профиля пера лопатки выполнена наибольшей в корневом сечении и убывающей по высоте пера к периферийному торцу с градиентом G_у.т., равным

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

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

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.

Хвостовик лопатки может быть 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.

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 третьей ступени КНД с уменьшением радиуса в направлении потока рабочего тела с высотой, достаточной для беспрепятственного вращения лопатки рабочего колеса в составе ротора КНД двигателя.

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

Сущность изобретения поясняется чертежами,

где на фиг. 1 изображено рабочее колесо третьей ступени вала ротора КНД, продольный разрез;

на фиг. 2 - фрагмент рабочего колеса третьей ступени вала ротора КНД, фронтальная проекция;

на фиг. 3 - фрагмент обода диска рабочего колеса третьей ступени, фронтальная проекция.

на фиг. 4 - перо лопатки рабочего колеса третьей ступени, поперечный разрез;

на фиг. 5 - лопатка рабочего колеса третьей ступени, вид сверху;

на фиг. 6 - паз обода диска третьей ступени вала ротора КНД, продольный разрез.

Рабочее колесо ротора, включающего вал барабанно-дисковой конструкции компрессора низкого давления газотурбинного двигателя, имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, выполнено в качестве рабочего колеса третьей ступени вала ротора.

Рабочее колесо третьей ступени содержит диск 1 в виде моноэлемента, включающего ступицу 2 с центральным отверстием 3, полотно 4 и обод 5, а также лопатки 6. Каждая лопатка 6 включает хвостовик 7 и перо 8 с профилем, образованным вогнутым корытом 9 и выпуклой спинкой 10, сопряженными входной и выходной кромками 11 и 12.

Обод 5 диска соединен с полотном 4 с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок - фронтальной полки 13 и тыльной полки 14. Обод 5 диска выполнен выходящим в проточную часть с образованием внутреннего контура последней на осевой длине третьей ступени вала ротора и силового объединения через проставки с дисками предшествующей и последующей ступеней.

Радиус диска R_д от оси до внешней поверхности 15 обода 5 в средней плоскости полотна 4 составляет (0,59÷0,84) от радиуса R_п.ч. периферийного контура проточной части в указанной плоскости.

Обод 5 диска со стороны, обращенной к проточной части, на участке осевой ширины, соизмеримой с проекцией ширины пера 8 на условную осевую плоскость, проходящую через ось 16 вала ротора и совмещенную с продольной осью пера 8 лопатки 6, снабжен системой пазов 17 для хвостовиков 7 лопаток. Продольная ось подошвы 18 каждого из пазов 17 образует с осью 16 вала ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к продольной оси пера 8 лопатки, угол α установки хвостовика 7 лопатки, определенный в диапазоне значений α=(174÷25)°. Пазы 17 равномерно разнесены по периметру диска 1 с угловой частотой

где N - число пазов в ободе диска.

Пазы 17 выполнены с взаимно наклонными боковыми гранями 19, имеющими в поперечном сечении конфигурацию элемента замкового соединения с хвостовиком 7 лопатки по типу «ласточкин хвост». Базовые поверхности боковых граней 19 паза 17 встречно наклонены одна к другой с образованием углов между боковой гранью 19 и подошвой 18 паза Υ=(56÷80)°. Переход от боковой грани 19 к подошве 18 выполнен плавным с постоянным или переменным радиусом в поперечном сечении.

Перо 8 лопатки выполнено со спиральной закруткой относительно оси пера, создающей переменный по высоте пера угол γ_уст установки профиля пера 8, определенный как угол между общей касательной, соединяющей входную и выходную кромки 11 и 12, образуя хорду 20 профиля, и фронтальной линией 21 решетки профилей в плоской развертке цилиндрического сечения лопаточного венца, имеющий в корневом сечении пера значение , а в периферийном сечении значение . В качестве оси пера 8 лопатки 6 принята продольная ось профиля пера, совпадающая с осью закрутки профиля.

Угол γ_уст установки профиля пера 8 выполнен убывающим по высоте лопатки с градиентом G_у.п изменения угла γ_уст., имеющим значения в диапазоне

,

где γ_{уст. к} - угол установки профиля в корневом сечении пера лопатки; γ_{усх. п} - то же, в периферийном сечении пера лопатки; Н_ср - средняя высота пера лопатки.

Перо 8 лопатки выполнено переменной по ширине и высоте пера толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот спинки 10 и корыта 9 относительно хорды 20, соединяющей входную и выходную кромки 11 и 12 пера 8 лопатки. Максимальная толщина профиля пера 8 лопатки выполнена наибольшей в корневом сечении и убывающей по высоте пера 8 к периферийному торцу 22 с градиентом G_у.т., равным

,

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

Кроме того, входная и выходная кромки 11 и 12 пера 8 лопатки выполнены парусно расходящимися к периферийному торцу 22 лопатки с градиентом G_у.х увеличения соединяющей их хорды 20, равным

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.

Тыльная полка 14 обода 4 диска выполнена выступающей за габарит пера 8 лопатки на ширину, достаточную для контакта и неразъемного силового соединения через кольцевую проставку с полотном последующего диска четвертой ступени. Для разъемного соединения через проставку с диском предшествующей ступени в полотне 4 диска 1 под ободом 5 выполнены отверстия 23 под крепежные элементы, разнесенные по окружности с угловой частотой (5,3÷7,9) [ед/рад].

Полотно 4 диска 1 снабжено с тыльной стороны по ходу рабочего тела кольцевым коническим элементом 24 для силового соединения с ответным коническим элементом цапфы задней опоры вала ротора. Конический элемент 24 выполнен с наклоном образующей к оси 16 вала ротора под углом β, составляющим не менее 48°.

Хвостовик 7 каждой лопатки 6 снабжен канавкой 25 для фиксации лопатки в диске 1 от смещения хвостовика вдоль оси паза 17 разрезным контровочным кольцом.

Перо 8 лопатки выполнено с корытом 9, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора против часовой стрелки (вид по н.п. - направлению полета) и со спинкой 10 пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и в направлении вращения часовой стрелки.

Вариантно перо 8 лопатки выполнено с корытом 9, обращенным вогнутостью в сторону вращения ротора по часовой стрелке (вид по н.п.) и со спинкой 10 пера, обращенной выпуклостью в сторону против вращения ротора и против направления вращения часовой стрелки (вид по н.п.).

Периферийный торец 22 пера 8 лопатки выполнен скошенным с повторением кривизны внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне третьей ступени КНД с уменьшением радиуса в направлении потока рабочего тела с высотой, достаточной для беспрепятственного вращения лопатки 6 рабочего колеса в составе ротора КНД двигателя.

Пример реализации изобретения.

Рабочее колесо третьей ступени КНД ГТД состоит из диска 1 и установленных на нем рабочих лопаток 6. Диск третьей ступени изготавливают объемной штамповкой из поковки в виде моноэлемента, включающего выполненные за одно целое массивную ступицу 2, полотно 4 и обод 5. Профили полотна 4 и ступицы 2 формируют обтачиванием заготовки с последующей полировкой.

Изготовленный диск имеет следующие геометрические параметры: габаритная ширина ступицы 25 мм; диаметр центрального отверстия ступицы 150 мм; средняя толщина полотна 5 мм; ширина обода 43 мм; минимальный и максимальный диаметры внешней поверхности обода диска 509 мм и 517 мм соответственно; угол наклона внешней поверхности 9 обода 4 диска 6°.

Лопатку рабочего колеса третьей ступени ротора КНД ГТД поэтапно изготавливают из прутка авиационного сплава. На первом этапе отрезают фрагмент прутка требуемой длины, из которого электровысадкой с последующей механической обработкой выполняют заготовку лопатки с локальным утолщением на участке расположения хвостовика 7. 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 10 пера 8 лопатки. Рабочая поверхность другой полуматрицы штампа включает участок, форма которого выполнена ответной пространственной поверхности корыта 9 пера 8 лопатки. После чего лопатку подвергают механической обработке, включая обдирку облоя фрезерованием, протягивание хвостовика 7. Доводку обтекаемых поверхностей профилей пера 8 производят фрезерованием с последующей полировкой. Изготовленная таким образом лопатка состоит из объединенных в одно целое пера 8 с хвостовиком 7 и выполнена как сегмент сборного кольца лопаточного венца рабочего колеса третьей 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=4,7 мм; длина хорды пера - 40,4 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 68,1°;

- в периферийном сечении профиль пера лопатки выполнен с максимальной толщиной профиля C_max=2,14 мм; длина хорды пера принята 48,2 мм; угол γ_уст.п установки профиля пера составляет 21,9°;

- средняя высота Н_ср профиля пера составляет 96 мм.

На внешней стороне обода 5 диска 1 выполняют протягиванием замковые пазы 17 для крепления лопаток 6 путем установки хвостовика 7 в пазу 17 обода 5 диска. В рабочем колесе третьей ступени устанавливают 57 лопаток. Пазы 17 выполнены со следующими геометрическими параметрами: угол наклона контактных поверхностей с хвостовиком лопатки к донной плоскости паза составляет 70°; ширина основания паза 20 мм.

Лопатки 6 удерживают от перемещения в радиальном направлении от действия центробежных сил при помощи контактных выступов замка типа «ласточкин хвост». Каждую лопатку 6 удерживают в диске 1 от перемещения в направлении протяжки паза 17 с помощью разрезного кольца.

Таким образом, рабочее колесо третьей ступени имеет следующие геометрические параметры: минимальный и максимальный диаметры внутренней поверхности рабочего колеса 509 мм и 517 мм; аналогично периферийной поверхности рабочего колеса 706 мм и 703 мм; максимальная ширина третьей ступени ротора 43 мм.

В процессе работы ГТД диск 1 рабочего колеса третьей ступени приводится во вращение путем передачи крутящего момента от турбины низкого давления (ТНД) через барабанно-дисковую конструкцию вала ротора КНД с включением в работу лопаток 6 рабочего колеса. В результате чего происходит нагнетание воздушного потока в КНД. На вогнутой поверхности в виде корыта 9 пера 8 каждой лопатки 6 создается зона повышенного давления, а на выпуклой поверхности, образующей спинку 10 пера 8, создается при этом зона пониженного давления, усиливающая образование направленного воздушного потока. Вращающиеся лопатки 6 рабочего колеса ротора передают энергию воздушному потоку, направляя сжимаемый поток на лопатки статора третьей ступени, и после выравнивания в последнем поток поступает в последующие ступени КНД. Одновременно диск 1 воспринимает центробежные нагрузки и через конический кольцевой элемент 24 и тыльную полку 14 обода 5 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 третьей ступени ротора КНД, а именно радиальных параметров диска, геометрической конфигурации обода 5 с разноплечими кольцевыми полками 13 и 14, принятого сочетания тонкого полотна 4 и осевой ширины ступицы 2, компенсирующей ослабление полотна 4 диска центральным отверстием 3, что приводит к снижению материалоемкости и повышению максимальных допустимых усилий в элементах диска. Диаметр отверстия 3 в ступице 2 принят достаточным для свободного пропуска шлицевой трубы при монтаже и ремонтных операциях сборки компрессора.

Функциональное назначение диска третьей 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 (0,594÷0,84) от радиуса R_п.ч. периферийного контура проточной части 2 двигателя. Выход за указанный диапазон в область отношений (R_д/R_п.ч)<0,59 приводит к неоправданному завышению материалоемкости лопаток рабочего колеса, перегруженности диска крутящим моментом от ТНД, рассогласованию с аэродинамической работой предшествующих и последующей 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)>0,84 недопустимо снизит площадь входного сечения проточной части и расход рабочего тела в зоне третьей ступени компрессора, уменьшит мощность двигателя и запас ГДУ при неоправданном повышении материалоемкости диска.

На внешней стороне обода 5 диска выполняют протягиванием систему пазов 17 для закрепления лопаток. Пазы 17 расположены под углом α к оси вала 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 третьей 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 17 диске лопаток рабочего колеса третьей ступени ротора компрессора с результирующей потерей ГДУ. При увеличении угла α>25° отклонения оси паза 17 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 17 равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Υ_п=(7,7÷10,6) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении с гранями 19, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки. Технический результат изобретения обеспечивают при насыщении лопаточного венца количеством лопаток 6 и соответственно пазов 17 на диске для закрепления хвостовиков лопаток, располагаемых с угловой частотой, принимаемой из диапазона, найденного в изобретении. При уменьшении числа лопаток и соответственно пазов 17 на ободе диска ниже нижнего предела указанного диапазона Υ_п<7,7 [ед/рад] нарастает отставание потока от вращения лопаточного венца и возрастает риск потери ГДУ в указанной ступени компрессора. Превышение верхней границы указанного диапазона Υ_п>10,6 [ед/рад] и соответствующем увеличении числа лопаток в лопаточном венце, образуемом на диске третьей ступени, приводит к неоправданному ухудшению кпд и риску преждевременного запирания потока рабочего тела лопаточным венцом.

Аналогичные процессы имеют место с получением положительного результата при соблюдении и отрицательного при выходе за пределы найденных в группе изобретений границ диапазона градиентов угла γ между соединяющей входную и выходную кромки 11 и 12 профиля хордой 20 и фронтальной линией 21 решетки лопаточного венца, составляющего в корневом сечении и в периферийном сечении значение , а также найденных в изобретении границ диапазонов градиентов по высоте Н_ср пера 8 лопатки. При выполнении трехмерного профиля пера 8 лопатки со значениями градиента существенно ограничивается диапазон ГДУ работы КНД, падает кпд ступени и возрастает риск аварийно опасного срыва потока воздушного потока с выпуклой спинки 10 пера лопатки с результирующей потерей ГДУ. Увеличение отношения разности углов установки хорды 20 пера 8 по высоте лопатки до значений градиента G_у.п, превышающих верхний предел , приводит к недопустимому уменьшению угла раскрытия периферийного участка пера 8 лопатки, что в свою очередь приводит к снижению кпд, негативному уменьшению диапазона ГДУ компрессора и недопустимому рассогласованию работы третьей ступени ротора с предыдущими и последующей ступенями КНД.

Градиент G_у.х увеличения хорды 20 пера 8 лопатки 6 по средней высоте H_ср пера 8 лопатки характеризует парусность пера, образованную в результате углового расхождения входной и выходной боковых кромок 11 и 12 пера 8 от втулки до периферийного торца 22. Парусность пера 8 по высоте лопатки спрофилирована по упомянутому градиенту G_x углового расширения хорды 20 пера с заявленным диапазоном , при котором обеспечивается получение технического результата изобретения. Уменьшение отношения разности длин периферийной и корневой хорд пера 8 к средней высоте H_ср пера приводит к образованию недостаточной густоты заполнения периферийного кольцевого участка площади поперечного сечения проточной части лопаточного венца периферийными участками пера 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 10 пера лопатки. Увеличение приводит к неоправданному увеличению потерь от трения потока о профиль пера лопатки и к снижению кпд компрессора.

Технический результат повышения ресурса рабочего колеса в два раза достигается при соблюдении условия соотношения разности толщин к средней высоте пера 8 лопатки, принимаемого в пределах найденного в изобретении указанного диапазона значений градиента за счет обеспечения требуемой статической и динамической жесткости при оптимальной материалоемкости профиля пера 8 лопатки. При значениях градиента 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 требуемое повышение ресурса лопатки не достигается из-за снижения динамической прочности в процессе эксплуатации компрессора вследствие неоправданного возрастания параметров изгибных колебаний профиля пера 8 при недопустимом уменьшении максимальной толщины профиля в наиболее нагруженной периферийной части длины пера лопатки.

Кроме того, полотно 4 снабжено коническим кольцевым элементом 24, выполненным с углом β наклона образующей к геометрической оси диска, составляющим не менее 48°. Выполнение угла β обеспечивает оптимальное повышение объемной жесткости соединения полотна 4 с конической диафрагмой и ресурса диска в условиях многократных изгибно-крутильных нагружений в процессе эксплуатации компрессора, обеспечивает необходимую компактность узла без увеличения материалоемкости диска. Выполнение угла β<48° привело бы к неоправданному увеличению осевых габаритов и повышению материалоемкости конической диафрагмы как переходного элемента задней опоры диска, не оказывая положительного влияния на технический результат изобретения.

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

Изобретение относится к области авиадвигателестроения. Рабочее колесо третьей ступени вала ротора КНД ГТД содержит диск, включающий ступицу с центральным отверстием, полотно и обод, а также лопатки, имеющие каждая хвостовик и перо с профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой. Обод диска соединен с полотном с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок. Радиус диска R_д от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна составляет (0,59÷0,84) от радиуса R_п.ч. периферийного контура проточной части в указанной плоскости. Обод диска снабжен равномерно разнесенной 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=(17÷25)°. Лопатка выполнена с переменным по высоте пера углом установки профиля пера относительно фронтальной линии решетки профилей лопаточного венца, убывающим с радиальным удалением от оси ротора с градиентом . Кроме того, 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

. Изобретение позволяет повысить КПД и увеличить запас газодинамической устойчивости на всех режимах работы компрессора при повышении ресурса рабочего колеса ротора КНД без увеличения материалоемкости. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Рабочее колесо ротора, включающего вал барабанно-дисковой конструкции компрессора низкого давления (КНД) газотурбинного двигателя (ГТД), имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, характеризующееся тем, что выполнено в качестве рабочего колеса третьей ступени вала ротора, содержит диск в виде моноэлемента, включающего ступицу с центральным отверстием, полотно и обод, а также лопатки, имеющие каждая хвостовик и перо с профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой, сопряженными входной и выходной кромками, при этом радиус диска R_д от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна составляет (0,59÷0,84) от радиуса R_п.ч. периферийного контура проточной части в указанной плоскости, при этом обод диска соединен с полотном с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок и выполнен выходящим в проточную часть с образованием внутреннего контура последней на осевой длине третьей ступени вала ротора и силового объединения через проставки с дисками предшествующей и последующей ступеней, 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, продольная ось каждого из которых образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к продольной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(17÷25)° [град], а пазы равномерно разнесены по периметру диска с угловой частотой Y_п=(7,7÷10,6) [ед/рад] и выполнены в поперечном сечении с боковыми гранями, образующими элемент замкового соединения с хвостовиком лопатки, 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_у.т., равным
G_у.т.=(С_к-С_п)/Н_ср=(2,17÷3,12)·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.

2. Рабочее колесо ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающееся 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 встречно наклонены одна к другой с образованием углов Y между боковой гранью и подошвой паза Y=(56÷80)°, при этом переход от боковой грани к подошве выполнен плавным с постоянным или переменным радиусом в поперечном сечении.

3. Рабочее колесо ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающееся тем, что тыльная полка обода диска выполнена выступающей за габарит пера лопатки на ширину, достаточную для контакта и неразъемного силового соединения через кольцевую проставку с полотном последующего диска четвертой ступени, а для разъемного соединения через проставку с диском предшествующей ступени в полотне диска под ободом выполнены отверстия под крепежные элементы, разнесенные по окружности с угловой частотой (5,3÷7,9) [ед/рад].

4. Рабочее колесо ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающееся тем, что полотно диска снабжено с тыльной стороны по ходу рабочего тела кольцевым коническим элементом для силового соединения с ответным коническим элементом цапфы задней опоры вала ротора, при этом конический элемент выполнен с наклоном образующей к оси вала ротора под углом β, составляющим не менее 48°.

5. Рабочее колесо ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающееся тем, что входная и выходная кромки пера выполнены парусно расходящимися к периферийному торцу лопатки с градиентом G_y.х. увеличения соединяющей их хорды, равным
G_y.x.=(L_п.x.-L_к.x.)/H_cp=(7,9÷11,4)·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.

6. Рабочее колесо ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающееся 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.

7. Рабочее колесо ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающееся тем, что хвостовик лопатки снабжен канавкой для фиксации лопатки в диске от смещения хвостовика вдоль оси паза разрезным контровочным кольцом.

8. Рабочее колесо ротора компрессора низкого давления по п. 1, отличающееся 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.).

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

10. Рабочее колесо ротора, включающего вал барабанно-дисковой конструкции компрессора низкого давления (КНД) газотурбинного двигателя (ГТД), имеющего корпус с сужающейся от входа проточной частью, характеризующееся тем, что выполнено в качестве рабочего колеса третьей ступени вала ротора, содержит диск в виде моноэлемента, включающего ступицу с центральным отверстием, полотно и обод, а также лопатки, имеющие каждая хвостовик и перо с профилем, образованным вогнутым корытом и выпуклой спинкой, сопряженными входной и выходной кромками, при этом радиус диска R_д от оси до внешней поверхности обода в средней плоскости полотна составляет (0,59÷0,84) от радиуса R_п.ч. периферийного контура проточной части в указанной плоскости, при этом обод диска соединен с полотном с образованием разноплечих кольцевых конических наклонных полок и выполнен выходящим в проточную часть с образованием внутреннего контура последней на осевой длине третьей ступени вала ротора и силового объединения через проставки с дисками предшествующей и последующей ступеней, кроме того, 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 равномерно разнесенных по периметру диска пазов для установки хвостовиков лопаток, число которых принято от 48 до 66 лопаток, при этом пазы выполнены с взаимно наклонными боковыми гранями, имеющими в поперечном сечении конфигурацию элемента замкового соединения с хвостовиком лопатки, причем 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.=(64,1÷72,1)°, а в периферийном сечении значение γ_уст.п=(17,9÷25,9)°, при этом угол γ_уст установки профиля пера выполнен убывающим по высоте лопатки с градиентом G_у.п. изменения угла γ_уст., имеющим значения в диапазоне
G_у.п.=(γ_уст.к.-γ_уст.п)/Н_ср=(208,7÷300,0) [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.

11. Рабочее колесо ротора компрессора низкого давления по п. 9, отличающееся тем, что конфигурация поперечного сечения каждого паза в ободе диска выполнена под замковое соединение с хвостовиком по типу «ласточкин хвост», при этом продольная ось каждого из которых образует с осью ротора в проекции на условную осевую плоскость, нормальную к продольной оси пера лопатки, угол α установки хвостовика лопатки, определенный в диапазоне значений α=(17÷25)° [град], а базовые поверхности боковых граней паза встречно наклонены одна к другой с образованием углов Y между боковой гранью и подошвой паза Y=(56÷80)°, при этом переход от боковой грани к подошве выполнен плавным с постоянным или переменным радиусом в поперечном сечении.

12. Рабочее колесо ротора компрессора низкого давления по п. 10, отличающееся тем, что тыльная полка обода диска выполнена выступающей за габарит пера лопатки на ширину, достаточную для контакта и неразъемного силового соединения через кольцевую проставку с полотном последующего диска четвертой ступени, а для разъемного соединения через проставку с диском предшествующей ступени в полотне диска под ободом выполнены отверстия под крепежные элементы, разнесенные по окружности с угловой частотой (5,3÷7,9) [ед/рад].

13. Рабочее колесо ротора компрессора низкого давления по п. 10, отличающееся тем, что полотно диска снабжено с тыльной стороны по ходу рабочего тела кольцевым коническим элементом для силового соединения с ответным коническим элементом цапфы задней опоры вала ротора, при этом конический элемент выполнен с наклоном образующей к оси вала ротора под углом β, составляющим не менее 48°.

14. Рабочее колесо ротора компрессора низкого давления по п. 10, отличающееся тем, что перо лопатки выполнено переменной по ширине и высоте пера толщиной, определяемой в поперечном сечении как разность высот спинки и корыта относительно хорды, соединяющей входную и выходную кромки пера лопатки, 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=(2,17÷3,12)·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.

15. Рабочее колесо ротора компрессора низкого давления по п. 10, отличающееся тем, что входная и выходная кромки пера выполнены парусно расходящимися к периферийному торцу лопатки с градиентом G_y.х. увеличения соединяющей их хорды, равным
G_y.x.=(L_п.x.-L_к.x.)/H_cp=(7,9÷11,4)·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.

16. Рабочее колесо ротора компрессора низкого давления по п. 10, отличающееся тем, что хвостовик лопатки снабжен канавкой для фиксации лопатки в диске от смещения хвостовика вдоль оси паза разрезным контровочным кольцом.

17. Рабочее колесо ротора компрессора низкого давления по п. 10, отличающееся 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.

18. Рабочее колесо ротора компрессора низкого давления по п. 10, отличающееся 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.).

19. Рабочее колесо ротора компрессора низкого давления по п. 10, отличающееся тем, что периферийный торец пера лопатки выполнен скошенным с повторением кривизны внутренней поверхности проточной части двигателя в зоне третьей ступени КНД с уменьшением радиуса в направлении потока рабочего тела с высотой, достаточной для беспрепятственного вращения лопатки рабочего колеса в составе ротора КНД двигателя.